Елена ДУМОВА-ЈОВАНОСКА1, Грозде АЛЕКСОВСКИ2, Лилјана ДЕНКОВСКА3, Сергеј ЧУРИЛОВ4, Кристина МИЛКОВА5, Симона БОГОЕВСКА6,

Стефан МИЦЕВСКИ7

СЕИЗМИЧКА ПОВРЕДЛИВОСТ НА ПОСТОЕЧКИ ЅИДАНИ ЗГРАДИ ВО МАКЕДОНИЈА, ПРОЕКТ СЕИЗМОЅИД

РЕЗИМЕ

Во овој труд претставен е научноистражувачкиот проект СеизмоЅид кој се работи на Градежниот факултет во Скопје. Предмет на интерес во проектот се ѕиданите згради изведени во првата половина на минатиот век кои во моментот се седиште на јавни институции од образованието, администрацијата, судството и културата. Определување на методологија за определување на нивна повредливост е дел од очекуваните резултати, а крајна цел е определување криви на повредливост на карактеристични класи на објекти. Особен акцент е ставен на дефинирањето на сеизмичкиот хазард на територијата на Pепублика Македонија.

Клучни зборови: сеизмички хазард, повредливост, ѕидани згради, амбиентални вибрации.

Elena DUMOVA-JOVANOSKA1, Grozde ALESKOVSKI2, Liljana DENKOVSKA3, Sergey CHURILOV4, Kristinа MILKOVA5, Simona BOGOEVSKA6, Stefan MICEVSKI7

SEISMIC VULNERABILITY OF EXISTING MASONRY BUILDINGS IN MACEDONIA, PROJECT SEISMOZID

SUMMARY

This paper outlines the research project named SeizmoZid, carried out at the Faculty of Civil Engineering in Skopje. The area of interest are masonry buildings, constructed in the first half of the last century, currently occupied as public institutions from the fields of education, administration, judiciary and culture. Definition of a methodology for assessment of their vulnerability is one of the expected results, while the ultimate goal is to produce vulnerability curves for typical building classes. Particular attention in the realization of the set target is to define seismic hazard for the territory of the Republic of Macedonia.

Keywords: seismic hazard, seismic vulnerability, masonry buildings, ambient vibration.

1 Проф. д-р, Градежен факултет, „УКИМ“, Скопје, dumova@gf.ukim.edu.mk 2 Проф. д-р, Градежен факултет, „УКИМ“, Скопје, aleksovski@gf.ukim.edu.mk 3 Проф. д-р, Градежен факултет, „УКИМ“, Скопје, denkovska@gf.ukim.edu.mk 4 Вон. проф. д-р, Градежен факултет, „УКИМ“, Скопје, curilov@gf.ukim.edu.mk 5 М-р, Градежен факултет, „УКИМ“, Скопје, milkova@gf.ukim.edu.mk 6 Асист. м-р, Градежен факултет, „УКИМ“, Скопје, simona.bogoevska@gf.ukim.edu.mk 7 Надворешен соработник, Градежен факултет, „УКИМ“, Скопје,micevski34@gmail.com

RA - 4 ДГКМ MASEДРУШТВО НА ГРАДЕЖНИТЕ КОНСТРУКТОРИ НАМАКЕДОНИЈА

MACEDONIANASSOCIATION OFSTRUCTURALENGINEERS

Partizanski odredi 24,P. Box 560, 1001 SkopjeMacedonia

302

ВОВЕД

Земјите и регионите изложени на сериозен сеизмички хазард се соочуваат со различно ниво на сеизмичкиот ризик кој освен од хазардот зависи од постоечкиот градежен фонд. Управувањето со сеизмичкиот ризик се спроведува во две насоки:

Превенција – изготвување на регулатива за проектирање и изградба на нови сеизмички отпорни објекти, и

Ублажување - процена на повредливоста на постоечки објекти како подлога за нивно зајакнување.

За секој регион со значителен сеизмички хазард неопходно е да се изработи национална програма за намалување на ризикот од појава на штети од земјотрес. Во рамките на една таква програма основен елемент е дефинирањето на можни штети за различни типови на објекти, најчесто застапени во регионот, од земјотреси со очекуван интензитет и карактеристики.

Дистрибуцијата на штети во одреден регион се дефинира во облик на зависности интензитет на земјотрес - штети на конструкциите. Овие зависности ја даваат распределбата на веројатност на штети за даден интензитет на земјотрес и најчесто се претставени во облик на матрици на веројатност на штети и криви на повредливост. Кривите на повредливост и матриците на веројатност на штети ја даваат условната веројатност од појава на одредено ниво на штети од земјотрес со даден интензитет.

Генерално овие зависности можат да бидат определени врз база на :

регистрирани штети од стварни земјотреси експертско знаење аналитички резултати

Што се однесува до првата можност, неспорно е дека зависностите добиени врз база на регистрирани податоци за стварни штети би биле најверодостојни. За жал ретко за кој регион овие податоци ги има во доволен број за да се обезбеди неопходното ниво на статистичка точност. Втората алтернатива, користење на експертското знаење, неизбежно повлекува субјективност во искажувањето на поединци, меѓутоа во недостаток на други податоци и оваа можност има извонредно значење. Добивањето на зависностите интензитет на земјотрес-штети на конструкциите по аналитички пат изискува претходно дефинирање како на земјотреси (со соодветни карактеристики), така и на методи за динамичка анализа на однесувањето на конструкциите под дејство на тие земјотреси. Развојот на научната мисла во областа на генерирањето на синтетички земјотреси, во областа на нелинеарната динамичка анализа, и расположливата компјутерска опрема овозможија последните две децении да се појават методологии за аналитичко дефинирање на овие зависности за различни класи на објекти.

При дефинирање било на криви на повредливост, било на матрици на веројатност на штети основно е да се дефинира побудата (земјотресот) и одговорот на конструкцијата на таа побуда. Ако се има предвид фактот дека кривите на повредливост или матриците на веројатност на штети треба да претставуваат алат за претскажување на штети од можен земјотрес на една цела класа објекти, станува очигледна сложеноста на проблемот. Амплитудата на забрзувањата, фрекфентниот состав и времетраењето се само некои од основни карактеристики на земјотресот кои го условуваат одговорот на конструкцијата. Имајќи ја на ум случајната природа на земјотресот, треба да се согледаат можните варијации на овие карактеристики. Една можност е да се врши анализа на конструкциите под дејство на записи од стварни земјотреси, но за жал ретко за кој регион постои репрезентативен сет од такви записи. Поради тоа, поголемиот број на истражувачи во оваа област ја одбираат втората можност т.е. генерирање на синтетички земјотреси.

Од друга страна, конструкциите, нивните карактеристики кои произлегуваат од карактеристиките на материјалот и изведбата, исто така, подлежат на статистички варијации. Меѓутоа, мора да се признае дека варијациите на карактеристиките на конструкциите во однос на варијацијата на карактеристиките на земјотресите се значително помали. Дефинирањето на

303

одговорот на конструкциите се врши на идеализирани модели кои зависно од своите можности повеќе или помалку ја одразуваат реалноста. Сложеноста на моделите и методите за пресметување во контекст на техничките можности на сметачите го условуваат неопходното компјутерско време, кое исто така може да биде ограничувачки фактор.

Истражувачите кои работеле во оваа област се обиделе да дадат решение на овие проблеми предлагајќи методологии за дефинирање на криви на повредливост или матрици на штети. Секој на свој начин, поткрепено со сопствени согледувања, прави отстапки од стварноста, за сметка на практичноста при достигнување на поставената цел.

Ѕидаријата, заедно со дрвото, се најстари конструктивни материјали, што условува голем дел од постоечките конструкции да се изведени токму од овој материјал. Од друга страна, заради својата комплексна структура (блокови + врзен слој), може да се јави во многу различни облици почнувајќи од необработен камен во „сува ѕидарија“ до најсовремена армирана ѕидарија од лесни, но високо носиви блокови и малтери. Таквиот композитен состав, задачата за определување на механичките карактеристики и предвидување на однесувањето под дејство на земјотрес ја прави извонредно сложена. Процената на повредливоста на ѕидани конструкции во минатото главно се спроведувала со емпириски методи врз основа на податоци од случени земјотреси, но развојот на компјутерската технологија, а со нив нумерички методи, пред сé методот на конечни елементи и постапките за нелинеарна анализа, овозможуваат и за ѕиданите конструкции се почесто да се применуваат аналитички процедури за определување на сеизмичката повредливост.

1. ОПИС НА ПРОЕКТОТ

Имајќи го предвид значајниот број на постоечки објекти изградени пред постоење на регулатива за асеизмичко проектирање, ублажувањето на сеизмичкиот ризик е возможно само ако се обезбедат информации за нивната повредливост. Во рамките на постоечки објекти изградени пред постоење на регулатива доминираат ѕиданите конструкции. Така, во нашата земја токму во ѕидани конструкции има сместени јавни институции, и тоа:

Образовни - детски градинки, основни и средни училишта, високообразовни институции, Администрација - министерства, локална самоуправа, судови, но и Културни институции - музеи, архиви и др.

Во рамките на предложеното истражување, одбрани се дваесет објекти од ѕидарија изградени кон крајот на деветнаесеттиот и првата половина од дваесеттиот век, кои што според својата актуелна намена влегуваат во погоре посочените категории на јавни институции.

Избраните конструкции, според архитектурата, конструктивниот систем и применетите конструктивни материјали, претставуваат типолошки претставници на избраната класа на објекти. За секој од избраните конструкции прво се спроведени тестови со амбиентални вибрации со цел да се определат нивните реални динамички карактеристики како и процена на нивната носивост. Во втората фаза на истражувањето, ќе се примени аналитичка методологија за определување на функцијата на сеизмичка повредливост со што ќе се определи функцијата (кривата) на повредливост на секој објект поединечно.

Заслужува да се потенцира дека значаен дел од аналитичката методологија е и дефинирањето на сеизмичкиот хазард во Република Македонија. За таа цел ќе се користат расположивите податоци од Сеизмолошката опсерваторија и во зависност од нив ќе се одбере начин на дефинирањето на сеизмичкиот хазард за избраните карактеристични конструкции.

304

2. ОСНОВЕН ПЛАН НА ИСТРАЖУВАЊЕТО И ОЧЕКУВАНИ РЕЗУЛТАТИ ОД СЕКОЈА ФАЗА НА ИСТРАЖУВАЊЕТО

Активностите од истражувањето се организирани во четири истражувачки работни пакети (РП):

РП 1: Избор и анализа на репрезентативни конструкции

Одговорен истражувач на пакетот е проф. Грозде Алексовски. Во овој работен пакет вклучени се млади истражувачи, студенти на магистерски студии на Градежниот факултет. Првата фаза во овој работен пакет беше избор на репрезентативни ѕидани конструкции во Македонија, изведени пред земјотресот во Скопје во 1963 година, Слики 1-4. Потоа, следеше проверка за постоење проектна документација и геометриско снимање на лице место за да се утврди фактичката состојба на геометријата на објектот. Во фаза на изработка се математички модели со конечни елементи, статичка и динамичка анализа на конструкциите, првична калибрација на математичките модели врз основа на резултатите од експерименталното истражување во работниот пакет 2 и процена на носивоста според ПИОВСП’81 (контрола на напрегањата). По проверката за задоволување на барањата за носивост според Правилникот, доколку се покаже дека има потреба, ќе се предложат мерки за зајакнување на објектите.

Слика 1. Приказ на избрани репрезентативни објекти по градови

РП 2: Експериментални истражувања

Одговорен истражувач на пакетот е вон. проф. Сергеј Чурилов. Во овој пакет се предвидени експерименталните испитувања за сите објекти, кои генерално можат да се поделат на два дела: лабораториско испитување и испитување на лице место. Лабораториските испитување на механичките карактеристики на ѕидаријата имаат за цел да се утврди квалитетот на вградените материјали, а ќе се извршат со земање примероци од тула и малтер од оние објекти каде што тоа ќе биде можно и дозволено. За дефинирање на јакостно-механичките карактеристики, предвидено е спроведување тестови за определување волуменска тежина, јакост на притисок, јакост на затегнување при свиткување на тулата и малтерот, како и јакост на притисок и модул на еластичност на ѕидаријата како конструктивен материјал, сл. 5.

305

а) Гимназија „Св. Климент Охридски“ б) НУ Завод за заштита на спомениците на

културата и Музеј

Слика 2. Репрезентативни објекти во Охрид

а) Детска градинка „Раде Јовчевски-Корчагин“, клон „Пепелашка“

б) Агенција за филм на Република Македонија и „Вардар филм“

Слика 3. Репрезентативни објекти во Скопје

а) ООУ „Димката Ангелов Габерот“ б) Основен суд

Слика 4. Репрезентативни објекти во Кавадарци

Испитувањата на лице место ќе се спроведат за определување динамички карактеристики на конструкцијата со примена на недеструктивни експериментални методи. Со нив, директно се проценува крутоста на објектот преку соодветните параметри: фреквенции и периоди на слободни осцилации и тонови форми. Ќе бидат извршени динамички тестови на лице место со мерење на амбиенталните вибрации предизвикани на објектите од амбиентални услови (ветер, движење на луѓе и возила, работа на градежни машини и сл.). За проценка на динамичките карактеристики ќе се користат резултатите од извршените мерења и ќе се применат методи за динамичка анализа во оперативни услови. Мерењата ќе се извршат со мобилна опрема, тип Digitexx PDAQ Premium portable system, Digitexx едноаксијални и триаксијални сензори-акцелерометри. Регистрирањето на забрзувањата ќе биде извршено во повеќе карактеристични, однапред одбрани позиции, на катовите и кровот на конструкциите, во два ортогонални и еден вертикален правец.

306

Слика 5. Определување физичко-механички карактеристики на ѕидаријата

Слика 6. Опрема за мерење и карактеристичен запис на забрзување во точка од конструкцијата

Сите мерења ќе се спроведат во повеќе серии со времетраење од 605 sec и фреквенција на запишување 200 Hz, сл. 6. Обработката на снимените податоци ќе се изврши со програмски кодови во MATLAB (MATLAB, 2014) и програмот ARTeMIS Modal (Svibs, 2016).

За сите објекти вклучени во РП 2 се планира подготвување елаборати за определување динамички карактеристики на конструкциите.

РП 3: Корелација на модели од измерен и симулиран конструктивен одговор на конструкциите

Одговорен истражувач на пакетот е проф. Лилјана Денковска. Првата фаза од овој работен пакет е идентификација на динамички карактеристики на конструктивните системи со методи базирани на мерен конструктивен одговор (амбиентални вибрации).

Втор чекор е определување на репрезентативни параметри за корелација на математички модели на измерени конструктивни вибрации и симулирани модели на конечни елементи. Со помош на дефиниран алгоритам за нумеричка симулација на моделот со конечни елементи ќе се направи врска помеѓу влезните непрецизни параметри (карактеристиките на материјалот, придушувањето, вредности на товари) и референтните вредности од одговорот на конструкцијата (периодите и обликот на тоновите форми и МАС – вредностите). Се предвидува користење коефициенти на чувствителност за да се ублажи разликата помеѓу експериментално и аналитички добиените вредности, па потоа повторно со ново-добиените параметри ќе се врши анализа со тонови форми, сѐ додека не се постигне дефинираниот критериум на конвергенција.

РП 4: Определување криви на повредливост на избраните конструкции

Одговорен истражувач на пакетот е проф. Елена Думова-Јованоска. За да се опфатат условите за регионална сеизмичност, со истражување за постоење на записи од случени земјотреси во Македонија, ќе се дефинира сеизмичкиот хазард на конструкциите и ќе се определат на спектрите на одговор.

Со цел што подоверливо дефинирање на сеизмичкиот хазард, наместо нејчесто употребуваните пробабилистички методи, ќе биде употребен нео-детерминистички пристап (Panza et al, 2012), во кој се прави комбинација од геолошки, сеизмотектонски и геотектонски податоци и сите познати настани-земјотресни сценарија на територијата на Република Македонија. Со цел соодветно да се моделира физичката пропагација на попречните и подолжните бранови при сеизмичка активност (Fasan et al, 2016), направена е поделба на територијата на Република Македонија на

307

шест региони со специфичен геолошки развој и градба, при што е употребена картата на геотектонска реонизација на Македонија (Арсовски, 1997). Податоците за сите случени земјотреси за кои постојат записи се добиени од партнерите во проектот - Сеизмолошката опсерваторија, Природно - математички факултет. Во анализата ќе бидат употребени вкупно 1796 земјотресни сценарија, почнувајќи од 518 година до 2017 година. Со цел да се дефинираат локацијата и типот на раседите, ќе биде употребена епицентралната карта на Република Македонија со приказ на основните раседни структури (Гапковски, Јовановски, 2007).

По пресметката на регионални мапи на хазард за територијата на Република Македонија базирани на пресметани синтетички земјотреси и дефинирањето на точна локација на конструкциите за кои е потребно да се направи анализа, ќе се пресметаат спектрите на одговор за секој објект посебно.

Користејќи ги резултатите од РП 3, ќе се извршат нелинеарни анализи и ќе се определат криви на капацитет за сите дефинирани објекти. Со помош на статистичка обработка на сите претходно добиени резултати ќе се определат кривите на повредливост за конструкциите, прикажани како веројатности на надминување на одредено ниво на штети при сеизмичко дејство со дефиниран интензитет.

3. ОЧЕКУВАНИ РЕЗУЛТАТИ ОД ИСТРАЖУВАЊЕТО

Како резултат на планираните истражувачки активности се очекува да се остварат следните поставени цели:

Определување на механички карактеристики на ѕидаријата со примена на амбиентални вибрации и калибрирање на пресметковниот модел на конструкциите.

Споредба на така добиените механички карактеристики со вредностите добиени од тестови на примероци од материјалот.

Контрола на сеизмичката носивост на карактеристичните конструкции според актуелниот Правилник за техничките нормативи за изградба на објекти на високоградбата во сеизмички подрачја од 1981 год. (ПИОВСП81).

Дефинирање методологија за определување функција на сеизмичка повредливост на типична ѕидана конструкција во Македонија, што вклучува:

i. определување на локалниот сеизмички хазард ii. избор на метода за нелинеарна анализа на ѕиданите конструкции

iii. избор на показател на штети и состојби на штети

Примена на дефинираната методологија на сите 20 карактеристични конструкции и определување на нивните функции на повредливост.

Споредба на добиените функции на сеизмичка повредливост на поедините ѕидани конструкции со криви на повредливост дефинирани за класи на ѕидани конструкции кај нас, но и во поширокиот регион.

Вкупните резултати ќе бидат систематизирани и презентирани во монографија посветена на сеимичката повредливост на ѕидани конструкции.

4. КОРИСНИЦИ НА ИСТРАЖУВАЧКИТЕ РЕЗУЛТАТИ, НАЧИН НА ПРЕНЕСУВАЊЕ И ПРИМЕНА НА ИСТИТЕ

Менаџирањето на сеизмичкиот ризик е невозможно без познавање на тој ризик, предуслов пак за определување на сеизмичкиот ризик е дефинирањето на повредливоста на постоечкиот градежен фонд. Оттука резултатите од овие истражувања се основа на студиите за определување на сеизмичкиот ризик на ѕидани конструкции за територија на цела Македонија.

Центарот за управување со кризи е институција која со својата надлежност за целата Република се прв чинител кој би можел да ги користи податоците од ова истражување. Сепак и локалните

308

самоуправи во зависност од поставените локални и регионални приоритети можат да ги користат овие резултати за подготовка на стратегии за справување на сеизмичкиот ризик на локално ниво.

Истражувачките центри во земјата и странство се природни корисници на истражувачките резултати.

За претставување на резултатите од истражувањето се планира организација на два семинара, првиот после завршувањето на Работниот пакет 1 и вториот на крајот од проектот. Планирано е и публикување на резултатите на научни собири во земјата и странство, во научни списанија како и издавање на завршна публикација во облик на монографија.

Земјите од нашето соседство (Грција, Турција, Бугарија, Албанија, Италија) се исто така изложени на одреден сеизмички ризик од една страна, додека од друга страна сите овие земји исто така имаат значителен број на ѕидани конструкции изградени не само пред постоење на прописи за асеизмичко проектирање туку и пред постоење на свест за третирање на овој проблем. Од тука јасен е интересот и во овие земји за методологии за дефинирање на повредливоста како и резултати од апликација на таква методологија на реални конструкции.

БЛАГОДАРНОСТ

Авторите изразуваат искрена благодарност на општинските авторитети и раководителите на институциите сместени во избраните репрезентативни конструкции, што овозможија пристап до објектите, како и помош при обезбедување на расположива документацијa за објектите. Не ѐ помала благодарноста за компанијата Digitexx Data Systems Inc., за обезбедување на потребната опрема при мерења амбиенталните вибрации и Заводот за испитување на материјали „Скопје“ АД Скопје, за спроведените тестови на механичките карактеристики на пробните тела од репрезентативните конструкции. Досега спроведените истражувачки активности се финансирани од Катедрата за теорија на конструкции и компјутерска анализа од Градежниот факултет во Скопје.

РЕФЕРЕНЦИ

[1] Арсовски М., 1997: Тектонска карта и тектоника на Македонија, Рудароско-геолошки факултет, Штип.

[2] Гапковски, Н., Јовановски, М., Општа геологија, Градежен факулетет, Универзитет „Св, Кирил и Методиј“, Скопје, 2007

[3] Fasan M., Magrin A., Amadio C., Romanelli F., Vaccari F., Panza G.F., A seismological and engineering perspective on the 2016 Central Italy earthquakes, Int. J. Earthquake and Impact Engineering, 2016, Vol. 1, No. 4, 395-420.

[4] Градежен Факулет, , Универзитет „Кирил и Методиј“, Скопје, Сеизмичка повредливост на постоечки ѕидани згради, Научноистражувачки проект, 2016.

[5] Градежен Факулет, , Универзитет „Кирил и Методиј“, Скопје, Измена на проектна програма за научнистражувачки проект: „Сеизмичка повредливост на постоечки ѕидани згради“, 2017.

[6] MATLAB 2014a, The MathWorks, Natick, Massachusetts, United States, 2014

[7] Panza G.F, La Mura C, Peresan A, Romanelli F, Vaccari F., Seismic Hazard Scenarios as Preventive Tools for a Disaster Resilient Society. In R. Dmowska (Ed.), Advances in Geophysics. Elsevier, London, 2012, 93–165.

[8] Structural Vibration Solutions A/S. ARTeMIS Modal 5, 2016. http://www.svibs.com.

309