JORDBÄVNINAR SKAKANDE UPPLEVELSER

Transkript

1 JORDBÄVNINAR SKAKANDE UPPLEVELSER K. Rainer Massarsch, MCIT AB Sammanfattning Skandinavien har under och efter den senaste istiden varit seismiskt aktiv, men är nu ett relativt lungt område. Trots det har jordbävningar ägt rum och medfört skador på byggnadsverk. I seismiska regioner förekommer jordkskalv huvudsakligen längs välkända zoner som följer de tektoniska plattgränserna. Jordbävningar, som inträffar i tätbebyggda områden, har ofta mycket allvarliga ekonomiska konsekvenser. Dessutom finns risk för stort mänskligt lidande. För att kunna verifiera och förbättra sina dimensioneringsmetoder studerar jordbävningsexperter hur jordlager och byggnadsverk uppför sig vid kraftiga jordbävningar. Denna kunskap används för att vidareutveckla dimensioneringsmetoder vid seismisk belastning. Erfarenheterna från de senaste två stora jordbävningarna i Turkiet och Taiwan bekräftar tidigare observationer. Trots att kunskaper finns om hur byggnader bör dimensioneras, grundläggas och uppföras, rasar många byggnader. Huvudanledningen är ofta byggfusk, dålig byggkvalitet samt nonchalans av bestående regler och normer. En annan aspekt, som har bidragit till omfattande byggnadsskador, är brister i dimensioneringen. När stora utrymmen skapas i byggnaders entréplan överbelastas stommen där, som inte är dimensionerad för att kunna ta upp de stora dynamiska horisontalkrafterna. Den mjuka övergången mellan en byggnads bottenvåning och överbyggnaden har varit en av huvudorsakerna för att hus har kollapsat. Bärande tegelväggar är spröda och därför olämpliga som konstruktionselement vid jordbävningsbelastning. Jordlagers dynamiska egenskaper spelar en viktig roll vid jordbävningsproblem eftersom de påverkar de dynamiska krafter som överförs från grunden till ett byggnadsverk. Dynamiska laster förstärks genom resonanseffekter mellan byggnad och undergrund. Vid starka jordskalv uppstår i vattenmättad sand ofta jordförvätskning, som medför att byggnader sjunker eller att slänter och stödmurar rasar. I Kalifornien pågår omfattande undersökningar för att kartlägga var nästa stora skalv kommer att inträffa. Moderna mätmetoder har utvecklats som inom en snar framtid kommer att förbättra karteringen av potentiellt riskområden. Massarsch, K. R., Jordbävningar - skakande upplevelser, Grundläggningsdagen, Stockholm, 8 mars, Svenska Geotekniska Föreningen, Stockholm.

2 1. INLEDNING Jordbävningar har inträffat så länge som vår planet har funnits. När obebodda områden drabbas är konsekvenserna ofta obetydliga. Till exempel inträffade det hittills starkaste jordskalvet i Nordamerika år 1812 i New Madrid, nära St. Louis. Då var området glest befolkat av indianer och enstaka nybyggare. Genom den ökande befolkningstakten blir dock konsekvenserna av jordskalv mer påtagliga. Den första stora jordbävningen som drabbade ett tätbebyggt område ägde rum i San Francisco år 1906, figur 1. Figur 1. Bild tagen i samband med branden efter jordbävningen i San Francisco år Jordbävningskatastrofen väckte internationell uppmärksamhet. Kvällen efter jordbävningen skulle Arturo Caruso ha sjungit på operan. Konserten blev inte av och den vettskrämde stjärnan höll sitt löfte, att aldrig mer komma tillbaka till denna stad. Borgmästaren var indragen i en mutskandal och skulle ställas inför rätta, frågan glömdes bort på grund av den turbulenta situationen. Det är anmärkningsvärt att endast ett fåtal människor dog i samband med själva skalvet. Dagen efter fotograferade sig vackra damer infor snedställda hus och ingen förutsåg konsekvenserna av den efterföljande eldsvådan, då staden nästan totalförstördes och många dödsoffer skördades. 1 USGS library 2

3 1.1. Plattektonik Under 60- och 70-talen började forskarna i geologi och seismologi förstå att meteorologen Alfred Wegeners teori, framlagd i seklets början, var riktig. Jordskorpan består av ett relativt litet antal stela plattor och de flesta jordskalven inträffar där dessa är i kontakt med varandra. Det förekommer även jordskalv inne i plattorna. Mekanismen bakom dessa skalv är inte helt klarlagd. I Skandinavien, vars skalv är av denna typ, verkar seismiciteten påverkas av den mittatlantiska ryggen och av landhöjningen efter inlandsisen. Alla plattgränser är ej seismiska. Längs dessa aseismiska gränser rör sig plattorna relativt varandra utan att framkalla skalv. En detaljerad beskrivning av seismiska grundbegrepp finns sammanställd av Bodare (1996). Figur 2 visar den globala fördelningen av jordbävningsintensiteten. De flesta och starkaste skalven är koncentrerade till plattgränserna. Ca. 20 % av alla jordbävningar kan dock inte förklaras med hjälp av plattektoniken, till exempel de nylgen inträffade oväntade skalven i östra Australien, Belgien och England. Figur 2. Jordens mest aktiva jordbävningszoner finns längs kontinentalplattornas kontaktzoner Plattektoniken illustrerar på ett förenklat men åskådligt sätt de mekanismer som framkallar de mest betydelsefulla jordskalven. En av jordens mest aktiva förkastningszoner är San Andreas förkastningen i Kaliforniern, figur 3. 3

4 Figur 3. Vägen från Los Angeles till Las Vegas passerar San Andreas förkastningen 1.2. Jordskalv i Skandinavien Fennoskandia är ett seismiskt lungt område. Under de senaste 500 åren har det inte rapporterats större skador efter jordskalv än enstaka krossade fönsterrutor, nedfallna skorstenar och någon gång sprickor i husväggar. Så vitt man vet har ingen människa kommit till allvarlig skada. Trots det kan stora jordskalv förekomma. År 1904 installerades i Uppsala den första seismografen i Skandinavien. Instrumentet är fortfarande i bruk. Först efter 1960 placerades moderna, elektromagnetiska seismografer och seismometrar ut i större antal runt om i Skandinavien. Baserade på makroseismiska data från perioden sammanställdes nedanstående karta, figur 4. Jordskalvsaktiviteten i Sverige är relativt vanliga längs Bottenvikens kustland och i Vänerområdet, figur 4. Den största aktiviteten i Skandinavien förekommer dock i Norge, runt Oslofjorden och i Väst- och Nordnorge. Det största jordskalvet som förekommit i Skandinavien i modern tid inträffade i yttre Oslofjorden söndagen den 23 oktober Magnituden uppskattades till 6,0-6,5 på Richterskalan. I vissa delar av Oslo och i andra närliggande städer var skakningarna mycket kraftiga, speciellt i kyrkor och flervåningshus. De materiella skadorna var dock små och begränsade sig till krossade fonster, nedfallna skorstenar och sprickor i husväggar. Skadorna blev större på byggnader uppförda på djupa, lösa jordlager än på hus byggda på fast berg och morän. De största skadorna observerades på byggnader som var grundlagda på lös sand (jordförvätskning) och på leravlagringar. Däremot finns inga uppgifter om jordskred i sensitiv lera års jordskalv märktes inom ett område på över 1000 km. I vissa delar av Uppsala rapporterades skakningar i hus som grundlagts på lera och sand. 4

5 Figur 4. Makroseismiska observationer av jordskalv i Fennoskandia under perioden , Husebye et al. (1976) I samband med planer på lagringen av kärnavfall under mitten av sjuttiotalet studerades Sveriges seismiska förhållanden i detalj. Då upptäcktes bland annat en stor förkastningszon i nordvästra Sverige, den såkallade Pärvesprickan, figur 5. Efterföljande undersökningar av jordlagren längs denna zon bekräftade misstanken att en mycket stark jordbävning måste ha ägt rum under avisningstiden. Den gav upphov till en vertikal förskjutning av omkring 25 m, jfr. Figur 5. Figur 5. Pärve-förkastningen i norra Sverige, som förorsakade ett stort jordskalv i samband med avisningen (magnitud förmodligen store än 8,0) 5

6 2. JORDEN SKAKER I TURKIET OCH TAIWAN Jordbävningarna som ägde rum i Turkiet och Taiwan i Augusti och September 1999 lämnade efter sig stor förstörelse, inte enbart på grund av deras magnitud 7,4 i Turkiet, 7,6 i Taiwan utan också eftersom de drabbade tätbebyggda och industrialiserade områden. Det tog mindre än en minuter vid båda tillfällan att få slut på all den sprudlande aktiviteten i dessa industrialierade områden. Tusentals byggnader förvandlades till spillror, och olyckligtvis släcka också tusentals liv. De två jordbävningarna fångade världens uppmärksamhet, inte minst därför att de drabbade industrialiserade områden där konsekvenserna i form av byggnadsskador och förlorade liv var störst. När antalet dödsoffer är färdigräknat, kan Kocaeli-jordbävningen i Turkiet vara en av den svåraste detta sekel. Inofficiellt uppskas antalet dödsoffer från denna jordbävning till Jordbävningar av denna magnitud drabbar sällan industrialiserade områden. Därför ger dessa skalv ingenjörer unika tillfällen att verifiera sina dimensioneringsmetoder. Genom att kunna undersöka hur jordbävningen har inverkat på olika typer av konstruktioner ges möjligheter att studera hur dessa har uppfört sig vid den intensiva dynamiska belastningen. Denna kunskap kan användas till förbättade dimensioneringsmetoder i framtiden. Seismologer och jordbävningsexperter från hela världen besökte olycksplatserna för att studera skadebilden. Målsättningen var att identifiera jordbävningsförkastningarna, att försöka förstå de geologiska och geotekniska förutsättningarna samt vilka skador på byggnader och konstruktioner. Särskilt intresse ägnades åt bostadhus och industrianläggningar, såsom kraftstationer kommunikations- och vattenförsörjningssystem system, hamnanläggningar och olika infrastrukturanläggningar. Faktor som studerades särskilt var hur bestående byggnormer tillämpades i praktiken samt inverkan av byggfusk och bristande byggkvalitet på skadebilden. Dessutom undersöktes konsekvenserna av de eldsvådor som uppstod i samband med och efter jordbävningen Kocaeli-jordbävningen i Turkiet den 17 augusti 1999 De dominerande tektoniska formationerna i östra Medelhavsregionen är den Eurasiska och den Arabiska plattan, och två 1000 km långa förkastningar: Nordanatoliska förkastningen och Dödahavs-förkastningen. Dessa är förvånande lika San Andreas förkastningen i Kalifornien, figur 6. Tidigt på morgonen den 17 augusti uppstod en spricka längs en välkänd gren av Nordanatoliska förkastningen i Turkiet. Resultatet var en 60 km lång spricka som förorsakdade en jordbävning av magnitud 7,4. Detta var den starkaste jordbävningen sedan det förödande skalvet med magnitud som inträffade nära staden Erzincan år En av de viktiga slutsatserna som seismologer har 6

7 dragit var att jordskalvsaktiviteten håller på att flyttas i västlig riktning mot Istanbul, figur 7. Skalvet som drabbade provinsen Kocaeli i norra Turkiet, ett av de tätast befolkade områden, som dessutom befinner sig i mycket snabb industriell expansion, ägde rum kl 3:02 på morgonen. Epicentrat låg 11 km sydost om provinshuvudstaden Izmit och 90 km öst om Istanbul. I jordbävningen omkom mer än människor (den slutliga räkningen kan komma att vara dubbelt så hög) och mer än skadade. Dessutom blev flera hundra tusen människor hemlösa. De direkta kostnaderna uppskattades till mellan 25 och 40 miljarder dollar. Många bostadshus som byggdes under de senaste åren har blivit mycket allvarligt skadade eller totalförstörda, figur 8. Markskakningarna som framkallades av jordbävningen var inte särskilt starka, ca. 0,40 g i epicentret, men jordbävningens varaktighet var ovanligt lång 45 sekunder. Det stora antalet lastcykler var en av orsakerna av de förödande skadorna. De mest sårbara byggnaderna var flervåningshus, såväl bostadshus som kommersiella byggnader, med mellan 3 och 8 våningar. Dessa hade armerad betongstomme med oarmerade tegelväggar. De flesta byggnader som skadades uppvisade en mjuk zon i bottenplanet, dvs. stora öppna ytor utan lastöverförande väggar. Figur 6. Nordanatoliska förkastningen har många likheter med San Andreas förkastningen, beträffande längd, rörelsehastighet riktning och åler, Bardet & Erten (1999) 7

8 Figur 7. Spänningsfördelningen längs den Nordanatolska förkastningen som visar att jordbävningsaktiviteten rör sig mot Istanbul, Hayes et al. (1999) Figur 8. Många byggnader vid Adapazari sjön i Turkiet, som var grundlagda på lös sand, kollaps på grund av jordförvätskning, Hayes et al. (1999) En annan viktig faktor var att dessa byggnader var grundlagda på oförstärkta lösa sandjordar där jordförvätskning inträffade, figur 8. Mer än av dessa byggnader skadades mycket allvarligt eller kollapsade helt. Många av de omkomna överraskades i sömnen eftersom jordbävningen ägde rum tidigt på morgonen. I de flesta fall kollapsade de första två våningar och begravde de boende där, varefter överbyggnaden sjönk ner till markytan. Många av dessa byggnader uvar utförda med mycket låg kvalitet, som inte uppfyllde de 8

9 rådande byggnormerna. Den bristfälliga byggnadskvalitén har således förstärkt de redan omfattande skadorna. Dessa problem är mycket vanliga i Turkiet och andra nyligen industrialiserade länder. Problemet beror ofta på att befintliga byggnadsnormer inte kan omsättas i praktiken. Observationen av skadebilden bekräftade det redan väl kända faktum att dåliga grundföhållanden förstärker skadekonsekvensen hos bristfälligt dimensionerade eller utförda byggnader. I staden Adapazari, som ligger på djupa sjösediment, var många byggnader grundlagda direkt på plattfundament på lös, vattenmättad sand. Många byggnader kollapsade när fundamenten sjönk ner mer än 2 m i den lösa sanden på grund av jordförvätskning. Sättningsskillnader medförde att redan skadade hus kollapsade, figur 7. Turkiet har under de senaste 20 åren börjat tillämpa moderna jordbävningsnormer. Tyvärr finns det dock en bristande tillämpning av dessa kunskaper i praktiken. I staden Izmit hade internationella företag investerat i flera moderna industrianläggningar. Dessa hade dimensionerats och byggts enligt moderna amerikanska och europeiska jordbävningsnormer. Trots detta uppstod i de flesta anläggningar betydande skador och nästan alla drabbades av långa produktionsavbrott. Dessa omfattande skador, som förvåndade experter, kommer att utvärderas mycket noggrant för att se om befintliga normer och anvisningar måste ses över Jordbävningen i Chi-Chi, Taiwan den 21 september 1999 Epicentrat av jordbävningen i Taiwan var beläget 7 km nordväst om staden Chi Chi och 150 km från huvudstaden Taipei. Jordbävningen inträffade kl på morgonen och hade en magnitud av 7,6. Den dödade mer än personer, skadade 8700 personer och förstörde byggnader. En orsak som bidrog till de omfattande skadorna var att skalvet var relativt grunt, på endast några kilometers djupt. Situationen förvärrades av ett flertal mycket kraftiga efterskalv, somliga av magnitud 6 6,8. Figur 9 visar den enorma förstörelsen som skalvet åstadkom även på historiska monument. Trots att jordskalv inte är ovanliga i Taiwan brukar de ofta inträffa till havs. I det aktuella fallet löpte förkastningszonen genom bebyggda områden och förflyttade jordskorpan på några sekunder mer än 15 m i vertikal, och 9 m i horisontal riktning. Därför skadades många byggnader, infrastrukturen och andra anläggningar på grund av den intensiva skakningen utan också till följd av den stora markförskjutningen. 9

10 Figur 9. Buddha statuen i staden Wufeng i centrala Taiwan efter den förödande jordbävningen med magnitud 7,6 Även i Taiwan uppstod liknande, omfattande skador på byggnader, hamnanläggningar och industier till följd av jordförvätskning som i Turkiet. Särskilt hårt drabbat var kustområdet kring, och hamnen i staden Taichung, som är mycket industrialiserat. I det bergiga området kring staden Chi Chi inträffade också flera omfattande jord- och bergskred. Några av skreden dämde upp vattnet som utgjorde en stor fara för byar och städer nedströms. Även regionens infrastruktur drabbades hårt, flera broar och väggar blev obrukbara. Till och med i Taipei uppstod omfattande byggnadsskador. Som i Turkiet var en viktig faktor den bristfälliga byggnadskvaliten. En viktig slutsat är att armerade betongkonstruktioner med styva tegelväggar som infyllnad drabbades hårdast av dynamisk belastning. Dessa spröda byggnadselement saknar den böjlighet som är en viktig aspekt vid all dimensionering för dynamisk påverkan. Styva byggnadselement drar till sig spänningar, men kan ofta inte motstå de stora cykliska belastningar. En anna viktig aspekt är den arkitektoniska utformningen av de första två våningar, där stora öppna ytor har skapats utan att kunna överföra de stora horisontalbelastningar till byggnadens övervåningar. Många byggnader som kollapsade, sjönk två våningar mot marken, utan att de ovanför liggande våningarna påverkades nämnvärt, figur

11 Figur 10. Många höghus i T aichung, Taiwan kollapsade på grund av bristfällig armering och dålig betongkvalitet i pelarna. En bidragande orsak var de spröda tegel väggar. Ett mycket intressant område som låg ca. 110 km från epicentrat var Hsinchu s Industrial Park, där en betydande del av världens datachips tillverkas. Produktionsavbrotten berodde huvudsaklinen på skador i elförsörjningssystemet (kraftledningsstolpar, skador på transformatorer mm). Däremot klarade sig de moderna industrianläggningarna relativt väl. Poduktionsbortfallet för industrin kostade mellan $ 50 och 100 miljoner per dag och påverkade priset på semiconductor produkter i hela världen! Ur detta perspektiv måste konsekvenser av framtida jordbävningar i Japan eller Kalifornien ses som mycket allvarliga, även på global basis. Till skillnad från Turkiet fanns i Taiwan många med seismografer instrumenterade byggnader, dammar och andra konstruktioner, där den dynamiska belastningen registrerades. Nu återstår det mycket omfattande arbetet att analytiskt utvärdera mätningarna, samt att jämföra dessa med befintliga dimensioneringsregler. 3. VAD KOMMER ATT HÄNDA I KALIFORNIEN? Ingen kan med säkerhet förutsäga när och var nästa stora jordbävning kommer att inträffa i Kalifornien. USGS, den amerikanska myndigheten som ansvarar för bedömningen av jordbävningsrisken, har lämnat en prognos att 11

12 en jordbävning av magnitud högre än 6,7 kommer att inträffa i San Fransisco området under de närmaste 30 åren. Sannolikheten för ett så stort skalv är högre än 70 %, att jämföra med de risknivåer som vanligen akcepteras i samhället, figur 11. Ur ingenjörens synvinkel är dock tidsaspekten inte så viktig. Kan samhället och dess beslutsfattare (politiker och industriella makthavare) ta ställning till en prognos, som bygger på sannolikhetskalkyler? Men seismologer är på god väg att allt bättre kunna ringa in de geografiska områden som kan ge upphov till nästa stora jordskalv. Anledningen är den allt bättre registreringen av jordskorpans rörelser, och då främst genom GPS, Global Positioning System. Med hjälp av GPS kan jordens rörelser följas från rymden med allt större precision. I Kalifornien började denna teknik tillämpas i början av nittiotalet och idag finns 190 stationer som övervakar förkastningsrörelser. Mätprecisionen från rymden är nu bätte än 1mm. Rörelsen bestäms på ett genomsnittligt djup av 9 m genom ett speciellt utvecklat mätsystem. Men redan talas om ett nytt, ännu bättre övervakningssystem, kallat satelite radar interference metoden. Tekniken går ut på att man med hjälp av radarmätningar från ett flertal sateliter skapar ytkartor vid olika tidpunkter, som sedan jämförs med varandra. Till skillnad från enstaka mätpunkter vid GPS skulle denna metod ge information om hur jordskorpan töjs i olika zoner. Figur 11. De mest sannolika förkastningszoner i San Francisco regionen, där en jordbävning med magnitud 6,7 eller större kan förväntas fram till år

13 Planer finns att testa denna metod längs den mycket aktiva förkastningszonen i Alaska. Principen bakom dessa mätningar är att rörelser längs vissa förkastningsavsnitt bygger upp stora spänningar i intilliggande zoner. Den zon som inte rör sig kallas för seismisc gap och har den största riskpotentialen. Någon gång, när är fortfarande svårt att förutse, kommer dessa spänningar ett framkalla en jordbävning. Trots att vetenskapsmännen fortfarande är osäkra på hur stora deformationer som måste byggas upp innan den stora jordbävningen utlöses, kan man redan nu kartlägga riskzoner. Denna information är av stor nytta när myndigheter skall prioritera investeringar i byggnadsförstärkningar eller lokalisering av känsliga och ur samhällets synvinkel känsliga anläggningar. Likheten mellan San Andreas förkastningen och Nordanatoliska förkastningen är mycket påtaglig, jfr. figur 6. Båda förkastningszoner har en längd av ca km, många förkastningsgrenar och är av typen right-lateral slip faults. Jordbävningsaktiviteten längs den turkiska förkastningszonen har dock varit mycket mer intensiv under historisk tid, jämfört med Kalifornien. Jordbävningsförkastningen i Turkiet rör sig i genomsnitt 20 mm per år och bedöms nå en kritisk nivå nära Istanbul under den kommande 20-årsperioden. Ingen våger tänka på de följder som ett stort skalv kan få för den tätbebyggda metropolen med mer än 12 miljoner invånare. Och byggnadsstandarden är sannoligt inte bättre än i Izmet trakten. 4. REFERENSER Bardet, J-P., & Erten, D., Will it happen again. Civil Engineering, Vol. 69, Number 12, December 1999, s Bodare, A., Kompendium i jord och bergdynamik. KTH, institutionen för anläggning och miljö, avd för jord- och bergmekanik, Stockholm. Fortner, B., Tracking the tremor. Civil Engineering, Vol. 69, Number 12, December 1999, s Hayes, W. W., Chaker, A. A., & Hunt, C. S Learning from disaster, Civil Engineering, Vol. 69, Number 12, December 1999, s Husebye, E., Ringdal, F. & Lande, G., Jordskalvet i Oslofjorden. Forskning och Framsteg, 6/76, s