/DK-UDC 05:625; ISSN 0017-2774 • LJUBLJANA, JUNIJ-JULIJ-AVGUST, 1994 • LETNIK J^XX III* S' I GRADBENI VESTNIK TR. ( b 135-202 Ü tO: Lji H snjo No' operativa na kompleksu INTE ani n: lad fiesto- Ljub Jtgradn REVR koncu IP PIONIR (t^r gradbena dokončal ijo kompleksa terminali v ališke ulice kosti preko 36.000 m2. repr kontn sl zu Pi kad ark ri n erevri no\ ezentan Tikoli 'O ne sl s iščnc povrsf n^njo ui šči, opa je tako it Ivbi ih term z izgradnjo nalov pridobila :np poslovno stavbo z površin, objekt itrepnicami i površin, halo s preko 5000 m2 n, ter vso pripadajočo red tev z infrastrukturo, tami in železniškim industrijskim tirom. Pi
2 mm in njim pripadajoče relativne masne frakcije. Kilometraža vzdolž reke Alpski Ren je bila določena s pomočjo posebej za abrazijsko razdaljo razvite regresijske enačbe [Mikoš 1993bj. Za vsak eksperimentalni korak je bila določena: - zrnavostna krivulja mešanice na koncu koraka in - srednja stopnja zmanjšanja teže mešanice, in sicer iz spremembe njene teže na začetku in koncu eksperimen­ talnega koraka (sl. 3). 5. MODELI FLUVIALNE ABRAZIJE 5.1. Štiriparametrski eksponentni model fluvialne abrazije Tudi za laboratorijske raziskave fluvialne abrazije se lahko uporabi štiriparametrski eksponentni model, opisan v prvem delu prispevka (enačbe (12) do (15) v [Mikoš 1994]). Sedaj se lahko model uporabi za opis spreminja­ jočih se srednjih stopenj zmanjšanja teže: SREDNJE STOPNJE ZMANJŠANJA TEŽE [-/km] 0,1 0,01 0,001 ' A J A A ■ ■ ■ . 1------- ■ - O ► * < □ f ° ♦ 4C i •, O □ ■ 1 □ 2 ♦ 3 o 4 A 5a+5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 RAZDALJA PREMEŠČANJA [km] Slika 3. Merjene srednje stopnje zmanjšanja teže modelnih mešanic, podane za vsak eksperimentalni korak v sredini intervala razdalje. m = moe ^ +*l(s+s°r,<2]s[kg] (1 Na splošno velja, da se stopnje zmanjšanja teže za prav vse mešanice zmanjšujejo z razdaljo premeščanja. To še posebej velja za mešanici 5 in 5a, ki izvirata skoraj neposredno iz izvorov robatih plavin (hudournik Schrau- bach). Abrazijskim poskusom je sledilo iskanje ustreznih mate­ matičnih modelov, ki bi čim bolje opisali zrnavostne spremembe testnih mešanic v abrazijski napravi in njim pripadajoče srednje stopnje zmanjšanja teže. kjer je m0 [kg] masa mešanice na začetku eksperimental­ nega koraka in m [kg] masa iste mešanice na koncu koraka, x0 [-/km] predstavlja komponento obrusa, ^ [-/km] predstavlja komponento krušenja, xz [-] je indeks, kako hitro izzveni komponenta krušenja, s [Renski km] je razdalja, merjena vzdolž reke Alpski Ren in s+So [km] je srednja oddaljenost od različnih izvorov plavin. Uporab­ ljena je bila nelinearna regresijska analiza (Marquardt) in dobljene so bile naslednje regresijske enačbe in koefi­ cienti R: #1:R = 0,9999 (7 točk): a w= 0,0085 + 0,11 (S-10)-1,0 [-/km] (2) #2: R~1,0(4točke): a w = 0,0026 + 0,11 (s + 14)~1 0 [-/km] (3) #3: R = 0,9999 (7 točk): a w= 0,0037 + 0,11 s“1’° [-/km] (4) #4: R = 0,9969 (7 točk); a w= 0,0037 + 0,11 s"10 [-/km] (5) #5 + 5a: R = 0,9989 (6 točk): aw= 0,0049 + 0.11 (s-6 )-0'6 [-/km] (6) ki predstavljajo enostavne, toda zaradi visokih vrednosti regresijskih koeficientov tudi precej reprezentativne mo­ dele fluvialne abrazije odločujočega zrna, razvite za rinjene plavine reke Alpski Ren. Rezultirajoči analitični izrazi regresijskih enačb se razlikujejo med mešanicami več kot le v enem parametru. Zdi se, da je poglavitni vzrok temu stohastična narava premeščanja plavin, ki združuje in meša plavine iz različnih izvorov plavin raz­ lične kamninske sestave. Tako je vsaka mešanica sestav­ ljena iz skupin zrn plavin, vsaka s svojo lastno zgodovino brušenja. Vsako posamezno zrno prihaja iz natanko določenega izvora plavin s samosvojimi kamninskimi lastnostmi, in je bilo premeščeno za določeno abrazijsko razdaljo ter se nahaja v določenem stanju brušenja. Kljub temu se lahko predvideva, da je vsaka mešanica homo­ gena v svoji petrografski sestavi. Razlike med mešanicami se lahko potem razložijo z dejstvom, da so sestavljene iz zrn plavin različnih izvorov plavin. 5.2. Teorija drobljenja Zaradi visoke stopnje kompleksnosti procesa abrazije v eksperimentalni napravi smo poiskali nove ideje na drugih tehničnih področjih. Tako je bilo izbrano industrijsko drob­ ljenje kot proces zmanjševanja velikosti delcev in ena najpomembnejših operacij v praksi kemičnega inženirin­ ga. Tipični operaciji sta drobljenje in mletje, ki se opravljata v različnih vrstah mlinov, posebno bobnastih mlinih. Zna­ nje o procesu drobljenja lahko pomaga opisati proces abrazije zaradi podobnosti v gibanju zrn plavin v abrazijski napravi z nekaterimi napravami za mletje. Posebej zani­ miv je proces avtogenega mletja, pri katerem delci izgubljajo svojo težo zaradi treh različnih mehanizmov razdrobljenja: drobljenja oziroma loma, krušenja in obrusa [Menachoj. Lom je definiran kot diskreten časovni proces, v katerem se delec razdrobi zaradi delovanja sil trka. Pri hitrem lomu - normalnem drobljenju je delec razdrobljen s trkom ali stikom med večjimi delci in pri počasnem lomu - samodrobljenju se delec razdrobi zaradi trka pri lastnem prostem padu. Obrus je definiran kot proces, ki je bolj zvezen v času in deluje na površini delca, notranjost ostaja nedotaknjena. Krušenje je defini­ rano kot nezvezen časovni proces, v katerem se delec zmanjšuje zaradi izgubljanja majhnih okruškov. Krušenje se lahko vrednosti kot proces podoben lomu ali obrusu. V tej študiji sta se procesa krušenja in obrusa obravnavala združeno, kot obraba. V osnovi torej razlikujemo dva mehanizma obrabe. Pri trenjski obrabi - obrusu se masa izgublja zaradi trenja med delci in pri obrabi zaradi trka - krušenju se masa izgublja zaradi trkov med delci. Osnovo je torej tvoril zahteven matematični opis procesa avtogenega mletja enkratne polnitve v bobnastem mlinu, povzet v t. i. modelu populacijskega ravnotežja (popu­ lation balance model) oziroma modelu ravnotežja veliko­ sti in mase (size-mass balance), ki je v svojem bistvu kontinuitetna enačba, podana v enačbi (7) v diagramu 1. Za reševanje te enačbe je potrebno poznati matematične izraze za obe funkciji razdrobljenja v odvisnosti od izbranega mehanizma obrabe pri avtogenem mletju. Središčno vlogo pri avtogenem mletju delcev ima t. i. linearna stopnja obrabe ali razdalja obrabe na enoto časa d i id t= -x , saj je pretežni del mase delca izgubljen zaradi obrabe. 5.3. Splošni frakcijski model fluvialne abrazije Pri splošnem frakcijskem modelu opisuje skupna funkcija specifične stopnje razdrobljenja S intenzivnost procesa razdrobljenja delcev in pri tem upošteva procese droblje­ nja delcev (drobljenja s prodniki in samo-drobljenja del­ cev) in razdrobljenja zaradi obrabe. Poseben pomen ima izbira modela obrabe, ki je prevladujoči mehanizemjaz- drobljenja. Skupna funkcija zrnavosti razdrobljenja B pa opisuje zrnavostno krivuljo produkta razdrobljenja in pri tem upošteva procese drobljenja delcev in njihove obrabe. Ker običajno ni na razpolago dovolj eksperimentalnih podatkov za določitev od 14 do 16 parametrov splošnega frakcijskega modela, naj se le-ta uporablja le v poenostav­ ljeni obliki. Podrobnejši opis splošnega frakcijskega mode­ la, funkcij razdrobljenja in možnih modelov obrabe je podan v [Mikoš 1993bj. 5.4. Poenostavljeni frakcijski model fluvialne abrazije Enostavnejši model od splošnega lahko dosežemo tako, da opišemo celoten proces razdrobljenja znotraj abrazij­ ske naprave samo z razdrobljenjem zaradi obrabe. Zane­ marjanje razdrobljenja zaradi loma zahteva izbor modela obrabe, ki najbolje opisuje skupno specifično stopnjo razdrobljenja. Tako je bil kot osnova za poenostavljeni frakcijski model abrazije izbran eksponentni Bondov mo­ del [Mikoš 1993bj. Poenostavljeni model je prikazan v diagramu 1. V abrazijski napravi ocenjena vrednost spe­ cifične stopnje razdrobljenja S se tako lahko zapiše z enačbo (10) in linearna stopnja obrabe x z enačbo (11). Ocenjeno vrednost je potrebno zaradi specifičnosti abra­ zijske naprave popraviti, kar je prikazano v enačbah (8) in (9). Ko poenostavimo celoten proces razdrobljenja znotraj abrazijskega mlina samo v proces obrabe, pomeni to za skupno funkcijo porazdelitve razdrobljenja, da naj upošteva samo drobir in brušena jedra. V tem primeru je matrika B neodvisna od uporabljenega modela obrabe. Če lahko zanemarimo tudi krušenje, potem lahko upora­ bimo zelo enostavno funkcijo porazdelitve razdrobljenja v obliki spodnje trikotne matrike velikosti n x n in konstantno vrednostjo elementov, ki so različni od nič le na diagonali pod glavno diagonalo (brušena jedra) in v zadnji _vrsti (drobir). Če uporabljamo sejalno razmerje R = (V"2)~1, je vrednost elementov približno 0,5. Tako ima model 5 parametrov, ki jih je potrebno umeriti. Opisani poenostavljeni model je bil umerjen na rezultatih laboratorijskih abrazijskih raziskav iz poglavja 4. Ker skupne funkcije razdrobljenja kljub poenostavitvi niso nespremenljive s spremembami v okolju mletja, je bilo potrebno enačbo (7) rešiti s pomočjo kompleksne nume­ rične analize ob uporabi optimizacije [Mikoš 1993b]. Praktično to pomeni, da so se po metodi najmanjših kvadratnih odstopanj modelirane zrnavostne krivulje me­ šanic prilagajale merjenim krivuljam iz abrazijske naprave. Povprečna relativna napaka ni presegla 10%. Končni rezultat optimizacije so bili izrazi za skupno funkcijo specifične stopnje razdrobljenja, podani v diagramu 2. POENOSTAVLJENI FRAKCIJSKI MODEL FLUVIALNE ABRAZIJE ZA PRODONOSNE VODOTOKE M(s) = e x p [ - ( i - ! } ) S ,j]m (o) ...(7) M ( 0 ) j e v e k to r re r e z u l ta t se jali M ( s ) j e v e k to r rel r e z u l ta t s e ja ln e a n a liz e p la v in , o d v z e tih n a ra z d a lji s n j e š te v i lo z r n a v o s tn ih r a z r e d o v I j e e n o tn a m a t r ik a v e lik o s ti n x n : ' l 0 ... 0 o" 0 1 ... 0 0 0 0 ... 1 0 0 0 ... 0 1_ B = " 0 0 0 ... 0 0 0 " 0 .5 S l 0 0 0 0 " 0 0 ... 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 .5 0 ... 0 0 0 2 0 _ 0 0 Š 3 ... 0 00 0 .5 ... 0 0 0 s = 0 0 0 V i 00 0 0 ... 0 .5 0 0 0 0 0 0 š„ 0 .5 0 .5 0 .5 ... 0 .5 1.0 1.0 n j z-ti e le m e n t m a t r ik e S j e 0.21 -0 .3 -o c e n je n ""Sn ■*/$ ~ S, i A = A„ xm [m m ] j e s re d n je z rn o p e tih n a jb o lj g r o b ih z r n a v o s tn ih r a z r e d o v x{ [m m ] j e v e lik o s t o d p r t in e z g o r n je g a s i ta / - t e g a z m a v o s tn e g a r a z r e d a . [ - /k m ] ... (8 ) o cm jo . 0.3 .. . [- ] ...(9 ) " A ocenjen * ° - 5 -s- 0 .6 z a fazo k ru še n ja ( p o v ii ja v o d a , g r o b e p lav in e ) ali h itro s ti p rem e šč a n ja z rn p lav in o k o li 1 m /s - A ocenjen * 0 .7 * 0 .8 z a faz o o b ru sa (o b le p lav in e ) in z m e rn e h itro s ti p re m e šč a n ja z rn p lav in d o o k o li 0 .6 m /s - p re d p o s ta v i R = ( - / ? ) in u p o ra b i u s tr e z n o e n a č b o : A o c ^ J e n = 0 .9 : $ ^ = 6 . 4 4 4 s ) x j u ... [ -/k m ] (1 3 ) Sočen,» , = 0-8 ■ Šl^ = 7 . 0 U s ) x j fa . . . [ - /k m ] ... (1 4 ) ^ ocenjen — 0 .7 K{S) x f 3 ... [ -/k m ] ... (1 5 ) ^ ocenjen — 0 .6 .. [ - /k m ] . .. (1 6 ) ^ ocenjen — 0.5 Š,-ocenjm= 9.05 K ( s ) x f5 ... [ - /k m ] . .. (1 7 ) B j e s k u p n a f u n k c i ja z r n a v o s t i r a z d r o b l je n ja - s p o d n ja t r i k o tn a m a t r ik a v e lik o s ti n x n S j e s k u p n a f u n k c i ja s p e c if ič n e s to p n je r a z d r o b lje n ja - d ia g o n a ln a m a t r ik a v e lik o s ti n x n - xm [m m ] « a r i tm e tič n o s re d n je z rn o r in je n ih p lav in Diagram 1. Poenostavljeni frakcijski model fluvialne abrazije - za prodonosne vodotoke. Primerjava z rezultati štiriparametrskega eksponentnega modela fluvialne abrazije odločujočega zrna: enačba (2) za mešanico 1 in enačba (4) za mešanico 3, pokaže dobro ujemanje. Bistvena prednost frakcijskega modela pred modelom odločujočega zrna ostaja v njegovi sposobnosti upoštevati različno intenziteto abrazijskih procesov za različne velikosti zrn. Da so razlike med zrni precejšnje, kažejo tudi rezultati v diagramu 2, podani za 100 mm in 10 mm velika zrna. POENOSTAVLJENI FRAKCIJSKI MODEL FLUVIALNE ABRAZIJE ZA ALPSKI REN R e n k m 2 3 .2 - p r ib liž n o 3 0 e k sp e r im e n ta ln i re z u lta ti m o d e ln e m e š a n ic e 1 : Ko = 0 0 0 1 5 - /k m , Kj = 0 .1 - /k m , k2 = 0 .7 , s0 = 13 k m , A ^ ^ = 0 .9 in xm = 55 m m ■ W , = 6.44[0.0015 + 0.03(5- lO)“07] ^ 01 ... [-/km] k m 23 : = 1 00 m m = 0 .0 2 6 3 /k m x,- = 10 m m = 0 .0 3 3 2 /k m k m 3 0 : x, = 100 m m J ^ c„yen = 0 .0 2 1 1/km x, = 10 m m Šoce„jm = 0 .0 2 6 5 /k m Št ~ (o.0224 + 0.448(.j - lO)“07)*:04 ... [-/km] e k sp e rim e n ta ln e v re d n o s ti a b ra z ije so n a v o ljo 7 - 5 R | '1 + R Y W 'Y 1 \̂ oc*nj*n 1 i ] 4»),*-1 -R V 2 J 1,2j * M = k 0 + * " ,(!- v2)(x + So)"'2 (11) . [ - /k m ] ... (1 0 ) k m 23 : xi = 1 00 m m St = 0 .0 1 5 3 /k m x f. = 10 m m St = 0 .0 3 8 5 /k m k m 3 0 : xt = 1 0 0 m m Št = 0 .0 1 2 3 /k m x (. = 10 m m ^ = 0 .0 3 0 8 /k m R e n k m p rib liž n o 3 0 - 6 4 . 9 e k sp erim e n ta ln i re z u lta ti m o d e ln e m e ša n ic e 3 : k0 = 0 .0 0 1 1 - /k m , k j = 0 . 1 - /k m , tc2 = 0 .7 , s0 = 3 1 .5 k m , A ^ = 0 .8 in x m = 55 r k0 [ -/k m ], Kj [ - /k m ] , k2 [-], s0 [k m ], Aocê m [ - ] in xm [m m ] s o e k sp e r im e n ta ln o d o lo č e n i p a ra m e tr i R [-] j e s e ja ln o r a z m a je s [k m ] j e a b ra z ijsk a ra z d a lja e k sp er im e n ta ln e v re d n o s ti ab ra z iie n iso n a v o lio . [-/k m ] k m 3 0 : x, = 1 00 m m = 0 .0 1 0 8 /k m x, = 10 m m S = 0 .0 1 7 1 /k m = 0 .0 0 7 8 /k m x, = 10 m m =k m 6 0 : xt = 1 00 m m S( Ž * (o. 018 + 0.488j “°7 ... [./km] 0 .0 1 2 4 /k m - u p o ra b i p o s to p e k I. iz d ia g ra m a 1 [M ik o š 1 9 9 3 c] : - v re d n o s ti aw_0 [ -/k m ] z a iz b ra n o v rs to k a m n in e vstav i v e n a č b e ( 1 6 ) d o (1 8 ) k a r d a e n a č b o z a d is ta n č n o o d v isn o k o n s ta n to l in e a rn e s to p n je o b ra b e : *0) = ̂ + (5* 1 0 ) ^ [ l - (0.5-r 0.9)](s + i0)-(05ta9) (12) k m 3 0 : x,. = 1 0 0 m m S, = 0 .0 0 6 3 /k m xt = 10 m m St = 0 .0 2 0 0 /k m k m 6 0 : x , = 1 00 m m Šj = 0 .0 0 4 6 /k m x , = 10 m m Š, = 0 .0 1 4 5 /k m Diagram 2. Poenostavljeni frakcijski model fluvialne abrazije - za raziskovani odsek reke Alpski Ren. 6. SKLEPI Raziskava je pokazala praktično uporabnost laboratorij­ skih abrazijskih poskusov v bobnastem mlinu z mešani­ cami prodnatih plavin. Glavni eksperimentalni rezultat so bile zrnavostne spremembe v odvisnosti od razdalje brušenja in iz njih za vsak eksperimentalni korak izražene srednje stopnje zmanjšanja teže zrn plavin, ki ustrezajo enoparametrskemu eksponentnemu modelu abrazije od­ ločujočega zrna. Če spreminjanje srednjih stopenj zmanjšanja teže opi­ šemo s štiriparametrskim eksponentnim modelom flu- vialne abrazije odločujočega zrna, se eksperimentalne vrednosti koeficientov tega modela dobro ujemajo z na terenu merjenimi vrednostmi koeficientov abrazije. Za študije urejanja naravnih vodotokov, za katere lahko zrnavostno združbo plavin nadomestimo z odločujočim zrnom, lahko uspešno uporabljamo model fluvialne abra­ zije odločujočega zrna. Spreminjanje srednjih stopenj zmanjšanja teže lahko izrazimo tudi z modelom popolnoma avtogenega mletja v bobnastih mlinih, ki v svojem bistvu predstavlja kontinui- tetno enačbo za velikost in maso zrn polnitve mlina. Procesi drobitve v abrazijski napravi se tako razdelijo v procese drobljenja, kot je drobljenje s samicami ali samo- drobljenje, in procese obrabe, kot sta krušenje in površin­ ski obrus, kjer očitno prevladuje slednji. Najpomembnejši parameter procesov obrabe je linearna stopnja obrabe (dr/df) [mm/km], razdalja obrabe na časovno enoto, katere odvisnost od razdalje brušenja in velikosti zrn je bila eksperimentalno potrjena. Drobitveni procesi v laboratorij­ ski napravi se nato lahko opišejo s frakcijskim modelom fluvialne abrazije, ki je lahko splošen ali poenostavljen. Ker običajno ni na razpolago dovolj eksperimentalnih podatkov za določitev parametrov splošnega frakcijskega modela, naj se le-ta uporablja le v poenostavljeni obliki. Pri numeričnem simuliranju prodnega premika naj dobi poenostavljeni frakcijski model prednost pred modelom abrazije odločujočega zrna. Frakcijski model zanemarja procese drobljenja in opisuje proces fluvialne abrazije samo s procesi obrabljanja in se zdi primeren za večino terenskih situacij. V modelu sta upoštevani obe eksperi­ mentalno opazovani odvisnosti, tako distančna kot tudi velikostna odvisnost linearne stopnje obrabe. Če uporab­ ljamo poenostavljeni frakcijski model, potem naj ima obliko s petimi parametri, kot je pokazano za prodonosne vodotoke v diagramu 1. Nadaljnji korak v raziskovanju fluvialne abrazije prodnatih plavin bo integracija poeno­ stavljenega frakcijskega modela v prav tako frakcijski model premeščanja plavin. Podobne laboratorijske raziskave fluvialne abrazije je možno za slovenske razmere izvesti v Vodogradbenem laboratoriju (bodočem Inštitutu za hidravlične raziskave) v Ljubljani. Raziskave naj bi potekale v dveh smereh. Predvsem naj bi opravili abrazijske raziskave za rinjene plavine tistih slovenskih rek, kjer v naravi raziskava zaradi naravnih pogojev objektivno ni možna. Raziskava fluvialne abrazije bi v tem primeru rabila neposredno presojam premeščanja rinjenih plavin v naravnih vodotokih, kar je pomemben element urejanja vodnega režima. Na drugi strani pa naj bi opravili abrazijske raziskave za grobe plavine v izvorih plavin. Pri tem bi morali upoštevati razprostranjenost erozijskih žarišč, predvsem globinske erozije, v različnih kamninah. Tako bi lahko povezali količinske in zrnavostne analize sproščanja in odplavljanja zemljin iz povirij voda s presojami premeščanja v dolinskih vodotokih, kar bi pomagalo pri reševanju odprtih vprašanj, kot so: - Dotok katerih plavin iz kakšnih erozijskih žarišč lahko glede na premestitveno sposobnost dolinskih vodotokov in dopustno zaplavljanje njihovih strug dopuščamo? - Katere strukture plavin lahko vežemo z zadrževalniki plavin v zaledjih in katere s sanacijo izvorov - erozijskih žarišč? - Na kakšne strukture plavin moramo konstruirati in dimenzionirati različne zadrževalne objekte? Pri tem je potrebno upoštevati dejanske razmere v vod­ nem režimu: - Možnosti za vezanje plavin z zadrževalniki so že močno izkoriščene; še razpoložljive akumulacijske pro­ store naj bi zato ohranili za zadrževanje voda, predvsem v zvezi s problemi visokih voda in vse pogostejšim poplavljanjem nižinskih predelov ob slovenskih vodotokih. - Pretok drobnozrnatih plavin je vse pogosteje prekinjen z energetskimi stopnjami, kar naj bi kmalu veljalo za številne slovenske vodotoke. - Stalni dotok plavin iz zaledij predstavlja stalen vir proda in peska kot gradbenega materiala. - Zmerni dotok plavin in s tem povezano obnavljanje dna strug predstavlja obenem obnavljanje samočistilne spo­ sobnosti vodnih tokov, ki je vse bolj dragocena. - Neselektivno urejanje hudourniških območij ni več do­ pustno. Bradley W. C.: »Effect of weathering on abrasion of granitic gravel, Colorado River (Texas)«, Bulletin of Geological Society of America, Vol. 81, str. 61-80, 1970. Bradley W. C., Fahnestock R. K. in Rowekamp, E. T.: »Coarse sediment transport by flood flows on Knik River, Alaska«, Bulletin of Geological Society of America, Vol. 83, str. 1261-1284, 1972. Daubree A.: »Etudes synthetiques de geologie experimentale«, Dunod, Paris, 1879. Düll F.: »Das Gesetz des Geschiebeabriebes«, Mitt, aus dem Gebiet des Wasserbaues und der Baugrundforschung, Heft 1, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, 1930. Fayol M.: »Etudes sur le terrain houiller de Commentry«, 1886 (citiran v [Schoklitsch 1914]). Gölz E., Tippner M.: »Korngrössen, Abrieb und Erosion am Oberrhein«, DGM, Vol. 29, H. 4, str. 115-122, 1985. Jurisch R.: »Laboratory tests on the alternation of the properties of sediment in rivers«, Alii del XVII Convegno di idraulica e costruzioni idrauliche, Palermo, str. 2-12, 1980. Krumbein W. C.: »The effects of abrasion on the size, shape and roundness of rock fragments«, Journal of Geology, Vol. 49, str. 482-520, 1941. Kuenen Ph. H.: »Experimental abrasion of pebbles, 1. Wet sandblasting«, Leidse geologische Mededelingen, Vol. 20, str. 142-150, 1955. Kuenen Ph. H.: »Experimental abrasion of pebbles, 2. Rolling by current«, Journal of Geology, Vol. 64, str. 336-368, 1956. Kuenen Ph. H.: »Some experiments on fluviatile rounding«, Proc. Series B, Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, Vol. LXI, str. 47-53, 1958. Kuenen Ph. H.: »Experimental abrasion of pebbles, 3. Fluviatile action on sand«, American Journal of Science, Vol. 257, str. 172-190, 1959. Marshall P.: »The wearing of beach gravels«, Transactions and Proceedings of the New Zealand Institute, Vol. 58/1-2, str. 507-532, 1927. Marshall P.: »Beach gravels and sands«, Transactions and Proceedings of the New Zealand Institute, Vol. 60/1-2, str. 324-365, 1929. Menacho J. M.: »Some solutions for the kinetics of combined fracture and abrasion breakage«, Powder Technology, Vol. 49, str. 87-96, 1986. Mikoš M.: »Analiza zrnavosti plavin po izvornih tipih zemljin in hribin ter njihova aplikacija na odvodne struge«, Diplomska naloga št. 102, Hidrotehnična smer FAGG, Univerza v Ljubljani, 112 str., 1983. Mikoš M.: »Fluvial abrasion of gravel sediments - Field investigation of the River Alpine Rhine, experimental study in the abrasion set-up and mathematical modeling of the laboratory processes«, Mitt, der VAW št. 123, ETH Zurich, 322 str., 1993a. Mikoš M.: »Fluvialna abrazija prodnatih plavin«, Acta hydrotechnica, Laboratorij za mehaniko tekočin, Univerza v Ljubljani, Letnik 11, št. 10, 107 str., 1993b. Mikoš M.: »Fluvialna abrazija v prodonosnih vodotokih. I. del: Terensko raziskovanje procesov in njihov matematični opis«, Gradbeni vestnik, Ljubljana, Letnik 43, št. 3-4-5, str. 68-76, 1994. Parker G.: »Selective sorting and abrasion of river gravel. II: Application«, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 117/2, str. 150-171, 1991. Schoklitsch A.: »Über Schleppkraft und Geschiebebewegung«, 66 str., Verlag von Wilhelm Engelmann, Leipzig und Berlin, 1914. Schoklitsch A.: »Über die Verkleinerung der Geschiebe in Flussläufen«, Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschaften in Wien, Math.-naturw. Klasse, Abt. Ila, Band 142, Heft 8, str. 343-366, 1933. Schümm S. A., Stevens M. A.: »Abrasion in place: a mechanism for rounding and size reduction of coarse sediments in rivers«, Geology, Vol., str. 37-40, 1973. Stelczer, K.: »Der Geschiebeabschliff«, Die Wasserwirtschaft, Vol. 38/9, str. 260-269, 1968. Stelczer K.: »Bed-Load Transport - Theory and Practice«, Water Resources Publications, Littleton, Colorado, USA, 1981. Wenthwort C. K.: »A laboratory and field study of cobble abrasion«, Journal of Geology, Vol. 27, str. 507-521, 1919. Werritty A.: »Downstream fining in a gravel-bed river in S. Poland: Lithologic controls and the role of abrasion« (v Billi P. et al.: »Gravel-Bed Rivers«), str. 333-350, Wiley, 1992. Z A H V A L A P risp evek izv ira iz d o k to r sk e disertacije [M ik o š 1993a], k i jo je a v to r o p ra v il na G ra d b en em o d d e lk u Z v e zn e teh n iške v iso k e šo le ( E T H ) v Z ü rich u , Švica . V seb in sko d isertacija p o m e n i p o g lo b lje n o o b d e la v o o sn o vn ih id e j o flu v ia ln i abraziji, p r id o b ljen ih m e d štu d ijem in še p o se b e j m e d iz d e la v o d ip lo m sk e n aloge na H idro teh n ičn i sm eri F A G G v L ju b ljan i, p o d vo d stvo m p ro f . dr. M . P šen ičn ika in p ro f. J. P in tarja, k i se j im a a v to r najprisrčneje zahvalju je. P o seb n a za h va la g re tu d i V o d n o g o sp o d a rsk em u inštitu tu v L ju b ljan i, k i je p o k a z a l razu m eva n je za a v to r jev š tu d ij na E T H Z ü rich , in fo rm a ln em u m en torju p ro f . dr. M . B rilly ju s F A G G U n iverze v L jubljan i, k i je a v to r ja sp o d b u ja l k štu d iju v tu jin i. M en torju p ro f . dr. D . V ischerju , d irek to rju R a zisk o va ln eg a za v o d a za v o d n e zg ra d b e , h id ro lo g ijo in g la c io lo g ijo na E T H Z ü rich in som en torju do c . dr. M . Jaegiju , v o d ji O d d e lk a za urejanje v o d o to k o v na is to im en sk em za vo d u , se a v to r za h va lju je za n ju n o vses tran sko p o m o č v času b ivan ja v Švici. A v to r se tu d i zah va lju je v la d i Š v icarske kon federacije , k i m u je s sv o jo zv e zn o š tip en d ijo o m o g o č ila o d h o d na š tu d ij na E T H in M inistrstvu za zn a n o s t in teh n o log ijo R ep u b lik e S loven ije , k i ga j e v času štu d ija p o d p ira la s š tip en d ijo m la d eg a razisk o va lca . VARNOST VELIKIH PREORAO UDK 6278.04 MARKO BREZNIK P O V Z E T E K ■ , ~ Velike pregrade so zaradi poplavnega vala najnevarnejši gradbeni objekt. Podrlo se jih je že 1000. Skrb za varnost velikih pregrad je pri nas v zadnjih desetletjih popustila. Zaradi slabših geotehničnih karakteristik temeljne kamnine - miocenskega laporja - je bilo treba stabilnost jezu Melje na Dravi, zgrajenega 1965. leta, povečati s prednapetimi sidri. Potrebna natezna sila, 6180 kN na eno pretočno polje, bi se lahko zmanjšala s konsolidacijo laporja. Predvideno je bilo kontrolno merjenje obstoječe natezne sile in dodatno napenjanje sider, če bi bilo to potrebno. Teh meritev niso izvršili. V hidroelektrarni Fala niso merili vzgonskih pritiskov vode pod temelji strojnice, ki so narasli do višine zajezitve in ogrozili stabilnost objekta. Projekt pregrade Vogeršček so odobrili na osnovi mnogo premajhnega obsega geoloških raziskav. Za izgrajeno pregrado je bila potrebna sanacija z izgradnjo injekcijske zavese globine 110,5 m v apnence. Avtor predlaga ustanovitev Republiške uprave za varnost velikih pregrad in Državne revizijske komisije za večje objekte. Ker so naše pregrade stare nad 30 let, morajo biti za vzdrževanje in obnovo zagotovljena zadostna finančna sredstva. THE SAFETY OF LARGE DAMS S U M M A R v - Due to the possibility of a flood wave, large dams can be considered to be, potentially, very hazardous structures. As many as one thousand are known to have collapsed. In Slovenia, over recent decades relatively less attention has been paid to the question of their safety. For instance, in the case of the weir built in 1965 at Melje on the River Drava it was necessary, due to the poor geotechnical characteristics of the soil beneath the foundations - Miocene marl - to increase the stability of the structure using prestressed anchors. It is possible that the prestressing force - 6180 kN for one spillway opening - may have decreased with the consolidation of the marl. It was planned that, some time later, the actual tensile forces should be measured, and that, if necessary, extra prestressing should be applied. However, these measurements have not been carried out. At the Fala hydro-electric power-station, measurements should have been made of the uplift pressure of the water under the foundations of the powerhouse, which had risen to a level equivalent to the height of containment of the dam and threatened its stability. The design for the dam at Vogeršček was based on geological studies which were quite insufficient in scope. As a result, when the dam had already been built, it had to be strengthened with a grout curtain reaching to a depth of 110.5 m into the limestone rock. It is proposed by the author of the paper that a special authority for the safety of large dams be established at Republic level, as well as a State committee responsible for the reviewing of designs for important structures. Since most dams in Slovenia are more than 30 years old, sufficient funds must be provided for their maintenance and renewal. I. UVOD Velike pregrade so zaradi poplavnega vala ob porušitvi najbolj nevaren gradbeni objekt. Njihova nevarnost je podobna nevarnosti jedrskih elektrarn, razlika pa je v tem, Avtor: Marko Breznik, upok. prof. FAGG, dr., dipl. inž. gradb., dipl. inž. geol., Ljubljana, Hajdrihova 28. da je pri jedrskih elektrarnah nevarno obratovanje, pri velikih pregradah pa stabilnost objekta. Od 20.000 pre­ grad v svetovnem registru se jih je porušilo 1000. Pred­ vsem so se porušile starejše pregrade, ki niso bile zgrajene v skladu s sedanjimi načeli varne gradnje, ki so se prilagajali izkušnjam, pridobljenim z analizo vzrokov porušitev. Zemeljske pregrade so se porušile predvsem zaradi prelivanja katastrofalnih voda in posledične erozije, * * Razprava na 1. posvetovanju Slovenskega nacionalnega komi­ teja za velike pregrade SLOCOLD-a 17. 3. 1994. betonske pa zaradi zdrsa pod vplivom vodnega pritiska. Kljub mnogo boljši sedanji gradnji se povprečno podreta 2 novejši veliki pregradi na leto. Tudi mi smo bili ogroženi s težavami na 200 m visoki pregradi Kölnbrein (Malta) v porečju Drave. Zaradi preve­ like obremenitve temeljne kamnine jim je dvakrat počil beton v dolžini 20 m v spodnjem delu pregrade ob levem bloku. Obakrat so imeli tudi znatne izgube vode, prvič nad 200 l/s in drugič še več. Prva sanacija ni uspela. Sedaj končujejo drugo, s katero bodo ločno pregrado podprli s 60 m visoko ločno-težnostno pregrado zaradi enakomernejšega prenosa napetosti v temeljna tla, ki so bila prej preveč obremenjena. Ali smo bili o tem kaj obveščeni ? II. ZANEMARJENA VARNOST VELIKIH PREGRAD V zadnjih desetletjih se je pri nas stalno zmanjševala skrb za varnost velikih pregrad, kar dokazujejo naslednji prime­ ri. 1. Jez Melje Jez Melje je bil zgrajen v letih 1964-1965. Med gradnjo desnih treh pretočnih polj, ki so imela horizontalno te­ meljno ploskev, so ugotovili, da imajo temeljna tla slabše geotehnične lastnosti, kakor so pričakovali. V temeljnih tleh so miocenski laporji, podobni gorenjski »sivici« z vpadom plasti okrog 10° v dolvodni smeri, ki so delno tektonsko zdrobljeni in na površini pod vplivom zraka in vode preperevajo v lapornato glino. Sklenjeno je bilo, da je treba stabilnost jezu proti zdrsu povečati s prednapetimi sidri. Pri realizaciji so sodelovali: - Laboratorij za mehaniko tal FAGG Ljubljana (prof. Šuklje) za geomehanske analize zemljine - Projektivni biro GP Tehnika Ljubljana (Breznik) za stabilnostne analize in projekt sanacije. Izvleček iz pro­ jekta je bil objavljen (Breznik 1966, 1988) - ZRMK Ljubljana (Jenček, Zajc) za projekt katodne zaščite, verjetno prve v Jugoslaviji za takšen objekt. Izvleček je bil objavljen (Jenček, Zajc 1966) - Geološki zavod Ljubljana za vsa vrtalna dela Slika 2. Konstrukcija prednapetih sider s katodno zaščito treh desnih pretočnih polj jezu Melje (po Breznik 1966) - Tehnogradnje Maribor za projekt, vgradnjo in napenja­ nje sider - Dravske elektrarne Maribor za stalno kontrolo delovanja in vzdrževanja sider. Raziskave vzorcev so pokazale kot notranjega trenja zemljine 20-23° in da je objekt na meji stabilnosti za ravno in plitvo krožno drsino. S prednapetimi sidri in aktiviranjem kota notranjega trenja na 19° je bila varnost povečana na F = 1,1. Za vsako pretočno polje je bila potrebna natezna sila 6180kN ali 1150kN na posamezno sidro (sl. 1). V vsakem polju je bilo vgrajenih po 6 sider, dolžin 20,5 m v razdalji po 3,2 m (sl. 2). Prednapeto sidro lahko izgubi svojo funkcijo zaradi na­ slednjih pojavov: - popuščanja sidrne glave Med napenjanjem sider, ki so jih Tehnogradnje vgradile za zagotovitev stabilnosti okrog 6 m visokih zidov grad­ bene jame, so 2 sidri izvlekli, ker je popustil spoj med sidrno glavo in kamnino. Osem metrov dolge sidrne glave naših sider imajo 11 čebulastih razširitev vrtine premera 20 cm. Eno tako izdelano sidro smo obremenili do poruši­ tve z 2200 kN, pri tem sidrna glava ni popustila, ampak so se pretrgale jeklene žice pri izvlečenju za 90 mm. - korozije jeklenih žic Jeklene žice so bile premazane z antikorozijskim lakom in dodatno zaščitene s katodno zaščito s 114 kg težko cinkovo anodo kot virom elektrike. V letih po izgradnji so napetost in tok med anodo in sidri merili. - konsolidacije laporja med sidrno in napenjalno glavo Zmanjšanje razdalje med sidrno in napenjalno glavo smo izračunali na 30 mm iz ugotovljenih in privzetih modulov stisljivosti (sl. 3). Ocenjeno je bilo, da naj bi se 1/4 posedanja laporja izvršila v enem mesecu in 1/2 v enem letu. Za izgradnjo je bilo osvojeno prvo in eno dodatno napenjanje po enem ali dveh mesecih. Pri prvem napenja­ nju na silo 1678 kN so bile žice izvlečene za 55 do 84 mm. Kontrolno napenjanje je bilo izvršeno 46 do 57 dni po prvem. Uporabne sile so popustile na 1472 do 1658kN. Za dosego zahtevane sile 1678kN je bilo treba žice dodatno izvleči za 6 do 1 mm. Projekt je predvideval, da naj bi pozneje merili obstoječo natezno silo v enem, za meritve prirejenem, prednapetem sidru v vsakem polju in po potrebi dodatno napeli vsa sidra. V levih treh pretočnih poljih, ki so jih gradili pozneje, je bila varnost proti zdrsu dosežena z 2 m globoko poglobi­ tvijo gorvodnega dela temelja, tako da prednapeta sidra niso bila potrebna. Pred 3 leti sem vprašal inženirja iz ZRMK, ki opravlja nadzor nad velikimi pregradami, kakšna je sedaj sila v prednapetih sidrih. Odgovoril je, da ne ve in pozneje, da tega niso merili. Na moj protest je odgovoril, da bo zahteval takšne meritve. Letos mi je povedal, da so bile predvidene za 1993. leto in so odpadle zaradi pomanjka­ nja denarja. Sicer pa tudi drugje nimajo dovolj denarja in ne upoštevajo njihovih predlogov za večjo varnost. 2. Hidroelektrarna Fala Pred 15 leti so med raziskavami za povečanje elektrarne ugotovili pod generatorsko dvorano »kaverne«, ki so verjetno nastale z erozijo naplavin in v njih vzgonske vodne pritiske v višini zajezitve. Stabilnost strojnice je bila minimalna, ker v računu običajno upoštevamo, da se vzgonski pritisk pod objektom dolvodno močno zmanjša. Razmere so pozneje sanirali, opazovanja stabilnosti objekta pred tem pa so bila nezadostna. 3. Pregrada Vogeršček Geološko poročilo za pregrado višine 36 m, temeljene na levem boku na apnenec ter v dnu in na desnem boku na flišni lapor in peščenjak iz leta 1982, je bilo zelo ugodno. O možnih kraških pojavih ni bilo govora. Geološko poročilo je bilo izdelano na podlagi 11 sondažnih vrtin, od tega je segala samo ena vrtina 9 m pod dno temelja pregrade. Skupna dolžina vrtin na področju pregrade je bila 108 m. V levem boku so bili v 20 m globoki vrtini V-3 v apenencu izvršeni poizkusi vodoprepustnosti pri pritisku 500 in 700 kPa in prepustnost ocenjena kot zelo ugodna k = 2,2 X 10-6 m/s. Izračunali so tudi možne skupne iz­ gube 6,7 l/s, od tega skozi levi bok 3,3 l/s. Projektant je predvidel izgradnjo pregrade iz kamenega nasipa z glina­ stim jedrom brez injekcijske zavese ali injekcijske galerije, ki bi poznejše injiciranje omogočala z mnenjem: »...iz­ gradnjo pregrade v predvidenem pregradnem profilu omo­ gočajo tudi geološke razmere...«, v karakterističnem prerezu pregrade 1 :200 je glinasto-meljasto jedro teme­ ljeno na »nosilna neprepustna tla«, do katerih naj bi prišli z 2- do 3-metrskim odkopom površinske plasti. Odločbo za lokacijsko dovoljenje za gradnjo akumulacije Vogeršček s pregrado je izdal Republiški komite za varstvo okolja in urejanje prostora 28. 12. 1983. Iz obrazložitve citiramo: »... smernice za izdelavo lokacijske dokumentacije za akumulacijo Vogeršček dne 20. 5. 1983... Lokacijska dokumentacija povzela temeljne ugo­ tovitve iz vseh vodnogospodarskih študij, ki so bile do tedaj pripravljene od začetne ideje do idejnega projekta, oz. zaključke revizijskih komisij, smernic in zahtev... 19. 9.1983 lokacijska obravnava... Analiza naravnih danosti, geografskih, hidroloških, geoloških in seizmičnih raz- j { I H : H e ig h t o f dam ( m } In v e s t ig a t io n a re a R e m a rk s ; T h e a re a in d ic a te s in the ca s e o f c o n c re te dam , e x c e p t a rc h dam , Tip pregrade Koeficient x H = površina raziskav gorvodno dolvodno vstran v boke ločna 1,0 1,5 1,5 težnostna 1,0 1,0 1,0 nasuta 0,5 0,5 1,0 Slika 4. Primer površine in globine raziskav za projekt velike pregrade (Standards for Geological Investigations of Dam Foundations, 1978, Japanese National Committee of the International Commission on Large Dams) mer... V postopku je sodelovalo prek 20 strokovno kvalificiranih inštitucij... je razpravljala in jo sprejela revizijska komisija pri Zvezi vodnih skupnosti dne 10. 6. 1983... Iz dokumentacije je razvidno, da je na predvide­ nem mestu mogoče zgraditi pregrado, ki bo s svojo obliko in izvedbo omogočala tehnično popolno rešitev, brez nevarnosti, da bi prišlo do porušitve in katastrofalnih posledic...« Med izkopom so naleteli na znake skraselosti v apnencih na levem boku, vendar so z gradnjo nadaljevali do končne višine. S krone pregrade so skozi glinasto jedro pregrade izvršili glavnino sondažnih vrtin in izdelali novo geološko poročilo. Leča apnenca, ki je skrasel, je na levem boku 900 m dolga in 200 m široka. Od levega boka vpada pod laporje pod pregrado. Lugeonovi poizkusi so pokazali izgube vode do 52 in ekstrapolirano 100 LU. Novo geolo­ ško poročilo iz leta 1986 je zahtevalo izgradnjo injekcijske zavese. Varnost vsake pregrade je bistveno odvisna od geoloških razmer, ki morajo biti v največji možni meri pojasnjene do faze idejnega projekta (feasibility study). Za pregrado Vogeršček je bilo izvršenih do te faze okrog 10% potreb­ nih geoloških raziskovalnih del (sl. 4). Pogodbo za ta dela je sklenila projektantska organizacija, ki je imela verjetno z investitorjem skupno pogodbo za raziskovalna in projek­ tantska dela. Projekt je bil potrjen na interni kontroli tehnične dokumen­ tacije in na investitorjevi revizijski komisiji. Na povsem izgrajeni pregradi so bila potrebna obsežna dodatna raziskovalna dela in sanacija z naknadno izgrad­ njo injekcijske zavese globine 110,5 m pod krono pregra­ de. Povprečna poraba suhe mase injekcijske zmesi v 190 injekcijskih vrtinah je bila 335 kg na meter vrtine. Razisko­ valne in injekcijske vrtine so bile vrtane skozi glinasto jedro pregrade. Ni podatkov o verjetnem poslabšanju homogenosti glinastega jedra. Sanacija prepustnih ap­ nencev je dobro uspela. Povprečna poraba injekcijske zmesi v 10 poševnih kontrolnih vrtinah je bila 7kg/m. Izkušnje, ki nam jih je dal ta dogodek, so naslednje: - ovrednotenje rezultatov vodoprepustnosti je bilo leta 1982 nesprejemljivo ugodno. Ekstrapolacija diagrama vodoprepustnosti na pritisk 1000 kPa da izgube 15,7 do 19,7 Lugeonov, kar je bil jasen znak skraselosti ali izdatne razpokanosti in potrebe po umetni tesnitvi, - geološko poročilo iz leta 1982 je bilo pretirano ugodno, izdelano z malo izkušnjami v kraških terenih, - ne poznamo recenzije geološkega poročila za revizijsko komisijo, verjetno je ni bilo, - površina in predvsem globina geoloških raziskav s sondažnimi vrtinami in poizkusi vodoprepustnosti je bila po količini okrog 10% potrebne v primerjavi s svetovnimi standardi za neskrasele kamnine (sl. 4) in še manj za skrasele kamnine, citiram: » Razlike v prepustnosti skrase- lih kamnin so na majhnih razdaljah tako velike, da je potrebno za projekt in izgradnjo objekta mnogo več raziskovalnih del kakor v drugih kamninah« (Breznik 1979/1, 1979/2), - projektant in revizijska komisija sta bila zadovoljna z gornjo, mnogo premajhno količino raziskovalnih del, - v letu 1984 je bilo za investitorja imenovano lokalno vodnogospodarsko podjetje, kateremu je bila to prva takšna pregrada. Leta 1959 se je zaradi zdrsa kamnine v levem boku hipoma podrla 60 m visoka ločna pregrada Malpasset blizu Nice. Nesreča je znana tudi po kraju Frejus, kjer je bilo 1000 mrtvih. Geološko poročilo je izdelal ugledni univerzitetni profesor, strokovnjak za petrografijo, ki mu je bilo to prvo geološko poročilo za veliko pregrado. Investitor pa je bila lokalna skupnost za namakanje, ki tudi še ni imela velikih pregrad. III. NUJNI UKREPI Mislim, da so gornji primeri dokazali, da je skrb za varnost velikih pregrad premajhna in so potrebni ukrepi, kot sledijo. 1. Republiška uprava za varnost velikih pregrad Ustanoviti je treba republiško upravo, ki bo imela velike pristojnosti kakor podobne državne uprave npr. v Švici, Kaliforniji in drugod in podobne kakor naša republiška uprava za jedrsko varnost. Skrbeti bo morala za varnost velikih pregrad in morala zahtevati delno ali popolno izpraznitev akumulacijskih bazenov, kjer pogoji varnosti ne bodo izpolnjeni. Kalifornijska uprava za varnost velikih pregrad je zahte­ vala polovično izpraznitev akumulacij Upper in Lower San Fernando Reservoir, ki sta bila rezervoarja pitne vode za Los Angeles in okrog 200 m višje od mesta. Znani San Fernando potres leta 1971 je obe zemeljski pregradi na pol porušil, vendar jih voda ni prelila in nista bili povsem porušeni. Katastrofa je bila vnaprej preprečena. Po kongresu za velike pregrade sem se na ekskurziji 1985. leta pogovarjal z direktorjem švicarske uprave za varnost pregrad, ki je bil starejši ugleden strokovnjak. Njihova uprava je imela samo okrog 5 članov. Ekspertize za stabilnostne analize je na stroške lastnikov objektov naročala pri najbolj uglednih projektantskih hišah. Na njihovi osnovi je odobrila obratovanje za naslednje obdo­ bje ali zahtevala potrebne dodatne stabilizacijske ukrepe in delno ali popolno izpraznitev akumulacij. Zaradi spre­ memb načel projektiranja v sedanjosti, npr. večjih potres­ nih obremenitev, je analizirala stabilnost vseh starejših pregrad in zahtevala prilagoditev novim zahtevam. Sana­ cije izvajajo postopoma. 2. Sredstva za vzdrževanje in izboljšave Gospodarske težave rešujemo že vrsto let s tako ceno elektrike, ki je za 30% nižja od evropske in ki ne pokriva vseh stroškov. Zaradi pomanjkanja sredstev je bila izgrad­ nja daljinskega vodenja hidroelektrarne Mavčiče nedokon­ čana. Z vlago povzročen stik na nepriključenem kablu je povzročil samodejno odpiranje zapornice leta 1992. Dvi­ ganja zapornice ni bilo možno z ročnim upravljanjem ustaviti pol ure, dokler ni zapornica dosegla najvišje točke in izklopila stikalo za polavtomatsko upravljanje. V tem času je narasel iztok na 1190 m3/s, kar je 50-letna visoka voda. Ta poplavni val ni prelil hidroelektrarne Medvode zaradi prisebnega ukrepanja osebja, ki je pričelo pravoča­ sno prazniti akumulacijski bazen HE Medvode. V Savi je dolvodno Medvod poginilo mnogo rib. Sredstev tudi ni dovolj za večja vzdrževalna dela na vtoku pregrade Moste. Naše pregrade so stare ali nad 50 let (Fala, Doblar, Plave Dravograd) ali nad 40 let (Mariborski otok, Vuzenica, Moste, Medvode) ali nad 30 let (Vuhred, Ožbalt, Melje), kar vse zahteva večja dela zaradi vzdrževanja in zboljša­ nja stabilnosti. Dosedanja praksa, da zaradi prenizke cene elektrike za ta dela ni denarja, ni sprejemljiva, saj ogroža varnost pregrad. 3. Revizijske komisije Za nevarnejše objekte, kar so nedvomno tudi pregrade, je treba vpeljati državne revizijske komisije z velikimi pooblastili. Leta 1954 je bilo za hidroelektrarno Vuhred izvršenih 95% geoloških raziskovalnih del. Za vrtino skozi prelomno cono nam niso odobrili sredstev. Prva obrav­ nava na Republiški revizijski komisiji je propadla, ker nismo mogli podati povsem pozitivnega geološkega mne­ nja brez te vrtine. Za pregrado Vogeršček je bilo izvršenih okrog 10% potrebnih geoloških raziskovalnih del. Revizija leta 1983, očitno opravljena z »blago« roko, je gradnjo odobrila. Na povsem izgrajeni pregradi so bila potrebna obsežna dodatna raziskovalna dela in sanacija z naknadno izgrad­ njo injekcijske zavese globine 110,5 m. 4. Vpliv gradbenih strokovnjakov Direktorji za izgradnjo hidroelektrarn v sosednji državi so vedno gradbeni inženirji, ker je zaradi stalnih »presene­ čenj« pri temeljenju mnogo gradbeniške problematike. Francoska državna električna družba EDF, ki je zgradila par sto velikih pregrad je sporočila, da so morali spremeniti eno tretjino načrtov gradnje zaradi težav pri temeljenju ali tesnitvi. Problematiko strojne in elektro opreme rešujejo v tovarnah. Pri nas so gradbišča in pozneje podjetja vedno vodili elektro inženirji. Posledica tega je praksa, da je električni del hidroelektrarn bolj vzdrževan, ker je bilo zanj več denarja, kakor gradbeniški. To ni sprejemljivo, ker je stabilnost pregrad odvisna od vzdrževanja. Grad­ beni strokovnjaki morajo dobiti večji vpliv v hidroelektrar­ nah. L I T E R A T U R A ...j ü = Breznik M., 1966, Primer povečanja stabilnosti brane sa prednapregnutim ankerima. Saop sa VII kong Jug nac kom za visoke brane, 171-175, Sarajevo. Breznik, M., 1979/1, Sigurnost i oštećenje »podzemnih brana« i drugih zaptivnih objekata u krasu. Saop XI. Jug kom za visoke brane, 34-43, Portorož. Breznik, M., 1979/2, The Reability Of and Damage To Underground Dams and Other Cut Off Structures in Karst Regions. Trans 13,h Int Cong on Large Dams Vol IV 57-79, New Delhi. Breznik, M., 1983, Večnamenska akumulacija Cerkniško jezero. Gradbeni vestnik, 3-15, Ljubljana. Breznik, M., 1985, Explorations, Design and Construction of Cut Offs in Karstic Regions. Trans 15th Cong on Large Dams Vol III O 58 R 67, 1111-1129, Lausanne. Breznik, M., 1988, Ankerovanje brane Melje - Doprinos našem tehničkom nasledstvu. Jug simp o injektiranju knj II 84-86, Beograd. Breznik M., 1992, Increase of the Drava and Mura High Waters Due To the Regulation and River Barrages. Mednarodna konferenca o Dravi 69-75, Maribor. Breznik M., 1992, Povečanje poplavnih pretokov zaradi regulacij in rečnih pregrad elektrarn. Ujma knj 6, 209-213 Ljubljana. Breznik M., 1992, Erhöhung der Hochwasserabflüsse der Donau und ihrer Zuflüsse durch Regulierung und Staustufen von Kraftwerken. XVI Konf der Donauländer Kelheim 1 8 - 2 2 Mai 1992. 293-300, Koblenz. Japanese National Committee of the International Commission on Large Dams 1978 Standards for Geological Investigation of Dam Foundations. 1-38, Tokio. Publication approved by the International Commission on Large Dams ICOLD, October 1978. Jenček, L, Zajc, A., 1966, Katodna zaščita sider jezu Melje hidroelektrarne Srednja Drava I. Saop sa VII kong Jug nac kom za visoke brane, 69-74, Sarajevo. ŠTUDIJA TEMELJNIH PODPLATOV — ZASUKI UDK 624.04:531.25 SVETKO LAPAJNE P O V Z E T E K " - . - .... ■ Avtor objavlja rezultate svojega študija zasukov pod vplivom vrtilnega momenta na četverokotne temeljne podplate. Študij je bil izvršen po matematični poti z integracijo, kar je možno le za regularne pritiske pri gibkih podplatih. Tako izračunani zasuki so korigirani z vplivom izravnave podplatov v ravno ploskev. Dobljeni zasuki so v splošnem nekaj manjši od zasukov, izračunanih po načinu mreže končnih elementov. Statiki-konstrukterji potrebujejo podane diagrame zasukov pri statični analizi konstrukcij zaradi elastične upetosti konstrukcijskih elementov: skeletnih stebrov, skeletnih strženov, mostnih lokov in ločnih pregrad. STUDY OF FOOTINGS - ROTATIONS S U M M A R Y The author presents the results of his study of rotations under the influence of rotation moment on rectangular footings. The study was executed mathematically by integration which is possible only for regular pressures on flexible footings. In this way rotations obtained were corrected by the influence of levelling the footings to an even surface. Thus obtained rotations are generally smaller than the rotations calculated by a net of finite elements. The designers of statics and constructions need these diagrams of rotations for statical analysis of constructions because of the elastical restraining of constructions such as: columns and kernels of skeletons, arched bridges and arched dames. UVOD Študija je nadaljevanje študije istega naslova, objavljene v Gradbenem vestniku I. 1988 (3). Prva ugotavlja velikost usedkov in oceno napetosti zaradi vpliva centrične osne obremenitve. Ta, druga študija, dopolnjuje prvo z rezultati študija zasukov in oceno napetosti pod vplivom vrtilnega momenta zaradi ekscentričnosti osnih obremenitev. Avtor se je lotil naloge po matematični poti z integralnim računom. To pa je izvedljivo le za obtežbe, ki ustrezajo matematični zakonitosti: konstantne obtežbe, naraščajoče linearno ali po zakonu kvadratne ali kubične parabole. Integracijski elementi morajo imeti obliko kotnega izseka, katerega širina se oži proti opazovani točki usedka proti 0, torej Aqp (opis v članku [3]). Avtor: Svetko Lapajne, gradb. inž. in prof. FAGG v pokoju Bogišičeva ulica 1, 61000 Ljubljana, SLO Navedeni način računa robnih usedkov je izkazal izredno nizke vrednosti, zato je avtor preverjal še usedke v četrtini višine, torej na polovici med osjo plošče in njenim robom. Za to mesto pa je račun izkazal izredno visoke vrednosti zasukov. Realna vrednost zasuka bo nekje vmes, pri čemer bo narava prilagodila reakcijske pritiske tal tako, da bo ustreženo zakonu minimalnega dela, minimalnemu zasuku. Ob robovih se bodo pojavile osti napetosti, ki bi dosegale teoretično v vogalih neskončne vrednosti, notra­ njost podplata pa bi zelo razbremenjevale. Račun z regularno obtežbo bi namreč predpostavljal gibke temelje, naši temelji pa so ponavadi zelo togi, vsaj pri zemljinah, ki niso skalnate. Račun z regularno obtežbo je treba dopolniti s korekcijo, ki bo izravnala razlike usedkov med robom in četrtino podplata na ravno črto, ki bi ustrezala togemu temelju. Tej korekciji je avtor posvetil poseben študijski trud. Predpostavke študije: Temeljna tla predstavljajo elastični polprostor s konstantnim modulom elastičnosti E. Cen- trični pritisk od osne sile je dovolj velik, da se ne pojavljajo nategi v stični ploskvi med podplatom in tlemi. Kolikor bi se na natezni strani pojavljali nategi, bi morali računsko višino podplata omejiti na del, ki ne odstopa od temeljnih tal. Temeljni podplat, normalno grajen iz ojačenega ali prednapetega betona, je predpostavljen kot popolnoma tog. Za začetni račun pri predpostavki gibkega temelja so bile izbrane štiri vrste regularnih obtežb: a) linearna po Hookovem zakonu a = oa^; ß) krivulja kubične parabole o = oa | 3 • V) trikotna obtežba robov širine 0,15 h s težiščem v oddaljenosti 0,05 h od roba; notranji del površine od 0,15h do 0,85h brez obremenitve; e ) četrta obtežba je podobna tretji, le da ima pravokotno obliko na širino 0,10 h od roba (risba 2 - rezultati računa). Oznake: M - vrtilni moment b - širina podplata (po osi vektorja M) h - višina podplata (v ravnini M) E - modul elastičnosti oziroma deformabilnosti zemljine E+ - E*/1 - v2; v - koeficient prečne kontrakcije • o - pritisk na zemljino; oa = 6M/bh2 - Hookova robna napetost to - zasuk temelja (brezdimenzionalno) 6 - usedek (v posamezni točki) A - razlika; A6 razlika usedkov; Ao razlika pritiskov § - x/h/2 relativna abscisa Indeksi: v - vogal r - rob m - sredina roba n - četrtina višine h _ - 5, o znak za povprečno vrednost usedka, pritiska Izračun zasukov iz robnega poveska 8r je izkazal majhne vrednosti. Izračun poveskov v četrtini višine 5n je podal vrednosti, ki so zelo presegale polovični robni povesek, 8r, razlika med obema z oznako A je predstavljala puščico upogiba gibkega temelja. Slika 1 z naslovom »Korekcija« predstavlja rezultate korekcijskega računa: Za širino je KOREKCIJA. PO SIRI\TI b KOREKCIJA PO VI*ITI h Fritiski Pritiski Slika 1 predpostavljena parabolična oblika korekcijskih napetosti z 2/3 osti in 1/3 obratnih napetosti v sredini. Izračun usedkov je izkazal enake usedke na robu in enake v polju. Za korekcijo po smeri višine je bila predpostavljena kubična parabola z odrezno premico, ki jamči izenačenje statičnega momenta zaradi zvišanja napetosti v osti v vogalu in redukcije v četrtini višine. Izračun usedkov dokazuje velikost zaradi vogalnega (robnega) usedka v količini 8/11 puščice A8 ali 0,727 AS. Slika 2 - rezultate računa prikazujejo diagrami osnovnih in korekcijskih pritiskov na tla in pripadajoče deformacijske linije: osnovne in korekcijske. Rezultati za linearno osnovno funkcijo a in za funkcijo kubične parabole ß se skoraj ne razlikujejo. Avtor je iskal še rešitve zasukov za nadomestne enostavne diagrame pritiskov: Za kvadratno ploščo daje diagram y samo 3% večji zasuk, diagram e pa kar 15 % večji zasuk. Za različna razmerja b/h od 0,25 do 4,0 so bili pripravljeni diagrami za zasuke co, pri raznih vrstah osnovnih obtežb: a, ß, v in e. Odločilna bo seveda najnižja, debelejša, saj ustreza zakonu minimalnega dela. Narava bo izbrala še bolj rafinirano oblikovanje osnovnih in korektivnih pritiskov in je tako morda pričakovati še za kako malenkost nižji zasuk, morda ne nižji od 1 do 2%, saj je že razlika med linearnim in kubično-paraboličnim nastavkom neznatna. V diagramih so s črtkano linijo prikazani tudi faktorji povečanja robnih pritiskov or = 6M/bh2, in to: za vogal (v), za sredino roba (m) in za povprečje na robu (r). Narava bo seveda imela teoretično neskončne osti, ki pa bodo zaradi tečenja ali izmikanja zemljine verjetno blažje. Pravilnost črte za zasuk potrjuje tudi literatura DIN 4016, ki navaja limitni faktor zasuka za neskončno široko ploščo: 12/jt = 3,82, kar odlično ustreza narisani črti. V primerjavi z diagramom literature [1] se sedanji rezultati ujemajo le za ozke temelje b/h = 0,15, od kvadratnega temelja do velikih širin pa so matematično izračunani zasuki za 28 do 30% nižji. Videti je, da oblika obtežbene sheme pritiskov zelo vpliva na izračunani zasuk. Razdelitev iste sile z istim težiščem po obtežbi y daje kar 10% do 12% nižje zasuke kot enakomerna obtežba po diagramu e. Zato je tudi ne­ dvomno pravilni račun s kvadratnimi elementi po literaturi [1] izkazal bistveno večje zasuke. Na tem mestu se zahvaljujem kolegi geomehaniku dr. Silvanu Vidmarju, s katerim sem prav o tem vprašanju razpravljal. Za statike-konstrukterje bi bil ta članek pomanjkljiv, če ne bi navajal tudi zasuke okroglih temeljnih podplatov pod vplivom vrtilnega momenta. Literatura pod [2] navaja naslednjo formulo: co = 4,5M/E* • D3, pri čemer je D premer podplata. Avtor članka pa je z integracijskim postopkom linearne razdelitve pritiskov pri gibkem temelju dobil: co = 128 M/3 • E* • D3 = 4,323 M/E* • D3. Z upoštevanjem korekcije zaradi togosti podplata bi se dobil še manjši zasuk. Avtor tega primera ni študiral, ceni pa to redukcijo na 5 do največ 10%, ker krog nima vogalov. Slika 2 R E Z U L T A T I R A Č U N A P R I T I S K O V I N D E F O R M A C I J Z A K V A D R A T N I P O D F L A T - M- 6 * h h z o č ) O s n o v n i G l i n e a r n i ( H o o k ) !},) O s n o v n i (J p ° J M b i č n i p a r a b o l i P r i t i s k i ) O s n o v n i d p o t r i k o t n i k u I 1------------------------- I h■ |<- £ . ) O s n o v n i S' p o p r a v o k o t n i k u i Avtor kot statik-konstrukter se je v tem primeru lotil geomehanskega problema zato, ker v praksi potrebuje rezultate. Gre namreč za stopnjo upetosti stebrov s togimi podplati na podajnih temeljnih tleh. Iz formule za zasuk pri danem vrtilnem momentu se da z inverzno obliko dobiti formula za togost temeljnih tal. Togost je namreč vrtilni moment, ki je potreben za zasuk co = 1. V vprašanje velikosti modula podajnosti E* se avtor ni spuščal. Dejstvo je, da je ta modul pri trajnem delovanju nekajkrat večji od modula pri trenutnem delovanju vrtilnega momenta. Dej­ stvo, da ima tudi beton za trenutne obtežbe modul E = 400000 kN/dm2, pod trajnim delovanjem pritiska pa popušča na 1/3 do 1/5 navedene vrednosti, nam približa beton obnašanju zemljine. Tako bo konstrukter mogel dobiti primerno razmerje obeh modulov: betona in zemlji­ ne, pa naj bo to trajno ali trenutno. Upoštevanje togosti temeljne podlage ni pomembno le pri statični analizi skeletov, pomembnejše je pri dokazovanju upetosti ske­ letnih strženov in stolpov. Najpomembnejša pa je ugoto­ vitev stopnje upetosti v temeljnih tleh pri konstrukcijah svodastih mostov, in po opozorilu kolega hidrotehnika posebno pri konstrukcijah ločnih pregrad. L I T E R A T U R a - ~ M [1] Ing. Ivan Sovine: Napetosti, premiki in zasuki toge pravokotne temeljne plošče na elastičnem polprostoru pri poljubni ekscentrični obremenitvi. Gradbeni Vestnik I. 1954, str. 39-45. [2] Deutsche Normen: Baugrund - Setzungsberechnungen bei schräger oder ausmittiger Belastung (Verkantungen) DIN 4019. Bautechnik, 1959/6, str. 240-244. [3] Svetko Lapajne: Študija temeljnih podplatov. Gradbeni Vestnik I. 1988, str. 193-198. VPLIV POTRESA V LOS ANGELESU 17. JANUARJA 1994 NA GRADBENE OBJEKTE MATEJ FISCHINGER P O V Z E T E K ------ ^ Potres v severozahodnem delu Los Angelesa je 17. januarja 1994 kljub razmeroma majhni sproščeni energiji (magnituda 6,6) vzbudil zelo intenzivno gibanje tal, ki je zahtevalo 60 smrtnih žrtev in povzročilo 30 milijard posredne in neposredne škode. V članku so opisane tipične poškodbe gradbenih objektov in preliminarna analiza vzrokov za njihov nastanek. Poleg pričakovanih ugotovitev o slabem obnašanju neduktilnih armiranobetonskih stavb, navadne zidarije, montažnih konstrukcij, kratkih stebrov in stavb z mehkim pritličjem, je ta analiza dala tudi nekaj novih spoznanj. Poleg negativnih (rušitev specifičnih mostnih stebrov z vutami, porušitev nekaj novejših konstrukcij, več lokalnih porušitev v jeklenih stavbah), so ta spoznanja tudi pozitivna (dobro obnašanje predhodno potresno ojačanih stavb in ugoden odziv potresno izoliranih konstrukcij). THE EFFECT OF JANUARY 17, 1994 LOS ANGELES EARTHQUAKE ON CIVIL ENGINEERING STRUCTURES S U M M A R Y - - . ln spite of a relatively low magnitude (6.6) the Northridge earthquake in Los Angeles of January 17, 1994 triggered intensive earth movements which claimed 60 lives and caused 30 billions U. S. dollars of direct and indirect damage. A description and analysis of typical damage are given in the paper. In addition to the well known facts about the poor response of non-ductile RC structures, unreinforced masonry, prefabricated structures, short columns and soft-story structures, some new observations have been made. Some of them are negative (collapses of fleured bridge columns as well as relatively new structures were observed, several local collapses in steel buildings were identified) and some positive (the behaviour of retrofitted buildings and bridges was very good and the response of base isolated structures was favourable). UVOD Ko so španski misionarji pred 200 leti ustanovili skromni zaselek z zvenečim imenom I Pueblo della Nuestra Senjora de Los Angeles..., si niso mogli predstavljati velemesta s 3,5 milijona prebivalcev na površini več tisoč kvadratnih kilometrov in skromnim imenom L. A. (slika 1). Natančneje pogledano gre za megalopolis večjega števila zaključenih primestnih okolij, ki jih povezuje impresiven, čez 1000km dolg sistem avtocest. Dolina San Fernando, Slika 1. Avtocesta 10 obide poslovno središče Los Angelesa Avtor: Izr. prof. dr. Matej Fischinger, dipl. gradb. inž. Fakulteta za arhitekturo, gradbeništvo in geodezijo, Odde­ lek za gradbeništvo in geodezijo, Inštitut za konstrukcije, potresno inženirstvo in računalništvo. kjer je bilo središče potresa v Northridgeu, obsega se­ verno polovico mesta in tretjino njegovega prebivalstva. Prevladujejo nizke, pretežno lesene stanovanjske hiše, ki gravitirajo na lokalna središča z ogromnimi nakupovalnimi središči z velikimi garažnimi hišami. V starejših delih mesta, kot sta Hollywood in Santa Monica, pa prevladujejo nearmirane zidane zgradbe z redkimi višjimi armiranobe­ tonskimi in jeklenimi stavbami. Kljub idealnemu naravnemu okolju je prekletstvo mesta v preteči potresni nevarnosti. Tokrat mu je sicer bilo prizanešeno s katastrofalnim potresom magnitude 8 in več (»the big one«). Kljub manjši magnitudi (6,6) pa sta bili inteziteta potresa in obseg poškodb veliki. V tem članku smo se omejili predvsem na opis in analizo poškodb, več podatkov o ekonomskih in socialnih posle­ dicah pa je zbrano v [1], ZNAČILNOSTI POTRESA Okoli 20 sekund dolg potres je nastal ob dosedaj nezna­ nem globinskem prelomu na globini 18 - 3 km. Zabeležilo ga je čez 200 akcelerometrov na vseh mogočih lokacijah. Že prvi pogled na sliko 2 odkrije nenavadno visoke horizontalne (H) in še predvsem vertikalne (V) pospeške Slika 2. Maksimalni horizontalni (H) in vertikalni (V) pospeški tal v deležih pospeška prostega pada g [3] na prostih tleh. Še poučnejši so elastični spektri odziva na sliki 3. Pokažejo, da so se pospeški na stavbah, ki so bile v resonanci s frekvenco potresa, približali 3-kratnemu pospešku prostega pada! To je vsaj 10-krat več od vrednosti, na katere te stavbe računamo. Zato npr. močne poškodbe zidanih stavb v Santa Moniki z nizko periodo okoli 0,2 s (slika 4) sploh ne presenečajo. OBSEG ŠKODE Obseg škode je relativen pojem. Okoli 3000 uničenih objektov (slika 4) in 30 milijard dolarjev škode sta ogromni številki, pa tudi nekatere rušitve so bile spektakularne (slika 5). Vendar je teh 3000 objektov le neznaten del celotnega gradbenega fonda. Tako se je zopet pokazalo, da lahko solidno projektirane in izvedene konstrukcije preživijo zelo močan potres. Rušitve, ki jih bomo obravna­ vali v nadaljevanju, so praviloma pogojene z napakami v zasnovi, projektiranju, konstruiranju in izvedbi konstrukcij. Tako je k značilnim koncentracijam poškodb (slika 4) prispeval prav določen tip gradenj na določenih območjih. K temu moramo dodati še lokalno amplifikacijo gibanja tal in neugodne resonančne efekte. OBNAŠANJE STAVB Armiranobetonski okviri Značilna za slabo obnašanje neduktilnih armiranobeton­ skih (AB) stavb je porušitev stavbe medicinske ustanove Kaiser Permanente (slika 6). Po porušitvi čelnih fasadnih sten, fleksibilni neduktilni okvir ni prenesel velikih pomikov. Direktni vzrok porušitve so bila vozlišča, na katere vse prepogosto pozabljamo pri projektiranju. Vzdolžna arma­ tura gred ni bila sidrana v jedra stebrov znotraj vozlišč, ki niso imela ustreznih stremen. Med pogostimi poškod­ bami so bile zopet strižne porušitve kratkih stebrov. Na sliki 7 so stebre »skrajšali« parapeti na fasadi. Armiranobetonske stene Zopet se je pokazalo, da so AB stene dovolj nosilne in toge, da preprečijo porušitev konstrukcijskih in nekons- trukcijskih elementov. Vendar pa je za ameriško prakso značilna uporaba relativno majhnega števila nosilnih sten. Zaradi velikih obremenitev je zato prišlo do več lokalnih strižnih poškodb sten. Na sliki 8 je prikazana zanimiva kombinacija strižnih porušitev slopov in prečk s strižnim zdrsom konstrukcijskega stika v močno perforirani AB steni. Armiranobetonsko montažne stavbe Prišlo je do številnih porušitev montažnih AB garažnih hiš (slika 9), ki bi lahko ob bolj neugodnem času potresa povzročile številne žrtve. Najpogostejši razlog porušitev je bila slaba povezava med osrednjim montažnim delom, ki je bil dimenzioniran le na vertikalno obtežbo in perifer­ nimi nosilnimi elementi (stenami) za prenos horizontalne obtežbe (slika 10). O) to 3 2 1 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 nihajni čas (s) Slika 3. Elastični spektri od­ ziva na tipičnih lokacijah za 5 % dušenja [4] Slika 4. Lokacije nevarno poškodovanih stavb [4] Jeklene stavbe Najprej smo dobili vtis, da je bilo v skladu s pričakovanji obnašanje jeklenih stavb ugodno. Kasnejša poročila [4] so pokazala, da je vendarle prišlo do pogostih lokalnih porušitev vozlišč, diagonal in stikov. Ta mesta pa so bila znotraj stavb privatnih lastnikov in zato težko dostopna. Iz [4] povzemamo sliko 11, ki kaže zlom podložne plošče in izvlek vijaka pri tegnjenem stebru diagonalno zavero­ vanega okvira. Pogoste so bile tudi porušitve pritrditev težkih fasadnih sten na jeklene okvire [1], Slika 5. Prizadeto področje in posledice [2] Slika 6. Porušitev vozlišč neduktilnega armiranobetonskega okvira Slika 7. Strižna porušitev kratkih stebrov (fotografija R. Žarniča) Slika 8. Strižne poškodbe stene Slika 9. Delna porušitev garažne hiše (fotografija R. Žarnica) Slika 12. »Votla« notranjščina zidane stavbe Slika 10. Povezave med montažnim okvirom in nosilnimi stenami so bile slabe Slika 13. Poškodbe zidane stavbe z notranjščino na sliki 12 Slika 11. Poškodovani detajl v jekleni konstrukciji [4] Slika 14. Dvoetažna lesena stanovanjska hiša z »mehko etažo« za garaže Zidane stavbe Zidane stavbe v revnih predelih mesta so pogosto slabe kvalitete. Tudi konstrukcijska zasnova pogosto ni dobra (slika 12). Zato njihovo obnašanje po pričakovanju ni bilo najboljše (slika 13). Odlično pa se je izkazala z zakonom predpisana ojačitev zidanih stavb (na sliki 13 so vidne vezi, ki so jih uporabili v ta namen), ki je očitno preprečila porušitev sicer slabih objektov (v zidanih stavbah ni bilo mrtvih!). Lesene stavbe Značilno leseno stavbo v ZDA tvori lesen okvir, zapolnjen z izolacijo in povezan (ne vedno!) z vezanimi ploščami ter obdan z mavčno oblogo. To je seveda daleč od klasične »brunarice« z veliko sposobnostjo absorbcije energije. Še poseben problem pa predstavljajo garaže, ki močno oslabijo pritličja večnadstropnih stanovanjskih stavb (slika 14; bodite pozorni na plinsko napeljavo, ki poteka na najbolj kritičnem mestu). Tudi največjo tragedijo med tem potresom (16 mrtvih) je povzročila delna poruši­ tev takega pritličja v stanovanjskem kompleksu Northridge Meadows. Potresno izolirane stavbe Potresna izolacija stavb je šele v razvoju. V celem L. A. je le 5 končanih (več jih je še v gradnji) izoliranih stavb. Vse so sicer precej daleč od epicentra potresa, kljub temu pa lahko ugotovimo, da je bil njihov odziv na potres zelo ugoden. Na eni izmed njih so bili instalirani akcelerometri, ki so izmerili pospešek 0,49 g na prosti površini, 0,37 g pod izolatorji, 0,13g nad izolatorji, 0,11 g v 6. nadstropju in 0,21 g na vrhu 7-nadstropne stavbe, kjer bi pospeški brez izolacije kaj lahko presegli 1 g. Meritve na drugi stavbi pa so pokazale, da vse le ne gre brez problemov. Izmerili so nenavadne konice pospeškov nad izolatorji [4]. Ugotovili so, daje bila dilatacija med objektom in okolišnim terenom na mestu vhoda zalita z malto, kar je povzročilo udarjanje stavbe na tem mestu. Nekonstruktivne poškodbe Večina od okoli 7000 ranjenih je dobila poškodbe zaradi rušenja nekonstruktivnih elementov stavb, kot so viseči stropovi (slika 15), nadstreški, fasadne stene in visoke zidane ograje. Posebej nevarna je zdrobitev fasadnih stekel in padec težkih svetilk, ki so na srečo v ZDA opremljene z varovalnimi kabli (slika 15). OBNAŠANJE MOSTOV Spektakularne porušitve 11 izvennivojskih križišč so bile deležne največje medijske pozornosti, saj so povsem ohromile življenje v mestu. Pokazalo se je, da imajo prav zagovorniki nove struje v predpisih, ki zahtevajo, da morajo ostati ključni mostovi po potresu operativni (nepo­ škodovani) in ne le neporušeni. Zaradi omejitve dolžine članka analizirajmo poškodbe samo enega tipičnega mosta na cesti 118. Most je izrazito Slika 15. Nekonstrukcijska škoda v notranjosti veleblagovnice [4] poševen. Med potresom se je zavrtel proti ostremu kotu (slika 16), stebri pa so utrpeli zelo hude poškodbe. Na eni strani potoka so te poškodbe nastale na vrhu stebrov (slika 17) in so bile povezane z udarjanjem stebra ob vozišče v vertikalni smeri. Neposredni vzrok je bila pre­ kratka dolžina področja z gostimi stremeni (porušitev je nastala tik pod tem področjem). Težke strižne poškodbe stebrov (slika 18) na drugi strani potoka pa so nastale spodaj, tik nad betonsko ograjo ob potoku. Tudi na tem mestu ni bilo več gostih stremen. Kot ostale poglavitne vzroke rušenj mostov lahko nave­ demo strižne porušitve kratkih stebrov v bližini dovoznih ramp (slika 19), nestabilnost terena, premalo stremen v stebrih (slika 20), padec z ležišč (v enem primeru kljub pridrževalnim kablom) in uporabo vut (slika 21). Te so izvajali zaradi estetskih razlogov in so računali, da bodo med potresom odpadle (bodite pozorni na detajl na sliki 21). To se ni zgodilo in zato so se zaradi krajše efektivne dolžine močno povečale strižne obremenitve stebra pod vuto. Slika 16. Zamik poševnega mosta na cesti 118 PROTIPOTRESNA OJAČITEV OBJEKTOV Zadnji potresi v ZDA so spodbudili ameriško družbo k velikim vlaganjem v ojačitev potresno ranljivih stavb (slika 22) in mostov (slika 23). Med potresom v Los Angelesu so se te naložbe bogato obrestovale. Solidno obnašanje ojačanih zidanih stavb smo že omenili. Odlično so se izkazali tudi ukrepi za povečanje strižne odpornosti most­ nih stebrov z jeklenimi oblogami (slika 23) in (z nekaj izjemami) uporaba pridrževalnih kablov za voziščne plo­ šče. Zanimivo je, da je bilo 10 od 11 porušenih izvennivoj- skih križišč predvidenih za ojačitev, vendar je potres dela prehitel. Nekonstruktivni zaščitni ukrepi v stavbah pa so opisani v [1]. SKLEPNI NAUKI ZA NAŠ PROSTOR Za sklep navedimo le najnujnejše naloge, ki nas čakajo v Sloveniji: Slika 17. Porušitev mostnega stebra Slika 18. Porušitev mostnih stebrov 1. Nujna je instrumentacija prostora in konstrukcij z akce- lerometri. 2. Nujno je sprejetje sodobnejših predpisov za gradnjo in sanacijo stavb in mostov. Akcija za sprejetje Eurocode je v teku in jo je potrebno čim prej zaključiti. 3. Nujno je izvršiti ojačitve objektov z nezadostno potre­ sno varnostjo. Zakon, ki je v veljavi že več kot desetletje, se namreč ne izvaja. Slika 19. Strižna in torzijska porušitev kratkega mostnega stebra Slika 20. Porušitev mostnega stebra s šibkimi stremeni Slika 22. Ojačitev okvira v Campusu univerze v Stanfordu Slika 21. Strižna porušitev mostnega stebra z vuto Slika 23. Ojačitev mostnega stebra z jeklenim ovojem L I T E R A T U R A — — ^ „ --------------- ----------- m 1. M. Fischinger, Potres v Los Angelesu 17. januarja 1994, UJMA, Republiška uprava za zaščito in reševanje, v tisku. 2. Časopisne novice Los Angeles Times in Time (31. 1. 1994) po potresu. 3. Fifth Quick Report on California Strong Motion Instrumentation Program Data from the Northridge/ San Fernando Valley Earthquake of January 17, 1994. 4. Northridge Earthquake January 17, 1994. Preliminary Reconnaissance Report (urednik John F. Hall). EERI Report No. 94/01, marec 1994. Z A H V A L A Prizadeto območje sem obiskal z Lojzetom Bevcem, Tatjano lsaković in Rokom Žarničem. Zato so opisana opažanja rezultat našega skupnega dela, ki so ga financirali Slovensko društvo za potresno inženirstvo, 1KPIR FAGG in ZRM K. Na terenu pa so nam pomagali firma Kinemetrics (predvsem njen direktor A . M. Sereci), Earthquake Engineering Research Institute in profesor H. Krawinkler z Univerze v Stanfordu. CIRIL STANIČ - DEVETDESETLETNIK N aš Ciril je 24. julija dočakal devetdeset let življenja. L e malo ljudi dočaka tako visok življenjski jubilej, še m anj pa je tistih, k i so ob takšnem jubileju tako poln i energije in življenjske radosti, ko t je to C IR IL S T A N IČ danes. To niso sam o geni, ko t radi rečemo ob takšnih priložnostih, to je tudi način življenja, samodisciplina, tolerantni odnos do okolice in do ljudi in predvsem delo, neutrudno, požrtvovalno delo. D elo v stroki, v strokovnih društvih, v lokalni sam oupravi, na področju varstva narave, ribištvo, v telovadnih društvih in še kje, toda vedno konstruktivno, zavzeto in dobronam erno. Ciril Stanič se je rodil 24. julija 1904. leta v Kanalu ob Soči. V p rv i svetovni vojni je izgubil očeta, znanega neprednega tržaškega čitalničarja. Njegova mati, zavedno slovenska žena, je z velikim trudom in v skrajni skrom nosti vzgojila svoje otroke v duhu nacionalne zavesti in brezkom prom isne poštenosti. Zagotovila jim je potrebno izobrazbo in jih usmerila na življenjsko pot. Ciril je končal v L jubljani srednjo Tehnično šolo in je k o t gradbeni tehnik takoj začel delati v stroki. S trokovno se je opredelil predvsem na področje cestne gradnje. Veliko je naredil za ureditev marsikatere ceste v Ljubljani. V Splošnem projektivnem biroju je projektiral in nadzoroval izgradnjo številnih novih cest na širšem obm očju mesta. Projektiranje mestnih cest je na videz m anj zahtevno področje cestne gradnje, v resnici pa to področje zahteva veliko dela in natančnosti ob upoštevanju številnih danosti, ne samo prom eta, temveč tudi vseh prizadetih podzem skih napeljav. K ot potres, k i odkrije napake v projektu stavbe, tako pokaže naliv napake v projektu mestne ceste. Svojo požrtvovalnost je Ciril Stanič pokaza l s tem, da je po vojni več ko t dve leti prostovoljno sodeloval pri obnovi Črne Gore in tudi pri izgradnji avtoceste Ljubljana-Zagreb. Cirila Staniča so zanim ali tudi številni širši problem i cestnega prom eta na obm očju Slovenije in vključitev slovenskega cestnega omrežja v širši evropski prostor. V številnih člankih v dnevnih časopisih je dajal kritične pripom be na sprejete trase slovenskega omrežja in na razne parcialne rešitve cestnih problem ov v mestih', predvsem v Ljubljani. K o t gradbenik Ciril Stanič ni deloval sam o na področju cestne gradnje, čeprav je bilo to njegovo osnovno področje. Več let je sodeloval z nepozabnim inž■ Nacetom Perkom , vzornim človekom in strokovnjakom , načelnikom gradbenega oddelka Planinske zveze Slovenije, pri gradnji in obnovi številnih p laninskih dom ov in posto jank v naših gorah. K o t vnet telovadec, predvojni član Sokola in povo jn i član Partizana Trnovo je pom agal pri številnih gradbenih posegih naših telovadnih organizacij. N jegova naravovarstvena usmeritev se je izkazala z delom v R ib iški zvezi Slovenije in s tem, da je na zadnjih volitvah kandidiral na listi Zelenih Slovenije. Posebno skrb je vedno namenjal delu v Zvezi društev gradbenih inženirjev in tehnikov Slovenije. Skoraj ni bilo strokovnega posveta ali sestanka našega društva, na katerem Ciril Stanič ne bi bil navzoč. Na številnih letnih skupščinah Z D G IT S se je vedno oglasil k besedi in, v njem u značilnem slogu, prenašal svoj optim izem in ljubezen do gradbeništva na mlajše, pa tudi na starejše člane. Z a svoje že več ko t p o l stoletja trajajoče neutrudno in požrtvovalno delo je Ciril Stanič prejel več priznanj in odlikovanj. Postal je: - častni član Z D G IT Slovenije, - častni član Saveza inžinjera i tehničara Jugoslavije, - častni član Jugoslovanskega društva za ceste in dobil - orden dela z zlatim vencem. O b tem visokem jubileju želim o vsi člani Z D G IT Slovenije dragemu kolegu Cirilu Staniču še veliko let trdnega zdravja, delovne energije in življenjske radosti. Želim o, da bi ga še večkrat videli na letnih skupščinah naše Z veze in slišali njegove prijazne in dobronamerne besede. Glede nadaljnjega uspešnega dela Cirilu ni treba izražati posebnih želja. Takšni ljudje brez dela ne m orejo živeti. Delo je njihovo življenje. Želim o pa, da bi bili sadovi njegovega dela še naprej koristni naši gradbeni stroki in družbi v celoti. Sergej B ubnov e m o n a G L O B T O U P T R A V E L. A G E N C Y Štefanova 13 a 61000 LJUBLJANA, SLOVENIJA Tel.: 061/213 843, Fax: 217416 Z v e z a z d ru ž e n j G ra d b e n ih in ž e n irje v in te h n ik o v že d o lg a le ta u sp e šn o so d e lu je s p r iz n a n o s lo v e n sk o p o to v a ln o ag en c ijo E m o n a G lo b to u r . Skupaj smo pripravili obisk dveh gradbenih sejmov: SAIE - Bologna odhod 20. oktober 94 cena 120 DEM 2 dni BATIMAT- Pariz odhod 9. oktober 94 cena 1050 DEM 4 dni V a b im o v as , d a se u d e le ž ite te h k o ris tn ih in p r i je tn ih p o to v a n j. Em ona G lobtour je p o sk rb e l z a k v a lite tn e p re v o z e in h o te le , k o t tu d i za s t ro k o v n o izv ed b o p o to v a n j. P az ili sm o tu d i n a to , d a so c e n e k o n k u re n č n e . Em ona Globtour p o s k rb i tu d i za v a ša in d iv id u a ln a s lu ž b e n a p o to v a n ja . Z a n a ro č a n je le ta ls k ih v o zo v n ic , ž e le zn išk ih v o z o v n ic in n a je m R e n t a c a r v o z il so v am n a v o ljo p o s lo v a ln ice Em ona Globtoura v: Ljubljani te l.: 061/213843 N ovem m estu tel.: 068/ 25125 Mariboru tel.: 062/ 28860 Portorožu tel.: 066/ 73356 Celju tel.: 063/ 26611 Bledu tel.: 064/ 78385 N ovi Gorici tel.: 065/ 24608 Ajdovščini tel.: 065/ 62335 Vabimo vas tudi na počitnice NA SICILIJO ŽE ZA 479 V TURČIJO ŽE ZA 647 V GRČIJO Ü....... ©s m p j Hill umu Hillu] UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ARHITEKTURO, GRADBENIŠTVO IN GEODEZIJO 61001 Ljubljana, Jamova 2, p. p. 579 NUMERIČNE ANALIZE PORUŠITVE CESTNEGA NASI RA UDK 624.136:627.514:519.68 JANKO LOGAR, BOJAN MAJES P O V Z E T E K ' — s Porušitev cestnega nasipa smo izkoristili za testiranje numeričnih postopkov, namenjenih analizam takih konstrukcij. Nasip na malonosilnih tleh smo analizirali s stabilnostnimi analizami po postopkih Bishopa in Janbuja in z napetostno deformacijskimi analizami po MKE, upoštevajoč elastične in elastoplastične materialne modele. S U M M A R Y A failure of a road embankment gave us an opportunity to test numerical procedures for the analyses of such structures. The embankment built on soft subsoil was analysed by Bishop’s and Janbu’s procedures for stability analyses. The elastic and elasto-plastic stress-strain analyses based on finite element method were performed, too. UVOD Težko je pridobiti podatke eksperimenta na konstrukciji naravne velikosti, na katerem bi verificirali pripravljene numerične postopke oziroma na njihovi osnovi izdelane računalniške programe. Razvoj računalniške opreme je namreč povzročil velik napredek v numeričnih metodah Avtorja: Janko Logar, asist, mag., dipl. gradb. inž. Bojan Majes, doc. dr., dipl. gradb. inž. Fakulteta za arhitekturo, gradbeništvo in geodezijo, Odde­ lek za gradbeništvo in geodezijo, Katedra za mehaniko tal z laboratorijem za analize gradbenih konstrukcij oziroma za napovedi njihovega obnašanja pod različnimi obtežnimi primeri in drugimi vplivi. Temu napredku pa težko sledi razvoj ustreznih laboratorijskih postopkov, ki bi povečali zaneslji­ vost vhodnih parametrov računa, in izvedba modelnih preizkusov, ki so nedostopni predvsem zaradi svoje vi­ soke cene. Na srečo ne pogosto, vendar se le zgodi, da pride zaradi naravnih nesreč, nepredvidenih okoliščin pri gradnji ali uporabi objekta ali celo zaradi konstrukterske napake, na konstrukciji do prekoračitve stanja mejnega ravnovesja in s tem do njenih poškodb. Kadar so take nesreče dovolj dobro dokumentirane, je njihova dobra stran vsaj ta, da nudijo možnost verificiranja postopkov, ki jih sicer uporab­ ljamo za varno, a ekonomično projektiranje. Tako se je zgodilo, da je prišlo med gradnjo do 8 m visokega cestnega nasipa zaradi zdrsa temeljnih tal pod njegovo obtežbo in s tem do poškodbe samega nasipa, še preden je bil zgrajen do končne projektirane višine. Za potrebe analiz vzrokov zdrsnitve in projekta sanacije so bile izvršene dodatne preiskave temeljnih tal, ki so skupaj s predhodnimi raziskavami nudile možnosti, da nasip na malonosilnih tleh tudi numerično analiziramo. Izvedli smo račun stabilnosti tega nasipa s klasičnimi stabilnostnimi analizami s krožnimi in poligonalnimi potencialnimi poruš- nicami kakor tudi z napetostno deformacijskimi analizami po MKE. OPIS TEMELJNIH TAL Podatki, uporabljeni pri analizah obravnavanega nasipa, so zbrani iz poročil [1], [2], [3] in [4]. Vzdolžni prerez nasipa in temeljnih tal prikazuje slika 1. Nasip leži na dveh glinastih slojih flišne preperine, pod njima pa je trdna podlaga eocenskega laporja in peščenjaka. V območju porušitve znaša povprečna debelina zgornjega sloja tež- kognetne do poltrdne gline 3 m, debelina drugega, nižje- ležečega sloja lahko- do srednjegnetne gline pa 6 m. Gladina podtalnice je približno 0,5 m pod površjem temelj­ nih tal. Geotehnične karakteristike zemljin so bile dolo­ čene s terenskimi in laboratorijskimi preiskavami deforma- bilnosti, strižne trdnosti, vlažnosti in leznih mej. Povprečne vrednosti parametrov, določene na podlagi vseh razpolož­ ljivih podatkov, so zbrane v preglednici 1. Nedrenirana strižna trdnost ruje določena iz terenskih preiskav s krilno sondo, statičnim penetrometrom, žepnim penetrometrom in v laboratoriju na prostih valjastih vzorcih. Parametra drenirane strižne trdnosti ep’ in c ’ sta bila določena laboratorijsko z direktnimi strižnimi preiskavami. Stisljivost vzorcev tal je bila ocenjena iz meritev s statičnim penetro- metrofn, za Poissonove koeficiente v in vodoprepustnosti k pa navajamo izkustvene vrednosti. V preglednici 1 in na slikah so sloji tal označeni takole: N - nasip, I - prvi (zgornji) sloj, II - drugi (nižjeležeči) sloj in B - podlaga. 0 20 40 60 80 100 120,1 40 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Slika 1. Vzdolžni prerez po osi priključnega nasipa Preglednica 1. V analizah upoštevane karakteristike temeljnih Sloj --------------------- -----------------------* N I II BIJ 15000 4000 700 statični penetrometer k (cm/s) IO“1 10~9 5 • 10-9 10-14 ocena 7 V - 0,35 0,45 0,25 ocena |B tu (kPa) 0 56 20 - nedrenirana