PARTICULARITÃȚI ALE STUDIULUI VIBRAȚIILOR ÎN INGINERIA SEISMICÃ [304975]

PARTICULARITÃȚI ALE STUDIULUI VIBRAȚIILOR ÎN INGINERIA SEISMICÃ

Noțiuni de seismologie inginerească

1.1. Introducere

În medie peste 10000 de persoane au decedat anual din cauza cutremurelor de pământ în secolul XX (Bolt, 2001, vezi Figura 3.1). [anonimizat], pierderile economice cauzate de cutremurele de pământ sunt în creștere la nivel mondial. Două exemple notorii în acest sens sunt cutremurele din 1994 de la Northridge (SUA), cu pierderi estimate la 40 [anonimizat] 1995 de la Kobe (Japonia), soldat cu pierderi de aproximativ 100 miliarde dolari americani (Scawthorn, 2003).

Figura 1.1. Pierderi de vieți omenești datorate cutremurelor majore în secolul XX (Bolt, 2001).

Ingineria seismică este un domeniu al ingineriei care are ca scop reducerea efectelor cutremurelor de pământ asupra construcțiilor inginerești. Aceasta se ocupă cu: (1) studierea acelor aspecte ale seismologiei și geologiei care sunt importante pentru problemă, (2) analiza răspunsului dinamic al structurilor sub acțiunea mișcării seismice și (3) [anonimizat] a construcțiilor rezistente la efectul cutremurelor de pământ. Ingineria seismică se întrepătrunde cu geologia pe de o parte, [anonimizat].

Seismologia este o ramură a [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat].

Pionierul cercetărilor moderne de seismologie a [anonimizat] a întreprins studii de teren temeinice după cutremurul din Napoli din 1857 (Italia). Acesta a explicat "masele dislocate de piatră și mortar" [anonimizat] a [anonimizat]: seismologie, hipocentru, isoseismic.

[anonimizat]. [anonimizat] 60 de ani ai secolului XX au fost marcați de cercetări seismologice ale undelor seismice de la cutremure îndepărtate folosind seismografe foarte sensibile. [anonimizat]. Ulterior, situația s-a schimbat. După cutremurul San Fernando din 1971 au fost obținute sute de înregistrări seismice puternice pentru acest seism de magnitudine 6.5 din SUA. Cercetările privind mișcările seismice puternice au început să avanseze rapid odată cu instalarea în zonele seismice de pe glob a unor rețele extinse de accelerometre digitale și obținerea de înregistrări seismice în urma unor cutremure majore.

Activitatea seismică la nivel mondial

Analiza înregistrărilor seismice de la diferite observatoare seismografice permite determinarea poziției cutremurelor de pământ. În acest mod, s-a obținut o imagine de ansamblu a distribuției seismelor pe pământ (vezi Figura 3.2). Zonele cu o activitate seismică importantă sunt concentrate de-a lungul unor centuri, care delimitează zone continentale și oceanice întinse. În centura Circumpacifică, de exemplu, au loc aproximativ 81% din cutremurele majore de pe Terra. Alte 17% din cutremurele majore sunt localizate de-a lungul centurii Alpide (care se întinde de la oceanul Atlantic până la insulele Sumatra din oceanul Pacific și include munții Alpi, Carpații, munții din Anatolia și Iran, Hindu Kush, Himalaia, și munții din Asia de sud-est). În interiorul zonelor continentale și oceanice cutremurele de pământ sunt mult mai rare, dar nu lipsesc în totalitate. Alte concentrări de activități seismice pot fi observate în zonele oceanice, cum ar fi cele din mijlocul oceanului Atlantic și al oceanului Indian. În aceste zone se află lanțuri de munți submarini, iar erupțiile vulcanice sunt frecvente. Concentrări masive de cutremure de mare adâncime, de până la 680 km, pot fi observate în lanțurile de insule din oceanul Pacific și Caraibele de est.

Figura 1.2. Distribuția mondială a cutremurelor (Bolt, 2001).

Undele seismice generate de un cutremur de pământ iau naștere undeva sub suprafața terenului, prin alunecarea bruscă a marginilor unei falii, prin care se eliberează energia de deformație acumulată în masivul de rocă. Cu toate că în cazul cutremurelor naturale sursa seismică este distribuită într-un volum de rocă, este convenabilă considerarea simplificată a sursei seismice ca fiind un punct în care iau naștere undele seismice. Acest punct poartă denumirea de focar sau hipocentru. Proiecția hipocentrului pe suprafața terenului se numește epicentru (vezi Figura 3.3). Cu toate că multe focare se află la adâncimi mici, în unele regiuni acestea se situează la sute de kilometri adâncime. Într-un mod relativ arbitrar, cutremurele de pământ pot fi clasificate funcție de adâncimea hipocentrului în:

Cutremure de suprafață, cu adâncimea hipocentrului mai mică de 70 km

Cutremure intermediare, cu adâncimea hipocentrului cuprinsă între 70 și 300 km

Cutremure de adâncime, cu adâncimea hipocentrului mai mare de 300 km

1. Noțiuni de seismologie inginerească

Figura 1.3. Definiția hipocentrului și a epicentrului unui cutremur de pământ, (după USGS, n.d.)

Cutremurele de suprafață au consecințele cele mai devastatoare, acestea contribuind la aproximativ 75% din energia seismică totală eliberată de cutremure la nivel mondial. Exemple de zone afectate de cutremure de suprafață sunt California (SUA), Turcia, Banat (România), etc. S-a arătat că majoritatea cutremurelor produse în partea centrală a Californiei au hipocentrul în primii 5 km de la suprafață și că doar unele cutremure au focarele mai adânci, de maximum 15 kilometri.

Majoritatea cutremurelor medii și puternice de suprafață sunt urmate de post-șocuri, care se pot produce la perioade cuprinse între câteva ore și câteva luni după șocul principal. Câteodată, post-șocurile sunt suficient de puternice pentru a crea distrugeri construcțiilor slăbite de cutremurul principal. Doar puține dintre cutremure sunt precedate de ante-șocuri provenind din zona hipocentrală, sugerându-se folosirea acestora pentru prezicerea șocurilor principale.

Regiunile afectate de cutremurele de pământ cu focare intermediare și de adâncime includ România (sursa subcrustală Vrancea), Marea Egee, Spania, Anzii din America de Sud, insulele Tonga, Samoa, Noile Hebride, Marea Japoniei, Indonezia și insulele Caraibe.

1.3. Cauzele cutremurelor

Cutremure tectonice

Majoritatea cutremurelor de pământ pot fi explicate coerent de teoria plăcilor tectonice. Conform acestei teorii, învelișul exterior al Pământului (denumit litosferă, vezi Figura 3.4) este format din câteva masive imense de rocă relativ stabile, denumite plăci tectonice. Principalele plăci tectonice sunt reprezentate în Figura 3.2 și Figura 3.5. Acestea au în medie o grosime de aproximativ 80 kilometri și sunt deplasate de mișcarea de convecție din manta, care la rândul său este creată de căldura generată în nucleu.

scoarță + manta superioară = litosferă

Figura 1.4. Structura internă a planetei Pământ (http://en.wikipedia.org/).

Dinamica Structurilor și Inginerie Seismică. [v.2014] https://www.ct.upt.ro/studenti/cursuri/stratan/dsis.htm

Figura 1.5. Principalele plăci tectonice, (http://en.wikipedia.org/)

Figura 1.6. Schiță reprezentând zonele convergente, divergente și transcurente ale plăcilor tectonice (USGS, n.d.)

Mișcarea relativă a plăcilor tectonice este responsabilă pentru o parte importantă a activității seismice mondiale. Coliziunea dintre plăcile litosferice, distrugerea marginilor plăcilor tectonice în zonele de subducție (zone convergente) la alunecarea unei plăci sub o altă placă, sau expansiunea în zona rifturilor oceanice (zone divergente) sunt toate mecanisme care produc tensiuni și fracturi semnificative în scoarța terestră. Multe cutremure majore se datorează alunecării de-a lungul faliilor transcurente (vezi Figura 3.6).

1. Noțiuni de seismologie inginerească

Cutremurele generate la marginile active ale plăcilor tectonice poartă denumirea de cutremure inter-placă. Cele mai puternice cutremure de suprafață din Chile, Peru, Caraibele de Est, America Centrală, sudul Mexicului, California, Alaska de Sud, insulele Aleute și Kurile, Japonia, Taiwan, Filipine, Indonezia, Noua Zeelandă, centura Alpi – Caucaz – Himalaia sunt de tipul cutremurelor intra-placă. Viteza medie de deplasare a plăcilor tectonice este de 2-5 cm/an.

Pe lângă cutremurele generate la marginile active ale plăcilor tectonice, câteodată se produc cutremure devastatoare în interiorul plăcilor tectonice. Acestea din urmă poartă denumirea de cutremure intra-placă. Astfel de cutremure de pământ indică faptul că plăcile litosferice nu sunt indeformabile și că în interiorul acestora se pot produce fracturi. Exemple ale unor astfel de cutremure sunt cele din nord-estul Iranului, New Madrid (Missouri, SUA), Charleston (Carolina de Sud, SUA), nordul Chinei.

Alte cauze ale cutremurelor

Cu toate că activitatea tectonică este responsabilă pentru marea majoritate a cutremurelor de pământ, acestea pot fi generate și de terțe cauze. Printre acestea se numără:

Cutremurele de natură vulcanică. Cei mai mulți vulcani sunt amplasați pe marginile active ale plăcilor tectonice. Există și vulcani intra-placă, cum sunt de exemplu vulcanii din insulele Hawai. Cu toate acestea, majoritatea cutremurelor în zone vulcanice sunt de natură tectonică. Cutremurele de pământ de natură vulcanică sunt relativ rare și de mică intensitate, și pot fi produse de exploziile vulcanice, de mișcarea magmei, sau de prăbușirea magmei solidificate de pe coșul vulcanului pe vatra acestuia.

Exploziile. Cutremurele de pământ pot fi produse de detonări subterane a unor dispozitive chimice sau nucleare. Exploziile nucleare subterane care au avut loc în trecut au generat cutremure de pământ cu magnitudini ajungând până la 6.

Cutremurele de prăbușire. Această categorie de cutremure de pământ are intensități mici și se datorează prăbușirii tavanului unor mine și caverne. O altă modalitate de producere a acestor cutremure constă în desprindere explozivă a unor volume mari de rocă de pe pereții minelor din cauza tensiunilor acumulate. Astfel de cutremure au fost observate în Canada și Africa de Sud. Alunecările de teren masive pot cauza și ele cutremure minore.

Cutremurele induse de rezervoare de apă masive. Au fost observate creșteri ale activității seismice în zone în care au fost construite baraje mari de apă. Calculele au demonstrat că tensiunile generate de încărcarea din apă sunt prea mici pentru a conduce la fractura rocii de bază. Cea mai plauzibilă explicație constă în faptul că roca din vecinătatea barajelor de apă se află deja într-o stare de tensiune, gata să alunece. Umplerea rezervorului cu apă fie duce la creșterea stării de tensiune și generează alunecarea, fie presiunea apei din fisuri micșorează rezistența faliei, fie au loc ambele fenomene.

Impactul cu corpuri extraterestre. Unii meteoriți mai mari, care din cauza dimensiunilor nu se dezintegrează în atmosferă, ajungând să lovească suprafața terestră, pot genera cutremure locale.

1.4. Tipurile de falii

Observațiile în teren indică faptul că există schimbări bruște în structura rocilor. Aceste schimbări au loc la contactul (de-a lungul fisurii) dintre două blocuri tectonice diferite și poartă denumirea de falii. Acestea pot avea lungimi cuprinse între câțiva metri și sute de kilometri. Prezența faliilor arată că la un moment dat în trecut au avut loc deplasări relative ale structurilor geologice de-a lungul acestora. Aceste deplasări pot fi fie lunecări lente, care nu produc mișcări seismice, fie ruperi bruște, care produc cutremure de pământ. În majoritatea cazurilor lunecările produse de-a lungul faliilor nu ajung până la suprafața terenului și în consecință nu sunt vizibile. Alteori faliile se extind până la suprafața terenului, un exemplu în acest sens fiind reprezentat în Figura 3.7.

Faliile sunt clasificate în funcție de geometria acestora și de direcția de lunecare relativă. Principalele tipuri de falii sunt reprezentate în Figura 3.8. Panta unei falii este unghiul pe care îl creează suprafața faliei cu orizontala, iar direcția unei falii este direcția proiecției faliei pe suprafața terenului față de Nord. O falie transcurentă implică deplasarea blocurilor de rocă paralel cu falia. Lunecarea la o falie normală are loc în plan vertical (paralel cu panta), placa superioară a faliei înclinate deplasându-se în jos față de placa inferioară (falierea produce o întindere a crustei). Lunecarea la o falie inversă are loc în plan vertical (paralel cu panta), placa superioară a faliei înclinate deplasându-se în sus față de placa inferioară (falierea produce scurtarea crustei). Faliile cel mai des întâlnite în natură sunt faliile oblice, care reprezintă o combinație de lunecări în plan orizontal și vertical.

Dinamica Structurilor și Inginerie Seismică. [v.2014] https://www.ct.upt.ro/studenti/cursuri/stratan/dsis.htm

Figura 1.7. Efectul unei falii transcurente la suprafața terenului (USGS, n.d.)

Figura 3.8. Tipuri de falii (Oros, 2002)

1.5. Undele seismice

Mișcarea seismică dintr-un amplasament dat se datorează diverselor tipuri de unde generate de lunecarea bruscă a plăcilor tectonice de-a lungul unei falii. Există două tipuri principale de unde seismice: unde de volum și unde de suprafață. Undele de volum se propagă prin interiorul pământului și pot fi de două tipuri: P și S. Undele de suprafață se propagă doar în apropierea suprafeței terenului, și pot fi de tip Rayleigh și Love. Undele de suprafață rezultă din interacțiunea undelor de volum cu suprafața terenului.

Cele patru tipuri de unde seismice sunt discutate pe scurt în cele ce urmează (vezi Figura 3.9):

Undele P (de volum). Undele P sunt cunoscute și ca unde primare, de compresiune sau longitudinale. Sunt unde seismice care generează o serie de comprimări și dilatări ale materialului prin care se propagă. Undele P au viteza cea mai mare și sunt primele care ajung într-un amplasament dat. Acest tip de unde se poate propaga atât prin solide, cât și prin lichide. Deoarece terenul și rocile rezistă relativ bine la ciclurile de compresiune-întindere, de obicei impactul undelor P asupra mișcării seismice dintr-un amplasament este cel mai mic.

Undele S (de volum). Undele S sunt cunoscute ca și unde secundare, de forfecare, sau transversale. Undele S generează deformații de forfecare în materialul prin care se propagă. Aceste unde se pot propaga doar prin materiale solide. Viteza de propagare a undelor S este mai mică decât a undelor P, în schimb efectul undelor asupra mișcării seismice dintr-un amplasament este cel mai mare.

Undele Rayleigh (de suprafață). Acest tip de unde este similar undelor create de o piatră aruncată într-un vas cu apă. Mișcarea particulelor are loc într-un plan vertical.

Undele Love (de suprafață). Acest tip de unde sunt similare undelor S, fiind unde transversale care se propagă la suprafața terenului, mișcarea particulelor terenului având loc în plan orizontal.

Noțiuni de seismologie inginerească

Figura 1.9. Reprezentarea schematică a undelor seismice de volum – P (a) și S (b), și a celor de suprafață – Rayleigh (c) și Love (d), Bolt, (2004).

(b)

Figura 1.10. Reflectarea, refracția și transformarea undelor seismice (Bolt, 2001).

Propagarea undelor P și S prin scoarța terestră este însoțită de reflexii și refracții multiple la interfața dintre roci de diferite tipuri (vezi Figura 3.10a). În plus, la fiecare interfață, are loc o transformare a undelor dintr- un tip în altul (vezi Figura 3.10b). Din punctul de vedere al unui inginer constructor, nu este foarte importantă distincția între cele patru tipuri de unde, ci efectul global al acestora, în termeni de intensitate a mișcării seismice într-un amplasament. Cu toate acestea, trebuie să se recunoască faptul că mișcarea seismică într-un amplasament este afectată în cea mai mare măsură de undele S, iar în unele cazuri și de undele de suprafață.

Efectele cutremurelor

Avariile și distrugerile care pot fi cauzate de cutremure construcțiilor inginerești se datorează câtorva efecte ale seismelor, dintre care amintim:

forțele de inerție induse în structură datorită mișcării seismice

incendiile cauzate de cutremurele de pământ

modificarea proprietăților fizice ale terenului de fundare (consolidări, tasări, lichefieri)

deplasarea directă a faliei la nivelul terenului

alunecări de teren

schimbarea topografiei terenului

valuri induse de cutremure, cum ar fi cele oceanice (tsunami) sau cele din bazine și lacuri ("seișe")

Dinamica Structurilor și Inginerie Seismică. [v.2014] https://www.ct.upt.ro/studenti/cursuri/stratan/dsis.htm

(a)

(sursa: http://nisee.berkeley.edu/)

(sursa: http://www.ngdc.noaa.gov/)

Figura 1.11. Prăbușirea parțială a unei structuri din b.a. în București, cutremurul vrâncean din 4 martie 1977 (a); Distrugerea parțială a parterului unei clădiri de birouri în timpul cutremurului din 16 ianuarie 1995 de la Kobe, Japonia (b).

Dintre efectele cutremurelor de pământ amintite mai sus, distrugerile cele mai semnificative și cele mai răspândite se datorează vibrațiilor induse în construcțiile inginerești de mișcarea seismică (vezi Figura 3.11). Reducerea acestui hazard seismic face obiectul cursului de inginerie seismică.

Incendiile care se pot declanșa ca urmare a unui cutremur reprezintă un pericol major. Astfel, în timpul cutremurului din 1906 de la San Francisco, doar 20% din pierderile totale s-au datorat distrugerilor directe din cauza mișcării seismice, restul de 80% fiind cauzate de incendiile care au devastat orașul timp de trei zile și care au mistuit o suprafață de 12 km2 și 521 de blocuri din centrul orașului.

(a)

(b) (http://www.rekihaku.ac.jp/)

Figura 1.12. Incendii care au urmat cutremurului din 1906 din San Francisco (a) și marelui cutremur Kanto din 1923 (b).

Distrugerile datorate comportării terenului de fundare au creat mari probleme în timpul cutremurelor din trecut. Un exemplu clasic este cazul cutremurului din Niigata din 1964 (vezi Figura 3.13a), nivelul pierderilor suferite în timpul acestuia fiind disproporționat în raport cu intensitatea mișcării seismice (o accelerație maximă a terenului de 0.16 g). Dezvoltarea orașului a impus folosirea unor terenuri proaste din fosta albie a râului Shinano. Ca urmare a mișcării seismice, multe clădiri s-au înclinat sau răsturnat ca urmare

a lichefierii terenului de fundare. Un număr de 3018 clădiri au fost distruse și 9750 au suferit degradări medii până la severe în prefectura Niigata, majoritatea datorându-se tasărilor inegale și fisurilor apărute în terenul de fundare.

Deplasările directe ale faliei la nivelul terenului sunt, probabil, cele mai cutremurătoare la nivel social. Deși în trecut au fost observate distrugeri datorită deplasărilor directe ale faliei la nivelul terenului (vezi Figura 3.13b), acest fenomen este întâlnit relativ rar, iar distrugerile și suprafața afectată sunt minore în comparație cu cele datorate vibrațiilor induse în construcții de mișcarea seismică.

Alunecările de teren induse de cutremure (vezi Figura 3.14a), cu toate că reprezintă un pericol major, nu se produc foarte frecvent.

(a)

(sursa: http://nisee.berkeley.edu/)

(b)

(sursa: http://www.eas.slu.edu/)

Figura 1.13. Răsturnarea unor blocuri de locuit la Kawagishi-Cho, Niigata, ca urmare a lichefierii terenului în timpul cutremurului din 1964 (a); șine de tramvai îndoite ca urmare a deplasărilor terenului produse în timpul cutremurului din 1906 de la San Francisco (b).

(a) (sursa: USGS)

Figura 1.14. Alunecări de teren în La Conchita, California, 1995 (a); Partea de sud-est a golfului Izmit, inundat ca urmare a subsidenței în timpul cutremurului din 17 august 1999 din Izmit, Turcia.

Dinamica Structurilor și Inginerie Seismică. [v.2014] https://www.ct.upt.ro/studenti/cursuri/stratan/dsis.htm

(a) (sursa: USGS) (b) (sursa: USGS

Figura 1.15. Reprezentarea schematică a efectului unui tsunami (a) și seișe (b).

Schimbările topografice datorate cutremurelor nu duc în mod direct la pierderi de vieți omenești. Cea mai importantă consecință a unor asemenea modificări o reprezintă distrugerile pe care le pot suferi structuri cum sunt podurile și barajele. În anumite cazuri pot avea loc inundației ale terenului, ca urmare a subsidenței unor terenuri aflate pe malul unor ape (vezi Figura 3.14b).

Tsunami sunt valuri oceanice generate de cutremurele de pământ subacvatice și care pot crea distrugeri însemnate în localitățile de coastă (vezi Figura 3.15a). Oceanul Pacific este deseori scena unor astfel de evenimente. Pentru ca un cutremur să genereze un tsunami, acesta trebuie să fie asociat unei falii inverse sau normale, în timp ce faliile transcurente nu produc fenomene de acest gen. La 15 iunie 1896 regiunea Honshu din Japonia a fost devastată de un tsunami cu o înălțime vizuală a valului de 20 metri și care a înecat în jur de 26000 oameni. Timpul de propagare a unui tsunami de la coastele Chile până la insulele Hawai este de 10 ore, iar din Chile până în Japonia de 20 ore. Astfel, schema de prevenire a pierderilor omenești în Pacific din cauza tsunami o reprezintă un sistem de monitorizare și alertare compus din câteva zeci de stații amplasate în oceanul Pacific. Pe lângă acest sistem, hazardul valurilor uriașe poate fi redus prin construcții costiere specifice și evitarea amplasării construcțiilor în zonele joase de pe coastă.

Fenomenul "seișe" (vezi Figura 3.15b) reprezintă revărsarea apei peste marginile unui bazin sau malurile unui lac în urma mișcării produse de un cutremur de pământ.

Intensitatea și magnitudinea

Analiza științifică a cutremurelor necesită o cuantificare a acestora. Înainte de apariția aparatelor seismice moderne, efectele cutremurelor de pământ erau estimate calitativ prin intermediul intensității distrugerilor cauzate de acestea, care diferă de la un amplasament la altul. Cu apariția și utilizarea seismometrelor a devenit posibilă definirea magnitudinii, un parametru unic pentru un eveniment seismic, care măsoară cantitatea de energie eliberată de un cutremur. Cele două modalități de măsurare a cutremurelor rămân cele mai utilizate în ziua de astăzi, fiecare având câteva scări alternative.

Intensitatea seismică

Intensitatea seismică reprezintă cea mai veche măsură a cutremurelor. Aceasta se bazează pe observații calitative ale efectelor unui cutremur într-un amplasament dat, cum ar fi degradările construcțiilor și reacția oamenilor la cutremur. Deoarece scările de intensitate seismică nu depind de instrumente, aceasta poate fi determinată chiar și pentru cutremure istorice.

Prima scară a intensității seismice a fost dezvoltată de Rossi (Italia) și Forel (Elveția) în 1880, cu valori ale intensității seismice între I și X. O scară mai exactă a fost inventată de vulcanologul și seismologul italian Mercalli în 1902, având valori ale intensității cuprinse între I și XII. Scările de intensitate seismică cele mai utilizate astăzi sunt Mercalli modificată (MMI), Rossi-Forel (R-F), Medvedev-Sponheur-Karnik (MSK-64), Scara Macroseismică Europeană (EMS-98) și scara agenției meteorologice japoneze (JMA). În România se utilizează scara MSK (descrisă în Tabelul 3.1), iar zonarea intensității seismice a României conform SR 11100/1 din 1993 este prezentată în Figura 3.16. Pe lângă exprimarea calitativă a intensitatății seismice în grade, aceasta se poate exprima și prin măsuri inginerești cantitative, cum ar fi accelerația de vârf a terenului.

1. Noțiuni de seismologie inginerească

Figura 1.16. Zonarea seismică a României conform SR 11100/1 din 1993 (Lungu et al., 2001).

Tabelul 1.1. Scara intensității seismice MSK (Dimoiu, 1999)

Dinamica Structurilor și Inginerie Seismică. [v.2014]https://www.ct.upt.ro/studenti/cursuri/stratan/dsis.htm

Magnitudinea

Magnitudinea este o măsură a energiei eliberate de un cutremur, fiind o valoare unică pentru un eveniment seismic, spre deosebire de intensitate, care are valori diferite funcție de distanța față de epicentru și condițiile locale de amplasament. Magnitudinea se bazează pe măsurători instumentate și astfel nu prezintă gradul de subiectivism pe care îl are intensitatea seismică.

O măsură strict cantitativă a cutremurelor a fost introdusă de Wadati în 1931 în Japonia și dezvoltată în 1935 de Charles Richter în California, SUA. Richter a definit magnitudinea locală ML a unui cutremur ca fiind logaritmul cu baza zece a amplitudinii în microni (10-3 mm) A înregistrată cu un seismograf Wood-Anderson amplasat la o distanță de 100 km de epicentru:

ML  log A  log A0

(1.1)

log A0

este o valoare standard funcție de distanță, pentru instrumente aflate la alte distanțe decât 100 km, dar

nu mai departe de 600 km de epicentru. Relația (3.1) implică creșterea de zece ori a amplitudinii deplasărilor înregistrate de seismograf la creșterea magnitudinii cu o unitate. Pentru aceeași creștere a magnitudinii cu o unitate, cantitatea de energie seismică eliberată de un cutremur crește de aproximativ 30 de ori.

Scara de magnitudini locale (ML) a fost definită pentru cutremurele de suprafață din California de sud, fiind valabilă pentru distanțe epicentrale mai mici de 600 km. Ulterior au fost dezvoltate alte scări de magnitudini, descrise pe scurt în continuare.

Magnitudinea undelor de suprafață (Ms). Undele de suprafață cu o perioadă de aproximativ 20 secunde domină adeseori înregistrările seismografice ale cutremurelor îndepărtate (distanțe epicentrale mai mari de 2000 km). Pentru cuantificarea acestor cutremure, Guttenberg a definit scara de magnitudini a undelor de suprafață, care măsoară amplitudinea undelor de suprafață cu perioada de 20 secunde.

Magnitudinea undelor de volum (mb). Cutremurele de adâncime sunt caracterizate de unde de suprafață nesemnificative. De aceea, pentru acest tip de cutremure, magnitudinea mb se determină pe baza amplitudinii undelor P, care nu sunt afectate de adâncimea hipocentrului.

Magnitudinea moment (MW). Magnitudinile ML, mb și, într-o măsură mai mică, Ms întâmpină dificultăți în distingerea între cutremurele foarte puternice. Ca urmare a acestui fapt, a fost dezvoltată magnitudinea moment MW, care depinde de momentul seismic M0, aflat în relație directă cu dimensiunea sursei seismice:

1. Noțiuni de seismologie inginerească

MW  log M 0  /1.5 10.7

(1.2)

unde M0 este momentul seismic în dyn-cm.

Fenomenul de saturație se referă la subestimarea energiei cutremurelor puternice și este caracteristic magnitudinilor ML, mb și într-o măsură mai mică Ms. Magnitudinea moment MW nu suferă de acest dezavantaj și de aceea este preferată în prezent de seismologi.

Înregistrarea mișcării seismice

Un seismograf este un instrument care măsoară mișcarea suprafeței terenului din cauza undelor generate de un cutremur de pământ, funcție de timp. În Figura 3.17a este prezentat schematic principiul de funcționare a unui seismograf. Seismograma, reprezentând înregistrarea efectuată cu ajutorul seismografului oferă informații despre natura cutremurului de pământ.

Conceptual, un seismograf este alcătuit dintr-un pendul sau o masă atașată unui resort elastic. În timpul unui cutremur, rola de hârtie fixată de baza seismografului se mișcă odată cu terenul în timp ce pendulul împreună cu stiloul atașat acestuia rămân mai mult sau mai puțin în repaus, datorită forțelor de inerție, înregistrând mișcarea seismică. După încetarea mișcării seismice pendulul va tinde să ajungă în echilibru, efectuând înregistrări false ale mișcării. De aceea este necesar un mecanism de amortizare.

Instrumentele moderne de înregistrare a mișcării seismice se numesc generic seismometre. Cele mai uzuale instrumente sunt accelerometrele (Figura 3.17b), care înregistrează digital accelerația terenului, cea mai utilă în ingineria seismică. Un astfel de instrument are de obicei trei senzori: doi pentru înregistrarea componentelor orizontale (nord-sud și est-vest), și un al treilea pentru componenta verticală a mișcării seismice. Accelerația este uzual exprimată în cm/s2, fie este raportată la accelerația gravitațională g=981 cm/s2. Valorile vitezei și cele ale deplasării terenului în urma unei mișcări seismice se pot obține ulterior prin integrarea accelerației. Cu titlu de exemplu, Figura 3.18 prezintă înregistrări pentru componentele nord-sud ale accelerației, vitezei și deplasării efectuate la stația INCERC-București în timpul cutremurului din 04 martie 1977 din Vrancea. Valoarea maximă a accelerației înregistrate este uzual denumită valoarea de vârf a accelerației terenului. Pentru componenta nord-sud a mișcării seismice menționate anterior aceasta are o valoare absolută de 1.95 m/s2.

(a) (b)

Figura 1.17. Conceptul unui seismograf (a) și un accelerometru modern (b).

Dinamica Structurilor și Inginerie Seismică. [v.2014]https://www.ct.upt.ro/studenti/cursuri/stratan/dsis.htm

Figura 1.18. Înregistrări pentru componentele nord-sud ale accelerației, vitezei și deplasării efectuate la stația INCERC-București în timpul cutremurului din 04 martie 1977 din Vrancea.

Seismicitatea României

Hazardul seismic din România este datorat contribuției a doi factori: (i) contribuția majoră a zonei seismice subcrustale Vrancea și (ii) alte contribuții provenind din zone seismogene de suprafață, distribuite pe întreg teritoriul țării, vezi Figura 3.19 (Lungu et al, 2003).

Zona seismogenă Vrancea este situată la curbura Carpaților, având, conform datelor din acest secol, un volum relativ redus: adâncimea focarelor între 60 și 170 km și suprafața epicentrală de cca. 40×80 km2. Sursa Vrancea este capabilă să producă mari distrugeri în peste 2/3 din teritoriul României și în primul rând în București. Astfel, în urma cutremurului din 4 martie 1977 s-au înregistrat pagube de 1.4 Miliarde USD numai în capitală, din totalul de peste 2 miliarde USD în România. Cutremurul vrâncean cel mai puternic este considerat a fi cel din 26 octombrie 1802, magnitudinea Gutenberg-Richter apreciată de diferiți autori pentru acest cutremur situându-se între 7.5 și 7.7. Cutremurul vrâncean cu cea mai mare magnitudine din acest secol a fost cel din 10 Noiembrie 1940 având magnitudinea Gutenberg-Richter M=7.4 și adâncimea de 140-150 km. Cutremurul vrâncean cu cele mai distrugătoare efecte asupra construcțiilor și primul cutremur

puternic pentru care s-a obținut o accelerogramă înregistrată în România a fost cel din 4 Martie 1977: magnitudinea Gutenberg-Richter M=7.2, adâncimea focarului h=109 km, distanța epicentrală față de București 105 km. În București acest cutremur a cauzat peste 1400 pierderi de vieți omenești și prăbușirea a 23 construcții înalte din beton armat și a 6 clădiri multietajate din zidărie, realizate înainte de cel de al doilea război mondial, precum și a 3 clădiri înalte din beton armat construite în anii ’60 – ‘70.

Figura 1.19. Epicentrele cutremurelor ce au avut loc în România în perioada 984 – 1999 (Lungu et al., 2003).

Banatul este o regiune caracterizată de cutremure locale, de mică adâncime (în jur de 10 km), ale căror focare se grupează în două regiuni distincte. O regiune o constituie partea de SE a Banatului (Moldova Nouă), iar o alta – împrejurimile orașului Timișoara (I. Atanasiu, "Cutremurele de pământ din România", 1959). Magnitudinea cutremurelor bănățene din ultimii 200 de ani nu a depășit valori de 5.6-5.8. Cu toate că aceasta este relativ redusă, datorită adâncimii mici a focarului, cutremurele bănățene au fost deseori caracterizate de intensități epicentrale ridicate, provocând pagube însemnate în zone restrânse din apropierea epicentrului. Deseori cutremurele locale din Banat se produc în serii, pe durata a câteva luni. Cel mai puternic cutremur bănățean din sursa Moldova Nouă în secolul XX a fost cutremurul din 18 Iulie 1991, M=5.6, h = 12 km, iar din sursa Timișoara a fost cutremurul din 12 Iulie 1991, M =5.7, h = 11 km.

Dinamica Structurilor și Inginerie Seismică. [v.2014]https://www.ct.upt.ro/studenti/cursuri/stratan/dsis.htm

Figura 1.20. Poziționarea geografică a epicentrelor cutremurelor bănățene în perioada 1794-2001 (Lungu et al, 2003).