o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισµικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισµολογίας 5 7 Νοεµβρίου, 008 Άρθρο 977 Θεωρητική και πειραµατική µελέτη σεισµικής απόκρισης εδαφικών σχηµατισµών στην πόλη των Γρεβενών Theoretical and empirical site response studies in the city of Grevena Κυριαζής ΠΙΤΙΛΑΚΗΣ, Αναστάσιος ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΗΣ, Μαρία ΜΑΝΑΚΟΥ, Πασχάλης ΑΠΟΣΤΟΛΙ ΗΣ 4, Άννα ΜΕΣΣΙΝΗ 5, Κώστας ΣΕΝΕΤΑΚΗΣ 6, Σταυρούλα ΦΩΤΟΠΟΥΛΟΥ 7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στόχος της εργασίας είναι η θεωρητική και πειραµατική µελέτη της σεισµικής απόκρισης των εδαφών στην πόλη των Γρεβενών. Πραγµατοποιήθηκε ένα εκτεταµένο πρόγραµµα γεωφυσικών δοκιµών για τον προσδιορισµό της γεωµετρίας και των δυναµικών ιδιοτήτων των κύριων γεωτεχνικών σχηµατισµών της λεκάνης των Γρεβενών. Η µεταβολή της ταχύτητας V s µε το βάθος προσδιορίστηκε από µετρήσεις µικροθορύβου κυκλικής διάταξης. Τα αποτελέσµατα συσχετίστηκαν µε τα διαθέσιµα γεωλογικά και γεωτεχνικά στοιχεία και κατασκευάσθηκαν δισδιάστατες ( ) γεωτεχνικές τοµές και χάρτης που δίνει την έκταση των κύριων γεωλογικών σχηµατισµών στα όρια της πόλης. Πραγµατοποιήθηκαν επίσης µετρήσεις θορύβου για την εκτίµηση της δεσπόζουσας περιόδου και του δυναµικού ενίσχυσης. Η θεωρητική µελέτη της σεισµικής απόκρισης πραγµατοποιήθηκε σε αντιπροσωπευτικά µονοδιάστατα ( ) εδαφικά προσοµοιώµατα που προέκυψαν από την σύνθεση των διαθέσιµων στοιχείων και µετρήσεων και για σεισµικά σενάρια µε µέση περίοδο επανάληψης 00, 500 και 000 χρόνια. Τα αποτελέσµατα δίδονται υπό µορφή χαρτών και περιλαµβάνουν την χωρική µεταβολή στην επιφάνεια και σε βάθος m, των κορυφαίων τιµών επιτάχυνσης, ταχύτητας, µετάθεσης και αποτελούν τη βάση για την εφαρµογή µεθόδων εκτίµησης και διαχείρισης της σεισµικής διακινδύνευσης. ABSTRACT : This paper presents theoretical and empirical estimates of a site response analysis of the city of Grevena. An extensive program of geophysical surveys was conducted in order to define the geometry and the dynamic properties of the soil formations in the Grevena basin. The variation of the Vs velocity with depth was determined by array microtremor measurements. The results of these measurements were correlated with the available geological and geotechnical information. D cross sections were produced from the results, as well as a map that provides the extension of the soil formations in the city. In addition, single station noise measurements were performed in order to determine the resonant frequency and the amplification factor. The theoretical D site response analysis was performed in representative D soil models, which resulted from the synthesis of all the available data and measurements for three seismic scenarios, corresponding at mean return Καθηγητής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, email: kpitilakis@civil.auth.gr Λέκτορας, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, email: anas@civil.auth.gr ρ. Γεωλόγος, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, email: manakou@civil.auth.gr 4 ρ. Γεωλόγος, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, email: pass@civil.auth.gr 5 Γεωλόγος, Υπ. ιδ., Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, email: messini@civil.auth.gr 6 Πολιτικός Μηχανικός, Υπ. ιδ., Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, email: ksenetak@civil.auth.gr 7 Πολιτικός Μηχανικός, Μετ. Φοιτ., Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, email: sfotopou@civil.auth.gr
period of 00, 500 and 000 years. The results are presented in maps, including the spatial variation/variability of the peak ground acceleration, velocity and displacement, in both ground surface and m of depth. These results constitute the basis for seismic risk studies and management of lifelines and infrastructure of the Grevena city. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η σηµασία της τοπικής επιφανειακής γεωλογίας στη διαµόρφωση της ισχυρής σεισµικής ταλάντωσης είναι γεγονός αδιαµφισβήτητο στη διεθνή κοινότητα της αντισεισµικής µηχανικής (Aki, 988). Η εδαφική δοµή και τα χαρακτηριστικά της καθορίζουν τη µεταβολή από θέση σε θέση του είδους και της έκτασης των σεισµικών βλαβών αναδεικνύοντας τη µεγάλη επιρροή στο µέγεθος και το φασµατικό περιεχόµενο της εδαφικής κίνησης στην επιφάνεια. Η γνώση των γεωµετρικών και δυναµικών χαρακτηριστικών της τοπικής γεωλογίας µιας περιοχής είναι σηµαντική, τόσο για την ερµηνεία σεισµικών καταγραφών προερχόµενες από µόνιµα και προσωρινά καταγραφικά δίκτυα της περιοχής, όσο και στην προσοµοίωση της αναµενόµενης σεισµικής ταλάντωσης και στην περιγραφή του φάσµατος σχεδιασµού. Στην παρούσα εργασία, η οποία αποτελεί µέρος ενός γενικότερου ερευνητικού έργου που σκοπό έχει την εφαρµογή βελτιωµένων µεθόδων για τη εκτίµηση και µείωση του σεισµικού κινδύνου στην πόλη των Γρεβενών, παρουσιάζονται µε µορφή χαρτών τα αποτελέσµατα προσανατολισµένης γεωφυσικής έρευνας και σεισµικής απόκρισης των εδαφών. Η γεωφυσική διασκόπηση συµπεριλάµβανε µετρήσεις µικροθορύβου κυκλικής διάταξης σε αντιπροσωπευτικές θέσεις. Η ενόργανη µελέτη της σεισµικής απόκρισης έγινε µε τον υπολογισµό των εµπειρικών συναρτήσεων µεταφοράς σε 6 θέσεις µέτρησης θορύβου. Η θεωρητική µελέτη της σεισµικής απόκρισης έγινε µε µονοδιάστατες ισοδύναµες γραµµικές αναλύσεις σε 9 αντιπροσωπευτικές θέσεις της πόλης. Οι αναλύσεις πραγµατοποιήθηκαν για τρία διαφορετικά σεισµικά σενάρια που αντιστοιχούν µε µέση περίοδο επανάληψης 00, 500 και 000 χρόνια. Τα αποτελέσµατα αυτά υπό τη µορφή κορυφαίων τιµών επιτάχυνσης, ταχύτητας και µετάθεσης, καθώς και φασµάτων απόκρισης χρησιµοποιούνται στην εφαρµογή σύγχρονων µεθόδων αποτίµησης του σεισµικού κινδύνου του κτιριακού αποθέµατος, των δικτύων κοινής ωφελείας και των υποδοµών του πολεοδοµικού συγκροτήµατος της πόλης των Γρεβενών. ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ Από γεωτεκτονική άποψη η Πλειοκαινική Πλειστοκαινική λεκάνη των Γρεβενών ανήκει στο δυτικό όριο της Πελαγονικής ζώνης και µέρος του ανατολικού της τµήµατος στην Υποπελαγονική ζώνη. Το αλπικό-προαλπικό υπόβαθρο της περιοχής αποτελείται από κάτω προς τα πάνω από α) γνευσίους, αµφιβολίτες, µεταδιαβάσες και σχιστόλιθους, β) ασβεστόλιθους, γ) οφιόλιθους και άλλα ιζήµατα βαθιάς θάλασσας, δ) ασβεστόλιθους και φλύσχη (Brunn, 956; Pavlides and Mountrakis, 987). Υπερκείµενοι του υποβάθρου σχηµατισµοί είναι τα Μειοκαινικά µολλασικά ιζήµατα τα οποία αποτελούνται από διαφορετικής λιθολογικής σύστασης υλικά, κυρίως κροκαλοπαγή, ψαµµίτες, µάργες και ιλυόλιθους. Το πάχος της ιζηµατογενής αυτής σειράς εκτιµάται στα 4.000 µε 5.000 m (Brunn, 956). Πάνω από τα ιζήµατα αυτά τοποθετούνται εναλλαγές
κροκαλοπαγών, ψαµµιτών και µαργών. Ακολουθούν τα Πλειο-Πλειστοκαινικά ιζήµατα µε µέσο πάχος 00 m τα οποία από κάτω προς τα πάνω συνίστανται από κροκαλοπαγή, άµµους, κροκάλες και ψαµµίτες. Οι ανώτεροι σχηµατισµοί που καλύπτουν το µεγαλύτερο µέρος της πόλης των Γρεβενών, τα Πλειστοκαινικά-Ολοκαινικά ιζήµατα αποτελούνται από υλικά ποταµών και χειµάρρων, πρόσφατες αλλουβιακές αποθέσεις από άµµους, άργιλο, κροκάλες και χαλαρά υλικά (Mουντράκης, 988). Ο γεωλογικός χάρτης της περιοχής και µια τυπική γεωλογική τοµή διεύθυνσης Β -ΝΑ παρουσιάζεται στο Σχήµα. Στην ευρύτερη περιοχή µελέτης κυριαρχούν µεγάλης κλίµακας ρήγµατα διεύθυνσης ΒΑ-Ν και ΑΒΑ- Ν. Η κύρια ενεργός τεκτονική δοµή είναι το ρήγµα του Αλιάκµονα. Τµήµα του ρήγµατος αυτού αποτελεί το ΑΒΑ - Ν (Β 70 ) διεύθυνσης και 0 km µήκους σεισµικό ρήγµα Ρυµνίου - Παλαιοχωρίου Σαρακήνας Κεντρί Νησί, το οποίο ήταν υπεύθυνο για το σεισµό της ης Μαΐου 995 Κοζάνης M 6.6 (Mουντράκης, 988; Παυλίδης, 995). A Τεταρτογενές Αλλουβιακές αποθέσεις Πλειόκαινο-Πλειστόκαινο Ποτάµιες και λιµναίες αποθέσεις σε αναβαθµίδες: χαλαρά κροκαλοπαγή, κυανοίυποπράσινοι άργιλοι, άµµοι και χαλαροί ψαµµίτες µε κόκκους ποικίλου µεγέθους καθώς και κροκαλοπαγή και ερυθροί άργιλοι στα υψηλότερα τµήµατα αυτών. Μειόκαινο Ανώτερη σειρά κροκαλοπαγών και ψαµµιτών: πολυγενή κροκαλοπαγή (πάχους 0m), τεφροκύανες συνεκτικές µάργες, που εναλλάσσονται µε λεπτόκοκκους µαργαϊκούς ψαµµίτες (πάχους 675m) και µια ψαµµιτική σειρά µε εναλλαγές κροκαλοπαγών στη βάση και αλλεπάλληλων ψαµµιτικών φακών στα ανώτερα τµήµατα (πάχους 700m). A Σχήµα. Γεωλογικός χάρτης της ευρύτερης περιοχής µελέτης (Φύλλο Γρεβενά, κλίµακας :50.000, ΙΓΜΕ, 97) και τυπική τοµή διεύθυνσης Β -ΝΑ η οποία διέρχεται από την πόλη των Γρεβενών. ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΚΑΙ ΓΕΩΦΥΣΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ Τα διαθέσιµα γεωτεχνικά στοιχεία για την περιοχή µελέτης συµπεριλαµβάνουν συνολικά 7 δειγµατοληπτικές γεωτρήσεις, 7 εκ των οποίων βάθους 0 5 m τοποθετούνται στο κεντρικό τµήµα της πόλης και οι υπόλοιπες βάθους 0 40 m, στην είσοδο αυτής (Σχήµα ).
Για τις γεωτρήσεις αυτές υπήρξαν στοιχεία δοκιµών πεδίου (κυρίως ΝSPT) και εργαστηριακών δοκιµών τα οποία χρησιµοποιήθηκαν στα πλαίσια της µελέτης για τον γεωτεχνικό χαρακτηρισµό των επιφανειακών εδαφικών σχηµατισµών της πόλης. Tο σύνολο των στοιχείων οργανώθηκε στο Γεωγραφικό Σύστηµα Πληροφοριών, GIS (GIS, 984). Το Σχήµα δείχνει δύο τυπικές εδαφικές στήλες µε τα γεωϋλικά που κυριαρχούν στο κεντρικό και ανατολικό τµήµα της πόλης. Το κεντρικό τµήµα καλύπτεται από ένα στρώµα πάχους m που συνίσταται από επιχωµατώσεις, µίγµατα άµµου και αργίλου, και αµµοχάλικων τα οποία βρίσκονται σε χαλαρή κατάσταση. Κάτω από το στρώµα αυτό και µέχρι τα 6 m κυριαρχούν τα αργιλικά και ιλυώδη υλικά τα οποία παρουσιάζουν τιµές NSPT από 0 έως 5, ενώ κατά περιοχές όπου έχουµε την παρουσία χαλίκων, οι τιµές κυµαίνονται µεταξύ 5 και 0. Μέχρι το βάθος των 0-5 m, που είναι το βάθος των περισσότερων γεωτρήσεων, κυριαρχούν οι άµµοι, κροκάλες και αµµοχάλικα µε τιµές NSPT µεγαλύτερες του 5. Τα αδρόκοκκα αυτά υλικά εµφανίζονται κάτω από το βάθος των 6 m στο ανατολικό τµήµα, στην είσοδο της πόλης, µε πάχος που ξεπερνά τα 0 m. 0.0-.0m.0-6.0m Επιχωµατώσεις µίγµατα άµµου & αργίλου, αµµοχάλικα γενικά σε χαλαρή κατάσταση CL (PI:0-0) CH (PI:0-40) SC (PI:5-0) Με µεταβαλλόµενο ποσοστό χαλίκων ΝSPT: 0-5 έως 5-0 0.0-6.0m Αµµώδης άργιλος µε παρουσία χαλίκων SC (PI:5-0) ΝSPT: 4 >0.0m GW, GM,GC, SC (PI:5-0) ΝSPT: 5-40 έως >40 40.0m GW, GM,GC, SC (PI:5-0) ΝSPT: 50 Σχήµα. Θέσεις των δειγµατοληπτικών γεωτρήσεων (κόκκινοι κύκλοι µε τον αντίστοιχο αριθµό) στο τοπογραφικό ανάγλυφο της περιοχής και δύο τυπικές εδαφικές στήλες στο ανατολικό (γεώτρηση c-c) και κεντρικό τµήµα της πόλης (γεώτρηση -).
Οι δυναµικές ιδιότητες των γεωλογικών σχηµατισµών της περιοχής µελέτης προσδιορίστηκαν µε την µέθοδο µικροθορύβου (Microtremor Exploration Method, MEM). Πραγµατοποιήθηκαν µετρήσεις θορύβου σε αντιπροσωπευτικές και γεωγραφικά κατανεµηµένες θέσεις εντός της πόλης (Σχήµα ). Μέρος των µετρήσεων πραγµατοποιήθηκε κοντά σε δειγµατοληπτικές γεωτρήσεις ώστε να υπάρξει δυνατότητα άµεσης επιβεβαίωσης των αποτελεσµάτων τους µε διαθέσιµα γεωτεχνικά στοιχεία. Ο εδαφικός θόρυβος καταγράφηκε για χρονικό διάστηµα 0 µε 5 min σε 4 σεισµογράφους Guralp (CMG-40T ιδιοπεριόδου 0 sec) οι οποίοι συνδέονταν µε αντίστοιχα σε αριθµό καταγραφικά όργανα Reftek (DAS-0) και µονάδες GPS. Σε όλες τις θέσεις χρησιµοποιήθηκε κυκλική διάταξη, τοποθετώντας ένα σεισµογράφο στο κέντρο και τους υπόλοιπους τρεις σε κύκλο. Αναπτύχθηκαν δύο έως τρεις οµόκεντροι κύκλοι διαφορετικής ακτίνας από 0 έως 40 m, ανάλογα µε τον διαθέσιµο ελεύθερο χώρο για κάθε θέση, µε σκοπό την διασκόπηση των σχηµατισµών σε διαφορετικά βάθη. Χρησιµοποιώντας την κατακόρυφη συνιστώσα, οι καταγραφές θορύβου σε κάθε ακτίνα κύκλου χωρίστηκαν σε 50 έως και 75 παράθυρα ανάλυσης µε χρονική διάρκεια από 6 έως 65 sec και µε µερική µεταξύ τους επικάλυψη. Με τη µέθοδο ΧΣΑ, υπολογίστηκαν οι συναρτήσεις συσχέτισης και οι καµπύλες σκέδασης της ταχύτητας φάσης των Rayleigh κυµάτων σε κάθε παράθυρο θορύβου. Η τελική καµπύλη σκέδασης για κάθε θέση µελέτης, προέκυψε από τη µέση καµπύλη σκέδασης των παραθύρων που χρησιµοποιήθηκαν τελικά για κάθε ακτίνα. Προσδιορίστηκε η πειραµατική καµπύλη σκέδασης της ταχύτητας φάσης των Rayleigh κυµάτων σε 0 από τις θέσεις µέτρησης και τελικά η κατανοµή ταχύτητας των διατµητικών κυµάτων (V s ) µε το βάθος µέσω µιας διαδικασίας αντιστροφής (Herrmann, 985). Στις περισσότερες θέσεις οι ταχύτητες V s προσδιορίστηκαν µέχρι το βάθος των 70-80 m, ενώ σε µια µόνο θέση (θέση ) το βάθος έφθασε τα 65 m. Το µικρό σχετικά βάθος διασκόπησης της µεθόδου σχετίζεται άµεσα µε τις περιορισµένης ανάπτυξης ακτίνες των θέσεων διασκόπησης λόγω απουσίας διαθέσιµων ελεύθερων χώρων στην πυκνοδοµηµένη πόλη των Γρεβενών. Τα µονοδιάστατα προσοµοιώµατα ταχύτητας V s συσχετίστηκαν µε τη γεωλογία και τα διαθέσιµα γεωτεχνικά στοιχεία µέσω δισδιάστατων εδαφοδυναµικών τοµών, ώστε να προκύψει ο γεωτεχνικός χαρακτηρισµός των γεωϋλικών της λεκάνης των Γρεβενών. Σύµφωνα µε τις τοµές αυτές, οι οποίες διατρέχουν την πόλη κατά διαφορετικές διευθύνσεις, ο επιφανειακός σχηµατισµός µε µέσο πάχος 0-40 m και ταχύτητα V s 400-500 m/sec που κατά περιοχές χαρακτηρίζεται επιφανειακά από τιµές ταχύτητας V s 00-50 m/sec και συναντάται περιφερειακά του ποταµού Γρεβενιώτικου, αντιστοιχεί στους Τεταρτογενείς εδαφικούς σχηµατισµούς της λεκάνης. Ο υποκείµενος σχηµατισµός ταχύτητας V s 800-900 m/sec αντιστοιχεί στα Πλειο-Πλειστοκαινικά ιζήµατα της µολασσικής ιζηµατογενούς σειράς. Το πάχος του σχηµατισµού αυτού, σύµφωνα µε γεωλογικά στοιχεία φτάνει τα 00 m περίπου. Ο δύστµητος αυτός σχηµατισµός µε ταχύτητα V s µεγαλύτερη από 750 m/sec αποτέλεσε για τις θεωρητικές αναλύσεις απόκρισης, το σεισµικό υπόβαθρο της περιοχής. Οι δύο εδαφικοί σχηµατισµοί που προσδιορίστηκαν από τις µετρήσεις µικροθορύβου ανήκουν σύµφωνα µε τον Ελληνικό Αντισεισµικό Κανονισµό (Ε.Α.Κ.-000) και τον Ευρωκώδικα (EC8), στις κατηγορίες εδάφους Β και Α αντίστοιχα.
ΜΕΛΕΤΗ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ Η ενόργανη µελέτη της σεισµικής απόκρισης συµπεριλάβανε µετρήσεις µικροθορύβου µεµονωµένου σταθµού καταγραφής σε 6 θέσεις (Σχήµα ). Χρησιµοποιήθηκε ένας σεισµογράφος Guralp (CMG-40T ιδιοπεριόδου 0 sec), καταγραφικό όργανο Reftek (DAS- 0) και µονάδα GPS για την καταγραφή θορύβου διάρκειας 5 έως 0 min ανά θέση. Οι µετρήσεις έγιναν κυρίως τις απογευµατινές και βραδινές ώρες ώστε να αποφευχθούν ανεπιθύµητοι εξωτερικοί θόρυβοι οι οποίοι µπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα των µετρήσεων. Η επεξεργασία των καταγραφών έγινε µε την τεχνική της οριζόντιας προς την κατακόρυφη συνιστώσα, HVSR, η οποία για δεδοµένα θορύβου είναι γνωστή ως τεχνική Nakamura (Nakamura, 989). Από τις ενόργανες συναρτήσεις µεταφοράς προσδιορίστηκε η συχνότητα f res και το πλάτος ενίσχυσης A max του θεµελιώδους συντονισµού για τις δύο οριζόντιες συνιστώσες (NS, EW) και την κατακόρυφη (UD) στο µεγαλύτερο µέρος των µετρήσεων. Ως αξιόπιστες τιµές συχνότητας θεωρήθηκαν αυτές που η ενίσχυση των µέσων συναρτήσεων µεταφοράς των δύο οριζόντιων συνιστωσών τους υπήρξε µεγαλύτερο ή ίσο του, εφόσον σύµφωνα µε τη γενικότερα αποδεκτή άποψη µεγάλες τιµές ενίσχυσης αντικατοπτρίζουν αξιόπιστα προσδιορισµένες τιµές συχνότητας συντονισµού. Τα αποτελέσµατα των εµπειρικών συναρτήσεων µεταφοράς χρησιµοποιήθηκαν για τον διαχωρισµό της πόλης σε ζώνες µε βάση τη θεµελιώδη συχνότητα και τις παραµέτρους ενίσχυσης της εδαφικής στήλης. Στο Σχήµα 4 δίδεται η µεταβολή της θεµελιώδους συχνότητας συντονισµού στην περιοχή που εξετάστηκε όπου διακρίνονται δύο κύριες ζώνες. Η ζώνη Ι αναπτύσσεται στο κεντρικό βύθισµα της λεκάνης, στην ίδια περίπου περιοχή που συναντούνται οι Τεταρτογενείς αποθέσεις και χαρακτηρίζεται από τιµές συχνότητας µεταξύ και 4 Hz και η Ζώνη ΙΙ, που περικλείει την Ζώνη Ι, απλώνεται περιφερειακά, στα υψώµατα της πόλης µε τιµές συχνότητας µεγαλύτερες από 4 Hz. Η θεωρητική µελέτη της σεισµικής απόκρισης πραγµατοποιήθηκε σε αντιπροσωπευτικές θέσεις της πόλης των Γρεβενών οι οποίες επιλέχθηκαν από κάνναβο διαστάσεων 0,5x0,5 Km, µε τρόπο ώστε να παρέχουν οµοιόµορφη και συστηµατική κάλυψη των περιοχών µε επιφανειακή εµφάνιση πρόσφατων αποθέσεων (Σχήµα 5). Τα εδαφικά προσοµοιώµατα σχεδιάστηκαν µετά την παραγωγή των εδαφοδυναµικών τοµών µε βάση όλα τα γεωλογικά, γεωφυσικά, γεωτεχνικά δεδοµένα καθώς και τα αποτελέσµατα των µετρήσεων µικροθορύβου. Στις θέσεις αυτές τόσο η στρωµατογραφία όσο και οι δυναµικές ιδιότητες του εδάφους είναι γνωστές, και κατά κανόνα συγκεντρώνουν το ενδιαφέρον στην παρούσα φάση της µελέτης, µιας και σχετίζονται άµεσα µε φαινόµενα χωρικής διαφοροποίησης της σεισµικής κίνησης. Η µελέτη της σεισµικής απόκρισης, έγινε µε την µέθοδο της µονοδιάστατης κυµατικής ανάλυσης, χρησιµοποιώντας το γνωστό κώδικα ισοδύναµης γραµµικής ανάλυσης κατακορύφως αναδυοµένων από το βραχώδες υπόβαθρο κυµάτων SH.
Ενόργανες µετρήσεις σεισµικής απόκρισης Μετρήσεις µικροθορύβου κυκλικής διάταξης ειγµατοληπτικές γεωτρήσεις ΓεωλογικόόριοΤεταρτογενών Πλειστοκαινικών ιζηµάτων Γρεβενιώτικος ποταµός Οδικό δίκτυο Σχήµα. Θέσεις των µετρήσεων µικροθορύβου κυκλικής διάταξης και των ενόργανων µετρήσεων σεισµικής απόκρισης. Απεικονίζονται επίσης οι θέσεις των δειγµατοληπτικών γεωτρήσεων. Οι αριθµοί αντιστοιχούν στην κωδικοποίηση που χρησιµοποιήθηκε για κάθε θέσης µελέτης. Ζώνη ΙΙ Ζώνη Ι Ζώνη ΙΙ Ζώνη ΙΙ Ζώνη Ι: f res 4 Hz Ζώνη ΙΙ: f res > 4 Hz Σχήµα 4. ιαχωρισµός της λεκάνης των Γρεβενών σε ζώνες µε βάση τις τιµές της συχνότητας του θεµελιώδους συντονισµού, f res.
Σχήµα 5. Κάνναβος για τις θεωρητικές αναλύσεις σεισµικής απόκρισης (διάσταση κελιών 0,5x0,5 km). Θέσεις (κόκκινοι κύκλοι) που επιλέχθηκαν για την θεωρητική µελέτη της εδαφικής απόκρισης. Με κόκκινες γραµµές παριστάνονται τα δίκτυα κοινής ωφέλειας της πόλης. Ο σεισµικός κραδασµός σχεδιασµού στο βραχώδες υπόβαθρο προέκυψε από τη µελέτη σεισµικής επικινδυνότητας που έγινε στα πλαίσια του προγράµµατος SRM-DGC και αναφέρεται σε µέγεθος σεισµού M 6 και επικεντρική απόσταση R 5Km, M 6. και R 4Km και M 6.4, R Km για µέση περίοδο επανάληψης 00, 500 και 000 χρόνια αντίστοιχα (Τεχνική Έκθεση ερευνητικού προγράµµατος SRM-DGC, 007/Χ. Παπαιωάννου). Η µέγιστη αναµενόµενη οριζόντια επιτάχυνση σχεδιασµού (PGHA) στο οιονεί βραχώδες υπόβαθρο, εκτιµάται ίση µε 0.4g, 0.4g και 0.0g για µέση περίοδο επανάληψης 00, 500 και 000 χρόνια αντίστοιχα. Για την ανάλυση της εδαφικής απόκρισης τα σεισµικά φορτία στο οιονεί βραχώδες υπόβαθρο περιγράφονται από έξι σεισµικές διεγέρσεις (Πίνακας ). Οι τρεις είναι πρωτογενείς καταγραφές από τον Ελληνικό χώρο και την Ιταλία (καταγραφές σεισµού Κοζάνης 995, Cubbio-Piene και ENEL-Sturno αντίστοιχα). Οι υπόλοιπες προέκυψαν µε τη µεθοδολογία αποσυνέλιξης στις καταγραφές του σεισµού της Αθήνας 999 και της Καλαµάτας 986 (σταθµός ΙΤΣΑΚ ΑΤΗ_0, και ΟΤΕ αντίστοιχα), σε συνθήκες οιονεί βραχώδους υποβάθρου. Στο σχήµα 6 δίδονται τα ελαστικά φάσµατα των 6 καταγραφών για το σεισµικό σενάριο µε µέση περίοδο επανάληψης 500 χρόνια και τα κανονικοποιηµένα φάσµατα αυτών συγκριτικά µε τα φάσµατα του ΕΑΚ και EC8 για κατηγορία εδάφους Α. Πίνακας. Σεισµοί εισαγωγής στο βραχώδες υπόβαθρο. Κωδικός Σεισµός (Σταθµός) Ηµεροµηνία Μέγεθος Επικεντρική Εστιακό (Μ w ) απόσταση R (km) βάθος (m) KED99d Αθήνας (ATH_0) 07/09/999 5.9 6.0.0 KOZ95-L Κοζάνης (Νοµαρχία) KOZ95-T Κοζάνης (Νοµαρχία) /05/995 6.6 7.0.6 Umbria-Marche, Italy (Cubbio-Piene) 08/04/998 4.8 8.0 0.0 855-Υ KAL_86_ D STU80 Καλαµάτας (ΟΤΕ) /09/986 5.9.0.0 Irpinia, Italy (ENEL-Sturno) //980 6.9 0.0 9.5
(α) (β) PSA (g) 0,8 0,6 0,4 0, Average Average+σ 0,5 0 Average-σ 0 0 0,5,5,5 _a_stu000 855_75s _kede_t _koz_t _koz_l kalamata Spectral Acceleration (g) 4,5,5,5 0 0,5,5,5 EA K000 EC8 Average Normalized Average+σ Average-σ Σχήµα 6. Ελαστικά φάσµατα σεισµικών διεγέρσεων σε συνθήκες οιονεί βράχου: (α) για το σεισµικό σενάριο µε µέση περίοδο επανάληψης 500 χρόνια και (β) για µέσο φάσµα και σύγκριση µε τα αντίστοιχα ελαστικά φάσµατα για κατηγορία εδάφους Α του ΕΑΚ και του EC8. Η µη-γραµµική ανελαστική συµπεριφορά των εδαφικών υλικών πραγµατοποιήθηκε µε την µέθοδο της ισοδύναµης-γραµµικής ανάλυσης, η οποία ακολουθεί επαναληπτική διαδικασία δοκιµής- ελέγχου - διόρθωσης µε βάση τις καµπύλες µεταβολής του µέτρου διάτµησης G/Go και του λόγου απόσβεσης οι οποίες επιλέχθηκαν από διαθέσιµα αποτελέσµατα της διεθνούς βιβλιογραφίας για παρόµοια υλικά (Vucetic and Dobry, 99; Roblee and Chiou, 004, Pitilakis and Anastasiadis, 998; Hatanaka et.al., 988; Kokusho and Esashi, 98). Οι αναλύσεις πραγµατοποιήθηκαν µε το λογισµικό EERA (EERA, 000) για όλα τα εδαφικά προσοµοιώµατα και έξι σεισµικές διεγέρσεις για κάθε ένα από τα τρία διαφορετικά σεισµικά σενάρια. Υπολογίσθηκαν τα ελαστικά φάσµατα απόκρισης ταχύτητας και επιτάχυνσης για απόσβεση 5%, οι µέσοι φασµατικοί λόγοι ενίσχυσης και η µεταβολή τους σε σχέση µε τη συχνότητα, η µεταβολή της µέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης, της διατµητικής τάσης, και της µέγιστης διατµητικής παραµόρφωσης µε το βάθος, και οι τιµές της µέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης, ταχύτητας και µετάθεσης στην επιφάνεια των δικτύων κοινής ωφέλειας για σεισµικά σενάρια και µέση περίοδο επανάληψης 00, 500 και 000 χρόνια. Με βάση τα γεωφυσικά, γεωλογικά και γεωτεχνικά χαρακτηριστικά της περιοχής πραγµατοποιήθηκε µια αντιστοίχηση των αποτελεσµάτων και σε γειτονικές θέσεις ώστε να επιτευχθεί ο διαχωρισµός της πόλης των Γρεβενών σε ζώνες όµοιας σεισµικής συµπεριφοράς του εδάφους. Στο Σχήµα 7 δίδονται αντιπροσωπευτικά αποτελέσµατα της χωρικής µεταβολής της κορυφαίας εδαφικής επιτάχυνσης (PGA) στην επιφάνεια, και στο Σχήµα 8 η χωρική µεταβολή της κορυφαίας εδαφικής ταχύτητας (PGV) στην επιφάνεια για τα σεισµικά σενάρια 00, 500 και 000 χρόνων. Οι τιµές της κορυφαίας εδαφικής επιτάχυνσης στην επιφάνεια λόγω της ύπαρξης των εδαφικών στρώσεων µικρού πάχους και αυξηµένης δυστµησίας χαρακτηρίζονται ως αρκετά υψηλές π.χ. στην περίπτωση του σεισµικού σεναρίου των 500 χρόνων µεταβάλλονται από 0,6g έως 0,5g, που αντιστοιχούν σε συντελεστές ενίσχυσης σε σχέση µε την κορυφαία τιµή επιτάχυνσης σε συνθήκες βράχου από,5 έως,. Σε αντίθεση, οι τιµές της κορυφαίας εδαφικής ταχύτητας είναι σχετικά χαµηλές π.χ. για το σενάριο των 500 χρόνων κυµαίνονται από 6-cm/s.
(α) (β) (γ) Σχήµα 7. Χωρική µεταβολή της µέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης (PGA) στην επιφάνεια για σεισµικό σενάριο µε µέση περίοδο επανάληψης α) 00 χρόνια, β) 500 χρόνια, γ) 000 χρόνια.
(α) (β) (γ) Σχήµα 8. Χωρική µεταβολή της µέγιστης εδαφικής ταχύτητας (PGV) στην επιφάνεια για σεισµικό σενάριο µε µέση περίοδο επανάληψης α) 00 χρόνια, β) 500 χρόνια, γ) 000 χρόνια.
Η σεισµική απόκριση σε κάθε θέση (κορυφαίες και φασµατικές τιµές, δεσπόζουσα περίοδος, δυναµικό ενίσχυσης), εξαρτάται κυρίως από τις τοπικές εδαφικές συνθήκες και χαρακτηρίζει µονοσήµαντα µία θέση ανάλυσης. Με βάση τα αποτελέσµατα αυτά έγινε χωρισµός της πόλης των Γρεβενών σε ζώνες όµοιας σεισµικής απόκρισης του εδάφους Στον Πίνακα δίδονται αντιπροσωπευτικά αποτελέσµατα για το σεισµικό σενάριο των 500 χρόνων για τις ζώνες παρόµοιας σεισµικής συµπεριφοράς (Σχήµα 9). Στα Σχήµατα 0 και δίδονται τα µέσα ελαστικά φάσµατα επιτάχυνσης σε αδιάστατη µορφή καθώς και οι συντελεστές φασµατικής ενίσχυσης επιτάχυνσης για το σεισµικό σενάριο των 500 χρόνων. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα οι φασµατικές τιµές επιτάχυνσης στην επιφάνεια σε σχέση µε τις τιµές σε συνθήκες βράχου αναµένονται ιδιαίτερα υψηλές. Στις ζώνες I, II και V στην περιοχή περιόδων από 0. έως 0.s και συντελεστές ενίσχυσης από.0 έως.5, στην κεντρική περιοχή (ζώνη ΙΙΙ) στο διάστηµα από 0. έως 0.4s και µέσο συντελεστή ενίσχυσης.0 ενώ στην περιοχή (ζώνη IV) στο διάστηµα 0. έως 0.6s και συντελεστή ενίσχυσης.0. Πίνακας. Μέση τιµή και τυπική απόκλιση της κορυφαίας εδαφικής επιτάχυνσης (PGA), ταχύτητας (PGV) και µετάθεσης (PGD) στην επιφάνεια του εδάφους και σε βάθος m για το σεισµικό σενάριο µε µέση περίοδο επαναφοράς 500 χρόνια για κάθε ζώνη της ευρύτερης περιοχής Γρεβενών. Σχήµα 9. Χωρισµός της ευρύτερης περιοχής Γρεβενών σε ζώνες παρόµοιας σεισµικής συµπεριφοράς.
5.5 5 4.5 4 Zone_I_500 EAK000, type A EAK000, type B EC8, type A EC8, type B 5.5 5 4.5 4 Zone_II_500 EAK000, type A EAK000, type B EC8, type A EC8, type B Sa (normalized).5.5 Sa (normalized).5.5.5.5 0.5 0.5 0 0 0 0.5.5.5 0 0.5.5.5 Sa (normalized) 5.5 5 4.5 4.5.5 Zone_III_500 EAK000, type A EAK000, type B EAK000, type Γ EC8, type A EC8, type B EC8, type C Sa (normalized) 5.5 5 4.5 4.5.5 Zone_IV_500 EAK000, type A EAK000, type B EAK000, type Γ EC8, type A EC8, type B EC8, type C.5.5 0.5 0.5 0 0 0 0.5.5.5 0 0.5.5.5 5.5 5 4.5 4 Zone_V_500 EAK000, type A EAK000, type B EC8, type A EC8, type B Sa (normalized).5.5.5 0.5 0 0 0.5.5.5 Σχήµα 0. Ελαστικά φάσµατα επιτάχυνσης για κάθε ζώνη της πόλης των Γρεβενών για το σεισµικό σενάριο µε µέση περίοδο επαναφοράς 500 χρόνια: σύγκριση µε τα αντίστοιχα ελαστικά φάσµατα του ΕΑΚ000 και του EC8.
.8 Zone_I_500.8 Zone_II_500.6.6.4.4 Sa,soil / Sa,rock..8.6.4 Sa,soil / Sa,rock..8.6.4.. 0.8 0 0.5.5.5 0.8 0 0.5.5.5.8 Zone_III_500.8 Zone_IV_500.6.6.4.4 Sa,soil / Sa,rock..8.6.4 Sa,soil / Sa,rock..8.6.4. 0.8 0 0.5.5.5. 0.8 0 0.5.5.5.8 Zone_V_500.6.4 Sa,soil / Sa,rock..8.6.4. 0.8 0 0.5.5.5 Σχήµα. Συντελεστές φασµατικής ενίσχυσης επιτάχυνσης για κάθε ζώνη της πόλης των Γρεβενών για το σεισµικό σενάριο µε µέση περίοδο επαναφοράς 500 χρόνια.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η υποστήριξη του χωροταξικού και πολεοδοµικού σχεδιασµού καθώς και η αποτίµηση της σεισµικής διακινδύνευσης του υφιστάµενου κτιριακού αποθέµατος, των δικτύων κοινής ωφελείας και των υποδοµών και η τεκµηρίωση του αντισεισµικού κανονισµού σε µία περιοχή και σε µία πόλη, προϋποθέτουν ως βασικό απαιτούµενο τον προσδιορισµό όλων των παραµέτρων της αναµενόµενης σεισµικής ταλάντωσης. Πρωταρχικής σηµασίας τόσο για τον σχεδιασµό αξιόπιστων και αντιπροσωπευτικών εδαφικών προσοµοιωµάτων για την µελέτη της σεισµικής απόκρισης, όσο και για την ερµηνεία µακροσεισµικών παρατηρήσεων αποτελεί η καλή γνώση της γεωλογικής δοµής και των δυναµικών και µηχανικών ιδιοτήτων του υπεδάφους. Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκαν µε συνοπτικό τρόπο τα κυριότερα βήµατα για τον προσδιορισµό των παραµέτρων σεισµικής απόκρισης του υπεδάφους στην πόλη των Γρεβενών. Η ταχύτητα των διατµητικών κυµάτων V s προσδιορίστηκε µε µετρήσεις µικροθορύβου κυκλικής διάταξης σε επιλεγµένες θέσεις και βάθη διασκόπησης από 70 έως 60 m, περίπου. Ο επιφανειακός σχηµατισµός που συναντάται περιφερειακά του ποταµού Γρεβενιώτικου και αντιστοιχεί στους Τεταρτογενείς εδαφικούς σχηµατισµούς της λεκάνης µέσου πάχους από 0 ως 40 m και ταχύτητα 400-500 m/sec που σε ορισµένες περιοχές γίνεται 00-50m/sec επικάθεται στα Πλειο-Πλειστοκαινικά ιζήµατα της µολασσικής ιζηµατογενούς σειράς τα οποία χαρακτηρίζονται µε ταχύτητα 800-900 m/sec και πάχος που φτάνει, σύµφωνα µε γεωλογικά στοιχεία, τα 00 m περίπου. Η επεξεργασία των αποτελεσµάτων και ο συσχετισµός µε τα διαθέσιµα γεωλογικά και γεωτεχνικά στοιχεία επέτρεψε τον σχεδιασµό εδαφοδυναµικών τοµών καθώς και εδαφικών προσοµοιωµάτων. Η δεσπόζουσα περίοδος των εδαφικών αποθέσεων στην ευρύτερη περιοχή της πόλης των Γρεβενών κυµαίνεται από 0.5 έως 0.7 sec (.7 έως 7 Hz) και η µέση ταχύτητα των διατµητικών κυµάτων από 60 έως 440 m/sec. Οι εδαφικοί σχηµατισµοί κατατάσσονται στην κατηγορία εδάφους Β κατά ΕΑΚ000 και EC8 µε εξαίρεση µία περιοχή κοντά στην Νοµαρχία όπου η ύπαρξη χαλαρών στρώσεων πάχους 5 m οδηγεί στην κατηγορία Γ κατά ΕΑΚ. Η µελέτη της σεισµικής απόκρισης πραγµατοποιήθηκε για τρία σεισµικά σενάρια µε µέση περίοδο επανάληψης 00, 500 και 000 χρόνια και µέγιστη αναµενόµενη οριζόντια επιτάχυνση σχεδιασµού στο οιονεί βραχώδες υπόβαθρο (PGHA) ίση µε 0.4g, 0.4g και 0.0g αντίστοιχα. Οι αναµενόµενες τιµές κορυφαίας εδαφικής επιτάχυνσης στην επιφάνεια ενισχύονται σηµαντικά λόγω της ύπαρξης επιφανειακών εδαφικών στρώσεων µικρού πάχους και αυξηµένης δυστµησίας. Για κάθε ένα σεισµικό σενάριο τα αποτελέσµατα των αναλύσεων χρησιµοποιήθηκαν για την εκτίµηση των ελαστικών φασµάτων απόκρισης, της µέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης, ταχύτητας, µετάθεσης και των χαρακτηριστικών σεισµικής απόκρισης σε κάθε θέση µελέτης. Με βάση τα χαρακτηριστικά της σεισµικής απόκρισης, η ευρύτερη περιοχή της πόλης Γρεβενών χωρίστηκε σε ζώνες παρόµοιας σεισµικής συµπεριφοράς του υπεδάφους και για κάθε σεισµικό σενάριο προσδιορίστηκαν οι τιµές των αναµενόµενων σεισµικών δράσεων. Η έρευνα κατέληξε στον σχεδιασµό χαρτών σεισµικής εδαφικής ταλάντωσης, µε απώτερο στόχο την χρησιµοποίησή τους στην εφαρµογή µεθόδων αποτίµησης του σεισµικού κινδύνου σε κτίρια καθώς και σε δίκτυα κοινής ωφελείας και υποδοµές.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τον Μεταπτυχιακό φοιτητή του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών Α.Π.Θ. Χρήστο Βάϊο, για την βοήθεια και τις διευκολύνσεις που προσέφερε στο µεγαλύτερο µέρος των µετρήσεων πεδίου. Το σύνολο των µετρήσεων πεδίου και η επεξεργασία τους πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος SRM-DGC A..00: Ανάπτυξη και Πρόταση για Εφαρµογή µιας Αποτελεσµατικής Μεθοδολογίας και Κατάλληλων Τοπικών Οργάνων για τη ιαχείριση, Πρόληψη και Μείωση του Σεισµικού Κινδύνου στη Duzce - Τουρκία, Γρεβενά - Ελλάδα και Catania Ιταλία. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Aki K., (957). Space and Time Spectra of Stationary Stochastic Waves, with Special Reference to Microtremors, Bull. Earthquake Res. Inst. Tokyo Univ. 5, pp. 45-457. Aki Κ., (988). Local site effects on strong ground motion. Earthquake Engineering and Soil Dynamics II Recent Advances in Ground Motion Evaluation, June 7-0, Park City, Utah. Brunn J., (956). Contribution a L Etude Geologique du Pinde Septentrional et Dune Partie de la Macedoine occidentale, Ann Geol.Pays. Hellen., 7, pp. -58. Ελληνικός Αντισεισµικός Κανονισµός (Ε.Α.Κ. - 000). Οργανισµός Αντισεισµικού Σχεδιασµού και Προστασίας (ΟΑΣΠ). EERA, (000). A Computer Program for Equivalent-linear Earthquake site Response Analysis of Layered Soil Deposits, J. P. Bardet, K. Ichii, and C. H. Lin, University of Southern Carifornia, Department of Civil Engineering. Eurocode 8, (984). Design provisions for earthquake resistance of structures - Part -: General rules - Seismic actions and general requirements for structures, European Prestandard, ENV 998--, Oct.994, CEN-European Committee for Standardization. Geographic Information System GIS, (984). ESRI Company. Hatanaka N., Suzuki Y., Kawasaki T. and Endoh M., (988). Cyclic undrained shear properties of high quality undisturbed gravel. Soils and Foundations. Vol.8(4), J. of JSSMFE, pp.57-68. Herrmann R., (985). Computer programs in seismology, Vol. II, III, IV Saint Louis Univ., Missouri. I.Γ.M.E., (97). Γεωλογικός χάρτης κλίµακας :50.000, Φύλλο Γρεβενά. Kokusho T. and Esashi Y. (98) Cyclic triaxial test on sands and coarse material. Proc.of the 0th int. Conf.on Soil Mech. and Found. Eng. (Stockholm), Vol., pp.67-676. Mουντράκης., (988). Συνοπτική Γεωτεκτονική εξέλιξη του ευρύτερου Ελληνικού χώρου. Τµήµα Γεωλογίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης. Nakamura Y., (989). A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremors on the ground surface, QR Railway Tech. Res. Inst., 0 (). Pavlides S. and D. Mountrakis, (987). Extensional tectonics of northwestern Macedonia, Greece, since the late Miocene, J. Struct. Geol., 9 (4), pp. 85-9. Pitilakis, K. and Anastasiadis, A. (998). Invited lectures: Soil and site characterization for seismic response analysis. Proceedings of the th Conference on Earthquake Engineering, Paris, pp.65-90. Roblee C., and B. Chiou, (004). A proposed Geoindex model for Design Selection of non-linear Properties for Site Response Analyses. International Workshop on Uncertainties in Nonlinear Soil Properties and their Impact on Modeling Dynamic Soil Response, Richmond Field Station, Richmond, CA, 8-9 March 004, 9p. Technical Report of SRM-DGC Program, (007). Report D: Seismic Hazard and seismic scenarios in Grevena. Christos Papaioannou, Dr. Seismologist Senior Reseacher, Inst. of Engineering Seismology and Earthquake Engineering. Vucetic M. and Dobry R. (99). Effect of soil plasticity on cyclic response. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 7(), pp.89-07.