Kockázat és biztonság
Tartószerkezetek, földrengéskockázat
Dulácska Endre
A sajtóban olvasott vagy a televízióban látott földrengési katasztrófák megdöbbentik az embereket, egy átélt földrengés maradandó rossz emlékeket hagy bennünk. A legtöbb ember azonban elfelejti a rosszat, és ezért a következő földrengésig sokszor megfeledkeznek a rengés elleni szükséges védekezésről. Pedig megfelelő óvintézkedésekkel a földrengés okozta anyagi és emberéleti kockázatot jelentősen csökkenteni lehet, ha nem is lehetséges teljes biztonságú védekezésről beszélni.
Tekintve, hogy a földrengéskárok rendszerint a tartószerkezetek károsodása és az épületek e miatti összeomlása következtében jönnek létre, e dolgozatunkban a tartószerkezeti méretezés alapelvét és a földrengési kockázati tényezőket kíséreljük meg bemutatni, kritikai szemlélettel nézve a mai védekezési módokat, különös tekintettel a magyarországi helyzetre.
A földrengés és a földrengésmérnöki fogalmak
Az első mérnöki próbálkozások a tartószerkezetek méretezésére mintegy 250 évesek (maga a mérnök méretezés mintegy 80-100 éve kezdődött); a mérnöki méretezés alapját képező mérnöki tudomány viszonylag fiatal, és még ma is számos kérdés megoldatlan.
A mai, korszerűnek tekintett méretezés alapelve az, hogy abszolút biztonság nincsen, a méretezésnek mindig van valamekkora K kockázata. A kockázat fordított arányban van a biztonsággal, így pl. a zérus kockázat teljes biztonságot jelentene, az egységnyi értékű kockázat pedig biztos tönkremenetelt.
A méretezés alapelve az, hogy a kockázat mindig kisebb legyen egy K előírt kockázati értéknél. Az előírt kockázat legnagyobb értékét a költségminimum alapján állapítják meg 1. ábra.
1. ábra • Költségoptimum a megvalósítási
és a kárköltség (javítás függvényében)
Ez azt jelenti, hogy (jó kivitelezést feltételezve) minél erősebbre, azaz költségesebbre készítik a teherhordó szerkezetet, annál jobban csökken a kockázat. A szerkezet összköltségét a megvalósítási költség és a kár vagy javítási költség összege adja. E költségösszegnek van egy minimuma, és ez a költségoptimum. Az emberéletet e számításban az átlagos életkor alatt termelt, egy főre eső nemzeti jövedelem összegével számszerűsítik. Egy bizonyos építési költségszint alatt biztos a tönkremenetel, és a kockázat ilyen értelmezésének csak ennél nagyobb biztonság, illetve kisebb kockázatvállalás mellett van értelme.
A földrengés kialakulhat erős vulkáni tevékenység vagy nagyméretű meteor becsapódásának következményeként is, de legnagyobbrészt a földkéreg természetes mozgása a földrengés oka. A földrengésvédelemben a kockázat nehezebben becsülhető, mint az egyéb terhelési esetekben, mert még sok mindent nem tudunk a földkéreg belsejének viselkedéséről.
Ha megtekintjük a Föld felületét kiterítve mutató térképet, akkor azon a nagyobb szeizmicitást mutató szakaszok - ahol a leggyakoribb a nagy földrengés - kijelölik a kontinentális táblák határvonalait 2. ábra. A határvonalak környékén az egyik tábla a másik alá nyomódik és közben szakaszos megcsúszások, letöredezések állnak elő 3. ábra. Ezek okozzák e területeken a nagy földrengés-aktivitást. E mozgások azonban távolabbi területekre is kihatnak, ahogy a földrengéshullám végigszalad a földkéregben, és ahol a törésvonalak menti súrlódás kimerülőben van, ott ennek a hatására előbb-utóbb megcsúszás következhet be. Ez földrengést okozhat az intenzív földrengészónák területén kívül is, de kisebb intenzitással.
2. ábra • A világ leintenzívebb szeizmikus zónái (vonalkázott területek)
kirajzolják a földkéreg szeizmikus tábláinak határvonalát
3. ábra • A kontinentális táblák találkozásának vázlata. A fekete pontok a földrengési hipocentrumokat jelzik.
A földrengés erősségének mérésére két fogalmat használnak. Egyik a Richter által bevezetett M magnitúdó, mely a fészekmélységben lévő kipattanási hely, az ún. hipocentrumban kipattant energia logaritmusával arányos. A maximális magnitúdó M = 9 körüli, ez jelenti a földkéreg teljes eltörését. (A korunkig észlelt, illetve mért értékek mind 9 alatt voltak). A másik mérőszám a Mercalli-Cancani kutató szerzőpáros által bevezetett, és azóta többször módosított I intenzitás, mely a bekövetkezett károkkal mutat tapasztalati arányosságot. Az intenzitási skála zérustól 12-ig terjed. A 3 alatti magnitúdójú földrengés csak műszeresen érzékelhető (ember által nem), az I = 12-es epicentrális intenzitás pedig az M = 9 magnitúdó értéknek felel meg. Az intenzitási értékelés hátránya, hogy a bekövetkezett károknál nem tudják figyelembe venni, vajon méretezték-e például az összedőlt épületet földrengésre vagy sem, és ha igen, akkor mekkorára.
A hipocentrumból a föld felületére húzott normális a földfelszínt az epicentrum pontban döfi. Az intenzitás az epicentrumtól távolodva haranggörbe szerint csökken. Ugyanazon magnitúdóhoz kisebb fészekmélység esetén kisebb hatástáv és nagyobb intenzitás, míg nagyobb fészekmélység esetén nagyobb hatástáv, de kisebb intenzitás tartozik. Az epicentrális intenzitás és a magnitúdó közötti megközelítő összefüggést a 4. ábra táblázata tünteti fel.
4. ábra • A földrengésmérnöki ismeretek alapfogalmai.
A magnitúdókhoz tartozó felszabadult energia értékei láthatók az 5. ábra, melyből kiderül, hogy a korábban etalonnak tekintett 1940. évi El Centro (USA) rengés az 1995. évi kobei (Japán) rengéssel körülbelül azonos energiájú volt, és mindkettő az atombomba és a hidrogénbomba energiamennyisége közötti.
5. ábra • A különböző magnitudók energiaszintjei.
A földrengés hatásai
A földrengés a földkéregben hullámszerűen terjed, és a Föld kérgének felszínén rezgő, illetve lengőmozgást hoz létre. Példaképpen tekintsük meg a 6. ábra az 1985-ös mexikói földrengés egyik szeizmogram csomagját, mely a felszínen 0,17 g maximális gyorsulást, és 21 cm-es elmozdulást mutat. Megemlíthető, hogy e földrengés során körülbelül 300 darab 10-15 emeletes épület dőlt össze, és 18 000 ember halt meg. A súlyos károsodást az okozta, hogy Mexikóváros egy része vízzel telített, gyenge, lágy talajon áll. Az ilyen talaj lefékezi a földrengési hullámokat, melyek kis helyen adják le az energiatartalmukat, és így felerősödik a rengés hatása. A 7. ábra mutatja a talajminőség hatását. A régi előírás a korábbi magyar földrengési méretezési ajánlás, míg a várható új az európai előírás gyorsulási értékeit mutatja. (Emlékeztetőül: a tömeg gyorsulással való szorzata az erő, és ez töri el az épületeket.)
6. ábra • Az 1985. évi mexikói földrengés talajfelszíni szeizmogramjai.
7. ábra • A talajminőség hatása a földrengési talajgyorsulásra.
A földrengések gyakorisága függ a helytől, a nagyobb rengések ritkábban lépnek fel. A 8. ábra mutatja néhány ország szeizmikus aktivitását, a Georisk Kft. kutatásai alapján. Ebből látható, hogy a magyarországi szeizmikus aktivitás mintegy tízszerese az angliainak, és körülbelül az USA keleti része aktivitásának felel meg.
A fentiek után a földrengés okozta károk okait a 9. ábra foglaltuk össze. Ezek megfontolandó gondolatokat tartalmaznak. A földrengés elleni védelem eszközeinek alkalmazása jelentősen képes csökkenteni a károkat 10. ábra. Így például az épületek gumitömbökre állítása a földrengési kár kockázatát az eredetinek ötödére (20%-ra) csökkenti.
8. ábra • Több ország szeizmikus aktivitásának gyakorisága a magnitúdó függvényében.
9. ábra • A földrengéskárok okai.
10. ábra • A földrengéskockázat csökkentési lehetőségei.
A magyarországi földrengésvédelem helyzete
Hazánkban a panelos épületeket kötelező volt méretezni az akkori szinten elképzelt intenzitású földrengésre. Az intenzitási osztályokat a korábban kipattant földrengések értékelése alapján szabták meg 11. ábra.
11. ábra • A 455-1971 között Magyarországon kipattant 1-5 intenzitású földrengések térképe.
Az egyéb épületekre nem volt kötelező előírás, csak egy ajánlás. Ezt akkor kellett alkalmazni, ha a beruházó kívánta. A beruházó pedig gyakorlatilag sohasem kívánta, mert ez az építési költség kismértékű növekedését jelentette volna. Ezért fordulhatott elő, hogy a Paksi Atomerőmű épületeit és berendezéseit gyakorlatilag nem méretezték földrengésre, és most kell erősíteni óriási költséggel, mert előírta az atombiztonság.
Időközben változott a földrengés elleni védekezés elve. Míg korábban a már kipattant földrengés képezte a méretezés alapját, addig ma már világszerte a geológiai adottságokból következő földrengéserősség adja a földrengésméretezés alapját. Hogy ez mennyire helyes, azt jól mutatja az 1985. évi hazai berhidai rengés esete, mely olyan helyen pattant ki, ahol még sohasem volt földrengés, és az ott kipattant rengés mai árakon számítva mintegy 100 milliárd forint kárt okozott.
Az új elképzeléseknek megfelelő földrengéserősségi térkép a 12. ábra látható, melyen a gyorsulásértékek az európai szintnek felelnek meg. Ez az új térkép a megyehatárokat veszi alapul, és így nem fordulhat elő az a korábbi ajánlás szerint többször bekövetkezett helyzet, hogy az utca egyik oldalán nem kell méretezni a házakat földrengés ellen, míg a másik oldalon igen.
12. ábra • A Magyarországon lehetséges födrengés-előfordulás térképe.
A Magyarországon máig kipattant 5 és 6 magnitúdójú rengéseket a 13. ábra tüntettük fel. Ez összhangban van a 12. ábra rengéserősségi térképével is. A térkép 4. zóna földrengéserősségét az országhatáron túl kipattant erős földrengéseknek a hazai területre gyakorolt hatása indokolja, hisz a földrengéshullám nem ismeri az országhatárokat. A hazai földrengésgyakoriság 20 évenként 5-ös, 200 évenként pedig 6-os magnitúdójú földrengés előfordulását valószínűsíti.
13. ábra • A Magyarországon és szomszédságában kipattant 5 és 6 magnitúdójú földrengések.
Időközben bonyolította a földrengés elleni védelem helyzetét az, hogy a korábbi MI - 04.133 sz. földrengésméretezési ajánlást hatálytalanították, az 1998. január 1-jén életbe lépett új építési törvény és OTÉK pedig kötelezően előírta a földrengés elleni méretezést. Így jelenleg az a helyzet, hogy kötelező földrengés ellen méretezni, de nincs olyan előírás, amely megmondaná, hogy hogyan. A jövőbeli európai előírást, az Eurocode-8-at még csak most fordítják, és még sok évbe telik, hogy használható, érvényes előírásunk legyen belőle.
Így az átmeneti időben legalább a régi ajánlást kellene alkalmazni, esetleg kiadható lenne egy egyszerűsített, rövid ideiglenes előírás a közbenső időre.
Meg kell gondolni, hogy a hazai szeizmikus aktivitás meg sem közelíti a legveszélyesebb zónák értékeit, de mintegy 10-szerese az angliainak, ahol azért nem hanyagolják el a földrengésvédelmet.
A földrengések pontos előrejelzése magától értetődően lehetetlen, de közelítő időbeli becslés lehetséges. Japánban a Hokkaido sziget minden földrengés előtt 2 métert megnyúlik, és ezért hosszméréssel tudják a közelgő földrengést előre becsülni. Egy másik eljárás a Beniofftól származó energia kumulációs módszer. Itt időtörténeti sorban kiszámítják a szeizmikus aktivitás energiáit, és így egy lépcsős diagramot nyernek. Ennek függőleges lépcsői jelzik a felszabadult földrengési energia mennyiségét, a vízszintes szakaszok pedig a nyugalmi időszakokat. A lépcső alsó és felső burkoló egyenese között helyezkedik el az aktív szakasz. Ha a vízszintes lépcső nyugalmi szakasza eléri az alsó korlátegyenest, akkor a közeljövőben földrengés várható. Ezt a lépcsős diagramot elkészítettük Magyarország területére, és e közelítő értékeket a 14. ábra mutatjuk be. Ebből úgy tűnik, hogy mintegy 15-20 év múlva várható egy komolyabb földrengés.
14. ábra • A Banioff-féle energiakumulációs földrengés-előrejelzés Magyarország területére.
Japán kutatók kidolgozták a világ nagy földrengéseinek közepes periódusidőit a magnitúdó függvényében. Ezt összehasonlítva az épületek közepes rezgési periódusidőivel, úgy tűnik, hogy a földrengési kockázat szempontjából a hazánkban gyakori falazott épületek a legveszélyeztetebbek, mert ezek kerülhetnek rezonanciába a földrengéssel 15. ábra.
15. ábra • A T periódusidő és a magnitúdó összefüggése, összehasonlítva az épület periódusidőkkel.
A 16. ábra bemutattuk az épületek teherhordó szerkezeteinek közelítő építési költségnövekedését, ha azokat a földrengésre méretezzük. Ez a hazai viszonyok között 5-10% költségnövekedést jelent. Tekintve, hogy a teherhordó szerkezetek költsége mintegy 20%-a a teljes épületköltségnek, a földrengésre való méretezés mintegy 1-2% többletet jelent az építési összköltségben. Ez csak mintegy ötödrésze az I. és II. osztályú parketta közötti árkülönbségnek.
16. ábra • A teherhordó szerkezet költségnövekedése az intenzitás szerint.
A magyarországi földrengésvédelem problémáit a 17. ábra foglaltuk össze. Ezek alapján felmerül a kérdés, hogy szabad-e egyáltalán takarékoskodni a rengések elleni védelem elhagyásával. Jelentős probléma az is, hogy mi legyen a nemzeti álláspont a sok megépült épülettel kapcsolatosan (például Budapest), amelyeket egyáltalán nem méreteztek a földrengések ellen.
17. ábra • A földrengés elleni védelem problémái Magyarországon.