Бюллетень № 3 (стр. 3 )

Для конструктора очень важно понимать, как реагирует здание на сейсмический толчок. При многообразном сочетании типов сейсмических волн, направлений их движения, объемно-планировочных и конструктивных решений в сопротивлении сейсмическому воздействию задействованы все созданные жесткости здания - сдвиговые, изгибные, крутильные, секториальные, ориентированные по различным направлениям. Т. е. здание работает как сложная ПРОСТРАНСТВЕННАЯ структура. Поэтому его нужно законструировать так, чтобы эта структура была работоспособной.

Нужно всегда помнить, что ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ КОНСТРУКЦИЯ РАБОТАЕТ НЕ ТАК, КАК ЕЕ РАССЧИТАЛИ, А ТАК, КАК ЕЕ ЗАКОНСТРУИРОВАЛИ!

2. Согласно требованиям новых сводов правил СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*» расчет ответственных зданий необходимо производить в два этапа. На первом этапе расчет производится на проектное землетрясение (ПЗ) – фактически тот же расчет, что и в соответствии с требованиями СНиП II-7-81*, т. е. это расчет здания на первоначальный толчок. По итогам этого расчета определяются зоны повреждений коробки здания, в матрицу жесткости здания вносятся корректировки в описании прочности и жесткости поврежденных элементов, после чего это ослабленное повреждениями от первоначального толчка здание рассчитывается на повторный толчок (афтершок) той же интенсивности. Называется этот расчет – на максимальное разрушительное землетрясение (МРЗ). При этом особое внимание следует уделять оптимальности конструктивной схемы здания (симметричность, регулярность, появление пластических деформаций в пролетах горизонтальных элементов должно опережать их появление в вертикальных несущих элементах и т. п.).

Отдельного рассмотрения требуют протяженные, линейные объекты, такие как трубопроводы.

Продольные (компрессионные) волны Р вызывают деформации от сжатия трубопровода dy (см. рис. 8,а), для их учета используется осевая жесткость ЕJу (H/м2·м4 = Hм2). При потере устойчивости трубы ее поперечное сечение получает перемещения dx и dz, на которые накладываются вторичные (от компрессионных) поперечные деформации, оцениваемые коэффициентом Пуассона. Для всех этих деформаций учетной является изгибная жесткость EJy, Нм2) , одинаковая для направлений X и Z при симметричной трубе. Однако, допустить появление выпучивания трубопровода нельзя, и от потери устойчивости его предохраняют компенсаторы, располагающиеся, как правило, в плоскости УОХ.

Поперечные же волны S (Лява и Рэлея) вызывают ортогональные оси Y перемещения (рис.8,б), основная жесткость - изгибная EJy. В направлении Z, ортогональном оси трубопровода, возникают перемещения от поверхностных волн s. Амплитуды и энергия поперечных и поверхностных волн вызывают ортогональные к оси Y перемещения гораздо большей величины, нежели продольные волны. Таким образом, основное воздействие на трубопровод оказывают поперечные и поверхностные волны. Продольные (компрессионные) волны создают второстепенный эффект в напряженно-деформированном состоянии трубопровода.

ВНИМАНИЮ ПРОЕКТИРОВЩИКОВ!

Во вновь вводимом СП 14.13330.2011 в таблице № 1 появилась дополнительная информация о скоростях сейсмических волн. Теперь инженерно-геологические изыскания должны содержать данные по скорости продольных Vp и поперечных Vs волн слоев грунта, а по отношению скоростей этих волн будет определяться категория грунта по сейсмобезопасности, в соответствии с чем расчетная сейсмичность строительной площадки может корректироваться по сравнению с фоновой на ±1 балл.

 

Рис. 8 вставить

Рис. 8. Волновые сейсмические воздействия на трубопровод

2.1.4. Энергия и интенсивность землетрясений

Объективной мерой величины землетрясений является магнитуда М, которую в 1935 г. ввел в обиход Ч. Рихтер: М есть десятичный логарифм максимальной амплитуды сейсмической волны (в тысячах долях миллиметра, см. рис.5), записанной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра. Магнитуда землетрясения пропорциональна выделенной в очаге энергии. Например, магнитуда М=5 эквивалентна энергии одной атомной бомбы. С М5 до М6 энергия увеличивается в 30 раз. С М5 до М7 – в 900 раз. С М8,6 – эквивалент энергии 3 миллионов атомных бомб. Наибольшей из зарегистрированных магнитуд было землетрясение на Аляске в 1964 г. с М=8,4. По другим данным, лиссабонское землетрясение 1755 года имело М более 9,0.

С магнитудой часто путают интенсивность землетрясения. Магнитуда – это объективная мера, и для каждого землетрясения она может быть лишь одна. Напротив, интенсивность J является мерой воздействия, степени деформации поверхности и характеристикой физиологических восприятий человека. Поэтому интенсивность – мера субъективная, и она может быть отличной в каждом конкретном пункте.

Первые сравнительные шкалы интенсивности были предложены итальянским ученым де Росси и швейцарцем Форрелем в 1880 г., оценивающие интенсивность землетрясения в 1-10 баллов. В 1902 г. итальянский вулканолог Меркалли предложил 12-балльную шкалу, широко используемую в настоящее время. Позднее она была упорядочена и получила название MCS (Меркалли-Канкани-Зиберг) или ММ (модифицированная шкала Меркалли).

В 1964 г. три сейсмолога – из СССР, В. Шпонхойер из ФРГ и чешский ученый В. Карник опубликовали несколько измененную 12-балльную шкалу интенсивности землетрясений, известную под наименованием международной шкалы Медведева – Шпонхойера - Карника или МSK-64. Различие между МСК и MSK невелико. В основе выделения 1-4 баллов лежат физиологические восприятия человека, 5-9 баллов – степень разрушения построек, а 10-12 – нарушения и деформации земной коры.

Японская шкала АМ (JMA шиндо)имеет семь баллов и разработана применительно к высокой сейсмичности Японских островов.

Интенсивность J зависит от магнитуды М. Для разных областей это соотношение различно. Для арник предложил такое уравнение М=0,5J+1,8. Имеются и другие соотношения между J и M, например, М=2/3(lgE-4,8), однако соотношение между интенсивностью и магнитудой зависит и от глубины очага. В условиях прочных горных пород, изверженных или метаморфических, при одной и той же магнитуде интенсивность оказывается меньшей, чем в рыхлых. Чем выше плотность горных пород, тем ниже интенсивность землетрясений. Интенсивность зависит и от структуры горных пород: при трещинах в породах интенсивность выше, чем в массивных, монолитных.

Главными характеристиками горных пород при оценке их сейсмоустойчивости является плотность, скорость распространения упругих волн и сейсмическая жесткость. Сейсмическая жесткость характеризуется произведением скорости распространения упругих сейсмических волн на их плотность, т. е. чем выше плотность горных пород и соответственно скорость распространения продольных сейсмических волн, тем выше сопротивление горных пород распространению деформаций.

В этом отношении породы рыхлые, водонасыщенные (в том числе гравийно-галечниковые) являются очень несейсмоустойчивыми, сотрясения в них проявляются с наибольшей интенсивностью.

2.1.5. Сейсмическое районирование

Для возможности оценки воздействия сейсмических толчков на здания и сооружения необходимо было создать соответствующую нормативную базу. Первые нормативные акты общего сейсмического районирования территории СССР - ОСР-37÷ОСР-78 были детерминистскими. Самая первая в мире нормативная карта была составлена в Сейсмологическом институте (ныне Институт Физики Земли им. РАН) и опубликована в 1937 г. - СР-37.

В дальнейшем такие карты в СССР создавались каждые 10 лет и обновлялись по мере поступления новых сведений о сейсмичности и совершенствования методики оценки сейсмической опасности. Они "подправлялись" всякий раз, когда интенсивность очередного землетрясения существенно превышала прогнозируемый сейсмический эффект. В таких случаях составлялись Временные схемы (ВС) СР, которые затем вносились в очередную нормативную карту. Это карты СР-49, СР-57, СР-68, СР-78. Карта СР-78 вошла в нормативный документ СНиП П-7-81 "Строительство в сейсмических районах". Но, начиная с 1988 г., почти ежегодно возникали разрушительные землетрясения, на 2-3 балла превышающие сейсмическую интенсивность, указанную на этой карте. Это были: Спитакское землетрясение 1988 г. – в Армении, Зайсанское 1990 г. - в Казахстане, Рача-Джавское 1991 г. - в Грузии, Хаилинское 1991 г. - в Корякии, Сусамырское 1992 г. - в Киргизии, Нефтегорское 1995 г. - на Сахалине.

Поэтому сразу же после катастрофы в Армении, где погибло свыше 25 тысяч человек и 514 тысяч человек остались без крова, стала очевидной необходимость нового сейсмического районирования страны. Эта работа была начата в ИФЗ РАН в 1991 г.

Условия неопределенности, которые в природе всегда существуют, позволяют оценивать сейсмическую опасность лишь на вероятностной основе. Риск всегда будет иметь месть, но его необходимо сделать приемлемым, предельно сведя к минимуму. Это и было заложено в новой методологии создания комплекта ныне действующих вероятностных карт Общего сейсмического районирования Российской Федерации и всей Северной Евразии - ОСР-97. Сейсмическая опасность - это интенсивность воздействий, возникающих на заданной площади:

-  с определенной вероятностью,

-  в течение заданного интервала времени.

Впервые в сейсмологической и строительной практике создан комплект вероятностных карт - ОСР-97 (А, В,С, D), а не одна карта (как прежде), и составлены карты периодов повторяемости 6, 7, 8 и 9-балльных сотрясений. Карты А, В и С предназначены для проектирования и строительства гражданских и промышленных объектов разных категорий ответственности и сроков службы. Они отражают вероятность 90%, 95% и 99%о не превышения указанного на них сейсмического эффекта в течение 50 лет (т. е. риск возможного превышения соответствует 10%, 5% и 1%, а повторяемость сейсмического эффекта - в среднем один раз за 500, 1000, 5000 и 10000 (для карты D) лет соответственно).

Картой D (не превышения 99,5%) пользуются при строительстве атомных станций и других особо опасных объектов.