Protecţie geotehnică la seisme

Inventinov^®. . . o creaţie pentru supraomul liber şi civilizat

Intrare • Inventinov • Cercetare & SF • Inovaţii & Invenţii • Independenţa financiară
Inventatori externi • Contact & Fotografii • Link-uri • Hartă site

Inventatori externi

Înapoi la cuprins Inventatori externi

1.5. Protecţie geotehnică la seisme

Cutremurele de pământ, alături de vulcanism şi inundaţii, sunt cele mai mari catastrofe naturale care provoacă uriaşe pierderi materiale şi de vieţi omeneşti.
În cartea sa "Chestiuni naturale" cunoscutul filozof Seneca menţionează:
"Nici o primejdie nu este fără leac, de care să nu ne putem feri, trăsnetul n-a distrus niciodată popoare întregi, ciuma depopulează oraşele, dar nu le distruge.
Dar catastrofa cutremurelor de pământ este cea mai întinsă, cea mai inevitabilă, cea mai neînduplecată, cea mai generală dintre toate primejdiile".
Cu toate eforturile materiale şi financiare depuse pe plan mondial pentru studiul cutremurelor, prognoza acestora şi măsurile de protecţie sunt încă ineficiente.
Preocupările de inginerie seismică au devenit politică de stat care are în vedere întocmirea hărţilor de zonare seismică, elaborarea normelor de proiectare a unor construcţii sigure, educaţia seismologică a populaţiei şi asigurarea habitatelor umane.
Există o vastă reţea de observatoare geofizice şi de staţii seismologice, dotate cu aparatură modernă de înregistrare a unor parametri geofizici care se referă la gravitaţie, magnetism, electricitate, radioactivitate precum şi la mişcările scoarţei terestre.
Informaţiile obţinute prin efort propriu sau prin colaborare internaţională sunt analizate pe calculatoare performante pentru descifrarea cauzelor producerii cutremurelor, a modului de propagare a undelor seismice, dar şi identificarea unor modalităţi de predicţie şi a unor mijloace de limitare a efectelor distructive.
Pe drumul confruntării de idei în descifrarea mecanismelor seismelor s-a trecut de la concepţii naive, bazate pe mituri şi legende, la ipoteze îndrăzneţe despre deriva continentelor şi expansiunea fundului oceanelor, integrate apoi în teoria tectonicii globale.
Se consideră că litosfera (învelişul solid, cu grosimi între 70 şi 100 km) este divizată în plăci tectonice care plutesc pe un strat vâscos, numit astenosferă, pe care se deplasează lent sub acţiunea curenţilor de convecţie generaţi cu precădere de gradienţii termici.
La contactul dintre plăcile tectonice pot să apară tensiuni mari care provoacă seisme.
Tăria cutremurelor se evaluează după intensitate şi magnitudine.
Pentru intensitate, cea mai cunoscută este scara Mercalli - modificată (scara MM), în care seismele sunt clasificate în 12 grade pe baza efectelor acestora asupra oamenilor, clădirilor şi solului.

Scara magnitudinii a fost iniţial elaborată de C. Richter şi perfecţionată ulterior de B. Gutenberg, pentru a elimina aprecierile subiective în evaluarea tăriei undelor seismice, fiind definită pe baza unor înregistrări de amplitudine cu seismometre standard.
Se consideră că cele mai mari cutremure care apar pe glob nu pot depăşi teoretic valoarea M = 9, datorită limitei de rezistenţă a rocilor.
Mai departe este prezentată o soluţie geotehnică pentru protecţia habitatelor umane împotriva cutremurelor de pământ.
În prezent, protecţia clădirilor faţă de seisme se realizează prin diverse soluţii constructive, bazate pe suprastructuri din materiale uşoare, dar rezistente la solicitările mecanice, la care se adaugă uneori elemente flexibile sau chiar dispozitive de amortizare care preiau şocurile seismice, însă sunt costisitoare şi dificil de aplicat pe scară largă.
Construcţiile antiseismice trebuie prevăzute cu armături rezistente, fără deschideri mari şi ornamentaţii masive, având structura de fundament adaptată condiţiilor geologice din zonă.
Invenţia elimină aceste dezavantaje prin faptul că protecţia geotehnică a clădirilor împotriva cutremurelor de pământ este realizată la scară zonală de către structuri subterane amplasate în calea undelor seismice, în vecinătatea habitatului uman protejat, care asigură schimbarea direcţiei de propagare a undelor seismice incidente prin fenomenele de reflexie şi refracţie, datorită modificării proprietăţilor mecanice ale mediului în care a fost înglobată.
Prin aplicarea invenţiei se obţin următoarele avantaje:
• Protecţie comună împotriva seismelor, pe intervale de timp de ordinul secolelor, a tuturor construcţiilor din zona amenajată.
• Creşterea stabilităţii terenului amenajat antiseismic faţă de procesele tectonice.
• Amortizarea investiţiilor de amenajare antiseismică a habitatelor umane prin reducerea considerabilă a pierderilor materiale şi de vieţi omeneşti.
Energia imensă eliberată într-un focar seismic se propagă prin unde mecanice de volum - longitudinale P, transversale S - până la suprafaţa Pământului, unde apar prin interferenţă undele de suprafaţă L cu lungime mare de undă, de tip Love şi Rayleigh, care la magnitudini mari produc ruperi în scoarţă şi avarii în construcţii.
Vitezele de propagare a undelor seismice de volum depind de parametrii fizici ai mediului pe care îl străbat, şi anume:
Vp = √ {E(1 - μ)/[(1 + μ)(1 - 2μ)ρ]} ≈ 7÷13 km/s, pentru undele P,
Vs = √ {E/[2(1 + μ)ρ]} ≈ 4÷7 km/s, pentru undele S,
în care E reprezintă modulul lui Young, μ este coeficientul lui Poisson, iar ρ este densitatea mediului de propagare.
Cutremurul de pământ este un proces complex, având pentru componentele spectrale semnificative, obţinute prin analiză Fourier, lungimea de undă cuprinsă între valori minime de ordinul sutelor de metri şi valori maxime de ordinul zecilor de kilometri.
Mecanismul cutremurelor cu focare intermediare şi adânci are la bază dinamica plăcilor litosferice, care tind să se echilibreze izostatic pe astenosferă sub acţiunea curenţilor de convecţie generaţi cu precădere de diferenţele de temperatură.

În zonele de subducţie au loc acumulări tensionale mari, care prin descărcare bruscă produc mişcări seismice.
Pe lângă procesele tectonice, alte cauze generatoare de seisme sunt legate de vulcanism, maree, prăbuşiri de stânci, impactul meteoriţilor, variaţii bruşte ale presiunii aerului sau chiar sunt provocate artificial prin explozii puternice.
Amplitudinea undelor seismice scade pe măsura creşterii distanţei parcurse datorită proceselor de absorbţie a energiei de către materia terestră.
Schimbarea direcţiei de propagare a undelor seismice are loc pe suprafeţele care separă două medii cu proprietăţi fizice diferite, fenomen întâlnit, de exemplu, la discontinuitatea Moho dintre scoarţa terestră şi manta.
Reflexia undelor este caracterizată printr-un unghi de reflexie egal cu unghiul de incidenţă, iar în cazul refracţiei undelor, raportul dintre sinusul unghiului de incidenţă şi sinusul unghiului de refracţie este egal cu raportul vitezelor de propagare a undelor în cele două medii.
În general, reflexia şi refracţia undelor sunt fenomene care se produc simultan, însă dacă viteza de propagare a undelor în primul mediu este mai mică decât viteza de propagare a undelor în cel de-al doilea mediu, atunci pentru unghiuri de incidenţă mai mari decât unghiul limită, dispare fenomenul de refracţie, pe suprafaţa de separare producându-se fenomenul de reflexie totală.
Prevederea seismelor prezintă încă multe necunoscute, singurele măsuri de protecţie a habitatelor umane sunt oferite doar de construcţiile sigure sau de soluţiile geotehnice de amenajare zonală antiseismică, care redirecţionează energia colosală a undelor seismice.
Deoarece structurile antiseismice subterane au un gabarit imens, varianta constructivă realizabilă în practică este cea de tip reţea, care modifică proprietăţile fizice ale mediului în care este înglobată, în particular rigiditatea şi densitatea medie.
Dimensiunile de ansamblu ale unei reţele antiseismice regulate trebuie să fie cu cel puţin un ordin de mărime mai mare decât lungimea de undă, pentru ca aceasta să nu fie ocolită de undele seismice prin fenomenul de difracţie, însă lungimea laturilor reţelei trebuie să fie mai mică de cel puţin 5÷10 ori decât lungimea de undă, pentru ca fenomenul de reflexie să se manifeste semnificativ faţă de ponderea undelor seismice transmise.
Lungimea de undă la care se face referinţă corespunde cutremurelor de intensitate maximă care se propagă în zona amenajată antiseismic, care sunt luate în calcul la realizarea hărţilor de seismicitate.
Undele seismice refractate sau cele care trec nedeviate printr-o reţea rigidă, înglobată într-un mediu de propagare cu duritate redusă, sunt atenuate cu atât mai mult cu cât lungimea laturilor reţelei este mai mică, iar distanţa parcursă prin reţea este mai mare.
Invenţia este aplicabilă nu numai terenurilor situate în afara unor aşezări umane, ci şi celor intravilane, deoarece zona protejată antiseismic este mai mare decât zona în care se află structura subterană, extinzându-se cu mult în spatele acesteia pe direcţia de propagare a undelor seismice incidente.
Prin analogie cu radiaţiile luminoase, care deşi sunt de natură diferită, au legi de propagare similare, zona protejată antiseismic corespunde zonei de umbră create de un paravan translucid.

Protecţia faţă de cutremurele de pământ cu focare localizate, ca de exemplu cele din Vrancea, este asigurată prin structuri artificiale subterane amplasate în calea undelor seismice, pe porţiunea de la marginea aşezărilor umane situată spre zona epicentrală.
În scenariul cel mai nefavorabil, de apariţie a unor seisme puternice cu focare nelocalizate, trebuie ca structura antiseismică subterană să fie dispusă în jurul perimetrului intravilan.
Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenţiei, în legătură cu figurile 1 şi 2, care reprezintă:
• Fig.1, vedere de sus a unei structuri de amenajare zonală antiseismică.
• Fig.2, secţiune cu vedere a structurii geotehnice subterane.
Structura antiseismică se compune dintr-o reţea triunghiulară regulată R, care se continuă în adâncime prin coloanele verticale 2, fixate în vârfurile triunghiurilor echilaterale de laturi 1 şi dispuse paralel şi echidistant în masa mediului de propagare a undelor seismice.
Laturile 1 ale reţelei regulate R au profil dreptunghiular, iar coloanele verticale 2 sunt de formă cilindrică - similară cu cea a puţurilor obţinute prin forare.
Reţeaua R este amplasată la marginea dinspre epicentru a perimetrului intravilan, pe o lungime de ordinul kilometrilor sau chiar a zecilor de kilometri şi o lăţime de ordinul sutelor de metri, fiind dispusă aproximativ paralel cu suprafaţa nivelată în prealabil a solului, la o adâncime h ≈ 1÷2 m, pentru a permite efectuarea unor lucrări agricole.
În cazul terenurilor cu pantă mare, coloanele 2 pot fi dispuse înclinat faţă de verticală.
În cazul în care condiţiile geomorfologice permit, atunci structura subterană este orientată, faţă de direcţia de propagare a undelor seismice de suprafaţă, sub unghi de incidenţă mai mare decât unghiul limită, pentru a se produce fenomenul de reflexie totală.
Structura geotehnică este realizată de obicei din beton armat, dar în principiu se poate utiliza orice alt material, cu condiţia că trebuie să aibă rigiditatea şi densitatea diferite de cele ale subsolului amenajat antiseismic.
Dimensiunile geometrice pentru componentele unei structuri antiseismice subterane variază între limite largi, în funcţie de intensitatea maximă a cutremurelor, distribuţia focarelor seismice şi eventual a faliilor tectonice, dar şi de natura materialelor de construcţie, proprietăţile fizice ale mediului de propagare şi aria suprafeţei protejate.
Pentru exemplificare, se prezintă următoarele valori dimensionale ale unei structurii geotehnice subterane:
a = 30÷100 m, b = 1÷2 m, c = 0,3÷0,6 m, d = 0,3÷0,6 m, l = 50÷500 m, în care a, b şi c reprezintă lungimea, lăţimea, respectiv grosimea laturii 1 a reţelei R, iar d şi l semnifică diametrul, respectiv lungimea coloanelor 2 ale structurii subterane.
În alte variante constructive, reţeaua R este formată din poligoane regulate de tip pătrat sau hexagon, caz în care consumul de materiale se reduce, însă rezistenţa la solicitările mecanice scade faţă de reţeaua triunghiulară regulată.
Tehnica actuală permite efectuarea unei lucrări de amenajare antiseismică a teritoriului, care presupune următoarele etape:
• Realizarea proiectului în detaliu de către specialiştii în seismologie şi geotehnică, adaptat la condiţiile geomorfologice concrete.

• Executarea pe teren a canalelor pentru reţeaua R şi forarea puţurilor pentru coloanele 2.
• Realizarea armăturii metalice peste care se toarnă betonul în stare umedă.
• Finalizarea lucrării prin acoperirea cu pământ a canalelor şi nivelarea terenului.
Pentru simplificarea operaţiilor de execuţie, structura geotehnică subterană se amplasează cu precădere în subsolul unor terenuri moi, fără denivelări prea mari, evitându-se terenurile în pantă, alcătuite din roci dure.
Soluţia tehnică prezentată, deşi necesită investiţii foarte mari, este o alternativă zonală mult mai eficientă decât protecţia antiseismică pentru fiecare construcţie în parte.
Este uşor de imaginat, amenajarea unor porţiuni din platforma continentală a mărilor şi oceanelor cu structuri hidrotehnice similare, pentru protecţia ţărmului la tsunami prin fenomenele de reflexie, refracţie şi interferenţă a valurilor seismice.
Detaliile tehnice pot fi puse la dispoziţia celor interesaţi pentru derularea unor proiecte de amenajare geotehnică a unor zone pilot din România sau din alte ţări membre ale Uniunii Europene.

Fig. 1

Fig. 2

Sfârşit articol.

Autor articol: Tudor Vasile.
Locul creării şi data publicării articolului: undeva pe Terra - 03 iulie 2008.
Contact (e-mail): protelisav@yahoo.com

Înapoi la cuprins Inventatori externi

Sus ↑

Întreg materialul din acest site este protejat prin marca Inventinov^® înregistrată la OSIM (Oficiul de Stat pentru Invenţii şi Mărci) Bucureşti, cu nr. M2007/002552 din 08 martie 2007, cât şi prin protecţie complementară, Copyright la Copyrightfrance.com (vezi certificatul de la sfârşitul paginilor).

Intrare • Inventinov • Cercetare & SF • Inovaţii & Invenţii • Independenţa financiară
Inventatori externi • Contact & Fotografii • Link-uri • Hartă site

Site lansat: 20 martie 2007 • Site actualizat: vezi pagina de intrare