REFERAT PENTRU DISCIPLINA OPTIONALA

“SIGURANTA STRUCTURILOR LA SEISM SI VANT”

UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI

FACULTATEA DE CONSTRUCTII CIVILE, INDUSTRIALE SI AGRICOLE

-2013-

EFECTELE CONDITIILOR LOCALE DE AMPLASAMENT

1.Introducere

Caracteristicile undelor seismice sunt alterate in timpul in care circula de la sursa pana la suprafata, datorita dispersiei undelor la suprafata de separare a straturilor geologice, a amortizarii care are loc si a schimbarilor in frontul de unda.Observatiile asupra efectelor cutremurelor arata ca, in cadrul aceluiasi cutremur, in diferite zone caracteristicile cutremurului pot varia drastic, plecand de la forma

accelerogramei pana la agresivitatea miscarii seismice. Trebuie avuta mare grija in studierea acestor efecte de conditii locale, care pot afecta puternic performantele structurilor ingineresti din zonele afectate. Un exemplu de perspicacitate in legatura problema conditiilor de amplasament ne este dat de sultanul Baiazid II, in urma cutremurului din 12 septembrie 1509 [TIE92]. Aceste a dat un decret ca sa impiedice reconstruirea constructiilor afectate de cutremur din Istambul, care erau amplasate in zonele cu pamanturi moi de-a lungul coastei.

Daune materiale importante si pierderi de vieti omenesti au fost corelate cu acest efect, cauzat de cutremure recente, cum ar fi: 1964 Niigata, 1977 Bucuresti, 1985 Mexico City, 1988 Armenia, 1989 Loma Prieta, 1990 Iran, 1994 Northridge, 1995 Kobe, 1999 Kocaeli si 2009 L’Aquila. Asadar, in ultimele decenii rolul acestor efecte locale de amplasament a fost discutat pe larg si foarte multe studii au fost facute pentru a explica numeroasele curiozitati care apareau in urma unui cutremur important.

Asadar, putem defini aceste efecte ca schimbarile in miscarea seismica ce apar in pamant aproape de suprafata, care sunt date de topografia amplasamentului si de conditiile geotehnice in raport cu miscarea observata intr-o zona invecinata sau cu niste conditii referinta (miscarea la nivelul rocii de baza)[1]. Prin definitie, efectele acestea trebuiesc corelate cu o scara pentru a se identifica caracterul local. In cazul ingineriei seismice, disciplina care se ocupa cu studiul constructiilor ingineresti, studiul acestor efecte se va face in majoritatea cazurilor pe cateva zeci de metri. Nu se vor considera, spre exemplu, schimbarile cauzate de intrarea in rezonanta a unui bazin sedimentar intreg.

Diferentierea fenomenului de amplificare seismica, în functie de conditiile locale de teren din anumite amplasamente expuse, poate fi pusa în evidenta, in diverse moduri, prin intermediul spectrelor de acceleraţii normalizate, notate SAn.

Aceste spectre, sunt exprimate infunctie de valorile maxime ale acceleratiilor absolute SA, raportate la valorile de varf ale acceleratiei terenului, inregistrate la suprafata libera a amplasamentului PGA = ag, adica:

Spectrele acceleratiilor absolute normalizate SAn, reprezentate în figura 0, pune in evidenta amplificarile seismice care depind, atat de mecanismul de focar al sursei seismice si, mai ales, de influenta conditiilor locale ale terenului specifice amplasamentului. Astfel, în figura 0 sunt reprezentate spectrele normate, apartinand unei anumite surse seismice si locatii si perioadele predominante de vibraţie T0 a depozitului geologic superficial, si anume:

Fig. 0 Spectre de acceleratii normalizate. Evidentierea amplificarilor produse de diverse surse seismice în amplasamente cu perioade predominante diferentiate

- Mexico - City (19 sept. 1985): PGA = 1680 cm/s2, To = 2,05 sec. - Loma Prieta (17 oct. 1989): PGA = 270 cm/s2, To = 0,66 sec.

- Northridge (17 ian. 1994): PGA = 866 cm/s2, To = 0,23 sec.In urmatoarele capitole vom enumera cateva dintre aceste efecte de

amplasament, incercand sa le explicam cauzele.

2.Influenta tipului de pamant

In functie de stratificatia pamantului, miscarea seismica poate avea caracteristici diferite la suprafata. In general, structurile fundate pe pamanturi tari vor fi supuse la miscari cu perioada scurta, si cele fundate pe pamanturi moi la miscari cu perioada lunga. Motivul pentru aceste discrepante este structura geologica a pamantului de fundare si caracteristicile ei. Undele seismice circula cu viteze diferite in functie de aceste caracteristici. Pentru a tine cont de acest efect, se atribuie stratului pus in discutie o viteza a undelor secundare, acestea fiind cele mai agresive pentru constructii. Valoarea acestei viteze variaza in functie de adancimea la care se afla stratul (si implicit presiunea la care este solicitat) si a caracteristicilor sale geologice. Straturile mai tari vor avea o viteza mai mare a undelor secundare(~1500 m/s), iar straturile mai moi, o viteza mai mica( ~200m/s). Pentru a se delimita studiul acestor straturi, se definesc doua concepte. ‘Seismic bedrock’ unde undele secundare au viteze de aproximativ 3000m/s si ‘Engineering bedrock’, unde undele seismice au viteze intre 300 si 700 m/s. Studiile recente folosesc viteza undelor secundare mediate pe 30 de metri pentru a categoriza straturile de pamant.

Cea mai folosita clasificare este cea a lui Borcherd (1994) si Rodriguez Marek(2000), unde pamanturile sunt impartite in 5 clase:

-Clasa A: pamanturi tari, vulcanice, conglomerate, gresii caracterizata de viteza undelor secundare mai mare de 1500 m/s si o perioada proprie de vibratie a stratului mai mica de 0.1 s;

-Clasa B: pietris, roca moale, caracterizata de vitezele undelor secundare mai mare de 750 m/s, perioada proprie de vibratie a stratului mai mica de 0.2s si o grosime a stratului intre 6 m si 60 m;

-Clasa C: argile tari, prafoase, pamanturi nisipoase cu viteza undelor S mai mica de 350 m/s, o perioada proprie de vibratie mai mica de 0.4 si 0.8s si o grosime a stratului de minim 10m;

-Clasa D: argile moi, cu viteza undelor S mai mica de 200m/s si o adancime a stratului intre 60 si 200 m;

-Clasa E: se refera la pamanturi speciale(lichefiabile, argile organice, argile cu plasticitate mare) pentru care este nevoie de investigatii geotehnice.

Pentru cutremurele mici si moderate, prezenta pamanturilor moi produce o crestere a perioadelor de vibratie, pe cand la cutremurele mari se obeserva si o crestere in acceleratii. Pentru Acceleratii mici de ordinul 0.05g-0.2g in roca, corespondente situatiilor din Mexico City sau Loma Prieta, acceleratia pamanturilor moi sunt de 1.5~4 ori mai mari decat accelariile in roca. Aceste efecte scad din intensitate la acceleratii in roca de aproximativ 0.4s, dupa cum se vede in graficul urmator:

Fig. 1 Acceleratii maxime in pamanturi moi comparate cu cele in roca [2].In cazul in care pe amplasament sunt prezente mai multe straturi de grosimi

diferite si caracteristici geologice diferite, diferenta de rigiditati si implicit contrastul dat de impedanta propagarii undelor ‘α’ influenteaza refractarea undelor si amplificarea amplitudinii in cazul treceri de la in strat tare la unul mai moale.

In formula ρ este densitatea stratului superior respectiv inferior si ν este viteza undelor secundare a straturilor[3].

Raspunsul straturilor tine si de amplitudinea si durata miscarii seismice. Miscarile de amplitudine mare tind sa provoace un raspuns inelastic al pamantului. Cele de lunga durata tind sa mareasca sensibilitatilea pamanturilor predispuse la lichefiere(pamanturile saturate sau partial saturate). Cand pamantul raspunde elastic, miscarea seismica ce ajunge la suprafata, miscarea seismica ce ajunge la suprafata este proportionala cu miscarea pamantului de la sursa. Daca raspunde inelastic insa, pamantul absoarbe o parte din energia corespunzatoare amplitudinii mari a miscarii din sursa. Asadar, in general miscarile seismice puternice care traverseaza un mediu inelastic vor ajunge la suprafata sub forma de acceleratii mici, dar cu deplasari mari, corespunzatoare perioadelor mari. Cererile de deplasari a sistemelor structurale cresc, in special la cladiri de inaltime medie si inalta, si la poduri de deschidere mare. Miscarile de lunga durata solicita pamantul la un numar mare de cicluri, care poate mari presiunea din pori destul de mult incat sa provoace o pierdere de coeziune a particulelor, si implicit sa cauzeze lichefierea sa.

3.Influenta topografiei amplasamentului

Efectele amplificarii miscarii seismice din motive de topografie au fost observate in numeroase cutremure, unde distrugerile au fost concentrate in zonele de creasta sau in zone stancoase. Aceste efecte sunt datorate interferentelor undelor ce au loc din cauza reflexiilor, cauzand amplificari de o complexitate deosebita. Aceste efecte sunt foarte impredictibile. Au fost observate discrepante importante intre inregistrarile date de instrumente si rezultatele in urma calculelor, in unele cazuri de 3-4 ori mai mari decat rezultatele calculelor, ceea ce ridica multe semne de intrebare.

Un exemplu cunoscut in care amplificarea a fost foarte mare este cazul Cedar Hill Nursery in orasul Tarzana, in apropierea Los Angeles-ului. Pe amplasament era plasat un seismograf pentru miscari puternice a inregistrat ceva ce a captat atentia seismologilor la vremea respectiva. In timpul cutremurului ‘Whitter Narrows’, pe 1 Octombrie 1987 a inregistrat acceleratii maxime ce erau mult mai mari decat alte acceleratii observate la aceeasi distanta de epicentru. In cazul cutremurului ‘Big Bear and Landers’ care a avut loc in anul 1992, in aceeasi locatie fenomenul nu a mai fost observat. Insa pe 17 Ianuarie 1994, in timpul cutremurului ‘Northridge’ seismograful a inregistrat o valoare incredibila de 1.8g pe una din componentele orizontale. Distrugerile din zona nu au fost mai mari decat cele observate in vecinatate, unde seismografele au aratat o valoare maxima de 2-4 ori mai mica. Seismograful este amplasat pe un deal de ~20 m cu o suprafata plata de 400-500 m, formatiune care este destul de intalnita in zona.

Un alt exemplu cunoscut este cazul comunei Irpina, Italia, unde in urma unui cutremur in anii 1980 distrugerile s-au concentrat intr-o zona de creasta, in timp ce zona din vale nu a fost puternic afectata.

Fig 2. Efectul topografiei Amplasamentului incazul cutremurului din 1980 Irpina(Athanasopoulos et al, 1998)[4]

Amplificarile datorate de neregularitatile topografice pot fi atribuite unor cauze, si anume:

-Fenomenul de focusare, din cauza incidentei undelor seismice pe o suprafata cu profilul concav sau convex;

-Fenomenul dinamic, care produce o miscare rezonanta a unui intreg deal sau a unui munte, daca undele incidente la baza acestuia ajung sa aibe marimi serioase;

-Prezenta depozitelor locale de sedimente neconsolidate.“Fenomenul de vale” studiat de Klimis si Anastasiadis (2002) ne

arata ca amplificarea pe crestele dealurilor este mai semnivificativa cu cat panta dealului este mai mare. Au analizat doua vai teoretice cu pante medii diferite si geometrii diferite. Amplificarea aproape de creasta dealului cu panta mai mica a fost de 1.4 fata de valorile de la baza, iar in cazul dealului cu panta mai mare valoarea a fost amplificata de 1.85 ori. Pentru cutremure cu sursa la distanta medie amplificarea este redusa iar la cutremurele cu surse indepartate efectul dispare.

Fig 3. Acceleratiile spectrale epntru puncte caracteristice ale vaii in cazul unui cutremur de sursa apropiata.[5]

4.Lichefierea pamanturilor

Fenomenul de lichefiere este o consecinta posibila a vibratiilor puternice aplicate pamanturilor saturate sau semisaturate. Numarul repetat de cicluri la care este solicitat pamantul mareste presiunea din porii sai. Rezultatul este tendinta pamanturilor de a isi micsora volumul cand sunt solicitate la eforturi de forta taietoare, pamantul avand un comportament de fluid. Efectele asupra constructiilor sunt devastatoare. Trotuarele si strazile se rup, efectiv. Fundatiile se scufunda in pamant, si in cele mai multe cazuri acestea nu mai sunt folosibile. Din cauza incompresibilitatii apei, ea tinde sa iasa la suprafata, formand un fel de mici vulcani de noroi.

Caracteristicile pamanturilor lichefiabile sunt bine definite:-Pentru nisipuri, nisipuri noroioase si maluri, granulometria trebuie

sa fie destul de uniforma, cu un diametru mediu de 1mm iar presiunea pamantului nu trebuie sa fie peste 0.2~0.3 Mpa, corespunzatoare adancimilor intre 10m si 20 m.

-Pentru pamanturi argiloase, granulometria nu trebuie sa fie foarte fina si indicele de plasticitate trebuie sa fie destul de mare.

Miscarea seismica trebuie sa solicite pamantul la un numar mare de cicluri, cu o acceleratie destul de mare. Cutremurele puternice care produc cel putin 20 de cicluri pot induce efecte de lichefiere pana la 200-300 km distanta.

Fig 4. Efectele lichefierii: Migratia apei la suprafata si inclinarea cladirilor.[6]

Urmele lasate de lichefierea pamantului pot indica cutremurele care au avut loc in trecut, pe amplasament. Fenomenul se numeste paleo-lichefiere. Depozitele de nisipuri de la suprafata pamantului sunt cel mai bun indicator al lichefierii, dar se pot observa si deformatii mari care au cauzat degradari puternice constructiilor, ale caror fundatii au fost afectate de aceste deformatii.

Puternice miscari orizontale si verticale pot avea loc in situatia in care un strat la o adancime mai mica de 10-20 m se lichefiaza. Amplitudinea acestor miscari poate sa fie mult mai mare decat cea visibila in figura 5. Stratul lichefiat nu ofera nici o rezistenta la frecare pentru stratul nelichefiat, si chiar si in situatia pantelor mici, alunecarea poate sa ajunga la cateva zeci de metri. Un asemenea caz a fost observat la Valdez (Alaska), in timpul cutremurului din 28 Martie 1964; O bucata de aproximativ 20 de hectare a stratului nelichefiabil a alunecat mai multe de 100 m spre ocean, distrugand astfel portul si o portiune din oras. Fenomenul a fost destul de mare incat sa produca un val care a cauzat distrugeri puternice in zonele invecinate.

Fig. 6 Deformatii la suprafata datorate lichefierii pamantului(Kobe, Japonia, 17 Ianuarie 1995).[7]

Fig 7. Vedere aeriana a orasului Valdez in urma cutremurului din 27 Martie 1964.[8]

Un alt efect al lichefierii este pierderea totala a rezistentei la forta taietiare a pamantului afectat. Acest fenomen poate cauza cedari spectaculoase, cum este cel din figura 8. Aceste cedari au avut loc incet, lucru vizibil prin faptul ca acoperisurile nu au fost afectate in nici un fel.

Fig. 8 Cladiri cedate din cauza lichefierii (Niigata, 16 Iunie 1964)[9]

Efectele lichefierii sunt direct proportionale cu marimea miscarii seismice. Pentru miscari puternice, lichefierea nu depinde de conditiile de amplasament. Insa pentru miscarile moderate, conditiile acestea devin un factor determinant, mai ales pentru asa numitele ‘interplate earthquakes’.

5. Bucuresti- Conditiile locale de amplasament

Municipiul Bucuresti este asezat in mijlocul unei depuneri masive de sedimente, care incepe la Dunare si se termina la Ploiesti. Roca de baza se afla la adancime mare, si ca urmare caracteristicile miscarii seismice in zona sunt puternic influentate de acesasta depunere. Sursa Vrancea, sursa principala de miscari seismice importante in Romania are o directivitate neobisnuita NE-SV, iar Bucuresti se afla fix pe aceasta axa impreuna cu Focsani, Buzau, Iasi, lucru vizibil in figura 9.

Fig 9. Harta izoseismelor pentru un cutremur etalon (Marmureanu et al. 2011).[10]

Bucuresti este un loc cunoscut pentru conditii nu tocmai prielnice pentru fundare. Zona Colentina, spre exemplu este recunoscuta pentru depunerile lacustre ce influenteaza caracteristicile miscarii seismice. In Figura 10 avem reprezentata stratificatia din zona de Est a Bucurestiului impreuna cu date prelucrate de la cutremurul din 4 Martie 1977, pentru a exemplifica efectele datorate conditiilor locale de amplasament. Se poate observa pe componenta N-S a accelerogramei inregistrata la INCERC un puls aproape sinusoidal, caracteristic depunerilor lacustre intermediare cu caracteristici mecanice slabe (stratul 4). Acest puls este intalnit frecvent in cazul in care straturile intermediare influenteaza miscarea seismica. In general, apar la cutremure de magnitudeine mai mare de M7. Pentru cutremurele de magnitudine mai mica de M7 practic dispar. Pe primul spectru de acceleratii prelucrat(graficul 2) observam pentru zona b valorile acceleratiilor mult mai mari decat in celelalte cazuri, si faptul ca aceste acceleratii sunt corespondente perioadelor lungi, de ordinul ~1.2s. Cladirile medii si inalte au perioade de aproximativ aceleasi valori, fapt care duce la o agresivitate ridicata pentru aceste cladiri. Aceasta este una din explicatiile pentru care in orasul Bucuresti, cele mai multe cladiri colapsate au fost de ordinul a 10 etaje.

Fig.10 Influenta amplasamentului in cazul cutremurului Vrancea 1977(stratificatia pamantului dupa Lungu et al. 1997)(Prelucrarea datelor de Gioncu si Mazzolani 2002, dupa Ifrim et al. 1986).[11]

5.Concluzii

Efectele locale de amplasament au o importanta foarte mare in infuentarea caracteristicilor miscarii seismice ce ajunge la suprafata, iar in unele cazuri aceasta influenta estefoarte complexa.

Modelarea acestor efecte este posibila, datorita puterii de calcul mari. Insa intelegerea pe deplin a efectelor este inca departe, dupa cum am descris in paginile acestui referat.

Bibliografie selectiva:

[TIE92] Tiedemann H., Earthquakes and Volcanic Eruptions, Zurich, Elvetia, 1992;

[1],[7],[8],[9] Jacques Betbeder-Matibet, Seismic Engineering, 2008;[2],[4],[5],[6],[11] Victor Gioncu si Federico M. Mazzolani, Earthquake

Engineering for Structural Design, 2011;[3] Amr S. Elnashai, Luigi di Sarno, Fundamentals of Earthquake Engineering,

2008[10] www.sciencedirect.com