TARTÓ(SZERKEZETE)K TERVEZÉSE II. 10. Földrengésre való tervezési kérdések és építészeti vonatkozásai Dr. Szép János Egyetemi docens 2018. 11. 01.
Az előadás tartalma Földrengési méretezés Magyarországon Magyarország jelentősebb földrengései Földrengések keletkezése Földrengések erőssége Földrengések okozta károk Földrengések hatása a tartószerkezetekre Szerkezetek földrengésre való méretezése Épületek helyes kialakítása
Földrengési méretezés Magyarországon 1998. január 1: Építési törvény: Az épületeket úgy kell megvalósítani, hogy kellő védelmet nyújtsanak a földrengés okozta ártalmak ellen. Újabb geofizikai kutatások szerint hazánk szeizmicitása lényegesen erősebb, mint azt korábban gondolták kb. 6-6,5 magnitúdójú legnagyobb földrengésre lehet számítani. MSZ EN 1998-1 Eurocode 8: Tartószerkezetek tervezése földrengésre.
Magyarország jelentősebb földrengései Idő Hely M 456. szept. 7. Szombathely 6,1 1763. jún. 28. Komárom 6,3 1783. ápr. 22. Komárom 5,2 1810. jan. 14. Mór 5,4 1810. máj. 27. Mór 4,9 1851. júl. 1. Komárom 4,9 1868. jún. 21. Jászberény 4,9 1911. júl. 8. Kecskemét 5,6 1925. jan. 31. Eger 5,0 1956. jan. 12. Dunaharaszti 5,6 1985. aug. 15. Berhida 4,9 2006. dec. 31. Gyömrő 4,1
Földrengések keletkezése Földkérget alkotó kőzetekben a különböző tektonikai és egyéb folyamatok eredményeként feszültségek lépnek fel, amelyek az alak- és méretváltozást megakadályozni törekszenek Deformált állapotban energia halmozódik fel a szilárdsági határok túllépése után az anyag tönkremegy, eltörik törési zónák jönnek létre A törés következtében felszabadul a felhalmozott rugalmas energia és részben hőenergiává, részben mozgási energiává alakul át földrengéshullámok
Földrengések keletkezése A földrengéseket kiváltó törési zóna a Föld méreteihez képest kicsik A földrengéshullámok tovaterjedését úgy foghatjuk fel, mintha azok egy pontból (=hipocentrum) indultak volna ki h0: fészekmélység t0: kipattanási idő H: bemerülési mélység
Földrengések erőssége Első elfogadott skála: Giuseppe MERCALLI (1902): 12 fokozatú intenzitás skála (I) a bekövetkező kár alapján: I=1, a rengés gyakorlatilag nem érezhető I=12, minden emberi létesítmény összedől Az intenzitás skálákat többször módosították, de ma már nem képezik a földrengési méretezés alapját. Hátránya: nem arányosak a földrengések tényleges, fizikai nagyságával, hanem a földrengés hatását írják le az emberi érzetek és keletkezett károk alapján.
Földrengések erőssége EURÓPAI MAKROSZEIZMIKUS SKÁLA (EMS): a hatás helyén, a rengés által okozott pusztításokból vezeti le a fokozatokat:
Földrengések erőssége
Földrengések erőssége Charles RICHTER (1920-as évek vége): A földrengés maximális amplitúdója a földrengéstől távolodva csökken Két földrengés összehasonlítása: azonos távolságokhoz tartozó elmozdulások aránya a távolságtól függetlenül majdnem azonos A földrengés jellemezhető a maximális elmozdulásával, amit az epicentrumtól adott távolságra mérnek Richter (vagy lokális) magnitúdó
fészekmélység Földrengések erőssége Egy földrengés magnitúdója (M) azt jelenti, hogy a földrengés epicentrumától 100 kmre, a Wood-Anderson típusú szeizmográfon a mért maximális elmozdulás 10 M x 10-6 m. epicentrum 100 km földfelszín Wood-Anderson szeizmográf hipocentrum Wood-Anderson szeizmográf
Földrengések erőssége A földrengés erőssége a felszabadult energiától függ. Az eddig mért maximális magnitúdó megközelítette a 9-et A skála a nagy töréshosszakhoz tartozó földrengéseket alábecsüli, ezért M=7 felett nem célszerű alkalmazni
Földrengések erőssége
Földrengés okozta károk San Franciscó-i földrengés, 1906. Niigata, 1964.
Földrengések hatása a tartószerkezetekre D Alembert-elv: F = m * a
Hullám terjedése Földrengések hatása a tartószerkezetekre A földrengés a talajban hullámokat indít el: P-hullám S-hullám Rayleigh-hullám Love-hullám Hullám terjedése
Földrengések hatása a tartószerkezetekre A földrengést jellemezhetjük: maximális amplitúdóval maximális gyorsulással energiatartalommal Egyik mennyiség sem alkalmas önmagában a méretezéshez m ma g k u u g Merev szerkezet u Hajlékony szerkezet
Szerkezetek földrengésre való méretezése EC8 Alapkövetelmények Az emberi élet kioltását el kell kerülni,még igen nagy (ritkán bekövetkező) földrengés esetében is Korlátozni kell a bekövetkező károkat (ez különösen fontos a gyakran bekövetkező földrengések esetében) Biztosítani kell,hogy létfontosságú létesítmények használhatóak maradjanak Teherbírási követelmény (nocollapse requirement) Korlátozott károk következménye (damage limitaiton requirement) Fontossági tényező
Szerkezetek földrengésre való méretezése A számítás lehet: statikus vagy dinamikus Az anyagmodell lehet: lineárisan rugalmas vagy nem lineáris Egyszerűbb esetekben megengedhető a síkbeli vizsgálat,de általában térbeli vizsgálatot végzünk. Lineárisan rugalmas Nem lineáris Statikus számítás Helyettesítő vízszintes erők módszere Eltolás vizsgálat ( Pushover ) Dinamikus számítás Modális válaszspektrum analízis Időbeli viselkedés követése ( Time history analysis )
Helyettesítő erők módszere Csak az első rezgés alakot vesszük figyelembe (esetleg azt is egyenessel közelítjük) a) Alacsony b) Középmagas, és c) Magas épület első rezgésalakja
Helyettesítő erők módszere A módszer lépései: Az alapnyíróerő meghatározása (F b =S d m) A terhek szétosztása lineáris rezgésalakot vagy az első rezgésalakot feltételezve Szerkezetszámítása ezekre a terhekre
Válaszspektrum analízis A szerkezeti méretezéshez ismernünk kell az altalaj mozgását az idő függvényében és ennek alapján kell meghatároznunk a szerkezet válaszát. Válaszspektrum analízis Egy szerkezet viselkedése jellemezhető a következő paraméterekkel: A szerkezet periódusideje (és a hozzá tartozó rezgésalakok) A szerkezet csillapítása A szerkezet duktilitása
Válaszspektrum analízis A válaszspektrum meghatározása 4 lépésből áll: 1. Az építési terület szeizmikus zóna besorolásának meghatározása (szeizmikus zónatérképről) 2. A talaj típusának és talajmechanikai jellemzőinek meghatározása 3. Szeizmikus együtthatók meghatározása 4. Válaszspektrum kiértékelése
Válaszspektrum analízis Magyarország szeizmikus zónatérképe (www.foldrenges.hu)
Válaszspektrum analízis Talajtípus meghatározása talajvizsgálati jelentés
Válaszspektrum analízis Tervezési válaszspektrum kiértékelése:
Épületek helyes kialakítása A szerkezet földrengésre való viselkedését alapvetően befolyásolja a szerkezet alakjának, merevítő rendszerének, anyagának megválasztása Már az épület koncepcionális tervezése alatt fontos, hogy a megfelelő szerkezeti formát alakítsuk ki a földrengésre való méretezés nem csak a szerkezettervező feladata!
Épületek helyes kialakítása A tervezés során figyelembe veendő szempontok: 1. Egyszerűség, szimmetria és szabályosság az alaprajzban 2. Szabályosság a magasság mentén 3. Uniformitás és folytonosság 4. Kellő eltolási és csavarási merevség 5. Megfelelő tönkremeneteli mechanizmus 6. Kellő alapozás 7. Anyagválasztás 8. Merevítő elemek típusának megválasztása
1. Egyszerűség, szimmetria és szabályosság Csavarási hatások elkerülésére: szimmetrikus alaprajz nem csak az épület kontúrja, de a merevítő rendszer és a tömegeloszlás is! Kedvező kialakítás Kedvezőtlen kialakítás
1. Egyszerűség, szimmetria és szabályosság Kerülni kell az épület alaprajzában a jelentős ki- és beugrásokat (egyenlőtlen merevségeloszlás) L alakban kialakított épület mozgásai a földrengés hatására a) Szétválasztott b) Összeépített épület
2. Szabályosság a magasság mentén A magasság mentén kerülni kell a hirtelen ugrásokat, mind az alakban, mind pedig a merevségekben. Ha lehet, kerülni kell a karcsú épület kialakítását. Kedvező kialakítás Kedvezőtlen kialakítás
3. Uniformitás és folytonosság A teherhordó (merevítő) elemeket egyenletesen kell elhelyezni Az oszlopok és falak az alaptól a tetőig folytonosak, elhúzás nélkül készüljenek A gerendákat elhúzás nélkül alakítsák ki Az oszlopok és a gerendák tengelye messe egymást A vasbeton oszlopok és a gerendák szélessége ne térjen el jelentősen egymástól A fő teherhordó szerkezetek ne változzanak hirtelen A födémek (mint vízszintes síkú tartók) dolgoztassák együtt a merevítéseket A szerkezet, amennyire lehet, folytonos, rendundáns és monolitikus legyen
3. Uniformitás és folytonosság Merevítő elemek elhelyezése: Kedvező kialakítás Kedvezőtlen kialakítás
3. Uniformitás és folytonosság Födémtárcsa-áttörések kialakítása: Kedvező kialakítás Kedvezőtlen kialakítás
3. Uniformitás és folytonosság Merevítőfal magasság menti kialakítása Kedvező kialakítás Kedvezőtlen kialakítás merevítőfal merevítőfal hosszú oszlop rövid oszlop
4. Kellő eltolási és csavarási merevség Az épületek kellő merevsége biztosítja, hogy az épület tartószerkezeteinek károsodásai korlátozott mértékűek legyenek A merevség növelése azonban káros hatással is lehet, mivel a merevebb szerkezet rezgésideje általában közelebb van a földrengés periódusidejéhez, így a szerkezet megmerevítésének a figyelembe veendő földrengés terhek is megnőnek Lehetséges megoldás: energiadisszipáló elemekkel való merevítés kismértékben növeli a szerkezetre ható terheket, és jelentősen csökkentik az elmozdulásokat Nem kellő merevség növekvő másodrendű igénybevételek Az esetleges csavarólengések jelentősen túlterhelik a szélső merevítéseket ezért azokat minél közelebb kell elhelyezni az épület széléhez
5. Kellő alapozás Az épület alapozási síkja lehetőleg egy sík legyen Az alapozás különálló alaptesteit gerendaráccsal, ill. vasalt padlólemezzel össze kell kötni, a különálló mozgások megakadályozása céljából Az épület felborulása szempontjából a síkalapozású épület magassága nem lehet nagyobb, mint a kisebbik épületszélesség 2-2,5-szöröse
6. Anyagválasztás Földrengés viselkedés szempontjából optimális az az anyag, amelyik Nem rideg és nagy a duktilitása Kicsiny a súlya, de nagy a szilárdsága Könnyű kialakítani a teljes értékű csomópontokat
6. Anyagválasztás Javasolt alkalmazandó építőanyag moderált vagy nagy szeizmicitású országokban: Épülettípus Magas épület Középmagas épület Alacsony épület Legjobb Legrosszabb Acél Monolit vasbeton Acél Monolit vb. Előregyártott vb. Feszített vb. Vasalt falazat Fa Monolit vb. Acél Feszített vb. Vasalt falazat Előregyártott vb.
7. Merevítőelemek megválasztása Legfontosabb merevítés típusok: Nyomatékbíró keretek Földrengéses területen egyik leggyakrabban alkalmazott szerkezettípus. Fő előnye, hogy duktilisan viselkedik, ugyanakkor viszonylag nagy alakváltozásokat szenved. Anyaga acél vagy vasbeton. Keretből kialakított csőszerkezet Speciális keret, ahol a keret általában az épület kontúrja mentén található. A magasépületek leggyakoribb tartószerkezete. Merevítőfalak Vasbetonból, falazatból álló síkbeli szerkezetek. Igen merevek, így a kicsi emeletközi elmozdulások miatt a bekövetkező károk is kicsinyek, ugyanakkor ez a hátrányuk is, a nagy merevség általában nagy földrengésterhet is jelent.
7. Merevítőelemek megválasztása
7. Merevítőelemek megválasztása Merevítő magok Ha a (vasbeton)falakat a sarkainál összekapcsoljuk, akkor merevítő magot kapunk. Általában liftaknák, lépcsőházak körül alakítható ki. Jelentős a csavarási merevsége. Központos kötésekkel merevített keretek A rudak tengelyei egy pontban metszik egymást, döntően csak húzó- és nyomóerő ébred bennük.
7. Merevítőelemek megválasztása Központosan merevített keretek:
7. Merevítőelemek megválasztása Külpontos kötésekkel merevített keretek A rudak tengelyei nem egy pontban metszik egymást. Fő előnye, hogy jelentős duktilitást mutat, mivel képlékeny csukló alakul ki a gerendákon, és a merevsége lényegesen nagyobb, mint a keretszerkezeteké. Hibrid szerkezetek Előzőek vegyes alkalmazása. Leggyakoribb a merevítőfalak és a keretek, valamint a keretek és a merevített keretek együttes alkalmazása. Ezen szerkezetek alkalmazása gyakran építészeti okokból elkerülhetetlen, de viselkedésük kedvezőtlen lehet, mert jelentősen eltér a merevségük és így a deformált alakjuk is.
7. Merevítőelemek megválasztása Külpontosan merevített keretek:
Köszönöm a figyelmet! Ajánlott oldalak: www.foldrenges.hu www.georisk.hu