Γεωτεχνική Σεισμική Μηχανική

Η γεωτεχνική σεισμική μηχανική αναπτύχθηκε τις τελευταίες δεκαετίες ως ένας ιδιαίτερος κλάδος της σεισμικής μηχανικής. Το έναυσμα ήταν ένας ώριμος και ευτυχής συνδυασμός τεχνολογικής και επιστημονικής προόδου αφενός, και συστηματικών παρατηρήσεων και καταγραφών αφετέρου, από μια σειρά μεγάλων και καταστροφικών σεισμών, όπου αναδείχθηκε περίτρανα ο ρόλος των εδαφικών συνθηκών και η ιδιαίτερα πολύπλοκη συμπεριφορά του εδάφους, που σε αρκετές περιπτώσεις φόρτισης δεν μοιάζει με κανένα άλλο τεχνητό υλικό. Τέτοιοι σεισμοί ήταν οι σεισμοί στο Anchorage στην Αλάσκα και στη Niigata στην Ιαπωνία τη δεκαετία του 1960, και στην Πόλη του Μεξικού δύο δεκαετίες αργότερα, για να ακολουθήσουν πολλοί άλλοι, εξίσου ενδιαφέροντες και σημαντικοί σεισμοί για τη γεωτεχνική σεισμική μηχανική και όχι μόνο. Παράλληλα, η κατασκευή πυρηνικών αντιδραστήρων καθώς και η εκμετάλλευση και μεταφορά πετρελαϊκών κοιτασμάτων στην ανοικτή θάλασσα, ή σε ιδιαίτερα σεισμογενές περιβάλλον, όπως είναι η Αλάσκα, σε συνδυασμό με την εκρηκτική οικιστική ανάπτυξη σε παγκόσμια κλίμακα, και τη συνακόλουθη ανάγκη οικιστικής εκμετάλλευσης περιοχών σε σεισμογενές περιβάλλον και μέτριες εδαφικές συνθήκες, όλα αυτά μαζί προκάλεσαν μια σημαντικότατη και αυτόνομη ανάπτυξη της γεωτεχνικής σεισμικής μηχανικής, η οποία σήμερα βρίσκεται πλέον σε ώριμη φάση. Απομένουν βέβαια ακόμη πολλά να γίνουν. Υπάρχουν πολλές εκκρεμότητες και πολλά σημαντικά αναπάντητα ερωτήματα, οπότε σίγουρα τα προσεχή χρόνια αναμένεται ακόμη μεγαλύτερη πρόοδος σε πολλούς και σημαντικούς τομείς.
Το ανά χείρας βιβλίο φιλοδοξεί να καλύψει ένα σημαντικό κενό στην ελληνική βιβλιογραφία και να αποτελέσει οδηγό και αναφορά για το μέλλον, τόσο στην εκπαίδευση και την έρευνα, όσο και στην καθημερινή πρακτική κυρίως του πολιτικού μηχανικού, αλλά και του γεωλόγου, του τεχνικού σεισμολόγου και του γεωφυσικού.
Το βιβλίο καλύπτει ένα μεγάλο μέρος του αντικειμένου της γεωτεχνικής σεισμικής μηχανικής. Διαπραγματεύεται κατά κύριο λόγο τα θέματα που αφορούν την εδαφοδυναμική, την ισχυρή εδαφική κίνηση, την επιρροή των τοπικών εδαφικών συνθηκών και την εκτίμηση του σεισμού σχεδιασμού τεχνικών έργων. Επειδή όμως τα συγκεκριμένα αντικείμενα απαιτούν μια διεπιστημονική προσέγγιση, το βιβλίο ξεκινά με μια συνοπτική μεν αλλά συστηματική παρουσίαση, στα πλαίσια πάντοτε των ενδιαφερόντων του πολιτικού μηχανικού, της σεισμολογίας και της τεχνικής σεισμολογίας. Τα υπόλοιπα θέματα της γεωτεχνικής σεισμικής μηχανικής που αναφέρονται στη δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους, θεμελιώσεων, και κατασκευών, όπως επίσης και στον αντισεισμικό σχεδιασμό θεμελιώσεων και λοιπών γεωτεχνικών έργων, θα παρουσιασθούν σε επόμενο πόνημα.
Το βιβλίο απευθύνεται σε φοιτητές των τελευταίων εξαμήνων του προπτυχιακού κύκλου σπουδών των Πολιτικών Μηχανικών, σε μεταπτυχιακούς φοιτητές πολιτικούς μηχανικούς, γεωλόγους και σεισμολόγους, και φυσικά σε επαγγελματίες πολιτικούς μηχανικούς, σεισμολόγους, γεωλόγους και γεωφυσικούς. Απαιτεί σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό, γνώσεις εδαφομηχανικής, δυναμικής των κατασκευών και θεωρίας ελαστοδυναμικής, καθώς και σε μικρότερο βαθμό γνώσεις από άλλες ειδικότητες, όπως είναι η φυσική, η σεισμολογία, η γεωλογία, η υδραυλική και φυσικά τα μαθηματικά και η γενική μηχανική και δυναμική. Όπου κρίνεται απαραίτητο, ορισμένα από τα παραπάνω αντικείμενα αναπτύσσονται εν συντομία, κάτι που επί παραδείγματι ισχύει στο κεφάλαιο που παρουσιάζεται η θεωρία των ελαστικών κυμάτων.
Η παρουσίαση των θεμάτων που διαπραγματεύεται το βιβλίο οργανώθηκε σε επτά κεφάλαια.
Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται χαρακτηριστικές βλάβες και αστοχίες από διαφόρους πρόσφατους και παλαιότερους σεισμούς. Στόχος του κεφαλαίου είναι η εισαγωγή στην πολυπλοκότητα των φαινομένων που απαρτίζουν τη γεωτεχνική σεισμική μηχανική και η ανάδειξη του καθοριστικού ρόλου του εδάφους. Ερωτήματα που τίθενται στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και αναλύονται διεξοδικά στα επόμενα κεφάλαια.
Το δεύτερο κεφάλαιο είναι μια γενική εισαγωγή στη σεισμολογία και στις παραμέτρους που περιγράφουν τη γένεση των σεισμών, καθώς και τις μεθόδους και τα όργανα που μετρούν την ένταση, τη σφοδρότητα και τα χαρακτηριστικά τους.
Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται βασικά θέματα της τεχνικής σεισμολογίας, όπως είναι η φυσική της ισχυρής εδαφικής κίνησης, τα όργανα μέτρησης της εδαφικής ταλάντωσης, τα ελαστικά φάσματα απόκρισης, οι σχέσεις εκτίμησης της εδαφικής ταλάντωσης, και γενικά όλα τα θέματα που είναι χρήσιμα στην εκτίμηση της ισχυρής εδαφικής σεισμικής κίνησης από τη σκοπιά του μηχανικού.
Το τέταρτο κεφάλαιο ασχολείται με το σπουδαίο πρόβλημα της σεισμικής επικινδυνότητας και την πιθανοτική εκτίμηση του σεισμού σχεδιασμού. Όλα αυτά τα θέματα αναπτύσσονται δίνοντας συγκεκριμένα παραδείγματα και εφαρμογές από τον Ελλαδικό χώρο.
Στο πέμπτο κεφάλαιο που ακολουθεί παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της θεωρίας των ελαστικών κυμάτων, με έμφαση στις εφαρμογές τους στην εδαφοδυναμική και τη διάδοση των σεισμικών κυμάτων στο έδαφος.
Έχοντας λοιπόν αποκτήσει τις απαραίτητες προαπαιτούμενες γνώσεις, στα επόμενα δύο κεφάλαια παρουσιάζονται τα κατεξοχήν θέματα που ενδιαφέρουν το παρόν βιβλίο, τα οποία είναι στο μεν έκτο κεφάλαιο η εδαφοδυναμική, στο δε έβδομο και τελευταίο κεφάλαιο η θεωρητική και πρακτική εκτίμηση της ισχυρής εδαφικής σεισμικής ταλάντωσης και του σεισμικού φορτίου σχεδιασμού των πάσης φύσεως κατασκευών πολιτικού μηχανικού. Το κεφάλαιο της εδαφοδυναμικής διαπραγματεύεται θέματα θεωρητικής και πειραματικής εδαφοδυναμικής, όπου αναλύονται διεξοδικά οι δυναμικές ιδιότητες των εδαφών καθώς και τα θέματα της δυναμικής αντοχής ψαθυρών και συνεκτικών εδαφών, με έμφαση στην περιγραφή και τις μεθόδους εκτίμησης της ρευστοποίησης.
Τέλος, το έβδομο και τελευταίο κεφάλαιο αναφέρεται διεξοδικά στην επιρροή των τοπικών εδαφικών συνθηκών. Παρουσιάζονται οι πλέον δόκιμες θεωρητικές και πειραματικές μέθοδοι εκτίμησης της αναμενόμενης εδαφικής ενίσχυσης, δίδονται συγκεκριμένα παραδείγματα, ενώ παρουσιάζονται και αξιολογούνται οι σχετικές διατάξεις των εν ισχύ αντισεισμικών κανονισμών, συμπεριλαμβανομένων του Ευρωκώδικα 8, του ΕΑΚ 2000 και του IBC2000, που ισχύει στις ΗΠΑ. Παρουσιάζονται επίσης και προτάσεις του συγγραφέα και των συνεργατών του για τη βελτίωση των σχετικών διατάξεων του EC8και του ΕΑΚ2000.

Περιεχόμενα

1 Εισαγωγή

1.1 Σύντομη ανασκόπηση

1.2 Παραδείγματα ζημιών – Aστοχιών σε τεχνικά έργα

1.2.1 Αστοχίες από τον σεισμό του Kobe

1.2.2 Αστοχίες από τον σεισμό της Loma Prieta

1.2.3 Αστοχίες από τον σεισμό Κοζάνης – Γρεβενών

1.2.4 Αστοχίες από τον σεισμό του Northridge

1.2.5 Αστοχίες από τον σεισμό της Λευκάδας

1.2.6 Αστοχίες σε χωμάτινα φράγματα

1.2.7 Αστοχίες λόγω ασύγχρονης κίνησης

1.2.8 Εδαφικές αστοχίες γενικευμένου τύπου – Κατολισθήσεις

1.2.9 Αστοχίες σε πρανή και επιχώματα – Μόνιμες εδαφικές παραμορφώσεις

1.2.10 Αστοχίες θεμελιώσεων

1.3 Ανασκόπηση βασικών εννοιών

1.4 Κατάλογος ιστοσελίδων

2 Εισαγωγή στη σεισμολογία

2.1 Εισαγωγή

2.2 Η δομή του εσωτερικού της γης

2.2.1 Σεισμικά κύματα

2.2.2 Δομή της γης

2.3 Αίτια γένεσης των σεισμών

2.3.1 Γεωλογική ιστορία της γης

2.3.2 Τεκτονική των λιθοσφαιρικών πλακών

2.4 Μηχανισμός γένεσης των σεισμών

2.4.1 Θεωρία ελαστικής ανάπλασης

2.4.2 Διατμητική αντοχή ρηγμάτων και ομοιώματα σεισμικής θραύσης

2.4.3 Συσχέτιση του μηχανισμού γένεσης με την επαναληψιμότητα και το μέγεθος των σεισμών

2.5 Σεισμικά ρήγματα

2.5.1 Γεωμετρικές παράμετροι ρηγμάτων

2.5.2 Τυπικές μορφές σεισμικών ρηγμάτων

2.6 Όργανα καταγραφής της σεισμικής κίνησης

2.6.1 Σεισμογράφοι – επιταχυνσιογράφοι

2.6.2 Δίκτυα σεισμογράφων – επιταχυνσιογράφων

2.6.3 Τοπικά, πολύ πυκνά δίκτυα επιταχυσιογράφων

2.7 Μακροσεισμικές παράμετροι περιγραφής των σεισμών

2.7.1 Εστιακός χώρος – Σεισμική πηγή – Υπόκεντρο – Επίκεντρο

2.7.2 Σεισμική ροπή

2.7.3 Σεισμική πτώση τάσης

2.7.4 Μεγέθη σεισμών

2.7.5 Σεισμική ενέργεια

2.7.6 Γεωμετρικές παράμετροι ρηξιγενούς ζώνης

2.8 Σεισμική ένταση

2.8.1 Η έννοια της έντασης ενός σεισμού

2.8.2 Μακροσεισμικές κλίμακες έντασης

2.8.3 Iσόσειστες καμπύλες – Συσχέτιση με το μέγεθος

2.9 Σεισμικότητα της Ελλάδας

2.9.1 Γεωλογική και σεισμοτεκτονική δομή του Ελληνικού χώρου

2.9.2 Εννοιολογικοί ορισμοί και ποσοτικός καθορισμός της σεισμικότητας

2.9.3 Σεισμικότητα επιφανειακών σεισμών του Ελληνικού χώρου

2.9.4 Σεισμικότητα σεισμών ενδιάμεσου βάθους

3 Ισχυρή εδαφική κίνηση

3.1 Εισαγωγή

3.2 Περιγραφή της ισχυρής εδαφικής κίνησης

3.2.1 Πλάτος της εδαφικής κίνησης

3.2.2 Συχνοτικό περιεχόμενο της εδαφικής κίνησης

3.2.3 Διάρκεια της ισχυρής εδαφικής κίνησης

3.2.4 Άλλες παράμετροι περιγραφής της ισχυρής εδαφικής κίνησης

3.2.5 Ανακεφαλαίωση – Σύνοψη

3.3 Εκτίμηση των βασικών παραμέτρων της εδαφικής κίνησης

3.3.1 Σχέσεις εκτίμησης της ισχυρής εδαφικής κίνησης

3.3.2 Εκτίμηση του μέγιστου πλάτους

3.3.3 Εμπειρικές σχέσεις εκτίμησης φασματικών παραμέτρων

3.3.4 Σχέσεις εκτίμησης της εδαφικής κίνησης των Boore and Atkinson (2007)

3.4 Εκτίμηση συνθετικών εδαφικών κινήσεων

3.5 Χωρική μεταβλητότητα της εδαφικής κίνησης

3.6 Χαρακτηριστικά επιταχυνσιογραφήματα και ελαστικά φάσματα ισχυρών σεισμών στην Ελλάδα

4 Σεισμική επικινδυνότητα

4.1 Εισαγωγή

4.2 Σεισμική επικινδυνότητα και διακινδύνευση

4.3 Ο ρόλος της γεωλογίας και της νεοτεκτονικής

4.4 Μέθοδοι εκτίμησης της σεισμικής επικινδυνότητας

4.4.1 Προσομοίωση των σεισμικών πηγών

4.4.2 Αιτιοκρατική μέθοδος ανάλυσης της σεισμικής επικινδυνότητας

4.4.3 Πιθανοτική μέθοδος ανάλυσης της σεισμικής επικινδυνότητας

4.5 Γενικές αρχές εκτίμησης της σεισμικής επικινδυνότητας

4.6 Παραδείγματα

4.6.1 Ανάλυση της σεισμικής επικινδυνότητας της Θεσσαλονίκης

4.6.2 Σεισμική επικινδυνότητα της Ελλάδος κατά ΕΑΚ2000

4.6.3 Σεισμική επικινδυνότητα της Ευρώπης και της Μεσογείου

4.6.4 Σεισμική επικινδυνότητα της υδρογείου

5 Ελαστικά κύματα

5.1 Εισαγωγή

5.2 Ελαστικά κύματα σε απειρομήκες μέσο

5.2.1 Ελαστικά κύματα σε μία διάσταση

5.2.2 Ελαστικά κύματα σε μέσο τριών διαστάσεων

5.2.3 Εφαρμογές των κυμάτων P και S στη σεισμολογία

5.3 Ελαστικά κύματα σε περιορισμένο μέσο

5.3.1 Ελαστικά κύματα σε μία διάσταση με ένα σύνορο

5.4 Ελαστικά κύματα σε πραγματικό έδαφος

5.4.1 Εισαγωγή

5.4.2 Κύματα σε ελαστικό ημιχώρο

5.4.3 Κύματα σε στρωματοποιημένο ελαστικό μέσο

5.4.4 Η έννοια και το ανάλογο του ιξώδους απορροφητήρα

5.4.5 Ανάκλαση, μετάδοση και διάθλαση κυμάτων σε διεπιφάνειες

5.4.6 Φαινόμενη ταχύτητα

5.4.7 Διάδοση κυμάτων σε κορεσμένο μέσο

5.4.8 Απόσβεση κυμάτων

6 Εδαφοδυναμική

6.1 Γενική Εισαγωγή

6.2 Γενικές αρχές της συμπεριφοράς εδαφών σε δυναμικές φορτίσεις

6.3 Αρχές περιγραφής των σχέσεων τάσεων – παραμορφώσεων εδαφών σε κυκλική φόρτιση

6.3.1 Γραμμικό ιξωδοελαστικό μοντέλο

6.3.2 Μη γραμμικά μοντέλα

6.3.3 Ανακεφαλαίωση

6.4 Μέτρηση των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των εδαφών σε δυναμικές και κυκλικές φορτίσεις

6.4.1 Εισαγωγή

6.4.2 Έρευνα και μετρήσεις στο πεδίο

6.4.3 Εργαστηριακές δοκιμές και συσκευές

6.4.4 Εργαστηριακές δοκιμές σε ομοιώματα μεγάλης κλίμακας

6.4.5 Άλλες εργαστηριακές και επιτόπου δοκιμές

6.4.6 Δίκτυα επιταχυνσιογράφων

6.5 Δυναμικές ιδιότητες εδαφών

6.5.1 Δυναμικές ιδιότητες εδαφών σε μικρά πλάτη παραμόρφωσης

6.5.2 Δυναμικές ιδιότητες εδαφών σε μεσαία και μεγάλα πλάτη παραμόρφωσης

6.6 Διατμητική αντοχή εδαφών υπό δυναμική φόρτιση

6.6.1 Γενικές αρχές

6.6.2 Δυναμική διατμητική αντοχή συνεκτικών εδαφών

6.6.3 Δυναμική αντοχή κοκκωδών εδαφών

6.6.4 Καθιζήσεις στεγνής άμμου

6.7 Ρευστοποίηση εδαφών

6.7.1 Εισαγωγή

6.7.2 Ιστορικά παραδείγματα ρευστοποίησης και συναφών αστοχιών

6.7.3 Θεμελιώδεις αρχές της ρευστοποίησης

6.7.4 Εκτίμηση της διακινδύνευσης ρευστοποίησης

6.7.5 Αστοχίες λόγω ρευστοποίησης και μέτρα αντιμετώπισης

7 Επιρροή των τοπικών εδαφικών συνθηκών στην ισχυρή εδαφική κίνηση (ΕΤΕΣ)

7.1 Εισαγωγή

7.2 Βασικές έννοιες και ορισμοί

7.3 Μέθοδοι εκτίμησης της ΕΤΕΣ

7.3.1 Πειραματικές – εμπειρικές μέθοδοι

7.3.2 Εμπειρικές μέθοδοι

7.3.3 Ημι-εμπειρικές μέθοδοι

7.3.4 Θεωρητικές μέθοδοι

7.4 Παραδείγματα θεωρητικών αναλύσεων της σεισμικής εδαφικής απόκρισης

7.4.1 Μελέτη της σεισμικής απόκρισης οριζόντιων εδαφικών στρώσεων

7.4.2 Αναλύσεις της εδαφικής απόκρισης σε δύο διαστάσεις

7.5 Εδαφική ενίσχυση λόγω τοπογραφίας

7.5.1 Σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση

7.5.2 Παράδειγμα διερεύνησης της τοπογραφικής επιρροής στην ενίσχυση της εδαφικής απόκρισης

7.6 Εμπειρικοί και θεωρητικοί συντελεστές εδαφικής ενίσχυσης του σεισμικού κραδασμού

7.7 Αντισεισμικοί κανονισμοί

7.7.1 Χαρακτηρισμός των εδαφών κατά Ευρωκώδικα 8, τον IBC 2000 και τους Κ. Πιτιλάκη και συνεργάτες

7.7.2 Φασματική ενίσχυση

Βιβλιογραφία

Ευρετήριο