MONITORIZAREA INSTRUMENTALA A CONSTRUCTIILOR LA CUTREMUR
Data: 16-31 octombrie 2005
Pentru constructori, termenul de monitorizare are conotatii comune cu cele uzuale de supraveghere, urmarire, control etc. a comportarii la amplasament a constructiilor. În literatura de specialitate se utilizeaza chiar termenul "monitorizarea sanatatii structurale".
Pentru a analiza comportarea constructiilor, dupa fiecare cutremur puternic, autoritatile, proprietarii, specialistii iau ca termen de referinta marimea miscarii seismice la amplasamentul respectiv. Ingineria structurala este strâns legata de parametri ca acceleratie, viteza, deplasare, precum si de compozitia spectrala; de aceea, odata cu utilizarea pe scara larga a seismografelor rezistente la miscari puternice (tip Strong Motion Apparatus), în anii '70 s-a trecut la instrumentarea seismica, prin statii amplasate în constructii, baraje, poduri etc.
Prin reteaua seismica INCERC s-a obtinut singura înregistrare de interes ingineresc de la 4 martie 1977 la subsolul cladirii din Soseaua Pantelimon, iar cu alte aparate instalate în constructii s-a obtinut o înregistrare partiala într-un bloc din cartierul Balta Alba. De asemenea, s-au obtinut înregistrari valoroase la cutremurele din 1986 si 1990.
Monitorizarea prin instrumentare seismica contribuie direct la:
- elaborarea hartilor de zonare seismica, stabilirea criteriilor de microzonare a teritoriului;
- perfectionarea normativelor de proiectare antiseismica si verificarea noilor prevederi din normative;
- studiul influentei conditiilor geologice locale asupra efectelor seismice;
- caracterizarea modului de interactiune teren-structura, a amortizarii, în conditiile specifice de amplasament ale constructiei date, corelate si cu datele înregistrate de aparatele pe teren liber învecinate;
- studiul transmiterii si propagarii efectelor seismice în structuri multietajate, verificarea si certificarea modelelor dinamice structurale sau a modelelor matematice utilizate, comparatia criteriilor de proiectare cu raspunsul real si avariile;
- identificarea caracteristicilor structurale, a efectului modurilor superioare proprii de oscilatie, în comparatie cu datele obtinute la microseisme;
- verificarea deplasarilor relative de nivel maxime, a raspunsului de torsiune (dificil de stapânit, în special pentru structurile asimetrice);
- identificarea necesitatilor de reparare si consolidare precum si a eficientei unor masuri de interventie precedente.
Experienta si tendintele de dezvoltare internationale
În Statele Unite ale Americii, prevederile celui mai cunoscut normativ pentru constructii - Uniform Building Code, recomanda în cazul zonelor seismice 3 si 4, instalarea de accelerografe în noile cladiri cu mai mult de 6 etaje înaltime si o arie totala de minimum 5.574 m. În general, este ceruta instalarea a minimum 3 echipamente: la baza, la mijloc si la nivelul ultim al cladirii, echipamente interconectate pentru declansare simultana, esantionare si baza de timp comune. La cladirile cu mai mult de 10 niveluri, fara a se tine seama de aria construita, instrumentarea seismica este obligatorie si trebuie prevazute minimum trei accelerografe triaxiale.
Acum câtiva ani, în SUA erau instrumentate seismic peste 1350 de amplasamente; în California erau instalate peste 550 de instrumente în 135 de cladiri, 20 de baraje, 25 de poduri etc.
Instrumentarea seismica a cladirilor a evoluat odata cu trecerea timpului spre o instrumentare de tip "retea" de captori pentru înregistrarea miscarii seismice, sau a altor parametri mecanici, amplasati pe baza unui studiu dinamic adecvat si conectati la o statie de înregistrare centrala, prin intermediul carora pot fi urmarite în timp real oscilatiile, începând cu perceperea miscarilor uzuale, pâna la miscari seismice care pot produce avarii. Aceste date sunt obtinute în conditiile în care seismicitatea de fond este monitorizata de alte sisteme.
Astfel, Sistemul de informare seismica pentru raspunsul de urgenta CUBE (initiat în 1990 de Caltech si USGS din Pasadena), transmite în câteva minute date privind magnitudinea si epicentrul unui cutremur, agentiilor de aparare civila, autoritatilor, companiilor private, iar Sistemul de monitorizare automata a cutremurelor puternice (AMOES) furnizeaza prin INTERNET determinari rapide de acceleratii ale miscarilor seismice puternice.
În Japonia, retelele seismologice s-au dezvoltat si dotat cu un mare numar de aparate din fondurile Ministerului Constructiilor, prin grija institutelor de cercetari în constructii, în primul rând pentru amplasamentele unor mari porturi, poduri, tunele, cladiri.
Dupa cutremurul Kobe din 1995 a fost realizata o noua retea de înregistrare a miscarilor seismice puternice K-NET (Kyoshin), bazata pe 1000 de statii seismice noi, special construite, cu comunicare prin INTERNET; seismografele K-NET 95, instalate pe teren liber, la o distanta medie de 25 km, pot înregistra orice cutremur de magnitudine 7 din Japonia.
Agentia de aparare împotriva incendiilor a initiat un proiect pentru cresterea numarului de accelerometre la nivelul fiecarei municipalitati din Japonia - în total 3.255, excluzând municipalitatile care detin deja instrumente. În prezent, televiziunea japoneza transmite imediat atât harta zonei în care s-a produs un seism, cât si intensitatile seismice estimate pentru teritoriul adiacent.
În Europa, dezvoltarea retelelor seismice a fost mai lenta, dar în prezent sunt amplasate câteva mii de instrumente; recent au cunoscut o dezvoltare deosebita retelele telematice, pentru transmiterea mai multor categorii de date, cum ar fi cele de mediu.
În Italia, unul dintre proiectele prioritare ale Serviciului Seismic National este Sistemul de observare seismica pe cladiri, care îsi propune atât crearea unei retele instrumentale de masurare si înregistrare a raspunsului seismic pentru un esantion semnificativ de cladiri, cât si crearea si actualizarea modelelor numerice pentru acestea, utilizând tehnici avansate.
În Turcia, pe lânga reteaua de înregistrari seismice pentru miscari puternice, care include peste 100 de aparate, a fost realizat sistemul de monitorizare a rezistentei structurale si de alarmare imediata în caz de cutremur pentru poduri de mari deschideri. Un astfel de sistem este instalat pe noul pod suspendat de peste Bosfor.
Monitorizarea seismica în România
În România, în domeniul monitorizarii seismice exista câteva retele: INCERC, INCDFP, ISPH/GEOTEC, METROU, dintre care o parte sunt orientate spre instrumentare-monitorizare în constructii si lucrari publice; au fost instrumentate experimental cladiri, baraje si alte lucrari ingineresti. În prezent, reteaua seismografica de înregistrare a cutremurelor puternice INCERC /Inspectoratul de Stat în Constructii / Centrul National de Reducerea Riscului Seismic opereaza cu 117 aparate în teritoriu (dintre care 4 instrumenteaza cladiri) si 39 de aparate în Bucuresti (dintre care 7 instrumenteaza cladiri) (http://www.incerc2004.ro/). Înregistrarile pe teren liber si pe cladiri au fost si sunt extrem de necesare proiectantilor, desi au fost perioade în care INCERC a avut dificultati în recunoasterea interesului public pe care acestea îl reprezinta si în asigurarea resurselor pentru întretinerea si extinderea retelei seismice.
Pe masura relansarii economice si a integrarii euro-atlantice, în zonele seismice din tara noastra se construiesc tot mai multe structuri înalte, precum si alte dotari importante, multe având parteneri straini, care doresc protectia capitalului investit. În acest scop sunt necesare abordari avansate, bazate pe tehnici si echipamente automatizate.
Rezultate recente
În ultima perioada de timp, zona seismogena vrânceana a fost relativ activa. Cele mai semnificative evenimente seismice au fost cele din 27 octombrie 2004, ora locala 23:34 (magnitudinea moment M w = 6.0, adâncimea focarului h = 100km, coordonate epicentru 45.79N, 26.71E, codificat 041), 14 mai 2005, ora locala 04:53 (M w = 5.2, h = 147km, coordonate epicentru 45.64N, 26.53E, codificat 051) si 18 iunie 2005, ora locala 18:16 (.M w = 5.4, h = 140km, coordonate epicentru 45.69N, 26.62E, codificat 052) (http://www.infp.ro/)
Blocul de locuinte instrumentat seismic din Bucuresti, Sos. Stefan cel Mare nr. 44 face parte din reteaua seismica JICA/CNRSS, este instrumentat cu un sistem cu înregistrare numerica K2 (Kinemetrics) cu senzori instalati la 4 nivele - subsol (codificat 11), etajul median (codificat e4), etajul 10, pe planseul inferior (codificat k2) si pe planseul superior (codificat e11) si este reprezentat în figura împreuna cu istoriile în timp ale acceleratiilor absolute, în plan orizontal, înregistrate la cutremurul din 14 mai 2005. Acest bloc este primul care a oferit înregistrari pe 4 nivele la cutremure vrâncene de intensitate moderata.
Pe lânga istoriile în timp ale acceleratiilor absolute, în cele ce urmeaza vor fi prezentate unele prelucrari care contribuie la întelegerea raspunsului structurii, cum ar fi spectrele de raspuns în acceleratii absolute (spectre de etaj), spectre Fourier de amplitudine si functii de amplificare pentru înregistrarile obtinute la cutremurul vrâncean din 14 mai 2005 în blocul de locuinte instrumentat seismic analizat.
În acest context, precizam ca pentru înregistrarile obtinute în cladiri instrumentate seismic spectrele de raspuns reprezinta spectre de actiune (spectre de nivel sau spectre de etaj) pentru echipamente, instalatii etc. amplasate la acel nivel al structurii. Trebuie subliniat faptul ca respectivele spectre NU reprezinta spectre de proiectare.
Spectrele de raspuns în acceleratii absolute (spectre de etaj) furnizeaza valorile maxime ale acceleratiei bazei unui pendul cu o anumita perioada proprie T amplasat, de exemplu, la nivelul terenului (11) sau al ultimului nivel (e11); astfel (coloana din stânga a figurii 2), un pendul cu perioada proprie T=0,18 s ar fi fost supus unei acceleratii la baza de 0,697 m/s2 daca ar fi fost amplasat la nivelul e11 si unei acceleratii la baza de 0,207 m/s2 daca ar fi fost amplasat la nivelul terenului; de asemenea, un pendul cu perioada proprie T=0,57 s ar fi fost supus unei acceleratii la baza de 0,469 m/s2 daca ar fi fost amplasat la nivelul e11 si unei acceleratii la baza de 0,068 m/s2 daca ar fi fost amplasat la nivelul terenului.
Pentru compararea cu prevederile din noul "Cod de proiectare seismica - Partea I: Prevederi de proiectare pentru cladiri" - indicativ - P100-1 / 2004, aprobat de MTCT cu ordinul 489 / 5.04.2005, publicat în Buletinul Constructiilor, volumul 5, 2005:
" coeficient care reprezinta amplificarea acceleratiei seismice a terenului pe înaltimea constructiei, în care: z cota punctului de prindere de structura a Componentelor NeStructurale ale constructiilor; H înaltimea medie a acoperisului în raport cu baza constructiei;"se prezinta, în tabelul urmator, acceleratiile seismice înregistrate la trei nivele ale cladirii, pentru cele doua directii NS si EW în plan orizontal, amplificarile acceleratiilor si valorile coeficientului Kz.
Se observa ca, pentru exemplul prezentat, la cutremurul vrâncean moderat din 14 mai 2005, amplificarea acceleratiei seismice a terenului la nivelul superior al constructiei depaseste valoarea din noul cod de proiectare P100-1/2004. De asemenea, perioadele proprii ale structurii determinate din spectrele de etaj (de nivel) ale înregistrarilor sunt în jurul valorilor de perioade 0,6 s si 0,2 s (coloana din mijloc a figurii 2) si, în sfârsit, ca amplificarile maxime se observa a fi de pâna la 33 de ori în jurul valorii de T = 0,57 s si de pâna la 15 ori în zona valorii T = 0,17 s (coloana din dreapta a figurii 2).