Бюллетень № 3 (стр. 2 )

С начала 40-х гг. ХХ века началось резкое ухудшение геоэкологической обстановки на российском побережье Черного моря.

 

Фото 1. Последствия разрушительного землетрясения 1995 г. в Нефтегорске – на Сахалине.

 

Фото 2. Последствия сильнейшего землетрясения 2011 г. в турецкой провинции Ван с магнитудой в 7,1. 6017 зданий были признаны негодными для проживания, 5215 повреждены, 601 человек погиб, 4152 были ранены.

2.1.2. Некоторые основные понятия и термины

[Полезная книга: Зденек Кукал. Природные катастрофы.-Изд-во "Знание".-М.:1985 г.-240с.]

Очаг, или гипоцентр землетрясения – это то место в земных недрах, где землетрясение зарождается.

Эпицентр – место на поверхности земли, которое является наиболее близким к очагу.

Литосфера – твердая часть земной оболочки, простирающаяся до глубины 100-150 км. Она включает земную кору (мощность которой достигает 15-60 км) и часть верхней мантии, которая кору подстилает. Литосфера немонолитна, она разделена на плиты.

Астеносфера – пластичная подстилающая прослойка, по которой перемещаются плиты.

Взаимодействие литосферных плит: они либо раздвигаются, либо сталкиваются, одна пододвигается под другую или одна движется вдоль другой.

Движение плит не постоянно, а прерывисто, т. е. происходит эпизодически, из-за их взаимного трения или трения о подстилающую поверхность. Каждая внезапная подвижка, каждый рывок плит может ознаменоваться землетрясениями. На рис. 3 приведена карта сейсмичности и сейсмогеодинамики Иран-Кавказ-Анатолийского региона и западного продолжения Южного Тянь-Шаня (сост. , ИФЗ РАН).

Плиты рассечены нарушениями – разломами, по которым меньшие по размерам блоки могут подниматься, опускаться или сдвигаться в горизонтальном направлении. На геологических картах есть области, пересеченные темными линиями. Эти линии – разломы.

Все землетрясения, причиной которых является движение плит или смещение по разломам, называются тектоническими. Практически все сильные землетрясения и 99% слабых толчков относятся к этому типу.

Вблизи вулканов проходят вулканические землетрясения, вызванные вулканической деятельностью.

2.1.3. Типы сейсмических волн и особенности их воздействия

на здания и сооружения

Любое землетрясение, характеризующееся местоположением (очаг, глубина его залегания), энергией, интенсивностью, генерирует волны, распространяющиеся в массиве грунта и по его поверхности. На рис. 4 схематически показано распространение сейсмических волн от очага (гипоцентра, того места в земных недрах, где

 

Рис. 4 вставить

Рис. 3. Карта сейсмичности и сейсмогеодинамики Иран-Кавказ-Анатолийского региона и западного продолжения Южного Тянь-Шаня (сост. , ИФЗ РАН

 

Рис. 4. Распространение сейсмических волн и оценка энергии и интенсивности землетрясений

 

Рис. 5. Запись на сейсмографе, показывающая приход волн P и S (по книге: З. Кукал. Природные катастрофы.-Изд.: Знание.-М.:1985 г. 240с.). С помощью этой записи можно вычислить разницу во времени прихода волн того или иного вида (в нашем примере 24 с) и амплитуду – размах колебаний (в нашем примере 23 мм). С помощью обобщенных номограмм можно определить расстояние от центра и энергию землетрясения (М-магнитуду).

землетрясение зарождается) и эпицентра (места на поверхности Земли, которое является наиболее близким к очагу) до объекта капитального строительства. Продольные, или компрессионные, волны распространяются быстрее поперечных, что хорошо видно на записи на сейсмографе (рис. 5). Эти волны из-за различия направления колебаний частиц грунта оказывают на здание различное воздействие.

Рассмотрим это явление подробнее, сначала на воздействии сейсмических волн на высотное здание. См. рис.6. Продольная компрессионная волна Р смещает фундамент здания по оси Y относительно его верхней части на величину dy. Это смещение является поперечным смещением относительно вертикальной оси Z. Это резкое смещение порождает вертикальную волну вдоль оси Z в теле здания, так называемую Body Wave (рис.6а). Характеристической жесткостью здания будет изгибная EJz жесткость ствола здания относительно оси Z. Т. е. здание от продольной волны получает поперечные относительно оси Z изгибные деформации dy или dx (если вектор распространения волны Р ориентирован под углом к оси Y). Здесь очень важно, чтобы в плане здания центр жесткости совпадал с центром масс, в противном случае кроме поступательных деформаций вдоль осей Y и X возникнут крутильные (ротационные) деформации и крутящий момент Mkp(x, z) (см. рис.6,б), который перегружает, и весьма ощутимо, контурные вертикальные конструктивные элементы здания – периметральные колонны и наружные стены. При определенных сочетаниях балльности землетрясения и конструктивной схемы здания перегрузка конструкций, расположенных по внешнему контуру здания, может достигать сотен процентов. Поэтому

при проектировании здания на стадии «П», когда формируется объемно-планировочное и конструктивное решение (раздел № 4 согласно постановлению Правительства РФ ) очень важна тесная совместная работа архитектора и конструктора. Конструктор, глубже понимающий работу конструкций, должен подсказывать архитектору решения с позиций оптимизации крутильной жесткости здания в плане EJd (H/м2·м4 = Hм2) и его секторальной жесткости EJω (H/м2·м6 = Hм4).

Так как волны P по своей скорости быстрее поперечных волн S, то через некоторое время после прямого "пинка" на здание обрушивается поперечное воздействие, которое состоит из двух составляющих - волн Лява (они ориентированы в горизонтальной плоско­сти, см. рис.6,в) и волн Рэлея (см. рис.6,г), которые, будучи ориентированными в верти­кальной плоскости XOZ, вызывают перемещения точек здания по эллиптической траекто­рии. Если эти перемещения разложить на составляющие, то Тх вызывает перемещения, аналогичные волнам Лява, a Tz вызывает компрессионные перемещения dz, которые гораздо меньше перемещений d1x, однако, требуют для своего учета использовать осевую жест­кость EAz (H/м2·м2 = H) и вес здания N(z) на каждом уровне по высоте. Однако основным воздействием является горизонтальная составляющая Тх, учет которой производится с использованием изгибной жесткости ЕJz (H/м2·м4 = Hм2) так же, как и для поперечной волны S.

При этом если в направлении оси X также наблюдается несовпадение центра жест­кости с центром масс, то здание начинает подкручиваться дополнительно моментом Mkp(y, z) (см. рис.6,д).

Поперечные волны Лява и Рэлея также относятся к группе Body Waves.

Кроме продольных и поперечных волн к зданию приходят поверхностные волны s (см. рис.6,е), которые относятся к группе Surface Waves и имеют свои разновидности. Высотное здание моделируется трубой (оболочкой) с поперечными диафрагмами, стоящей на торце.

 

Рассмотрим теперь протяженные малоэтажные здания и здания средней этажности (см. рис.7). Такие здания моделируются трубой (оболочкой), лежащей на грунте. Продольные волны Р наиболее опасны для таких зданий, когда он направлены под углом к продольной оси Х здания. В этом случае здание получает поперечные смещения Δy и крутящий момент Mkp(y, z), проходящие горизонтальной волной по зданию вдоль оси Х. Определяющей жесткостью здания при этом будет изгибная жесткость коробки ЕJу (H/м2·м4 = Hм2), характерная для ее поперечных деформаций в направлении оси У, а также крутильная ЕJd и ЕJω жесткости вертикального поперечного сечения здания.

Поперечные сейсмические волны S для протяженных малоэтажных зданий и зданий средней этажности представляют собой исключительную опасность. При их прохождении вдоль оси Х сечения здания получают вынужденные поступательные вертикальные перемещения Δz, а характерной жесткостью коробки здания является изгибная жесткость ЕJz (H/м2·м4 = Hм2). Опасны для таких зданий и поверхностные волны s. От их действия в здании возбуждаются перемещения dz, аналогичные вертикальным перемещениям моря при волнении, и если здание малоэтажное протяженное, то после прохождения вдоль него этой волны могут остаться одни руины. Изгибная жесткость, учитываемая в расчете, здесь другая - ЕJу (Hм2 относительно продольной оси), в отличие от ЕJz для высотного здания (относительно оси Z).

 

ВНИМАНИЮ ПРОЕКТИРОВЩИКОВ!

1. Конструктивные требования к объемно-планировочному решению и конструированию несущих конструкций сформировались в результате массового анализа причин повреждений и разрушений зданий и сооружений при сейсмических воздействиях на них. Они являются концентрированным выражением теоретических разработок и учета всего опыта, в т. ч. и печального, строительства в сейсмически опасных районах и, можно сказать, написаны кровью. Эти требования носят директивный характер, которые нарушать нельзя. Для зданий и сооружений с нарушениями этих требований составляются специальные технические условия, согласно которым значительно повышается объем и состав инженерных изысканий, расчетной части конструкций, вводятся дополнительные коэффициенты безопасности, используются научные достижения в области сейсмологии, работы строительных материалов, надежности строительных конструкций и оснований зданий и сооружений. При этом возрастает стоимость разработки проектной документации, и увеличиваются сроки ее изготовления, однако такова нормативная база РФ, которую нарушать не позволено никому.