Jordskjelvdimensjonering Fabeko - Regionsmøte Øst Oslo

Transkript

1 Jordskjelvdimensjonering Fabeko - Regionsmøte Øst Oslo

2 FABEKO Jordskjelvdimensjonering Hvor skal «lista ligge»? Fare for at betongen skvulper ut av bøtta? 40 minutter tilgjengelig Umulig oppgave! 2

3 FABEKO Jordskjelvdimensjonering INNHOLD Hva er et jordskjelv Richters skala Seismikk Skjelv i Norge Krav til dimensjonering i Norge? Regelverk Standarder Beregninger Eksisterende bygg ved ombygging 3

4 FABEKO Richter skala Charles Francis Richter Amerikansk seismolog Stanford University 1935 Richters skala måling av jordskjelv Samarbeidet med tyskeren Beno Gutenberg Definisjon: Richters skala baserer seg på største målte amplitude målt på en Wood-Anderson seismograf plassert i California og nøyaktig 100 km fra jordskjelvets episenter Dvs. kun gyldig i ett bestemt område! Richters skala er en logaritmisk lokalmagnitudeskala; Et jordskjelvopptak målt til M L = 5.0 på Richters skala har 10 ganger større maksimalutslag enn et opptak med M L = 4.0 ƒ

5 FABEKO Richter skala Svakheter: Dvs.: Richters skala bare tar utgangspunkt i en variabel. Ingen direkte sammenheng mellom Richters skala og jordskjelvets energi. Et kort jordskjelv med stort utslag (amplitude) gir større verdi enn et langvarig jordskjelv med mindre maksimalt utslag, selv om det langvarige jordskjelvet da inneholder mer energi 1. Lokal-magnitude-skalaen (local magnitude, M L ) Kjent som Richters skala eller styrke på Richters skala Brukbar opp til 7,5 M L 2. Overflate-bølge-skalaen (surface-wave magnitude, M S ) 3. Rom-bølge-skalaen (body-wave magnitude, M b ) Brukbar opp til 6,0 6,5 M b 4. Moment-magnitude-skalaen (moment magnitude, M W ) Seismisk moment! Utfordring: Skalene for M L og M W er omtrentlig like! 5

6 FABEKO - Seismikk σεισμός seismós «å ryste/skjelve» Seismografer i) En masse med stor treghet Opphengt i en ramme med et fjærsystem som benytter tyngdekraften og fjæropphenget for å bestemme et nøytralt referansepunkt og potensiell bevegelse for å kunne registrere bevegelser i underlaget. ii) Et dempet system iii) Et registreringssystem For å hindre/minimere egensvingninger i opphenget etter et skjelv. For bevegelser og krefter mellom den opphengte massen og rammen. Underlaget er kritisk, og ofte dyreste kostnad for en seismisk stasjon. 6

7 FABEKO - Seismikk 7

8 FABEKO - Seismikk Energimengder M w E S / J Mengde TNT / t Ekvivalent Hiroshimaatombombe (12,5 kt TNT) 4 6, , , , , ,2 7 2, , , Joule: kraft x arm 8

9 FABEKO - Seismikk Primære (P) bølger kommer først og sekundære (S) bølger kommer senere 9

10 FABEKO - Seismikk Platetektonikk / kontinentaldrift (Bungum) Teoriene for platetektonikk ble utviklet på 1960-tallet, basert på arbeider som inkluderte seismisitet, paleomagnetisme, morfologi, skorpestruktur, etc. De viktigste byggestenene for kontinentaldrift er de stive platene, som imidlertid er stive bare til første orden Vulkaner globalt De to viktigste drivkreftene for platebevegelser er slab pull og ridge push, men vi har også flere andre ( mantle drag, continental drag, slab resistance, etc.) De underliggende drivkreftene er imidlertid alle relatert til konveksjonsstrømmer (men også konduksjon) fra jordens indre 10

11 FABEKO - Seismikk Jordens litosfære Syv store og en rekke mindre plater Stadig i bevegelse ifht. hverandre Hastighet cm/år Platetektonikk De fleste jordskjelv som blir registrert på jordoverflaten skjer langs plategrensene: der litosfæreplatene kolliderer glir fra hverandre glir sidelengs forbi hverandre. 11

12 FABEKO - Seismikk Intensitet I (EMS-98) Betegelse Beskrivelse av observasjoner (forkortet) I Ikke merket Ikke merket II Så vidt merket Merket kun av svært få mennesker i ro innendørs. III Svak Merket av noen innendørs. Personer i ro merker svaiing eller lette rystelser. IV Stort sett merket Merket av mange innendørs, utendørs av få. Noen personer vekkes. Vinduer, dører og porselen skrangler. V VI VII VIII Sterk Litt skadelig Skadelig Svært skadelig Merket av de fleste innendørs, utendørs av få. Mange vekkes. Noen blir redde. Bygninger ryster gjennomgående. Hengende gjenstander svinger betydelig. Små gjenstander flyttes. Dører og vinduer svinger opp eller igjen. Mange blir redde og løper ut. Noen gjenstander faller. Mange hus får mindre, ikke-strukturelle skader som hårfine sprekker i mur og små skader på murpuss. De fleste blir redde og løper ut. Møbler flyttes og mange gjenstander faller fra hyller o.l. Mange vanlige, velbygde bygninge r får moderate skader: Mindre sprekker i vegger, murpuss løsner, skader på piper. Eldre bygninger kan få større sprekker i mur. Mange får problemer med å holde seg oppreist. Mange hus får store sprekker i veggene. Noen vanlige, velbygde bygninger kan få alvorlige brudd i vegger. Noen svakere, eldre bygninger kan kollapse. IX Destruktivt Generell panikk. Mange svake konstruksjoner kollapser. Selv velbygde konstruksjoner får alvorlige skader. X Svært destruktivt Mange vanlige, velbygde bygninger kollapser XI Ødeleggende De fleste vanlige, velbygde bygninger kollapser, noen jordskjelvsikre konstruksjoner ødelegges. XII Totalt ødeleggende Nesten alle bygninger ødelegges 12

13 FABEKO - Seismikk Antall jordskjelv per år på global basis (Bungum) 13

14 FABEKO Registrerte skjelv Historisk data Norge Største registrerte jordskjelv: The M S 5.6 Kattegat earthquake The M S 5.8 Rana earthquake The M S 5.7 Halten Terrace earthquake The M S 5.4 Oslofjord earthquake The M w 4.7 Western Norway The M w 5.3 Western Norway The M w 5.1 Western Norway 14

15 FABEKO Registrerte skjelv Norges største historiske jordskjelv (Bungum og Olesen, 2005) 31 august 1819, M L = 5,8 Episenter Mo i Rana 15

16 FABEKO Registrerte skjelv Norges nest største historiske jordskjelv (Bungum et. al, 2009) 23 oktober 1904, M L = 5,4 Episenter Oslofjorden Ørebladet, 24. oktober 1904; Da rystelsene begyndte, var Trefoldighetskirken fuldpakket av mennesker. De saa kirken skjælve i sine sammenføininger, og det durede under jorden. Øieblikkelig reiste størsteparten af forsamlingen sig og stormede mod udgangene, hvor de klumpede sig sammen og trængte paa under larm og støy. Presten maatte afbryde sin prediken. 16

17 FABEKO Registrerte skjelv I Johanneskirken var der panik. Rystelsene begyndte, mens presten stod paa prædikestolen. Folk stormede straks op fra sine bænke, og der hørtes raab om at nu gir kirken efter, kirken falder i grus, osv. Det var tydelig nok, at alle tænkte paa det daarlige fundament og troede, at ulykken nu var ude. Johanneskirken ble bygget i , nær det Gamle Rådhus. Revet i

18 FABEKO - Norsar NORSAR - Målestasjoner 18

19 FABEKO - Regelverk Må vi dimensjonere for jordskjelv i Norge? Klassisk metode: NS 3479:

20 FABEKO - Regelverk Må vi dimensjonere for jordskjelv i Norge? Vi har et nasjonalt regelverk ved Eurokodene som krever dette! Jordskjelv er en last på lik linje med vind, snø, temperatur, bølger osv. Eurokode 8: Prosjektering av konstruksjoner for seismisk påvirkning Del 1: Allmenne regler, seismiske laster og regler for bygninger Eurokoder: Standarder i serien NS-EN 1990 til NS-EN

21 FABEKO - Regelverk Chile

22 FABEKO Standarder NS-EN 1998 Prosjektering av konstruksjoner for seismisk påvirkning NS-EN :2004+A1:2013+NA:2014 NS-EN :2005+A1:2009+NA:2009 NS-EN :2005+NA:2013 NS-EN :2006+NA:2013 NS-EN :2004+NA:2014 NS-EN :2005+NA:2008 Del 1: Allmenne regler, seismiske laster og regler for bygninger Del 2: Bruer Del 3: Vurdering og forsterkning av eksisterende bygninger Del 4: Siloer, beholdere og rørledninger Del 5: Fundamenter, støttekonstruksjoner og geotekniske forhold Del 6: Tårn, master og skorsteiner 22

23 FABEKO Standarder Gjelder prosjektering av bygg og anlegg i seismiske områder for å sikre at; menneskeliv ikke går tapt begrensning av skadeomfang byggverk som er viktige for å beskytte sivilbefolkningen, forblir operative Bruer (Del 2) gjelder for: vertikale pilarsystemer (i bøyning) skråstagbruer (ikke helt dekket) buebruer (ikke helt dekket) Gjelder ikke for Hengebruer Tre- og mur-bruer Flyttbare bruer Flytebruer Bestemmelsene gjelder ikke for: Atomkraftverk Offshorekonstruksjoner 23

24 FABEKO Standarder Veiledere / litteratur / standarder RIF-Veiledere Norge tidlig ute med standard for prosjektering for seismiske laster NS i

25 FABEKO - Beregninger Sentrale parametere / betegnelser a gr g I Referansespissverdi for grunnens akselerasjon Seismisk faktor a g Dimensjonerende grunnakselerasjon Grunntype (A til E, S1 og S2) S Forsterkningsfaktor avhengig av grunnforhold T Egenperiode for et lineært system med én frihetsgrad dvs. konstruksjonens (første) egenperiode S e q S d Elastisk responsspektrum Konstruksjonsfaktor Dimensjonerende responsspektrum Seismisk klasse Duktilitetsklasse (DCL, DCM, DCH) Regularitet (Regulær / Ikke-regulær) 25

26 FABEKO - Beregninger Nasjonalt tillegg til NS-EN klassifiserer byggverk etter antatt følsomhet for seismiske laster Seismisk klasse! 26

27 FABEKO - Beregninger Seismisk faktor Tilsvarende returperiode [år]

28 FABEKO - Beregninger Seismiske sonekart PGA Peak Ground Acceleration Spissverdier for berggrunnens akselerasjon a g40hz med returperiode 475 år 28

29 FABEKO - Beregninger Seismiske sonekart - nord Gjelder for Norges fastland Områdene Svalbard, Jan Mayen og Bjørnøya; verdier fastsettes spesielt 29

30 FABEKO - Beregninger Grunntyper Krav om kjennskap til byggegrunnen Responsspekter avhengig av grunntype 30

31 FABEKO Respons spektrum Respons spektrum metoden Baseres på maksimumverdier av respons i en konstruksjon for en særskilt påtvunget bevegelse av randen (base motion) Responsen i konstruksjonen avhenger av; Massen Stivheten Demping Påført bevegelse Metoden beskriver maksimal respons for et system med én frihetsgrad (SDOF) for en gitt påført bevegelse som funksjon av egenfrekvensen til systemet. Responsen kan uttrykkes ved akselerasjon (S a ) hastighet (S v ) forskyvning (S d ) 31

32 FABEKO Respons spektrum Hvelvdam med og uten tilleggsmasse fra medsvingende vann Egenfrekvens med tilleggsmasse Egenfrekvens uten tilleggsmasse 1,96 Hz 3,14 Hz 2,12 Hz 3,57 Hz 2,46 Hz 3,84 Hz 32

33 FABEKO Respons spektrum Kraft: masse akselerasjon ; F = m a System i bevegelse: m = masse x = forskyvning c = dempningsfaktoren k = fjærstivheten F = k x F(t) = påført kraft x = F h 3 / (3 E I) dvs. k = F/x = 3EI/h 3 Basert på bevegelsesligningene utledes vinkelfrekvensen; x = x o sin (w t) x = - w 2 x o sin(w t) ; Hele massen påført i toppen 33

34 FABEKO Respons spektrum NS-EN : Tabell NA.3.3 Verdier for anbefalt responsspekter S e (T) det elastiske responsspekteret Horisontalt elastisk responsspekter 34

35 FABEKO Respons spektrum Avhengig av perioden T uttrykkes de ulike delene av kurvene etter følgende formler; 35

36 FABEKO Konstruktive prinsipper Grunnleggende prinsipper, NS-EN 1998 pkt Konstruksjonssikkerhet Bæresystem innenfor akseptable kostnadsrammer Regelmessighet, symmetri og redundans Motstand og stivhet i to retninger Torsjonsmotstand og stivhet Skivevirkning ved etasjenivå Passende fundament 36

37 FABEKO - Konstruktive prinsipper Duktilitet Hovedprinsipper Prosjektere et hovedbæresystem der det dannes en deformasjonsmekanisme der de duktile leddene og konstruksjonsdelene gir bæresystemet mulighet til å bevege seg og omfordele kreftene uten at konstruksjonen mister sin bæremessige integritet; Deformasjonsmekanismen må være kontinuerlig stabil Bæresystemet må henge sammen som forutsatt Konstruksjoner som ved store deformasjoner vil få stor grad av statisk ubestemthet, kan få god global duktilitet. Mange elementer men helt likeverdige gir lav duktilitet (Dominoeffekt). Varierende utforming gir ulik oppførsel og derved høy duktilitet. 37

38 FABEKO - Konstruktive prinsipper Duktilitet Lav duktilitet DCL Beregnede krefter blir store Tilleggsvirkninger på grunn av forskyvninger blir moderate Konstruksjonen kan sikres ved normal statisk likevekt Medium duktilitet DCM Det regnes med at det skjer plastisk omlagring Ifølge NA. 2.1 så er det ikke nødvendig å dokumentere skadebegrensing Konstruksjonen skal sikres mot sprøtt brudd Høy duktilitet DCH Vi må regne ut faktisk forskyvning for å dokumentere at konstruksjonen tåler deformasjonene uten å miste bæreevne. (Skadebegrensning) Vi skal dokumentere at konstruksjonen har bæreevne for å tåle maks belastningen ved et jordskjelv (bare én gang) Etterskjelv bør vurderes. Prosjektering etter DCH er normalt er uaktuelt i Norge, skadebegrensning kan være viktig. 38

39 FABEKO - Konstruktive prinsipper Viktig å sikre duktilitet A. Bevegelsesmekanismen Styrt av ett svakt ledd Grunnbrudd Konstruksjonen er ikke duktil - DCL B. Dominerende virkning Konstruksjonen er styrt av en dominerende virkning => Dominoeffekt => DCL C. Tverrsnittene har god duktilitet Dragerne har ikke skadet hovedkonstruksjonen (DCH) Alle søyleelementene sviktet omtrent samtidig (DCL) Velge/prosjektere en bevegelsesmekanisme med en form som opptar mye energi. Det gir en god konstruksjon mht. lastopptak for seismiske påvirkninger 39

40 FABEKO - Beregninger Tverrkraftmetoden forenklet beregningsmetode Metoden kan benyttes på bygninger med en respons som ikke påvirkes betydelig av bidrag fra høyere vibrasjonsformer enn den første egensvingeformen i hver hovedretning I praksis krav til første egensvingeperiode T1 der T1 kan regnes forenklet for H bygg < 40 m Krav om regularitet i oppriss Regularitet i plan er et krav for at én-dimensjonal tverrkraftmetode kan benyttes Ofte ikke regularitet i oppriss for vanlige næringsbygg, da tilleggskrav som: Tilleggsfaktor på 1,25 er nødvendig. Krav om H bygg < 10 m Seismisk klasse II benyttes, ofte for 'vanlige' typer boliger, kontorer, industrianlegg, master, siloer og kaier. IKKE OK for andre typer bygg/konstruksjoner. Tverrkraftmetoden ikke uten videre OK som endelig dokumentasjon for laster fra seismisk påkjenning Varsko! 40

41 FABEKO - Beregninger Utelatelelseskriterier Ikke nødvendig med påvisning av tilstrekkelig sikkerhet for seismiske laster: Forutsetter at styrende prinsipper for prosjektering er ivaretatt. Gjelder bare når q<1,5 1. Konstruksjoner i seismisk klasse I (i.e. γ 1 = 0,7) 2. Lette trekonstruksjoner 3. Svært lav seismisitet når a g S < 0,05 g = 0,49 m/s² 4. Dimensjonerende spektrum S d (T) < 0,05g = 0,49 m/s² med q < 1,5 5. Størrelse på krefter Dersom skjærkraften for dimensjonerende seismiske lastkombinasjoner på grunnivå er mindre enn de fra andre relevante lastkombinasjoner, kan ytterligere kapasitetskontroll for jordskjelv utelates. Fb < Σ γl x F vind + γl x F skjev 41

42 FABEKO Seismikk - Kontorbygg 42

43 FABEKO - Seismikk- Kontorbygg 43

44 FABEKO Seismikk - Kontorbygg 44

45 FABEKO - Hotellbygg The Hub - Royal Christiania Hotel Vurdering av å beholde prefab-konstruksjon i mellombygg bevare nyopppussede baserom På grunn av påbygg og dimensjonering for seismiske laster øker de horisontale skivekreftene i etasjeskillene (hulldekkene), særlig nær vertikale avstivende skiver Skjærkrefter i hulldekker fra seismikk 45

46 FABEKO - Hotellbygg The Hub - Royal Christiania Hotel Overslag total lengde av karbonfiberbånd gir ca m per etasje Kostnad? Fagverksmodell Last i -y-retning Fagverksmodell Last i +y-retning 46

47 FABEKO Seismiske laster Konklusjon: Seismisk belasting har alltid vært der og har kommer for å bli! Vi må dimensjonere for seismiske laster! 47

48 Vår kunnskap bidrar til et mer verdifullt samfunn