SZERKEZETEK MÉRETEZÉSE FÖLDRENGÉSI HATÁSOKRA (Az Eurocode-8 alapján) Kollár László (1) Bevezetés, földrengési alapismeretek 2013.
Földrengési méretezés Magyarországon (múlt) MI-04.133-81 Méretezési irányelvek földrengési hatásokra műszaki irányelvet, 1978 majd 1981 (panelos szerkezetekre) használata nem volt kötelező, a kor ismereteinek megfelelően viszonylag alacsony földrengésterheket írt elő. (Így a földrengésteher általában alatta maradt a széltehernek.) A hatóság által előírt különleges biztonsági követelmények teljesítése érdekében... a földrengés... következtében fellépő rendkívüli terheket és hatásokat is számításba kell venni. (MSZ 15021/1, magasépítés) A földrengés hatását függőhidak, ferdekábeles hidak, valamint 50 méternél nagyobb nyílású hidak esetében a szakma elismert szabályai szerint figyelembe kell venni. (ÚT2-3.401 szabályzat )
Földrengési méretezés Magyarországon változások: az építési törvénybe bekerült, hogy tartószerkezeteink földrengéssel szemben kellő biztonsággal kell, hogy rendelkezzenek az újabb geofizikai kutatások szerint Magyarország szeizmicitása lényegesen erősebb, mint azt korábban gondolták: körülbelül 6-6.5 magnitúdójú földrengésre kell felkészülni az Eurocode-8 életbe lépett
Néhány országban a kipattanó földrengések várható gyakorisága [Georisk, Dulácska] Földrengések száma évente, amelyek nagysága meghaladja az M magnitúdót (egy millió km -re) 2 100 10 1 0.1 0.01 Anglia Magyarország Nyugat USA, Görögország Fülöpszigetek Japán Kelet USA 0.001 4 5 6 7 8 9 Magnitúdó, M
Fontosabb magyarországi földrengések Magyarország Földrengés Információs Rendszere (FIR). 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 www.foldrenges.hu. GEORISK KFT 1925. jan.31. Eger 5.0 1956. jan.12. Dunaharaszti 5.6 1985.aug.15. Berhida 4.9
AUSZTRIA SZLOVÉNIA Magyarország régi zónatérképe 3 3 Bács- Kiskun Győr-Moson- Sopron Vas 3 3 Zala HORVÁTHORSZÁG Veszprém 3 Somogy SZLOVÁKIA 3 4 Baranya 3 Fejér Tolna 2 (NAD) 3 3 3 2 Nógrád Budapest Jász- Nagykún- Szolnok Pest Heves 2 3 2 2 Szabolcs- Szatmár- Bereg Borsod-Abaúj- Zemplén Csongrád JUGOSZLÁVIA 2 Békés 2 2 Hajdú-Bihar Komárom- Esztergom ROMÁNIA UKRAJNA 1. zóna: a gr = 0.04 g 2. zóna: a gr = 0.06 g 3. zóna: a gr = 0.08 g 4. zóna: a gr = 0. 10 g
Magyarország zónatérképe (nem része (GEORISK, 475 év) AUSZTRIA SZLOVÉNIA 4 3 5 2 HORVÁTORSZÁG az NA főrészének!) 4 SZLOVÁKIA 3 5 4 2 4 3 1 4 3 JUGOSZLÁVIA 1 1 2 3 Zóna UKRAJNA ROMÁNIA a gr 1. Zóna 0.08 g 2. Zóna 0.10 g 3. Zóna 0.12 g 4. Zóna 0.14 g 5. Zóna 0.15 g
Seismic hazard map, Europe
Földrengés hatásának szemléltetése 0.1 g esetén G 0.1 G
Földrengési méretezés Magyarországon: Eurocode-8 ENV magyarra fordított változata + Nemzeti Alkalmazási Dokumentum (NAD, National Application Document) (Az MSZT visszavonta) Eurocode-8 EN (illetve MSZ-EN), angol nyelven az MSZT életbe léptette, de nincs hozzá National Annex Magyar fordítás + National Annex 2008.dec.1
Földrengési méretezés EC-8 szerint: EN Final draft első verzió végszavazás CEN jóváhagyás Elérhetőség Bevezetés (Nemzeti * ) 1998-1 2001-12 2004-03 2004-04 2004-12 2005-03 1998-2 2003-03 2005-05 1998-3 2003-03 2005-02 1998-4 2004-08 2005-06 1998-5 2001-11 2004-03 2004-04 2004-12 2005-03 1998-6 2003-03 2005-03 * Fordítás (vagy az egyik hivatalos nyelv elfogadása) + National Annex ~8 hónap Max 2 év
Az Eurocode-8 részei 1998-1 Általános szabályok, épületek 1998-2 Hidak 1998-3 Erősítés és javítás 1998-4 Tárolók, silók, csővezetékek 1998-5 Alapozás, támfalak, geotechnika 1998-6 Tornyok, árbocok, kémények
Földrengési méretezés Magyarországon: CEN jóváhagyás Elérhetőség Bevezetés (Nemzeti) 2004-04 2004-12 2005-03 2004-04 2004-12 2005-03 Az egy csomagban lévő összes kötet nemzeti beveze-tése után 3 éven belül a nemzeti szabványokat vissza kell vonni
Földrengési méretezés Magyarországon: EC Final draft CEN jóváhagyás Nemzeti bevezetés angol Magyar + National Annex: 2001. december 2004. április 2005. március 2008.dec.1 MSZ visszavonás: 2010. december 31.
Eurocode-ok (EC 1, 2,... ) bevezetése Magyarországon: 2005-2007 MSZ visszavonása: 2010 december 31. 2000 2002 2004 2006 2008 2010 ( MSZ ) EUROCODE 2012
Földrengési méretezés Magyarországon: Magyar fordítás + National Annex (NA) 2008.dec.1 Mérnöki Kamara állásfoglalása (javaslat kisebb biztonság/nagyobb kockázat figyelembevételére) http://www.tartoszerkezeti-tagozat.hu/node/26
NA nemzeti melléklet (előírás) Előírások a szabvány magyarországi alkalmazásához NA2.1. A 2.1. szakasz (1)P bekezdésének 1. megjegyzéséhez: A szeizmikus hatás visszatérési periódusának T NCR referenciaértéke az állékonyság követelményéhez (vagy, azonos értékűen, az 50 éves túllépési valószínűség P NCR referenciaértékéhez): nincs nemzeti döntés. * NA2.2. A 2.1. szakasz (1)P bekezdésének 3. megjegyzéséhez: A szeizmikus hatás visszatérési periódusának T DLR referenciaértéke a károk korlátozásának követelményéhez (vagy, azonos értékűen, a 10 éves túllépési valószínűség P DLR referenciaértékéhez): az ajánlott érték érvényes, azaz T DLR = 95 év és P DLR = 10%. * Az EC ajánlása T NCR = 475 év és P NCR = 10%.
NB nemzeti melléklet (tájékoztatás) Kiegészítő információk NB1. Az NA3.3. szakaszhoz: A 2.1. szakasz (1)P bekezdésének 1. megjegyzésében ajánlott T NCR = 475 év és P NCR = 10% értékhez tartozó szeizmikus zónatérképet és a talajgyorsulási referenciaértékeket az NB1. ábra mutatja, az a gr talajgyorsulás településenkénti referenciaértékeit pedig az NB1. táblázat tartalmazza. NB2. 30%-os túllépési valószínűséghez (P NCR = 30%) az a gr NB1. táblázat szerinti értékeinek mintegy 0,7-szerese tartozik.
Mérnöki Kamara állásfoglalása (http://www.tartoszerkezeti-tagozat.hu/node/26) A földrengésre való méretezés 2008. december 1. óta az EC8 szerint végzendő. Ezzel kapcsolatban az alábbi ajánlást adjuk az MSZT Nemzeti Szabványügyi Bizottság egyetértésével. A kísérő levelet tájékoztatásul adjuk közre: Dr. Korda János alelnök úr Tárgy: Eurocode 8 talajgyorsulási értékek MMK ajánlása Tisztelt Alelnök úr! Az MSZT/MB Teherhordó szerkezetek erőtani tervezése Műszaki Bizottság 2008. szept. 25. ülésén az MMK Tartószerkezeti Tagozat az Ön vezetésével képviseltette magát. A Nemzeti Bizottság döntése értelmében a következő megoldás született: 1.Az NA melléklet 2.1 szakasz (1) P bekezdéséhez kapcsolódó NA 2.1 szakaszába be kell írni, hogy nincs nemzeti döntés és az NA 3.3 szakaszt ennek megfelelően módosítani kell. 2.Készüljön egy tájékoztató NB melléklet, amely tartalmazza a zónatérképet a településenkénti a gr értékek táblázatát, továbbá egy olyan szakasz, mely tájékoztatás arról, hogy a 30%-os túllépési valószínűségéhez az a9r táblázat szerinti értékeinek mintegy 0,7 szerese tartozik.
Mérnöki Kamara állásfoglalása (http://www.tartoszerkezeti-tagozat.hu/node/26) (folytatás:) Kötelességem felhívni az Alelnök úr figyelmét, hogy a Mérnöki Kamara Tartószerkezeti Tagozat kérte az MSZT-t, hogy vegye figyelembe, hogy az összes német nyelvterületen (Ausztria, Németország, Svájc) hasonló csökkentett, u.n. kiegyenlített vízszintes gyorsulási értékkel, tehát a csúcsgyorsulás 70%-val dolgoznak. Vagyis a nyugati határunknál nálunk a földrengés okozta vízszintes gyorsulás 30%-al nagyobb, mint a nyugati oldalon. A nemzeti egyhangú döntést a bizottságban résztvevő geofizikusok akadályozták meg. A Mérnöki Kamara képviselői vállalták, hogy állásfoglalást adnak ki, melyben ajánlják a méretezésnél a mellékletben lévő vízszintes gyorsulások alkalmazását. A fentiek miatt kérem az Alelnök urat, hogy az alábbi ajánlás kibocsátását kérje a Mérnöki Kamara elnökétől: Dr. Dalmy Dénes TT elnök
Mérnöki Kamara állásfoglalása (http://www.tartoszerkezeti-tagozat.hu/node/26) A Magyar Mérnöki Kamara ajánlása Az EC8 Tartószerkezetek tervezése földrengésre MSZ EN 1998-1 szabvány földrengés okozta vízszintes talajgyorsulások számításba vételére. A Magyar Mérnöki Kamara a Tartószerkezeti Tagozatának előkészítő tanulmánya alapján ajánlja, hogy a szerkezetek földrengésre való méretezésekor a 30%-os túllépési valószínűséghez tartozó, az NBI táblázat 0,7-szeres értékeit vegyék számításba földrengésre való méretezéskor. Kováts Gábor a Magyar Mérnöki Kamara elnöke
Földrengési méretezés: Magyar irodalom Csák B, Hunyadi F. és Vértes Gy: Földrengések hatása az építményekre. Műszaki Kiadó. Budapest. 1981. Kollár Lajos: Építmények méretezése földrengésre. Tervezési Segédlet. S-35. TTI. 1990. Dulácska Endre: Földrengésveszély, földrengés elleni védelem. A Magyar Mérnöki Kamara Kiskönyvtára. TT-TS 3, 2000. Dulácska Endre és Kollár László: Méretezés földrengésre az európai elvek figyelembevételével. Tervezési Segédlet, TT-TS4, 2003, Magyar Mérnöki Kamara, Tartószerkezeti Tagozat Györgyi József: Dinamika, Egyetemi tankönyv. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2003 Magyarország Földrengés Információs Rendszere (FIR). www.foldrenges.hu. GEORISK KFT Dulácska, Joó, Kollár: Tartószerkezetek méretezése földrengési hatásokra. Akadémiai Kiadó, 2008.
Rövid szünet!
A Szerkezeti Eurocode-ok EN 1990 Eurocode: EN 1991 Eurocode 1: EN 1992 Eurocode 2: EN 1993 Eurocode 3: EN 1994 Eurocode 4: EN 1995 Eurocode 5: EN 1996 Eurocode 6: EN 1997 Eurocode 7: EN 1998 Eurocode 8: EN 1999 Eurocode 9: A tartószerkezeti tervezés alapjai Hatások (terhek) Beton szerkezetek tervezése Acél szerkezetek tervezése Öszvér szerkezetek tervezése Fa szerkezetek tervezése Falazott szerkezetek tervezése Geotechnikai tervezés Tartószerkezetek tervezése földrengési hatásokra Alumínium szerkezetek tervezése
SZERKEZETEK MÉRETEZÉSE FÖLDRENGÉSI HATÁSOKRA (Az Eurocode 8 alapján) Cél: A földrengési méretezés alapjainak elsajátítása és megértése Módszer: nem(csak) szabványismertetés: szabvány háttere, földrengési méretezés alapfogalmai, a jelenségek elmagyarázása, szerkezetek viselkedése földrengésre.
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Földrengések keletkezése a hindu mítoszok szerint a földet nyolc elefánt tartja és földrengés akkor keletkezik, ha valamelyik megrázza a fejét, a mongolok egy hatalmas békát hibáztatnak, az indonéz szigetvilág bennszülöttei úgy gondolták, hogy egy démon rázza meg a földet, ha nem kap elegendő áldozatot, egy perui törzs pedig úgy gondolta, hogy amikor az istenük meglátogatja a földet, hogy számba vegye lakóit, akkor az ő lépteitől reng a föld úgy védekeztek, hogy a házuk elé szaladtak, és kiabáltak: itt vagyok, hogy ezzel is megrövidítsék a népét számba vevő isten pusztító jelenlétét
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Földrengések keletkezése kontinentális táblák mozgása, vulkánok, beomlások epicentrum fészekmélység földfelszín hipocentrum
Kontinentális táblák mozgása http://erthquake.usgs.gov/ www.foldrenges.hu
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Földrengések keletkezése François Placet (1666) felvetette, hogy Dél-Amerika és Afrika valamikor egy földrészt alkotott. Alfred Wegener (1915) egységes elméletet alakított ki, mely szerint egy szuperkontinens (Pangaea, pan: összes, gaea: föld) a dinoszauruszok korában töredezni kezdett, és Pangaea részei máig távolodnak egymástól. Wegener polihisztor volt (meteorológus, aki tanult asztronómiát, geofizikát, biológiát, paleontológiát, stb.), így állítását különböző tudományterületek segítségével támasztotta alá. geometriai egyezés, geológiai egyezés a kontinensek egykori kapcsolódásai mentén, egy páfrány megkövesedett maradványainak megjelenési helyei is a Pangaea-elméletet támasztották alá.
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Földrengések keletkezése Alfred Wegener könyvének megjelenése (1915) a tudomány művelőinek felháborodását váltotta ki Wegener nem az igazságot keresi, túl sokat tételez fel és semmit sem bizonyít. Ha elhinnénk Wegener hipotézisét, akkor mindent el kellene felejtenünk, amit az elmúlt 70 évben tanultunk, és mindent elölről kellene kezdenünk. A következő évtizedekben tudományos öngyilkosságnak számított, ha valaki Wegener elméletének követőjének vallotta magát.
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Wegener elmélete Az Atlanti-óceán fenekén, észak-déli irányban egy 2-3000 m magas hegység húzódik, amelynek közepén egy keskeny völgy található (1940-es évek). Ez ellentmond annak az elméletnek, hogy a föld a kihűlése közben zsugorodott és a hegységek a zsugorodás közben gyűrődtek fel. Harry Hess, princetoni geológus, aki a mérések végzését részben vezette, magyarázata ( an essay on geopoetry ): a völgyből forró láva tör elő, és a völgy két oldalán a tengerfenék folyamatosan távolodik egymástól, néhány centimétert évente. Ez a folyamat közvetlenül magyarázta Wegener elméletét. Bazalt ásványok a folyékony kőzetben a Föld mágneses terének megfelelően északi irányba fordulnak. A Föld bizonyos területeiről vett mintákban az ásványok ellentétes irányba, délre mutatnak. (lehetséges magyarázat: az ásványok kémiai összetételének megváltozása, vagy a Föld mágneses pólusainak megfordulása.)
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Wegener elmélete Allen Cox (Berkeley Egyetem, 1960-1966) 9 mágneses pólusváltást mért ki. Óceán fenekén a kőzetek mágnesessége: zebracsíkok az óceán közepén haladó árokkal párhuzamosan futnak. Drummond Mathews és Fred Vine (1963): a zebracsíkok bizonyíthatják az óceán fenekének vándorlását, a feltörő láva az árok szélén megszilárdul, és tolja maga előtt az előzőleg megszilárdult óceánfeneket. (Senki sem törődött vele. A kutatók sem a pólusváltásban, sem az óceánfenék mozgásában nem hittek, így abban sem, hogy egyik a másikat bizonyíthatná.) Két évvel később kimutatták, hogy a zebracsíkok kora egyezik a szárazföldön kimért pólusváltások korával, és azt is, hogy a zebracsíkok vastagságai az óceán közepén futó árokra szimmetrikusan helyezkednek el.
http://erthquake.usgs.gov/
Kontinentális táblák mozgása
http://erthquake.usgs.gov/
http://erthquake.usgs.gov/
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Harry Fielding Reid (1906-os San Francisco-i földrengés után): A földrengést megelőző 55 év geodéziai felmérései azt mutatták, hogy a törésvonalon átmenő utak, kerítések egyre jobban elgörbültek. A földrengés utáni felmérés szerint pedig hirtelen észak-déli relatív elcsúszások jöttek létre, amelyeknek nagysága egyes helyeken hét méter volt. Reid magyarázata: a törésvonal két oldalának relatív mozgása miatt a szikla deformálódik és ennek következtében egyre növekvő rugalmas energia halmozódik fel benne. A deformáció növekedtével a sziklában kialakuló feszültségek is nőnek, de elcsúszás csak akkor jön létre, amikor a feszültség meghaladja a törésvonal mentén a súrlódási ellenállást. Ezt elérve, a törésvonal két oldala hirtelen megcsúszik, a rugalmas energia felszabadul és az elcsúszás környezetében földrengések keletkeznek.
FÖLDRENGÉSI ALAPISMERETEK Felszabadult energia (Korlátozott előrejelzés ) Komárom Komárom Mór 1750 1800 Komárom Jászberény Kecskemét Eger A Magyarországon kipattant földrengések összegzett energiája [Dulácska] Dunaharaszti Berhida 1850 1900 1950 2000
A földrengés erőssége (Intenzitás) Giuseppe Mercalli (1902-ben), 12 fokozatú ún. intenzitási skála (I), a bekövetkező kár alapján. I=1, a rengés gyakorlatilag nem érezhető, I=12, pedig gyakorlatilag minden emberi létesítmény összedől. MMI (Modified Mercalli Intensity Scale, 1931), MCS skála (Mercalli-Cancani-Sieberg), MSK-64 skála (Medvegyev-Sponheuer-Karnik, 1964), EMS skála (European Modified Scale). Ezek a skálák ma már nem képezik a földrengési méretezés alapját.
A földrengés erőssége (Magnitúdó) Charles Richter (Caltech, Kalifornia, az 1920-as évek vége): A földrengés jellemezhető a maximális elmozdulásával, amit az epicentrumtól adott távolságra mérnek. 0.4 g a g -0.4 g A földrengés maximális amplitúdója a földrengéstől távolodva csökken, két földrengés összehasonlítása: azonos távolságokhoz tartozó maximális elmozdulások aránya - a távolságtól függetlenül - majdnem azonos. Richter (vagy lokális) magnitúdó 0 0 a g,max =3.13 m/sec 2 10 20 30 sec t
A földrengés erőssége (Magnitúdó) Richter eredeti megfogalmazása szerint: egy földrengés magnitúdója M a földrengés epicentrumától 100 kilométerre, a Wood-Anderson típusú szeizmográfon a maximális mért elmozdulás 10 M 10-6 m. M=6 esetén a maximális a szeizmográf elmozdulás 1.0 m M=5 esetén a maximális a szeizmográf elmozdulás 0.1 m. epicentrum fészekmélység földfelszín hipocentrum 100 km m Wood-Anderson szeizmográf
A földrengés erőssége (Magnitúdó) Az eddig mért maximális (Richter) magnitúdó megközelítette a 9-et, de ez, ahogy Richter fogalmazta, nem a skála korlátja, hanem a Földé. Minél nagyobb a törés hossza, annál nagyobb a földrengés magnitúdója. (A Richter-skála a nagy töréshosszakhoz tartozó földrengéseket alábecsüli, ezért M=7 fölött nem célszerű alkalmazni.) epicentrum fészekmélység földfelszín hipocentrum Törés hossza 100 km m Wood-Anderson szeizmográf Richtermagnitúdó 5-10 km 5.5 30-60 km 7 100-400 km 8-8.5
A földrengés erőssége ( nyomaték magnitúdó ) A felszabadult energiától függ. M Elnevezés Évi 8- Óriási (Great) 1 7-7.9 Nagyon nagy (Major) 18 6-6.9 Erős (Strong) 120 5-5.9 Mérsékelt (Moderate) 800 4-4.9 Enyhe (Light) 6 200 http://erthquake.usgs.gov/
Fontosabb földrengések Az elmúlt 100 év összes M 9 földrengései és néhány ennél gyengébb, de jelentős földrengés Idő Hely M 1952 Kamcsatka 9.0 1957 Andreonof szigetek 9.1 1960 Chile 9.5 1964 Alaszka 9.2 2004 Indonézia * 9.0 2011 Honshu, Japan 9.0 1906 San Francisco 7.7 1940 El Centro (Kalifornia) 6.7 1976 Tangshan (Kína) ** 8.0 1985 Mexico 8.1 * 300 ezer áldozat ** 650 ezer áldozat 1989 Loma Prieta (Kalifornia) 7.0 1994 Northridge (Kalifornia) 6.7 1995 Kobe (Japán) 7.2
http://erthquake.usgs.gov/
Földrengések következményei Szerkezeti károk Tűzvész Talaj folyósodás Szökőár Járvány... San Francisco, 1906
Földrengések következményei Ancorage, 1964 Szerkezeti károk Tűzvész Talaj folyósodás Szökőár Járvány... Niigata, 1964
Földrengések következményei Szerkezeti károk Tűzvész Talaj folyósodás Szökőár Járvány...
Földrengések következményei Szerkezeti károk Tűzvész Talaj folyósódás Szökőár Járvány... El Asnam, 1980 Közlekedés Kommunikáció Víz, gáz, villany...
P hullám S hullám Hullám terjedése Love hullám Rayleigh hullám Földrengés hullámok P hullám: ~ 5.5 km/sec, S hullám: ~ 3 km/sec Laza talajokban felerősödik a földrengés intenzitása
Földrengés hatása a szerkezetekre maximális amplitúdó, g g maximális gyorsulás, energiatartalom, földrengés időtartama, szerkezet rezgésideje és a földrengés domináns periódusideje, szerkezet csillapítása m u g E I ma g.. ( a u ) = Merev és hajlékony szerkezet m u ku
Földrengés Néhány földrengés jellemzői Távolság az epicentrumtól [km] Mag nitú dó Gyor sulás [a g /g] Sebes -ség [cm/s ec] Elm ozdu lás [cm] Talaj San Fernando, 1971 29.5 6.4 0.32 27 9.4 homokkő San Fernando, 1971 32.5 6.4 0.18 20 7.2 gránit San Fernando, 1971 7.2 6.4 1.17 112 37 San Fernando, 1971 21.1 6.4 0.26 32 15 El Centro, 1940 11.5 6.7 0.35 36 20 diorit gneisz homokos kavics homokos kavics San Francisco, 1957 11.5 5.3 0.11 4.9 2.2 szikla 1989. The Seismic Design Handbook.
domináns rezgésidő A földrengés domináns frekvenciája 1.0 0.5 sec 6.0 M=5.5 M=8.0 7.5 7.0 6.5 km 100 200 300 távolság az epicentrumtól