curs01_inginerie_seismica

8/14/2019 curs01_inginerie_seismica

1/17

1

1. Noiuni de seismologie inginereasc

1.1. Introducere

n medie peste 10000 de persoane au decedat anual din cauza cutremurelor de pmnt n secolul20 (Bolt, 2001, vezi Figura 1.1). Chiar dac structurile proiectate i construite conform standardelormoderne de proiectare antiseismic sunt n general mult mai sigure, eliminnd la maxim pierderilede viei omeneti, pierderile economice n urma cutremurelor de pmnt sunt n cretere la nivelmondial. Dou exemple notorii sunt cutremurul din 1994 de la Northridge (SUA), cu pierderiestimate la 40 miliarde dolari americani, i cel din 1995 de la Kobe (Japonia), soldat cu pierderi deaproximativ 100 miliarde dolari americani (Scawthorn, 2003).

Figura 1.1. Pierderi de viei omeneti datorate cutremurelor majore n secolul 20 (Bolt, 2001).

Ingineria seismic este un domeniu al ingineriei care are ca scop reducerea efectelorcutremurelor de pmnt asupra construciilor inginereti. Aceasta cuprinde diverse aspecte, printrecare: (1) studierea acelor aspecte ale seismologiei i geologiei care sunt importante pentruproblem, (2) analiza rspunsului dinamic al structurilor sub aciunea micrii seismice i (3)dezvoltarea i aplicarea unor metode de planificare, proiectare i execuie a construciilorrezistente la efectul cutremurelor de pmnt. Ingineria seismic se ntreptrunde cu geotiinele pede o parte, i cu tiinele sociale, arhitectura i autoritile pe de alt parte.

Seismologia este o ramur a geotiinelor care studiaz vibraiile create de surse naturale precum

cutremurele de pmnt i erupiile vulcanice, precum i sursele artificiale precum exploziilesubterane. Seismologia inginereasc are ca obiectiv explicarea i prezicerea micrilor seismiceputernice dintr-un amplasament i studiul caracteristicilor micrii seismice care sunt importantepentru rspunsul structurilor inginereti.

Pionerul cercetrilor moderne de seismologie a fost inginerul irlandez Robert Mallet, care antreprins studii de teren temeinice dup cutremurul Neapoletan din 1857 (Italia). Acesta a explicat"masele dislocate de piatr i mortar" folosind termeni i principii ale mecanicii, i a introdus nacest mod un vocabular de baz, ca de exemplu noiunile de seismologie, hipocentru, isoseismic.

Inginerii constructori sunt interesai de micrile seismice puternice, care pot produce distrugerisemnificative asupra construciilor. Cu toate acestea, primii 60 de ani ai secolului 20 au fost


2/17


3/17


4/17

4

Filipinele, Indonezia, Noua Zeland, centura Alpi - Caucaz - Himalaia sunt de tipul cutremurelorintra-plac. Viteza medie de deplasare a plcilor tectonice este de 2-5 cm/an.

Scoar

Manta superioar

Manta

Nucleu exterior

Nucleu interior

scoar + manta superioar =litosfer

Figura 1.4. Structura intern a planetei pmnt (http://en.wikipedia.org/).

Figura 1.5. Principale plci tectonice, (USGS, n.d.)


5/17

5

zonconvergentoceanic

zontranscurent

zondivergentoceanic

zon convergent zon divergent oceanic

Figura 1.6. Schi reprezentnd zonele convergente, divergente i transcurente ale plcilortectonice (USGS, n.d.)

Pe lng cutremurele generate la marginile active ale plcilor tectonice, cteodat se produccutremure devastatoare n interiorul plcilor tectonice. Acestea din urm poart denumirea decutremure intra-plac. Astfel de cutremure de pmnt indic faptul c plcile litosferice nu suntindeformabile i c n interiorul acestora se pot produce fracturi. Exemple ale unor astfel decutremure sunt nord-estul Iranului, New Madrid (Missouri, SUA), Charleston (Carolina de Sud,

SUA), nordul China.

1.3.2. Alte cauze ale cutremurelor

Cu toate c activitatea tectonic este responsabil pentru marea majoritate a cutremurelor depmnt, acestea pot fi generate i de tere cauze. Printre acestea se numr: Cutremurele de natur vulcanic. Cei mai muli vulcani sunt amplasai pe marginile active

ale plcilor tectonice. Existi vulcani intra-plac, cum sunt de exemplu vulcanii din insuleleHawai. Cu toate acestea, majoritatea cutremurelor n zone vulcanice sunt de natur tectonic.Cutremurele de pmnt de natur vulcanic sunt relativ rare i de putere mic, i pot fi produsede exploziile vulcanice, de micarea magmei, sau de prbuirea magmei solidificate de pecoul vulcanului pe vatra acestuia.

Explozii. Cutremurele de pmnt pot fi produse de detonri subterane a unor dispozitivechimice sau nucleare. Exploziile nucleare subterane care au avut loc n trecut au fost cauzaunor cutremure de pmnt cu magnitudini ajungnd la 6.

Cutremure de prbuire. Aceast categorie de cutremure de pmnt are intensiti mici i sedatoreaz prbuirii tavanului unor mine i caverne. O alt modalitate de producere a acestorcutremure este prin desprindere exploziv a unor mase mari de roc de pe pereii minelor dincauza tensiunilor acumulate. Astfel de cutremure au fost observate in Canada i Africa de Sud.Alunecrile de teren masive pot cauza i ele cutremure minore.

Cutremure induse de rezervoare de ap masive. Au fost observate creteri ale activitiiseismice n zone n care au fost construite baraje mari de ap. Calculele au demonstrat ctensiunile generate de ncrcarea din ap este prea mare pentru a conduce la fractura rocii debaz. Cea mai plauzibil explicaie const n faptul c roca din vecintatea barajelor de ap se


6/17

6

afl deja ntr-o stare de tensiune, gata s alunece. Umplerea rezervorului cu ap fie duce lacreterea strii de tensiune i genereaz alunecarea, fie presiunea apei din fisuri micoreazrezistena faliei, fie au loc ambele fenomene.

Impactul cu corpuri extraterestre. Cderea unor meteorii pot genera cutremure locale.

1.4. Tipurile de falii

Observaiile n teren indic faptul c exist schimbri brute n structura rocilor. Aceste schimbri

au loc la contactul (de-a lungul fisurii) dintre dou blocuri tectonice diferite i poart denumirea defalii. Acestea pot avea lungimi cuprinse ntre civa metri i sute de kilometri. Prezena faliilorindic faptul c la un moment dat n trecut au avut loc deplasri relative de-a lungul acestora.Aceste deplasri pot fi fie lunecri lente, care nu produc micri seismice, fie ruperi brute, careproduc cutremure de pmnt. n majoritatea cutremurelor faliile nu ajung pn la suprafaaterenului i n consecin nu sunt vizibile. Un exemplu de falie cu efecte la suprafaa terenului estereprezentat n Figura 1.7.

Figura 1.7. Efectul unei falii transcurente la suprafaa terenului (USGS, n.d.)

falie invers falie normal falie transcurent falie oblic

Figura 1.8. Tipuri principale de falii (Oros, 2002)

Faliile sunt clasificate funcie de geometria acestora i de direcia de alunecare relativ.Principalele tipuri de falii sunt reprezentate n Figura 1.8. Panta unei falii este unghiul pe care lcreeaz suprafaa faliei cu orizontala, iar direcia unei falii este direcia proieciei faliei pesuprafaa terenului fa de nord. O falietranscurent implic deplasarea blocurilor de roc paralelcu falia. Alunecarea la o falie normal are loc n plan vertical (paralel cu panta), placa superioara faliei nclinate deplasndu-se n jos fa de placa inferioar (falierea produce o ntindere acrustei). Alunecarea la o falie invers are loc n plan vertical (paralel cu panta), placa superioarfaliei nclinate deplasndu-se n sus fa de placa inferioar (falierea produce scurtarea crustei).Faliile cele mai des ntlnite n natur sunt faliile oblice, care reprezint o combinaie ntremicrile n plan orizontal i vertical.


7/17


8/17

8

Undele Love (de suprafa). Acest tip de unde sunt similare undelor S, fiind unde transversalecare se propag la suprafaa terenului, micarea particulelor terenului avnd loc n planorizontal.

Undele Rayleigh (de suprafa). Acest tip de unde este similar undelor create de o piatraruncat ntr-un vas cu ap. Micarea particulelor are loc ntr-un plan vertical.

Propagarea undelor P i S prin scoara terestr este nsoit de reflexii i refracii multiple lainterfaa dintre roci de diferite tipuri (vezi Figura 1.10a). n plus, la fiecare interfa, are loc o

transformare a undelor dintr-un tip n altul (vezi Figura 1.10b). Din punct de vedere al unui inginerconstructor, nu este foarte important distincia ntre cele patru tipuri de unde. Efectul global alacestora, n termeni de intensitate a micrii seismice n amplasament este mai important. Cutoate acestea, este important s se recunoasc faptul c micarea seismic ntr-un amplasamentva fi afectat n cea mai mare msur de undele S, iar n unele cazuri i de undele de suprafa.

1.6. Efectele cutremurelor

Cutremurele distruge construciile inginereti n mai multe moduri, dintre care amintim aici: prin forele de inerie induse n structuri datorit micrii seismice incendiile induse de cutremurele de pmnt modificarea proprietilor fizice ale terenului de fundare (consolidri, tasri, lichefieri) deplasarea direct a faliei la nivelul terenului

alunecri de teren schimbarea topografiei terenului valuri induse de cutremure, cum ar fi cele oceanice (unami) sau cele din bazine i lacuri

(seiche)

Dintre efectele cutremurelor de pmnt amintite mai sus, distrugerile cele mai semnificative i celemai rspndite se datoreaz vibraiilor induse n construcii inginereti de micarea seismic (veziFigura 1.11). Reducerea acestui hazard seismic face obiectul cursului e inginerie seismic.

(a)(sursa: http://nisee.berkeley.edu/)

(b)(sursa: http://www.ngdc.noaa.gov/)

Figura 1.11. Colapsul parial al unei structuri din b.a. la Bucureti n timpul cutremurului din 4martie 1977 din Vrancea (a); Distrugerea parial a parterului unei cldiri de birouri n timpul

cutremurului din 16 ianuarie 1995 de la Kobe, Japonia (b).

Incendiile care se pot declana ca urmare a unui cutremur reprezint un pericol major. Astfel, ntimpul cutremurului din 1906 de la San Fransisco, doar 20% din pierderile totale s-au datorat


9/17

9

distrugerilor directe din cauza micrii seismice, restul de 80% datorndu-se incendiilor care audevastat oraul timp de trei zile i care mistuit 12 kilometri ptrai i 521 de blocuri din centruloraului.

Distrugerile datorate comportrii terenului de fundare au creat mare probleme n cutremurele dintrecut. Un exemplu clasic este cazul cutremurului din Niigata din 1964 (vezi Figura 1.13a), care nua avut o intensitate important (o acceleraie maxim a terenului de 0,16 g), considernd nivelulpierderilor suferite. Dezvoltarea oraului a impus folosirea unor terenuri proaste din fosta albie a

rului Shinano. Ca urmare a micrii seismice, multe cldiri s-au nclinat sau rsturnat ca urmare alichefierii terenul de fundare. Un numr de 3018 cldiri au distruse i 9750 au suferit degradrimedii pn la severe n prefectura Niigata, majoritatea datorndu-se tasrilor inegale i fisuriloraprute n terenul de fundare.

Deplasrile directe ale faliei la nivelul terenului sunt probabil cele mai cutremurtoare la nivelsocial. Cu toate c n trecut au fost observate distrugeri datorit deplasrilor directe ale faliei lanivelul terenului (vezi Figura 1.13b), acest fenomen este ntlnit relativ rar, iar distrugerile isuprafaa afectat sunt minore n comparaie cu cele datorate vibraiilor induse n construcii demicarea seismic.


(b)(http://www.rekihaku.ac.jp/)

Figura 1.12. Incendii urmate de cutremurele din 1906 din San Francisco (a) i marele cutremurKanto din 1923 (b).


(b)(sursa: http://www.eas.slu.edu/)

Figura 1.13. Rsturnarea unor blocuri de locuit la Kawagishi-Cho, Niigata, ca urmare a lichefieriiterenului n timpul cutremurului din 1964 (a); ine de tramvai ndoite ca urmare a deplasrilor

terenului produse n timpul cutremurului din 1906 de la San Fransisco (b).


10/17

10

(a)

(sursa: USGS)

(b)(http://www.ngdc.noaa.gov/)

Figura 1.14. Alunecri de teren n La Conchita, California, 1995 (a); Partea de sud-est a golfuluiIzmit, inundat ca urmare a subsidenei n timpul cutremurului din 17 august 1999 din Izmit, Turcia.

(a)(sursa: USGS)

(b)(sursa: USGS)

Figura 1.15. Reprezentarea schematic a efectului unui unami (a) i unui seiche (b).

Alunecrile de teren induse de cutremure (vezi Figura 1.14a), cu toate c reprezint un pericolmajor, sunt din fericire relativ restrnse.

Schimbrile topografice datorate cutremurelor nu duc n mod direct la pierderi de viei omeneti.Cea mai important consecin a unor astfel de modificri o reprezint distrugerile pe care le potavea astfel de structuri cum sunt podurile i barajele. n anumite cazuri pot avea loc inundaiei aleterenului, ca urmare a subsidenei unor terenuri aflate pe malul unor ape (vezi Figura 1.14b).

unami sunt valurile oceanice generate de cutremurele de pmnt subacvatice i care pot creadistrugeri nsemnate n localitile de coast (vezi Figura 1.15a). Oceanul Pacific este deseoriscena unor astfel de evenimente. Pentru ca un cutremur s genereze un unami, acesta trebuie sfie asociat unei falii de tip invers sau normal, n timp ce faliile transcurente nu produc n generalastfel de fenomene. La 15 iunie 1896 n regiunea Honshu Japoniei a fost devastat de un unamicu o nlime vizual a valului de 20 metri i care a necat n jur 26000 oameni. Timpul depropagare a unui unami de la coastele Chile pn la insulele Hawai este de 10 ore, iar de la Chilepn n Japonia de 20 ore. Astfel, schema de prevenire a pierderilor omeneti n Pacific din cauzaunami o reprezint un sistem de monitorizare i alertare compus din cteva zeci de staii


11/17


12/17

12

Tabel 1.1. Scara intensitii seismice MSK (Dimoiu, 1999)

Descrierea efectelor asupraGradul denumirea

Vieuitoarelori obiectelor mediului Lucrrilor de construcii

I imperceptibil

nregistrat numai de aparate

II abia

simit

simit n case la etajele superioare de

persoane foarte sensibileIII slab simit n cas, de cei mai muli oameni n

repaus; obiectele suspendate se leagnuor; se produc vibraii asemenea acelorcauzate de trecerea unor vehicule uoare

IV puternic

obiectele suspendate penduleaz; vibraiicala trecerea unui vehicul greu;geamurile,uile, farfuriile zornie; paharele,oalele se ciocnesc; la etajele superioaretmplria i mobila trosnesc

V detepttor

simit i afar din cas; cei ce dorm setrezesc; lichidele din vaze se mici uneorise var

; obiectele u

oare instabile se

deplaseaz sau se rstoarn; tablourile iperdelele se mic; uile trepideaz, senchid i se deschid

VI provoacspaima

apar crpturi n tencuiala slabin zidrii din materiale slabe, frmortar

VII provoacavariereacldirilor

stabilitatea oamenilor este dificil; se simtechiar n vehicule aflate n micare; mobila secrap; apar valuri pe suprafaa lacurilor, sunclopotele grele; apar uoare alunecri isurpri la bancurile de nisip i pietri

se distrug zidriile fr mortar, aparcrpturi n zidrii cu mortar; cadetencuiala, crmizi nefixate, igle,cornie parapei, calcane, obiecteornamentale

VIII

provoacavariiputernice

copacii se rup, vehiculele sunt greu de

condus, se modific temperatura sau debitulizvoarelor sau sondelor; apar crpturi nterenuri umede i pe pante

apar avarii i la construciile bine

executate; cele slab construite sedrm parial; courile de fum,monumentele nalte se rsucesc pesoclu, se prbuesc; construciile semic pe fundaii; ferestrele nefixaten perei sunt aruncate afar

IX provoacavarii foarteimportante

panic general; apar crpturi n sol; nregiuni aluvionare nete nisip i ml; aparizvoare noi i cratere de nisip

zidriile slabe sunt distruse, cele cumortar sunt puternic avariate; aparavarii la fundaii, se rup conducte

X distrugtor

alunecri masive de teren; apa este aruncatpeste malurile rurilor, lacurilor, etc.; inelede cale ferat sunt uor ndoite

majoritatea cldirilor din zidrie suntdistruse, la scheletele din betonarmat zidria de umplutur este

aruncat afar, iar capetele stlpilorsunt mcinate, stlpii din oel sendoaie; avarii serioase la taluze,diguri, baraje

XI catastrofal

traversele i inele de cale ferat suntputernic ncovoiate; conductele ngropatesunt scoase din folosin

surparea tuturor construciilor dinzidrie; avarii grave la construciilecu schelet din beton armat i oel

XII provoacmodificareareliefului

se modific liniile de nivel ale reliefului;deplasri i alunecri de maluri; rurileschimb cursul; apar cderi de ap;obiectele depe sol sunt aruncate n aer


13/17

13

1.7.2. Magnitudinea

Magnitudinea este o msur a energiei eliberate de un cutremur, fiind o valoare unic pentru uneveniment seismic, spre deosebire de intensitate, care are valori diferite funcie de distana de laepicentru i condiiile locale de amplasament. Magnitudinea se bazeaz pe msurtoriinstumentate i astfel nu conine gradul de subiectivism pe care l are intensitatea seismic.

O msur strict cantitativ a cutremurelor a fost iniiat n 1931 de Wadati n Japonia i dezvoltat n 1935 de Charles Richter n California, SUA. Richter a definit magnitudinea localML a unui

cutremur ca i logaritmul cu baza zece a amplitudinii maxime n microni (10-3 mm) A nregistrat cuun seismograf Wood-Anderson amplasat la o distan de 100 km de epicentru:

0log logL M A A= (1.1)

0log A este o valoare standard funcie de distan, pentru instrumente aflate la alte distane dect

100 km, dar nu mai departe de 600 km de epicentru. Relaia (1.1) implic cretere de zece ori aamplitudinii deplasrilor nregistrate de seismograf la creterea magnitudinii cu o unitate. Pentruaceiai cretere a magnitudinii cu o unitate, cantitatea de energie seismic eliberat de uncutremur crete de aproximativ 30 de ori.

Scara de magnitudini locale (ML) a fost definit pentru California de sud, cutremure de suprafa, idistane epicentrale mai mici de 600 km. Ulterior au fost dezvoltate alte scri de magnitudini,

descrise pe scurt n continuare.Magnitudinea undelor de suprafa (Ms). Undele de suprafa cu o perioad de aproximativ 20secunde domin adeseori nregistrrile seismografice ale cutremurelor ndeprtate (distaneepicentrale mai mari de 2000 km). Pentru cuantificarea acestor cutremure, Guttenberg a definitscara de magnitudini a undelor de suprafa, care msoar amplitudinea undelor de suprafa cuperioada de 20 secunde.

Magnitudinea undelor de volum (mb). Cutremure de adncime sunt caracterizate de unde desuprafa nesemnificative. De aceea pentru acest tip de cutremure magnitudinea mb se determinpe baza amplitudinii undelor P, care nu sunt afectate de adncimea hipocentrului.

Magnitudinea moment (MW). Magnitudinile ML, mb i ntr-o msur mai mic Ms ntmpindificulti n distingerea ntre cutremurele foarte puternice. Ca urmare a acestui fapt, a fostdezvoltat magnitudinea moment MW, care depinde de momentul seismic M0, la rndul su n

relaie direct cu dimensiunea sursei seismice:

( )0log / 1.5 10.7WM M= (1.2)

unde M0este momentul seismic n dyn-cm.

Fenomenul de saturaie se refer subestimarea energiei cutremurelor puternice i estecaracteristic magnitudinilorML, mbi ntr-o msur mai micMs. Magnitudinea moment MW nusufer de acest dezavantaj i de aceea este preferat n zilele noastre.

1.8. nregistrarea micrii seismice

Un seismografeste un instrument care msoar micarea suprafeei terenului din cauza undelorgenerate de un cutremur de pmnt, funcie de timp. n Figura 1.17a este prezentat schematic

principiul de funcionare a unui seismograf. Seismograma, reprezentnd nregistrarea efectuatcu ajutorul seismografului ofer informaii despre natura cutremurului de pmnt. Conceptual, unseismograf este alctuit dintr-un de un pendul sau o mas ataat unui arc. n timpul unuicutremur, rola de hrtie fixat de baza seismografului se mic odat cu terenul n timp cependulul mpreun cu stiloul ataat acestuia rmn mai mult sau mai puin n repaus, datoritforelor de inerie, nregistrnd micarea seismic. Dup ncetarea micrii seismice pendulul vatinde s ajung n echilibru, efectund nregistrri false ale micrii. De aceea este necesar unmecanism de amortizare.


14/17


15/17


16/17

16

cutremur a cauzat peste 1400 pierderi de viei omeneti i prbuirea a 23 construcii nalte dinbeton armat i 6 cldiri multietajate din zidrie realizate nainte de cel de al doilea rzboi mondialprecum i a 3 cldiri nalte din beton armat construite n anii 60 - 70.

Banatul este o regiune foarte bogat n focare proprii, focare care se grupeaz n 2 regiunidistincte. O regiune o constituie partea de SE a Banatului (Moldova Nou), iar o alt mprejurimileoraului Timioara (I. Atanasiu, Cutremurele de pmnt din Romnia, 1959). DupConstantinescu i Marza celor 2 zone seismogene principale din Banat li se pot aduga i

urmtoarele zone: Snicolaul Mare, Arad i grania romn srb. Cel mai puternic cutremurBnean din sursa Moldova Nou n secolul XX a fost cutremurul din 18 Iulie 1991, M=5.6, h = 12km iar din sursa Timioara a fost cutremurul din 12 Iulie 1991, M =5.7, h = 11 km.

Figura 1.20. Poziionarea geografic a epicentrelor cutremurelor bnene n perioada 1794-2001(Lungu et al, 2003).

Harta de zonare seismic a teritoriului Romniei n termeni de valori de vrf ale accelera ieiterenului pentru proiectare agpentru cutremure avnd intervalul mediu de recurent IMR = 100 anieste prezentat n Figura 1.21.


17/17

17

Figura 1.21. Zonarea teritoriului Romniei in termeni de valori de vrf ale acceleraiei terenuluipentru proiectare agpentru cutremure avnd intervalul mediu de recurent IMR = 100 ani,

(P100 2006).

curs01_inginerie_seismica

Documents