Protectia geotehnica la seisme

Cutremurele de pamant, alaturi de vulcanism si inundatii, sunt cele mai mari catastrofe naturale care provoaca uriase pierderi materiale si de vieti omenesti.

In cartea sa „Chestiuni naturale” cunoscutul filozof Seneca mentioneaza: „ Nici o primejdie nu este fara leac, de care sa nu ne putem feri; trasnetul n-a distrus niciodata popoare intregi; ciuma depopuleaza orasele, dar nu le distruge... Dar catastrofa cutremurelor de pamant este cea mai intinsa, cea mai inevitabila, cea mai neinduplecata, cea mai generala dintre toate primejdiile”.

Cu toate eforturile materiale si financiare depuse pe plan mondial pentru studiul cutremurelor, prognoza acestora si masurile de protectie sunt inca ineficiente. Preocuparile de inginerie seismica au devenit politica de stat, care are in vedere intocmirea hartilor de zonare seimica, elaborarea normelor de proiectare a unor constructii sigure, educatia seismologica a populatiei si asigurarea habitatelor umane. Exista o vasta retea de observatoare geofizice si de statii seismologice,dotate cu aparatura moderna de inregistrare a unor parametrii geofizici- gravitatie, magnetism, electricitate, radioactivitate- precum si a miscarilor scoartei terestre.

Informatiile obtinute prin efort propriu sau prin colaborare internationala sunt analizate pe calculatoare pentru descifrarea cauzelor producerii cutremurelor, a modului de propagare a undelor seismice, dar si identificarea unor modalitati de predictie si a unor mijloace de limitare a efectelor distructive.

Pe drumul confruntarii de idei in descifrarea mecanismelor seismelor s-a trecut de la conceptii naive, bazate pe mituri si legende la ipoteze indraznete despre deriva continentelor si expansiunea fundului oceanelor, integrate apoi in teoria tectonicii globale. Se considera ca litosfera ( invelisul solid, cu grosimi intre 70 si 100 km) este divizata in placi tectonice care plutesc pe un strat vascos, numit astenosfera, pe care se deplaseaza lent sub actiunea curentilor de convectie, generati cu precadere de gradientii termici. La contactul dintre placile tectonice pot sa apara tensiuni mari care provoaca seisme.

Taria cutremurelor se evalueaza dupa intensitate si magnitudine. Pentru intensitate, cea mai cunoscuta este scara Mercalli-modificata (scara MM), in care seismele sunt clasificate in 12 grade pe baza efectelor acestora asupra oamenilor, cladirilor si solului. Scara magnitudinii a fost initial elaborata de C. Richter si perfectionata ulterior de B. Gutenberg, pentru a elimina aprecierile subiective in evaluarea tariei undelor seismice, fiind definita pe baza unor inregistrari de amplitudine cu seismometre standard.

Se considera ca cele mai mari ctremure care apar pe glob nu pot depasi teoretic valoarea M=9 , datorita limitei de rezistenta a rocilor.

Supun analizei dumneavoastra un studiu de cercetare aplicativa, care se refera la o metoda si la o structura geotehnica utilizate pentru protectia habitatelor umane impotriva cutremurelor de pamant .

In prezent, protectia cladirilor fata de seisme se realizeaza prin diverse solutii constructive,bazate pe suprastructuri din materiale usoare, dar rezistente la solicitarile mecanice, la care se adauga uneori elemente flexibile sau chiar dispozitive de amortizare care preiau socurile seismice, insa sunt costisitoare si dificil de aplicat pe scara larga. Constructiile antiseismice trebuie prevazute cu armaturi rezistente, fara deschideri mari si ornamentatii masive, avand structura de fundament adaptata conditiilor geologice din zona. Proiectul elimina aceste dezavantaje prin aceea ca protectia geotehnica a cladirilor impotriva cutremurelor de pamant este realizata la scara zonala de catre structuri subterane amplasate in calea undelor seismice, in vecinatatea habitatului uman protejat, care asigura schimbarea directiei de propagare a undelor seismice incidente prin fenomenele de reflexie si refractie, datorita modificarii proprietatilor mecanice ale mediului in care a fost inglobata.

Prin aplicarea proiectului se obtin urmatoarele avantaje :

-protectie comuna impotriva seismelor, pe intervale de timp de ordinul secolelor, a tuturor constructiilor din zona amenajata;

-cresterea stabilitatii terenului amenajat antiseismic fata de procesele tectonice ;

-amortizarea investitiilor de amenajare antiseismica a habitatelor umane prin reducerea considerabila a pierderilor materiale si de vieti omenesti .

Energia imensa eliberata intr-un focar seismic se propaga prin unde mecanice de volum -longitudinale P, transversale S - pana la suprafata Pamantului, unde apar prin interferenta undele de suprafata L, cu lungime mare de unda, de tip Love si Rayleigh, care, la magnitudini mari, produc ruperi in scoarta si avarii catastrofale in constructii. Vitezele de propagare a undelor seismice de volum depind de parametrii fizici ai mediului pe care il strabat, si anume :

V_p = , pentru undele P

V_s= pentru undele S; unde E reprezinta modulul lui Young, este coeficientul lui Poisson, iar este densitatea mediului de propagare.

Cutremurul de pamant este un proces complex, avand pentru componentele spectrale semnificative, obtinute prin analiza Fourier, lungimea de unda cuprinsa intre valori minime de ordinul sutelor de metri si valori maxime de ordinul zecilor de kilometri. Mecanismul cutremurelor cu focare intermediare si adanci are la baza dinamica placilor litosferice, care tind sa se echilibreze izostatic pe astenosfera sub actiunea curentilor de convectie generati cu precadere de diferentele de temperatura. In zonele de subductie au loc acumulari tensionale mari, care prin descarcare brusca produc miscari seismice.

Pe langa procesele tectonice, alte cauze generatoare de seisme sunt legate de vulcanism, maree, prabusiri de stanci, impactul meteoritilor, sau chiar sunt provocate artificial prin explozii puternice. Amplitudinea undelor seismice scade pe masura cresterii distantei parcurse datorita proceselor de absorbtie a energiei de catre materia terestra. Schimbarea directiei de propagare a undelor seismice are loc pe suprafetele care separa doua medii cu proprietati fizice diferite, fenomen intalnit, de exemplu, la discontinuitatea Moho dintre scoarta terestra si manta. Reflexia undelor este caracterizata printr-un unghi de deviere - fata de normala suprafata de discontinuitate - egal cu unghiul de incidenta, iar in cazul refractiei undelor, raportul dintre sinusul unghiului de incidenta si sinusul unghiului de refractie este egal cu raportul vitezelor de propagare a undelor in cele doua medii. In general, reflexia si refractia undelor sunt fenomene care se produc simultan,insa daca viteza de propagare a undelor in primul mediu este mai mica decat viteza de propagare a undelor in cel de-al doilea mediu, atunci pentru unghiuri de incidenta mai mari decat unghiul limita, dispare fenomenul de refractie, pe suprafata de separare producandu-se fenomenul de reflexie totala.

Prevederea seismelor prezinta inca multe necunoscute, singurele masuri de protectie a habitatelor umane sunt oferite doar de constructiile sigure sau de solutiile geotehnice de amenajare zonala antiseismica, care redirectioneaza energia colosala a undelor seismice.Deoarece structurile antiseismice subterane au un gabarit imens,varianta constructiva realizabila in practica este cea de tip retea,care modifica proprietatile fizice ale mediului in care este inglobata,in particular rigiditatea si densitatea medie. Dimensiunile de ansamblu ale unei retele antiseismice regulate trebuie sa fie cu cel putin un ordin de marime mai mare decat lungimea de unda, pentru ca aceasta sa nu fie ocolita de undele seismice prin fenomenul de difractie, insa lungimea laturilor retelei trebuie sa fie mai mica de cel putin 5…10 ori decat lungimea de unda, pentru ca fenomenul de reflexie sa se manifeste semnificativ fata de ponderea undele seismice transmise. Lungimea de unda la care se face referinta corespunde cutremurelor de intensitate maxima care se propaga in zona amenajata antiseismic -luate in calcul la realizarea hartilor de seismicitate.

Undele seismice refractate sau cele care trec nedeviate printr-o retea rigida, inglobata intr-un mediu de propagare cu duritate redusa, sunt atenuate cu atat mai mult cu cat lungimea laturilor retelei este mai mica, iar distanta parcursa prin retea este mai mare.

Proiectul este aplicabil nu numai terenurilor situate in afara unor asezari umane, ci si celor intravilane, deoarece zona protejata antiseismic este mai mare decat zona in care se afla structura subterana, extinzandu-se cu mult in spatele acesteia pe directia de propagare a undelor seismice incidente. Prin analogie cu radiatiile luminoase,care,desi sunt de natura diferita, au legi de propagare similare, zona protejata antiseismic corespunde zonei de umbra create de un paravan translucid.

Protectia fata de cutremurele de pamant cu focare localizate-ca de exemplu cele din Vrancea,Romania- este asigurata prin structuri artificiale subterane amplasate in calea undelor seismice, pe portiunea de la marginea asezarilor umane situata spre zona epicentrala. In scenariul cel mai nefavorabil, de aparitie a unor seisme puternice cu focare nelocalizate, trebuie ca structura antiseismica subterana sa fie dispusa in jurul perimetrului intravilan.

Se da in continuare un exemplu de realizare a proiectului, in legatura cu figurile 1 si 2, care reprezinta :

-fig.1,vedere de sus a unei structuri de amenajare zonala antiseismica;

-fig.2, sectiune cu vedere prin structura subterana.

Structura antiseismica se compune dintr-o retea triunghiulara regulata R, care se continua in adancime prin coloanele verticale 2, fixate in varfurile triunghiurilor echilaterale de laturi 1 si dispuse paralel si echidistant in masa mediului de propagare a undelor seismice .

Laturile 1 ale retelei regulate R au profil dreptunghiular, iar coloanele verticale 2 sunt de forma cilindrica, similara cu cea a puturilor obtinute prin forare. Reteaua R este amplasata la marginea dinspre epicentru a perimetrului intravilan, pe o lungime de ordinul kilometrilor sau chiar a zecilor de kilometrii si o latime de ordinul sutelor de metrii, fiind dispusa aproximativ paralel cu suprafata nivelata in prealabil a solului, la o adancime h 1…2m, pentru a permite efectuarea unor lucrari agricole. In cazul terenurilor cu panta mare, coloanele 2 pot fi dispuse inclinat fata de verticala. Daca conditiile geomorfologice permit, atunci structura subterana este orientata, fata de directia de propagare a undelor seismice de suprafata, sub unghi de incidenta mai mare decat unghiul limita, pentru a se produce fenomenul de reflexie totala . Structura geotehnica este realizata de obicei din beton armat, dar in principiu se poate utiliza orice alt material, cu conditia ca trebuie sa aiba rigiditatea si densitatea diferite de cele ale subsolului amenajat antiseismic. Dimensiunile geometrice pentru componentele unei structuri antiseismice subterane variaza intre limite largi, in functie de intensitatea maxima a cutremurelor, distributia focarelor seismice si eventual a faliilor tectonice, dar si de natura materialelor de constructie, proprietatile fizice ale mediului de propagare si aria suprafetei protejate. Pentru exemplificare, se prezinta urmatoarele valori dimensionale ale unei structurii geotehnice subterane: a = 30…100 m, b = 1…2 m, c = 0,3…0,6 m, d = 0,3…0,6 m, l = 50…500 m, unde a, b si c reprezinta lungimea, latimea respectiv grosimea laturii 1 a retelei R, iar d si l semnifica diametrul respectiv lungimea coloanelor 2 ale structurii subterane. In alte variante constructive, reteaua R este formata din poligoane regulate de tip patrat, sau hexagon, caz in care consumul de materiale se reduce, insa rezistenta la solicitarile mecanice scade fata de reteaua triunghiulara regulata.

Tehnica actuala permite efectuarea unei lucrari de amenajare antiseismica a teritoriului, care presupune urmatoarele etape :

-realizarea studiului de fezabilitate si a proiectului in detaliu de catre specialistii in seismologie si geotehnica, adaptate la conditiile geomorfologice concrete ;

-executarea pe teren a canalelor pentru reteaua R si forarea puturilor pentru coloanele 2 ;

-introducerea in puturi a unor tuburi pentru sustinerea peretilor;

-realizarea armaturii metalice peste care se toarna betonul in stare umeda ;

-finalizarea lucrarii prin acoperirea cu pamant a canalelor si nivelarea terenului .

Pentru simplificarea operatiilor de executie, structura geotehnica subterana se amplaseaza cu precadere in zone cu terenuri moi, fara denivelari prea mari, evitandu-se terenurile in panta, alcatuite din roci dure.Solutia tehnica prezentata, desi necesita investitii foare mari, este o alternativa zonala, mult mai eficienta decat protectia antiseismica pentru fiecare constructie in parte. Este usor de imaginat, amenajarea unor portiuni din platforma continentala a marilor si oceanelor cu structuri hidrotehnice similare, pentru protectia tarmului la tsunami prin fenomenele de reflexie, refractie si atenuare a valurilor seismice.