Efectul solicitarilor dinamice asupra terenului de fundare si, implicit, asupra constructiilor impune cunoasterea fenomenelor care conditioneaza raspunsul seismic al acestora. In acest context, un factor determinant il constituie terenul de fundare, ca problematica complexa de stabilitate si rezistenta.
Amplasamentele specifice din municipiul Bucuresti prezinta caracteristici cu privire la urmatoarele aspecte: definirea stratigrafiei pachetului geologic superficial prin prospectarea terenului, evaluarea caracteristicilor fizico-mecanice si dinamice ale pamantului, anticiparea unor posibile modificari tectonice potentiale ale suprafetei libere a terenului (tasari, lichefierea complexului nisipos, alunecari de teren, falieri etc.). Acestor factori de incertitudine si, implicit, de risc li se asociaza influenta fenomenului de interactiune teren – fundatie – structura, care poate produce efecte defavorabile asupra comportarii constructiilor pe durata miscarilor seismice de mare intensitate.
Conditii de amplasament in interactiunea fundatie – teren
Solicitari dinamice
Solicitarile dinamice care actioneaza asupra unei constructii se prezinta sub forma unei miscari vibratorii. Raspunsul constructiei la solicitare depinde direct de forma semnalului seismic, de modul de propagare, de magnitudinea si distanta de propagare a undelor seismice.
In baza unor studii privind modul de propagare a miscarii vibratorii (fig. 1), au fost elaborate si apoi rezolvate ecuatiile de miscare asociate diferitelor moduri de oscilatie. Pentru cazul semispatiului elastic, omogen, izotrop si infinit, Richart (1967) arata ca, prin rezolvarea ecuatiilor de miscare, pot fi puse in evidenta trei tipuri de unde: de compresiune (P), de forfecare (S) si Rayleigh. Modul lor de propagare, marimea relativa a oscilatiilor produse, precum si cantitatea de energie transportata de fiecare tip de unda in parte, pentru cazul unei surse circulare aflate la suprafata terenului, sunt prezentate schematic in fig. 2.
Oscilatiile produse de trecerea undelor seismice prin straturile de pamanturi de la roca de baza pana la suprafata terenului sau la nivelul talpii fundatiei sunt datorate fenomenului de filtrare (fig. 3). O caracteristica importanta a undelor Rayleigh este ca acestea se amortizeaza cel mai repede, disparand complet la o distanta relativ mica fata de sursa, in raport cu celelalte doua tipuri de unde.
Conditii de teren – factor determinant in dimensionarea elementelor structurale ale constructiilor
Realizarea unei constructii presupune rezolvarea unor probleme tehnice complexe, intrucat este necesar sa fie indeplinite o serie de performante privind functionalitatea, stabilitatea, rezistenta, durabilitatea si economicitatea. Respectarea lor este strans legata de evaluarea rezistentei si stabilitatii terenului de fundare sub actiuni statice, avand in vedere diversitatea mare a pamanturilor din care este constituit terenul si actiunea in timp a diferitilor factori care pot produce schimbari ale acestor conditii.
La stabilirea preliminara a sistemului structural, trebuie analizate in primul rand conditiile de teren, care reprezinta factorul cel mai important in proiectarea constructiilor. La proiectarea structurilor, trebuie sa se tina seama de efectele generate de prezenta terenului, cum ar fi:
• influenta mediului de propagare dintre sursa si amplasament, care depinde de distanta epicentrala si caracteristicile geotehnice si geofizice ale terenului;
• influenta caracteristicilor fizico-mecanice si dinamice ale pachetului de straturi superficiale, definite prin studii geologice, geofizice si geotehnice. Dintre acestea, pot fi mentionate: topologia suprafetei libere, grosimea depozitului geologic superficial, stratigrafia si orientarea planurilor de separatie, vitezele de propagare a undelor seismice, in special a celor de forfecare, reflexia, refractia, dispersia si radiatia undelor de la nivelul rocii de baza catre suprafata terenului;
• influenta conditiilor locale de deformabilitate ale terenului, care pot exercita efecte defavorabile daca la stabilirea configuratiei si solutiei constructive a unitatii structurale nu s-au avut in vedere eventualele posibilitati ale unor degradari la nivelul suprafetei libere;
• influenta interactiunii dinamice dintre teren si structura din cauza cuplajului elastic existent la nivelul suprafetei de contact dintre fundatie si amplasament;
• influenta infrastructurii in corelare directa cu tipul de suprastructura, cu caracteristicile miscarii seismice si cu natura terenului.
Evaluarea parametrilor de rigiditate, rezistenta si amortizare ai pamantului la solicitari seismice
Principalele caracteristici ale terenului, folosite in determinarea raspunsului seismic al structurilor sunt:
(i) caracteristicile de rigiditate ale pamantului, care includ modulul de deformatie longitudinala (Ed), modulul de deformatie transversala (Gd);
(ii) caracteristicile de rezistenta, care includ rezistenta la lichefiere a pamanturilor (Rl);
(iii) caracteristicile de amortizare, prezentate sub forma fractiunii din amortizarea critica (D);
(iv) perioada predominanta a terenului (T).
Evaluarea caracteristicilor de rigiditate ale terenului de fundare se determina in laborator cu ajutorul aparatului triaxial ciclic. Fig 4 prezinta o curba de efort-deformatie idealizata. Semnificatia marimilor este urmatoarea: G0 este modulul de deformatie transversala maxim, GS este modulul secant de deformabilitate transversala. Se observa ca modulul GS este panta dreptei obtinute prin unirea varfurilor buclei de histerezis. In cazul ideal, aceasta trece prin origine.
Modulul de deformatie longitudinala (Ed) are aceeasi semnificatie cu modulul Gd pentru curba efort normal – deformatie specifica longitudinala.
Evaluarea caracteristicilor de rezistenta se deduce din curba de variatie Rl – N, unde Rl este efortul deviator ciclic normalizat, iar N este numarul de ciclii dupa care s-a produs lichefierea. Lichefierea propriu-zisa este rezultatul cedarii, in conditii nedrenate, a unui nisip saturat, reprezentat in diagrama de stare, printr-un punct situat deasupra starii stationare, in timp ce lichefierea ciclica este exemplificata cu ajutorul punctului D.
Fractiunea din amortizarea critica sau factorul de amortizare critica (D) este un numar adimensional ce caracterizeaza capacitatea de amortizare a miscarii si este definit ca raportul dintre lucrul mecanic intern (DW), consumat intr-un ciclu de oscilatie si energia de deformatie initiala (W):
in care: AB (DW) este aria buclei de histerezis;
AT (W) este aria triunghiului definit in fig. 4.
Perioada fundamentala a terenului intr-un amplasament constituie o marime importanta in studiul raspunsului seismic prin inregistrarea microundelor care traverseaza terenul. Perioada fundamentala a unui pachet de „n“ straturi, de grosime totala hT depinde de viteza undelor seismice de forfecare (Vs) si de un coeficient ce tine seama de marimea acceleratiei maxime in timpul unui cutremur pe amplasament.
Evaluarea caracteristicilor dinamice ale terenului presupune determinarea vitezelor de propagare a undelor seismice longitudinale (Vp) si transversale (Vs) si a densitatii pamantului (r), din care se pot calcula modulele dinamice de deformatie longitudinala (Ed) si transversala (Gd), in functie de deformatia specifica (coeficientul Poisson, u).
Principalele relatii intre parametrii dinamici ai terenului de fundare si vitezele de propagare a undelor seismice longitudinale si transversale sunt urmatoarele:
• pentru calculul modulului dinamic de deformatie transversala, Gd, se utilizeaza formula:
G = r x Vs2 [2]
in care: r este densitatea pamantului in stare naturala (kg/m3),
Vs – reprezinta valorile vitezelor undelor seismice de forfecare (m/s);
• pentru calculul modulului dinamic de deformatie longitudinala, Ed, se utilizeaza formula:
Metodele seismice de investigare a terenului si-au dovedit eficienta, furnizand date a caror interpretare permite evaluarea cantitativa a constantelor elasto-dinamice ale rocilor si pamanturilor si aprecieri asupra starii fizice a acestora.
Caracterizarea dinamica a conditiilor de amplasament pe zone prospectate in municipiul Bucuresti
Investigatiile geotehnice si geofizice ale conditiilor locale de teren, pe amplasamente din municipiul Bucuresti, efectuate pana in prezent, sunt relativ reduse, in conditiile unui numar limitat de foraje de adancime. Contributiile semnificative aduse de specialistii din cadrul INCERC Bucuresti au permis intocmirea unor profile ale undelor seismice, bazate pe criterii calitative (descrieri stratigrafice) si cantitative (viteze medii ale undelor seismice de forfecare).
Masuratorile de viteze au pus in evidenta valori mici ale vitezelor corespunzatoare amplasamentelor INCERC, Piata Victoriei si Podul Basarab, caracterizate de perioade predominante lungi, corespunzatoare terenurilor cu compresibilitate redusa.
Rezultatele investigatiilor sunt prezentate sistematizat pe doua nivele de adancime in prospectiunile efectuate pe 30 metri, respectiv 60 metri. Ele permit o comparatie a caracteristicilor geofizice si geotehnice pe succesiuni de straturi in profilele litologice interceptate in foraje. Investigarea terenului prin foraje cu adancime mai mare de 60 metri conduce, in calculul Vs, datorita straturilor neomogene, la o atenuare a diferentelor dintre valorile vitezelor undelor seismice de forfecare obtinute pe amplasamentele studiate. Se observa ca valorile Vs nu cresc foarte mult cu adancimea depozitelor sedimentare aluviale datorita variabilitatii si neomogenitatii straturilor in profilele litologice interceptate in foraje si datorita grosimii semnificative a acestor depozite sedimentare recente.
Valorile vitezei medii ponderate cu grosimea straturilor, pentru 30 metri, respectiv 60 metri, sunt prezentate in tabelul 1.
Reprezentarea grafica a valorilor medii ale vitezelor undelor seismice de forfecare, Vs, este prezentata in fig. 5.
Caracterizarea dinamica a stratificatiei terenului pe amplasamentele investigate este completata si cu variatia modulului de deformatie transversala, G. Variatia valorilor modulului de deformatie transversala, in functie de adancime, este determinata de natura terenului interceptat in foraje, de grosimea straturilor, de densitatea pamanturilor si de curba efort-deformatie inregistrata la solicitarea ciclica. Valorile calculate ale modulului de deformatie transversala, Gd, ale modulului de deformatie longitudinala, Ed si ale coeficientului lui Poisson (u), pentru amplasamentele INCERC (70 m) si Pod Basarab, sunt prezentate in tabelul 2.
Concluzii
Din cercetarile efectuate rezulta ca, in Bucuresti, luarea in considerare a unui profil de teren de grosime insuficienta poate furniza rezultate eronate, conducand la valori foarte mici ale perioadei de vibratie a terenului si ascunzand astfel pericolul vibratiei terenului cu perioade lungi, situatie care a fost inregistrata in 1977.
In general, in studiul raspunsului terenului in timpul cutremurelor se acorda o importanta deosebita undelor seismice de forfecare ce sunt puternic influentate de depozitele sedimentare moi cu grosimi de cel mult 100 metri. Este necesara luarea in considerare a straturilor sedimentare pana la „roca de baza seismica“, ceea ce poate insemna grosimi de sedimente de pana la cativa kilometri (de exemplu, in zona Tokio 2,5 km, in zona Bucuresti 800 m – 1 km).
Din cauza complexitatii si neuniformitatii stratigrafiei terenului, este necesara o analiza complexa a geologiei superficiale, bazata pe foraje de mare adancime, utilizand metode de prospectare geofizice si geotehnice, astfel incat sa se poata obtine o imagine de ansamblu si completa a geologiei Bucurestiului.
Bibliografie
1. Ishihara et al., 1982: „Dynamic Behaviour of Soil Amplification and Soil Structure Interaction“. UNDP/UNESCO Project on Earthquake Risk Reduction in the Balkan Region.
2. Balan, St., Cristescu V., 1982: „Cutremurul de pamant din Romania de la 4 Martie 1977“, Editura Academiei, Bucuresti.
3. C 241-92: „Metodologia de determinare a caracteristicilor dinamice ale terenului de fundare la solicitari seismice“, Buletinul Constructiilor vol. 9/1993.
4. M. Stefanica, 1994: „Geotehnica. Mecanica pamanturilor. Tehnica si tehnologia lucrarilor de fundatii”. Vol. I, II, III. UNITEH.
5. M. Stefanica, B. Slujitoru, 1996: „Evaluarea riscului producerii fenomenului de lichefiere la terenuri necoezive supuse incarcarilor statice”. A VIII-a Conferinta Nationala de Geotehnica si Fundatii, Iasi.
6.Comunicari ale celei de-a II-a Conferinte Mondiale de Inginerie Seismica, Mexic, 1996.
7. Eurocode 7, 1997: „Proiectare geotehnica. Prescriptii generale”.
8. Studiu INCERC Bucuresti, 2001: „Caracterizarea dinamica a conditiilor locale de teren pe amplasamentul Podului Basarab”.
9. Studiu INCERC Bucuresti, 2002: „Documentare privind determinarea in foraje de adancime a parametrilor dinamici de rigiditate ai terenului in zona Bucuresti”.
10. Comunicari ale Conferintei Internationale ELE&RR (Earthquake Loss Estimation and Risk Reduction), Bucuresti, 2002.
11. Comunicari ale celei de-a X-a Conferinte Nationale de Geotehnica si Fundatii, Bucuresti, 2004.
…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 27 – iunie 2007
Autori:
Elena CALARASU,
Maria STEFANICA – Institutul National de Cercetare-Dezvoltare in Constructii
Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Lasă un răspuns