probleme speciale de inginerie seismica

Probleme Speciale de Inginerie Seismic a Construciilor

Proiectarea i protecia antiseismic a podurilor i construciilor pentru transporturi

Referat

Proiectarea i protecia antiseismic a podurilor i construciilor pentru transporturi1. Noiuni generale despre micrile seismiceCutremurele de pmnt sunt fenomene geologice naturale foarte complexe i care constau din micri dezordonate i violente ale scoarei terestre. Caracterul dezordonat al micrii se manifest prin variaia rapid n timp a direciei i intensitii micrii. Cutremurele de pmnt pot afecta regiuni ntinse i pot avea consecine dezastruoase prin pierderile de viei omeneti i prin distrugerile de bunuri materiale care le provoac. Realizarea unor construcii cu o comportare corespunztoare la aciunile seismice implic cunotine referitoare att la mecanismul producerii, propagrii i manisfestrii micrilor seismice ct i la determinarea rspunsului construciilor la aceste aciuni dinamice. Seismologia este o ramur a geofizicii care are ca obiect studiul structurii globului pmntesc din punctual de vedere al cunoaterii cauzelor, modului de propagare i efectelor micrilor scoarei terestre care provoac cutremurele de pmnt. Ingineria seismic reprezint partea aplicat a dinamicii structurilor care se ocup cu comportarea i calculul construciilor la aciunile seismice. Ea este fundamentat pe cunotinele teoretice i experimentale furnizate de seismologie i are ca scop principal stabilirea, pentru diverse categorii de construcii, a condiiilor care s asigure o bun comportare la aciuni seismice. Ingineria seismic cuprinde att principiile i metodele de calcul ale construciilor la vibraiile provocate de seisme, ct i elementele de concepie i msurile constructive menite s asigure o rezisten activ a construciilor, o adaptabilitate optim a acestora la particularitile solicitrilor seismice. 1.1 Structura globului pmntesc Globul pmntesc este un corp cu o form general sferic, avnd raza de aproximativ 6370 km (Fig.1.) Una din modalitile de determinare a structurii sale interne const in a analiza vibraiile produse n acelai moment, n diverse puncte ale suprafeei terestre, de ctre un cutremur de pmnt. Potrivit rezultatelor

-1-


Referat

acestor investigaii, precum i cu ajutorul prospeciunilor geologice i al altor metode de studio specifice, geofizicienii au formulat ipoteza conform creia Pmntul este constituit din nveliuri concentrice cu proprieti diferite. Suprafeele ipotetice de separaie a dou nveliuri ale cror proprieti fizico-chimice sunt sensibil diferite se numesc suprafee de discontinuitate.

Fig.1. ntr-o prim form, globul terestru a fost mprit n trei geosfere principale: scoara, mantaua i nucleul care a fost denumite nveliuri de ordinul I. Zona central a globului pmntesc, de forma unei sfere avnd raza de aproximativ 3500 km, formeaz nucleul i este caracterizat printr-o densitate foarte mare a materiei. Partea exterioar a nucleul prezint o rigiditate mai redus (stare vscoas) care nu permite transmiterea undelor seismice transversale. Deasupra nucleului se gsete mantaua, n grosime de 2900 km, alctuit din mai multe straturi concentrice, fiecare strat avnd aceeai densitate i rigiditate, ale cror caracteristici depind de adncimea la care sunt situate. Deoarece mantaua este constituit din materiale n stare vscoas, continentele sufer diverse deplasri i deformaii ca urmare a schimbrilor n distribuia ncrcrilor la suprafaa lor sau a unor grosime cuprins ntre 5 i 40 km. este constituit din roci eruptive (granitice i bazaltice), roci sedimentare i diferite produse de metamorfoz ale acestora.

-2-


Referat

Structura i grosimea litosferei difer n zona continental fa de cea oceanic i anume, sub fundul mrilor i oceanelor este alctuit din roci bazaltice n grosime de aproximativ 5 km, iar n zona continental se compune din dou straturi, cel exterior de natur granitic i cel interior de natur bazaltic, grosimea total fiind de 30-40 km. Temperatura i presiunea din interiorul globului pmntesc sunt variabile, crescnd cu adncimea. Astfel, la adncimea de 100 km temperatura este de 1000...1500 C, la 700 km este de aproximativ 2000 C i atinge 4000...4500 C n interiorul zonei centrale a nucleului. Gradientul temperaturii este de aproximativ 30C/km n zona scoarei i scade n adncime. Presiunea n interiorul globului pmntesc crete de la 90 kN/cm2 n partea superioar a mantelei la 37000 kN/cm2 n zona central a nucleului. Viteza de propagare a undelor seismice longitudinale este de 6 km/s n zona granitic a scoarei i de 6.7 km/s n cea alctuit din roci bazaltice. n manta viteza medie de propagare a acestor unde este de 8.2 km/s. La frontiera dintre scoar i manta exist o zon caracterizat prin schimbarea brusc a vitezei de propagare a undelor seismice. Astfel, viteza de propagare a undelor seismice longitudinale crete de la 6.3 km/s la 7.8 km/s, iar undelor transversale de la 3.7 km/s la 4.4 km/s. Aceast suprafa poart denumirea de discontinuitatea lui Mohorovii sau Moho, iar adncimea la care aceasta se gsete nu poate fi precizat n mod riguros. 1.2 Cutremurele de pmnt Cutremurele de pmnt sunt provocate de diverse cauze i anume: micri tectonice, activitate vulcanic, explozii naturale sau artificiale, prbuiri, crearea de lacuri de acumulare cu adncime mare. Dintre diferitele categorii de cutremure sub aspectul originii lor, cele care prezint un interes deosebit din punctul de vedere al efectului lor asupra construciilor sunt cutremurele de origine tectonic. Aceste cutremure sunt cele mai frecvente, elibereaz o mare cantitate de energie iar efectul lor distructiv este foarte puternic. Originea cutremurelor tectonice se explic prin una din ipotezele relativ recente referitoare la factorii care genereaz deplasrile scoarei terestre, cunoscut sub denumirea de tectonica plcilor sau teoria tectonicii globale. n conformitate cu aceast teorie, litosfera, care susine att continentele ct i oceanele, este alctuit dintr-un numr de plci rigide i mobile, acoperind ca un mozaic suprafaa globului, i care plutesc pe astenosfer. n timp ce litosfera este constituit din straturi rigide i anume roci sedimentare la partea superioar, roci bazaltice sub oceane i

-3-


Referat

roci granitice n zona continental, astenosfera este alctuit din materiale cu proprieti vsco-elastice. Ca urmare fenomenelor fizice din interiorul planetei, plcile se afl ntr-o continu micare relativ. Astfel, n Fig.2. se prezint una din variantele acceptate n literatura geodezic, referitoare la numrul plcilor tectonice ale litosferei i la sensul probabil de deplasarea lor. Ipoteza tectonicii globale nu exclude i posibilitatea existenei unor microplci tectonice pe zone mai restrnse ale suprafeei globului.

Fig.2. Ca urmare micrilor plcilor, pot avea loc urmtoarele fenomene generatoare de cutremure:

-4-


Referat

- dac dou plci tectonice au micri reciproc convergente, una din plci are tendina s alunece sub cealalt, topindu-se parial n astenosfer. Fenomenul duce la dispariia unor poriuni din scoara terestr i este nsoit de cutremure de pmnt intermediare (la adncimi de 60-300 km) sau profunde (la adncimi de 300-700 km); - n cazul n care se produc alunecri reciproce ale plcilor, fr dispariia unor poriuni de scoar terestr, fenomenul este nsoit de apariia faliilor transformante (de exemplu falia San Andreas din California SUA) i de producerea unor cutremure de pmnt de mic adncime. Rezult deci c, n zonele de frontier dintre plci, are loc suprapunerea acestora, marginile plcii inferioare avnd tendina de coborre pe planuri nclinate spre interiorul pmntului. Fenomenul acesta poart denumirea de subducie. (Fig.3.)

Fig.3. Ct timp forele de frecare care se dezvolt pe frontierele dintre plci nu depesc o anumit valoare, deplasarea relativ dintre plci este mpiedicat, acumulndu-se n zon o cantitate imens de energie potenial de deformaie. n momentul n care, fie c forele de pe suprafeele de contact depesc valorile maxime ale forelor de frecare, fi c este atins capacitatea limit de acumulare a energiei de deformare, situaia de echilibru relativ se modific brusc i se produce o alunecare n lungul suprafeelor de contact sau o rupere a materialelor care alctuiesc plcile. n acest fel are loc eliberarea brusc a unei mari cantiti din energia potenial de deformaie-5-


Referat

acumulat n zonele de margine ale plcilor, aceasta transformndu-se aproape instantaneu n energie cinetic, care se propag apoi prin unde seismice n toate direciile. Suprafaa pe care se produce deplasarea relativ plcilor tectonice poart denumirea de falie. alunecarea brusc plcilor n lungul faliilor i ruperile din interiorul scoarei terestre genereaz cutremurele de pmnt de natur tectonic. Zona din interiorul scoarei, n care are loc fenomenul de alunecare a plcilor sau de rupere a lor, constituie focarul sau hipocentrul cutremurului. Proiecia pe suprafaa pmntului, pe direcia razei, hipocentrului poart denumirea de epicentru (Fig.4.)

Fig.4. Adncimea focarelor variaz ntre 5 i 700 km. Dup adncimea focarului. cutremurele se clasific astfel: - cutremure de suprafa sau normale, cu adncimea focarului ntre 5 i 60 km; au o frecven de apariie relativ ridicat, un efect distrugtor pronunat i o zon de manifestare relativ restrns n jurul epicentrului; avnd focarul situat n scoara terestr poart denumirea de cutremure intracrustale; - cutremure intermediare, al cror focar este situat adncimi cuprinse ntre 60 i 300 km; el au zon de manifestare mai ntins; - cutremure adnci, avnd focarul situat la adncimi mai mari de 300 km. n general , cea mai mare parte a cutremurelor intermediare precum i toate cutremurele adnci au focarul situat sub scoara terestr i de aceea se mai numesc i cutremure subcrustale. Mecanismul de focar al unui cutremur depinde de o serie de factori, unii dintre ei nc insuficient cunoscui n prezent. Printre factorii cei mai-6-


Referat

importani sunt cei legai de adncimea focarului, de planurile faliilor existente, de structura geologic a scoarei terestre n zona focarului. Natura mecanismului de focar determin att modul de manifestare a cutremurelor ct i efectele acestora asupra construciilor. Posibilitatea prediciei cutremurelor prezint interes att din punct de vedere tiinific ct i punct de vedere social-economic. n prezent este acceptat ideea c anumite fenomene din scoara terestr, cum sunt deplasrile recente ale plcilor i microplcilor tectonice, scderea rezistivitii electrice a solului, creterea emisiei de radon n apele subterane modificarea undelor seismice i altele, constituie indicii referitoare la producerea unui cutremur de pmnt. Dintre aceste fenomene, efectele de deplasare a scoarei terestre pot fi urmrite n mod sistematic i pot oferi rezultate concludente n legtur cu activitatea seismic din zon. Determinarea deplasrilor recente ale scoarei terestre n zone seismice active constituie un obiectiv contemporan al geodeziei de mare precizie. Precizia deosebit a msurtorilor reprezint o condiie absolut necesar pentru ca deformaiile astfel nregistrate s poate fi utilizate ntr-o analiz fundamental tiinific. S-a constatat c, n perioadele de bacumulare a energiei, deci n perioadele preseismice, ca urmare a tendinei de micare relativ a plcilor tectonice, micrile crustale au un caracter uniform ca sens i mrime. De obicei, n preajma seimelor se constat o tendin de micorare a vitezei de deplasare i chiar o ncetare complet a deplasrilor, elemente care pot constitui un indicator important n aciunile de predicie a seismelor. Pentru a putea oferi, din acest punct de vedere, rspunsuri ct mai concludente i plauzibile, programele geodezice au cptat n ultimii ani extinderi remarcabile att n ceea ce privete volumul de lucrri, ct mai ales n domeniul perfecionrii tehnologiilor de culegere a datelor din teren, al perfecionrii aparaturii i metodelor de lucru, al prelucrrii riguroase a observaiilor. n funcie de posibiliti, fenomenul complex definit sintetic deplasri recente ale scoarei terestre este studiat fie n profunzimea i amploarea lui, prin programe extrem de costisitoare, fie numai n zone de test, n are caz se urmrete obinerea unor imagini locale, edificatoare doar parial n ce privete natura mrimea i eventualele urmri ale urmri ale unor asemenea micri. n ri cu seismicitate ridicat ca SUA i Japonia, tehnicile obinuite ale geodeziei clasice sunt nsoite de cercetri cu caracter regional, n care tehnologiile mai noi msurtori Doppler, interformetria cu baz foarte mare etc. reuesc s completeze imaginile locale, izolate, integrndu-le

-7-


Referat

ntr-un cadru mai larg , edificator. Un exemplu l constituie supravegherea geodezic sistematic a faliei San Andreas din California. La noi n ar, dup seismul din 4 martie 1977, s-au iniiat primele studii geodezice de aceast natur. Dup indicaiile preliminare a seismologilor, ca urmare a emiterii ipotezei existenei zona GruiuCldruani a unei falii principale, a fost realizat o reea geodezic constituit din 20 puncte, care se desfoar perpendicular pe direcia indicat a faliei. Cercetrile au fost ncepute pe o zon relativ restrns (2 x 1.5 km) extinzndu-se n 1985 la o suprafa mult mai mare (4 x 6 km). ntregul program de msurtori urmrete determinarea cu mare exactitate a poziiei punctelor geodezice la diferite momente de msurare. Rezultatele obinute pn n prezent sunt satisfctoare fiind comparabile, din punctul de vedere al preciziei, cu cea ce se obine n alte ri. 1.3 Efectele micrii seismice asupra construciilor Micarea oscilatoare a terenului, provocat de energia eliberat n timpul unui cutremur, are pentru construciile din zon caracterul unei aciuni. Efectele aciunii seismice asupra construciilor se manifest sub forme calitativ diferite, determinate, printre altele, de poziia construciei n raport cu suprafaa terenului i anume: a) la construciile cu dezvoltare suprateran, prin acceleraii seismice imprimate punctelor din zona de contact a construciei cu terenul, fapt care genereaz oscilaii ale construciei n ansamblu i prin urmare conduce la apariia unor fore de inerie i deci a unor solicitri dinamice; b) n cazul construciilor subterane (conducte, galerii, tuneluri etc.), prin deplasri impuse, construcia fiind obligat s urmreasc deplasrile masivului; c) modificri cu caracter dinamic ale presiunii exercitate de ctre masivele de pmnt asupra construciilor sprijinite (ziduri de sprijin, culei de pod etc.), datorit undelor seismice propagate prin aceste masive i oscilaiile seismice ale masivelor; d) suprapresiuni aplicate de ctre ap (sau alte lichide) elementelor de construcie situate sub nivelul apei sau care rein apa (pile de pod, baraje, rezervoare etc.), ca urmare a rezistenei pe care lichidele o opun deformrii structurii, datorit undelor seismice transmise prin ap i oscilaiile seismice ale apei;

-8-


Referat

e) fenomene cu caracter catastrofal constnd din falierea, alunecarea sau prbuirea terenului sub o construcie, valuri marine de mare nlime i vitez (tsunami). Aciunea seismic este o aciune dinamic, rspunsul construciei depinznd de o multitudine de factori dintre care cei mai importani sunt: - tipul structurii, distribuia spaial a maselor i a rigiditilor; - forma i dimensiunile generale ale construciei; - capacitatea de disipare a energiei i caracteristicile amortizrii - natura i distribuia elementelor nestructurale; - caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor; - natura terenului n care este amplasat construcia; - sistemul de fundare i tipul legturilor cu terenul; - calitatea execuiei etc. Deoarece n majoritatea cazurilor pentru construciile n elevaie efectele cele mai puternice sunt cele provocate la componentele orizontale ale forelor de inerie, solicitrile din aciunile seismice difer substanial de solicitrile produse de celelalte aciuni. Din aceste motive, prescripiile de calcul se refer n mod deosebit la aceste componente orizontale, care pot aciona dup orice direcie, i care se numesc n mod curent fore laterale. Datorit caracterului spaial al micrii seismice, construciile sunt supuse i ele unor micri spaiale complexe, ale cror efecte sunt mai pronunate n cazul construciilor ci ntindere mare n plan (cum sunt de exemplu podurile lungi i tunelurile) i la care receptarea micrii seismice, n diverse puncte, se realizeaz nesincron. Influena diverilor factori care determin comportarea construciilor la aciuni seismice se reflect n prescripiile de proiectare prin intermediul unor parametrii pe baza crora se evalueaz ncrcrile seismice de calcul. Un interes deosebit pentru stabilirea normelor i prescripiilor de proiectare l are analiza avariilor i distrugerilor produse de cutremurele de pmnt diferitelor construcii i elemente de construcie.

-9-


Referat

2. Avarii ale construciilor pentru transporturi produse de seisme2.1 Avarii i degradri specifice ale suprastructurilor podurilor pe grinzi Din observaiile numeroase privind degradrile i avariile produse la suprastructurile podurilor pe grinzi de aciunea forelor seismice, s-a ajuns la concluzia c acestea se pot ncadra n dou mari categorii: - degradri sau avarii produse ca urmare a alunecrii suprastructurilor de pe reazeme sau a cderii a acestora de pe infrastructuri; - degradarea puternic sau distrugerea infrastructurilor, acre atrag avarierea parial sau total a podului Studiindu-se comportarea suprastructurilor metalice, din beton armat i din beton precomprimat, ca i a suprastructurilor cu alctuire mixt (n conlucrare) sub aciunile seismice orizontale, se confirm ipotezele de calcul conform crora, datorit alctuirii lor ca reele plane de grinzi cu o plac orizontal rigid sau cu contravntuiri puternice, se asigur preluarea i transmiterea forelor seismice la aparatele de reazem i prin aceasta, la infrastructuri. De aceea, n condiii de alctuire corect i execuie ngrijit, suprastructurile pe grinzi au o comportare bun la solicitrile suplimentare din aciunile seismice orizontale, unele degradri care s-au observat avnd un caracter local i o importan redus (de exemplu, fisuri n antretoaze etc.). n acelai timp, se poate afirma c suprastructurile pe grinzi pot prelua fr consecine defavorabile solicitrile suplimentare produse de aciunile seismice verticale. Aceste concluzii sunt valabile numai n cazurile n care aparatele de reazem asigur transmiterea n bune condiii a forelor seismice orizontale (longitudinale i transversale) i verticale la infrastructuri, iar deplasrile infrastructurilor se menin la un nivel redus. O serie de degradri sau avarii al suprastructurilor pe grinzi s-au nregistrat ca urmare inducerii n elementele de rezisten a unor solicitri suplimentare, cum sunt cele produse de deplasrile infrastructurilor i tasrile fundaiilor. n situaiile cnd culeele au deplasri spre albie, elementelor longitudinale de rezisten ale suprastructurilor li se transmit fore de compresiune care pot produce degradri. Astfel sunt solicitate suplimentar i chiar avariate contravntuirile orizontale sau tlpile grinzilor cu zbrele ale podurilor metalice. De asemenea, se pot produce distrugeri

- 10 -


Referat

locale n zonele de rezemare ale grinzilor din beton armat sau beton precomprimat. Efectele deplasrilor verticale i transversale diferite ale infrastructurilor asupra suprastructurilor pe grinzi continue sunt mult mai grave, ca urmare a producerii unor solicitri suplimentare n structura static nedeterminat. n unele cazuri, aceste deplasri au valori mari (Fig.5.), avariile devin importante (seism de gradul 9-10 n Japonia), cu repercusiuni importante asupra duratei de refacere i costului lucrrilor.

Fig.5. O alt cauz a unor frecvente degradri sau avarii produse de aciunile seismice la podurile pe grinzi simplu rezemate o constituie vibraiile nesincrone ale infrastructurilor la nivelul aparatelor de reazem, att pe direcia longitudinal ct i transversal, care favorizeaz deplasarea tablierelor de pe reazeme. Ca urmare, se produc ciocniri i distrugeri ale tablierelor n zonele de capt, avarierea aparatelor de reazem (blocarea rolelor, smulgerea buloanelor de ancore etc.) sau degradri ale cuzineilor i ale banchetei cuzineilor (Fig.6.).

- 11 -


Referat

Fig.6. La cutremure violente, deplasrile infrastructurilor la nivelul aparatelor de reazem au nregistrat valori att de mari nct acestea au provocat cderea tablierelor de pe infrastructuri, la unul sau ambele capete, sau cderea prin rsturnare a unor tabliere mai nalte. n Fig.7. se prezint avariile nregistrate la podul Showa (seismul Niigata, Japonia, 1964).

Fig.7.- 12 -


Referat

Seismul din Alaska (1964, gradul 10) a provocat, printre alte avarii importante nregistrate la un numr mare de poduri mari i medii (28% din lungimea total a podurilor situate n zona afectat de seism), cderea tablierului marginal de 120 m deschidere. Suprastructura metalic este alctuit din grinzi cu zbrele cu calea jos (Fig.8.)

Fig.8. Podul prezint particularitatea cu limea pilelor (rigiditatea) pe direcie transversal este mare, de aceea tablierul i-a meninut, n cdere, poziia longitudinal. n schimb cazul prezentat n Fig.9., cderea tablierului metalic (India, 1934) s-a produs cu o rotire n jurul axei longitudinale.

- 13 -


Referat

Fig.9. Concluzii i consideraii interesante i utile a prilejuit comportarea podurilor i viaductelor situate pe autostrada n construcie Udine Tarvizio n timpul seismului Friuli (Italia, 6 mai 1976). Comportarea lucrrilor a fost diferit, n funcie de faza de execuie n care se aflau. Grinzile prefabricate din beton precomprimat depozitate pe platforme special amenajate au fost rsturnate i avariate n timpul seismului. La unele viaducte, grinzile prefabricate din beton precomprimat care n momentul producerii seismului nu erau legate cu antretoaze sau placa superioar au czut de pe infrastructuri, n timp ce traveele monolitizate deja au avut comportare bun. Podurile i viaductele existente, realizate cu grinzi metalice sau din beton precomprimat, nu au nregistrat avarii, n msura n care aparatele de reazem au fost proiectate corect. 2.2 Avarii i degradri ale infrastructurilor podurilor pe grinzi Dup Kvarivadze degradrile i avariile infrastructurilor podurilor pe grinzi se pot grupa astfel: - degradri i avarii produse de deplasrile infrastructurilor n raport cu poziia lor iniial; deplasrile pot fi cauzate de alunecri, rotiri sau tasri;

- 14 -


Referat

- distrugerea infrastructurilor din zidrii, beton sau beton armat (fisuri, crpturi, dislocri, rupturi, n rosturile zidriilor; Cele mai rspndite avarii ale culeelor podurilor pe grinzi sunt provocate de alunecrile acestora nspre albie, nsoite de rotiri i tasri. Cauzele acestor alunecri sunt complexe: terenul slab de fundaie, ncastrarea fundaiilor n straturi nclinate care au tendina de deplasare ctre albie, aciunea presiunii seismice a rambleului, aciunea forelor seismice corespunztoare maselor proprii i a suprastructurii etc. Alunecrile culeelor au atins uneori mrimi importante, care modific sensibil lungimea total a podului. n aceste mprejurri, culeele reazem n tabliere, producndu-se fie avarierea zidurilor de gard, fie distrugerea elevaiilor culeelor sau rsturnarea lor datorit forelor de mpingere ctre ramblee, acionnd la contactul tablierelor cu zidurile de gard. Observndu-se comportarea pilelor la aciuni seismice, c degradrile caracteristice sunt legate de tasri i nclinri; mai rar se nregistreaz deplasri orizontale. De asemenea, sunt cunoscute situaii cnd pilele au suportat ridicri pe direcie vertical sau rotiri n plan, ca urmare a unor aciuni seismice simultane. n general, deplasrile observate se refer la pile cu fundaii directe sau piloi ncastrai n nisipuri fine, prfoase, nisipuri lichefiabile, argile nisipoase etc. La cutremurul Niigata, cea mai mare parte a podurilor i podeelor care au suferit avarii grave sau au fost complet distruse au fost fundate n straturi de nisip care s-au lichefiat la nivelul fundaiilor i piloilor. Avarii similare s-au constatat i la o serie de poduri din Alaska (1964). La podurile amplasate n zone n care la suprafaa terenului au fost nregistrate ridicri, pilele au urmrit aceste deformaii remanente ale scoarei i au produs unele degradri ale cii, la podurile pe grinzi simplu rezemate i importante solicitri suplimentare n suprastructurile cu grinzi continue. n cele mai multe cazuri, tasrile i rotirile pilelor i ale culeelor sun nsoite de fisurarea i chiar distrugerea cuzineilor i banchetei cuzineilor, zone prin care se transmit, prin intermediul aparatelor de reazem, forele produse de ocul seismic de la structur la elevaie i teren, fisurarea i distrugerea zidurilor de gard a culeelor. n Fig.10. i Fig.11. sunt prezentate cele mai caracteristice tipuri de distrugere a pilelor cu elevaie masiv (zidrie, beton). Nivelul la care se produce ruperea elevaiei este situat de obicei deasupra nivelului apei; se nregistreaz o deplasare pe direcie orizontal (longitudinal sau

- 15 -


Referat

transversal) a prii superioare a elevaiei, cu o puternic deschidere a rostului orizontal ntr-o parte.

Fig.10.

Fig.11.

Natura degradrilor este alta n cazul pilelor cu elevaie uoar, din beton armat (pile-cadru, pile casetate etc.): se produc fisuri n zonele de mbinare a pereilor, stlpilor etc. cu bancheta cuzineilor sau cu radierul (fundaia). Avarii ale unui numr mare de poduri de osea cu suprastructuri pe grinzi au fost nregistrate cu ocazia seismului San Fernando (California, 1971). S-au constatat distrugeri ale fundaiilor pilelor, la adncimi de 1-3

- 16 -


Referat

m sub nivelul terenului. De asemenea, un numr de poduri de osea pe cadre din beton precomprimat s-au prbuit. Particularitatea comportrii podurilor realizate din beton precomprimat, n timpul seismului San Fernando, a fost determinat de valorile neobinuit de mari ale componentelor verticale ale vibraiilor seismice, aproximativ egale cu cele orizontale. n aceste condiii, elementele de rezisten verticale (n mod special stlpii podurilor pe cadre) au suferit avarii importante, datorit suprasolicitrii seismice verticale, producndu-se chiar n unele cazuri explodarea stlpilor din beton precomprimat.

2.3 Comportarea la aciuni seismice a podurilor pe boli i arce i a podurilor suspendate Podurile pe boli i arce. n general, podurile care nu transmit mpingeri la teren au o comportare bun la aciunile seismice, unele degradri care se pot nregistra au un caracter secundar, fr a influena rezistena sau stabilitatea structurilor. De asemenea, podurile pe boli i arce cu mpingeri orizontale, avnd culeele ncastrate n terenuri rezistente i nedeformabile au un rspuns seismic corespunztor. Degradrile mai frecvent observate la podurile pe boli se refer la fisurri sau desprinderi ale timpanelor, n cazul podurilor boltite cu umplutur, degradri ale stlpilor sau pereilor din beton armat n zonele de ncastrare n boli (arce) i n tablier, eventual unele fisuri n seciunile mai solicitate din ocul seismic ale tablierelor etc. S-au observat degradri locale n zonele articulaiilor, la arcele dublu sau triplu articulate, degradri ale tablierului sau ale straturilor cii n zona de la cheie, n cazul unor arce triplu articulate. Avarii grave se produc la aceste tipuri de poduri n situaiile n care deplasrile terenului produse de seisme antreneaz deplasri sau rotiri ale culeelor i ca urmare se produc solicitri suplimentare n arce i boli care pot depi capacitatea portant a acestora. Podurile suspendate. Aceste poduri au comportri satisfctoare la aciuni seismice dac pilonii i blocurile de ancorare se ncastreaz n terenuri foarte rezistente i incompresibile. Orice tasri sau rotiri ale acestora modific strile de eforturi i de deformaie ale structurilor. O alt cauz care ar conduce la o comportare slab a unor poduri- 17 -


Referat

suspendate se refer la posibilitatea producerii unor vibraii excesiv de mari ale pilonilor la nivelul de suspendare a cablurilor la aciunea unor seisme cu anumite valori ale parametrilor dinamici. n literatur se fac referiri la comportarea necorespunztoare a unui pod suspendat din Japonia (seismul Fukui, 1948); ca urmare a deplasrii cu 20 cm a masivului de ancorare a cablurilor ctre mijlocul deschiderii s-au produs importante creteri ale sgeilor cablurilor n deschideri, care au antrenat deformaii ale tablierului i modificri importante ale solicitrilor. De asemenea, sunt citate o serie de avarii nregistrate la unele poduri suspendate situate la distane relativ mari de epicentrul cutremurului din Japonia (1923), datorit producerii unor vibraii ale terenului cu perioade mari, apropiate ca mrime de perioada de vibraie proprie fundamental a structurilor podurilor suspendate respective. Rigiditatea transversal redus a podurilor suspendate a favorizat producerea n aceste cazuri a unor vibraii cu amplitudini foarte mari pe direcie transversal, care au condus la degradri importante ale tablierelor i uneori la rsturnarea pilonilor.

3. Proiectarea antiseismic a podurilor3.1. Principii de proiectare Podurile sunt structuri inginereti destinate traversrii unor obstacole de ctre o cale de comunicaie terestr. Din punct de vedere structural, un pod se compune din suprastructur i infrastructur (Fig.12.). Suprastructura (tablierul) este partea superioar a podului care preia ncrcrile din trafic. Infrastructura servete la transmiterea eforturilor de la suprastructur ctre teren i este alctuit din pile (reazeme intermediare) i culee (reazeme de capt). Legtura dintre infrastructur i suprastructur poate fi de tip ncastrat, articulat, sau simplu rezemat. Deseori sunt necesare reazeme simplu rezemate i rosturi de dilataie pentru a limita eforturile provenite din variaii de temperatur.

- 18 -


Referat

Fig.12. Importana prevenirii colapsului podurilor n urma unor cutremure de pmnt are la baz cteva motive. Primul dintre acestea este acelai cu cerina impus cldirilor n general: prevenirea pierderilor de viei omeneti. Cel de-al doilea const n faptul c n foarte multe cazuri podurile reprezint legturi vitale n reeaua de transport. n lipsa unor ci de comunicaie alternative, distrugerea unui pod poate ntrerupe traficul, fcnd imposibile activitile echipelor de intervenie n situaii de urgen. n fine, ntreruperea traficului pe un termen mai lung dup un cutremur, poate avea efecte economice nefavorabile. De aceea, cerina fundamental a normelor de proiectare antiseismic este aceea de a asigura comunicaiile de urgen n urma unui eveniment seismic de calcul (Eurocode 8-2, 2003). Ca i n cazul structurilor pentru cldiri, podurile pot fi proiectate conform principiul de comportare disipativ sau comportare slab-disipativ. Podurile slab-disipative sunt cele care au o ductilitate limitat (termen folosit de Eurocode 8-2, 2003). Prin proiectare nu se asigur cerine speciale care s asigure o ductilitate superioar structurii. ncrcrile seismice sunt determinate pe baza unor factori de comportare q1.5. n cazul podurilor rspunsul crora este dominat de modurile superioare de vibraie (de exemplu podurile suspendate), sau atunci cnd structura are un comportament fragil (datorit unor fore axiale sau tietoare mari), este recomandat asigurarea unui comportament elastic al structurii sub efectul aciunii seismice de calcul. n acest sens, se utilizarea un factor de comportare q=1. Podurile disipative (sau ductile n terminologia Eurocode 8-2, 2003) sunt proiectate astfel ca s aib un comportament ductil sub efectul aciunii seismice de calcul, disipnd energia seismic prin incursiuni n domeniul inelastic. Din aceast cauz, forele seismice sunt reduse fa de cele

- 19 -


Referat

corespunztoare unui rspuns elastic, folosind valori supraunitare ale factorului de comportare q. Alegerea abordrii de proiectare (disipativ sau slab-disipativ) este la latitudinea proiectantului, raiunile principale fiind cele de natur economic. n general, n zonele de seismicitate medie i ridicat (cu valoarea de calcul a acceleraiei de vrf a terenului ag>0.1g), proiectare pe baza principiului de comportare disipativ este mai economic. Principiul de proiectare disipativ sau slab-disipativ a podurilor este identic cu cel aplicat i altor tipuri de structuri. Cerina fundamental de proiectare la starea limit ultim (SLU) este aceea de asigurare a integritii structurale (podul trebuie s-i pstreze capacitatea portant), chiar dac unele elemente pot suferi avarii considerabile (Eurocode8-2, 2003). La starea limit de serviciu (SLS) structura poate suferi doar avarii minore, astfel ca traficul s nu fie perturbat. 3.2. Calculul structural la aciunea seismic n cele mai multe cazuri analiza structural a structurilor pentru poduri poate fi realizat pe dou modele plane: unul pe direcia longitudinal i altul pe direcia transversal. Metoda uzual de calcul a structurilor pentru poduri la aciunea seismic este un calcul elastic folosind metoda de calcul modal cu spectre de rspuns. n cazul n care rspunsul structurii este guvernat de un singur mod propriu de vibraie, se pot folosi metode simplificate de calcul, dup principiul forelor laterale din capitolul 5.3.1 aplicabile pentru structuri multietajate. Eurocode 8-2, 2003 folosete denumirea de metoda modului fundamental pentru acest tip de analiz. Rspunsul seismic al unui pod este guvernat de un singur mod de vibraie atunci cnd masa pilelor poate fi neglijat n comparaie cu masa tablierului (20%) i atunci cnd structura podului este regulat n plan orizontal (excentricitatea dintre centrul de mas i cel de rigiditate este mai mic dect 5% din lungimea tablierului). Pentru metoda de calcul modal cu spectre de rspuns, aciunea seismic este definit prin spectre de rspuns dou componente orizontale i una vertical. Componenta vertical poate fi n general neglijat, n special n zonele de seismicitate redus. Totui componenta vertical a micrii seismice trebuie considerat n urmtoarele cazuri (Eurocode 8-2, 2003): n cazul tablierelor realizate din beton precomprimat pentru analiza efectelor asupra reazemelor i rosturilor

- 20 -


Referat

atunci cnd obiectivul proiectat se afl n proximitatea unei falii active (componenta vertical a micrii seismice este important n apropierea zonei epicentrale) Majoritatea structurilor au dimensiuni n plan relativ mici n comparaie cu lungimea de und a micrii seismice, astfel nct aciunea seismic poate fi considerat aceiai pentru ntreaga fundaie a cldirii. La structurile cu deschideri mari, cum sunt podurile, atunci cnd dimensiunea n plan este comparabil cu lungimea de undelor seismice, punctele n care acioneaz micarea seismic (prinderea n fundaii a pilelor) pot nregistra micri diferite. La limit, pilele unui pod nregistreaz micri n contrasens, inducnd deformaii i eforturi suplimentare n structur. Micarea difereniat a punctelor de rezemare a structurii se numete variabilitate spaial a aciunii seismice. Acest fenomen poate fi important la structurile cu deschideri mari condiiile geologice i topografice accentueaz acest fenomen. Conform Eurocode8-2 (2003), variabilitatea spaial a micrii seismice trebuie considerat la determinarea rspunsului seismic al structurilor pentru poduri n urmtoarele cazuri: atunci cnd exist discontinuiti geologice (de exemplu un teren slab situat direct peste roc) atunci cnd terenul are o topografie variat dac lungimea podului depete 600 metri 3.3. Ductilitatea i conformarea seismic a structurilor pentru poduri Aspectele specifice podurilor sunt cele de asigurare a ductilitii la nivel de structur. La structurile pentru poduri, zonele disipative sunt amplasate n pile, de obicei la baza acestora. Aceste zone care sunt supuse unor deformaii inelastice importante trebuie proiectate i detaliate astfel ca s dezvolte o ductilitate ct mai bun. n cazul structurilor din beton armat sunt eseniale armarea zonelor disipative care s asigure o confinare adecvat a betonului, prevenirea cedrii din for tietoare i dispunerea nndirilor n afara zonelor disipative. n Fig.13.a. este prezentat un exemplu de avariere datorit armrii insuficiente a zonei disipative de la baza unei pile din b.a., iar n Fig.13.b. o cedare fragil din for tietoare. n cazul structurilor metalice, cerinele fundamentale de asigurarea a unui comportament ductil n zonele disipative le reprezint prevenirea flambajului la nivel de element i voalarea seciunii. Tablierul trebuie proiectat astfel ca s rmn n domeniul elastic. Sunt permise avarii minore la elementele secundare, cum ar fi rosturile de

- 21 -


Referat

dilataie, parapete, etc. Astfel, suprastructura (tablierul, reazemele, rosturile de dilataie) reprezint elemente nedisipative. O cerina important este ca tablierul s nu se deplaseze de pe reazeme n urma deformaiilor suferite n timpul aciunii seismice. Un exemplu de cedare a unui pod din cauza incapacitii aparatelor de reazem de a prelua deformaiile excesive induse de cutremur este cazul podului Showa avariat grav n timpul cutremurului din 1964 din Niigata, Japonia (Fig.15.a). Comportamentul elastic al elementelor nedisipative (tablier, reazeme) se asigur pe baza principiilor de proiectare bazat pe capacitate (vezi capitolul 6.1.2). Astfel, forele de calcul asupra elementelor nedisipative trebuie s corespund echilibrului de fore la formarea mecanismului plastic, n care eforturile din articulaii plastice in cont de suprarezistena acestora (din cauza consolidrii i a rezistenei reale mai mare dect cea caracteristic). n cazul structurilor disipative, o ductilitate de ansamblu superioar se obine atunci cnd articulaiile plastice se formeaz simultan n ct mai multe pile. Exist multe cazuri cnd configuraia terenului poate conduce la pile cu rigiditi foarte diferite (Fig.14.). Atunci cndtablierul este continuu, pilele cu rigiditatea mai mare vor atrage fore seismice mai mari, ceea ce conduce la o solicitare neuniform a acestora i la cedarea lor prematur. De aceea, pilele trebuie s aib pe ct posibil o distribuie ct mai uniform a rigiditii i rezistenei. Atunci cnd nu este posibil asigurarea unei rigiditi uniforme, o soluie posibil este dispunerea unor rezeme de alunecare sau din elastomeri ntre suprastructur i pilele cu rigiditate mare, care s elimine sau s limiteze transmiterea forelor de inerie de la suprastructur la pile.

- 22 -


Referat

Fig.13.a.b.Avarierea unei pile de la viaductul Hanshin n timpul cutremurului din 1995 din Kobe, Japonia (a) i cedarea din for tietoare la pilele unui viaduct la cutremurul San, SUA, din 1971 (b), Moehle i Eberhard, 2000.

Fig.14. La podurile oblice axa longitudinala a tablierului nu este perpendicular pe elementele infrastructurii (pile i culee). Tablierul acestor

- 23 -


Referat

poduri au tendina s se roteasc n plan vertical, conducnd la deplasarea de pe reazeme a tablierului. Din acest motiv podurile oblice i cele curbe nu sunt recomandate n zone seismice. Eurocode 8-2, 2003 recomand evitarea podurilor cu un unghi oblic mai mare de 45 n zonele de seismicitate ridicat. n Fig.15.b este prezentat colapsul unui viaduct oblic ca urmare a deplasrii tablierului la rosturile de dilataie.

Fig.15.a.

Fig.15.b.Cedarea podului Showa n timpul cutremurului din 1964 din Niigata, Japonia datorit deplasrii de pe reazeme (a) i cedarea viaductului Gavin Canyon la cutremurul din 1994 din Northridge, SUA (b)

- 24 -


Referat

n general, structurile continue au o comportare seismic mai bun dect cele care au un numr mare de reazeme mobile i rosturi de dilataie. Acestea din urm sunt ns necesare pentru a limita eforturile din variaii de temperatur. 3.4. Tipuri de structuri i factori de comportare Ca i n cazul structurilor pentru cldiri, metoda standard de analiz n cazul structurilor pentru poduri este metoda de calcul modal cu spectre de rspuns (un calcul elastic). n cazul proiectrii pe baza principiului de comportare disipativ a structurii, capacitatea structurii de a se deforma n domeniul inelastic (cu degradarea elementelor structurale, dar fr a ajunge la colaps) este reflectat prin factorii de comportare q. Valoarea de referin a factorilor de comportare q pentru diferite tipuri de structuri este prezentat n Tabelul 1. Valorile factorilor de comportare q din Tabelul 1. reflect ductilitatea diferitelor tipuri de elemente disipative (a tipului de structur), a diferitelor materiale folosite i a principiului de proiectare folosit. Astfel, structurile bazate pe un comportament disipativ sunt caracterizate de factori de comportare mai ridicai. La structurile din b.a., fora tietoare reprezint un mod de solicitare fragil. Cu ct lungimea unei pile raportat la nlimea seciunii (raportul S = L/h) este mai mic, cu att fora tietoare corespunztoare formrii articulaiei plastice la baza pilei va fi mai mare. Dea ceea, factorul de comportare q are valori reduse n cazul pilelor cu un raport L/h redus, atunci cnd elementul structural este susceptibil la cedare din for tietoare. n cazul structurilor metalice se poate observa c structurile necontravntuite i cele contravntuite excentric sunt cele mai ductile, iar cele contravntuite centric cele mai puin ductile. Aceast observaie reflect faptul c la structurile metalice, deformaiile inelastice de ncovoiere i de forfecare sunt foarte ductile, n comparaie cu cele de ntindere. La structurile de poduri la care suprastructura este prins rigid de culee, rezult o structur cu rigiditatea foarte mare n plan orizontal. Structurile care sunt foarte rigide oscileaz solidar cu terenul de fundare, rezultnd deplasri relative apropiate de zero i acceleraii ale structurii apropiate de acceleraia terenului. Aceste structuri nu nregistreaz amplificri importante ale micrii seismice de ctre structur i pot fi proiectate pe baza unor factori de comportare q=1 (n cazul structurilor foarte rigide - T0.03 s) sau q=1.5 (n cazul structurilor mai puin rigide - 25 -


Referat

T>0.03 s).

Tabel 1. Tipul elementului ductilPile din beton armat: Pile verticale supuse la ncovoiere (a) Pile nclinate supuse la ncovoiere (b)

Comportament SlabDisipativ disipativ1.5 1.2 3.5( s) 2.1( s)

Pile metalice: Pile verticale necontravntuite [supuse la ncovoiere] (a) Pile nclinate necontravntuite [supuse la ncovoiere] (b) Cadre contravntuite centric (c) Cadre contravntuite excentric (d)

1.5 1.2 1.5 -

3.5 2.0 2.5 3.5

Culee prinse rigid de suprastructur: n general Structuri "fixe" (cu perioada proprie de vibraie n direcia orizontal T0.03 s)

1.5 1.0

1.5 1.0

Arce 1.2 2.0

s =L/h, unde L este distana de la articulaia plastic pn la punctul de moment zero, iar h este nlimea seciunii pe direcia de aciune a momentului ncovoietor din articulai - 26 -

Proiectarea i protecia antiseismic a podurilor i construciilor pentru transporturi plastic

Referat

Aceste valori reprezint limita maxim a factorul de comportare care poate fi folosit n proiectare,atunci cnd structura ndeplinete toate condiiile care s-i sigure un comportament ductil. Printre situaiile care pot conduce la o ductilitate sczut i care necesit reducerea factorilor de comportare se numr urmtoarele (Eurocode 8-2, 2003): Structuri cu un comportament seismic neregulat. Solicitarea neuniform a elementelor disipative conduce la concentrarea a deformaiilor inelastice n cteva elemente structurale (pile), ducnd la o ductilitate redus la nivelul ntregii structuri i la o capacitate redus de disipare a energiei seismice. n cazul structurilor din b.a., valori ridicate ale forei axiale de compresiune pot reduce ductilitatea articulaiilor plastice de ncovoiere. Valorile factorul de comportare din Tabelul 1. sunt valabile pentru fore axiale din gruparea seismic de ncrcri care nu depesc 30% din rezistena seciunii la for axial. Pentru fore axiale care depesc 30% din rezistena seciunii la for axial, este necesar folosirea unui factor de comportare redus. n cazurile n care fora axial de calcul depete 60% din rezistena seciunii la for axial, nu se poate conta pe un comportament disipativ al structurii, ncrcarea seismic fiind determinat pe baza unui factor de comportare q=1. Proiectarea pe baza conceptului de comportare disipativ implic acceptarea unor degradri n elementele disipative n urma aciunii seismice de calcul. Eventualele degradri ale elementelor de rezisten trebuie s poat fin inspectate i remediate. De aceea, zonele disipative trebuie s fie accesibile. Atunci cnd acestea nu sunt accesibile pentru inspecie i lucrri de remediere (de exemplu baza pilelor aflate n ap de adncime mare) este necesar utilizarea unor factori de comportare redui fa de valorile de referin. Proiectare pe baza unor factori de comportare redui va implica o cerin de ductilitate redus, adic degradri mai reduse ale elementelor disipative. Eurocode 8-2 (2003) recomand multiplicarea valorilor de referin a factorului de comportare q cu 0.6 atunci cnd zonele disipative nu sunt accesibile.

- 27 -


Referat

4. Bibliografie Conf.dr.ing. Emil Neogoescu ,Conf.dr.ing. Virgil Fierbinieanu Proiectarea i protecia antiseismic a podurilor si construciilor pentru tansporturi Editura Tehnic 1985 P100 1 2006 Eurocode 8 http://cemsig.ct.upt.ro/

- 28 -

probleme speciale de inginerie seismica

Documents