Методика и принципы проведения детального сейсмического районирования (ДСР) (стр. 1 )

Методика и принципы проведения детального сейсмического районирования (ДСР)

1. Детальное сейсмическое paйoнирование

Решение проблемы задания сейсмических воздействий явно не соответствует развитию сейсмостойкого строительства. Достаточно сказать, что до настоящего времени в строительных нормах явно или неявно используется инструментальная шкала сейсмической интенсивности, созданная полвека назад. Многие теоретические представления о процессах генерации и распространения сейсмических волн не подтвердились накопленными данными о сильных движениях грунта. Эмпирические соотношения, полученные сейсмологами для региональных и телесейсмических расстояний, оказались непригодными в эпицентральных зонах.

Для России рассматриваемая проблема весьма актуальна, поскольку на ее территории разрушительные землетрясения происходили, и будут происходить в будущем. Землетрясение - самое тяжелое по своим последствиям стихийное бедствие. В отличие от других стихийных бедствий – ураганов, наводнений и других – катастрофические землетрясения происходят значительно реже. Однако, экономические и социальные последствия при сильнейших землетрясениях намного тяжелее, чем при других стихийных бедствиях. Известно много случаев полного уничтожения городов при землетрясениях, как в древности, так и в настоящее время. Например, в Малой Азии при землетрясении 01.12.1869 г. провалился город Онлаг, а в Южной Америке 13.08.1868 г. это случилось с городом Катакачи. Сейчас на месте этих городов озера. При последнем землетрясении в Чили, Эквадоре, Перу и Боливии погибло более человек. Несколько городов и сел ушли под воду в результате опускания морского дна при землетрясении? Например, в Сухумской бухте, в 427 г. и г. Порт Ройал на острове Ямайка в 1692 году. При землетрясении 23.12.1861 г. берег озера Байкал на площади 13 кв. верст опустился на 2 м. В результате землетрясений г. г. в устье реки Селенги примерно на такую глубину опустилось 320 кв. верст. Аналогичные опускания местности наблюдаются и на суше.

Сейсмический эффект определяется не только вибрациями грунта, но и его необратимыми деформациями. Остаточные деформации особенно велики при выходе разлома на дневную поверхность. При сильных землетрясениях в непосредственной близости к разлому интенсивность, связанная с этим фактором, может достигать 10 и даже 11 баллов, тогда как по ускорениям у разломов интенсивность может составить всего 8 баллов (землетрясение в Китае 00.00.200 г., сейсмическая станция Оолонг).

Разрушения и гибель людей вызываются также различными вторичными природными явлениями, которые могут активизироваться в результате землетрясения (цунами, крип, оползни, обвалы, снежные лавины, сели, разжижение грунта и др.). При упоминавшемся выше землетрясении в Южной Америке образовавшаяся волна цунами пересекла Тихий океан и смылачеловек в Новой Зеландии. Это было одно из сильнейших землетрясений мира. Не обошло такое бедствие и нашу страну: 4.11.1952 г. был смыт волнами цунами город Северо-Курильск со всеми его жителями при таком же сильном землетрясении. Погибло околочеловек.

При сильнейшем землетрясении в Китае 23 января 1556 г. погибло человек. Сейсмическая интенсивность составила I = 11 баллов. Огромное количество жертв связано с высокой плотностью населения по берегам р. Хуанхэ и обвалами берегов сложенными лессом, в котором были выкопаны землянки. Землетрясение случилось ночью, когда все спали в своих землянках. При Хаитском землетрясении в Таджикистане 10.07.1949 г. разрушение населенных пунктов и гибельчеловек связано с обвалами, оползнями и селями. Магнитуда этого землетрясения составила M = 7.2, а сейсмическая интенсивность I = 9.5 баллов. И в наши дни при неблагоприятном стечении обстоятельств количество жертв может быть чрезмерно большим. В современном промышленном городе Тан Шане, Китай, при землетрясении 27 июля 1976 г. с магнитудой около 8 и интенсивностью около 10 баллов по сообщению газеты “Сан-Франциско Экзаминер” обрушилось 90% жилых и 80% промышленных зданий, погибло 655237 человек, 799000 человек было ранено. Официально было объявлено о погибших. Но эта величина не соответствует количеству раненых при 10 балльном землетрясении. Из 28 поездов, попавших в эпицентральную зону, 7 были сброшены с рельс. На химическом заводе излились жидкие хлориды. Прямой ущерб составил 6 миллиардов долларов США. Согласно китайским хроникам сильные землетрясения в этом регионе не отмечались, поэтому специальные антисейсмические мероприятия не проводились. Грунтовые условия в городе неблагоприятны для строительства: значительная часть территории города сложена водонасыщенными песками. На таких непрочных грунтах не могут устоять даже самые современные здания. В г. Ниигата, Япония, при землетрясении 16.06.1964 г. с магнитудой 7.5 было повреждено 20% зданий, причем некоторые из них не получив заметных повреждений попросту погрузились в грунт и сильно наклонились. Ущерб составил около 4 млрд. долларов США. Слабое по магнитуде (М = 5.0) землетрясение в Колумбии 31 марта 1983 г., вследствие плохих геологических условий вызвало эффект в 8 баллов и нанесло ущерб в 0.5 млрд. долларов. Существует версия, что авария АЭС в Чернобыле была спровоцирована слабым местным землетрясением.

Таким образом, при планировании застройки необходимо тщательно изучать грунтовые условия. В строительном деле под грунтами понимаются любые горные породы на строительной площадке. Соответственно под грунтовыми условиями понимается минералогический и гранулометрический состав горных пород, их физико-механические свойства, их влажность, уровень грунтовых вод, рельеф и многое другое. Землетрясение в Колумбии связано еще с одной проблемой – опасностью слабых мелкофокусных землетрясений.

Большую опасность представляют вторичные техногенные воздействия и последствия: пожары, взрывы, выбросы радиоактивных и токсичных материалов, утечка нефти, нефтепродуктов, газа. Основной причиной гибели людей при печально знаменитом Японском землетрясении 1.09.1923 г. являются пожары. В Токио погибло под обломками зданий и сгорело 143 тысячи человек. При землетрясении в Бхопале (Индия) тысячи жителей погибли или стали калеками в результате выброса токсичных веществ. При упомянутом выше китайском землетрясении 1976 г. произошел разлив жидких хлоридов на химическом заводе. При Чернобыльской катастрофе ущерб, нанесенный народному хозяйству и окружающей среде, неизмеримо выше стоимости самой атомной станции. Стоимость жизни и здоровья людей вообще не поддается оценке.

Специалисты подсчитали, что вторичный ущерб, связанный с повреждениями железнодорожной магистрали, на порядок превосходит стоимость ремонта путевого полотна, контактной сети, станционных построек и подвижного состава.

Угрозу здоровью людей представляют эпидемии, связанные с разрушением инфраструктуры городов – отсутствие жилья (один из важнейших факторов в зимнее время), повреждение систем энерго - и водоснабжения, канализации, затруднения со снабжением населения продуктами питания, оказанием медицинской помощи и т. д. Часто основной ущерб при землетрясениях связан именно со вторичными явлениями.

Как ни парадоксально это звучит, но уже в наши дни деятельность человека вызывает усиление геологической опасности. Уже сейчас непрерывно растет добыча (и, соответственно, сжигание) нефти, газа и других видов природного топлива. Горнодобывающая промышленность развивается в полтора раза интенсивнее других отраслей индустрии. Эксперты подсчитали, что горные выработки воздействуют на площадь, в десять раз большую площади самих выработок. Потребности в пресной воде и дешевой энергии вызывают бурный рост количества высоконапорных плотин. Естественно, плотины строятся в местах с большими возможностями получения дешевой электроэнергии, то есть в горных районах, где уровень геологической опасности высок.

Возникновение больших водохранилищ, использование подземных вод, интенсивная добыча полезных ископаемых, закачка жидких отходов в скважины часто вызывает так называемую наведенную сейсмичность. К несчастью, разрушения, связанные с такими землетрясениями, уже имели место. В России землетрясения такого рода встречаются, например, в районах шахт (Кизел, Губаха), нефтяных месторождений (Грозный, Альметьевск). Землетрясения в Газли также были спровоцированы интенсивной добычей газа.

Хозяйственная деятельность может изменить свойства среды, влияющие на сейсмический эффект. При прокладке дорог подрезаются склоны, при строительстве каналов изменяется уровень грунтовых вод, “в зоне вечной мерзлоты” при строительстве зданий и инженерной деятельности, освоении целины могут образоваться чаши протаивания, на уже освоенных площадях возможно подтопление, связанное с утечками из систем водоснабжения и канализации и т. д.

Ущерб от землетрясений во всем мире, независимо от степени развития страны, с каждым годом увеличивается. Если 20 лет назад в эпицентральной зоне 8-балльного землетрясения на каждого жителя приходился ущерб, оцениваемый в 1500 долларов США, то в наши дни такой ущерб возрос додолларов. Это связано с концентрацией населения и материальных ценностей на урбанизированных территориях. Россия здесь не является исключением. В России количество городов с населением более миллиона примерно удваивается каждые 10 лет. При этом наблюдается не только рост уже существующих городов, но и возникновение новых – около 10 каждый год. Возникновение новых поселений часто происходит без необходимых геологических и сейсмологических исследований.

Необходимо время от времени производить переоценку возможного ущерба.

Кроме прямого ущерба, связанного с повреждениями зданий и утратой имущества, происходит косвенный ущерб, связанный с остановкой производства, от которой страдают потребители в других регионах, с резкой потерей производительности труда, и т. д. Например, если прямой ущерб от землетрясения в Калифорнии 17.01.1994 г. (магнитуда M = 6.8) не превысил 30 млн. долларов, то только потери прибыли туристических фирм в связи с отказом туристов посетить Лос-Анджелес в этом году составили 308 млн. долларов. Из г. Кобе, Япония, в течение года после землетрясения 1995 г. в поисках работы выехало около человек – почти половина населения.

Оценки косвенных потерь получить намного труднее. Косвенными считаются потери, связанные с прекращением или сокращением производства, нарушением энергоснабжения, повреждением нефтепроводов, нарушением работы транспорта и т. д. Вторичные экономические потери возникают как следствия различных эффектов землетрясения: недостаток продовольствия и товаров первой необходимости, рост цен, снижение деловой активности населения, безработица, прекращение поступления налогов, и т. д. Косвенные и вторичные потери наблюдаются не только в зоне бедствия, но и в других районах вследствие производственно-экономической взаимозависимости различных регионов.

Некоторые исследователи допускают, что косвенные потери превышают прямые на порядок и более.

Наиболее эффективным способом уменьшения негативных последствий землетрясений, по крайней мере, для сохранения жизни и здоровья населения, был бы прогноз землетрясений. Под прогнозом землетрясения понимается заблаговременная оценка места, времени и силы землетрясения. Хотя надежный прогноз землетрясений пока неосуществим, примеры успешного прогноза имеются. При Хайченском землетрясении в Китае 4.2.1975 г. население было предупреждено о возможном сильном землетрясении. Это позволило спасти жизнь около 90 тысяч человек, хотя было разрушено 90% зданий города. Погибло около 10 тыс. человек, в основном те, кто решил остаться в помещении. Заметим, что последующие землетрясения в Китае не были предсказаны, что привело к многочисленным жертвам.

Очевидно, что самым сложным в прогнозе землетрясений является прогноз момента землетрясения. Другие характеристики определяются довольно точно и используются при сейсмическом районировании. Естественно, вместо времени возникновения землетрясения при районировании оценивается вероятность появления землетрясения в заданный интервал времени.

Оценки материального ущерба в денежном выражении можно получить, в основном, лишь за последнюю сотню лет. Не самые сильные землетрясения в Италии 23 ноября 1981 г. с магнитудой M=7.0 и в Японии 16 января 1995 г. с магнитудой M=7.2 причинили ущерб в 85 и 64 млрд. долларов соответственно. Ущерб приводится по курсу доллара в 1990 г. Оценки соответствуют только прямым потерям.

Материальный ущерб, естественно, зависит от богатства страны. Во всем мире наблюдается повышение качества сейсмостойкого строительства и создаются специальные ведомства по снижению негативных последствий землетрясений, что привело к резкому снижению людских потерь. Тем не менее, материальный ущерб при землетрясениях продолжает бурно расти. Двадцать лет назад в 8-балльных зонах землетрясений мира в среднем на каждого жителя приходился средний убыток в 1500 долларов, теперь эта цифра достигает 30000. Средний прямой материальный ущерб S для пораженной территории можно описать эмпирической формулой, построенной на основании обработки данных по 182 землетрясениям Мира:

lg S = MS – 4.5 0.7

где S – прямой материальный ущерб в миллионах долларов США по курсу 1990 г.;

MS – магнитуда, определенная по поверхностным волнам.

Уменьшение ущерба от землетрясений ведется по двум главным направлениям.

Во-первых, выбираются места для строительства объектов – городов, производств, атомных электростанций и т. д. в районах с минимальной сейсмической опасностью. Оценка сейсмической опасности необходимый этап в комплексе ряда мероприятий по предотвращению или уменьшению ущерба при землетрясениях до допустимого уровня.

Во-вторых, здания и инженерные сооружения проектируются таким образом, чтобы при оптимальном уровне затрат на повышение сейсмостойкости зданий и сооружений и других подготовительных мероприятий (эти затраты также относятся к ущербу) после землетрясения уменьшить стоимость ремонтно-восстановительных работ.

Проектирование сейсмостойких зданий и сооружений может производиться только на основе ожидаемых сейсмических воздействий, выраженных в параметрах сейсмического движения грунта. Социально-экономические условия не допускают обрушения зданий – основной причины гибели людей.

Существуют два основных способа предотвращения или, по крайней мере, сведения к минимуму ущерба при сильных землетрясениях.

Размещение строительных объектов в местах пониженной сейсмической опасности.

Строительство сейсмостойких зданий и сооружений, соответствующих сейсмической опасности на строительных площадках.

Исследования в этих направлениях должны проводиться в тесном взаимодействии. Недооценка сейсмической опасности ведет к неоправданному ущербу и жертвам. Переоценка опасности ведет к неоправданному удорожанию строительства. К сожалению, достижения сейсмологии и строительных наук далеко не всегда используются должным образом. Например, катастрофические последствия восьмибалльного Нефтегорского землетрясения 1995 г. полностью объясняется пренебрежением местных должностных лиц нормативными документами. Согласно карте ОСР-87 г. оценка опасности территории г. Нефтегорска была повышена с 6 до 7 баллов. Если бы должностные лица провели техническую инвентаризацию зданий в населенных пунктах Сахалина, то многие здания в г. Нефтегорске, которые (к сожалению после катастрофы) были отнесены к категории А (представьте себе многоэтажные дома из самана!), пришлось бы либо снести, либо укрепить. Если бы эти правила были бы выполнены, то здания, укрепленные до сейсмостойкости 7 баллов (согласно карте ОСР-78), получили бы серьезные повреждения при землетрясении 8 баллов, но обрушений и значительных жертв бы не наблюдалось.

Таким образом, уменьшение ущерба от землетрясений напрямую связано с точностью оценки сейсмической опасности в инженерных характеристиках сейсмического движения грунта.

Вплоть до настоящего времени проведение работ по детальному сейсмическому районированию (ДСР) никакими нормативными документами не регламентируется, хотя ДСР и упоминается в СНиП. В результате существует множество определений этого вида районирования, а о составе работ и говорить не приходится. Существует даже мнение, что ДСР заполняет масштабный промежуток между ОСР и СМР, что, конечно, в корне неверно. В монографии «Сейсмическое районирование СССР» 1968 г. ДСР даже не упоминается. Существовало только Обзорное сейсмическое районирование. В 1970 г. по предложению вместо обзорного сейсмического районирования (плохо звучало на английском) введено название «общее сейсмическое районирование». В описании следующей карты сейсмического районирования «Сейсмическое районирование территории СССР» на странице 97 читаем: «5) разработать методику детального сейсмического районирования (масштаб 1 : – 1 : 1 ».

Впервые о ДСР, как самостоятельном виде исследований было сказано на Симферопольском совещании по ДСР в 1977 г. Было принято решение разработать основные положения о ДСР с учетом следующих требований [1]:

1.l. Детальнoe сeйсмичeскoе paйoнировaние eсть oпpеделeниe совoкyпнoсти oжидaeмых сейсмичeских вoздействий нa теppитopии пpoeктиpовaния и стpoитeльствa вaжнейших наpoднoxoзяйственныx oбъeктoв, прoвoдимoе в мaсштaбаx oт l:1000000 дo 1:

1.2. Кapты ДСР тeppитopии, для кoтopых oни сoставлeны, должны зaмeнять, пo сoглaсoвaнию с соответствующими органами, нopмaтивнyю кapтy ОСР.

1.3. Пpи нaличии кapт ДСР сейсмичecкoе микроpайoнирвaние пpoводится нa oснoвe этих карт.

l.4. Paзмep плoщaди и метoды исследований при ДСР oпределяются экoнoмическoй цeлесooбpaзнoстью и сyщeственнo paзличны в сейсмоактивных и малоактивных регионах.

1.5. Дeтальнoe сeйсмичeскoe pайoнировaниe неoбхoдимo пpoвoдить нa oснoве кoмплексных сейсмолoгичeскиx, сeйсмoгеoлoгичeскиx, гeoфизичeскиx, гeoдeзичeскиx, инженepнo-гeoлoгических, a в облaсти вeчной мepзлoты и инжeнepнo-сeйсмoгеoкpиoлoгических исcледoвaний, пo oбщeмy плaнy и пoд eдиным pyкoвoдствoм.

1.6. Пpи пpoведении ДСР pешaются слeдyющие зaдaчи:

a) Bыделение сeйсмoгeнеpиpyющих зoн, пропущенных при ОСР вследствие их малого сейсмического потенциала, но способных вызвать oпaсные вoздeйствия на особо важный объект или в пpеделax каpтиpyeмой тeppитopии;

б) Дeтальнoе изучение характеристик каждой зоны: oцeнка геометрических характеристик зон; распределение очагов по глyбине; тип подвижек в очагах; пoвтopяемoсть землeтpяceний; иx пpeдeльная мaгнитyда.

в) Изучeние свoйств сpeды: скоростной разрез; наличие волноводов; оценка параметров макросейсмического поля; оценка затухания амплитуд сейсмических волн.

г) Учeт взaимнoгo влияния сейсмических и инжeнepнo-гeoлoгическиx пpoцессoв и явлений, включaя oцeнкy вoзмoжных oстaтoчныx сeйсмoдeфopмaций: необратимых подвижек по существующим разрывам; возникновение новых тектoническиx нaрушeний; выдeлениe yчaсткoв вoзмoжнoгo oбpaзoвaния oпoлзней, сpывoв и пp.

1.7. При ДСР oпpeдeляются слeдyющиe параметры ожидаемого движения грунта количeствeннo xapaктepизyющиe сeйсмичeские вoздeйcтвия: сейсмическая интенсивность, преобладающий период и кривые «бета», ожидаемые ускорения, скорости и смещения грунта, продолжительность колебаний.

l.8. Pезультaты ДСР oфopмляются в виде cepии кapт с пoяснитeльной зaпискoй, пoдлежaщей coглaсoвaнию с соответствующими органами.

l.9. Для сoстaвлeния paзвеpнyтых мeтoдичeских yкaзaний пo ДСР, oпpeдeления набоpa нopмативныx кapт, разработки их легенды и определения содержания пояснительной записки создать рабочую группу при комиссии МСССС по сейсмическому районированию.

l.10. При подготовке методических указаний по проведению ДСР сформулировать перечень задач сейсмологических, геофизических, геодезических, инженерно-сейсмологических и других исследований.

В соответствии с решением Симферопольского совещания при МСССС была создана Рабочая группа по ДСР, председателем которой вплоть до закрытия МСССС (1992) был . В рабочую группу входили , (Узбекистан), (Киргизия), , (Таджикистан), , и другие. Отметим, что Рабочая группа была весьма представительной, в ней работали видные геологи, геофизики, строители и сейсмологи всех республик СССР. Работа группы велась в тесном содружестве с другими Рабочими группами по ОСР, СМР, сейсмическим воздействиям и секцией по сейсмостойкому строительству (председатель группы по ДСР был одновременно заместителем председателя секции). Таким образом, «Методические рекомендации по ДСР» отражают результаты работ за многие годы представителями различных профессий. Рабочая группа по ДСР работала в тесном контакте с рабочей группой по СМР, председателем которой был . Часто проводились совместные заседания. В 1984 г. и были составлены рекомендации по проведению ДСР, которые были разосланы различным организациям.

Замечания и предложения прислали (по алфавиту) (ПНИИИС), (ЦНИИСК), (ИГАН Тадж. ССР), Е. Г Бугаев (Атомтеплоэлектропроект) (МГУ), (ИФЗ), (ИВ ДВНЦ), (ЦНИИСК), (ГУГК), (Госстрой), (ИГ АН Тадж. ССР), (ПНИИИС), (ТИССС АН Тадж. ССР), (ГУГК), (ИФЗ), (ИЗК), (ИФЗ), (ИФЗ), (ПНИИИС), (ПНИИИС), (ПНИИИС), (Госцентр «Природа»), (ПНИИИС), (ИС ТССР).

После получения замечаний и дополнений под редакцией и были составлены и опубликованы «Методические рекомендации по детальному сейсмическому районированию» [2]. Многие организации при проведении работ использовали эти рекомендации, но официально этот вид работ так и не был регламентирован какими-либо нормативными документами. Тем не менее, работы по ДСР проводились, например, в Ставропольском крае. Экономическая выгода от детализации параметров зон ВОЗ окупила все затраты на ДСР. При этом картирование территории велось не только в терминах сейсмической интенсивности, но и в ожидаемых ускорениях грунта [3].

В 2004 г. по заданию Госстроя - Федерального Агентства по строительству и ЖКХ Институтом Геоэкологии РАН проводилась НИР по разработке концепции ДСР. В работе участвовали многие организации. Руководили работой и . Отчет по теме опубликован не был.

В настоящем отчете использованы материалы упомянутых выше работ.

2. Аналитический обзор нормативных документов по оценке и картированию сейсмической опасности в различных странах.

Во всем мире наблюдается непрерывный рост ущерба от землетрясений, несмотря на интенсивное развитие теории и практики оценки сейсмической опасности и сейсмостойкого строительства, связанный с процессами урбанизации, усложнением инфраструктуры, увеличением плотности населения, накоплением материальных ценностей и другими факторами. Соответственно резко увеличился поток публикаций, посвященных проблемам уменьшения риска и, в частности, проблемам сейсмического районирования. При этом предложения различных исследователей часто существенным образом различаются и даже противоречат друг другу. Нет нужды объяснять необходимость учета мировых достижений при разработке методологии оценки сейсмической опасности в нашей стране.

За рубежом сейсмическое районирование с самого начала стало производиться под эгидой инженеров - строителей, естественно, при участии сейсмологов и геологов. Наиболее успешно эти исследования проводятся в США. Поэтому, возможно отставая в области развития методов выделения зон ВОЗ и оценки параметров этих зон, американским ученым удалось приблизить сейсмическое районирование к нуждам сейсмостойкого строительства, а также к решению проблем снижения сейсмического риска. Уже многие годы картирование сейсмической опасности проводится в параметрах сейсмического движения грунта. Этому способствовало и бурное развитие сети станций сильных движений. К настоящему времени методология, картируемые параметры, форма представления конечных результатов сейсмического районирования в нашей стране и за рубежом существенным образом различаются.

Общепринятого формата представления результатов оценки сейсмической опасности не существует. Подавляющее большинство стран приняло за основу американские разработки, адаптировав их к особенностям сейсмотектонических условий и традиций строительства своих стран. Поскольку целью настоящих исследований является повышение точности оценок сейсмической опасности, основное внимание в обзоре нормативных документов уделено параметрам сейсмических воздействий, в которых оценивается сейсмическая опасность, и способам задания вероятности появления воздействий различного уровня. Состоянию рассматриваемых методов оценки сейсмической опасности соответствует период разработки и действия.

Соединенные Штаты Америки. На карте районирования для запада Соединенных Штатов приводятся значения воздействий в изолиниях эффективного максимального ускорения и эффективной максимальной скорости. Такие карты построены для всей территории США. Первоначальной основой для этой карты послужили карты Алгермиссена и Перкинса, составленные на основе анализа сейсмической опасности при 10% вероятности превышения заданного уровня ускорения за 50 лет (10% 50 лет). Инженеры вместе с сейсмологами преобразовали карты опасности в двух важных направлениях. В тех районах, где, как им казалось, конечные проектные коэффициенты были слишком низкими, они увеличили значения, на основе экспертных оценок. В тех районах, где их величины казалась слишком высокими, устанавливался предел максимального уровня ускорения, который, как предполагалось, может передаваться зданию через фундамент. Таким образом, считая, что реальное максимальное ускорение грунта может достигать уровня от 0.6g до 0.8g в районах с наивысшей сейсмичностью, эффективное максимальное ускорение было ограничено 0.4g для целей проектирования.

Что касается районов со слабой или умеренной сейсмичностью, то до сих пор остается спорным вопрос о том, являются ли землетрясения, предсказанные с точностью 10% 50 лет достаточно сильными, чтобы отвечать основным требованиям обеспечения безопасности жизни во время сильнейшего возможного землетрясения. Ранее предлагалось в этих районах рассматривать модельные землетрясения из расчета вероятности 5% или даже 2% в течение 50 лет.

Другие подходы предлагают использовать для проектирования максимальное ожидаемое землетрясение.

Греция. Оценка сейсмической опасности производилась с применением общеизвестных методик Корнелла с использованием распределения Гумбеля.

Сейсмогенерирующие зоны выделялись на основании макросейсмических и инструментальных сейсмологических данных и сейсмотектонической карты. Используются данные станций сильных движений, которых в стране более 90. Обработка входных данных проводилась по программам (McGuire, 1976) и (Bender, Perkins, 1987). Спектральные оценки проводились по методологии (Trifunac, Brady, 1978) и (Gasparini, Vanmarke, 1976).

Сейсмическая опасность описывается с помощью комплекта карт:

·  максимально возможных магнитуд;

·  максимальных ускорений грунта;

·  максимальных скоростей колебаний грунта.

Последние две карты строились для вероятностей непревышения Р=0.7; P=0.8; P=0.9 и различных интервалов времени Т=25 лет; T=50 лет; T=100 лет. Основной при составлении строительных норм считается карта скоростей колебания грунта для периода 100 лет. На карте сейсмической опасности для строителей территория страны поделена на 4 зоны. Каждой зоне на основании набора карт приписываются соответствующие нормирующие коэффициенты расчетных инженерных формул, зависящие от выбора времени ожидания и вероятности непревышения. Например, при Р=0.8 и Т=50 лет в зоне I ожидаются ускорения грунта до 0.11 g, в зоне II - до 0.17 g, в зоне III - до 0.23 g и в зоне IV - до 0.39 g.

Австралия. Методика построения карт сейсмической опасности 1993 г. аналогична описанной выше. Сейсмогенерирующие зоны выделяются по сейсмологическим, геологическим, и тектоническим данным. Составители карт отмечают слабую корреляцию между сейсмичностью и основными геологическими структурами Австралии. При построении карт используется распределение сейсмических зон в пространстве, средняя глубина очагов, параметры сейсмического режима в каждой зоне, затухание колебаний с расстоянием.

В качестве максимально возможной магнитуды выбирается максимально наблюденная магнитуда + 1/2 с последующим округлением до 1/2 магнитудной единицы. Сейсмический процесс принимается Пуассоновым и поэтому форшоки и афтершоки во внимание не принимаются. В качестве стандартных грунтовых условий принимаются средние. Возможные приращения сейсмической интенсивности, связанные с местными условиями, не учитывались. На карте выделены 4 зоны: 0, А, 1 и 2. Каждая зона определяется комбинацией двух переменных величин - балльностью (или аналогом - колебательной скоростью) и периодом повторяемости землетрясений. Карта имеет тот недостаток, что границе зон соответствует скачок нагрузок на сооружения в два раза. Переход к другому стандарту, где сейсмическая опасность показана в изолиниях скоростей, позволяет устранить такие скачки, поскольку поле амплитуд сейсмических колебаний непрерывно.

Италия. Методология построения карт сейсмического районирования примерно такая же, как в Греции и Австралии, только территория подразделяется не на 4, а на 3 зоны. Основным периодом повторяемости землетрясений считается Т=500 лет.

Турция. В действующих строительных нормах главным параметром сейсмической опасности считается максимально наблюдавшаяся интенсивность по шкале MSK. На карте территория страны поделена на зоны. Зоне 1-й степени соответствует 9 баллов, 2-й зоне - 8 баллов и т. д. 5-я зона (5 баллов) на территории станы не выделяется. Поскольку сейсмический балл трудно использовать в инженерных расчетах, разрабатываются способы описания сейсмической опасности в ускорениях.

Индия. Согласно карте сейсмической опасности в строительных нормах Индии территория страны подразделяется на зоны 5 категорий.

Для каждой категории по комплексу входных данных (сейсмология, сейсмотектоника, геология, топография, гидрогеологические условия) оцениваются два уровня возможных воздействий: максимально возможный и проектный. Для каждой зоны для обоих уровней воздействия задаются спектры реакции, а также ансамбли синтетических акселерограмм.

Тунис. Поскольку записи сильных движений при местных землетрясениях отсутствуют, оценки сейсмической опасности производятся в баллах шкалы сейсмической интенсивности с последующим пересчетом в максимальные ускорения грунта. Сейсмическая опасность описывается комплексом карт максимальных ускорений грунта за интервалы времени 50, 100, 200, 500 лет. Для инженеров-строителей на основании этих карт территория страны поделена на 4 зоны по степени сейсмической опасности. В каждой зоне свои параметры проектирования.

Япония. При оценке сейсмической опасности считается возможным использование трех подходов: детерминистского, эмпирико-статистического, вероятностного.

Детерминистский подход основан на модели источника, законах затухания воздействий с расстоянием и эффекте усиления за счет локальных условий. Используется при оценке опасности отдельных городов и особо важных объектов. Модель разлома используется редко.

Вероятностные методы расчета, часто описываемые в американской литературе, в Японии применяются редко.

Эмпирико-статистические методы получили наибольшее распространение. Карта сейсмической опасности построена на основании исторических каталогов, обработанных с применением закона Пуассона. Для нужд строителей территория страны по степени сейсмической опасности поделена на три категории: А (высокая), В (промежуточная), С (низкая). Сейсмическая опасность описывается в ускорениях на различных периодах, соответствующих различным типам зданий.

Колумбия. Исторически, с 1906 г. территория Колумбии районируется на три категории – низкую, промежуточную (среднюю) и высокую. Эта градация сохранилась до настоящего времени, хотя методология построений с тех пор существенным образом изменилась. Сейсмическая опасность описывается набором карт: максимального ожидаемого ускорения, максимальной скорости и картой районирования по категориям для строительных целей. Зоны характеризуются следующими значениями ускорений: низкая - до 0.1 g, промежуточная - от 0.1 до 0.25 g и высокая - более 0.25 g. При выделении зон используются не только данные сейсмических станций регулярной сети, но и данные станций сильных движений, которых в густонаселенных районах страны насчитывается 130.

Европа. В Европейском престандарте ENV Еврокод 8, принятом в октябре 1994 г, используются оценки максимальных ускорений на скальном грунте за интервал времени 475 лет, а также ординаты упругого спектра реакции с вероятностью непревышения 50%. Однако, выбор интервала времени и вероятности непревышения уровня воздействия в течение этого интервала времени остается спорным. Особенно это относится к районам с умеренной и слабой сейсмичностью. Различными европейскими исследователями предлагаются следующие параметры: 10% 50 лет; 5% 50 лет; 2% 50 лет и даже предлагают использовать для проектирования максимальные по силе ожидаемые землетрясения. С другой стороны, предлагается использовать время ожидания, нормализованное к 1 году.

Более детальное описание предлагаемых форматов выходных карт сейсмического районирования будет проведено в следующей части обзора.

Стандартный спектр реакции

Общеизвестно, что единичные оценки максимальных ускорений грунта недостаточны для проектирования. В большинстве строительных норм сегодня проектные спектры реакции основываются на стандартных спектрах реакции, разработанных Сидом и показанных на рис. 1. Они были преобразованы в соответствии с нуждами проектирования (рис. 2). Четыре различных типа грунтовых условий, представленных огибающими Сида, превращены в 3 проектных спектра. Особое внимание следует обратить на максимальные значения этих спектров и их совершенно уникальную форму по сравнению с кривыми проектных коэффициентов.

Проектные спектры реакции были умышленно модифицированы таким образом для ограничения максимальных значений и стандартизации формы. Ограничение амплитуды спектра оправдывается тем, что в должным образом спроектированных зданиях уровень спектра реакции не должен превышать 1.0 g. Различные формы для трех типов грунтов объясняются формулами, использовавшимися для стандартизации процесса. В то время как это дало возможность использовать спектр в формулах, конечные спектры в основном утратили свою уникальную форму.

Использование спектров реакции для задания уровня сейсмической опасности стало популярным в различных сейсмоопасных районах мира. Эти спектры реакции получаются на основе данных о затухании колебания грунта от источника до площадки. Спектры часто по форме напоминают те, что были опубликованы Сидом, но они редко бывают так же модифицированы, как это было сделано в рекомендациях АТС-3 (АТС - Applied Technology Council - Совет по Прикладным Технологиям). Разница в результатах кажется значительно большей, чем это есть на самом деле.

Современные строительные нормы рекомендуют использование спектров, характерных для данной площадки, непосредственно для анализа спектра реакции (модального), с тем, чтобы результаты анализа были приведены к уровню минимальной горизонтальной силы в основании сооружения, предусмотренной нормами. Это дает систематическое занижение значений спектра, аналогичное процедуре АТС-3. При непосредственном сравнении реальных и проектных спектров реакции, предусмотренных строительными нормами, следует помнить об ограничениях и допущениях, сделанных при построении проектных спектров. На рис. 3 оказано сравнение спектра записи в Сепульведа для Нортриджского землетрясения с расчетными спектрами. В то время как между зарегистрированным спектром максимальных ускорений и кривой проектного коэффициента существует значительное расхождение, наблюденный спектр и кривая Сида поразительно схожи. Поскольку значения максимальных ускорений грунта, максимальных эффективных ускорений, а также максимальное значение спектра реакции получены на основе результатов инженерного анализа последствий сильных землетрясений, то об их достоверности можно судить только по степени повреждений, полученных современными сооружениями, спроектированными на уменьшенные уровни нагрузки, и для которых имеются инструментальные записи. Поскольку картирование спектра задача весьма сложная, ограничиваются картированием уровня спектра реакции на периодах, характерных для наиболее распространенных типов зданий.

Построены карты для спектральных ускорений на периодах 0.3 с и 1.0 с. Иногда картируют уровни спектральных ускорений на трех различных периодах.

Проектные формулы для определения поперечной силы в основании сооружения

Формулы для определения поперечной силы в основании сооружения были получены с использованием проектных спектров, определяющих реальные силы, которые учитываются при расчете здания. В этих формулах заложена форма спектра реакции, учитываются грунтовые условия строительной площадки, а также R-фактор, калибрующий результирующие силы до уровня, наблюдавшегося в прошлом, для достижения желаемого уровня поведения. Фактор, учитывающий грунтовые условия, обычно изменяется от 1 до 1,5; результаты последних исследований показали, что эта вариация больше для районов с низкой сейсмичностью.

Необходимо помнить, что все различия, которые наблюдаются на записях сильных движений и в поведении зданий на рыхлых грунтах, были сведены к одной величине, связанной только с прочностью сооружения. Однако очевидно, что влияние рыхлых грунтов на сооружения носит более сложный характер. На записях сильных движений на рыхлых грунтах преобладают частоты, которые могут быть неопасны для одного типа сооружений и быть причиной разрушения других. В то время как существует тенденция уточнения грунтовых факторов для более полного соответствия максимальным значениям спектра, существует также необходимость учитывать при проектировании влияние преобладающих частот и числа нелинейных циклов колебаний, которые могут быть ими вызваны. Для сейсмологов скоро возникнет необходимость обеспечения прогнозных оценок длительности колебаний и их преобладающих частот для рыхлых грунтов.

Фактор R объединяет целый ряд допущений относительно того, как податливость и конфигурация здания влияют на способность здания противостоять максимальному ускорению грунта, которое может в 10-20 раз превышать расчетную горизонтальную силу в основании сооружения. Использование инженерами низких расчетных значений горизонтальных сил в основании сооружения (по сравнению с зарегистрированными значениями) вызывает серьезную озабоченность ученых.

Важно отметить, что любое изменение стандартного проектного спектра реакции будет влиять на эти корректирующие факторы. Хотя и существует необходимость совершенствования процедуры проектирования и более точного понимания фактора R, эту проблему нельзя решить простым изменением эмпирических оценок максимального ускорения грунта или прогнозных значений спектральных ускорений на основе новейших уравнений затухания для непосредственного расчета поперечных сил в основании сооружения.

Наблюдения за поведением сооружений, построенных в соответствии с нормами

Поскольку проектные положения большинства современных строительных норм основываются преимущественно на поведении зданий во время сильных землетрясений, было бы целесообразно детально проанализировать записи сильных движений и причиняемые землетрясениями повреждения, и определить, насколько состоятельны проектные положения с учетом используемой информации о сейсмическом районировании. Такие сопоставления проведены для землетрясений в Нортридже и Ханшин-Авайи.

Во время Нортриджского землетрясения получены сотни записей сильных движений грунта и множество записей на разных сооружениях. Сетями станций сильных движений накоплена информация, которая позволит лучше понять, как именно землетрясения воздействуют на здания и почему здания способны выдерживать значительно более сильные нагрузки, чем ранее считалось возможным. Этот аспект является ключевым для сейсмического районирования и основополагающим источником данных для сейсмостойкого строительства. Подобная работа должна быть проведена для каждой сейсмоопасной зоны и в идеале после каждого сильного землетрясения необходимо располагать записями сильных движений.

Особый интерес в этом плане представляют три записи, полученные при Нортриджском землетрясении. Это одни из самых сильных из всех, полученных на свободном грунте. В Тарзана максимальное ускорение составило 1.82 g, в Сепульведа 0.94 g, в Санта Монике 0.93 g.

Большие значения ускорений на записи в Тарзана американскими исследователями объясняются топографической аномалией в пункте регистрации. Спектры реакции, полученные для этой записи, также характеризуются высоким уровнем. Особый интерес в данном случае представляют наблюдаемые повреждения зданий и сооружений в непосредственной близости от регистрирующей аппаратуры. Наблюдались только незначительные повреждения и нарушения. Припаркованный поблизости небольшой трайлер даже не сдвинулся с места. Жилые и другие одноэтажные здания в районе практически не пострадали. Отсутствие серьезных повреждений заставляет задуматься о том, следует ли использовать такую информацию при сейсмическом районировании. При оценке затухания отдельные пиковые выбросы ускорения будут сглажены, но при проведении изолиний ускорений на карте эта информация не будет потеряна. Остается вопрос о целесообразности использования записи движения грунта с высокими значениями амплитуд, если им не соответствует адекватный уровень повреждений.

Запись в Сепульведа, вероятно, соответствует максимально зарегистрированной энергии сейсмических волн. Максимальное ускорение составило 0,94 g. Запись характеризуется большой продолжительностью колебаний. Аппаратура находилась в здании электростанции, построенном в 1950 г., представляющем собой жесткую железобетонную рамную конструкцию, заполненную армированной каменной кладкой, с каменной армированной пристройкой 1970 г. Основное здание и котельная получили значительные повреждения стен заполнения и повреждения железобетонных рамных конструкций, и в значительной степени утратили способность выдерживать горизонтальные нагрузки.

Старые кирпичные котельные в здании были повреждены и требуют капитального ремонта. Помещение, где расположена установка для охлаждения воды, не пострадало, если не считать повреждения труб на выходе из здания. Спектры реакции, полученные по записи, достигают уровня 2 g. На территории Кампуса Администрации ветеранов насчитывается всего 45 зданий примерно того же типа. Они получили повреждения структурных и неструктурных элементов различной степени. Три здания подлежат сносу.

Запись в Санта Монике часто сравнивают с записью в Сепульведа. Максимальное ускорение в обоих пунктах превысило 0.9 g, но в продолжительности колебаний наблюдаются существенные различия. Запись в Санта Монике имеет только один пик с высоким ускорением, остальные амплитуды в 3-5 раз меньше. Повреждения, полученные зданиями и сооружениями в Санта Монике, не идут ни в какое сравнение с повреждениями в эпицентральной зоне, хотя нет существенных различий в значениях максимальных ускорений и спектров реакции. Большинство конструкций вне зависимости от их возраста и качества может выдержать один мощный импульс ускорения. Здания и сооружения могут получить серьезные повреждения в случае большого количества импульсов ускорения, под воздействием которых поведение зданий становится нелинейным.

По результатам инженерного анализа последствий Нортриджского землетрясения были получены данные по повреждениям различной степени для 180 зданий. Здания классифицировались по типу конструкции и возрасту. Степень повреждений для каждого здания сопоставлялась с записью сильных движений на грунте в ближайшем пункте регистрации. На рис. 6 показаны результаты этого сопоставления. По оси абсцисс отложены степени повреждения в условных единицах от полного обрушения до отсутствия повреждений. Заметим, что исследователи использовали шкалу повреждений, насчитывающую 10 градаций.

Анализ рис. 6 еще раз доказывает необходимость учета, помимо максимального ускорения, других параметров сейсмических воздействий для объяснения поведения зданий. Разброс данных может быть связан с целым рядом факторов: неточностью определения самих максимальных ускорений, невосприимчивостью некоторых зданий к воздействиям Нортриджского типа, качеством проекта и строительных работ, а также остаточными явлениями в грунте.

Аналогичные исследования были проведены в Японии после землетрясения в Кобе. Особый интерес представляет реакция зданий вблизи станций сильных движений, где были зарегистрированы ускорения свыше 0.7 g и скорости свыше 100 см/сек. Анализировались повреждения, полученные большим количеством малоэтажных и высоких зданий вблизи станции Осака Газ. Для записей на этой станции уровень спектра реакции составил 1.9 g. Высокие здания получили повреждения различной степени вплоть до разрушения. Наблюдался эффект более сильных повреждений зданий, ориентированных перпендикулярно по отношению к простиранию разлома. Малоэтажные здания пострадали значительно меньше. Вблизи станции сильных движений Осака Газ расположены 2 одинаковые башни, расположенные по разные стороны улицы. Одна из них, ориентированная параллельно разлому, получила незначительные повреждения. Другая, такой же конструкции, была ориентирована перпендикулярно разлому, получила существенные повреждения и требует капитального ремонта. Это один из многочисленных примеров влияния ориентации здания по отношению к простиранию разлома на степень повреждения здания, расположенного в непосредственной близости к разлому. Причину большого количества повреждений зданий разных высот (от 5 до 15 этажей) связывают с плохими проектами зданий, которые неадекватно отреагировали на короткий импульс ускорения. Для низких зданий такого эффекта не наблюдалось. Спектры реакции записей сильных движений, зарегистрированных вблизи разлома, не являются адекватной характеристикой степени повреждений зданий без учета ориентации здания.

Аналогичные значения ускорений и скоростей (0.7 g и 100 см/сек) были получены на другой станции сильных движений вблизи разлома для здания школы. В нескольких кварталах от школы здания средней высоты получили значительные повреждения вплоть до обрушения. На территории школы и по соседству различные низкие строения не получили существенных повреждений.

При Занджиранском землетрясении в Иране акселерометр, расположенный в каменном здании школы, зарегистрировал ускорение, превышающее 1.0 g. Здание при этом не получило существенных повреждений.

Анализ последствий этих землетрясений показывает, что здания и сооружения часто хорошо переносят нагрузки, превышающие расчетные. Полученные зданиями повреждения редко можно объяснить только недостаточной прочностью. Еще раз получены подтверждения вывода о том, что одно максимальное ускорение не может являться достаточным параметром, характеризующим степень повреждения сооружения. Существующая система поправок на местные грунтовые условия неадекватно отражает наблюдаемые эффекты. Наиболее часто используются консервативные оценки, соответствующие наихудшим условиям на рыхлых грунтах. Эти оценки еще более консервативны для твердых и скальных грунтов. Очевидным является и вывод о том, что ни спектры реакции, ни максимальные ускорения не являются адекватными характеристиками движений грунта вблизи разлома.

В настоящее время успешно проектируются сейсмостойкие здания и сооружения, но не удается получить точной картины их поведения при будущих реальных событиях. Для решения этой проблемы необходимо не только увеличение количества рассматриваемых параметров сейсмических воздействий, но и разработка более совершенных методов их задания.

Карты сейсмического районирования могут быть хорошим инструментом для решения задачи прогнозирования поведения сооружений во время ожидаемых землетрясений, если в их легендах даны параметры колебаний грунта, коррелирующиеся с повреждениями сооружений разного типа при сильных землетрясениях.

Инженерный анализ последствий землетрясений дает основу для довольно точных расчетов многоуровневых характеристик поведения зданий и сооружений при землетрясениях различной силы. Эти многоуровневые характеристики поведения определяются через конкретные предельные степени повреждений, с помощью которых можно объективно оценить поведение сооружения. Взаимоувязанная классификация уровней поведения зданий и сооружений, соответствующая возможным уровням сейсмической опасности, становится целью определения возможного поведения сооружения и основой для расчета.

Здание состоит из многих систем, конструктивная система - только одна из них. В прошлом расчет зданий и сооружений на сейсмостойкость был прерогативой инженеров-строителей, которые рассчитывали только несущую систему. Однако поведение сооружения во время землетрясений зависит от поведения всех систем. Проектирование, основанное на инженерном анализе поведения сооружения при сильных землетрясениях, учитывает важность поведения различных систем, влияющих на поведение сооружения в целом, и позволяет провести расчеты проектного поведения сооружения при будущих землетрясениях.

Расчет зданий и сооружений на основе инженерного анализа последствий прошлых землетрясений предусматривает выбор критериев проектирования, соответствующих конструктивных систем, размеров и конфигурации сооружения, а также определения деталей сооружения и его неконструктивных элементов, предметов быта и оборудования и гарантию контроля качества сооружения, которые при определенных условиях движения грунта и с заданным уровнем надежности обеспечат отсутствие повреждений сооружения выше определенного предельного уровня. В действительности наблюдается широкий спектр степени повреждений, которые могут претерпеть здания под действием сильных движений грунта. Степени повреждений варьируют от полного разрушения и обрушения до отсутствия повреждений и потери функционирования предметов быта, оборудования и внутренних систем.