Aspecte referitoare la actiunea seismica de proiectare in viitoarea generatie de coduri (II)

(Continuare din nr. 190, aprilie 2022)

Miscari seismice inregistrate tip puls

Caracterul de puls al miscarii seismice inregistrate la statia seismica INCERC din partea de est a Bucurestiului la cutremurul vrancean de adancime intermediara din 4 martie 1977, precum si continutul spectral al acesteia au fost evidentiate la scurt timp dupa cutremur de catre [27] si [28]. Miscari seismice de tip puls au mai fost inregistrate si la cutremurele vrancene din 1986, 1990 si 2004 [29]. Pe langa inregistrarile de tip puls observate la cutremurele de adancime intermediara din sursa Vrancea, inregistrari de tip puls mai pot fi observate si la cutremure crustale (spre ex. inregistrarea de la Banloc a cutremurului din sursa seismica Banat produs in anul 1991). O comparatie intre inregistrarile originale si pulsul de viteza extras pentru cateva inregistrari seismice reprezentative obtinute in timpul cutremurelor vrancene de adancime intermediara din 1977 si 1990, precum si in timpul cutremurului din 1991 produs in sursa Banat, este ilustrata in figura 7.

Perioada pulsului observat pe componenta EW inregistrata la statia seismica Banloc la cutremurul din iulie 1991 este de aproximativ doua ori mai mare decat valoarea mediana calculata cu relatia propusa de [30].

In cazul Bucurestiului, au fost observate inregistrari tip puls la majoritatea statiilor seismice care au inregistrat cutremurul vrancean din 30 august 1986, precum si la cateva statii seismice in cazul evenimentului din 30 mai 1990. O comparatie intre spectrele de acceleratii normalizate mediate obtinute pentru inregistrarile seismice de tip puls si cele non-puls este ilustrata in figura 8 pentru cutremurele vrancene din august 1986 si mai 1990. Se observa din ambele grafice perioadele predominante mai lungi caracteristice inregistrarilor seismice de tip puls.

Harta de zonare seismica si spectrul de proiectare

Harta actuala de zonare seismica din codul P100-1/2013 [1] imparte teritoriul Romaniei in sapte zone cu acceleratii maxime ale terenului cuprinse intre 0,10 g si 0,40 g (pasul acceleratiilor maxime de proiectare este 0,05 g). Toate amplasamentele situate intre doua izolinii de acceleratii au asociata acceleratia de proiectare corespunzatoare izoliniei superioare. Aceasta abordare este similara cu cea folosita inca de la primele harti de zonare seismica. Aceste aspecte, precum si rezultatele unor analize probabilistice de hazard seismic si o comparatie a acestora cu valorile acceleratiilor de proiectare din codurile P100-1/2006 [4] si P100-1/2013 [1] au fost mentionate si in articolul [31]. Avand in vedere dezvoltarile de pe plan international, precum cele din SUA [32] sau din Italia [33], este evident faptul ca si in cazul Romaniei trebuie creata o astfel de aplicatie disponibila online si care sa contina rezultatele de hazard seismic necesare pentru construirea unui spectru de proiectare dependent de amplasament.

Studii mai recente [34], [35] au aratat faptul ca spectrele de proiectare pot fi depasite si in cazul unor miscari seismice generate de cutremure cu magnitudini mai mici decat cele maxime considerate in analiza probabilistica de hazard seismic. Aceste depasiri ale spectrului de proiectare apar in special in zonele epicentrale ale cutremurelor de suprafata. In studiul [36] au fost analizate o serie de aspecte referitoare la depasirile ordonatelor spectrului de proiectare in cazul cutremurelor generate de sursele seismice crustale din Romania. Magnitudinile minime pentru care exista o probabilitate de 50% de depasire a acceleratiei de proiectare din codul P100-1/2013 [1] pentru cateva amplasamente din Romania al caror hazard seismic este generat de surse seismice crustale sunt mentionate in Tabelul 1. Magnitudinile maxime asociate fiecarei surse seismice au fost preluate din studiul lui [37]. Se poate observa faptul ca, in cazul amplasamentelor caracterizate de valori reduse ale acceleratiei de proiectare, magnitudinea minima asociata unei probabilitati de 50% de depasire a acceleratiei de proiectare sunt M_min ≈ 5,5. O abordare acoperitoare pentru a asigura un nivel minim de siguranta pentru toate cladirile proiectate pe teritoriul Romaniei situate in zone cu hazard seismic redus ar putea fi realizata pe baza alegerii unei probabilitati de depasire in cazul unui anumit scenariu de cutremur (caracterizate de magnitudine si distanta epicentrala) si pentru care s-ar putea obtine acceleratiile de proiectare pentru toate amplasamentele. Astfel, se poate asigura un nivel de siguranta adecvat chiar si in cazul unor seisme de magnitudine mica si moderata care s-ar putea produce pe falii necunoscute. O alta solutie care poate asigura un nivel minim de siguranta pentru structurile noi este zonarea pe baza riscului seismic uniform (practic, pentru toate structurile se asigura o anumita probabilitate tinta de depasire a unei stari limita) in locul zonarii pe baza hazardului seismic uniform. Aceasta abordare este prezenta in codul american ASCE 7-16 [6]. Rezultatele unei astfel de abordari pentru Romania pot fi gasite in lucrarea [38].

Verificarea deplasarilor laterale

Codul seismic de proiectare P100-1/2013 [1] propune o verificare a deplasarilor laterale ale structurii atat pentru SLS (starea limita de serviciu), cat si pentru SLU (starea limita ultima).

Perioadele medii de revenire ale hazardului seismic asociate celor doua stari limita sunt 40 de ani pentru SLS si 225 ani pentru SLU. Eurocode 8 [5] propune o verificare a deplasarilor laterale doar pentru SLS, care are asociat un hazard seismic cu o perioada medie de revenire de 95 de ani. Astfel, prin aceasta verificare, se considera indeplinita si cerinta de non-colaps asociata SLU. Trebuie remarcat faptul ca SLU din Eurocode 8 [5] este asociata starii limita de non-colaps, ceea ce prezinta un nivel de avariere mai avansat fata de starea limita de siguranta a vietii. Forma spectrala asociata celor doua stari limita este aceeasi, cu toate ca perioadele medii de revenire sunt diferite.

Codul american ASCE 7-16 [6] propune o verificare a deplasarilor laterale tot pentru SLS. Limitele deplasarilor acceptate depind in codul american de tipul structurii si de clasa de importanta, in locul tipului materialelor nestructurale, asa cum se utilizeaza in codurile P100-1/2013 [1] si Eurocode 8 [5].

Din punct de vedere istoric, in Romania, verificarea deplasarilor laterale a fost impusa pentru prima data de normativul P100-81 [39]. Acest normativ propunea doua limite de deplasari acceptabile, in functie de tipul materialelor nestructurale, iar verificarea deplasarilor era asociata starii limita ultime. Varianta de 1992 a codului P100-92 [3] a propus tot o verificare a deplasarilor laterale asociata SLU, cu diferenta ca existau trei limite de deplasari acceptabile, tot in functie de tipul materialelor nestructurale. In cele din urma, varianta din 2006 a codului P100-1 [4] a propus pentru prima data verificarea deplasarilor laterale ale structurii atat pentru SLS, cat si pentru SLU.

Limitele deplasarilor acceptabile, starile limita si perioadele medii de revenire asociate actiunii seismice pentru care se face verificare sunt mentionate pentru diferitele generatii de coduri de proiectare seismica din Romania in Tabelul 2.

Spectrele de acceleratii corespunzatoare celor patru generatii ale codului de proiectare seismica P100 sunt ilustrate in figura 9 pentru Brasov, Constanta, Iasi si Timisoara. Se poate remarca faptul ca, in general, spectrele de acceleratii din prescriptiile de proiectare P100-81 [39] si P100-92 [3] impun o verificarea mai severa decat verificarea la SLS din codurile P100-1/2006 [4] si P100-1/2013 [1], determinate considerand un factor de reducere de 0,5. In cazul oraselor Constanta si Timisoara, se remarca faptul ca ordonatele spectrale din prescriptiile tehnice P100-81 [39] si P100-92 [3] sunt destul de apropiate. Acest lucru, cuplat si cu limitele mult mai stringente ale deplasarilor relative de nivel din codul P100-81 [39], a dus la proiectarea unor cladiri cu rigiditate mai mare in perioada aplicabilitatii acestei generatii de normativ de proiectare seismica.

Raportul dintre deplasarile spectrale la SLU si cele la SLS este analizat in figura 10 pentru codurile de proiectare P100-1/2006 [4] si P100-1/2013 [1]. Considerand raporturile dintre deplasarile relative de nivel admise calculate conform P100-1/2006 [4] si P100-1/2013 [1], se poate observa faptul ca verificarea la SLU este necesara doar pentru structuri cu perioade scurte si medii (in cazul utilizarii unor factori de comportare q mari).

Nu in ultimul rand, pentru a putea evalua in mod corect cerintele de deplasare induse de cutremure de adancime intermediara din sursa Vrancea, se poate utiliza si relatia de atenuare dezvoltata recent de catre [40]. Un alt avantaj al utilizarii unei relatii de atenuare pentru cuantificarea cerintelor de deplasare este faptul ca se poate evalua si variabilitatea acestora.

Concluzii

In aceasta lucrare sunt discutate o serie de aspecte referitoare la actiunea seismica de proiectare din viitoarea generatie a codului P100-1. Printre cele mai importante observatii din acest studiu se numara:

• Evaluarea conditiilor locale de teren considerand atat geologia locala, caracteristicile inregistrarilor seismice din zona de interes, spectre HVSR, cat si o serie de alte date precum harta globala de v_s,30 sau grosimea straturilor de sedimente. Pentru amplasamente caracterizate de viteze mici al undelor de forfecare si grosimi importante ale straturilor de sedimente, analiza raspunsului seismic local trebuie introdusa ca obligatie pentru a putea evalua in mod corect amplificarile locale, precum si dependenta acestora de nivelul acceleratiei de imput. Acest lucru ar trebui mentionat in viitoarea generatie a codului P100-1 ca obligatie (si nu ca recomandare), cu precadere pentru cladirile din clasele de importanta-expunere I si II;
• O alta categorie de amplasamente pentru care este nevoie de o analiza mai detaliata a conditiilor de teren sunt cele situate in depresiunile din zona Muntilor Carpati, unde pot exista amplificari semnificative in domeniul de perioade medii si lungi;
• Evaluarea neliniaritatii raspunsului seismic al terenului, precum si evaluarea influentei interactiunii teren-structura sunt conditionate de existenta caracteristicilor dinamice ale terenului de pe amplasamentul analizat;
• Este pusa in evidenta necesitatea utilizarii cu precadere pentru analizele dinamice neliniare a unor inregistrari naturale sau simulate stochastic compatibile cu hazardul seismic al amplasamentului analizat, in locul accelerogramelor artificiale obtinute pe baza teoriei vibratiilor aleatoare si care nu au nicio legatura cu hazardul seismic local;
• Inregistrarile seismice de tip puls pot aparea atat la cutremurele crustale, cat si la cele intermediare produse in sursa seismica Vrancea. Aceste inregistrari seismice au asociate amplificari spectrale semnificative in domeniul de perioade medii si lungi;
• Calibrarea valorilor factorului de amplificare a deplasarilor utilizand inregistrari seismice naturale, in locul celor artificiale, este un alt aspect foarte important care trebuie rezolvat in viitoarea generatie a codului P100-1;
• Este necesara dezvoltarea unei aplicatii disponibile online care sa contina rezultatele de hazard seismic necesare construirii unui spectru de proiectare, in locul abordarii clasice bazate pe harti cu izolinii;
• Pentru zonele cu hazard seismic redus este aratata posibilitatea stabilirii acceleratiei minime de proiectare plecand de la o probabilitate maxima de depasire in cazul unui anumit scenariu de cutremur caracterizata de magnitudine si distanta epicentrala. O alta solutie pentru acest aspect ar fi utilizarea unei zonari seismice bazate pe un risc seismic uniform (in locul abordarii clasice bazate pe hazard seismic uniform);
• Limitele deplasarilor relative de nivel, precum si caracteristicile spectrelor de proiectare trebuie corelate cu parametrii din generatiile anterioare ale codurilor de proiectare seismica, astfel incat sa se asigure un nivel mai ridicat al sigurantei structurale odata cu trecerea la un alt cod de proiectare seismica.

Bibliografie

[1] MDRAP – P100-1/2013: Cod de proiectare seismica – Partea I – Prevederi de proiectare pentru cladiri, Bucuresti, Romania, 2013;

[2] CEN – Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings, Bruxelles, Belgia, 20xx;

[3] MLPAT – P100-92: Normativ pentru proiectarea antiseismica a constructiilor de locuinte, social-culturale, agrozootehnice si industriale, Bucuresti, Romania, 1992;

[4] MTCT – P100-1/2006: Cod de proiectare seismica – Partea I – Prevederi de proiectare pentru cladiri, Bucuresti, Romania, 2006;

[5] CEN – Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings, Bruxelles, Belgia, 2004;

[6] ASCE – ASCE/SEI 7-16 – Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures, Reston, Virginia, SUA., 2017;

[7] Pitilakis, K., Riga, E., Anastasiadis, A., Fotopoulou, S., Karafagka, S. – Towards the revision of EC8: Proposal for an alternative site classification scheme and associated intensity dependent spectral amplification factors, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 126, Nov. 2019, pp. 105 – 137;

[8] Nakamura, Y., Samizo, M. – Site effect evaluation of surface ground using strong motion records, in Proc. 20th JSCE Earthquake Eng. Symposium, 1989, pp. 133-136;

[9] Wald, D. J., Allen, T. I. – Topographic slope as a proxy for seismic site conditions and amplification, Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 97, no. 5, Oct. 2007, pp. 1379-1395;

[10] Heath, D. C., Wald, D. J., Worden, C. B., Thompson, E. M., Smoczyk, G. M. – A global hybrid VS30 map with a topographic slope–based default and regional map insets, Earthquake Spectra, vol. 36, no. 3, Aug. 2020, pp. 1570-1584;

[11] Pelletier, J. D. et al. – Global 1-km Gridded Thickness of Soil, Regolith, and Sedimentary Deposit Layers, 2016, doi: 10.3334/ORNLDAAC/1304;

[12] Pavel, F., Vacareanu, R., Pitilakis, K., Anastasiadis,  A. – Investigation on site-specific seismic response analysis for Bucharest (Romania), Bull. Earthquake Eng., vol. 18, no. 5, Mar. 2020, pp. 1933–1953;

[13] Calarasu, E. – Microzonarea conditiilor locale de teren pentru municipiul Bucuresti si zona sa metropolitana cu aplicatii in evaluarea hazardului seismic, UTCB, Bucuresti, Romania, Teza de doctorat, 2012;

[14] Guéguen, P., Bonilla, L. F., Douglas, J. – Comparison of Soil Nonlinearity (In Situ Stress – Strain Relation and G/Gmax Reduction) Observed in Strong‐Motion Databases and Modeled in Ground‐Motion Prediction Equations / Comparison of Soil Nonlinearity Observed in Strong‐Motion Databases and Modeled in GMPEs, Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 109, no. 1, Feb. 2019, pp. 178–186;

[15] Vucetic, M. – Cyclic Threshold Shear Strains in Soils, Journal of Geotechnical Engineering, vol. 120, no. 12, Dec. 1994, pp. 2208–2228;

[16] Baltzopoulos, G., Baraschino, R., Giorgio, M., Iervolino, I. – Why determining the number of code spectrum matched records based on usual statisticsis an ill-posed problem, Proceedings of the 17th World Conference on Earthquake Engineering, Sendai, Japonia, 2021;

[17] Pavel, F., Vacareanu, R. – Ground motion simulations for seismic stations in southern and eastern Romania and seismic hazard assessment, Journal of Seismology, vol. 21, no. 5, Sep. 2017, pp. 1023–1037;

[18] Pavel, F. – Investigation on the Variability of Simulated and Observed GroundMotions for Bucharest Area, Journal of Earthquake Engineering, vol. 22, no. 10, Nov. 2018, pp. 1737–1757;

[19] Cotovanu, A., Vacareanu, R. – Local site conditions modeling in stochastic simulation of ground motions generated by Vrancea (Romania) intermediate-depth seismic source, Journal of Seismology, vol. 24, no. 1, Feb. 2020, pp. 229–241;

[20] FEMA – FEMA P-2091 – A practical guide to soil-structure interaction, Washington, D.C., SUA, 2020;

[21] ASCE – ASCE/SEI 41-17 – Seismic evaluation and retrofit of existing buildings, Reston, Virginia, SUA, 2017;

[22] NIST – NIST GCR 12-917-21 – Soil-structure interaction for building structures, Gaithersburg, Maryland, SUA, 2012;

[23] Behnamfar, F., Banizadeh, M. – Effects of soil-structure interaction on distribution of seismic vulnerability in RC structures, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 80, Jan. 2016, pp. 73–86;

[24] Khosravikia, F., Mahsuli, M., Ghannad, M. A. – The effect of soil–structure interaction on the seismic risk to buildings’, Bulletin of Earthquake Engineering, vol. 16, no. 9, Sep. 2018, pp. 3653–3673;

[25] Craciun, I., Vacareanu, R., Pavel, F. – Spectral displacement demands for strong ground motions recorded during Vrancea intermediate-depth earthquakes’, in The 1940 Vrancea Earthquake. Issues, Insights and Lessons Learnt, Springer, pp. 169–188, 2016;

[26] Gutunoi, A., Zamfirescu, D. – Study on relation between inelastic and elastic displacement for Vrancea earthquakes, Mathematical Modelling in Civil Engineering, vol. 9, no. 4, Dec. 2013, pp. 33–40;

[27] Ambraseys, N. N. – Long-period effects in the Romanian earthquake of March 1977, Nature, vol. 268, no. 5618, Art. no. 5618, Jul. 1977;

[28] Hartzell, S. – Analysis of the Bucharest strong ground motion record for the March 4, 1977 Romanian earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 69, no. 2, Apr. 1979, pp. 513–530;

[29] Pavel, F. – Analysis of pulse-like ground motion recordings from Vrancea intermediate-depth earthquakes’, J Seismol, Feb. 2021, doi: 10.1007/s10950-021-09988-x;

[30] Shahi, S.K., Baker, J. W. – An empirically calibrated framework for including the effects of near-fault directivity in probabilistic seismic hazard analysis, Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 101, no. 2, pp. Apr. 2011, pp. 742-755;

[31] Vacareanu, R., Pavel, F., Aldea, A., Arion, C., Neagu, C. – Noi perspective si rezultate ale analizei probabilistice de hazard seismic pentru Romania – partea I, AICPS Review, vol. 3, 2015, pp. 3–19;

[32] ASCE 7 Hazard Tool –  (accesat Mar. 04, 2021);

[33] Modello di pericolosità sismica MPS04 –  (accesat Mar. 04, 2021);

[34] Iervolino, I., Baltzopoulos, G., Chioccarelli, E., Suzuki, A. – Seismic actions on structures in the near-source region of the 2016 central Italy sequence, Bulletin of Earthquake Engineering, vol. 17, no. 10, , Oct. 2019, pp. 5429–5447;

[35] Iervolino, I., Giorgio, M., Cito, P. – Which Earthquakes are Expected to Exceed the Design Spectra?, Earthquake Spectra, vol. 35, no. 3, Aug. 2019, pp. 1465–1483;

[36] Pavel, F., Vacareanu, R. – Analysis of exceedance probabilities for design spectral accelerations from crustal earthquakes in Romania, Journal of Seismology, vol. 23, no. 6, Nov. 2019, pp. 1327–1345;

[37] Pavel, F., Vacareanu, R., Douglas, J., Radulian, M., Cioflan, C.O., Barbat, A. – An updated probabilistic seismic hazard assessment for Romania and comparison with the approach and outcomes of the SHARE project, Pure and Applied Geophysics, vol. 173, no. 6, Jun. 2016, pp. 1881–1905;

[38] Vacareanu, R. et al. – Risk-targeted maps for Romania, Journal of Seismology, vol. 22, no. 2, Mar. 2018, pp. 407–417;

[39] ICCPDC – P100-81: Normativ pentru proiectarea antiseismica a constructiilor de locuinte, social-culturale, agrozootehnice si industriale, Bucuresti, Romania, 1981;

[40] Olteanu, P., Vacareanu, R. – Ground motion model for spectral displacement of intermediate-depth earthquakes generated by Vrancea seismic source, Geosciences, vol. 10, no. 8, Aug. 2020, Art. no. 8.

(Din AICPS Review 1/2020)

Autori:
conf. dr. ing. Florin Pavel, prof. univ. dr. ing. Radu Vacareanu – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Constructii Civile, Industriale si Agricole

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 191 – mai 2022, pag. 50