Устойчивость к землетрясениям. Землетрясения и строительство

Традиционные методы и средства защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий включают большой комплекс различных мероприятий, направленных на повышение несущей способности строительных конструкций, проектирование которых осуществляется на основании выработанных отечественным и зарубежным опытом строительства норм и правил, гарантирующих сейсмостойкость зданий и сооружений в районах с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов.

Проектирование зданий и сооружений в сейсмически опасных районах начинается с соблюдения общеполагающих принципов сейсмостойкого строительства, в соответствии с которыми все используемые строительные материалы, конструкции и конструктивные схемы должны обеспечивать наименьшее значение сейсмических нагрузок. Рекомендуется при проектировании принимать, как правило, симметричные конструктивные схемы и добиваться равномерного распределения жесткостей конструкций и масс. В зданиях и сооружениях из сборных элементов рекомендуется располагать стыки вне зоны максимальных усилий, необходимо обеспечивать однородность и монолитность конструкций за счет применения укрепленных сборных элементов.

Существенное влияние на сейсмостойкость зданий оказывает выбор объемно‑планировочных схем, их формы и габаритов. Наиболее предпочтительными формами сооружений в плане являются круг, многоугольник, квадрат и близкие им по формам очертания. Однако такие формы не всегда соответствуют требованиям планировки, поэтому чаще всего применяется прямоугольная форма с параллельно расположенными пролетами, без перепада высот смежных пролетов и без входящих углов. В случае, если возникает необходимость создания сложных форм в плане здания, то его следует разрезать по всей высоте на отдельные замкнутые отсеки простой формы. Конструктивные решения отсеков во время землетрясения должны обеспечивать независимую работу каждого из них. Достигается это устройством антисейсмических швов, которые могут быть совмещены с температурными или осадочными. Антисейсмические швы осуществляются путем установки парных стен, парных колонн или рам, а также путем возведения рамы и стены.

При высоте здания до 5 м ширина такого шва должна быт не менее 3 см. Для зданий большей высоты ширину шва увеличивают на 2 см на каждые 5 м высоты.

В многоэтажных зданиях большую роль на их сейсмостойкость оказывают конструкции междуэтажных перекрытий и покрытий, работающих как диафрагмы жесткости, обеспечивающие распределение сейсмической нагрузки между вертикальными несущими элементами. Сборные железобетонные перекрытия и покрытия зданий должны быть замоноличенными, жесткими в горизонтальной плоскости и соединенными с вертикальными несущими конструкциями.

Боковые грани панелей (плит) перекрытий и покрытий должны иметь шпоночную или рифленую поверхность. Для соединения с антисейсмическим поясом или для связи с элементами каркаса в панелях (плитах) следует предусматривать выпуски арматуры или закладные детали.

Существенное влияние на значения сейсмических нагрузок оказывает масса сооружения. Поэтому при действии сейсмических сил необходимо стремиться к максимально возможному снижению веса конструкций и полученных нагрузок.

Не несущие элементы типа перегородок и заполнений каркаса рекомендуются выполнять легкими, как правило, крупнопанельной или каркасной конструкции и соединять со стенами, колоннами, а при длине более 3 м — и с перекрытиями. В зданиях более пяти этажей не допускается применение перегородок из кирпичной кладки, выполненной вручную. Перегородки из кирпича или камня следует армировать на всю длину не реже, чем через 700 мм по высоте стержнями общим сечением в шве не менее 0,2 кв. см. Допускается выполнять перегородки подвесными с ограничителями перемещений из плоскости панелей.

Каменные здания получают при землетрясениях наибольшие повреждения по сравнению с другими типами зданий современной постройки.

Сейсмостойкость каменных зданий определяется прочностью кирпича и камня , а также зависит от прочности их сцепления с раствором. По действующим нормативным документам рекомендуется несущие кирпичные и каменные стены возводить, как правило, из кирпича или каменных панелей, блоков, изготавливаемых в заводских условиях с применением вибрации, или из кирпичной или каменной кладки на растворах со специальными добавками, повышающими сцепление раствора с кирпичом или камнем.

Для обеспечения сейсмоустойчивости важен выбор места постройки ‑ следует избегать близости к линиям сброса . Также вносятся изменения в фундамент конструкций ‑ создаются «подушки» из бетона или полимерных материалов, благодаря которым здания скользят или «плавают» во время землетрясения и не разламываются по тем линиям, где создается наибольшее напряжение.

Наиболее перспективное направление повышения сейсмоустойчивости - это сейсмоизоляция зданий . Сейсмоизоляция подразумевает отстройку частот колебаний здания от преобладающих частот воздействия. Именно это и обеспечивает снижение механической энергии, получаемой конструкцией от основания.

Специалистами России и зарубежных стран предложены разнообразные устройства систем сейсмоизоляции и гасители энергии колебаний сооружений, а также системы с использованием сплавов, запоминающих объемное состояние, и другие «интеллектуальные» системы .

В мире наблюдаются следующие тенденции: первая ‑ это применение в чистом виде сейсмоизоляции зданий, которая устраивается, как правило, в нижних этажах: резинометаллические опоры самой различной модификации, с низким и высоким демпфированием, с сердечником из свинца и без него, с применением различных материалов. Есть также фрикционные скользящие опоры маятникового типа. И те и другие опоры применяются в мире очень широко.

(Строительство (Москва), 30.03.2009)

Второе направление ‑ применение демпфирования (гашения колебаний), которое известно очень давно и постоянно совершенствуется. Для высотного строительства, как правило, используется сочетание: сейсмоизоляцию располагают в нижнем этаже, а по высоте здания устанавливают демпфирование. Сейчас производители предлагают самые различные демпферы: металлические, жидкостные, есть специальные сплавы с памятью, специальные демпфирующие стены, последние устройства хотя и относительно дорогие, но достаточно эффективные.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

1. Почему случаются землетрясения?

2. Амплитуда и магнитуда землетрясений

3. Какие факторы влияют на сейсмостойкость здания

4. Как ведут себя при землетрясениях дома типовой застройки?

5. Какие дома надежнее?

6. Какие дома лучше не строить в сейсмоопасных зонах?

7. Способы защиты и укрепления строений

Как известно, юго-восточные и восточные районы Казахстана расположены в сейсмически активной зоне. В последние годы после длительного затишья здесь начался период тектонической деятельности, и ученые предсказывают возможность сильных землетрясений. А в этом регионе находится большое число городов и поселков, и среди них южная столица – Алматы.

Почему случаются землетрясения?

Земная поверхность вовсе не такая прочная, как нам кажется. Она состоит из огромных тектонических плит, плавающих на вязком слое мантии. Эти плиты медленно смещаются относительно друг друга и «растягивают» верхний слой Земли.

Когда сила натяжения превышает предел прочности земной коры, в местах стыков возникает разрыв, его сопровождает серия сильных толчков и высвобождается огромное количество энергии. От места сдвига или «эпицентра землетрясения» в разные стороны распространяются колебания. Их называют сейсмическими волнами .

За год на планете происходит несколько миллионов очень слабых, двадцать тысяч умеренных и семь тысяч сильных землетрясений. Разрушительных насчитывают около 150. На территориях, где могут случиться вызванные ими катастрофы, расположено 2/3 всех городов и проживает почти половина населения Земли .

Почему-то землетрясения чаще начинаются ночью или на рассвете. В первые мгновения слышится подземный гул, и земля начинает дрожать. Затем идет череда толчков, при которых участки земли могут опускаться и подниматься. Все это длится несколько секунд, а иногда чуть более минуты. Но за такое короткое время землетрясение может принести огромные бедствия.

Ведь, в зависимости от географии местности и силы подземных ударов, его последствиями становятся оползни, камнепады, разломы, цунами и извержения вулканов, которые уничтожают все, что попадает в их зону действия. Опасность представляют землетрясения интенсивностью 7 баллов и выше . Что это за параметры и как измеряют разрушительную силу подземных толчков?

Амплитуда и магнитуда землетрясений

Амплитуда является качественной, а магнитуда количественной характеристикой землетрясения. Их часто путают.

12-балльная шкала интенсивности отображает степень разрушений при землетрясении в конкретной точке на поверхности земли. Интенсивность в 1 балл не ощущается человеком. Колебания в 2-3 балла уже заметны, особенно на верхних этажах зданий, где начинают раскачиваться . Сотрясения в 4-5 баллов чувствуют почти все, от них и спящие просыпаются. Начинает звенеть посуда, лопаются стекла. Это уже умеренные землетрясения.

Сильными считаются толчки в 6 баллов. В зданиях сдвигается и падает , люди в испуге выбегают на улицу. При землетрясении в 7-8 баллов трудно стоять на ногах. В стенах домов и на дорогах появляются трещины, падают перекрытия зданий и лестничные пролёты, возникают пожары и происходят оползни, рвутся подземные коммуникации. 9-ти балльное землетрясение называют опустошительным . Земля растрескивается, рушатся здания, возникает всеобщая паника.

При 10-11 баллах происходят уничтожающие землетрясения . В грунте появляются проломы до метра шириной. Повреждаются дороги, мосты, насыпи, плотины. Вода выплёскивается из водоемов. Все строения превращаются в руины. 12 баллов – это уже тотальная катастрофа . Земная поверхность меняется, ее пронизывают огромные разломы. Одни территории оседают и затапливаются, другие поднимаются на десятки метров. Изменяется , образуются водопады и новые озёра, меняются русла рек. Большинство растений и животных погибают.

Вторая характеристика землетрясения – это магнитуд а . Она была предложена в 1935 году сейсмологом Рихтером и показывает силу колебаний в эпицентре и высвобождаемую при этом энергию. Изменение значения магнитуды в большую сторону на единицу означает увеличение амплитуды колебаний в 10 раз, а количество высвобождаемой при этом энергии примерно в 32 раза. Здания могут пострадать уже при землетрясениях с магнитудой 5, большой ущерб им причиняют толчки силой 7, а катастрофические землетрясения превосходят магнитуду 8.

Эти две характеристики отличаются друг от друга. Интенсивность показывает масштаб приносимых разрушений, а магнитуда - силу и энергию колебаний. Так, при одинаковой магнитуде землетрясения, его интенсивность всегда уменьшается с ростом глубины и протяженности очага землетрясения. Устойчивость строений к подземным толчкам изучают, основываясь как раз на силе или магнитуде землетрясения.

Какие факторы влияют на сейсмостойкость здания

На устойчивость строений в период подземных толчков влияют как внешние условия, так и внутренние конструктивные особенности. Главным внешним фактором является тип колебаний грунта, на котором стоит здание. Он, в свою очередь, зависит от расстояния до эпицентра, глубины и магнитуды землетрясения, а также состава самого грунта. К внешним условиям устойчивости еще относят расположение самой конструкции на поверхности и находящиеся вблизи природные и искусственные сооружения.

Внутренними факторами считают общее техническое состояние и возраст , его конструктивные особенности и, примененный при строительстве, материал. Также имеют большое значение выполненные позже перепланировки и пристройки, без учета усиления конструкций. Все эти условия непременно повлияют на то, как здание перенесет землетрясение, и как это отразится на людях, находящихся в нем в момент ударов стихии.

При подземных сотрясениях здание приходит в движение вслед за перемещением грунта. Первым сдвигается фундамент, а верхние этажи по инерции сохраняются на месте. Чем резче толчки, тем больше разница в скорости смещения нижних этажей по отношению к верхним.

Если масса высотных зданий большая, то и толчки будут ощущаться сильнее. Чем больше площадь строения и чем меньше оно давит на грунт, тем большая вероятность у него уцелеть во время землетрясения. Если же при строительстве основание возводимого здания увеличить не получается, то надо обеспечивать его легкость за счет выбора строительных материалов.

Также влияние землетрясения на целостность всей конструкции находится в прямой в зависимости от характера движения различных частей здания и их устойчивости к резким колебаниям.

Из всего вышесказанного вывод таков: чтобы здание было надежным, нужно его правильно сконструировать, верно выбрать местоположение, и затем качественно построить.

Как ведут себя при землетрясениях дома типовой застройки?

Сейчас в городах большинство жилых домов представлены тремя типами: мелкоблочные, крупноблочные и крупнопанельные .

Мелкоблочные здания не очень надежны во время землетрясения. Уже при 7-8 баллах на верхних этажах повреждаются углы. У наружных продольных стен разлетаются стекла и выпадают . При 9 баллах углы разрушаются, вслед за ними начинают повреждаться стены. Наиболее безопасными считаются места пересечений внутренних несущих продольных стен с поперечными и так называемые "островки безопасности" у выхода из квартиры на лестничную клетку. При землетрясении следует находиться именно в этих местах, так как они остаются целыми при всех прочих разрушениях. Жители нижних этажей могут выбежать из здания, но только быстро, внимательно следя при этом за летящими сверху обломками. Особую опасность представляют тяжелые "козырьки" над дверями подъездов .

Крупноблочные дома достаточно хорошо выдерживают землетрясение. Но здесь также очень опасны углы здания верхних этажей. При сдвиге блоков могут частично падать плиты перекрытия и торцевые стены. Перегородки в этих домах, обычно, щитовые или деревянные, и их обрушения не приносят большого вреда. Травму могут причинить куски цементного раствора, выпадающие из швов плит перекрытия и большие куски . Такие повреждения происходят при землетрясении в 7-8 баллов. Наиболее безопасные места - это те же двери на лестничную площадку , так как они все усилены железобетонными рамами.

Старые пятиэтажные крупнопанельные дома построены с расчетом устойчивости на 7-8 баллов, но практика показала, что они выдерживают и 9 баллов. Во время землетрясений на территории бывшего Советского Союза ни одно такое здание разрушено не было. Повреждаются только углы и появляются трещины у швов между зданиями. Так как эти дома достаточно надежны, то при землетрясении их лучше не покидать. Но при этом находиться надо подальше от наружных стен и окон на указанных выше «островках безопасности».

Какие дома надежнее?

Известно, что серьезные исследования жилого фонда Алматы проводились лет 15 назад. По их результатам, примерно 50 процентов сооружений в городе определили как сейсмостойкие , 25 процентов отнесли к не сейсмостойким, об остальных вердикта не вынесли. Они подлежат дальнейшему изучению.

В советское время многие здания в южной столице строились с учетом устойчивости к землетрясениям и проверялись специальным оборудованием. Это были 2-х этажные 8-ми, 12-ти и 24-квартирные дома.

С 1961 года Алматинский домостроительный комбинат начал выпускать сейсмостойкие типовые крупнопанельные дома. С семидесятых годов начали строить высотки до 12 этажей, в которых применяли новейшие, по тем временам, монолитные или сборные железобетонные конструкции. Все они проходили тщательную проверку виброустановками и, до настоящего времени, считаются надежными.

Также устойчивыми к колебаниям 8-9 баллов являются 1-2-этажные деревянные, щитовые и брусчатые дома . Уже проверено, что при таком землетрясении они сильно не разрушаются. Возникают лишь небольшие разрывы стен в углах и проседание грунта под зданием, но сами дома стоят. Хотя при толчках могут сильно раскачиваться перекрытия и стены, вывалиться куски штукатурки из стен и с потолка. В таких домах можно оставаться во время землетрясения, только находиться при этом подальше от наружных стен с окнами, от тяжелых шкафов и полок, например, спрятаться под крепкий .

Все же прочие дома, построенные в прежний период, нуждаются в дополнительном укреплении.

В 1998 году после землетрясений в южных государствах СНГ для сейсмически опасных районов Казахстана приняли новые, более жесткие нормы и правила строительства (СНиП). И сейчас они обязательны для всех застройщиков. Поэтому, возводимые новостройки должны отвечать всем современным требованиям сейсмостойкости.

Одна из новых технологий предлагает так называемые безригельные здания, не имеющие балок. Такие сооружения уже пользуются популярностью во всем мире. Их строительство обходится гораздо дешевле балочных домов. При правильном проектировании они намного устойчивее к разгулу подземной стихии.

Также очень популярными стали здания с большой площадью стеклянных покрытий. Оказывается, является одним из наиболее подходящих материалов для строительства в сейсмоопасных зонах . Только стекло не обычное, а специальное сейсмопрочное, оно легче и крепче бетона. И обязательно вся конструкция должна быть выполнена с соблюдением СНИПов и только из качественных материалов.

Еще один новый тип домов хорошо выдерживает сейсмические нагрузки. Их называют деревянно-каркасными. При возведении таких зданий фундамент надежно крепится при помощи анкерных болтов. А сами деревянно-каркасные элементы обеспечивают прочность и пластичность стен, устойчивость перекрытий крыши и потолков, а места их стыков хорошо распределяют энергию землетрясения.

Сейчас в Казахстане строят очень много зданий с конструкциями, совсем не типовыми. Их обязательно надо исследовать. Поэтому вопрос, какие же сооружения, новые или старые, более надежны будет всегда открыт. Опасными могут стать и ветхие дома, и новостройки, не проверенные на сейсмоустойчивость.

Ведь проблема в том, что даже здания, выполненные по новым типовым проектам, иногда, в целях экономии, строят из дешевых и ненадежных строительных материалов. Так что стоит доверять только известным компаниям, которые возводят дома по всем правилам и проводят испытания на их прочность.

Какие дома лучше не строить в сейсмоопасных зонах?

Лёгкие деревянные, кирпичные и глинобитные конструкции часто разрушаются уже при первых толчках интенсивностью в 7-8 баллов. В Алматы в настоящее время здания с кирпичными стенами уже почти не строят, но продолжают сооружать дома из саманной кладки.

Для домов с кирпичными стенами и деревянными перекрытиями высотой в 2-3 этажа и с железобетонными перекрытиями высотой 2-4 этажа требуется обязательное усиление. Дома с саманными стенами усиливать бесполезно. Их надо сносить.

Ненадежны дома со стенами из малопрочных материалов, а также железобетонные каркасные сооружения. Это, как правило, общественные и административные здания.

Способы защиты и укрепления строений

Одно из несложных решений для укрепления уже существующих домов, было предложено академиком Жумабаем Байнатовым. Оно состоит в том, что по всему периметру здания копается ров, глубина которого равна глубине фундамента. Его заполняют использованными пластиковыми бутылками и засыпают землей. Если стоимость такого метода возложить на жителей многоквартирных домов, то каждой семье он обойдется примерно в 200 долларов. И дом станет гораздо надежнее, и в городе станет меньше мусора.

Еще одну идею выдвинули эксперты научного коллектива "Алматинской Строительной Компании "БЛОК". Суть в том, что в конструкции здания, там, где сходятся силовые панели и плиты перекрытия, создается так называемый "пространственный кинематический шарнир". Помимо увеличения устойчивости сооружения, это решение, в первую очередь, призвано спасти находящихся внутри людей.

По подсчетам, дома, построенные с использованием этой технологии, всего на 5-10% дороже обычных, а их устойчивость усиливается на 10 - 15%. Но это изобретение также можно использовать и для укрепления старых зданий, таких, как панельные "хрущевки". Их надстраивают до 7-9 этажных зданий, применяя новое конструктивное решение. В данной ситуации снова получается двойной эффект: старые дома получают дополнительную сейсмоустойчивость, а горожане - новые квартиры в укрепленном доме.

Еще одну интересную технологию строительства выдвинули французские ученые. Это так называемый «плащ-невидимка», который скрывает здание от землетрясения. Он состоит из системы 5-метровых скважин и специального материала, отражающего сейсмические волны.

При землетрясении часто большие повреждения получают многоэтажные здания, в цокольных этажах которых расположены гаражи и другие помещения с большим пустым пространством. Значит, таких конструкций лучше избегать. Сейчас принято для закрепления фундамента использовать болты и металлические крепежные соединения. При строительстве старых домов они не всегда использовались. Опыт показывает, что такие здания отходят от фундамента при землетрясении.

Еще в советское время были разработаны кинематические фундаменты. В Алматы по такой технологии построено несколько жилых домов. В них, во время землетрясения, жители должны ощущать только плавные покачивания, без резких толчков.

Еще один элемент здания, который необходимо укреплять – это дымоходные трубы, они очень неустойчивы к землетрясениям. Развал неармированных дымоходных труб очень часто приводит к повреждениям крыши и стен. Поэтому лучше, чтобы дымоходы были из армированных или других лёгких материалов.

При выборе строительной площадки предпочтение нужно отдавать скальным грунтам – фундамент сооружения на них более устойчивый. Здания не должны располагаться близко друг к другу, чтобы в случае их обрушения не задеть соседние постройки.

Обязательно в сейсмически опасных зонах высокие крепежные требования предъявляются к сооружениям водопровода, канализации и тепловым сетям .

Получается, что надежная защита зданий и сооружений от ударов возможных землетрясений зависит от общих усилий всего населения – ученых, властей, строителей и даже простых жителей городов и поселков. И высших сил, которые, будем надеяться, тоже защитят людей от тяжелых бедствий.

При использовании информации из данной статьи на других интернет ресурсах (сайтах, страниц социальных сетей, при комментировании вне данного ресурса и др.), убедительная просьба давать ссылку на данную страницу или Благодарим за соблюдение общеизвестных правил, принятых в интернет пространстве!

Приобрести необходимые материалы для строительства дома вы сможете, воспользовавшись нашего портала :

А также воспользоваться услугами по строительству .

Август 21, 2013 \ Максим \ \ Комментарии к записи Инженеры модернизируют здания «мягкой конструкции» для устойчивости при землетрясении отключены

Команда инженеров под руководством профессора Джона ванн де Линдта из университета штата Колорадо проводят реконструкцию и тестирование здания с «мягким» первым этажом с тем, чтобы повысить их устойчивость и прочность во время сейсмических движений земли.

Многоэтажные здания, построенные по принципу «soft story» (открытые пространства на уровне первого этажа для гаражей или витрин магазинов), имеют слабую и неустойчивую структуру, которая подвержена землетрясениям. Десятки тысяч таких домов были построены по всей Калифорнии, одном из самых сейсмоопасных районов США, в 20 -30-х годах прошлого столетия, что делает это серьезной проблемой безопасности.

Начиная с июля этого года, команда проводит испытания на специальном вибростенде 4-этажного здания площадью 4087 кв. метров, имеющего первый открытый этаж. Согласно результатам испытаний, проведение некоторой реконструкции здания без его полной или частичной разборки позволяет значительно увеличить устойчивость к землетрясениям: в трех их четырех различных модификаций землетрясений здание устояло без существенных повреждений.

В реконструкции был использован новый строительный материал CLT (cross-laminated timber), который представляет собой многослойную клееную древесину с перекрестным расположением слоев. Первая проверенная модификация здания представляет собой структуру из восьми стен 60-сантиметровой ширины с фанерой на нижней стороне диафрагмы жесткости второго этажа, укрепленной несколькими ремнями и клипсами Simpson Strong-Tie. CLT-листы были поставлены компанией Innovative Timber Solutions-Smartwoods.

Вторая успешно испытанная конструкция первого этажа была выполнена в виде жесткого каркаса из CLT-листов Simpson Strong-Tie в соответствии с рекомендациями FEMA P-807, ну а третья конструкция имеет более сильный стальной каркас с анкерной системой. Теперь инженеры планируют испытывать четвертую конструкцию, которая включает в себя вязкостный демпфер, похожий по действию на автомобильные рессоры.

Все работы ведутся на средства гранта в размере 1,24 млн. долларов США, полученного от Национального научного фонда для исследований. Команда инженеров работает совместно с Ренселлеровским политехническим институтом, Калифорнийским политехническим университетом в Помоне, Университетом Западного Мичигана и Университетом Клемсона. В тестах принимают участие многочисленные партнеры по отрасли, в том числе Simpson Strong-Tie и Лаборатория лесной продукции, а также ряд государственных структур.

ЗАТУХАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА С УДАЛЕНИЕМ ОТ ЭПИЦЕНТРА

Магнитуда землетрясения характеризует энергию сейсмических волн, излучаемых его очагом, а интенсивность сейсмических сотрясений на земной поверхности зависит как от величины эпицентрального расстояния, так и от глубины залегания очага. Приведенные кривые затухания характеризуют спадание интенсивности сейсмических сотрясений с удалением от эпицентра землетрясений разных магнитуд с "нормальной" глубиной очагов, верхняя кромка которых расположена достаточно близко к земной поверхности. Чем очаг глубже, тем слабее сейсмический эффект в эпицентре и тем медленнее затухает он с расстоянием.

// Этот эффект можно уподобить интенсивности освещенности поверхности обычным фонариком. Чем ближе он к ней, тем ярче освещенность на кратчайшем расстоянии от него, но тем быстрее она убывает с удалением от фонарика. При удалении же самого фонарика от освещаемой поверхности освещенность в центре становится тусклее, но зато этот "менее опасный полумрак" охватывает достаточно большую площадь. //

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ОЧАГИ СЦЕНАРНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

В строительной практике, наряду с вероятностными оценками сейсмической опасности, определяемыми на основе нормативных карт сейсмического районирования территории Российской Федерации – ОСР-97, нередко применяются также и детерминистские методы расчета ожидаемых сейсмических воздействий от так называемых сценарных землетрясений, независимо от того, когда они произойдут. При этом решающую роль играет адекватный выбор потенциальных очагов землетрясений, представляющих наибольшую опасность заданным площадям и конкретным строительным объектам.

Непременным условием идентификации и сейсмологической параметризации потенциальных очагов землетрясений (ПОЗ), рассматриваемых в качестве сценарных, является опора на сейсмогеодинамическую модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ), на основе которой создавался комплект официальных карт ОСР-97, имеющих федеральное значение.

При расчете теоретических (синтетических) акселерограмм и динамической реакции зданий и сооружений на сейсмические воздействия, должен учитываться целый ряд геолого-геофизических параметров ПОЗ и среды, в которой распространяются сейсмические волны (местоположение очага, его размеры и ориентация в пространстве, магнитуда, сейсмический момент, затухание сейсмических волн различной длины с расстоянием, спектральное влияние реальных грунтов и другие факторы).

Поскольку детерминистские оценки сейсмического эффекта, получаемые по сценарным землетрясениям, являются консервативными, они нередко существенно завышают величину сейсмической интенсивности, получаемую вероятностными методами. В то же время, такие экстремальные сейсмические воздействия могут оказаться чрезвычайно редкими событиями, которыми зачастую можно и пренебречь. В этой связи допускается перевод детерминистских оценок в вероятностные, соответствующие нормативным требованиям карт ОСР-97.

Объемная модель источников землетрясений и потенциальные очаги, представляющие наибольшую опасность для условного города. 1 – линеаменты, 2 – домены, 3 – очаги крупных землетрясений с магнитудой М=6.8 и более, 4 – очаги землетрясений с М=6.7 и менее, 5 – траектории распространения сейсмических волн от потенциальных очагов Z1 и Z2 землетрясений в сторону города.

На этом рисунке приведен пример распространения сейсмических волн от двух потенциальных источников землетрясений – от относительно небольшого очага Z1, расположенного в домене непосредственно под городом, и от наиболее крупного очага Z2, принадлежащего линеаменту и удаленного от города на значительное расстояние.

В первом случае, сценарное землетрясение характеризуется умеренной магнитудой (не более М=5.5) и небольшой глубиной залегания очага (не более 10 км). Во втором случае, очаг относится к линеаменту высокого ранга (магнитуда М=7.5) и имеет достаточно большую протяженность (около 100 км).

Очаг Z1 генерирует высокочастотный спектр излучаемых волн, имеющих небольшую продолжительность и достаточно большие ускорения, опасные в основном для невысоких строений. И наоборот, низкочастотные динамические воздействия от очага Z2, которым свойственны относительно небольшие ускорения, по сравнению с событием Z1, представляют значительную опасность для высотных строительных объектов своей очень большой продолжительностью (возможно, также большими скоростями колебаний и смещениями грунта) при малых величинах ускорений.

→ Разрушение зданий

Землетрясения и строительство

Итак, здания и сооружения в обширных районах планеты находятся на своеобразных виброплатформах, которые в определенный момент могут заколебаться. Какие меры следует принимать, чтобы оградить их от пагубных последствий этих колебаний?

Проблемы сейсмостойкого строительства, пожалуй, наиболее сложные для современной технической цивилизации. Трудности обусловлены тем, что заранее, “авансом”, необходимо принимать меры против события, разрушительную силу которого невозможно рассчитать. Отдельные землетрясения имеют случайный характер. Последующее землетрясение в той или иной степени отличается от предыдущего. Поэтому подход специалистов к решению проблем сейсмостойкости сооружений в значитель- I ной мере умозрительный, теоретический, основывающийся на весьма идеализированных предположениях. Разумеется, в нынешнем веке, и особенно в последнее время, было проведено много важных исследований. Однако до сих пор землетрясения остаются единственной надежной проверкой как геологических и сейсмологических постулатов, так и принятых методов расчета конструкций на сейсмостойкость.

Первый метод расчета сейсмостойких конструкций был разработан в начале нашего столетия в Японии. Его создателя Омори побудили к этому ужасные последствия землетрясения в Токио и Иокогаме – одного из самых колоссальных бедствий, постигших планету в новое время. Метод был очень несовершенным: сейсмические нагрузки были представлены в виде статических сил, а здание рассматривалось как недеформируемое. Совершенно очевидно, что землетрясение вообще, и воздействие его на конструкцию в частности, представляет собой чисто динамический процесс: сейсмические нагрузки на конструкцию за доли секунды изменяются как по величине, так и по направлению воздействия. Это привело к появлению и быстрому развитию динамических методов, которые в настоящее время приняты почти во всех странах, расположенных в сейсмоактивных районах.

Первый опыт в этой области датируется 1920 г. (Монобе, Япония), но основы метода в наиболее общем виде были изложены советским ученым Завриевым в 1927 г. Сейсмические силы, являясь инерционными силами, обусловлены массой колеблющегося тела и ускорением отдельных его частиц.

Масса в любом случае известна: она определяется постоянной нагрузкой и в значительной степени временными вертикальными нагрузками, расчет которых не представляет проблемы. Путем уменьшения массы можно достигнуть и уменьшения сейсмических нагрузок. Отсюда и современная тенденция к облегчению конструкций в сейсмоактивных районах посредством применения более легких строительных материалов главным образом для несущих, например, ограждающих элементов.

Самым “ крепким орешком” при определении сейсмических сил является ускорение, с которым колеблются отдельные части конструкции. Из множества характеристик землетрясения - амплитуд, скоростей, интенсивности, продолжительности - самая важная – ускорение, с которым колеблются частицы почвы. Каким оно будет? Предусмотреть величину ускорения, по существу, значит предусмотреть силу землетрясения, а это почти так же трудно, как предсказать день, в который оно произойдет. Мы уже говорили, что землетрясения имеют случайный характер. Так или иначе, но эти проблемы решают сейсмологи; конструкторы же работают с учетом того фактора, что может произойти землетрясение, от которого они должны обезопасить свое творение. Фактически они располагают вероятной картиной землетрясения в основании здания. Однако каким будет ускорение отдельных точек по высоте конструкции?

Из почвы в конструкцию поступают колебания, сейсмические силы, но почва и отдельные точки сооружения колеблются с разным ускорением. Это обусловлено относительной гибкостью конструкции, ее неизбежной склонностью к деформациям, которая в данном случае исключительно полезна: благодаря разнице ускорений кинематическая энергия землетрясения расходуется на работу по деформации конструкции и общий разрушительный потенциал земного катаклизма сильно уменьшается. Деформации, которым подвергается конструкция, в значительной степени не являются необратимыми. Такие динамические и упругопластические свойства конструкции и материалов, из которых она изготовлена, обусловливают в основном эффект от воздействия сейсмических сил на сооружение.

Именно это обстоятельство не учитывалось в статическом методе расчета конструкций на сейсмостойкость, созданном Омори, И именно оно более или менее точно учитывается при современных динамических методах. Одна из наиболее распространенных разновидностей этих методов называется спектральной. Она появилась в начале 40-х годов в США и была разработана на основе обширной информации о землетрясениях“ 1923 г. в Сан-Франциско в 1933 г. в Лонг-Бич. Для американского варианта спектрального метода характерно то, что динамическое воздействие на здания и сооружения определяется с помощью универсальных моделей. На этой основе создается серия графиков (спектров) максимального ускорения, скорости и перемещения систем с различными собственными частотами при данном землетрясении. Поскольку характер землетрясения специфичен для каждого района, подобный подход вполне приемлем. Однако, чтобы иметь записи местных ускорений при землетрясении, необходимо, чтобы район достаточно проявил себя в сейсмическом отношении, да к тому же в недавнее время. Посредством анализа многих обстоятельств определяется соответствующий данному месту спектр сейсмических ускорений, которым пользуются конструкторы. Именно таким образом был создан стандартный спектр калифорнийских норм, с помощью которого в США проектируются сейсмостойкие здания и сооружения.

Параллельно с американскими исследованиями, но независимо от них развивается советский вариант спектрального метода, полное теоретическое обоснование которого дано исследователем Корчинским. Особенностью этого метода является аналитическое определение реакции конструкций на сейсмическое воздействие. Параллельно развивается разновидность динамического метода, при которой используются акселерограммы действительно происходивших землетрясений. Акселерограммами называются записи ускорений почвы во время землетрясения. На основе определенного числа таких записей и специальных математических методов получаются довольно точные результаты. Но из-за большого объема вычислительной работы и отсутствия достаточно полных и точных записей эта разновидность метода используется редко, в основном для очень ответственных сооружений, В последние годы все шире применяются методы, основывающиеся на теории вероятности и математической статистике.

Так или иначе, но не будет преувеличением сказать, что расчет сейсмических сил, которые нагружают конструкции, составляет 90% общего объема вычислительных работ. Практические методы определения этих сил весьма разнообразны. Сравнение технических норм различных стран обнаруживает значительное разнообразие даже основных концепций. Разумеется, это до некоторой степени оправданно, поскольку существуют различия между странами как в условиях их сейсмичности, так и в условиях их экономических и технологических возможностей. Однако два основных момента являются общими: 1. Несмотря на произвольное направление сейсмических сил, считается, что здания и сооружения имеют определенный резерв устойчивости по отношению к вертикальным нагрузкам, и поэтому расчет на сейсмику учитывает лишь горизонтальные нагрузки, возникающие при землетрясении. Исключение составляют некоторые мосты, козырьки, консоли, для которых вертикальные нагрузки имеют решающее значение. 2. Рассматривается только один момент динамического процесса колебаний, но именно тот самый момент, когда сейсмические силы достигают своей экстремальной величины. Далее полученные силы трактуются как статическая нагрузка. В этом нет ничего удивительного, потому что динамичность явления в достаточной степени учитывается при определении величины самих сейсмических сил.

Для удобства расчетов предполагается, что массы зданий и сооружений сконцентрированы в определенных их точках, хотя в действительности они равномерно распределены по всей их высоте. Например, для многоэтажных зданий такими точками считаются уровни отдельных этажей. При расчете зданий на устойчивость к сейсмическим воздействиям допускается возможность известных пластических деформаций и даже частичных разрушений, но лишь в неответственных и легковосстановимых несущих элементах, таких,как перегородки или фасадные стены. Все это продиктовано стремлением к разумному компромиссу между затратами на строительство и обеспечением необходимой надежности. В последнее время проводятся исследования по изучению взаимодействий между грунтовым основанием и конструкцией. Деформации в почве тоже поглощают часть кинетической энергии подземных толчков, и это еще один резерв удешевления антисейсмических мероприятий.

Когда речь идет о конфликте между сейсмическими силами и конструкцией, необходимо иметь в виду, что землетрясения представляют собой серию толчков, иногда с определенными паузами между ними, и что первые толчки создают условия для усиления эффекта последующих. Некоторые здания способны устоять при первых тектонических колебаниях, но получают при этом частичные повреждения - образуются трещины, ослабляются связи и т.п., что значительно снижает их устойчивость. Достаточно следующего, даже сравнительно слабого толчка, чтобы они разрушились.

Итак, конструкторские проблемщ сейсмостойкого строительства являются весьма нелегкими, но покоятся на солидном, хотя и формальном основании: известны характеристики землетрясения. Насколько это основание совпадает с действительностью, другой вопрос. Здесь мы снова наталкиваемся на “твердый орешек” сейсмологии: каким будет характер вероятного будущего землетрясения, будут ли здания и сооружения надежны до такой степени, чтобы “и вблки были сыты и овцы целы”? На эти вопросы пока точного ответа дать нельзя. Проделана огромная работа по сейсмическому районированию потенциально опасных территорий. Она выполнена с помощью современных геологических и сейсмологических исследований на основе тщательного изучения различных древних письменных источников и хроник, в которых речь идет о происходивших землетрясениях. И поскольку большое значение имеет локальная геологическая и гидрогеологическая картина, наметилась уже тенденция и к микрорайонированию, т.е. выделению более мелких сейсмических районов.

Сейчас еще нельзя дать категорического ответа на вопросы, касающиеся столь сложной области, где условия диктуются капризами природы и где метафизическая случайность (облаченная в одежды научной вероятности) играет почти такую же роль, как и тысячу лет назад. И все же, если характер будущих землетрясений окажется близким к ожидаемому (а это весьма вероятно, поскольку прогнозы составляются на основе всех тех знаний, которыми располагает мировая наука и практика), можно будет сказать со всей определенностью, что принимаются самые надежные меры против самого страшного стихийного бедствия.