Influenta conditiilor de teren asupra miscarilor seismice

Lucrarea isi propune o sinteza privind caracterizarea conditiilor de amplasament (geometria subsolului, topografia, pozitia fata de sursa seismica, rolul de filtru dinamic al miscarii seismice, rolul de rea­zem deformabil pentru constructiile al caror suport il reprezinta, contrastul de impedanta) si efectele inte­r­actiunii „mediu de fundare – element structural“ asupra raspunsului constructiilor la miscari seismice.

Studiul va contribui la corelarea variabilitatii raspunsului terenului in amplasament cu compozitia spectrala si inten­sitatea semnalului seismic pe zona de influenta a constructiilor (zona activa). 

Evaluarea cat mai corecta a efectelor cu caracter dinamic pe care le genereaza miscarile seismice asupra constructiilor reprezinta o problema extrem de complexa si dificil de abordat analitic, avand in vedere multitudinea factorilor care intervin in descrierea si definirea structurii de rezistenta, actiunii seismice, conditiilor geotehnice, geologice si hidrogeologice ale amplasamentului. Prin multitudinea fenomenelor pe care le poate genera, mediul de propagare si terenul din amplasament pot avea o influenta determinanta asupra comportarii fundatiilor si suprastructurilor in timpul miscarilor seismice.

Proiectarea antiseismica trebuie sa acorde o atentie deosebita conditiilor de teren, determinate prin corelarea rezultatelor din prospectarile in situ (seismice, geo­tehnice) si incercari de laborator, precum si celor mai eficiente solutii structurale de fundatie. La stabilirea preliminara a sistemului structural, trebuie analizate, in primul rand, conditiile de teren, care constituie factorul de decizie cel mai semnificativ in proiectarea constructiilor.

Incepand cu ultima decada a secolului trecut, in plus fata de preocuparea pentru imbunatatirea normelor de proiectare, comunitatile stiintifice, profesionale si admi­nistrative au constientizat importanta si necesitatea cer­cetarilor si actiunilor pentru hazardul seismic [1], [2], [3].

Evaluarea cat mai corecta a hazardului seismic intr-un anumit amplasament este importanta in vederea punerii in siguranta a fondului construit existent si viitor [4], [5].

La nivel european, seismicitatea Romaniei poate fi caracterizata drept medie cu particularitatea ca seismele cu focarul in sursa subcrustala Vrancea pot provoca distrugeri pe arii intinse, incluzand si tarile invecinate. Miscarile seismice din Romania sunt datorate sursei seismice subcrustale Vrancea si mai multor surse seismice de suprafata (Banat, Fagaras, Dobrogea etc.). Sursa Vrancea afecteaza aproximativ 2/3 din teritoriul Romaniei, in timp ce sursele de suprafata contribuie mai mult la hazardul seismic local.

Miscarea seismica ce actioneaza la suprafata terenului, in zona de influenta (zona activa) a con­structiilor, constituie una dintre principalele cauze ale degradarii structurilor in caz de cutremur si, de aceea, este importanta intelegerea cat mai corecta a comportarii terenului si parametrilor caracteris­tici, cat si efectele miscarii seismice asupra constructiilor [6], [7], [8].

Datele privind raspunsul te­renului la actiuni seismice sunt fundamentale pentru prognozarea sau evaluarea comportarii structuri­lor in timpul cutremurelor [9], [10], determinarea lor fiind deosebit de dificila din cauza complexitatii conditiilor geologice si geotehnice, cuantificate prin prevederile din normele de proiectare antise­ismica a cladirilor. Efectele conditiilor locale descriu caracteristica fiecarui amplasament de a raspunde diferit in timpul evenimentelor seismice [11].

La proiectarea in concept dinamic a structurilor la un nivel de asigurare garantat, trebuie sa se tina seama de efectele generate de terenul de fundare:

(i) influenta mediului de propagare dintre sursa si amplasament, care depinde de distanta epicentrala si caracteristicile geotehnice si geofizice ale terenului;

(ii) influenta caracteristicilor fizico-mecanice si dinamice ale terenului;

(iii) 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;

(iv) influenta interactiunii dinamice dintre teren si structura datorita cuplajului elastic existent la nivelul suprafetei de contact dintre fundatie si amplasament;

(v) influenta infrastructurii printre solutiile constructive adoptate pentru fundatii, in corelare directa cu tipul de suprastructura, cu caracteristicile miscarii seismice si natura terenului. Influenta parametrilor caracteristici ai miscarii seismice, cu luarea in considerare a conditiilor de teren, este determinata de intensitatea miscarii seismice care se manifesta la suprafata libera, exprimata prin acceleratii si viteze, compozitia spectrala, durata miscarii seismice, configuratia globala a variatiei miscarii in functie de filtrarea undelor de propagare si focalizarea efectelor seismice care se manifesta la suprafata libera a terenului. In mod simplificat se poate considera un lant format din trei componente: focar – drum de propagare a undelor – conditii locale de teren.

Drumul de propagare a undelor seismice are o influenta semnificativa asupra spectrului miscarii de la roca de baza, corelat cu analiza conditiilor de amplasament.

Rolul important al caracteristicilor terenului de fundare a cladirilor este mult mai mare in cazul actiunilor seismice, deoarece prin acestea se transmit incarcarile dinamice cu ponderea cea mai mare, incarcare dina­mica ce dimensioneaza de obicei constructia.

In studiile si cercetarile efectuate pana in prezent [12], [13], [14], [15] s-a evidentiat importanta legaturii intre conditiile de amplasament pe care sunt amplasate constructiile si distrugerile provocate de cutremur, avand in vedere o serie de aspecte strans corelate, a caror analiza se face, din motive metodologice, separat, care se influenteaza reciproc, uneori intr-o masura conside­rabila. Aceste aspecte se refera la rolul de filtru dinamic (influenta terenului asupra formei accelerogramei si a intensitatii miscarii seismice) si la rolul de reazem deformabil (interactiunea dinamica teren – structura, avand in vedere influenta solicitarii seismice asupra rezistentei pamantului si posibilitatea de producere in teren a unor deformatii ireversibile).

INFLUENTA CONDITIILOR DE TEREN ASUPRA MISCARII SEISMICE

Importanta pamanturilor din jurul fundatiilor constructiilor este foarte mare in cazul actiunilor seismice, deoarece, prin ele, se transmit incarcarile dinamice cu ponderea cea mai mare, care de obicei dimensioneaza constructia. Proprietatile dinamice si seismice ale terenurilor de fundare, in special rigiditatea lor seismica, proiecteaza miscarea seismica in amplasament, acest efect al amplasamentului reflectandu-se in coeficientii de teren „S”, care sunt selectati in functie de carac­teristicile si structurile geologice investigate.

Studiile referitoare la comportarea constructiilor in timpul miscarilor seismice, in functie de natura terenului de fundare, au evidentiat importanta luarii in considerare a influentei proprietatilor fizico-mecanice ale terenului asupra intensitatii locale a miscarii terenului, a transformarilor fizice ale terenurilor in timpul propagarii undelor seismice, cum afecteaza aceste transformari structurile fundate pe ele si influenta caracteristicilor geotehnice ale terenului asupra comportarii structurilor ce interac­tioneaza cu terenul in timpul miscarii seismice.

Conditiile locale specifice unui anumit amplasament au o influenta decisiva asupra modificarii efectelor seismice prin urmatorii factori principali:

(i) factori de sursa, intensitatea miscarii seismice, care se manifesta la suprafata libera, exprimata prin deplasari, viteze si acceleratii maxime;

(ii) factori de propagare a undelor seismice, continutul de frecvente si componentele dominante definite de compozitia spectrala a miscarii inregistrate;

(iii) factori locali de amplasament;

(iv) interactiunea teren – structura.

Cel mai important aspect, legat de influenta conditiilor geologice locale, il reprezinta compozitia spectrala a miscarii seismice care pune in evidenta modificarile survenite in factorii descrisi anterior, cat si mecanismul de focar al cutremurului, in corelare directa cu magnitu­di­nea acestuia.

Diferenta dintre conditiile locale de amplasament conduce, adeseori, la o variabilitate a raspunsului tere­nului in timpul miscarii seismice, variabilitate care poate sa apara la distante relativ mici, chiar si in interiorul unui oras. Din punct de vedere al comportarii particulare la seism, masivele de pamant pot fi clasificate astfel:

• teren cu suprafata practic orizontala si fara incarcari suplimentare;
• teren cu suprafata practic orizontala, solicitat suplimentar cu incarcari transmise de constructii;
• teren cu suprafata in panta relativ lina, incarcat suplimentar sau nu, prezentand mari rezerve de siguranta fata de pierderea stabilitatii in conditii de solicitare statica;
• teren in panta, aflat in conditii apropiate de echilibrul limita chiar in situatia de solicitare statica;
• ramblee de pamant artificial (platforme, diguri, baraje, halde si iazuri de depozitare a materialelor sterile).

Efectele conditiilor geomorfologice

Din experienta acumulata in stadiul actual, s-au observat amplificari ale miscarii terenului, cores­punzatoare anumitor perioade, spre zonele cele mai inalte ale formelor de relief, cu reduceri spre ba­za lor; un efect opus il au zonele depresionare.

Cercetarile privind efectele conditiilor topografice asupra miscarilor seismice au concluzionat faptul ca acestea sunt produse de iregularitatea geome­trica a suprafetei terenului. Topo­grafia diferita a rocii de baza explica configuratia diferita a spectrelor acelorasi miscari seismice in amplasamente invecinate.

Observatiile de la cutremure si studiile bazate pe inre­gistrari, experimente si modelari teoretice au aratat ca:

• miscarile seismice din partea superioara a formelor de relief sunt, cu regularitate, mai puternice decat cele la baza acelorasi forme de relief, in special pentru componentele orizontale;
• valoarea amplificarii creste cu raportul dintre inaltimea formei de relief si latimea acesteia si depinde de tipul undelor incidente si de unghiul de incidenta;
• formele de relief izolate nu influenteaza durata miscarii terenului;
• efectele geomorfologice sunt relativ stabile fata de solicitarea seismica, adica ele raman aceleasi indiferent de marimea, distanta si directivitatea cutremurelor;
• efectele se resimt nu doar in interiorul formelor de relief si in imediata lor vecinatate, undele reflectate oblic spre versanti propagandu-se spre exteriorul structurii si dand nastere unor unde de supra­fata care vor fi resimtite si la distante mari de forma de relief.

Efectele conditiilor geologice

In ceea ce priveste influenta structurii geologice asupra intensitatii miscarii terenu­lui [16] este de remarcat ca, daca o unda plana de tensiune trece dintr-un mediu cu modul de elasticitate mare intr-un mediu cu modul de elasticitate mic, deplasarile si acceleratiile se dubleaza ca valoare. In cazul unei unde seismice care parcurge o zona stancoasa si trece intr-o zona aluvionara, apare o dublare a inten­sitatii seismice, daca aluviunile se comporta elastic. Un strat aluvionar moale, care permite o tasare diferita a fundatiei, prezinta un risc foarte mare.

Efectul geometriei terenului din amplasament

In general, atunci cand straturile de teren prezinta o geometrie complexa, care nu este plana, se poate ajunge la focalizari ale undelor seismice. In acest sens, s-au efectuat analize bi- sau tridimensionale in cazul clasic al bazinelor aluvionare. S-a observat ca, in cazul unor anumite geometrii de bazin, undele de suprafata pot produce miscari mai puternice si de durata mai mare, fata de incidenta verticala a undelor seismice.

Efectul de filtru dinamic al straturilor de pamant si contrast de impedanta

Amplificarea prin filtrare are o influenta predominanta asupra raspunsului seismic al terenului [17] in conditiile in care miscarea seismica este de intensitate mica sau medie, situarea, la distanta mare de epicentru si dife­rentele intre rigiditatile diverselor straturi sunt mari. Acce­leratia maxima la suprafata este limitata superior in straturi de rezistenta redusa iar amplificarea creste odata cu contrastul dintre rigiditatile seismice ale stratului de acoperire si roca de baza.

Contrastul intre caracteristicile diver­selor straturi si ca urmare, reflexiile si refractiile multiple ale undelor seismice, determina, de regula, o amplificare in straturile de suprafata a valorilor maxime ale acceleratiei, vitezei si deplasarii. Contrastul de impedanta este primul efect care a fost identificat ca responsabil al amplificarii miscarii seismice. Contrastul dintre caracteristicile a doua straturi de teren conduce la aparitia a do­ua fenomene: cresterea amplitudinii miscarii de la suprafata stratului moale fata de miscarea de la suprafata stratului tare si un fenomen de rezonanta datorat faptului ca undele seismice sunt „prizo­niere“ in stratul moale.

Efectul apelor subterane

Nivelul apei freatice reprezinta un factor semnificativ in propagarea miscarii seismice si trebuie luat in consi­derare in analizele efectelor de amplasament. Apa reduce rezistentele mecanice ale terenuri­lor si conduce la cresterea sensibilitatii la lunecare si la aparitia fenomenului de lichefiere. In general, lentile sau straturi subtiri de materiale moi (ex.: nisip afanat) afecteaza, in mare masura, raspunsul se­ismic al terenurilor, iar in particular, amplitudinile si gama de frecvente in straturi de deasupra straturi­lor moi. Lichefierea nisipului produce o scadere a capacitatii portante a terenului [18], fisurarea structurii sale si dislocarea, putand duce la pierderea stabilitatii masivelor de pamant si avarieri se­vere ale constructiilor (ex.: Niigata din Japonia, 1964, Kobe din Japonia, 1995).

La cutremurul din 4 martie 1977, in tara noastra s-au produs fenomene de lichefiere a nisipurilor [19], in ge­neral de am­ploare mica, mai ales in apro­pierea cursu­rilor de apa, care au provocat si unele avarii la cladiri rura­le de mai mica importanta si mai ales la unele lucrari hidrotehnice de pamant (diguri si baraje mici). Pericolul de lichefiere a nisipurilor depinde de ca­racteristicile granulometrice ale materialului, de forma particulelor, de gradul de indesare si adancimea stratului, de starea de tensiune si de caracte­risticile actiunii dinamice (magnitudinea si numarul ciclurilor etc.). In gene­ral, nisipurile foarte fine, loessurile si pamanturile macroporice sensibile la umezire pot suferi distrugeri partiale sau totale ale structurii, mergand pana la lichefiere, atunci cand sunt umezite si supuse actiunii dinamice.

Efectele interactiunii mediu de fundare – element structural – fundatie – structura

In studiul interactiunii teren – fundatie – structura, trebuie luate in considerare urmatoarele aspecte: influenta tipului de pamant asupra proprietatilor de amortizare ale structurilor, respectiv asupra miscarilor si fortelor induse in structura in timpul seismului, influenta prezentei constructiei asupra formei accelerogramei in teren si influenta constructiilor asupra deformatiilor permanente ale tere­nului de fundare. Pentru analiza interactiunii teren – fundatie au fost propuse o serie de tehnici bazate pe metode si modelari matematice aplicate atat la probleme de inginerie seismica, cat si la studiul vibratiilor de masini. Tipul de fundatie are o influenta determinanta asupra modului de inte­ractiune. De exemplu, ca rezultat al faptului ca, intr-un anumit amplasament, miscarea este de obicei mai ampla la suprafata terenului, descrescand cu adancimea, excitatia efectiva la contactul teren – fundatie directa va fi o functie descrescatoare pe adancimea de fundare.

Efectul interactiunii teren – structura [9], [20] descrie flexibilitatea sistemului de fundare al structurii si potentialele variatii intre miscarea fundatiei si miscarea in camp liber. In plan, miscarea seismica imprima terenului de fundare o deformabilitate care, la randul ei, induce constructiei o miscare in jurul unui centru instantaneu de rotatie, miscare accelerata care conduce la forte de inertie a caror marime este determinata de masele structurii.

Experienta cutremurelor recente a condus la concluzia ca efectele interactiunii teren – structura trebuie intelese in context dinamic, cu referire la continutul spectral al miscarii seismice si caracte­risticile geoteh­nice si geologice al amplasamentului [21]. In aceste conditii, caracteristicile dinami­ce ale sistemului „structura – fundatie – teren” pot modifica substantial caracte­risticile raspunsului acestui ansamblu [22], conducand la suprasolicitari sau stari de avariere.

Principalul efect favorabil produs de fenomenul de interactiune dintre teren si structura, cu conditia evitarii deformatiilor plas­tice sau remanente ale pamantului, consta in capacitatea de disipare ciclica sau histeretica a energiei induse de miscarea seismica. In prescriptiile tehnice pentru constructii, ipoteza fundamentala este ca miscarea care actioneaza la baza structurii este aceeasi cu cea inregistrata in amplasament, fara lua­rea in considerare a existentei structurii. In cazul terenurilor deformabile, aceasta ipoteza nu este valabila, efectele interactiunii apreciindu-se ca diferenta dintre raspunsul structurii in ipoteza identi­tatii miscarii seismice de la baza cu miscarea din camp liber si raspunsul structurii consi­derand miscarea reala, modificata de la baza structurii.

CONCLUZII

Proiectarea unor constructii necesita rezolvarea mai multor aspecte, care se pot grupa in urmatoarele categorii: de confort, de stabilire a functiilor de incarcare, de calcul al structurii la actiuni si analiza raspunsului masi­vului de pamant.

In zone cu seisme puternice, incertitudinile care apar se amplifica considerabil, deoarece se extind la toate fazele de proiectare si executie, actiunea predominanta de calcul fiind cea seismica. Totodata se contureaza si ideea de interactiune dintre terenul de fundare si constructie.

Experienta acumulata pe plan mondial la miscari seismice moderate si de mare intensi­tate din ultimele decenii a demonstrat variabilitatea caracteristicilor miscarilor seismice inregistrate in raport cu conditiile locale de teren. Realizarea de constructii durabile presupune respectarea ca­drului normativ in vigoare si imbunatatirea continua a acestuia pentru atingerea de performante pri­vind functionalitatea, stabilitatea, rezistenta, durabilitatea si economicitatea mediului construit. Respectarea acestor conditii este strans legata de eva­luarea rezistentei si stabilitatii terenului de fundare la solicitari dinamice.

Caracterizarea mediului de teren implica stabilirea unor studii com­plexe si detaliate care sa includa investigatii in situ si incercari de laborator pentru determinarea ca­racteristicilor terenului, considerate elemente esen­tiale in caracterizarea seismica a amplasamentu­lui constructiilor si in sistematizarea planurilor de urbanism.

BIBLIOGRAFIE

1. Lungu, D., Aldea, A., Earthquake engineering and site effects, Proc. 12th Danube-European Conference of Geotechnical Engineering, Passau, 2002;
2. Bolt B. A., Modern recording of seismic strong motion for hazard reduction, Vrancea Earthquakes. Tectonics, Hazard and Risk Mitigation, Kluwer Academic publishers, Wenzel F., Lungu D. – Editors, 1-14 (1999);
3. Ambraseys N. N., Long-period effects in the Romanian earthquake of March 1977, Nature, Vol. 268, July, 324-325 (1977);
4. Balan S., Cristescu C., Cornea L, Cutremurul de pamant din Romania de la 4 martie 1977. Editura Academiei, Bucu­resti, 1982;
5. Marmureanu Gh., Bratosin D., Cercetari privind comportarea seismica a masivelor de pamant si stabilirea parame­trilor antiseismici pentru protectia cladirilor. Conferinta Nationala de Inginerie Seismica, vol. l, 37-50 (1997);
6. Cornea L, Marmureanu G., Oncescu M., Balan FI., Introducere in mecanica fenomenelor seismice si inginerie seis­mica, Editura Academiei, 1987;
7. Ifrim M., Dinamica structurilor si inginerie seismica, Editura Didactica si Pedagogica, 1984;
8. Vaicum A., Raspunsul masivului de pamant la actiuni seismice, A IV-a Conferinta de Geotehnica si Fundatii, Iasi, 1971;
9. Kramer S. L., Geotechnical earthquake engineering. Prentice-Hall Civil Engineering and Engineering Mechanics Series, Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1996;
10. Seed H. B., Idriss I. M., The influence of soil conditions on ground motions during earthquakes. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Engineering Division, ASCE, No. 94, 93-137 (1969);
11. Aki K., Local site effects on weak and strong ground motion. Tectonophysics, Vol. 218, 1-3, 93-111 (1993);
12. Lungu D., DubinA D., Constructii amplasate in zone cu miscari seismice puternice. Editura Orizonturi Universitare, Timisoara, 2003;
13. Lungu D., Aldea A., Moldoveanu T., Ciugudean V., StefanicA M., Near-surfce geology and dynamic properties of soil layers in Bucharest. „Vrancea earthquakes: Tectonics, hazard and risk mitigation“, Springer Netherlands, 137 – 148 (1999);
14. Joyner W. B., Warrik R. E., Fumai T. E., The effect of quaternary alluvium on strong ground motion in the Coyote Lake, California, earthquake of 1979. Bull. Seism. Soc. Am., No. 71, p. 1333-1349 (1981);
15. Borcherdt R. D., Effects of local geology on ground motion near San Francisco Bay. Bull. Seismol. Soc. Am., 60 (1), 29-61 (1970);
16. Borcherdt R. D., Estimates of site-dependent response spectra for design (Methodology and justification). Earthqua­ke Spectra, Vol. 10, No. 4, p. 617-655 (1994);
17. Boore D. M., Joyner W. B., Site amplifications for generic rock sites, Bull. Seismol. Soc. Am., 87 (2), 327-341 (1997);
18. Seed H. B., Idriss I. M., Ground motions and soil liquefaction during earthquakes. EERI Monograph Series, Earthquake Engineering Research, Institute, Berkeley, CA, 1983;
19. Ishihara K., Perlea V., Liquefaction-associated ground damage during the Vrancea earthquake of March 4, 1977. Soils and Foundations, vol. 24, No. 1, 90-112 (1984);
20. Ungureanu N., Palamaru G., Interactiunea structura-treren in proiectarea antiseismica, A V-a Conferinta de Geo­tehnica si Fundatii, Cluj-Napoca, 1983;
21. Dobrescu C. F., Stefanica M., Calarasu E. A., Corelarea parametrilor caracteristici ai terenului de fundare cu rezultatele procesarii inregistrarilor seismice in cazul cladirilor instrumentate seismic. Revista Constructiilor, nr. 119, 74-77 (2015);
22. Marin M., Influenta conditiilor locale de teren asupra raspunsului seismic al constructiilor. A X-a Conferinta Nationala de Geotehnica si Fundatii, Bucuresti, 2004.

Autori:
ing. Maria Stefanica – Membru al Societatii Romane de Geotehnica si Fundatii
ing. Cornelia-Florentina Dobrescu,
geol. Elena-Andreea Calarasu – Institutul National de Cercetare-Dezvoltare in Constructii, Urbanism si Dezvoltare Teritoriala Durabila, Sucursala INCERC Bucuresti 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 130 – octombrie 2016, pag. 62