INGINERIA SEISMICA

INGINERIA SEISMICA

Ingineria seismica este un capitol al dinamicii construcţiilor care studiază răspunsul seismic al structurilor (determinarea stării de eforturi şi deplasări ce apar în structură pe durata unei acţiuni seismice puternice).

R=6370km

Cutremurul de pământ este un fenomen natural care se manifestă sub forma unei mişcări haotice sau întâmplătoare a straturilor superficiale ale scoarţei cu amplitudini pe direcţii de propagare variabile în timp. El începe printr-un şoc puternic produs într-un loc din scoarţă numit focar sau hipocentru. Proiecţia acestui punct pe suprafaţa scoarţei după direcţia razei se numeşte epifocar sau epicentru.

Cauzele cutremurelor1. Naturale • Endogene – legate de energia interioară a pământului,• Vulcanice – rare, de mică intensitate, locale,• Tectonice (95 % din totalul cutremurelor) – transformarea

energiei potenţiale în energie cinetică,• Exogene – meteoriţi, scăderea bruscă a presiunii atmosferice.

2. Artificiale – datorită activităţii omului ce tulbură echilibrul scoarţei terestre: explozii distructive, accidentale, utile, prăbuşiri de mine, etc.

Regiuni seismice pe glob„Centura de foc a Pacificului”, care mărginește oceanul Pacific– din Chile până în Alaska, Japonia, Filipine și, în final, Noua Zeelandă. Aici au loc peste 81% din cele mai mari cutremure ale lumii.

Centura Alpidă, se extinde de la Java spre Sumatra, prin Himalaya, Marea Mediterană până la Atlantic. Aceasta cuprinde și munţii Carpaţi, cu zona seismică Vrancea. În această centură au loc peste 17% din cele mai mari cutremure ale lumii.

Energia declanşată în focar se transmite în toate direcţiile sub formă de mişcări ale straturilor pământului denumite unde seismice.

Unde seismice

Tipuri de unde• unde seismice primare (P) sau longitudinale Sunt unde radiale focarului deci longitudinale în sensul propagării lor, având efecte rapide de compresiune-întindere, antrenând în mişcare mediul. Viteza de propagare este mare (7-8km/s), ajungând primele la suprafaţa terenului. Se propagă şi în medii gazoase, ceea ce explică zgomotele care însoţesc cutremurele.

• unde seismice secundare (S) sau transversaleSe propagă normal pe direcţia radială şi produc deformaţii de forfecare. Viteza de propagare este (4-5km/s) şi nu se propagă prin gaze.

• unde seismice lungi sunt unde de suprafaţă, superficiale sau marginale, care apar ca urmare a influenţei discontinuităţii suprafeţei pământului.

• În afara acestora, datorită reflexiei şi refracţiei pe suprafeţele de separaţie şi discontinuităţilor din scoarţă, mai apar şi alte tipuri de unde.

Mişcările seismiceMişcările seismice sunt combinaţii ale vibraţiilor produse de undele seismice expuse mai sus. Traiectoria descrisă de un punct de pe scoarţa terestră este o curbă spaţială ce se determină prin componentele sale după trei direcţii: verticala locului şi două direcţii orizontale perpendiculare între ele (N-S şi E-V).

Mişcarea pământului se înregistrează sub două forme:• deplasarea scoarţei (seismogramă)

• acceleraţia scoarţei (accelerogramă)

Clasificarea mişcărilor seismice

• mişcări produse practic printr-un singur şoc. Aceste cutremure au distanţa epicentrală mică şi perioade scurte de circa 0,2s şi sunt relative moderate (Skopje – 1963, Agadâr (Maroc), 1960, San Salvador 1965, Asissi (Italia) 1997,etc.

• mişcări de durată medie şi cu vibraţii extrem de neregulate. Au distanţa focală medie şi perioadele dominante sunt cuprinse între 0,05-0,5s şi 2,5-6s: El Centro (California).

• mişcări de durată relativ lungă şi cu o perioadă dominantă de vibraţie pronunţată. Distanţa epicentrală este mare (de dimensiunile unei ţării medii). Mexico City, 1965 (T=2-2,5s), România, 1977 (T=1-1,5s).

• mişcări ale pământului la scară foarte mare, cu deformaţii permanente ale scoarţei terestre (lunecări de teren, lichefierea solului, tasări importante). Au distanţe epicentrale foarte mari, China 1965-1970.

Cutremure în Romania

Focare seismice în Romania1. Zona Vrancea - 40% din cutremurele ce afectează

ţara noastră. Sunt de intensitate mare şi se datorează unui focar situat sub munţii Vrancei, în curbura Carpaţilor, unde se întalnesc subplaca Carpatică şi subplaca Esteuropeană (se simte de la Sankt Petersburg şi Moscova pană în Grecia). Focarele sunt cuprinse într-o zonă de 20-185km adancime. Cele mai puternice cutremure se produc cu intensitate maximă după tangenta la curbura Carpaţilor cu o frecvenţă medie de 16 ani.

Se mai produc şi cutremure după normala la tangentă, cu intensităţi mai mici şi cu frecvenţa de 9 ani.Intensitatea seismică maximă se manifestă la 50km de la epicentru, în zona Panciu-Focşani, deoarece în această zonă grosimea straturilor sedimentare este maximă. Reflectarea mai departe a undei seismice este în funcţie de perioada de vibraţie proprie a rocilor. Astfel, lanţul munţilor Carpaţi amortizează puternic mişcarea seismică spre Transilvania. În Bărăgan însă, unde predomină straturi sedimentare slabe, intensitatea seismică este foarte mare.

• Banat – zona Oraviţa - Moldova Nouă există un focar situat la 10-20km adancime.

• În vestul şi nordul Banatului (zona de vest a Timişoarei) există o falie aproape verticală, paralelă cu cursul Mureşului şi la adancimea de 6-10km produce cutremure cu caracter local.

• Maramureş (5-15km)• Dobrogea (5-15km). “Nu există nicăieri în lume o concentraţie de populaţie atât de expusă la cutremure generate în mod repetat de aceeaşi sursă” Ch. Richter, celebrul seismolog american despre cutremurul din 4 martie 1977

SCARI SEISMICE1. Scări subiective - apreciază tăria sau intensitatea cutremurelor

într-un punct al teritoriului şi se bazează pe observaţii privind efectele asupra oamenilor, animalelor, construcţiilor, etc.

Cele mai cunoscute scări subiective sunt:

• Scara MSK (1964) Medvedev, Sponheuer, KarniK (Rusia). Are 12 grade de intensitate

• Scara MERCALLI modificată (MM) are 12 grade de intensitate şi este folosită în restul lumii, neexistând o diferenţă esenţială faţă de scara MSK,

• Scara japoneză, folosită numai în Japoni, are 7 grade,• Scara Rossi-Forel, are 10 grade (SUA).

2. Scări obiective apreciază tăria sau intensitatea cutremurului în epicentru funcţie de cantitatea de energie cinetică declanşată în focar.Scara magnitudinilor (Richter) 1940Magnitudinea este logaritmul zecimal al amplitudinii seismice măsurată în microni la distanţa de 100km de epicentru cu un seismometru standard ce are anumite caracteristici. Energia cinetică din focar este dată de relaţia empirică:

(M≤9)Pentru o creştere a magnitudinii cu o unitate energia din focar creşte de 100 ori.La cutremurul din 4 martie 1977, M=7,2-7,4:

2054,014,24,9log MME

Zonarea seismică

Realizarea unei construcţii capabile să reziste la acţiunea seismică se bazează pe aprecierea viitorului cutremur de intensitate maximă dintr-o zonă dată care poate solicita construcţia pe durata vieţii ei. Teritoriul unei ţări se zonează funcţie de intensitatea aşteptată. Această împărţire se numeşte macrozonare seismică şi se bazează pe:• Harta geologică a terenului• Distribuţia focarelor de cutremur• Analiza efectelor cutremurelor din trecut în regiunea

respectivă• Corelarea datelor din zona respectivă cu cele din ţările

învecinate.

Normativul P100 din 2006Prevederi generale de alcătuire a construcţiilor

Simplitatea structurală

Sistemul structural trebuie să fie continuu și suficient de puternic pt. a asigura un traseu clar, cât mai direct și neîntrerupt al forţelor seismice, indiferent de direcţia acestora, până la fundaţii. Forţele seismice care iau naștere în toate elementele clădirii sunt preluate de planșee (diafragme orizontale) și transmise structurii verticale, apoi transferate la fundaţii și teren. Proiectarea trebuie să asigure că nu există discontinuităţi în acest drum. Ex. de discontinuitate: un gol mare în planșeu.

Geometria (configuraţia structurii)• Structura trebuie să fie cât mai regulată, distribuită cât mai

uniform în plan, permiţând o transmitere directă și pe un drum scurt a forţelor de inerţie aferente maselor distribuite în clădire.

• Structura trebuie să prezinte, pe cât posibil și uniformitate pe verticala construcţiei, pentru a elimina apariţia unor zone sensibile în care concentrarea unor eforturi sau deformaţii plastice ar putea produce ruperi premature.

• Se vor alege forme avantajoase, cu o distribuţie adecvată a maselor, a rigidităţilor urmărindu-se reducerea în cât mai mare măsură a excentricităţilor.

Rigiditate şi rezistenţă la translaţie pe două direcţii

Acţiunea orizontală a cutremurelor se manifestă bidirecţional. De aceea elemenetele structurale se vor dispune în plan într-un sistem ortogonal, în măsură să ofere caracteristici de rezistenţă și de rigiditate suficiente în două direcţii. Sistemele structurale pot fi diferite în cele două direcţii.

Rigiditate şi rezistenţă la torsiune

• Structura trebuie să fie înzestrată cu suficientă rezistentă și rigiditate la torsiune pentru a limita manifestarea unor mișcări de torsiune în ansamblu a construcţiei care ar putea spori periculos eforturile și deplasările orizontale ale clădirilor. Soluţia cea mai eficientă este dispunerea adecvată a unor elemente suficient de rigide și rezistente pe perimetrul construcţiei (cel puţin două în fiecare direcţie).

Condiţii referitoare la masele construcţiilor

1. În vederea reducerii efectelor nefavorabile datorate poziţionării neregulate a încărcărilor masice, se va urmări dispunerea cât mai uniformă a încărcărilor gravitaţionale pe planșee, atât în plan cât și pe verticală.

2. În vederea reducerii forţelor de inerţie seismice care acţionează asupra construcţiilor se va urmări realizarea de construcţii cu mase cât mai mici. În acest scop:

• La realizarea elemenetelor nestructurale: învelitori, termoizolaţii, șape, pereţi de compartimentare și de închidere, parapete de balcoane, etc., se vor utiliza cmateriale ușoare. De asemeni se va reduce grosimea tencuielilor și a șapelor de egalizre, a straturilor pentru realizarea pantelor și să se micșoreze greutatea elementelor ornamentale.

• La clădirile cu regim ridicat de înălţime și (sau ) cu mase mari se recomandă utilizarea betoanelor de înaltă rezistenţă în elementele structurale, în special stâlpi și grinzi).

• La acoperișul halelor parter cu deschideri mari se vor aplica soluţii din materiale ușoare.

• În cazul clădirilor cu funcţiuni diferite pe înălţime se recomandă ca activităţile care implică încărcări utile mari să fie plasate la nivelurile inferioare.

Criterii pentru regularitatea pe verticală

• Sistemul structural se dezvoltă monoton pe verticală, fără variaţii de la nivelul fundaţiei până la vârful clădirii. Dacă există retrageri pe înălţime clădirii, acestea nu depășesc, la oricare nivel, 20% din dimensiunea de la nivelul imediat inferior.

• Dacă elementele structurale se reduc de la bază la vârful structurii, variaţia rezistenţei și rigidităâii laterale este uniformă, fără reduceri bruște de la un nivel inferior la un nivel superior.

• Masele aplicate pe construcţie sunt distribuite uniform. Ata înseamnă că la nici un nivel masa aferentă nu este mai mare cu mai mult de 50% decât masele aplicate la nivelurile adiacente.

• Structura nu prezintă discontinuităţi pe verticală, care să devieze traseul încărcărilor către fundaţii. Devierea poate avea loc în același plan al structurii sau dintr-un plan în alt plan vertical al construcţiei.

Rosturi seismice

• Rosturile seismice se prevăd în scopul de a separa între ele corpuri de construcţie cu caracteristici dinamice diferite,pentru a le permite să oscileze independent sub acţiunea mișcărilor seismice sau pentru a limita efectele eventualelor coliziuni.

• În cazul în care rosturile separă tronsoane cu caracteristici dinamice și constructive similare acestea pot avea dimensiunile stabilite din condiţia de rost de dilataţie-contracţie.

În cazul în care corpurile de clădire învecinate au:• caracteristici dinamice (mase, înălţimi, rigidităţi)

foarte diferite,• rezistenţe laterale diferite (exemplu: când o

construcţie nouă este situată lângă o construcţie veche, cu vulnerabilitate seismică ridicată),

• au unul faţă de celălalt poziţii excentrice,• au planșeele decalate pe verticală,Lăţimea rostrului se dimensionează punând condiţia ca în timpul cutremurului tronsoanele separate prin rost să nu se afecteze prin coliziune, atunci când acestea ar oscila defazat.

Lăţimea rosturilor

di – deplasările maxime ale celor două tronsoane sub acţiunea încărcărilor seismice orizontale la nivelul extremităţilor superioare a corpului de clădire cu înălţime mai micăD – lăţimea necesară rostului seismic În cazurile în care se adoptă elemente de mascare a rostului, acestea vor fi astfel alese încât să nu aibă o influenţă semnificativă asupra oscilaţiilor corpurilor de clădire învecinată, iar în cazul degradării elementelor de mascare să nu existe riscul de descprindere și de cădere a unor piese care să pericliteze viaţa oamenilor .

mmdd 2021 D