Magyar Mérnöki Kamara Az évente kötelező szakmai továbbképzés tananyaga a geotechnikai jogosultsághoz Talajdinamika, földrengésre való méretezés Előterjeszti: Összeállította: Magyar Mérnöki Kamara Geotechnikai Tagozata Szilvágyi Zsolt Wolf Ákos Budapest 2014. április 15. 1
TARTALOMJEGYZÉK: 1 Bevezetés... 3 2 Földrengéssel kapcsolatos alapfogalmak... 3 2.1 Veszélyforrások... 3 2.2 Földrengés jellemzők... 4 2.3 Földrengésbiztos tervezés alapjai... 5 2.4 Magyarország földrengés-veszélyessége... 7 3 Talajdinamika... 8 3.1 Talajdinamikai anyagmodellek... 8 3.2 Talajdinamikai paraméterek... 8 3.3 Laboratóriumi mérések... 9 3.4 Helyszíni mérések... 11 4 Tervezési folyamat Eurocode 8-1 alapján... 12 4.1 Alapkövetelmények, határállapotok... 12 4.2 Talajtípus... 13 4.3 Földrengési hatás... 14 4.4 Méretezési eljárások... 15 5 Geotechnikai szerkezetek tervezése Eurocode 8-5 alapján... 15 5.1 Geotechnikai veszélyek: talajfolyósodás, túlzott süllyedés... 15 5.2 Síkalapozás... 16 5.3 Cölöpalapozás... 17 5.4 Támszerkezetek... 18 5.5 Rézsűállékonyság... 19 6 Irodalomjegyzék... 20 2
1 Bevezetés Ez a törzsanyag a geotechnikai tervezői jogosultság megújításához szükséges, évente kötelező szakmai továbbképzés Talajdinamika, földrengésre való méretezés c. moduljához került kidolgozásra. Célja a modul témájának, főbb fejezeteinek áttekintése, ez a törzsanyag képezi a részletes tananyag (előadások, írásos segédanyagok) alapját. Az épületek és más mérnöki létesítmények földrengéssel szembeni méretezését taglaló MSZ EN 1998 szabvány (Eurocode 8) érvénybe lépésével valamint számos más szempont miatt is, pl. a hazai nagysebességű vasúthálózat fejlesztése okán várhatóan egyre nagyobb hangsúly kerül a szerkezeteket és az altalajt érő dinamikus hatásokra, valamint a földrengésre való méretezésre. A modul célja, hogy alapvető ismereteket nyújtson a földrengésterhekről, azok helyéről a geotechnikai tervezés rendjében, valamint ismertesse az Eurocode 8-1 és 8-5 szabványok alapelveit a földrengésre való tervezésben. E rövid bevezető után, a második fejezetben áttekintjük a földrengésekkel kapcsolatos alapfogalmakat, a földrengési hatásból az épített környezetre esetleg kiható veszélyforrásokat, foglalkozunk a koncepcionális tervezés ide vonatkozó témáival, végül kitérünk hazánk földrengés veszélyességére. A következő fejezetben a geotechnikus mérnökök számára szükséges talajdinamikai ismereteket foglaljuk össze. Itt tárgyaljuk a talajdinamikai számításokhoz alkalmazható anyagmodelleket és az ezekben használatos paraméterek laboratóriumi és helyszíni mérési módszereit. A negyedik fejezetben végigvesszük az Eurocode 8-1 szabvány nyomán a tervezési folyamatot. Ez a szabvány a földrengésre való méretezés alapkövetelményeit, a vizsgálandó határállapotokat és a méretezési eljárásokat tárgyalja. A következő, utolsó fejezetben kitérünk a geotechnikai szerkezetek tervezésére vonatkozó Eurocode 8-5 szabvány főbb elveire. Ebben a fejezetben tárgyaljuk azokat a geotechnikai veszélyforrásokat, melyek a szerkezeteink károsodásához vezethetnek egy esetleges földrengés alatt, valamint áttekintjük a szabvány javaslatait a különböző alapozástípusokkal kapcsolatban. Végül a támszerkezeteket és rézsűket érő földrengési hatások vizsgálatát tárgyaljuk. A törzsanyag összeállításakor alapvetően a kiadás alatt álló Richard P. Ray: Geotechnikai kézikönyv földrengésre való méretezéshez című kiadványra támaszkodtunk. 2 Földrengéssel kapcsolatos alapfogalmak 2.1 Veszélyforrások Földrengésekkel kapcsolatos veszélyforrásnak tulajdonképpen azokat a veszélyeket tekintjük, amelyek az emberi életet és egészséget veszélyeztetik, vagy anyagi károkat okoznak. Az ezen veszélyforrások által okozott károk csökkentése magában foglalja nem csak a magasabb színvonalú mérnöki tervezést, hanem a jobb építési módszereket, a kormányzati szervek felkészültségét, a lakosság jobb tájékoztatását és a létesítmények lelkiismeretes karbantartását is. Ezen tananyagban a képzés jellegéből adódóan a földrengések hatásainak elsősorban geotechnikai és a kapcsolódó tartószerkezeti vonatkozásaira összpontosítunk. Bár az itt felsorolt károk nagy része szemmel jól látható, célszerű észben tartani, hogy egy veszélyforrás láthatatlansága nem csökkenti a veszélyességét, sőt talán ennek a fordítottja igaz. Az alábbiakban röviden összefoglaljuk a földrengések közvetlen és közvetett hatásait. Földrengések közvetlen hatásai: Talajtörés (vagy a talaj tönkremenetele miatt fellépő állékonyságvesztés) 3
o Felszíni törés (felszíni elmozdulás vagy vetődéses törés) o Talajrezgés (tömörödés vagy általános talajmozgás) o Megfolyósodás (laza talaj tömörödése rázkódás és pórusvíznyomás növekedés következtében) o Földcsuszamlás (megnövekedett vízszintes terhek és csökkent hatékony nyírószilárdság miatt) A talajról a szerkezetre közvetített rezgések o Alapozások károsodása o Épületek károsodása o Hidak károsodása o Támszerkezetek károsodása o Más mérnöki létesítmények károsodása Földrengések közvetett hatásai: Szökőár (cunami, a tengeri aljzat nagy mozgásai által keltett hullámok) Áradás (folyópartok, árvízvédelmi töltések és gátak állékonyságvesztésének következtében; vagy a folyómederbe érkező és metastabil gátat emelő földcsuszamlás miatt; szökőárak partra történő kifutásakor) Tűzvész (olaj- és gázvezetékek károsodása vagy a vízellátás kiesése miatt, esetleg a vetődés helyszínén létrejövő elektromos kisülés következtében) Járványok (a közegészségügyi vagy ivóvízellátás hiánya miatt; a természetes vízforrások feltöltődése/szennyeződése miatt; az ökológiai egyensúly felborulásának következtében) Gazdasági hanyatlás, felerősödő bűnözés (a katasztrófa utáni rendfenntartás hiánya, az infrastruktúra helyreállításának elmaradása miatt; az ipari vagy mezőgazdasági termelés leállása miatt) Megjegyezzük, hogy a földrengéseket követő helyszíni szemlék és szerkezeti számítások azt mutatják, hogy a szerkezetek földrengéssel szembeni viselkedése és a károsodás mértéke a talajviszonyokon túl erősen függ az alapozási módtól, a szerkezeti rendszertől, a szerkezeti anyagoktól, az alkalmazott tervezési módszerektől és a csomóponti részletkialakításoktól. 2.2 Földrengés jellemzők A földrengések leírásához és adataik feldolgozásához nélkülözhetetlen a vonatkozó szakkifejezések ismerete. A földrengés intenzitását vagy magnitúdóját leíró mennyiségek segítségével a rengéserősséget és a várható károsodás mértékét ítélhetjük meg. A gyorsulás, sebesség, elmozdulás, energia és egyéb származtatott értékek a földrengés időbeli lefolyását tükrözik. A szeizmológusok a földrengés kitörésekor keletkező különböző típusú hullámokat tanulmányozzák. Általánosan az alábbi típusokat különböztették meg: elsődleges (P), vagy longitudinális hullámok; másodlagos (S), vagy nyíróhullámok; felszíni, vagy Rayleigh hullámok (R) és ha a felszín közelében van egy talajréteg, amely jóval puhább az alatta lévőknél, itt megjelenhetnek a Love hullámok (L) is. Az egyes hullámtípusok terjedési sebessége eltérő, a P hullámok haladnak a leggyorsabban, ezeket követik az S hullámok, majd a felszíni hullámok. A forrástól való távolság növekedésével nő a P és az S hullámok beérkezése közötti idő. A szeizmológusok az egyes hullámtípusok beérkezési ideje 4
közötti eltérés alapján tudják meghatározni a forrás helyét, ehhez több felszíni mérőállomás adatait vizsgálják. Az akcelerogram a rezgés 3 dimenziós időtörténetét mutatja, azaz a mért gyorsulást függőleges és vízszintes irányokban. Megfigyelhető a különböző hullámtípusok egymáshoz viszonyított amplitúdója is. A geotechnikusok számára a hullámok típusa kevésbé fontos, mint a konkrét gyorsulásértékek (vagy sebesség-, elmozdulásértékek) nagysága az erős földmozgás alatt. A földrengés erőssége többféleképpen jellemezhető. A földrengés károkozási képességére vonatkozóan hagyományosan a földrengés intenzitás az egyik lehetséges kvalitatív jellemző. Az 1880-as években publikált RF skála (Rossi-Forel), mely az intenzitás szerint osztályozza a földrengéseket I- től X-ig terjedő skálán, sok évig használatos volt. Az MMI skála (Modified Mercalli Intensity) bevált és az 1930-as évektől kezdve alkalmazták az Egyesült Államokban. Az EMS (European Macroseismic Scale) az ismert szerkezetek földrengések során megfigyelhető viselkedésén alapul. A földrengéserősség műszeres mérésének alapjául C. Richter magnitúdóról alkotott definíciója szolgált, mely szerint egy földrengés magnitúdója az epicentrumtól 100 km-re, egy Wood-Anderson szeizmográfon mikronokban (10-4 cm) mért maximális földrengési hullám amplitúdó tízes alapú logaritmusa. Ezt a fogalom meghatározást később jelentősen kiterjesztették. A magnitúdó egy egységgel való megnövekedése tízszeres földrengési hullám amplitúdónövekedést jelent. Mivel a Wood- Anderson szeizmográf periódusideje körülbelül 0,8 másodperc, ez a szerkezet szelektíven felerősíti a 0,5-1,5 másodperc periódusidejű hullámokat. Ebből következik, hogy mivel az épületszerkezetek saját periódusideje gyakran ebben az értéktartományban mozog, a lokális- vagy Richter-magnitúdó, ML, a mérnökök által a mai napig használatos. Általánosságban véve a kis fészekmélységű földrengéseknek el kell érnie egy 5,5 feletti Richter-magnitúdót ahhoz, hogy jelentősebb kár keletkezhessen az epicentrum környezetében. A magnitúdó definíciójából következik, hogy elméletileg nincs felső vagy alsó korlátja, de 1935 óta szeizmográfokkal csak elenyésző számú 8-as magnitúdó feletti földrengést regisztráltak, tehát a földrengések erősségének a felső határa mégis korlátozott a földkéreg kőzeteinek szilárdsága által. Az alsó határt illetően, szélsőségesen érzékeny szeizmográfokkal akár -2-nél is kisebb magnitúdójú földrengések is észlelhetőek. 2.3 Földrengésbiztos tervezés alapjai A nem életvédelmi célú létesítmények földrengésre történő méretezésének az alapelveire a következő ajánlásokat fogalmazták meg: 1. Gyakori, kis földrengések esetében még a nem tartószerkezeti funkciójú épületszerkezetek se károsodjanak. 2. Alkalmankénti, mérsékelt erejű földrengések esetében a tartószerkezetek ne károsodjanak, a nem tartószerkezeti elemekben bekövetkező kár pedig minimális mértékű legyen. 3. Ritka, nagy erejű földrengések esetében az összeomlást vagy súlyos szerkezeti károkat meg kell előzni. Ezek az alapelvek egy átfogó tervezési szemléletet tükröznek. A jelenlegi tervezési gyakorlat azonban széttagolt mind a tartószerkezetet érő terhek és azok hatásainak figyelembe vétele, mind a tartószerkezet, alapozás, homlokzat, tetőszerkezet, épületgépészeti és technológiai installációk kezelése tekintetében. Ezt a széttagoltságot tovább rontja az egyes tervezési szakágak, úgymint geotechnikai, építészeti, tartószerkezeti tervezés beskatulyázása és a tervezési szerződések szétválasztása. A tervező csoportok gyakran alig kommunikálnak egymással, a kész produktumaik bemutatását kivéve. A fenti tervezési alapelveknek tudatos alkalmazása ennélfogva jelentős nehézségekbe ütközik, főleg a különböző kártípusok (tartószerkezeti és nem-tartószerkezeti) számszerűsítésének tekintetében, és 5
annak megítélésében, mi számít gyakori kisebb, alkalmankénti mérsékelt, illetve ritka, de erős földrengésnek. Egy széttagolt szemlélet helyett azonban mindig célszerűbb egy átfogóból kiindulni. A koncepcionális tervezés a legtöbb szerkezettervező számára nem egy vonzó ötlet, és talán a geotechnikus szakemberek számára sem minden esetben az. Ennek ellenére a tervezési alapelveknek már a projekt elején történő lefektetése egyszerűsíteni tudja a későbbi munkafolyamatot, és a tervezés során felmerülő problémák megoldására egy koherensebb megközelítést tesz lehetővé. Jelen összefüggésben a koncepcionális tervezés azt jelenti, hogy a szeizmikus gerjesztés által okozott problémákat inkább elkerülni vagy minimalizálni próbálják, és ebben inkább az általános szerkezeti viselkedésnek a felismerésére, mintsem numerikus számítási módszerekre támaszkodnak. A szerkezet válaszának számítására szolgáló módszerek elemzéséből kiderül, hogy az ezekben szereplő tényezőkhöz kapcsolódó bizonytalanság hátrányos hatásainak kiküszöböléséhez a következő elveket célszerű alkalmazni: (1) az igénybevételek befolyásolása vagy lehetőség szerinti csökkentése, és (2) nagyvonalúság az ellenállások oldalán, különösen nagy duktilitás és stabil hiszterézis-jellemzők (szívósság) biztosításával. Az alábbiakban néhány egyszerű, a mérnöki létesítmények tervezési koncepciójának kidolgozásakor és megvalósításakor megfontolandó szempontot sorolunk fel. 1. Ismert vetőrendszerek és törésvonalak fölött vagy közelében az építkezés megtiltása vagy korlátozása. Ez elkerülhetetlen lehet utak, vasutak, csővezetékek, stb. esetében. Ezen létfontosságú vonalas létesítmények esetében külön intézkedések szükségesek. 2. A tervezés előtt fel kell becsülni a helyszín szabta korlátokat. A talajfolyósodást nehéz megelőzni, de a mértéke korlátozható. Egyes domborzati és egyéb helyi viszonyok felerősíthetik a szeizmikus hatások keltette igénybevételeket. 3. A legtöbb földrengésbiztos tervezésre vonatkozó előírás a rezgések okozta károk korlátozása céljából a szerkezeti viselkedésre összpontosít. Másfajta megfontolásokat nehéz az építési szabványokba belefoglalni. Az építmények lehetőleg könnyűek legyenek. Ez vonatkozik a felszerkezetre és a nem tartószerkezeti elemekre is, törekedni kell a szükségtelen tömegek kiküszöbölésére. 4. Az épületek legyenek egyszerűek, szimmetrikusak, alaprajzi és magassági értelemben szabályosak a jelentős csavaró igénybevételek elkerülésére. 5. Az épületek tömegének, merevségének, szilárdságának és duktilitásának az eloszlása legyen egyenletes és folytonos. A lágy szinteket és a nagy feszültségkoncentrációt okozó helyeket célszerű kerülni. 6. A felszerkezet a nem földrengésbiztos épületekhez képest kisebb fesztávú egységekből álljon, a hosszú konzolok kerülendők. 7. A nem tartószerkezeti elemek vagy legyenek jól elválasztva, hogy ne kerüljenek kölcsönhatásba a tartószerkezettel, vagy legyenek egybeépítve azzal. A merevebb tartószerkezetek kevésbé érzékenyek a nem tartószerkezeti elemek okozta károkkal szemben. A szívósabb tartószerkezetek képesek elviselni a hirtelen tönkremenő (megtámasztatlan tömegként viselkedő), nem tartószerkezeti elemek által okozott többlet-károkat is. 8. A tartószerkezeti részleteket úgy kell megtervezni, hogy a képlékeny alakváltozások során létrejövő disszipatív mechanizmusok a földrengés teljes időtartama alatt megbízhatóan működjenek. 9. A szerkezetnek a statikus képlékeny tartalékhoz hasonlóan legyenek dinamikus képlékeny tartalékai is. Legyen egynél több energiaelnyelő mechanizmus és egynél több támrendszer, amely képes az épületet egy erős földrengés során megtámasztani. 6
10. A tartószerkezeti elemek, kapcsolatok, valamint a támaszok merevsége és teherbírása legyen kiegyensúlyozott és egyenletesen elosztva, hogy a dinamikus erők és az energiaelnyelés ne koncentrálódjanak egy helyre. 11. Az építmény merevsége és szilárdsága legyen kompatibilis az alapozáséval. 12. Kiemelt fontosságú létesítményeknél a talaj, alapozás és felszerkezet kölcsönhatását figyelembe kell venni. A legtöbb esetben ez az igénybevételek csökkenését eredményezi a teljes elmozdulások növekedése árán. 2.4 Magyarország földrengés-veszélyessége A földrengésekre vonatkozó történeti feljegyzések Közép-Európában a római korig nyúlnak vissza. A Kelet-Mediterrániumban nagy földrengések rendszeresen jelentkeztek. Bár kisebb mértékű, de még mindig erős szeizmikus tevékenység jellemezte a Kárpátok övét, a Balkánt és a Déli-Alpok régióját. A szomszédos területekkel összehasonlítva Magyarország viszonylag nyugodt, de jelentős szeizmikus események eddig is előfordultak, és ezután is fognak. Magyarországra vonatkozóan 456 óta vannak feljegyzések, melyek számos 5-6 magnitúdójú földrengésről számolnak be. Ha hozzávesszük a Szlovénia, Horvátország, Szerbia és Románia területének aktivitását, akkor valóban megvan annak az esélye, hogy magyar épületeket erős földrengés érjen. A magnitúdó-értékeket illetően megjegyezzük, hogy csak ezen adat alapján nem lehet átfogó képet kapni a következményekről: az M=5,5-6,0 erejű rengés pusztító lehet, ha a megfelelő (-en rossz) helyen fordul elő. 2004-ben, a szlovéniai Posočje körzetében kipattant földrengés magnitúdója csak M=4,9 volt, de nagyon sekély fészekmélysége miatt a mért gyorsulás elérte a 0,49g-t. Magyarország talán legjelentősebb eseményei a komáromi (1783) és móri (1810) földrengések voltak, melyekről számos adat (festmény, felmérés) maradt fenn. Erre mutat példát az 1. képen látható festmény részlet, mely a komáromi földrengés pusztító hatását örökített meg. 1. kép: A Komáromot földrengés után ábrázoló festmény részlete, a képen a károsodott jezsuita templom és gimnázium láthatóak. A festmény a burgenlandi Frauenkirchen-Fertőboldogasszony ferences templomában található. 7
Összességében elmondhatjuk, hogy a Magyarországon jelentkező földrengések gyakorisága és intenzitása elegendő indokot szolgáltatnak arra, hogy a szeizmikus hatások fellépésének valószínűségét gondosan mérlegelnünk kelljen. 3 Talajdinamika 3.1 Talajdinamikai anyagmodellek A talajok dinamikus terhelés alatti viselkedésének leírására használt anyagmodellek meglehetősen komplexek. Egy ilyen modellben figyelembe kell venni, hogy a talajok fázisos összetételűek, a szilárd talajszemcsék között pórusok találhatóak, melyeket bizonyos mértékig (vagy teljesen) víz tölthet ki. Mechanikai szempontból a talajokat anizotróp és nemlineáris anyagoknak kell tekintenünk. Számos kutatás megmutatta, hogy pl. száraz szemcsés talajok esetén csak a nagyon kis alakváltozások tartományában tekinthetünk el a nemlinearitástól (nyírási alakváltozás <10-4 %). Megfigyelhető, hogy az alakváltozás (és ezzel összefüggésben a feszültség) növekedésével a nyírással szembeni ellenállás fokozatosan lecsökken, a kezdeti lineárisan rugalmas szakaszhoz tartozó nyírási modulus (Gmax) leromlik. Ezzel párhuzamosan a talaj hiszterézises viselkedést mutat és az alakváltozás növekedésével nő az energiaelnyelő képessége, amelyet a csillapítással (D) jellemezhetünk. A nyírási modulus akár az eredeti érték 5-10 %-ára is lecsökkenhet. A leromlás jellegű viselkedés leírására számos kutató dolgozott már ki anyagmodelleket (Jardine 1986, Ramberg-Osgood 1948, Benz 2008). Ezek a modellek ún. leromlási görbe és csillapítási görbe megadásával kezelik a talajok igen kis alakváltozási tartományban tapasztalt viselkedését és csak akkor adhatnak reális, pontos eredményeket, ha a szükséges modellparamétereket kellően gondos laboratóriumi vagy helyszíni mérésekből határozzuk meg. Más megközelítésben, a hagyományos statikus körülmények között végzett geotechnikai laboratóriumi vizsgálatokkal nem lehet figyelembe venni a kis alakváltozásokhoz tartozó nagyobb merevséget. Az említett anyagmodellek közül néhány már a korszerű geotechnikus végeselemes programokban is elérhető (Plaxis Hardening Soil Small Strain Stiffness). Megjegyezzük, hogy a talajkörnyezetet a gyakorlati számításokban és még a kutatások területén is legtöbbször vízszintes, homogénnak és izotrópnak tekintett rétegekre bontva vizsgáljuk, mely feltételezések általában elfogadható közelítésnek tekinthetők. 3.2 Talajdinamikai paraméterek Az 1. ábrán egy ciklikusan terhelt talajminta tipikus feszültség-alakváltozás görbéit láthatjuk különböző alakváltozási szinteken. A görbéket ciklikus torziós nyírásvizsgálatból kaptuk. Megfigyelhető, hogy minden esetben a terhelés után, a tehermentesítés során a feszültségpálya nem követi az eredeti feszültségpályát, hiszterézis hurok alakul ki. A hurok a talaj energiaelnyelő képességét fejezi ki. Az energiaelnyelést számos mechanizmus okozza, így pl. a talajszemcsék közötti súrlódás, és a szemcseváz és a pórusvíz közötti relatív elmozdulások. A hurok által közrezárt terület arányos az energiaelnyelő képességgel, ennek leírására használatos a csillapítás, amely az alakváltozás növekedésével nő, így egyre nagyobb alakváltozási szinthez egyre nyitottabb hiszterézis hurok tartozik. Az ábrán az is megfigyelhető, hogy az egy ciklusra vett átlagos nyírási modulus, amelyet a hurok csúcspontjait összekötő egyenes meredekségével definiálhatunk, a nyírási alakváltozás növekedésével egyre kisebb, azaz az hurkok egyre nagyobb alakváltozási szinten egyre laposabbak, ezért beszélünk a modulus leromlásáról. 8
1. ábra Ciklikus torziós nyírásvizsgálat eredményei A viselkedés leírásához szükségünk van a kezdeti nyírási modulusra (Gmax); a modulus leromlását leíró görbére (2. ábra), amelyet gyakran a pillanatnyi és a kezdeti modulus hányadosával szoktak megadni (G/Gmax); és a csillapítás-alakváltozás függvényére, azaz a csillapítási görbére. Ezeket a paramétereket különböző helyszíni és laboratóriumi vizsgálatok segítségével határozhatjuk meg. A helyszíni vizsgálatok előnye, hogy mintavételezés nélkül, vagyis a természetes állapot zavarása nélkül végezhetünk méréseket és egy nagyobb talajkörnyezetre vonatkozó eredő értéket mérhetünk. Hátrányuk ugyanakkor, hogy csak az adott állapot (tömörség, víztartalom stb.) jellemzői mérhetők, és sokszor csak közvetetten kapunk paramétereket. A laboratóriumi mérésekben vizsgálhatjuk a különböző feszültségi állapotok és más állapotváltozások hatását is (pórusvíznyomás változása), viszont ilyenkor néhány kis minta eredményeit kell felhasználnunk egy nagyobb közeg viselkedésének leírására. 3.3 Laboratóriumi mérések 2. ábra Nyírási modulus leromlási görbe A leggyakrabban alkalmazott laboratóriumi vizsgálatok a dinamikus talajparaméterek meghatározására a következőek: 9
talajhenger rezonanciás vizsgálata, ciklikus nyírásvizsgálat (közvetlen nyírás, vagy torziós nyírás), ciklikus triaxiális vizsgálat, nyíróhullámok közvetlen mérése bender elementtel. A vizsgálatok közötti legnagyobb különbség a talajmintában keltett alakváltozások (feszültségek) szintjében van (3. ábra). A már említett nemlineáris viselkedés miatt különösen fontos, hogy a valós problémánál fellépővel azonos alakváltozási tartományban végezzük a méréseinket. Ennek megfelelően a vizsgált problémánál várhatóan fellépő alakváltozások mértéke befolyásolja a vizsgálati módszer kiválasztását. 3. ábra Talajdinamikai laboratóriumi vizsgálatok alakváltozási szintje A rezonanciás vizsgálat során egy hengeres talajmintát terhelünk ciklikusan, torziós módon. A terhet a talajhenger tetejére helyezett mágneses-tekercses terhelőfej adja át a mintára és a vizsgálat során gyorsulásmérő segítségével mérik a minta válaszát (alakváltozását) rezonancia-frekvenciás terhelés mellett. A mérésből a nyíróhullám terjedési sebessége számítható, amelyből a sűrűség ismeretével számítható a nyírási modulus. A mintát szabad rezgés állapotába hozva mérhető a csillapítás is. Ezután a vizsgálat különböző cellanyomás, alakváltozási szint, terhelési idő mellett ugyanazon a mintán újra elvégezhető, hiszen a terhelés során nem érjük el a törési állapotot. A ciklikus nyírásvizsgálatot is a leggyakrabban hengeres mintán végzik. A vizsgálat során a mintát a rezonanciás vizsgálathoz hasonló módon terhelik, de nagyobb alakváltozási szinten. A vizsgálat során a talajmintában a vízszintes terhelő erőpár hatására a minta alakváltozásai hasonlóak, mint a függőlegesen terjedő nyíróhullámok által okozott alakváltozások, amelyek a földrengéskor fellépő hullámok közül a mérnöki tervezés szempontjából a legfontosabbak. A ciklikus triaxiális vizsgálat az egyik leggyakrabban alkalmazott dinamikus vizsgálat, mivel a berendezéssel rendkívül sokféle terhelés modellezhető. A vizsgálatot a hagyományos triaxiális vizsgálatnál alkalmazott módon, hengeres talajmintán, oldalról támasztó cellanyomás segítségével végzik. A vizsgálatot használhatjuk a leromlási görbe és a csillapítási görbe meghatározásához is. A bender element-es mérés során piezoelektromos anyagokkal keltenek hullámokat a talajmintában és egy vevővel mérik a nyíróhullám terjedési sebességét. A mérés az igen alacsony alakváltozási szintek vizsgálatára használható, nagy előnye, hogy más vizsgálatokkal kombinálva is használhatjuk, 10
másrészt pedig, hogy a vizsgálatot különböző irányokban elvégezve a talaj esetleges anizotróp tulajdonságairól is kapunk információt. 3.4 Helyszíni mérések A helyszíni mérésekkel általában a nyíróhullámok terjedési sebességét (vs) tudjuk meghatározni, esetenként a felületi hullám terjedési sebességének mérésére irányulnak a vizsgálatok. Ezekből empirikus úton számíthatjuk a talaj dinamikai paramétereit. A helyszíni mérések során jellemzően egy ponton, valamilyen módon (mechanikus kalapács, robbantás, ejtősúly) gerjesztett, rövid idejű vagy állandó hullám egy vagy több pontra való beérkezési idejét határozzák meg. A mérési eljárások alapvetően két fő csoportba sorolhatók. Az egyikben valamennyi mérőműszert a felszínen helyezik el, míg a másik fő csoportban a nagyobb pontosság érdekében vagy a vevőt, vagy az adót, vagy mindkettőt fúrólyukban rögzítik. Előbbi eljárások közül a legelterjedtebb a szeizmikus refrakciós módszer, mely - ahogy a nevében is szerepel - a hullám két réteg határán való iránytörésének elvén alapul. A felszínen keltett hullámok a réteghatáron megtörnek, a kritikus szöggel beérkező hullám a réteghatáron terjed tovább, mely az úgynevezett kritikus távolságon túl először éri az egyenletes távolságokban elhelyezett geofónokat. A csekély mélységig alkalmas eljárással a felszín közeli rétegekre jellemző nyíró- illetve longitudinális hullám terjedési sebességeket lehet meghatározni. A módszer költségvonzata csekély a többihez képest, ugyanakkor csak abban az esetben használható, ha a rétegsebességek a mélységgel nőnek. Fúrólyukban végezhető mérések a downhole, up-hole és crosshole vizsgálatok. A downhole mérés során egy fúrólyukban 0,5-1,0 m mélységközökkel végigvezetnek egy érzékelőt (geofónt vagy gyorsulásmérőt), mellyel a felszínen keltett longitudinális és transzverzális hullámok beérkezési idejét mérik. A különböző mélységekből származó adathalmazból - figyelembe véve a réteghatárokon való iránytörést - határozható meg a talajzónákra jellemző hullámterjedési sebesség. Az up-hole vizsgálat esetén a műszerek elhelyezése fordított, a fúrólyukban történik a hullámgerjesztés és a felszínen az érzékelés. A crosshole vizsgálat során kettő vagy több fúrólyukra van szükség, hiszen mind a hullámgerjesztő műszer, mind pedig az érzékelők egy-egy fúrólyukban helyezkednek el. Egy mérés során a műszerek azonos mélységben helyezkednek el, majd ezután a mérést 0,5-1,0 m mélységközökként ismétlik. E módszer tekinthető a legpontosabb eljárásnak az in-situ mérési technológiák közül, s a pontosság tovább fokozható a fúrólyukak számának növelésével. E fúrólyukas eljárások a furat készítéséből fakadóan nagyon költséges mérési módszerek. A nemzetközi gyakorlatban, s hazánkban is egyre jobban terjed a gyakorlatilag a downhole eljárással analóg szeizmikus statikus szondázási vizsgálat (SCPT), mely a hagyományos statikus nyomószondázás (Cone Penetration Test - CPT) egyik változata. Ekkor a vevő nem egy fúrólyukban, hanem a geotechnikai tervezési feladatokhoz manapság már szinte minden esetben alkalmazott CPT (CPTu) berendezés fejében van kialakítva, így a hagyományos tervezési feladatokhoz nyert alapadatokon túl a talaj dinamikus viselkedéséről is kapunk információt. Az in-situ méréseknél még megemlítendő a szeizmikus tomográfia, a felületi hullámok módszere, melyek mára már háttérbe szorultak. 11
4 Tervezési folyamat Eurocode 8-1 alapján 4.1 Alapkövetelmények, határállapotok A földrengésre való tervezéshez a földrengési hatást a mérnökök a 4. ábrán illusztráltak szerint értelmezik. A föld belsejében, a tervezett létesítménytől bizonyos távolságban keletkezik a földrengés (forrás, hipocentrum), melynek magnitúdója és bekövetkezési gyakorisága nem ismert, de bizonyos pontossággal prognosztizálható. A földrengés keltette hullámok a hipocentrumtól minden irányba terjednek, s egy részük eléri a föld felszínét, mely a talaj-szerkezet kölcsönhatása révén a felszerkezetre, létesítményre szeizmikus hatást gyakorol. 4. ábra Földrengéskockázat szerinti tervezés alapelve A geotechnikus mérnökök elsődleges feladata a talajrétegződés, geotechnikai adottságok leírása, mely alapja a földrengés felszínre gyakorolt hatás, és a talaj-alapozás-felszerkezet kölcsönhatás vizsgálatának. Az Eurocode 8-1 (MSZ EN 1998-1) a földrengésre való méretezés általános irányelveit fogalmazza meg, s az Eurocode 8-5 (MSZ EN 1998-5) foglalkozik a geotechnikai szerkezetek földrengési kérdéseivel. Az EC8-1 a szerkezetekkel kapcsolatosan két követelmény teljesülését várja el: Állékonyság követelménye: ellenálljon a tervezési szeizmikus hatásnak összeomlás nélkül a maradék teherhordó képességét megtartva Károk korlátozásának követelménye: ellenálljon a tervezési szeizmikus hatásnál nagyobb valószínűséggel előforduló (kisebb magnitúdójú) szeizmikus hatásnak jelentősebb kár és használati korlátozás nélkül A különböző magnitudójú földrengések bekövetkezési gyakorisága területenként változik az eltérő geológiai adottságokból fakadóan. Ennek meghatározására több eljárás is létezik. Az EC8 a tervezési szeizmikus hatás értelmezésénél a 475 éves gyakoriságú földrengést tekinti mérvadónak. 12
A szabvány előírása szerint új szerkezetek méretezésekor a teherbírási és a károk korlátozásának határállapotát kell ellenőrizni. Ugyanakkor fontos megjegyezni, hogy számos olyan koncepcionális tervezési megfontolás létezik, melyek számszerűsítése nem lehetséges, de a szerkezetek földrengés esetén való viselkedését nagyban javítják. Ezeket a szabvány és a szakirodalom is hosszasan taglalja. Meglévő épületek földrengésállóságának értékelésével és az esetleges megerősítések tervezésével az Eurocode 8-3 szabvány foglalkozik. 4.2 Talajtípus Az EC8-1 az 1. táblázatban található talajosztályokat különbözteti meg, mely csoportosítás a földrengési energia továbbításának módján alapszik. A talajtípus alapvetően befolyásolja a földrengési hatást, ezért a válaszspektrum számításánál is figyelembe vesszük. A talaj a földrengési energia szűrőjeként is viselkedik, az A talajtípus az energiát jól továbbítja, míg B-E talajok különböző módon viselkednek, de általánosan elmondható, hogy a terjedési sebesség csökken, ugyanakkor a hullám amplitúdója növekszik. A tervezés szempontjából a felső 30 m vastag talajzóna vizsgálandó, s a besorolás elsődleges paramétere a 30 m vastag rétegtartományra vonatkozó átlagos nyíróhullám terjedési sebesség. A besorolást mindenkor arra alkalmas talajvizsgálat alapján kell elvégezni, melyről a 3. fejezetben volt szó. 1. táblázat Talajosztályok az EC8-1 szerint Altalajosztály A B C D E S1 S2 A rétegszelvény leírása Szilárd kőzet vagy kőzetszerűen viselkedő geológiai képződmény, amely felett legfeljebb gyengébb fedőréteg van Nagyon tömör homok-, kavics- vagy kemény agyagrétegek, legalább több tíz m vastagságban, a mechanikai jellemzők a mélységgel fokozatosan növekednek Tömör vagy közepesen tömör homok-, kavics- vagy merev agyagrétegek, több tíz vagy akár több száz m vastagságban Laza vagy közepesen tömör kohézió nélküli talaj (némi puha kötött réteggel vagy anélkül), vagy túlnyomóan puha gyúrható kötött talaj Felszíni üledékréteg, amely a vs érték szerint C vagy D osztályú, 5 és 20 m közötti vastagságú, alatta 800 m/snál nagyobb nyíróhullám-sebességű, merevebb anyag Puha agyagból/iszapból álló vagy legalább egy vastag agyagot/iszapot tartalmazó, nagy plaszticitású (PI 40) és nagy víztartalmú rétegek Folyósodásra hajlamos talajok, érzékeny agyagok vagy más olyan talajrétegek, amelyek nem sorolhatók az A E vagy S1 osztályba vs,30 (m/s) Paraméterek NSPT (ütés/30c m) cu (kpa) 800 360 800 50 250 180 360 15 50 70 250 180 15 70 10 0 _ 10 20 13
4.3 Földrengési hatás Akárcsak Európa szerte, Magyarországon is az Eurocode alkalmazásakor a maximális vízszintes talajgyorsulást (PGA, agr) használjuk a szeizmikus hatás elsődleges mérőszámaként. Ennek referenciaértékét valamennyi hazai településre az EC8-1 nemzeti melléklete megadja a 475 éves visszatérési periódus és 10% túllépési valószínűségre vonatkozóan, s értéke 0,08-0,15g között változik. Megjegyzés: Az EC8-1 nemzeti melléklete tájékoztatásként a 30%-kal magasabb túllépési valószínűséghez tartozó gyorsulásértékek számítására egy 0,7-szorzó tényezőt ajánl (a gdesign = 0,7 a gr ). A magyar gyakorlatban a Magyar Mérnöki Kamara Tartószerkezeti Tagozatának javaslatára jelenleg ez az érték is használható. Az épületek attól függően, hogy összeomlásuk milyen következménnyel jár, négy fontossági osztályba sorolhatók, s ezt a tervezés során a fontossági tényezővel vesszük számításba, melynek értéke: I = 0,8-1,4. Hidak esetében három fontossági kategóriát különböztetünk meg, melyekhez I = 0,85-1,3 fontossági tényező rendelendő. A gyorsulás tervezési értékét a referenciaérték és a fontossági tényező szorzataként kapjuk. A geotechnikai szerkezetek fontossági tényezői a kapcsolódó létesítmények, szerkezetek fontossági tényezőjével veendők azonosra. A földrengési hatás számítására egy kézenfekvő megoldást nyújt a válaszspektrum alkalmazása. Az EC8-1-ben szereplő, grafikusan és paraméteresen is definiált függvények a szerkezet sajátfrekvenciájának (periódusidejének) függvényében megadják a rugalmas válaszspektrum értékét az előzőekben ismertetett talajtípusok esetén. A szabvány kétféle válaszspektrumot vezet be, az I. típusú a magasabb szeizmikus aktivitású területekre jellemző, gyakrabban előforduló, s nagy csúcsgyorsulású földrengések esetén használatos, míg a II. típusú a kisebb aktivitású területekre vonatkozik, ahol szintén fel kell készülni egy-egy ritkább, de nagyobb eseményre. Az 5. ábrán a hazai geológiai adottságok mellett leggyakrabban előforduló C és D talajosztályra vonatkozóan megadjuk mindkét típusú rugalmas válaszspektrumot. Magyarországon az I. típusú válaszspektrum használata kötelező. 5,0 4,5 4,0 3,5 I. típus - C I. típus - D II. típus - C II. típus - D S e /a g [-] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 T [sec] 5. ábra: I. és II. típusú rugalmas válaszspektrum C és D talajosztály esetén A földrengési hatás számítására pontosabb közelítést ad a modális analízis. S a számítás tovább pontosítható például a talaj-szerkezet kölcsönhatásának figyelembe vételével. Összetett szerkezetek analízisére nemzetközi téren egyre gyakrabban alkalmazott eljárás a valószínűségi elven történő méretezés, mely figyelembe veszi a szerkezettervezés és kivitelezés különböző szintjeinek bizonytalanságát is. 14
4.4 Méretezési eljárások A szabvány nem csak konkrét számítási eljárásokat fogalmaz meg, hanem olyan általános érvényű, koncepcionális irányelveket is, amely a szerkezetek kedvezőbb viselkedését eredményezi, s amelyekről már korábban (2.3. fejezet) említést tettünk. Ezek hozzájárulnak a tervezés és méretezés megkönnyítéséhez. Ilyen például a szerkezeti rendszer egyszerűsítése, mely a földrengési teherre adott válasz meghatározásának biztosabbá tételét szolgálja, s így biztonságosabb tervezést eredményez. Hasonló elv az egységes, egyenletes szerkezet, mely elősegíti a terhek megfelelő elosztását és az egyenletes energiaelnyelést. Általános elvként kezelhető, hogy az épület egészére a földrengés következtében ható csavaró-nyomaték a peremen elhelyezett merevítő rendszerrel kedvezőbben felvehető, mint az épület közepén koncentrált merevítő maggal. Az alapozás esetén, összhangban a felszerkezetre tett irányelvekkel, a mereven összekapcsolt alaptestek együttesen kedvezőbb viselkedést tesznek lehetővé, mint különálló alapok földrengés esetén egyenként eltérő fázisú elmozdulásai. A szerkezet szabályossága alapvetően definiálja az alkalmazandó számítási eljárást. Egyszerűbb, szabályos (szimmetrikus) szerkezetek esetén egyszerűsített számítás alkalmazható, míg szabálytalan, összetett formák összetett számítási eljárást követelnek, hiszen a síkbeli közelítés ilyen esetben helytelen eredményt hozna. Az EC8-1 az alábbi számítási eljárásokat említi: síkbeli modell, térbeli modell, vízszintes erők módszere, modális analízis. 5 Geotechnikai szerkezetek tervezése Eurocode 8-5 alapján Az Eurocode 8-5 (MSZ EN 1998-5) a helyszíni adottságokkal és geotechnikai kérdésekkel foglalkozik, összeköti a különböző geotechnikai szempontokat a szeizmikus tervezés elméleteivel. E szabvány elsősorban egységes előírásokat és ajánlásokat fogalmaz meg a geotechnikai szerkezetek földrengési hatásokra való méretezésének témájában. A geotechnikai szerkezetek szeizmikus hatásokra való tervezésének minden esetben kiindulási alapja a szerkezet statikus állapotra való megfelelőségének igazolása. Fontos, hogy a tervezés során olyan számítási eljárást alkalmazzunk, amely összhangban van a kiindulási adatok megbízhatóságával s a szerkezet fontosságával. A tervezés során mindig szem előtt kell tartani a földrengési eseménnyel kapcsolatos bizonytalanságokat, s ennek megfelelően kell az eredményeket értékelni. Az Eurocode 7 szabványban meghatároztak három tervezési módszert (design approach), és a nemzeti mellékletében valamennyi geotechnikai szerkezetre vonatkozóan elő van írva, hogy melyik alkalmazandó a három közül. Az Eurocode 8-5 nem említi a tervezési módszereket. 5.1 Geotechnikai veszélyek: talajfolyósodás, túlzott süllyedés Általános érvényű geotechnikai veszélyként földrengés esetén a talajfolyósodást és a túlzott mértékű süllyedést kell tekinteni. Előbbi akkor következik be, ha laza vagy közepesen tömör, telített homok 15
talajokat nagyszámú ciklusban földrengési hatás éri, melynek következtében hirtelen megnő a pórusvíznyomás, s ez talajfolyósodáshoz vezet. Ennek vizsgálata során meghatározandó a talajréteg ciklikus ellenállása, s azt a földrengésből megállapított ciklikus terheléssel kell összevetni. A talajfolyósodási hajlam meghatározható laboratóriumban ciklikus triaxiális készülékkel, illetve helyszíni mérésekből (CPT, SPT) tapasztalati összefüggésekkel. A szabvány B melléklete az SPT alapú vizsgálatot ismerteti, de hasonló elven végezhető a CPT alapú ellenőrzés is, melynek a lépései: szeizmikus hatás magnitúdójának meghatározása, talajjellemzők felvétele, maximális ciklikus feszültségarány mélység szerinti változásának meghatározása, ellenállások felvétele, ellenállási adatok korrekciója (geosztatikai nyomás, szonda hatékonyság), ciklikus feszültségarány és az ellenállás összehasonlítása, értékelése. A túlzott mértékű alakváltozásra, süllyedésre vonatkozóan a szabvány kevés utasítást ad, csak kellő körültekintést, mérlegelés javasol. A túlzott süllyedés vizsgálataként azt kell ellenőrizni, hogy nagyon laza talajokban (pl. puha agyag) talajvíz nélkül bekövetkezhet-e folyósodás veszélye. 5.2 Síkalapozás Síkalapozás tervezésekor a szabványban megfogalmazott általános követelmények előírják, hogy az alapozásnak a szerkezetről átadódó szeizmikus terheket (tehetetlenségi erőket) jelentős süllyedés és a talajkörnyezet állékonyságvesztése nélkül kell továbbítania az altalajra. Az alapozási rendszerrel szembeni másik általános követelmény, hogy a földrengési hatásokból származó maradó elmozdulások csekélyek legyenek. Ez egyrészt azért lényeges, mert az alaptestek utólagos vizsgálata és javítása időigényes és nagyon költséges, másrészt pedig a képlékeny elmozdulások becslése még egyszerű alapozási rendszerre is nagyon bonyolult. Sokszor tehát a vízszintes alakváltozásra fogalmaznak meg korlátot, jellemzően a rugalmas elmozdulások határát. Az alakváltozási szint hatásának figyelembevétele igen nehéz a számításokban néhány nagyon általános közelítés vagy pontosabb numerikus modellezés (véges elemes módszer) alkalmazása nélkül. Ahhoz, hogy figyelembe vehessük a talajjellemzőknek az alakváltozás szintjétől való függőségét, szükséges ismerni a földrengés során az altalajban bekövetkező alakváltozások várható mértékét, továbbá a ciklikus viselkedést is figyelembe kell venni. Az alkalmazható számításokat három csoportba oszthatjuk: 1. Az egyszerűsített számítás során az alakváltozás előre feltételezett mértékének megfelelően, azzal összhangban a nyírási modulust csökkentjük. A csökkentett nyírási modulussal számítjuk az alapozási rendszer statikus deformációit, melyeket a megengedhető deformációkkal kell összevetni és ellenőrizni kell a szerkezeten belül a terhek esetleges átrendeződését. Ha a talaj egy tartományában nagy, a szomszédos tartományában pedig sokkal kisebb alakváltozás alakul ki, akkor a két modulus súlyozott átlaga vehető számításba. 2. Az egyenértékű lineáris számítás (equivalent linear analysis) egy iterációs folyamat, ahol az előre becsült modulussal, a szerkezet és alapozás számított igénybevételeiből és deformációiból meghatározzuk a talajban bekövetkező alakváltozás mértékét. Ebből számítjuk az alakváltozástól függő modulust, mely összevethető a kezdeti becsült értékkel. Amennyiben ezek kellően közeli értékek, a számítás kész. Ha nem, a modulus újbóli, az előző számításon alapuló becsült értékével kell a számítási folyamatot újra végigvinni. A konvergenciához általában 4-5 iterációs lépés szükséges. Ez az eljárás az alapja számos, a talaj-szerkezet dinamikus 16
kölcsönhatását vizsgáló számítógépes programnak (pl. FLUSH, SASSI), amelyek az egyenértékű lineáris merevséget használják és a komplex válasz módszere alapján számolnak. 3. A nemlineáris, idő-lépcsős számítás (nonlinear time-stepping analysis) végrehajtása során alakváltozástól függő talajparamétereket alkalmazunk. Általános célú végeselemes programok (ANSYS, Diana, SAP) és néhány célszoftver (Plaxis, Midas) képesek ilyen számítások végrehajtására. Ezt a típusú számítást ritkábban alkalmazzák az általános gyakorlatban és általában a (2) szerint végrehajtott számítások eredményeinek ellenőrzésére szolgálnak. Nyilvánvalóan a tervezési feladatok többségében az (1) módszer valamilyen formája használatos. Ezeket a módszereket tárgyalja az Eurocode 8 főszövege és mellékletei. 5.3 Cölöpalapozás Cölöpalapozás földrengésre való tervezésekor az első lépés a cölöp és a talaj merevségének függvényében felmérni, hogy a cölöptől rugalmas vagy merev viselkedést várhatunk. Erre a vízszintesen terhelt cölöpökkel foglalkozó szakirodalomban számos elméletet találhatunk. Rugalmas cölöpök esetén a cölöp anyagában következik a tönkremenetel, merev cölöpök esetén a vízszintes talajtörési ellenállás lesz a mértékadó. A talajtörési ellenállásra határegyensúlyi elven történő számításokat alkalmazhatunk, ilyen pl. a Broms módszer. A viselkedés pontosabb modellezésére végeselemes számításokat alkalmazhatunk. Ezekben pontosabban vizsgálni lehet a cölöp és a cölöpösszefogó merevségi viszonyának és a cölöpfej elfordulásának hatásait. Általános esetben a cölöpalapozás földrengésre való méretezésekor csak a felszerkezetről származó tehetetlenségi erőket kell figyelembe venni. Bonyolultabb a számítás, ha a talajról átadódó kinematikus terhelést is vizsgálni kell, amely a földrengési hullámok okozta elmozdulásból keletkezik. A szabvány megköveteli a kinematikai vizsgálatot, ha a talaj a D, S1 és S2 kategóriába esik, a terület mérsékelten vagy erősen szeizmikus, azaz a tervezési talajgyorsulás értéke ag > 0,1 g, és a szerkezet fontossági osztálya III. vagy IV.. A tervezési gyorsulásra vonatkozó követelmény Magyarország szinte teljes egészén teljesül, és a talajosztályi előírás is jelentős területeket érint. Az I-es vagy II-es fontossági osztályba tartozó épületekre csak a tehetetlenségi ellenállást szükséges figyelembe venni. A tervező számolhat a szerkezetről átadódó többletterhekkel, mintha azok statikus terhek lennének, a cölöpök ellenállását pedig a statikus esetre vonatkozó módon számíthatja (ld. EN 1997-1, 7. fejezet). Fokozott figyelemmel kell kísérni a magasabb épületek esetét, ahol nagy nyomaték jelentkezik, amely nagyobb nyomóerőt eredményez az egyik oldalon és kisebb nyomást (esetleg húzást) a másik oldalon, valamint vízszintes erőket és nyomatékot minden cölöpben. A cölöp merevségre ajánlott értékek statikus esetre minden lehetséges szabadságfokra a C mellékletben találhatóak. A cölöp vízszintes merevségi képlete nem vesz figyelembe a másik két irányba való elmozdulást és elfordulást. Az alapozások vízszintes statikus és dinamikus terhelés alatti viselkedésének megfelelő ismerete, a várható mozgások minél pontosabb becslése a felszerkezet méretezése szempontjából is kiemelten fontos. A szerkezetek statikai modelljeiben az alapokat általában pontszerű megtámasztásként definiálják, melyek merevségének megfelelő megválasztása vezethet a valós viselkedést mindinkább közelítő modellhez, a gazdaságos szerkezet méretezéséhez. Minél merevebb egy megtámasztás, annál kisebbek az elmozdulások, és annál nagyobbra adódik az igénybevétel szélsőértéke. A mélyalapozások vízszintes földrengési teherre való méretezésére három fő eljárás használatos. A rugalmasan ágyazott gerenda elve a legelterjedtebb, annak hatékonysága, egyszerűsége miatt. A rugalmas kontinuum modell felhasználhatósági korlátai miatt nem terjedt el a tervezési gyakorlatban. A véges elemes modellezés ugyan a komplex viselkedés elemzése miatt a legkedvezőbb, ugyanakkor a számítási 17
igénye, a fejlett anyagmodell paraméterek felvételének nehézsége miatt a tervezési gyakorlatban csak bonyolult, kiemelt létesítményeknél használatos. A felszerkezet és a mélyalapozások méretezése a gyakorlatban általában szeparáltan, pszeudos-statikus módon történik. A felszerkezet igénybevételeit merev befogást feltételezve számítják, és az így az alapsíkon a tehetetlenségi erőből adódó nyíróerőre méretezik a cölöpöt. Ehhez leginkább a Winkler modellt alkalmazzák, ahol a talaj-szerkezet kölcsönhatását a cölöp mentén folyamatosan elhelyezett, egymástól független rugókkal és csúszkákkal modellezik. A dinamikus-földrengési hatásokra kifejlesztett modellt mutatja az 6. ábra. Ebben a fekszerkezet a súlypontjában elhelyezett tömeggel szerepel, mely csatlakozik a cölöpfejhez, így alkotva meg a szerkezet egészét. A modell kritikus eleme a talaj-szerkezet közötti kapcsolatot kifejező rugó-csúszka sorozat. 6. ábra: Cölöpalapozás földrengésre való méretezésének modellje (Wolf (2013) nyomán) 5.4 Támszerkezetek A támfalakra vonatkozó általános követelmények összhangban vannak a más szerkezettípusokra vonatkozókkal, melyeket néhány speciális szemponttal egészít ki a szabvány, mint például a víztelenítő rendszerre és a háttöltés anyagára vonatkozó irányelvek. Előbbinek átmeneti és tartós mozgások esetén is működőképesnek kell lennie, míg utóbbinál a szemcsemérete, szemeloszlás megválasztásával el kell kerülni a megfolyósodás veszélyét. Fontos kiemelni, hogy a szabvány elvárja, hogy a támfal földrengési teherre való méretezéséhez használt számítási modell az alábbiakat vegye figyelembe: szerkezet és talaj dinamikus kölcsönhatása, s abban a talaj nemlineáris viselkedése, tehetetlenségi hatások, a támszerkezet körüli vízből származó hidrodinamikai hatások, a talaj, a fal és az esetleges horgonyzások elmozdulási összeférhetősége. A szabvány megengedi pszeudostatikus számítási eljárás alkalmazását, melyben a hatást olyan vízszintes és függőleges statikus erőkkel adjuk meg, melyek a nehézségi erő és a szeizmikus együttható szorzataként számíthatók. A talajvíz alatti talajkörnyezetben a földnyomás számításakor meg kell különböztetni a dinamikailag vízzáró és vízáteresztő talajokat. Előbbi esetben a földnyomás a talaj 18
természetes (telített) térfogatsúlyából számítható, míg utóbbinál a szeizmikus erőből a talajban, illetve a vízben fellépő hatásokat mint egymástól függetleneket kell kezelni. A földnyomás számítására a szabvány az E mellékletben Monobe-Okabe eljárását javasolja, melyet a szakirodalom és a nemzetközi gyakorlat is előszeretettel alkalmaz. A függőleges komponens felfelé és lefelé is irányulhat, s a földrengés természetéből fakadóan hol fázisban, hol fázison kívül van a vízszintes komponenssel. A számításnál a kedvezőtlenebb esetet kell figyelembe venni. Az ajánlott eljárásnál aktív földnyomás meghatározásakor minden esetben a lefelé irányuló függőleges komponens számításba vétele adja a kedvezőtlenebb eredményt. 5.5 Rézsűállékonyság A szabvány lejtős térszínen épülő szerkezetek esetén elvárja az állékonyság igazolását, s ettől csak I. fontossági kategóriájú létesítmények esetén tekint el, ahol a tanúsítás összehasonlító tapasztalatokon alapulhat. A lejtős térszínre való tekintettel, amennyiben I 1,0, a szeizmikus hatás tervezési érétkét topográfiai tényezővel kell növelni, melynek értékére az A melléklet ad javaslatokat. Az általános állékonyság ellenőrzését szeizmikus esetre vagy a dinamikai analízis elfogadott módszereivel (véges elemes, merevblokk módszer) vagy - bizonyos korlátozásokkal - pszeudostatikus módszerekkel kell meghatározni. A szabvány felhívja a figyelmet, hogy a számításnál figyelembe kell venni az alakváltozások növekedésével járó állapotromlást, melyekről a 3. fejezetben már szót említettünk. A pszeudostatikus analízis feltételei: talajfelszín topográfiája nem mutat ugrásszerű szabálytalanságokat, a talajrétegződés közel egyenletes, nincsenek benne hirtelen változások, az altalajban nagy pórusvíznyomás többlet nem alakulhat ki, az altalaj nagymértékű merevségcsökkenése nem következik be. A pszeudostatikus számítási eljárás lényege, melyet sematikusan a 7. ábra szemléltet, hogy minden lamellára egy vízszintes és egy függőleges többleterőt helyezünk, mely növeli a lecsúszás valószínűségét. Ezen többleterő alkalmazásával a számítás már a statikus eljárás elvei szerint történhet. A támszerkezetekhez hasonlóan a függőleges komponens mindkét irányba hathat, s az ellenőrzés során a kedvezőtlenebb esetet kell figyelembe venni. Ha nem dönthető el egyértelműen, hogy mely irány a kedvezőtlen, akkor az analízist mindkét esetre el kell végezni. A térszínen is megnövelendők az FV FH erők, ha a térszíni teher tömegből származik. FH FV 7. ábra: Pszeudostatikus rézsűállékonysági vizsgálat elve 19
Megemlítjük, hogy a szabvány itt jeleníti meg először a dilatálódó talajokat, melyekben a nyírási alakváltozás alatt térfogat növekedés lép fel. 6 Irodalomjegyzék [1] B. Acun, A. Athanasopoulou, A. Pinto, E. Carvalho, M. Fardis (editors) (2012) Eurocode 8: Seismic Design of Buildings Worked Examples, European Comission, JRC, ISBN 978-92-79-23068-4, 276 p. [2] Benz, T. (2006). Small Strain Stiffness of Soils and its Numerical Consequences. Ph.D. Dissertation. Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart. 209 p. [3] Dulácska E, Joó A, Kollár L (2008) Tartószerkezetek tervezése földrengési hatásokra, Akadémiai Kiadó, Budapest. ISBN- 9789630585194, 354 p. [4] M. Fardis, E. Carvalho, A. Elnashai, E. Faccioli, P. Pinto and A. Plumier (2005) Designers' Guide to EN 1998-1 and EN 1998-5 Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance, Thomas Telford Publishing, ISBN: 0 7277 3348 6, 273 p. [5] Houbrechts, J., Schevenels, M., Lombaert, G., Degrande, G., Rücker, W., Cuellar, V., Smekal, A. (2011). RIVAS WP 1.3 Deliverable 1.1 Test procedures for the determination of the dynamic soil characteristics. International Union of Railways. pp. 47-86. [6] Ishihara, K. 1996. Soil Behaviour in Earthquake Geotechnics. Oxford University Press. pp. 1-96. [7] Iunio Iervolino, Giuseppe Maddaloni, and Edoardo Cosenza (2008) Eurocode 8 Compliant Real Record Sets for Seismic Analysis of Structures, Journal of Earthquake Engineering, 12, p. 54 90, [8] Jardine, R.J., Potts, D.M., Fourie, A. B., Burland, J. B. (1986). Studies of the influence of non-linear stress-strain characteristics in soil-structure interaction. Géotechnique 36, No.3, pp. 377-396. [9] S. Kramer (1995) Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice Hall, New Jersey, ISBN 0-13-374943-6, 643 p. [10] Ramberg, W. and Osgood, W.R. 1948. Description of Stress Strain Curves by Three Parameters. Technical Note No. 902 National Advisory Committee for Aeronautics. pp.1-28. [11] Ray R.P. (1983). Changes in Shear Modulus and Damping in Cohesionless Soil due to Repeated Loadings, Ph.D. dissertation, University of Michigan, Ann Arbor, MI., 417 p. [12] Ray R.P (2014): Geotechnikai kézikönyv földrengésre való méretezéshez, MMK GT, megjelenés alatt, 143 p. [13] Ray, R.P., Szilvágyi Zs. (2013). Measuring and modeling the dynamic behavior of Danube Sands. Proceedings 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris, ISBN: 978-2-85978-477-5, pp.1575-1578. [14] Ray, R.P. and Woods, R.D. (1987). Modulus and Damping Due to Uniform and Variable Cyclic Loading. Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 114, No. 8. ASCE, pp. 861-876. [15] Richard P. Ray - Wolf Ákos: (2013) Analysis and Design of Piles for Dynamic Loading, Proceedings 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Párizs. ISBN: 978-2-85978-477-5, p.2839-2842 [16] Richard P. Ray, Szilvágyi Zsolt, Wolf Ákos: (2014) Talajdinamikai paraméterek meghatározása és alkalmazása, Sínek Világa LVI évf. 1. szám, pp 32-36. 20