Teses de doutoramento

Um dos principais problemas e interesses da engenharia sísmica é a caracterização da acção sísmica, envolvendo a estimativa da intensidade, conteúdo em frequência, duração e variabilidade espacial dos movimentos intensos do solo mais gravosos, em termos dos seus efeitos nas estruturas, que pode ocorrer num local. O presente trabalho de investigação desenvolve e aplica a metodologia estocástica e técnicas de modelação de fonte–finita, com parâmetros devidamente identificados, sustentados teoricamente e avaliados regionalmente, para uma adequada descrição dos movimentos sísmicos intensos para Portugal Continental. Quantificam-se os parâmetros regionais, que caracterizam os processos envolvidos nos fenómenos de geração e propagação das ondas sísmicas, com base na análise dos registos da rede acelerográfica nacional. Aplica-se a metodologia estocástica de falha-finita na simulação de dois eventos instrumentais que se sentiram em Portugal Continental e Itália e ao sismo histórico de 1 de Novembro de 1755. Estuda-se a relevância dos fenómenos de ruptura de falhas na avaliação do risco sísmico. Estimam-se leis de atenuação espectrais adaptadas às características do território continental. A caracterização da acção sísmica sob a forma espectral e os consequentes modelos de atenuação desenvolvidos pretendem contribuir para a diminuição de uma das maiores incertezas na avaliação da perigosidade sísmica e risco sísmico em Portugal continental.

Desenvolve-se uma análise sociológica sobre o habitat humano, na sua dimensão de apropriação directa da natureza, e o acentuar da regulação pública exigida pelo agravamento de situações de crise e de escassez ecológica. Privilegia-se, assim, uma abordagem das interdependências entre os sistemas sociais e os naturais discriminando-se, a propósito, a expansão dos poderes públicos e a configuração de novos conflitos sob a gestão dos territórios e dos recursos naturais. A análise sociológica desenvolvida suporta-se em estudos que discriminam, nas regiões abrangidas, a ameaça dos incêndios florestais, a erosão das zonas costeiras e as alterações ambientais num estuário. Embora esta análise se inscreva no campo emergente de uma sociologia do ambiente, considera-se, no entanto, essencial a leitura dos clássicos da sociologia.

Nesta dissertação, estudou-se o comportamento electroquímico de cinco ligas austeníticas de aço inoxidável em meio alcalino, nomeadamente duas ligas de Fe-Cr-Ni (1.4301?SS0 e 1.4436?SS4) e três novas ligas de elevado teor em manganês Fe-Cr-Mn (SS1, SS2 e SS3). Os estudos incidiram na avaliação da resistência à corrosão das ligas, em soluções alcalinas e no betão, e na caracterização das propriedades dos filmes de passivação sob influências várias, designadamente, condições de estabilização (electrólito, tempo e potencial de formação do filme), composição e microestrutura das ligas, soldadura e estado da superfície do aço. O estudo da capacidade diferencial em função do potencial mostra o comportamento dos filmes de passivação como semicondutores tipo-n e tipo-p, respectivamente, para valores anódicos e catódicos relativamente aos potenciais de banda plana, possibilitando a determinação das suas propriedades electrónicas. Estas traduzem as principais diferenças dos dois grupos de ligas, sendo que as ligas de Fe-Cr-Mn mostram uma menor razão da densidade de aceitadores com a densidade total de portadores de carga, do que as ligas de Fe-Cr-Ni, e um nível de doadores profundo, cuja ionização depende do potencial aplicado. Todas as ligas revelaram uma elevada resistência à corrosão nos diferentes meios, sendo a sua estabilidade especialmente dependente do acabamento superficial do aço e da existência de condições que promovam a corrosão intersticial. A soldadura das ligas induziu a formação de picadas instáveis, cuja repassivação foi desfavorecida em duas das ligas de Fe-Cr-Mn (SS1 e SS3). A presença de fissuras no betão demonstrou a despassivação das ligas e a susceptibilidade à corrosão sob tensão da liga SS1 no betão. As propriedades dos filmes de passivação, nomeadamente as densidades dos portadores de carga, que podem ser correlacionadas com a composição e a microestrutura das ligas, justificam as diferenças no comportamento electroquímico das ligas de Fe-Cr-Ni e de Fe-Cr-Mn. Para além das diferenças promovidas pelos teores de níquel e de manganês e pela ferrite, a maior resistência à corrosão das ligas SS2 e SS4, respectivamente, quando comparadas com as restantes ligas de Fe-Cr-Ni (SS0) e Fe-Cr-Mn (SS1 e SS3), é devida à presença do molibdénio e seus eventuais efeitos sinergéticos com o crómio e azoto.

A investigação realizada nesta Tese de Doutoramento enquadra-se no âmbito do Projecto Comunitário GABARDINE, financiado pelo 6º Programa-Quadro de Investigação da União Europeia, desenvolvido no Núcleo de Águas Subterrâneas (NAS) do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). O seu objectivo consistiu por um lado, no aprofundar dos conhecimentos relativamente às metodologias de recarga artificial de aquíferos, e por outro, na possibilidade deste tipo de técnica poder ser aplicada com a finalidade de contribuir para a recuperação da qualidade de um aquífero poluído por poluição difusa. O caso de estudo seleccionado para o desenvolvimento da investigação foi a parte central do sistema aquífero da Campina de Faro. São conhecidos os problemas de qualidade da água subterrânea existentes nesse local, pelo que, passou a integrar desde 2004, a zona vulnerável de Faro, relativamente à concentração de nitratos. Outra motivação que serviu de base a este estudo, prendeu-se com a obrigatoriedade imposta pela aplicação da Directiva-Quadro da Água de poder ser alcançado o “bom estado qualitativo e quantitativo de todas as massas poluídas”, num determinado horizonte temporal, mais precisamente até 2015. A recarga artificial de águas subterrâneas apresenta-se como uma metodologia cujo contributo é determinante para alcançar esses objectivos, em termos quantitativos e qualitativos. Foram aplicadas várias metodologias de recarga artificial do aquífero superficial da Campina de Faro in situ. O principal objectivo destes ensaios foi avaliar o seu desempenho em termos de taxas de infiltração, avaliar os efeitos da sua aplicação em termos de qualidade e quantidade da água subterrânea, recorrendo a fontes de água alternativas, como serve de exemplo o escoamento superficial, e determinar parâmetros hidráulicos do aquífero, designadamente permeabilidades e velocidades de escoamento no meio subterrâneo. A informação adquirida foi incorporada num modelo de escoamento subterrâneo e de transporte de massa, que permitiu modelar a resposta do aquífero em tempo real, incorporando a aplicação de diferentes cenários e formas de realizar a sua recarga artificial. Tendo em conta a diversidade de respostas alcançadas, face ao número de cenários que se pretendam estudar, a escolha da decisão mais adequada ou as mais adequadas, sob determinados pontos de vista, pode ser auxiliada com o recurso à aplicação de Sistemas de Apoio à Decisão, considerando um vasto leque de questões ambientais e económicas às quais terá que ser dada uma resposta.

Os sismos são encarados frequentemente como desastres naturais inevitáveis. Todavia, deveriam ser considerados fenómenos naturais, cujos efeitos adversos podem ser minimizados caso se proceda a uma gestão efectiva do risco sísmico. O objectivo principal do presente trabalho de investigação é o de avaliar o risco sísmico em Portugal Continental. Sendo um tema de natureza multidisciplinar, apresentam-se e discutem-se modelos de avaliação probabilística da perigosidade sísmica e sua desagregação, de vulnerabilidade e fragilidade sísmicas de tipologias construtivas, de danos e de perdas económicas e humanas. Aplica-se a análise probabilística da perigosidade sísmica, e sua desagregação, a Portugal Continental, obtendo-se cenários modais capazes de reproduzir os níveis de perigosidade que os condicionam. Apresenta-se o inventário do parque habitacional e seus habitantes, descriminado por factores de vulnerabilidade, e classifica-se a sua vulnerabilidade segundo os modelos de dano. Procede-se à actualização e aferição de uma metodologia para simulação de cenários sísmicos, integrada num Sistema de Informação Geográfico. Avalia-se o risco sísmico, seguindo diversas abordagens, comparando-se os resultados com o risco de outros países. Construiu-se assim uma ferramenta de avaliação de perdas devidas a sismos, que constitui uma primeira contribuição para o desenvolvimento de um processo de gestão do risco sísmico aplicado ao Continente Português.

Em Portugal existe um grande número de pessoas a residir em vales a jusante de barragens. Assim, é de grande interesse prático o desenvolvimento de metodologias para apoio à gestão integrada do risco nestes vales. Segundo a bibliografia da especialidade, a gestão do risco assenta em duas acções fundamentais: a avaliação do risco e a mitigação do mesmo. O presente trabalho seguiu esta metodologia, aplicando-a a um eventual cenário real: “o risco de ocupar o território dos vales a jusante de barragens”. A dissertação divide-se em três partes. A primeira faz o enquadramento geral de todo o trabalho; contém uma exposição das causas de roturas, acidentes e incidentes, lista as principais roturas de barragens que deram origem a perda de vidas humanas e faz uma breve abordagem estatística das roturas históricas. Esta primeira parte do trabalho encerra com uma panorâmica da realidade portuguesa através da descrição e da avaliação da regulamentação nacional versando sobre os aspectos da segurança do vale a jusante e, finalmente, através da realização de um esboço do risco potencial a que estão sujeitos alguns dos vales a jusante de grandes barragens portuguesas. A segunda parte do trabalho é dedicada à avaliação do risco que surge na sequência das cheias induzidas por acidentes nas barragens. Nela, são propostos critérios para a normalização de cenários de acidente e para o zonamento do risco nos vales a jusante das barragens. Estes critérios implicam a concepção de outros que dizem respeito à perigosidade da cheia e à vulnerabilidade do vale. São desenvolvidos ou melhorados, validados e implementados quatro modelos numéricos de simulação da cheia induzida, que são instrumentos essenciais para a avaliação do risco. Um destes modelos é sujeito a um processo de validação mais completo que envolve o uso de dados obtidos por recurso ao modelo físico do vale do rio Arade, construído nas instalações do LNEC. A terceira parte do trabalho versa sobre a mitigação do risco, através de um planeamento de emergência: interno, a nível da barragem, e externo, a nível do vale a jusante. São assim definidas as metodologias e identificados os meios e recursos necessários para garantir a concretização das cinco fases consagradas de um plano de emergência: a detecção de uma situação anómala na barragem, a tomada de decisão por parte dos agentes responsáveis, a notificação entre entidades que fazem parte integrante da gestão da emergência, o aviso à população e a evacuação da mesma.

A aplicação da ventilação de impulso em parques de estacionamento cobertos tem conhecido uma grande expansão em Portugal no último decénio. Este tipo de ventilação baseia-se na utilização de um conjunto de ventiladores axiais, suspensos no tecto do parque de estacionamento, que gera um escoamento adequado para promover o varrimento entre a admissão de ar novo e a exaustão, normalmente realizada por ventiladores axiais periféricos, de forma a assegurar o escoamento para o exterior dos poluentes emitidos pelos veículos. Na condição de incêndio este sistema de ventilação é utilizado para limitar o escoamento do fumo no interior do parque de estacionamento coberto e também para promover o seu escoamento para o exterior. Neste documento é feita uma síntese crítica do conhecimento neste domínio utilizando o levantamento do estado do conhecimento nas matérias relevantes para estabelecer recomendações de concepção e de dimensionamento de tais sistemas. Este documento também identifica as necessidades de investigação neste domínio, detalha o conteúdo dos projectos de investigação que devem ser realizados, estabelece as bases da sua coordenação através de um programa de investigação de forma a ser possível criar sinergias e identifica as oportunidades de formação pós-graduada, apoiadas nesse programa de investigação.

O impacto energético e ambiental dos edifícios é cada vez mais importante nas sociedades contemporâneas, pelo consumo de energia e de recursos durante a fase de utilização dos edifícios, mas também pelas fases de construção e demolição. Encontra-se comprovado que os edifícios são responsáveis por cerca de 46% do consumo de energia primária no concelho de Lisboa, mas não se encontra apreciado o impacte da fase de construção e demolição. No âmbito desta tese aplicou-se a metodologia de análise do ciclo de vida a edifícios, desde a fase de construção até à demolição, com o objectivo de avaliar os impactes ambientais directamente relacionados com o edifício, em particular avaliar as possíveis interacções entre a fase de construção e a fase de utilização. Para efectuar a análise do ciclo de vida foram inicialmente definidos os aspectos de conforto ambiental interior a satisfazer. Foram avaliados os impactes ambientais associados ao fabrico e à utilização de alguns materiais de construção e de instalações de edifícios de forma a possibilitar a ACV. Tendo em conta o impacte dos envidraçados nas necessidades energéticas na fase de utilização dos edifícios, foi efectuada a avaliação de diferentes soluções envidraçadas de forma a estabelecer áreas de vidro optimizadas que minimizem as necessidades energéticas de aquecimento, arrefecimento e iluminação. Foi avaliada experimentalmente a permeabilidade ao ar de edifícios Portugueses e foi avaliado o impacte da permeabilidade nas infiltrações de ar e nas necessidades de climatização para diferentes tipos de sistemas de ventilação, sendo apresentada uma proposta de limites a adoptar para os edifícios Portugueses. Por fim a metodologia de ACV do edifício foi aplicada a casos de estudo sendo evidenciado que o impacte ambiental dos edifícios vai para além do consumo de energia na fase de utilização, pois a fase de construção de edifícios novos e de fim-de-vida pode corresponder a sensivelmente 30% do impacte ambiental do edifício. Se for considerado apenas a construção, fase de fim-de-vida e a energia para climatização, o impacte ambiental da construção é de sensivelmente 90% para o caso de Lisboa. Nos casos de estudo foi evidenciado que existe um ponto de optimização do nível de isolamento térmico dos elementos opacos a partir do qual as poupanças de energia associadas ao incremente da espessura do isolante térmico não compensam a carga ambiental nele incorporada. Por outro lado para reduzir o impacte ambiental dos edifícios é evidenciado que a concepção de edifícios que prevejam a reutilização dos elementos de construção mais pesados tem um peso que é cerca do dobro do associado à optimização do isolamento térmico do edifício.

O parque habitacional de Portugal Continental contém algumas tipologias construtivas de elevada vulnerabilidade sísmica em relação às quais urge actuar no sentido de reduzir o risco sísmico a elas associado. No projecto de investigação “Mitigação do Risco Sísmico em Portugal Continental”, desenvolvido no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) e financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), foram identificados os edifícios “gaioleiros” como sendo aqueles que apresentavam o maior risco. Este tipo de edifícios, construídos entre meados do século XIX e princípios do século XX, é caracterizado pela aplicação de materiais de construção de fraca qualidade e de técnicas construtivas deficientes que têm como consequência uma elevada vulnerabilidade sísmica. Atendendo ao elevado número de edifícios existentes deste tipo, e às características relativamente uniformes que eles apresentam, justificava-se investigar soluções de reforço aplicáveis em larga escala que permitissem reduzir a sua vulnerabilidade. Partindo deste ponto, deu-se início aos trabalhos que são relatados na presente tese. Procedeuse ao estudo dos edifícios “gaioleiros”, de modo a seleccionar protótipos representativos da tipologia construtiva, e do comportamento sísmico de edifícios de alvenaria em geral. Foram analisadas várias técnicas de reforço, definidas genericamente tendo em vista o objectivo de aplicação em larga escala, e construídos modelos físicos para ensaio na plataforma sísmica triaxial do LNEC. Foram ensaiados ao todo cinco modelos e testadas três soluções de reforço distintas no âmbito do projecto supra citado, cujos resultados foram analisados qualitativamente e quantitativamente de modo a retirar o máximo de informações sobre o comportamento sísmico dos modelos não reforçados e reforçados. Obtiveram-se assim padrões de danos, propriedades dinâmicas, curvas de capacidade experimentais, evoluções de energias dissipadas, identificaram-se modos de colapso iminente e foram retiradas conclusões sobre a eficácia das soluções de reforço. Efectuou-se a transposição dos resultados experimentais para os modelos numéricos com o objectivo de avaliar a vulnerabilidade sísmica dos modelos e da tipologia. Foram realizadas análises lineares estáticas e dinâmicas com o objectivo de estimar o estado inicial dos modelos físicos, antes da realização dos ensaios na plataforma sísmica, e de avaliar a influência de alguns parâmetros na sua resposta dinâmica. Tomando os resultados experimentais como referência, foram igualmente realizadas análises não lineares com modelos contínuos e com modelos simplificados, baseados em macroelementos, que permitiram captar a essência da resposta sísmica em termos globais.

O presente trabalho pretende contribuir para o aperfeiçoamento dos modelos para análise do comportamento de barragens de betão ao longo do tempo, submetidas a processos expansivos devidos a reacções químicas de origem interna. O desenvolvimento destas reacções expansivas, determinado pela composição do betão e influenciado pelos campos térmico, higrométrico e de tensões, pode provocar fissuração e contribuir para a deterioração precoce das obras. O trabalho aborda, na parte inicial, a fenomenologia dos processos expansivos, salientando-se os factores de natureza física e química que mais os influenciam. De seguida apresentam-se os aspectos relacionados com a identificação e a caracterização das reacções expansivas, no que respeita às evidências físicas e aos seus efeitos estruturais. Analisam-se, entre outras obras, as barragens portuguesas afectadas por esta patologia. A influência dos factores que regulam o desenvolvimento do processo expansivo (composição do betão, temperatura, humidade e estado de tensão) é quantificada com base num modelo de interacção químico-mecânico, permitindo uma estimativa das expansões à escala das obras de engenharia. Este modelo foi integrado num código computacional de elementos finitos que considera o comportamento diferido do betão, através de um modelo viscoelástico com maturação, e o surgimento e propagação da fendilhação, por meio de uma formulação de dano. Utiliza-se uma técnica incremental na discretização das acções que permite simular a evolução do comportamento ao longo do tempo, tendo em conta os fenómenos diferidos e o progressivo desenvolvimento da fissuração. Apresentam-se dois estudos de aplicação a barragens portuguesas afectadas por processos expansivos. O primeiro estudo refere-se à barragem de Santa Luzia, uma abóbada construída entre 1939 e 1943, em que a magnitude das expansões é moderada. O segundo estudo reporta-se à barragem de Pracana, uma obra de contrafortes cuja albufeira foi mantida vazia durante mais de uma década após trinta anos de exploração, devido à fendilhação generalizada da sua estrutura provocada por grandes expansões diferenciais, que depois foi reabilitada, encontrando-se desde então em exploração normal há cerca de quinze anos. Os resultados destes estudos demonstram o interesse e as potencialidades das metodologias desenvolvidas na quantificação do processo expansivo, na interpretação do comportamento observado e na avaliação das condições de segurança das obras.