Corelarea parametrilor caracteristici ai terenului de fundare cu rezultatele procesarii inregistrarilor seismice in cazul cladirilor instrumentate seismic

Miscarile seismice si efectele acestora asupra constructiilor, pe amplasamente situate in zone cu potential de risc seismic, sunt considerate fenomene complexe ca: mecanism de sursa, recurenta, propagare de unde seismice intre sursa si amplasament, comportare neliniara a structurilor si a terenului de fundare. Pentru elucidarea comportarii acestora este necesara procesarea inregistrarilor seismice in cazul cladirilor instrumentate seismic si corelarea parametrilor geotehnici ai terenului si parametrilor structurilor cu rezultatele inregistrarilor din timpul cutremurelor vrancene puternice.

Lucrarea de fata cuprinde studii de caz privind exemplificarea practica bazata pe determinarea in regim dinamic a parametrilor caracteristici ai terenului de fundare pe amplasamente din municipiul Galati, in cazul cladirilor instrumentate seismic si corelarea cu inregistrarile seismice.

Rezultatele unor cercetari au permis formularea unui set de concluzii privind corelatiile intre stratificatia terenului pe amplasament, parametrii geotehnici, caracteristicile mis­carii seismice si comportarea cladirilor echipate cu accelerografe; astfel, lucrarea cuprinde studii de caz privind exemplificarea pe amplasamentul din municipiul Galati, bloc I.1, cartier Tiglina.

Mis­carile seismice si efectele acestora asupra constructiilor, pe amplasamente situate in zone cu potential de risc seismic, sunt considerate feno­mene complexe ca: mecanism de sursa, recurenta, propagare de unde intre sursa si amplasament, comportare neliniara a structurilor si a terenului de fundare. In vederea elucidarii comportarii acestora este necesara procesarea inregistrarilor seismice din timpul cutremurelor puternice, in cazul cladirilor instrumentate seismic.

Undele seismice transmise de la focar prin teren ajung la zona de contact dintre teren si fundatiile constructiilor, antrenand in miscare terenul si fundatia, iar acestea, la randul lor, transmit constructiilor vibratiile produse. In acest mod, cladirile sunt supuse unui regim de oscilatii, din cauza carora apar fortele de inertie ce reprezinta incarcarile seismice asupra structurii care dimensioneaza constructia. Pe langa celelalte actiuni, in mod simplificat, se poate considera un lant format din trei componente: focar – drum de propagare a undelor – conditii locale de teren.

Comportarea terenului la actiuni seismice

Miscarile seismice care actio­neaza la suprafata terenului in zona de influenta (zona activa) a constructiilor au un caracter oscilant si antreneaza constructia intr-o mis­care seismica, generatoare de miscari violente, caracterizate prin valorile unor parametri ca: depla­sarea, viteza si mai ales acceleratia, care reprezinta functii in raport cu timpul. Miscarea terenului in timpul unui seism si distrugerile asociate acestuia sunt puternic influentate de conditiile locale de amplasament.

In cazul actiunilor seismice, importanta pamanturilor din jurul fundatiilor constructiilor este foarte mare deoarece prin ele se transmit incarcarile dinamice cu ponderea cea mai mare, care, de obicei, dimensioneaza constructia.

Comportarea terenurilor sub incar­cari dinamice poate prezenta aspecte foarte diferite fata de comportarea la incarcarea statica. Unele terenuri, sub incarcari ciclice, isi sporesc rezistenta prin compactare (de exemplu nisipurile afanate), altele isi pot pierde rezistenta (nisi­purile saturate sau argilele sensibile). Comportarea dinamica a terenurilor depinde de marimea deformatiilor cauzate, de durata si frecventa procesului.

Studii referitoare la comportarea constructiilor in timpul miscarilor seismice, in functie de natura tere­nului de fundare, urmaresc:

• influenta proprietatilor fizico-mecanice ale terenului asupra intensitatii locale a miscarii terenului;
• care sunt terenurile supuse in permanenta unor transformari fizice in timpul propagarii undelor seismice si cum afecteaza aceste transformari structurile care sunt fundate pe ele;
• ce influenta au caracteristicile terenului (parametri geotehnici) asupra comportarii structurilor care interactioneaza cu terenul in timpul miscarii seismice.

Determinarea caracteristicilor mis­carii terenului, in functie de conditiile locale de amplasament, este o sarcina dificila, din cauza diversitatii structurii geologice.

Analiza, din punct de vedere ingineresc, a ras­punsului terenului intr-un ampla­sament in timpul unui seism, trebuie sa aiba in vedere urmatoarele aspecte:

• modificarea semnalului seismic din cauza factorilor geometrici (topografie, structura geologica) si a factorilor mecanici (variatia proprietatilor terenului); modificari ale continutului de frecvente si amplificarea/dezamplificarea parametrilor miscarii etc.;
• modificarea proprietatilor tere­nului (presiune interstitiala si densitate sporita, lichefiere, tasari etc.);
• probabilitatea „macro” misca­rilor terenului (alunecari de teren, cedari ale terenului, caderi de roci etc.);
• variabilitatea raspunsului de la un amplasament la altul, data de:

– caracteristicile terenului in amplasament;

– topografia amplasamentului si geometria straturilor de teren;

– pozitia amplasamentului in raport cu ruperea la sursa.

Primele doua cauze sunt preponderente in majoritatea situatiilor, a treia fiind semnificativa in zona epicentrala. Exista, bineinteles, si multe situatii in care topografia si dispunerea straturilor sunt asemanatoare si atunci proprietatile terenului joaca un rol predominant.

Comportarea constructiilor la actiuni seismice

In analiza comportarii unor constructii la solicitarile rezultate din actiunea seismica, s-a pornit de la ideea ca, in mod obiectiv, cutremurul fiind el insusi un fenomen natural a carui manifestare este greu previ­zibila in timp, comportarea constructiei va fi determinata de mai multi factori:

• capacitatea de rezistenta antiseismica;
• perioada de realizare a constructiei;
• clasa si importanta constructiei (destinatie, regim de inaltime, structura de rezistenta);
• raspunsul dinamic al constructiei, care depinde de intensitatea actiunii seismice si de compo­zitia spectrala a miscarii seismice;
• caracteristici intrinseci ale constructiei: inertie, rigiditate, capacitate de amortizare, ductilitate;
• interactiunea dinamica dintre teren si structura;
• conditiile locale de amplasament (conditii geologice, morfologice, geotehnice, hidrogeologice etc.).

In timpul miscarii seismice, cla­dirile pot suferi numeroase tipuri de avarie care pot fi clasificate in avarii structurale si nestructurale. Avariile structurale se localizeaza la sistemul portant de la care preia incarcarile verticale si orizontale, iar avariile nestructurale nu afecteaza integritatea structurii de rezistenta; in schimb, sunt afectate elementele de compartimentare, elementele decorative, instalatii etc. Avariile care apar la cladiri depind de tipul de structura, de varsta si starea de uzura a cladirii, de tipul terenului pe care este ampla­sata, de tipul miscarii seismice etc.

In legatura cu influenta terenului de fundare, avarierile la constructii pot fi clasificate in doua mari categorii:

• degradari provocate de tasarea, inclinarea sau rasturnarea constructiei, ca urmare directa a deformarii sau ruperii prin suprasolicitare a terenului de fundatie; aceste degradari sunt insotite de fisurari si alte avarii in structura, care insa nu formeaza cauza principala a distrugerii;
• degradari a caror manifestare principala consta in fisurarea celei mai mari parti a constructiei sau in dislocarea, in plan orizontal, la nivelul terenului cu avarii grave numai in aceasta zona.

Pentru asigurarea sigurantei constructiilor la actiuni seismice trebuie luate in considerare urmatoarele aspecte:

• evitarea pamanturilor susceptibile la lichefiere, amplasamente cu terenuri pentru care factorul de siguranta la lichefiere este redus;
• imbunatatirea caracteristicilor terenului prin compactare sau inlocuirea terenului de fundare.

In studiul interactiunii teren-structura sau mai exact teren-fundatie-structura, trebuie avute in vedere trei fenomene:

• influenta tipului de pamant asupra proprietatilor de amortizare ale structurilor, respectiv asupra miscarilor si fortelor induse in structura in timpul unui cutremur;
• influenta prezentei constructiei asupra formei accelerogramei in teren, in imediata ei vecinatate;
• influenta constructiilor asupra deformatiilor permanente ale terenului de fundare. Valoarea perioadei de colt T_c reprezinta un indicator asupra continutului in frecvente a miscarii terenului.

Din analiza comportarii la cutre­mur a diferitelor tipuri de constructii, precum si a materialelor si elementelor de constructii, s-au desprins principalele cauze ale avarierilor intervenite care stau la baza normativelor de proiectare antiseismica elaborate dupa cutremurul din 4 martie 1977.

Studiu de caz pe amplasamentul cladirii instrumentate seismic din municipiul Galati

Pentru studiul de caz s-a ales un amplasament din municipiul Galati, unde cladirea este instrumentata seismic (Str. Brailei, Bloc I.1, cartier Tiglina). In aceasta locatie au fost prelucrate, in functie de inregistrari, urmatoarele:

• spectre de amplitudine (spectre Fourier), adica reprezentarea grafica a relatiilor amplitudini – frecvente corespunzatoare inregistrarilor seismice;
• spectre de raspuns, adica valorile maxime ale raspunsului exprimat prin deplasari relative, viteze relative, acceleratii absolute.

Caracterizarea geotehnica a amplasamentului

In vederea determinarii stratifica­tiei terenului si a parametrilor geotehnici ai pamantului in amplasamentul blocului, s-a executat un foraj geo­tehnic circular pana la adan­cimea de cca. 30,0 m, adancime generata de aspectul depozitelor superficiale si de prezenta apei subterane.

Stratificatia de ansamblu a tere­nului este reprezentata printr-un orizont coeziv urmat, in adancime, de un complex preponderent necoeziv.

Succesiunea litologica, cu eviden­tierea de straturi din amplasamentul blocului si valorile parametrilor geoteh­nici ai terenului se prezinta astfel:

• 0 ± 0,00 ÷ 0,50 m – umplutura de pamant si resturi din constructii: moloz si resturi de caramizi;
• 0,50 m ÷ 16,0 m – loess galben uscat, consistenta tare, putin compresibil in stare naturala, sensibil la umezire;
• 16,0 m ÷ 20,0 m – loess galben-cafeniu, plastic consistent de compresibilitate mijlocie, sensibil la umezire;
• 20,0 m ÷ 30,0 m – nisip slab prafos si de la 26,20 m nisip fin mijlociu cafeniu-galbui, indesat.

Elemente structurale ale cladirii

Blocul de locuinte din cartierul Tiglina I.1, strada Brailei, instrumentat seismic cu accelerografe SMA-1 la nivelul inferior (subsol) si superior, are un regim de inaltime S+P+10E (155 apartamente), cu structura de rezistenta de tip fagure executat prin glisare.

Cladirea este fundata pe radier general din beton armat, pe un pachet de loess galben-cafeniu plastic consistent, sensibil la umezire, care a fost consolidat prin intermediul pilotilor batuti din pamant cu lungime l = 9,0 m si diametrul d = 1,05 m.

Evaluarea instrumentala a cladirii la cutremurele vrancene

Principalii parametri ai cutremu­relor in timpul carora s-au obtinut inregistrari la blocul I.1 au rezultat dupa un cutremur local la data de 11.09.1980 si dupa cele vrancene din 04.03.1977, 30.08.1986, 30 si 31.05 din 1990 si in 28.04.1999 (Tabelul 1).

Prelucrarea si interpretarea rezultatelor

Prelucrarile datelor inregistrate la nivelul inferior – la baza – si nivelul superior – la ultimul etaj – au permis deducerea spectrelor de raspuns (fig. 1), a spectrelor de amplitudine Fourier (fig. 2), cat si functiile de transfer (fig. 3). Analiza raspunsului inregistrat evidentiaza diferente intre proprietatile dinamice structurale manifestate in timpul miscarilor seismice severe si anume cel din 30.08.1986 cu MG-R = 7,0 si 30.05.1990 cu MG-R = 6,7 si cele manifestate in timpul cutremurelor moderate, cum a fost cel de supra­fata din 11.09.1980 cu MG-R = 4,0 si din 28.04.1999 cu MG-R = 5,1.

Analiza raspunsului terenului in amplasament la actiunile seismice

Pentru a urmari raspunsul tere­nului in amplasament, cunoscand succesiunea straturilor in profilul litologic, se remarca fundarea blocului I.1 pe un strat de grosime mare format din pamanturi macroporice sensibile la umezire, ce fac parte din categoria loessurilor, care, din punct de vedere granulometric, este, in cea mai mare parte, o argila prafoasa sau un praf argilos.

Dintre cele trei fractiuni, proportia de argila (~30%) este cea mai constanta pe intreaga adancime a pachetului de pamant loessoid. Fractiunea de nisip prezinta o usoara crestere in prima jumatate a pachetului de loess, ramanand constanta pe toata grosimea. Praful, fractiunea dominanta a pamantului loessoid, se prezinta in jurul valorii de 45 %. Imprastierea in adancime a valorii medii a caracteristicilor granulometrice prezinta variatii mici. Valorile imprastierii sunt cuprinse intre 5% – 6,5 %, cu exceptia celor de la extremitatile pachetului de pamant loessoid.

In ceea ce priveste caracteristicile de stare intre cele doua limite de plasticitate (w_P si w_l), pamanturile prafoase sau argiloase s-au deformat in amplasament fara a se rupe, fara a reveni din punct de vedere elastic si fara a prezenta variatii de volum. Datorita stabilitatii limitelor de plasticitate, valorile medii ale indi­celui de plasticitate (I_P) sunt aproape constante in jurul valorii de 20%, reprezentand granita intre pamanturile de plasticitate mijlocie si mare. Indicele de consistenta (I_C) si umiditatea naturala (w%) au valori reduse. Abaterea medie patratica are variatii mici, de 3,5% pentru umiditate si 0,12% pentru indicele de consistenta.

Principala caracteristica a paman­tului loessoid macroporic din ampla­samentul blocului I.1 din cartierul Tiglina (de altfel din tot Municipiul Galati) este capacitatea acestora de a da nastere la tasari suplimentare prin umezire, in situatii speciale de greutate specifica sau incarcare exterioara.

Aceste tasari se produc atunci cand presiunea verticala depaseste o anumita valoare initiala, si anume rezistenta structurala.

Intrucat din forajul geotehnic executat pe ampla­sament nu s-a semnalat apa subte­rana la un nivel ridicat, acest fenomen nu a avut loc in timpul cutremurelor vrancene. O situatie care ar fi putut sa conduca la o tasare suplimentara ar fi fost gene­rata de pierderea apei din instalatiile hidroedilitare, dar nici acest lucru nu a fost semnalat, ceea ce ne conduce la un alt fenomen de lichefiere al loessului.

Ca o argumentare, in monografia „Cutremurul de pamant din Romania de la 4 martie 1977“, la capitolul „Comportarea diferitelor categorii de constructii, din zonele afectate de cutremur“, din fondul de constructii noi din municipiul Galati, un bloc C din centru, cu regim de inaltime P+3E, care a suferit anterior degra­dari la parter din cauza pierderilor de apa, a fost consolidat, iar dupa cutremurul din 4 martie 1977 s-au degradat colturile zidariei din cauza tasarilor suplimentare. In schimb, fondul de constructii vechi, care ocupa terasa Tiglina si pantele de racordare, constituit din constructii din zidarie portanta P+E pe fundatii de beton simplu, au necesitat demolarea.

Comportarea blocului I.1, cartier Tiglina, Galati rezultata din masuratori ale deformatiilor pe verticala

In acest context, a fost urmarit in exploatare blocul I.1 din cartierul Tiglina, Galati. Blocul este amplasat pe strada Brailei, are regim de inaltime S+P+9E si este fundat pe radier general, pe un pachet de loess galben-cafeniu plastic consistent, sensibil la umezire.

Dupa o urmarire atenta a deformatiilor verticale ale terenului de fundare incepand cu anul 1965, dupa cutremurul din 1977 blocul a fost echipat cu accelerografe de tip SMA-1 din reteaua seismica INCERC pentru inregistrarea cutremurelor puternice.

Cladirea a fost echipata cu patru marci de tasare, amplasate la colturile blocului. Inregistrarea si prelucrarea rezultatelor s-a efectuat fata de reperii de referinta amplasati in afara razei de influenta a blocului.

Dupa executia blocului, la cere­rea beneficiarului, s-a urmarit comportarea in timp in urmatorii 3 – 4 ani, perioada in care proiectantul a prevazut consumarea tasarilor pe toata zona activa sub fundatie. Evolutia deformatiilor terenului de fundare pentru cladirea din cartierul Tiglina este prezentata in Tabelul 2.

Fata de cele prezentate se poate trage concluzia ca valorile tasarilor masurate se incadreaza in limita normala (conform STAS 3300/2-85) cu mentiunea ca, in exploatare, dupa cca. 3 – 4 ani de la executie, in corpul de legatura al blocului cu o cladire anexa destinata policlinicii de cartier, au aparut fisuri si s-a deformat tamplaria.

CONCLUZII

Terenul influenteaza compor­tarea constructiilor la actiunea seismica prin:

• amplificarea sau atenuarea amplitudinii de la teren la constructie (in terenuri afanate miscarea se amplifica, in terenuri tari miscarea se diminueaza);
• modificarea caracteristicilor dinamice;
• disiparea energiei prin amortizarea terenului.

Intre avarierile cauzate unei constructii si teren se pot face urmatoarele legaturi:

• in terenuri tari, cauza avarierilor o constituie fortele de energie;
• in terenuri slabe, rolul hotarator il au tasarile inegale.

Pe un teren slab, o cladire rigida se avariaza numai daca are dimensiuni mari in plan, iar cladirile elastice se avariaza din cauza fortelor de inertie.

Din comportarea in situ a constructiilor se poate concluziona ca:

• structurile rigide simt miscarea seismica la nivelul soclului;
• structurile elastice intra in osci­latie la sosirea primelor unde seismice si continua oscilatia chiar si dupa incetarea cutremurului.

BIBLIOGRAFIE

1. Balan S., Cristescu V., Cornea L., Cutremurul de pamant din Romania de la 4 Martie 1977, Editura Academiei, Bucuresti, 1982;
2. Borcia I. S., Procesarea inregistrarilor miscarilor seismice puternice specifice teritoriului Romaniei. Teza de doctorat. Bucuresti 2006 – UTCB;
3. Dobrescu C., Caracterizarea digitala a loessurilor din Galati si Baragan. A X-a Conferinta Nati­o­nala de Geotehnica si Fundatii, Bucuresti, 2004;
4. NP 125/2008, Normativ privind fundarea constructiilor pe pamanturi sensibile la umezire;
5. ***, Fundarea constructiilor pe pamanturi macroporice, referat cu concluzii asupra cercetarilor si expe­rimentarilor efectuate in perioada 1963 – 1996, INCERC (1965);
6. ***, Studii si cercetari privind fundarea pe loessuri si pamanturi loessoide, INCERC (1974);
7. ***, Studiu geotehnic si hidrogeologic „Elaborarea planului urba­nistic zonal pentru zonele construite protejate ale municipiului Galati“, URBAN-INCERC (2012).

Autori:
Cornelia-Florentina Dobrescu,
Maria Stefanica,
Elena Andreea Calarasu – INCD URBAN-INCERC, Sucursala INCERC Bucuresti 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 119 – octombrie 2015, pag. 74