Методика и принципы проведения детального сейсмического районирования (ДСР) (стр. 2 )

Для целей проектирования целесообразно из широкого диапазона степеней повреждений выделить несколько дискретных степеней, которые могут быть использованы в качестве основы проектирования. При рассматриваемом подходе выделяется пять таких степеней, названных уровнями поведения сооружения, а именно: полное функционирование, функционирование, безопасность для жизни людей, близкое к обрушению, обрушение. Каждому из этих уровней поведения соответствуют определенные уровни повреждений структурных, архитектурных, механических и электрических элементов здания, а также имущества. Допустимая степень повреждений для каждого уровня поведения сооружения определяется по таблицам, составленным для разных типов сооружений. На рис. 7 сопоставляются уровни поведения сооружений с возможными степенями повреждений.

На уровне “Полного функционирования” практически не наблюдаются (или наблюдаются незначительные) повреждения. На этом уровне все основные системы здания функционируют нормально.

Уровень “Функционирования” допускает несколько большую степень повреждений, чем уровень “Полного функционирования”. Может потребоваться мелкий ремонт. Некоторые системы жизнеобеспечения, не являющиеся первостепенно важными для здания, могут и не функционировать, однако предполагается, что сооружение по-прежнему может использоваться по назначению. Как и в случае уровня “Полного функционирования”, могут потребоваться автономные системы жизнеобеспечения.

Уровень “Безопасности” для жизни людей соответствует уровню поведения здания, рассчитанного по действующим строительным нормам на ожидаемое проектное землетрясение. Существенные повреждения могут получить как структурные, так и неструктурные элементы здания, однако безопасности людей не должны угрожать ни разрушения несущих конструкций, ни падение тяжелых частей здания. Допускаются повреждения конструктивной системы, противостоящей горизонтальным нагрузкам, но в целом сохраняется значительная прочность и жесткость здания. В данном случае здание требует капитального ремонта, хотя экономически это может быть и невыгодно. Здание остается непригодным для дальнейшей эксплуатации без проведения ремонтно-восстановительных работ.

Уровень “Близкий к обрушению” соответствует более высокой степени повреждений. Хотя на этом уровне обрушение и не происходит, но повреждения настолько значительны, что здание может обрушиться при сильных афтершоках. При этом уровне жизни людей могут угрожать падающие обломки здания, а выход из помещения может оказаться заблокированным. Такое здание, как правило, ремонту не подлежит.

Уровень “Полного обрушения” не представляет интереса для проектирования. Здания, обрушающиеся частично или полностью, представляют серьезную угрозу для жизни людей.

Сами по себе проектные уровни поведения сооружений не являются достаточной базой для расчета. Для их использования каждый уровень поведения сооружения необходимо привязать к уровню сейсмической опасности. Такое попарное связывание уровней поведения с уровнем сейсмической опасности называется показателем поведения, величиной, которая может быть использована в проектировании. Например, если здание согласно технической характеристике может достичь Безопасного для жизни людей уровня поведения при землетрясениях с 10% вероятностью превышения за 50 лет, то это и есть показатель поведения. В настоящее время вместо показателя поведения используют понятие уязвимость. Могут быть получены разные показатели поведения путем сочетания разных уровней поведения сооружения и сейсмической опасности.

Как и уровни поведения сооружения, так и возможные уровни сейсмической опасности варьируют в широких пределах и могут быть использованы для определения расчетных показателей поведения сооружения и оценки параметров ожидаемых движений грунта. Из этого широкого диапазона уровней сейсмической опасности выбираются четыре дискретных уровня для определения стандартных показателей поведения сооружений, используемых для расчета зданий:

·  часто повторяющиеся землетрясения с 50% вероятностью превышения за 30 лет (средний период повторяемости 43 года);

·  землетрясения, случающиеся время от времени с 50% вероятностью превышения за 50 лет (средний период повторяемости 72 года);

·  редкие землетрясения с 10% вероятностью превышения за 50 лет (средний период повторяемости 475 лет);

·  очень редкие землетрясения с 10% вероятностью превышения за 100 лет (средний период повторяемости 970 лет).

Методика определения характеристик ожидаемого движения грунта варьирует в зависимости от используемого метода анализа. Нормативами рекомендуются стандартные расчетные показатели поведения сооружения для зданий трех категорий в зависимости от их назначения. Предлагается ряд Основных Показателей для расчета большинства жилых, коммерческих, промышленных и административных зданий. Рекомендуется рассчитывать и строить подобные сооружения таким образом, чтобы они соответствовали уровню “Полного функционирования” при землетрясениях, происходящих часто; уровню “Функционирования” при землетрясениях, происходящих время от времени; уровню “Безопасности жизни людей” при редких землетрясениях и уровню “Близкому к обрушению” при очень редких землетрясениях. Предполагается, что подобный ряд уровней поведения обеспечит приемлемые уровни безопасности для жизни людей и сбалансирует первоначальные расходы на строительство и расходы на ремонтно-восстановительные работы после землетрясения.

Другой ряд показателей поведения сооружения, названный “Весьма важный/Опасный”, рекомендуется для расчета зданий, имеющих особую важность в период проведения спасательных и восстановительных работ после землетрясения, таких как пожарные станции и больницы, а также склады опасных материалов, например, используемых на предприятиях, производящих полупроводники. Здания, рассчитанные в соответствии с этими показателями поведения, будут сохранять уровень “Полного функционирования” при землетрясениях, происходящих время от времени, уровень “Функционирования” при редких землетрясениях и уровень “Безопасности жизни людей“ при очень редких землетрясениях.

Здания с такой несущей способностью характеризуются крайне низким риском для жизни людей и небольшим риском потери функционирования или выбросов опасных материалов в результате землетрясения. Некоторые владельцы и арендаторы предпочли бы здания с такими показателями уровня поведения стандартных зданий с целью более надежной защиты важной деловой деятельности.

Предлагается также ряд расчетных показателей поведения сооружения, названных “Особо важными для безопасности людей”. Здания, рассчитанные и построенные в соответствии с этими показателями, будут сохранять уровень “Полного функционирования” при редких землетрясениях и уровень “Функционирования” при землетрясениях, происходящих время от времени. Такие здания характеризуются очень низким риском какого-либо перерыва функционирования или выброса опасных материалов. Такими показателями должны характеризоваться здания, предназначенные для хранения больших количеств ядерных и других токсических отходов или горючих материалов.

Концепция проектирования на основе поведения зданий

Концепция проектирования зданий на основе инженерного анализа их поведения при землетрясениях должна стать основой строительных норм и правил следующего поколения. Нормы, основанные на этом подходе, должны включать все типы сооружений для всех сейсмоопасных районов. Хотя методология разработана для расчета и строительства зданий в районах с высокой сейсмичностью, она может также применяться для любых типов сооружений в любом сейсмоопасном районе.

Для более эффективного проектирования зданий на основе инженерного анализа их поведения при землетрясениях, необходимо значительное расширение круга инженерных задач за счет включения новых нерешенных задач, поставленных практикой. Сейсмостойкое строительство должно начинаться с выбора подходящей строительной площадки и с выбора показателя поведения сооружения. Критерии приемлемости должны быть установлены в терминах предельных значений параметров реакции сооружений различных типов и для каждого уровня поведения сооружения. Сейсмическая опасность должна определяться в терминах, которые используются для выбранного показателя поведения сооружения и данного типа сооружения. Процедуры расчета сооружений на сейсмостойкость и анализ их поведения при землетрясениях должны быть усовершенствованы с целью более эффективного контроля и прогноза реакции сооружения на сейсмическое воздействие. Пересмотр конструкции и гарантия ее качества должны стать неотъемлемой частью строительного процесса. Сейсмостойкость сооружений должна поддерживаться в течение всего периода эксплуатации путем их укрепления и ремонта.

Задачи сейсмостойкого строительства должны быть расширены за счет расчета неструктурных элементов, учета крепления элементов здания и предметов быта, предусмотрения надежных путей эвакуации и обеспечения защиты систем жизнеобеспечения и оборудования для достижения соответствия выбранным показателям поведения сооружения.

Для того чтобы сейсмическое районирование стало более совершенным инструментом для сейсмостойкого строительства, оно должно учитывать потребности проектирования, основанного на поведении сооружений при землетрясениях. Бесспорно, его задачей является выбор подходящей площадки и анализ существующей сейсмической опасности.

На этом этапе должно быть сделано заключение о пригодности строительной площадки для данного типа сооружений, с учетом всех видов опасности. Необходимо определить параметры движения грунта и другие проектные критерии сейсмической опасности и представить их в форме пригодной для принятых методов расчета сооружений и анализа их поведения.

Анализ пригодности строительной площадки должен включать рассмотрение сейсмичности, грунтовых условий и других потенциальных опасностей. Обычно на этом этапе работ определяют сейсмические очаги и их механизмы, грунтовый разрез, изучают влияние рельефа, оценивают потенциал разжижения грунтов, возможные последствия цунами и других видов опасности, таких как наводнения и пожары.

Анализ сейсмической опасности с учетом всех наиболее опасных сейсмических очагов дает расчетные параметры движения грунта для событий с заданной вероятностью появления. Этими параметрами движения грунта могут быть: сама сейсмограмма, спектр реакции ускорений, спектр реакции смещений, спектр относительных перемещений (drift demand spectra), или другие характеристики, требуемые для принятых методов анализа и расчетов. В зависимости от принятых методов и расчета рассматриваются спектры реакции для линейного и нелинейного поведения сооружений. Затухание обычно принимается равным 2% от критического для исключительно упругой реакции, 5% от критического для традиционного упругого анализа с учетом неупругой реакции, и, возможно, от 10% до 20% от критического для неупругого анализа или для специальных загашенных систем.

В случае зданий, характеризуемых умеренными показателями поведения, за определением параметров колебаний грунта, описанных выше, следует этап, предусмотренный существующими строительными нормами и правилами. Анализ пригодности строительной площадки и дальше будет основываться на общедоступных картах геологической опасности или на общеизвестной информации. Анализ сейсмической опасности может быть сведен к определению должностными лицами в строительстве фактора сейсмической зоны.

Требования к сейсмическому районированию со стороны проектировщиков

В настоящее время существует настоятельная необходимость совершенствования методологии и практики сейсмического районирования, что позволит инженерам вести расчет зданий на ожидаемый уровень поведения. Необходим оптимальный набор параметров воздействий, ответственных за конкретные уровни поведения сооружения, и задание этих параметров для различных уровней сейсмической опасности. Ожидаемые параметры движения грунта должны определяться для различных уровней сейсмической опасности и задаваться сейсмограммами, спектрами и т. д. Четкие и точные определения и характеристики, используемые в сейсмическом районировании (карты, стандартные спектры, стандартные наборы записей и т. д.), могут служить хорошим инструментом для инженеров-проектировщиков.

Обилие параметров, характеризующих сейсмические воздействия, с учетом их повторяемости делает задачу картирования чрезвычайно сложной. Поэтому намечается следующий путь - территория разбивается на ряд зон, для каждой из которых устанавливается набор всех необходимых для полноценного проектирования параметров воздействий, вплоть до таких сложных, как локальный спектр реакции. Этот набор может рассматриваться как фактор сейсмической зоны, т. е. этот набор должен определить все расчетные коэффициенты для существующих расчетных моделей. Разумеется, такая форма картирования возможна только при совместной работе сейсмологов и строителей. Приведем еще один пример сейсмического районирования по зонам. Относительно небольшая территория Южной Калифорнии была поделена на 65 сейсмических зон (рис. 8). Карта составлена Центром Южной Калифорнии по изучению землетрясений (Southern California Earthquake Center - SCEC). В каждой зоне оценка сейсмической опасности проводилась на основании комплекса данных по геологии, палеосейсмологии и сейсмологических каталогов. По словам специалистов из SCEC это был важный шаг вперед к комплексному анализу данных различного типа. В России этот шаг был давно сделан, причем совместно обрабатываются не только геодезические и геологические данные, но и геофизические, геохимические и другие материалы. Что касается сейсмологических данных, то в нашей стране используются не только инструментальные каталоги, но каталоги макросейсмических данных. В SCEC были построены вероятностные модели сейсмичности, используя которые можно получить годовую вероятность значений параметров движения грунта в любом месте. Модель предусматривает оценку неопределенности конечных результатов, связанной как с непредставительностью и погрешностями исходных данных, так и с неточностью моделей. 65 сейсмических зон, на которые была разделена территория Южной Калифорнии, подразделены на три группы - A, B, C. Зоны типа А наилучшим образом обеспечены необходимым материалом, в частности, палеосейсмологическими данными, подтверждающими оценки повторяемости землетрясений, полученные другими методами. В зонах В имеются хорошо известные активные разломы, но данных недостаточно для надежных вероятностных оценок. В зонах С нет крупных известных разломов, определяющих сейсмичность зоны, однако в них могут находиться неизвестные и/или разнотипные разломы. Сейсмический потенциал каждой зоны описывается ансамблем случайно распределенных землетрясений плюс характеристические землетрясения, связанные с конкретными разломами. Для всех зон предельные магнитуды определяются по длине разломов, вышедших на поверхность, с учетом, в некоторых случаях, погребенных разломов.

Для зон типа А определяются класс подвижек и ожидаемый период повторяемости характеристических землетрясений с одновременными оценками погрешности результатов. Фундаментальным допущением в этой модели (1988 г.) является независимость подвижек на различных сегментах разлома. Однако в последнее десятилетие детальными палеосейсмологическими исследованиями было показано, что значительное количество сегментов часто "срабатывает" одновременно. Поэтому была разработана "каскадная" модель, в которой учитывается это явление. В зонах В оценки сейсмических моментов получаются с использованием данных по хорошо изученным характеристическим землетрясениям с привлечением геодезических и геологических данных. В зонах С вклад характеристических землетрясений близок к нулю. Основная оценка - сглаженный уровень сейсмичности распределенных землетрясений с учетом геодезических данных.

Одним из важных аспектов оценки сейсмической опасности, как указывалось выше, является оценка точности конечных результатов. Обычной практикой такого анализа является использование концепции "логического дерева" и экспертных оценок. Часто используется метод Монте-Карло. Для зон В и С главным источником погрешностей является определение сейсмических моментов по геологическим и геодезическим данным, оценка верхних предельных магнитуд, магнитуд характеристических землетрясений и наклона графиков повторяемости. Для зон А основным источником погрешностей является определение временного интервала между сильными землетрясениями по палеосейсмологическим данным и применение модели условной вероятности появления характеристических землетрясений.

Анализ показал, что из 65 зон только 4 способны генерировать сейсмические колебания с ускорениями, превышающими 0,3 g (зоны 20, 31, 33, 54 на рис.).

На рис.9, 10 показан результат применения карты для оценки сейсмической опасности в конкретном пункте - Сити Холл, Лос-Анджелес - с учетом характеристик этих четырех зон и неопределенности, связанной с исходными данными и неравномерностью сейсмических процессов. В принципе по этому графику можно определить 10% вероятность превышения за любой интервал времени.

Российская методика оценки и картирования сейсмической опасности.

Исторически сложилось так, что сейсмическое районирование как научное направление в нашей стране оформилось раньше, чем в других странах. Основную роль в развитии методологии на первых порах играли геологи и лишь при составлении карты СР-78 более активное участие стали принимать сейсмологи и геофизики. Инженеры - строители практически оставались в стороне.

Такая картина наблюдается и в настоящее время в процессе составления новой карты сейсмического районирования. Неудивительно, что основным выходным параметром, описывающим сейсмические воздействия, в нашей стране является балл шкалы сейсмической интенсивности. Эта величина не может быть использована для непосредственных расчетов поведения зданий и сооружений при землетрясениях. Трансляция баллов в параметры движения грунта производится в строительных нормах и правилах (обычно это ускорения, реже - скорости колебаний грунта, а также спектральные кривые " бета"). Другими словами интерпретация сейсмологических данных отдана на откуп инженерам - строителям.

Основные результаты анализа литературных данных

1. Как правило, оценки сейсмической опасности представляются в виде набора карт, характеризующих различные параметры воздействий, различную вероятность непревышения заданных уровней в течение различных интервалов времени.

2. В большинстве стран мира сейсмическое районирование проводится не в баллах шкалы сейсмической интенсивности, а в параметрах сейсмического движения грунта.

3. Обязательным элементом карт сейсмического районирования является максимальное ускорение грунта.

4. Часто карты ускорений дополняются картами скоростей.

5. Оптимальным считается привлечение спектральных составляющих на периодах 0.3 и 1.0 секунды (или других периодах, соответствующих национальным традициям строительства).

6. Поднимается вопрос об учете продолжительности колебаний.

7. Для России, крайне бедной инструментальными данными о сильных движениях грунта, очевидно, возможны два основных пути сейсмического районирования в параметрах движения грунта:

а) пересчет сейсмической интенсивности в баллах в параметры движения грунта, для чего необходимо создание современных инструментальных шкал сейсмической интенсивности, в том числе многопараметрических; действующая в нашей стране шкала для этой цели не подходит, так же, как и европейская шкала EMS-98;

б) расчет параметров сейсмических колебаний по значениям параметров зон ВОЗ (магнитуда, глубина очагов, тип подвижек в очагах, ориентация разрывов, закономерности изменения параметров колебаний с расстоянием).

8. Оптимальное количество градаций землетрясений по их повторяемости с точки зрения инженеров-проектировщиков - четыре (средний период повторяемости 43, 72, 475 и 970 лет). Заметим, что речь идет о проектировании только обычных сооружений. Для простоты значения этих периодов в большинстве стран округляются (50, 100, 500 и 1000 лет). Количество градаций при сейсмическом районировании в нашей стране несколько меньше (100, 1000 и 5000 лет), причем последнее значение при проектировании объектов массового строительства не используется. Для проектирования особо важных объектов, таких как АЭС, разработана, но не утверждена карта, соответствующая повторяемости раз

в 10000 лет.

9. Поведение здания определяется сложным взаимоотношением его конфигурации, прочности несущей системы и имеющейся податливости основных элементов. Все это учитывается в современных строительных нормах и правилах посредством сочетания необходимых прочностных характеристик, ограничений по форме здания и специальных рекомендаций для обеспечения необходимой податливости. Повреждение даже современных зданий не всегда свидетельствует о превышении расчетного уровня максимальных ускорений грунта. Для интерпретации этих фактов необходима новая методология и более полная информация о динамических и спектральных характеристиках колебаний грунта.

10. Сегодня сейсмическое районирование формирует и поддерживает основу процесса сейсмостойкого проектирования. Процесс предусматривает использование наиболее опасных характеристик возможных сейсмических воздействий, которым могут быть подвержены сооружения. Ожидаемые сейсмические воздействия преобразуются в эквивалентные проектные усилия, объединяемые при расчетах на сейсмостойкость с другими нагрузками несейсмического характера. А именно, сейсмическое районирование служит для определения территорий с примерно одинаковой сейсмичностью, характеризует колебания по максимальному ускорению грунта, эффективному максимальному ускорению, спектральному ускорению и т. д. и учитывает поправку на местные грунтовые условия. Значительные усилия постоянно направлены на развитие новых руководств по восстановлению и усилению поврежденных зданий и проектированию новых зданий и сооружений. Эти рекомендации, как правило, включают карты по сейсмическому районированию и различные критерии по их практическому применению. Карты составляются на основе анализа возможных опасностей и приведены в соответствие с требованиями строительных норм.

11. Основной вклад сейсмического районирования в восстановление и усиление поврежденных зданий и проектирование новых сооружений связан с используемыми проектными коэффициентами. Поскольку основные расчеты связаны с поперечными силами, то долгое время основное внимание уделялось прогнозу уровней ускорения и картированию территорий по ожидаемому уровню ускорения. Такой подход был разумным, поскольку сила действительно равна произведению массы на ускорение. Раньше инженеры-строители оперировали максимальными ускорениями грунта, но поскольку по мере накопления инструментальных записей были получены более высокие значения реальных ускорений, нежели принятые в расчетах, стали говорить об эффективном максимальном ускорении. Поскольку эффективное ускорение с точностью до постоянного (понижающего) коэффициента равно ускорению грунта, то можно проводить картирование как в эффективных, так и в реальных значениях уровня колебаний грунта. До настоящего времени максимальное ускорение грунта остается основным параметром, используемым в сейсмическом районировании. Их значения определяются с учетом эмпирических кривых затухания.

3. Терминология

Это важнейший этап становления задач и методов их решения любых исследований, не только в геофизике.

За время работы группы приходилось встречаться с различными определениями вида работ и различными формулировками задач, стоящими перед ДСР.

Желательно, чтобы термины носили международный характер. Однако, в США изучение сейсмической опасности, в том числе и сейсмическое районирование, формировалось, главным образом, инженерами-строителями, а в нашей стране – геологами. Поэтому и методы и терминология в этих странах не только различаются, но и противоречат друг другу. Например, в нашей стране различают «инженерную сейсмологию», «сейсмостойкое строительство» и «сейсмическое микрорайонирование». В США эти направления объединены в «Earthquake engineering». Зато американский термин «микрорайонирование-microzoning» как раз соответствует нашему «детальному сейсмическому районированию» [4].

Рассмотрим некоторые основные термины, толкование которых неоднозначно.

3.1. Сейсмическая опасность

В качественном отношении под сейсмической опасностью понимается угроза жизни и здоровью людей, зданиям и инженерным сооружениям, оборудованию, имуществу. Существует смешение понятий «сейсмическая опасность» и «сейсмический риск». Даже в Объяснительной записке к комплекту карт ОСР-97 читаем «сейсмическая опасность растет в прямой связи с урбанизацией и хозяйственным освоением сейсмоопасных территорий...». В данном случае речь идет о сейсмическом риске, а не о сейсмической опасности. Сейсмическая опасность – природный фактор, и если не считать наведенной сейсмичности, не зависит от деятельности человека.

В количественном отношении получило распространение следующее определение: под сейсмической опасностью понимается вероятность появления сейсмических воздействий определенной силы на заданной площади (или в заданном пункте) в течение заданного интервала времени.

После выхода в свет работы К. Корнелла в некоторых публикациях сейсмическую опасность называли “сейсмическим риском”. В настоящее время под этим термином понимается вероятный ущерб при землетрясениях.

Существуют различные проблемы задания вероятности событий. Например, в случае описания сейсмической опасности в баллах шкалы сейсмической интенсивности возникает вопрос, соответствуют ли заданные вероятности непревышения точности шкалы? В действующей дискретной шкале сейсмической интенсивности используется модель равномерного распределения сейсмических эффектов в пределах заданного балла со скачкообразным изменением этих эффектов на границе соседних баллов. Даже если бы мы имели абсолютно точное соответствие баллов и амплитуд ускорений, то только за счет дискретности модели среднеквадратичная погрешность, связанная с округлением интенсивности до целочисленных значений, равна 25%, а максимальная погрешность достигает 60%. В настоящее время эмпирическим путем установлено, что связь между сейсмической интенсивностью и ускорением грунта неоднозначна. Существуют и другие факторы, например, продолжительность колебаний, которые вносят существенный вклад в сейсмическую интенсивность. Из уравнения макросейсмического поля следует, что округление магнитуд до 0.5 вызывает погрешность в интенсивности 0.75 балла или, в пересчете в амплитуды ускорения (опять-таки при предположении об абсолютной корреляции магнитуд и интенсивности вызывает 100% погрешность оценок ускорения).

Следовательно, при оценке сейсмической опасности в целочисленных значениях баллов, неправомочно задавать вероятность непревышения более 75%.

На практике встречаются оценки сейсмических воздействий с вероятностью Р, отличающейся от 0.5. Следует иметь в виду, что риск превышения заданного воздействия на картах ОСР задается выбором карты ОСР-А, ОСР-В, ОСР-С, ОСР-Д. Можно изменить количество карт, или задаваться иными вероятностями риска, в принципе, ничего не изменяется. Задав выбором карты степень допустимого превышения, все последующие выкладки должны производиться по средним зависимостям. Например, подняв полученную оценку ускорения на величину стандартного отклонения, мы фактически переходим, например, с карты «А» к карте «В» с карты «В» к карте «С».

В научных исследованиях часто используется и другое определение сейсмической опасности (Ризниченко, 1979), которое мы дадим в следующей формулировке: сейсмическая опасность есть математическое ожидание потока сейсмических событий определенной силы на заданной площади в течение заданного интервала времени. При малых вероятностях (P<0.2) оба определения эквивалентны. Однако последнему определению при P > 0.2 соответствуют более точные оценки ожидаемого ущерба от землетрясений. Заметим, что для особо важных объектов, таких как АЭС, требуется задание сейсмических воздействий с еще большей вероятностью непревышения воздействий. Существуют и другие проблемы оценки сейсмической опасности. Например, в случае описания сейсмической опасности в баллах шкалы сейсмической интенсивности возникает вопрос, соответствуют ли заданные вероятности непревышения точности шкалы? Действующая дискретная шкала сейсмической интенсивности, в которой используется модель равномерного распределения сейсмических эффектов в пределах заданного балла со скачкообразным изменением этих эффектов на границе соседних баллов, имеет погрешность, связанную с выбором модели, равную примерно 25%. Следовательно, при картировании сейсмической опасности в целочисленных значениях баллов, неправомочно задавать вероятность непревышения более 75%. Проблема погрешностей, связанных с моделью равномерного распределения признаков сейсмической интенсивности, сохраняется и при пересчете значений баллов в ускорения грунта. В этом отношении перспективно применение вероятностных моделей связи амплитуд колебаний грунта с сейсмической интенсивностью в баллах.

3.2. Сотрясаемость.

С приведенным выше определением сейсмической опасности тесно связано понятие сотрясаемости.

Cотрясаемость - есть средняя плотность потока событий-землетрясений с интенсивностью, равной или большей I. Изолинии на картах сотрясаемости соответствуют среднему количеству N* землетрясений данного балла, нормированному к одному году. При желании использовать интервал времени t легко получаем N=Bt, где N - ожидаемое количество событий в течение времени t, а величина B получила название сотрясаемости. При таком способе описания сейсмической опасности нет необходимости рассматривать также вероятности появления в течение заданного времени двух, трех и более событий. Очевидно, что расходы на восстановление объектов растут пропорционально количеству землетрясений N = Bt. Величина же P с увеличением t растет очень медленно, стремясь к P = 1. Методика оценки сотрясаемости допускает задание воздействий не только в баллах, но и в любых параметрах движения грунта при любой заданной вероятности. Карты сотрясаемости с успехом применяются для прогноза сейсмических воздействий.

Оценка сейсмической опасности некоторой территории, то есть оценка параметров распределения вероятности сейсмических воздействий по их силе в пространстве и времени, называется сейсмическим районированием.

Оценка сейсмической опасности — не самоцель, а лишь необходимый этап в комплексе мероприятий по предотвращению или уменьшению ущерба при землетрясениях до допустимого уровня. После выхода в свет работы (Cornell, 1968) в некоторых публикациях сейсмическую опасность называли “сейсмическим риском”. В настоящее время под этим термином понимается вероятный ущерб при землетрясениях (см. ниже).

3.3. Уязвимость зданий и сооружений.

С экономической точки зрения при заданном воздействии в баллах или амплитудах ускорения грунта широко используется понятие уязвимости объекта. Наиболее просто эта величина определяется для зданий и сооружений. Уязвимость определяется как отношение стоимости ремонта (восстановления) к общей стоимости объекта. Уязвимость изменяется от 0 (отсутствие повреждений) до 1.0 (не подлежит восстановлению). Уязвимость не зависит ни от выбора валютной единицы, ни от уровня инфляции. Зная текущую стоимость объекта, легко определить ущерб в денежном выражении. Зависимость уязвимости от сейсмического воздействия (например, в баллах) называется функцией уязвимости. Уязвимость сложным образом связана со степенью повреждения. Например, в случаях 4-й и 5-й степени повреждений уязвимость одинакова и равна единице, поскольку такие здания восстановлению не подлежат.

Со временем здания ветшают, могут изменяться вследствие различных причин грунтовые условия, например, уровень грунтовых вод, влажность грунта. Могут производиться различного рода изменения первоначальной конструкции зданий (пристройки, надстройки и др.). Более того, по мере накопления материалов о сейсмичности района могут измениться не только оценки уязвимости объектов, но и оценки сейсмической опасности. Поэтому необходимо периодическое проведение технической инвентаризации зданий по их сейсмостойкости.

Уязвимость записывается символом V от английского vulnerability – уязвимость.

Сложнее обстоит дело с уязвимостью населения. Однако если оставить в стороне вопрос о восстановлении объекта, то можно под уязвимостью населения понимать долю погибших, и долю раненых от общего числа жителей, находившихся в той или иной зоне сейсмической интенсивности. В некоторых странах, чтобы условно оценить материальные потери, связанные с гибелью и травмами людей, учитываются страховые выплаты, связанные с этими случаями.

Существует еще одно определение уязвимости, как меры потери функциональности объекта.

3.4. Сейсмический риск.

Сейсмический риск – понятие экономическое. Это – вероятность социального и экономического ущерба, связанного с землетрясениями на заданной территории в течение определенного интервала времени.

Сейсмическому риску соответствует символ R от английского risk – риск.

Сейсмический риск, сейсмическая опасность и уязвимость связаны соотношением

R = H V

Поскольку на территории города, как правило, имеются участки с различной сейсмической опасностью, а в пределах каждого участка находятся здания различных типов с разной уязвимостью. Для вычисления полного риска по каждому участку, однородному по грунтовым условиям, и, желательно, более или менее однородному по типу зданий, проводится суммирование по всем типам зданий j и всем возможным воздействиям i за расчетное время t:

R = Si Sj Hi Vij.

На основании оценок сейсмической опасности и оценок уязвимости зданий и сооружений населенных пунктов может быть построена карта сейсмического риска.

Зная стоимость объектов на основании карты риска можно подсчитать ожидаемый ущерб.

3.5. Сейсмическая опасность землетрясений с малыми магнитудами.

При ОСР надежно выделяются сейсмогенерирующие структуры, способные порождать землетрясения с магнитудой свыше 6.0. Однако и более слабые по магнитуде землетрясения способны вызывать сильные воздействия на ограниченной площади. ДСР как раз и призвано выделять такие структуры.

Обычно считают, что сейсмическая интенсивность определяется магнитудой землетрясения. Однако согласно уравнению макросейсмического поля со средними оценками коэффициентов имеет вид [5]:

I = 1.5 М – 3.5 lg (h2 + D2)0.5 + 3.0,

где I – сейсмическая интенсивность в баллах,

М – магнитуда по поверхностным волнам,

h – глубина очага,

D - эпицентральное расстояние

Из этого уравнения следует, что фактор расстояния намного важнее магнитуды. Глубина же землетрясений с малыми магнитудами может быть весьма малой. Кроме того, имеется много доказательств того, что на поверхности разрыва амплитуда ускорения в среднем постоянна и не зависит от магнитуды землетрясения [6]. Чтобы не быть голословными, приведем перечень землетрясений мира со значительным сейсмическим эффектом при малых магнитудах [7].

Таблица 1.

Примеры землетрясений с магнитудами МS £ 4.5

и относительно высокой интенсивностью I.

Дата	Место	МS	I	Дата	Место	МS	I
10.05.64 26.08.1989 22.02.1963 09.07.1967 13.09.1930 01.09.1962 20.04.1992 22.11.1986 30.06.1868 12.01.1947 18.08.1812 23.11.1947 23.04.1992	Сахалин Югославия Кавказ Урал Узбекистан Дальний Восток Тайвань Япония Сев. Кавказ Центральная Азия Прибайкалье Ставрополь Тайвань	0.5 1.7 2.0 2.3 2.5 2.7 2.7 3.0 3.2 3.2 3.3 3.5 3.5	6.0 6.0 6.0 6.0 7.0 7.0 7.5 8.0 7.0 7.0 7.0 7.0 8.5	29.06.1966 25.01.1972 14.06.1992 06.02.1972 14.06.1972 05.02.1972 19.04.1992 30.03.1989 02.01.1842 20.04.1992 05.05.1992 02.10.1971 04.09.1987	Ташкент Италия Тайвань Италия Италия Италия Тайвань Армения Азербайджан Тайвань Тайвань Ставрополь Италия	3.6 3.7 3.7 3.8 3.8 4.0 4.2 4.3 4.3 4.4 4.4 4.5 4.5	7.0 7.5 8.5 8.0 9.0 8.5 9.0 7.5 8.0 9.0 9.0 8.0 8.0

Таблица 2

Примеры землетрясений с магнитудами МS £ 4.5

и относительно высокими ускорениями грунта ПГУ, см/с2.

Дата	Место	М	Станция	ПГУ, см/с2
27.081978 06.03.1975 28.08.1972 16.10.1979 31.01.1974 22.03.1972 06.04.1977 24.09.1979 11.02.1974 14.11.1977 14.11.1977 13.10.1980 05.01.1972 14.06.1972 14.06.1972 14.06.1972 04.09.1972	Ю. Каролина Калифорния Калифорния Калифорния Калифорния Калифорния Калифорния Италия Калифорния Калифорния Калифорния Калифорния Никарагуа Италия Италия Италия Калифорния	1.9 2.2 2.5 2.8 2.9 2.9 3.0 3.1 3.3 3.4 3.7 3.7 3.8 4.0 4.0 4.0 4.5	Монтицелло Дэм Миленди Ранч Ист 6420 Вилшир Аэропорт Ббэвли 700 7-я Вест Миленди Ранч Джонсон Ранч Норция Мулино 533 Ю. Фремонт Эль Центро № 6 Эль Центро № 6 Вилкинсон Ранч ЭССО Рефинери PAL GEN ROC Миленди Ранч	250 180 160 168 180 160 580 661 250 500 410 310 220 244 422 510 690

Этот далеко не полный список убедительно показывает, что даже микроземлетрясения (3 £ М) могут вызвать на отдельном объекте серьезные повреждения. А уж о землетрясениях с магнитудами 6.0 £ М и говорить не приходится. Поскольку сейсмический риск оценивается при весьма высоком уровне непревышения, например, для АЭС всего 0.5%, была проведена оценка максимально возможной интенсивности в функции магнитуды, как огибающей ансамбля эмпирических данных по 1700 землетрясениям в диапазоне 0.0 < МS £ 8.5:

Iмакс =0.8 МS + 5.6

На основе анализа 1780 акселерограмм для интервала магнитуд 2.0 £ МS £ 7.5 получено эмпирическое соотношение для максимально возможных ускорений грунта (огибающая ансамбля эмпирических данных) [69]:

lg (ПГУ, см/с2) =0.12 МS + 2.4

Заметим, что коэффициенты в этих соотношениях не совпадают с коэффициентами для средних, наиболее вероятных, значений, поскольку величина стандартного отклонения увеличивается при понижении магнитуды.

5. Картирование сейсмической опасности

Оценка сейсмической опасности некоторой территории, то есть оценка параметров распределения вероятности сейсмических воздействий по их силе в пространстве и времени, называется сейсмическим районированием. По традиции оценки сейсмической опасности в России являются результатом проведения трёх видов сейсмического районирования, различающихся по задачам и объектам исследования.

5.1 Общее сейсмическое районирование

Общее сейсмическое районирование (ОСР) служит для целей планирования развития народного хозяйства в масштабах страны и крупных регионов. Масштаб картирования 1:2500000. За рубежом картирование территорий ведется в значениях амплитуд ускорений и скоростей грунта и в других характеристиках колебаний, используемых инженерами-проектировщиками. В России по традиции картирование сейсмической опасности ведется в баллах шкалы сейсмической интенсивности (карты 1968 г., 1978 г., 1997 г.). Только макросейсмические данные позволяют охватить большие промежутки времени и изучать последствия происшедших землетрясений по всей площади. Разумеется максимальный эффект дает сочетание макросейсмических и инструментальных наблюдений. Исходная информация черпается, главным образом, из фондовых материалов. На основании карты ОСР производится проектирование и строительство типовых объектов соответствующей сейсмостойкости.

Задачи сейсмического районирования решаются с помощью комплексных исследований методами сейсмологии, геологии, геофизики, геохимии, геодезии.

Современные карты ОСР, созданные под руководством (1997) построены на принципах сейсмической параметризации зон возникновения очагов землетрясений (зон ВОЗ). В основе лежат представления о фрактальном структурно-динамическом единстве геофизической среды и региональной сейсмичности. Рассматриваются четыре масштабных уровня проявления наблюдаемой и прогнозной сейсмичности: региональный (R), линеаментный (l), доменный (d) и очаговый (p).

Сейсмолинеаменты служат основным “каркасом” сейсмотектонических моделей и отображают в трехмерном пространстве наиболее крупные и относительно четко выраженные сейсмоактивные структуры, в генерализированном виде символизируя их оси.

Менее значительные или недостаточно изученные сейсмотектонические структуры, в том числе и в областях динамического влияния крупных линеаментных структур, представляются в виде “квазиоднородных” сейсмотектонических областей - доменов (di). Домены, связанные с линеаментными структурами, являются доменами первого рода (dl), а оконтуренные по признакам сейсмической и сейсмогеологической близости относятся ко второму роду (dq) и отражают “фоновую” составляющую локальной сейсмичности и сейсмотектоники. В отличие от сейсмолинеаментов домены не пересекаются и покрывают всю территорию без просветов и наложений.

Потенциальные очаги (pi), выделяемые по комплексу различных методов, как правило, приурочены к сейсмолинеаментам.

Введение понятия доменов в какой-то мере позволило решить проблему учета рассеянной или фоновой сейсмичности.

Сейсмическую опасность в России принято характеризовать средним периодом повторяемости землетрясений с различной интенсивностью. Комплект карт ОСР-97 для объектов разной ответственности задаются периоды повторяемости землетрясений раз в 500, 1000, 5000 лет. В иной трактовке таким воздействиям соответствуют 90% вероятности не превышения в течение 50 лет соответственно 10%, 5% и 1%. Карты типа «А» используются для объектов массового строительства, карты типа «В» - для ответственных объектов. Практика показала, что карта ОСР «С» не нашла применения. Кроме этих трех карт, утвержденных в качестве нормативных, специально для особо ответственных объектов, например объектов атомной энергетики, была разработана (но не утверждена) еще одна карта для периода повторяемости раз влет.

Повышение точности карт ОСР при сохранении принципов картирования, заключается: в уточнении уравнения макросейсмического поля;

в настоящее время в уравнении макросейсмического поля используется гипоцентральное расстояние, записи сильных движений в эпицентральной области показали, что сходимость эмпирических данных резко улучшается, если использовать не гипоцентральное, а кратчайшее расстояние до поверхности разлома;

·  уравнение макросейсмического поля принимается линейным, эмпирические данные о сильных движениях показали, что существуют три зоны с различным затуханием сейсмических волн;

·  эмпирические данные о сильных движениях показали, что уровень воздействий в близочаговой и ближней зонах существенно зависит от типа подвижки в очагах;

·  сейсмическая интенсивность зависит не только от уровня колебаний, но и от их продолжительности, которая, практически не зависит от сейсмической интенсивности, а определяется магнитудой землетрясения, расстоянием, типом подвижки в очаге и типом грунта; вот почему расчет амплитуд и других параметров колебаний грунта должны производить не проектировщики с использованием инструментальной сейсмической шкалы, а сейсмологи, которые обладают информацией не только об ожидаемой интенсивности, но и о магнитудах, расстояниях, типах подвижек в очагах.

Коренное изменение концепции сейсмического районирования - отказ от картирования сейсмической опасности только в баллах и выбор в качестве параметра картирования характеристик, непосредственно используемых проектировщиками в расчетах, в первую очередь – амплитуды ускорений. При этом автоматически исчезает погрешность округления, ибо поле амплитуд непрерывно. Безусловно, макросейсмические и инструментальные данные должны использоваться в комплексе.

Возможно разделение картируемой территории на ряд зон (возможно, некоторые из зон будут иметь одинаковую сейсмическую интенсивность, но различные значения параметров сейсмического движения грунта). Каждой зоне приписываются определенные значения параметров движения грунта, спектры реакции, реальные и/или синтетические акселерограммы, коэффициенты для формул, используемых в инженерных расчетах.

5.2 Детальное сейсмическое районирование (ДСР)

ДСР есть оценка сейсмической опасности, как в терминах сейсмической интенсивности, так и в параметрах сейсмических колебаний для конкретного ответственного объекта (как отдельного сооружения, так и комплекса инженерных сооружений, и даже некоторой территории). Детальность исследований должна обеспечить выделение зон ВОЗ, более низких рангов по сравнению с выделяемыми при ОСР. При ДСР определяется больше параметров или характеристик зон ВОЗ: оценивается скорость распространения сейсмических волн на глубине очага, тип подвижки в очагах и т. д. Обычно картируется территория в радиусе не менее 150 км от внешней границы объекта в м-бе 1: 1или более подробном. Для особо ответственных объектов (АЭС, высоконапорные ГЭС, нек. хим. производства и т. п.) еще более подробные исследования проводятся в радиусе 30 км в м-бе 1:или более подробном. Ни в коем случае нельзя считать, что целью ДСР является устранение трудностей, связанных с большим различием в масштабах картирования при ОСР и СМР.

Оценки сейсмической интенсивности проводятся при ДСР с точностью до ½ балла. Кроме сейсмической интенсивности производятся оценки основных параметров колебаний. Для особо ответственных объектов требуются еще и наборы искусственных акселерограмм. При ДСР также оценивается опасность геол. процессов, которые могут активизироваться в результате землетрясения (крип, оползни, обвалы, сели и др.). При ДСР, как и при ОСР, изучаются источники сейсмической опасности — зоны ВОЗ, а также условия генерации и распространения сейсмических колебаний. Степень детальности при проведении исследований при ДСР определяется единственным критерием — безопасностью объекта. Учитывается опасность, связанная с землетрясениями малых магнитуд. При малых магнитудах площадь поражения невелика, но значительный ущерб может быть связан с особой ценностью объекта, или с тем, что повреждение объекта может представлять большую опасность для населения и окружающей среды. Хотя перед ДСР стоят те же задачи, что и перед ОСР, и методология, разработанная для целей ОСР применима и при ДСР. Однако снижение ранга картируемых структур, уровня представительных магнитуд землетрясений, повышение точности определения параметров очагов и воздействий (до 0.5 балла) требуют специальных полевых, более дорогостоящих исследований на ограниченной территории. Помимо вибрационных воздействий при ДСР оцениваются и другие факторы геологической опасности.

При ДСР фондовых материалов оказывается недостаточно, и необходимы специальные полевые исследования. Выделение и оценка параметров сейсмогенерирующих структур малых рангов – задача неизмеримо более трудная, чем аналогичные исследования крупных структур при ОСР. Большие трудности встречаются при оценке сейсмической опасности слабоактивных районов. Поэтому при ДСР особенно важно проведение в исследуемом районе инструментальных сейсмологических наблюдений с помощью высокочувствительной аппаратуры, поскольку сеть сейсмических станций ФССН не в состоянии контролировать даже относительно сильные землетрясения с магнитудами около М = 4.0.

В задачи ДСР входят и оценки параметров очагов землетрясений и среды, которые необходимы для расчета параметров сейсмических воздействий, например, типы подвижек в очагах, геометрические характеристики разрывов.

5.3 Сейсмическое микрорайонирование

При сейсмическом микрорайонировании (СМР), в отличие от ОСР и ДСР изучаются не источники сейсмической опасности, а реакция грунтов на сейсмические воздействия. Под грунтовыми условиями понимается совокупность факторов, вызывающих изменения параметров сейсмических воздействий и появление остаточных деформаций. Влияние этих факторов может зависеть от параметров приходящих сейсмических волн (частотный состав, поляризация, азимут и угол выхода сейсмических лучей и др.). По определению при СМР оцениваются не абсолютные значения воздействий, а их приращения по отношению к оценкам, полученным при ОСР и ДСР для средних грунтовых условий.