Dimensjonering for jordskjelv : Teorigrunnlag, regelverk og beregninger

Abstract

Det har i løpet av de siste tiårene blitt forsket intensivt på jordskjelv og seismiske lastvirkninger. Dette skyldes bl.a. at jordskjelv opptrer relativt hyppig og at konsekvensene ofte er meget alvorlige. Det har derfor blitt utviklet flere beregningsmetoder og dataprogrammer som gjør det mulig relativt hurtig å kontrollere om bygg som har regulær geometri og er fundamentert på kontinuerlige masser, vil tåle jordskjelv av en styrke som med stor sannsynlighet vil inntreffe innenfor byggets forventede levetid. I Norge oppstår det sjelden jordskjelv i en størrelsesorden som medfører risiko for bygningsskader og dødsfall, men både historiske dokumenter og forskning viser at denne typen skjelv tidligere har og fortsatt vil oppstå. Derfor har det som en konsekvens av risikoen for nye skjelv og de nye analysemetodene, blitt innført krav om at også norske bygg skal kontrolleres for seismiske lastvirkninger. Når grunnen utsettes for rystelser tilføres byggene i området energi som kan tas opp på forskjellige måter. I denne oppgaven viser vi hvordan lastvirkningene fra denne typen prosesser kan beregnes. Vi ser først på et system med en enkelt frihetsgrad og deretter på mer generelle konstruksjoner. Både nøyaktige og forenklede analysemetoder gjennomgås. I mars 2010 ble det norske regelverket for prosjektering av konstuksjoner for seismiske lastvirkninger endret fra NS 3491-12 til NS-EN 1998-1:2004+NA:2008. Denne oppgaven inneholder en innføring i begge regelverkene, og det legges vekt på den teoretiske bakgrunnen for metodene og formlene som er angitt, samt forskjellen mellom regelverkene. Vi gjennomfører beregninger av utvalgte seismiske lastvirkninger på et tenkt bygg ved bruk av analysemetoder fra regelverkene, og deretter sammenliknes resultatene. De viser at analysene i henhold til det nye regelverket i de fleste tilfeller er mer arbeidskrevende og gir større lastvirkninger enn det gamle. Teorien er videre benyttet til å diskutere viktige forhold i forbindelse med seismiske laster gjennom en rekke eksempler. Her gjennomgås betydningen av grunnforhold, geometri og bygningsmaterialer. Både gode og uheldige løsninger betraktes, og i hvert tilfelle forklares teorien bak resultatene. Det viser seg at det med tanke på seismiske lastvirkninger er gunstig at byggets avstivende elementer både er kontinuerlige gjennom alle etasjene og jevnt fordelt i planet, samt at det fundamenteres på faste grunnforhold. Oppgaven kan ses som en innføring i prosjektering for seismiske laster, der teoribakgrunn, regelverk og viktige aspekter gjennomgås.

During the past decades extensive research on earthquakes and seismic loads has been conducted. The reason for this is partly that earthquakes strike rather frequently, and partly that they often bring devestating consequences. As a result, there has been developed several methods of analysis and computer programmes that makes it possible to check the capasity of a building against the seismic loads, that presumably will occur during the life span of the building. These methods are most effective for buildings with simple geometry based on continous masses. The strike of earthquakes that bring risk of death and buildings collapsing is rare in Norway. But both historical documents and research show that this type of earthquakes prevously have, and still will, strike. As a result of the risk of new earthquakes and the new methods of analysis, it has been decided that buildings in Norway must be designed for seismic loads. When the ground shakes it brings energy to the buildings in the area. This energy can be dissipated in different ways. In this thesis, we show how to compute the seismic loads from this type of prosesses. At first we consider a system with just one degree of freedom and subsequently more general structures is analysed. Both exact and simplified methods of analysis is explained. In march 2010 the norwegian building code for seismic loading was changed from NS 3491-12 to NS-EN 1998-1+NA:2004. This thesis includes an introduction to both codes with emphasis on the theoretical background for the methods and formulas as well as the differences between the codes. We calculate certain seismic loads on a hypothetical building using methods from the codes and compare the results. This leads to the conclusion that the new code in most cases is more labour-intensive and gives larger loads than the old one. The theory is also used to discuss important aspects to seismic loads through multible exampels. We go through the importance of ground conditions, geometry and material choice. Both good and adverse solutions are shown, and we explain the theoretical background for the results in every example. We learn that it is favourable to spread the components for horisontal loads over the plan of each floor and to keep these components continous through the stories, and that it is also favourable to place the building on firm ground. This thesis can be seen as an introducton that include theory, codes and important aspects to seismic design.