Utjecaj lokalnog tla i visine građevina na potresni odziv
U svijetu građevinskog inženjerstva, razumijevanje seizmičkog odziva i kompleksne interakcije između tla i konstrukcije od suštinske je važnosti. Seizmički događaji mogu imati značajan i često razarajući utjecaj na strukturalni integritet zgrada i infrastrukture, čineći vitalnim da inženjeri istraže kompleksnosti ponašanja temeljnog tla i građevine tijekom potresa.
Ovaj blog ima za cilj istražiti seizmički odziv te definirati i objasniti kako faktori poput visine građevine i vrste lokalnog tla utječu na interakciju između tla i konstrukcije prilikom potresa.
Utjecaj visine građevine
Kako bi utvrdili utjecaj visine građevine na seizmički odziv, prvo moramo razumjeti što je to osnovni period vibracije građevine. U slučaju kada je zgrada pod utjecajem dinamičkih naprezanja, zgrada izlazi iz svog statičkog stanja te počinje vibrirati. Prirodni period vibriranja T je vremenski period kojim se zgrada, nakon utjecaja horizontalnog djelovanja, vraća u svoj početni statički položaj. Zgrade s različitim masama, visinama i konstrukcijskim svojstvima imaju različite prirodne periode vibracije; prirodni period građevine funkcija je mase i krutosti konstrukcije a definiran je sljedećim odnosom:
Gdje je:
m – masa građevine
k – krutost konstrukcije
Iz priloženog izraza vidimo da je masa proporcionalna, a krutost obrnuto proporcionalna osnovnom periodu konstrukcije. Visoke konstrukcije su dizajnirane s većim stupnjem fleksibilnosti tj. smanjenom krutošću kako bi se povećala sposobnost apsorpcije energije (slika 2.), čime postaju manje podložne oštećenjima tijekom dinamičkih opterećenja (Nandi i Hiremath, 2018). U svrhu projektiranja, Inženjeri uzimaju u obzir osnovne periode vibracije kako bi osigurali da zgrada može izdržati potresne sile. Pravilno dimenzioniranje građevinskih elemenata i primjena odgovarajućih materijala može pomoći u smanjenju rizika od oštećenja ili urušavanja zgrada tijekom potresa.
Utjecaj vrsta tla
Osim što je funkcija visine građevine, potresni odziv konstrukcije značajno je ovisan i o karakteristikama lokalnog tla. Dokazi ostavljeni nakon velikih potresa jasno pokazuju da je intenzitet vibracija na površini snažno kontroliran debljinom sedimenata i vrstom tla (Verdugo i Peters, 2017). To je potvrđeno u potresu u Mexico City-u 1985. godine gdje su utvrđene amplifikacije podrhtavanja tla od 20 i više puta na lokacijama gdje su utvrđeni duboki horizonti mekanih tala (Celebi et al. 1987; Singh et al. 1993). S druge strane, prisustvo stijenske mase i kruto zbijenih koherentnih materijala u podlozi konstrukcije dovelo je do značajnog smanjenja seizmičkih oštećenja, što se može izravno zaključiti iz ograničene štete primijećene na objektima smještenih na takvim podlogama (Montessus de Ballore, 1911; Watanabe et al. 1960; Borcherdt, 1970; Seed et al. 1988).
Kako bi se utvrdio utjecaj dubine sedimenata i visine građevine na strukturalni integritet građevine, uveden je indeks moguće oštećenosti konstrukcije Fr koji je definiran sljedećim izrazom (Čaušević, 2010):
Gdje je:
Fr – indeks moguće oštećenosti konstrukcije
(B.S.)max – koeficijent posmika
T – osnovni period građevine
W – težina građevine
C – koeficijent bočnog opterećenja
Na slici 3. pokazano je da građevine s pet do devet katova imaju najveću vrijednost kada su temeljene na tlu male visine iznad osnovne stijene. Međutim, visoke građevine, koje imaju velike vrijednosti prvog vlastitog perioda, imaju najveću vrijednost ako su temeljene na depozitu velike visine, koji i sam za sebe ima relativno velike vrijednosti osnovnog perioda te se u ovom slučaju događaju rezonancijske pojave između građevine i tla velike visine iznad osnovne stijene (Čaušević, 2010).
Kako bi razumjeli ovaj efekt, potrebno je, osim poznavanja osnovnog perioda zgrade, utvrditi i osnovni period vibracije tla koji je funkcija debljine temeljnog tla i brzine širenja posmičnih valova.
Gdje je:
T – osnovni period vibracije tla
Hi – debljina i-tog horizonta tla
Vsi – brzina širenja posmičnih valova i-tog horioznta tla
U slučaju kada konstrukcija ima sličan osnovni period vibracija kao i temeljno tlo, postoji mogućnost pojave rezonancije. Rezonancija može rezultirati povećanim vibracijama zgrade (Čaušević, 2010), što potencijalno može dovesti do ozbiljnih oštećenja ili čak urušavanja objekata. Drugim riječima, do rezonance će doći samo ako je frekvencija vibracije kojom tlo podrhtava približna bilo kojoj od prirodnih frekvencija zgrada na tom području (Bhuskade i Sagane, 2017). Iz toga zaključujemo da nisu svi tipovi objekata na određenom području podjednako podložni djelovanju dinamičkih opterećenja prilikom jednog potresa.
Osim debljine temeljnog tla, na potresni odziv utječe i vrsta tla ispod građevine. Izračun otpornosti konstrukcije na seizmička opterećenja može se izvesti pomoću spektralne seizmičke analize koja razmatra karakteristike lokalnog temeljnog tla, spektralno ubrzanje tla i osnovni period vibracije građevine. Ako na slici 4. promatramo zgrade sa periodom između 0,25 s i 1,20 s, uočiti ćemo značajno povećanje odziva građevine na potresne sile u slučajevima gdje je temeljno tlo sastavljeno od mekih sedimenata.
S druge strane, kod objekata s periodima manjim od 0,50 s, vidljivo je značajno povećanje spektralnog ubrzanja ako su temelji izvedeni na tvrdim sedimentima ili stijeni. Drugim riječima, zgrade velike katnosti potrebno je graditi na mjestu gdje je prisutno kruto tlo malih debljina (Čaušević, 2010), dok su niske zgrade manjeg osnovnog perioda sigurnije ako su temeljene na mekšim sedimentima većih debljina.
Stoga je važno uzeti u obzir vrstu i debljinu sedimenta te prilagođavati strukturu zgrade kako bi smanjili rizik od rezonancije i poboljšali otpornost na potrese.
Zaključak
Razumijevanje potresnog odziva te interakcije konstrukcije s temeljnim tlom ključno je za izgradnju potresno otpornih građevina. Neprekidna istraživanja i napredak u potresnom inženjerstvu neprestano poboljšavaju naše razumijevanje ovih fenomena, što doprinosi stvaranju sigurnijih i otpornijih struktura u potresno osjetljivim područjima. Primjena inovativnih pristupa u dizajnu građevina omogućuje inženjerima razvoj konstrukcija koje, osim otpornosti na potresne sile, također osiguravaju sigurnost njenih korisnika.
*Reference:
Nandi, G., Hiremath, G. (2018) Seismic Behavior of Reinforced Concrete Frame with Eccentric Steel Bracings. International Journal of Civil Engineering, vol. 2, no. 6, str. 32-36
Verdugo, R., Peters, G. (2017) Seismic soil classification and elastic response spectra. World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE 2017, no. 4276
Celebi, M., J. Princ, C. Dietel M. Onate and G. Chavez (1987) The culprit in Mexico City amplification of motions. Earthquake Spectra vol. 3, str. 315-328.
Singh S. K., J. Lermo T. Dominguez M. Ordaz J. M. Espinosa E. Mena and R. Quaas (1988) The Mexico Earthquake of September 19, 1985 – A study of amplification of seismic waves in the Valley of Mexico with respect to a hill zone site. Earthquake Spectra 4, str. 653-673.
Montessus de Ballore (1911) Seismic history of southern Los Andes south of parallel 16” (In Spanish). Cervantes Barcelona press, Santiago, Chile.
Watanabe T. and Karzulovic J. (1960) The seismic ground motions of May, 1960 in Chile (in Spanish). Anales de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, vol. 17.
Borcherdt, R. (1970) Effect of local geology on ground motion near San Francisco Bay. Bulletin of Seismological Society of America. vol. 60, no.1, str. 29-61.
Seed, H.B., Romo M., Sun J., Jaime A. and Lysmer J. (1988): The Mexico earthquake of September 19, 1985 – relationships between soil conditions and earthquake ground motions. Earthquake Spectra. vol. 4, no. 4, str. 687-729.
Čaušević, M. (2010) Dinamika: potresno inženjerstvo, aerodinamika, konstrukcijske euronorme, 1. izd. Zagreb: Golden marketing – Tehnička knjiga
Bhuskade S.R., Sagane S.C. (2017) Effects of Various Parameters of Building on Natural Time Period. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), vol. 6, no.4, str. 557-561
Pročitajte više: Lokalni uvjeti tla – potres u Mexico Cityju, Likvefakcija tla
