UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI FACULTATEA DE CONSTRUCTII CIVILE, INDUSTRIALE SI AGRICOLE

INGINERIE SEISMICA

- Cutremurul din Kobe 1995 -

Student:

Dumitru Vlad-Cristian

UTCB, FCCIA, PCCIZS, Grupa 2, M I

Seria 2011-2012

PARTEA I

CUTREMURUL DIN KOBE, 1995

Unul dintre cele mai puternice si devastatoare evenimente de natura seismica produse in ultimul secol este cutremurul din Kobe, Japonia, din data de 17 ianuarie 1995, ora locala 5:46, cunoscut altervativ ca Hanshin Daishinsai sau Hyogo ken Nanbu. Acesta secondeaza ca importanta cutremurul Kanto din 1923 si vine in afirmarea Japoniei ca tara cu o activitate seismica deosebit de intensa.

Ca zona afectata, aceasta este localizata in sud-vestul Japoniei, pe insula Honshu (cea mai mare), in cadrul districtului Kansai, care include prefecturile Hyogo si Osaka. Practic este a doua zona industriala a tarii, dupa zona Tokyo, de care o desparte o distanta de aproximativ 500 km.

Din punct de vedere strict al energiei eliberate, cutremurul din 1995 nu a fost unul de o natura extraordinara, doar contributia unei serii de factori facand din acesta un eveniment distrugator. In primul rand, cutremurul a fost unul de adancime redusa, cu focarul relativ aproape de suprafata (22 km). In al doilea rand, epicentrul a fost foarte apropiat de Kobe (20 km), orasul cu cea mai mare populatie (1,5 milioane de locuitori) si cel mai bogat fond construit din zona afectata. Ca ultim factor decisiv, un eventual cutremur puternic nu era preconizat pentru zona orasului Kobe, acesta fiind mai degraba asteptat in apropiere de Tokyo.

Din punct de vedere tectonic, teritoriul Japoniei se inscrie pe zona de contact dintre 4 mari placi: Placa Pacifica, Placa Filipineza, Placa Eurasiana (Amuriana) si Placa Nord Americana (Okhotsk) si apartine Cercului de Foc al Pacificului. Imediat la sud de Golful Osaka

trece o falie numita Median Tectonic Line (MTL) cea mai lunga falie a Japoniei. Cutremurul care a lovit Kobe a fost declansat de o miscare brusca in lungul faliei Nojima, ramura a MTL. Epicentrul cutremurului a fost localizat la capatul nordic al insulei Awaji, la aproximativ 40 km de MTL si 200 km de zona de subductie Nankai (acolo unde are loc patrunderea Placii Filipineze sub Placa Eurasiana). Putem astfel considera acest cutremur ca fiind unul intraplaci. De asemenea, adancimea focarului il incadreaza in categoria cutremurelor de suprafata (crustale).

USGS (United States Geological Survey) a asociat urmatorii parametri evenimentului: - data producerii 16.01.1995, ora 20:46:52 UTC; - localizare - 34.58 latitudine N, 135.01 longitudine E; - adancimea focarului 22 km; - magnitudine moment Mw=6.9. JMA (Japan Meteorological Agency) a asociat urmatorii parametri evenimentului: - data producerii 17.01.1995, ora 5:46:53.9 JST; - localizare - 34.60 latitudine N, 135.00 longitudine E, - adancimea focarului 22 km;

http://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=usgs&source=web&cd=1&ved=0CCwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.usgs.gov%2F&ei=pSK4TvrKMIjcsgbcuNHSAw&usg=AFQjCNGRI7XMoDtBIrJxYC34JYb8TJHRPQ

- JMA magnitude Mj=7.2. Pe baza relatiilor matematice se pot determina si urmatorii parametrii:

rezulta M0 = 2.24 Nm

rezulta = 1.12 Nm

rezulta = 7.2

unde: Mw magnitudinea moment; M0 moment seismic; energia de vibratie; Me magnitudinea energiei transformate in vibratie. Mecanismul de rupere este predominant de tipul faliei cu alunecare laterala (strike slip),

iar miscarea relativa se face fata de un plan inclinat la 80 - 90 si orientat SW. Durata totala a miscarii seismice a fost de 20 secunde.

Au existat 4 presocuri, dintre care cel mai puternic Mj = 3.7 in ziua precedenta. In cinci saptamani au fost observate aproximativ 50 de replici cu o magnitudine Mj 4.

Au fost atribuite urmatoarele intensitati pe scara folosita de JMA (Japan Meteorological Agency) pentru marile orase din zona:

- nivel 7 Kobe, Ashiya, Nishinomiya si Takarazuka; - nivel 6 Sumoto; - nivel 5 Toyooka , Hikone si Kyoto.

Istoric vorbind, zona nu a prezentat o activitate seismica intensa, dar cu toate acestea se poate reaminti un cutremur din 1916, aproximat la magnitudinea Mw=6.1 si cu un epicentru foarte apropiat de cel din 1995.

Ultimele statistici realizate au oferit cifre in jurul valorilor de 5 500 de morti si 26 000 de raniti, 200 000 de locuinte distruse sau avariate puternic, importante artere de circulatie intrerupte, precum si pierderi economice semnificative, atat directe, cat si indirecte (pe termen lung). Au trebuit sa fie asigurate adaposturi temporare pentru peste 300 000 de persoane si asta in contextul unor conditii meteo destul de vitrege, specifice anotimpului rece.

Majoritatea cazurilor de colaps total s-au intalnit in randul cladirilor construite inainte de intrarea in vigoare a celor mai recente coduri de proiectare antisesimica. Structurile din lemn au prezentat o vulnerabilitate deosebita in fata incendiilor produse din cauza avarierii conductelor de gaz.

http://en.wikipedia.org/wiki/Ashiya%2C_Hy%C5%8Dgohttp://en.wikipedia.org/wiki/Nishinomiya%2C_Hy%C5%8Dgohttp://en.wikipedia.org/wiki/Takarazuka%2C_Hy%C5%8Dgohttp://en.wikipedia.org/wiki/Toyooka%2C_Hy%C5%8Dgohttp://en.wikipedia.org/wiki/Hikone%2C_Shigahttp://en.wikipedia.org/wiki/Kyoto

Un fenomen deosebit aparut in urma cutremurului din 1995 a fost cel de lichefiere a solului. Desi structurile in sine nu au suferit distrugeri, din cauza cedarii terenului de fundare de sub ele au ajuns sa se rastoarne (overturning). Probleme de asemenea natura s-au observat cu precadere in cazul terenurilor artificiale (reclaimed land), amenajate in locurile in care in mod natural exista marea.

Cutremurul a produs daune masive si infrastructurii care deserveste caile de transport,

Kobe fiind un important nod de circulatie. Cel mai elocvent exemplu fiind prabusirea unor deschideri ale autostrazii suspendate Hanshin Expressway. Pagube importante au fost inregistrate si in zona portului unde numerose amenajari de chei au fost distruse.

In continuarea analizei seismului din Kobe au fost alese 2 statii seismice situate in amplasamente diferite pentru care exista inregistrari ale acceleratiei terenului:

- Takarazuka; - Nishi - Akashi. Pentru fiecare din cele doua statii au fost analizate accelerogramele de pe cele 2 directii

orizontale (N-S si E-W) si de pe directia verticala (UP). Folosindu-se relatiile de integrare au fost determinate si diagramele pentru viteza terenului si pentru deplasarea terenului.

Fiecare accelerograma contine un set de 4096 de date, iar intervalul de discretizare in timp este = 0.01 s. Rezulta deci ca inregistrarile se deruleaza pe un interval de timp de 40.96 s.

Caracteristicile de amplitudine au fost sintetizate in tabelul urmator.

CARACTERISTICI DE AMPLITUDINE

PGA (fractiune

din g)

PGA (cm/s2)

PGV (cm/s)

PGD (cm)

Takarazuka N-S 0.69 680.03 68.29 26.64 E-W 0.69 680.18 85.27 16.76 UP 0.43 424.97 34.84 12.39

Nishi - Akashi N-S 0.51 499.49 37.28 9.53 E-W 0.50 493.03 36.61 11.26 UP 0.37 363.56 17.28 5.63

Pentru evaluarea duratei efective au fost folosite praguri de amplitudini absolute, datele

fiind reprezentate in tabelul urmator.

DURATA EFECTIVA PRAG DE AMPLITUDINI

0.05g 0.10g 0.15g

Takarazuka N-S 14.92 5.54 2.76 E-W 12.15 8.27 3.84 UP 4.12 2.71 1.96

Nishi - Akashi N-S 16.5 11.47 7.81 E-W 17.07 10.87 5.84 UP 15.43 8.24 7.67

Facand o comparatie intre datele obtinute pentru cele doua statii putem spune ca durata

semnificativa a miscarii seismice a avut o intindere mai mare pentru Nishi Akashi, insa amplitudinile cu valori mai ridicate au caracterizat inregistrarile din Takarazuka. Acest lucru se poate observa si din alura accelerogramelor pe zona centrala. Se poate inscrie ca observatie si faptul ca valorile PGA sunt sensibil apropiate pentru cele doua directii din plan orizontal.

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (N-S) a(t)

a(t) N-S

a (cm/s2)

t (s)

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (N-S) v(t)

v(t) N-S

t (s)

v (cm/s)

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (N-S) d(t)

d(t) N-S

t (s)

d (cm)

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (E-W) a(t)

a(t) E-W

t (s)

a (cm/s2)

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (E-W) v(t)

v(t) E-W

t (s)

v (cm/s)

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (E-W) d(t)

d(t) E-W

t (s)

d (cm)

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (UP) a(t)

a(t) UP

t (s)

a (cm/s2)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (UP) v(t)

v(t) UP

t (s)

v (cm/s)

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Takarazuka (UP) d(t)

d(t) UP

t (s)

d (cm)

-600

-400

-200

0

200

400

600

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi - Akashi (N-S) a(t)

a(t) N-S

a (cm/s2)

t (s)

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi - Akashi (N-S) v(t)

v(t) N-S

v (cm/s)

t (s)

-12-10

-8-6-4-202468

10

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi - Akashi (N-S) d(t)

d(t) N-S

d (cm)

t (s)

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi- Akashi (E-W) a(t)

a(t) E-W

a (cm/s2)

t (s)

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi- Akashi (E-W) v(t)

v(t) E-W

v (cm/s)

t (s)

-10

-5

0

5

10

15

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi- Akashi (E-W) d(t)

d(t) E-W

d (cm)

t (s)

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi - Akashi (UP) a(t)

a(t) UP

a (cm/s2)

t (s)

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi - Akashi (UP) v(t)

v(t) UP

v (cm/s)

t (s)

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Nishi - Akashi (UP) d(t)

d(t) UP

d (cm)

t (s)

In ceea ce priveste continutul de frecvente au fost generate spectre Fourier de amplitudini pentru acceleratii. Rezultatele au fost reprezentate suprapus pe grafice pentru cele doua statii, adoptandu-se o scara logaritmica in baza 10 pentru frecvente pentru a se evidentia intervalul cu interes in domeniul ingineriei (0.1 10 Hz).

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0.01 0.1 1 10

Spectre Fourier de amplitudini N-S

Takarazuka

Nishi-Akashi

SFA (acc)

f (Hz)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0.01 0.1 1 10

Spectre Fourier de amplitudini E-W

Takarazuka

Nishi-Akashi

SFA (acc)

f (Hz)

In continuare se vor reprezenta spectrele de raspuns liniar ale deplasarii relative, vitezei

relative, acceleratiei absolute, precum si ale pseuso-vitezei si pseudo-acceleratiei. Domeniul de perioade ales pentru reprezentare este unul ce deriva din perioadele uzual folosite in domeniul ingineriei structurale ( 0 s 4 s).

Se vor suprapune pe acelasi grafic reprezentarile pentru diferite valori ale coeficientului de amortizare (=0.02, =0.05, =0.07, =0.10). Se poate trage concluzia generala ca un coeficient de amortizare mai mare conduce la spectre atenuate. De asemenea spectrul pseudo-vitezei si pseudo-acceleratiei aproximeaza destul de fidel spectrele vitezei si respectiv acceleratiei.

0

50

100

150

200

250

300

350

0.01 0.1 1 10

Spectre Fourier de amplitudini UP

Takarazuka

Nishi-Akashi

SFA (acc)

f (Hz)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1

Takarazuka (NSD (cm)

0

50

100

150

200

250

300

0 1

Takarazuka (NSV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1

Takarazuka (NSA (cm/s2)

2 3 4

Takarazuka (N-S) - Spectre deplasari relative

T (s)

2 3 4

Takarazuka (N-S) - Spectre viteze relative

T (s)

2 3 4

Takarazuka (N-S) - Spectre acceleratii absolute

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

0

50

100

150

200

250

300

0 1

Takarazuka (NV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1

Takarazuka (NA (cm/s2)

2 3 4

Takarazuka (N-S) - Spectre pseudoviteze

T (s)

2 3 4

Takarazuka (N-S) - Spectre pseudoacceleratii

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

0

10

20

30

40

50

60

0 1

Takarazuka (ESD (cm)

0

50

100

150

200

250

300

0 1

Takarazuka (ESV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 1

Takarazuka (ESA (cm/s2)

2 3 4

Takarazuka (E-W) - Spectre deplasari relative

T (s)

2 3 4

Takarazuka (E-W) - Spectre viteze relative

T (s)

2 3 4

Takarazuka (E-W) - Spectre acceleratii absolute

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

Spectre acceleratii absolute

T (s)

0

50

100

150

200

250

300

0 1

Takarazuka (EV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 1

Takarazuka (EA (cm/s2)

2 3 4

Takarazuka (E-W) - Spectre pseudoviteze

T (s)

2 3 4

Takarazuka (E-W) - Spectre pseudoacceleratii

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

0

5

10

15

20

25

0 1

Takarazuka (UP) SD (cm)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1

Takarazuka (UP) SV (cm/s)

0200400600800

100012001400160018002000

0 1

Takarazuka (UP) SA (cm/s2)

2 3 4

Takarazuka (UP) - Spectre deplasari relative

2 3 4

Takarazuka (UP) - Spectre viteze relative

2 3 4

Takarazuka (UP) - Spectre acceleratii absolute

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

Spectre acceleratii absolute

T (s)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1

Takarazuka (UP) V (cm/s)

0200400600800

100012001400160018002000

0 1

Takarazuka (UP) A (cm/s2)

2 3 4

Takarazuka (UP) - Spectre pseudoviteze

2 3 4

Takarazuka (UP) - Spectre pseudoacceleratii

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1

NishiSD (cm)

0

50

100

150

200

250

0 1

NishiSV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1

NishiSA (cm/s2)

2 3 4

Nishi-Akashi (N-S) - Spectre deplasari relative

T (s)

2 3 4

Nishi-Akashi (N-S) - Spectre viteze relative

T (s)

2 3 4

Nishi-Akashi (N-S) - Spectre acceleratii absolute

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

Spectre acceleratii absolute

T (s)

0

50

100

150

200

250

0 1

NishiV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1

NishiA (cm/s2)

2 3 4

Nishi-Akashi (N-S) - Spectre pseudoviteze

2 3 4

Nishi-Akashi (N-S) - Spectre pseudoacceleratii

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

Spectre pseudoacceleratii

T (s)

0

5

10

15

20

25

30

0 1

NishiSD (cm)

020406080

100120140160180200

0 1

NishiSV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1

NishiSA (cm/s2)

2 3 4

Nishi-Akashi (E-W) - Spectre deplasari

T (s)

2 3 4

Nishi-Akashi (E-W) - Spectre viteze relative

T (s)

2 3 4

Nishi-Akashi (E-W) - Spectre acceleratii

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

020406080

100120140160180200

0 1

NishiV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1

NishiA (cm/s2)

2 3 4

Nishi-Akashi (E-W) - Spectre pseudoviteze

T (s)

2 3 4

Nishi-Akashi (E-W) - Spectre pseudoacceleratii

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

Spectre pseudoacceleratii

T (s)

0123456789

10

0 1

Nishi-SD (cm)

0

20

40

60

80

100

120

0 1

Nishi-SV (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1

Nishi-SA (cm/s2)

2 3 4

-Akashi (UP) - Spectre deplasari

T (s)

2 3 4

-Akashi (UP) - Spectre viteze relative

T (s)

2 3 4

-Akashi (UP) - Spectre acceleratii

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

T (s)

0

20

40

60

80

100

120

0 1

Nishi-V (cm/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1

NishiA (cm/s2)

2 3 4

-Akashi (UP) - Spectre pseudoviteze

T

2 3 4

Nishi-Akashi (UP) - Spectre pseudoacceleratii

T

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

=0.02

=0.05

=0.07

=0.10

In ceea ce priveste spectrul mediu al acceleratiilor absolute (SA) au fost mediate valorile pentru cele doua statii seismice, pentru ambele componente. Spectrul cu 90% sansa de nedepasire a fost obtinut pe baza coeficientului , in relatia ! ".

Pentru ultimul subpunct al partii a II-a temei a fost construit si spectrul mediu normalizat

al acceleratiilor pentru componentele orizontale.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4

spectru p=0.9

spectru mediu

Spectre SA - componenta N-SSA

T( s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1 2 3 4

spectru p=0.9

spectru mediu

Spectre SA - componenta E-WSA

T (s)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

SA

T(s)

Spectru mediu normalizat