Оценка параметров сейсмической опасности и характеристик разрушительных последствий землетрясений.

(В.М.Антонов, В.В.Леденев, В.И.Скрылев-Проектирование зданий в особых условиях строительства и эксплуатации)

В среднем на Земле в год происходит более 20 сильнейших и 100 … 120 потенциально разрушительных землетрясений. Около 70 % землетрясений происходит на глубине до 60 км. В некоторых районах землетрясения происходят на глубине до 300 км и более.

Очагом землетрясений называют пространство, внутри которого заключены все сопровождающие землетрясения первичные деформации. Наблюдаемые на поверхности деформации и нарушения являются вторичными.

Интенсивность землетрясений оценивают в баллах. В последние годы в нашей стране используют международную шкалу MSK-64 (по начальным буквам фамилии ее создателя). Шкала MSK-64 подразделяет землетрясения на 12 баллов: I – IV баллов – слабые, V – VII баллов – сильные, VIII – XII баллов – разрушительные.
Описательная часть шкалы состоит из трех разделов: 1) степень повреждения сооружений, выполненных без антисейсмических мер; 2) остаточные явления в грунтах и изменения в режиме грунтовых вод; 3) прочие признаки, включая реакции людей на землетрясения.

Мерой интенсивности землетрясения служит магнитуда – величина, пропорциональная выделенной в очаге землетрясения энергии, равной десятичному логарифму амплитуды наибольшего колебания грунта по отношению к некоторому стандартному колебанию. Шкала магнитуд (от 0 до 8,7 баллов) разработана Ч. Рихтером. Разница магнитуд на единицу соответствует различию энергии землетрясений в 30 раз. Магнитуда определяется через амплитуду α_m поверхностной волны и расстоянием R до эпицентра землетрясения:
.
Излучаемая в очаге землетрясения энергия Е определяется по формуле:
. Для сильных землетрясений а = 1,5; b = 11,8; для слабых а = 1,8; b = 11.

Длина разрыва на поверхности земли связана с магнитной формулой:
.

Сейсмически опасные районы разделяют на зоны с одинаковым сейсмическим воздействием, составлены карты сейсмического районирования. Расчет и проектирование сооружений производят на особые сочетания нагрузок с учетом сейсмических воздействий, представляемых инструментальными записями ускорений и синтезированными акселерограммами. Для анализа поведения конструкций при сейсмических воздействиях производят статическое моделирование и оценку показателей риска.

Последствия землетрясений оценивают по шкале Бюро МСССС (1973), согласно которой здания классифицируют по трем типам:

1. А – здания из рваного камня, сельские постройки;

2. Б – кирпичные крупноблочные дома, здания из естественного тесаного камня;

3. В – здания панельные, каркасные железобетонные и деревянные хорошей постройки.

Различают: легкие, умеренные и тяжелые повреждения, разрушения и обвалы.

Точно предсказать величину и характер сейсмических воздействий невозможно. Землетрясения меньшей интенсивности возникают чаще. Они не вызывают серьезных повреждений, но являются причиной постепенного накопления дефектов, снижающих сейсмостойкость. До землетрясения в конструкциях существует напряженное состояние, вызванное действием собственного веса, полезных нагрузок, неравномерных осадок, температурных напряжений. Сейсмические нагрузки могут действовать в любом направлении, вызывая в разные моменты времени напряжения одних или разных знаков.

Основными параметрами испытаний являются: число циклов, уровень нагрузки, период цикла, коэффициент асимметрии цикла.

Отношение динамического предела прочности Rd к статическому R прямолинейно уменьшается с ростом lgN (N – число циклов нагружения). Опыты показали, что чем большая работа затрачивается в первых циклах загружения, тем при меньшем числе циклов можно ожидать разрушения; чем большими возможностями пластического деформирования обладают конструкции, тем менее опасными для них оказываются отдельные перегрузки. Наличие концентраторов напряжений (отверстий, надрезов, трещин, резких изменений размеров элементов) приводит к значительному снижению пределов циклической прочности. Часто опыты проводят в режиме статических знакопеременных изменений нагрузки или перемещений. При постоянных амплитудах перемещений отмечено постепенное "размягчение" материала – снижение максимальной нагрузки, соответствующей одной и той же амплитуде изменений.

При проектировании сейсмические воздействия учитывают в районах с интенсивностью 7, 8 и 9 баллов.

Сейсмичность площадки строительства корректируют в зависимости от вида и состояния грунтов.
К первой категории относят: скальные грунты всех видов; крупнообломочные; вечномерзлые при температуре –2 °С и ниже, при строительстве и эксплуатации по принципу сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии (принцип I).
Ко второй категории относят: скальные грунты выветрелые; пески гравелистые крупные и средней крупности, плотные и средней плотности, маловлажные и влажные; глинистые грунты с показателем консистенции IL ≤ 0,5 при коэффициенте пористости е < 0,9 для глин и суглинков и е < 0,7 для супесей; вечномерзлые нескальные грунты эксплуатируемые при температуре выше –2 °С при строительстве и эксплуатации по принципу I.
К третьей категории относят: пески рыхлые; пески гравелистые, крупные и средней крупности, мелкие и пылеватые, не вошедшие во II категорию; вечномерзлые нескальные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу допущения оттаивания (принцип II).

При вынужденных колебаниях существенно изменяется напряженно-деформированное состояние конструкций в результате роста неупругих деформаций. Фибровые деформации, прогибы, трещины возрастают до 2-3 раз. Частота вертикальных колебаний зависит от конструктивных особенностей, уровня нагрузки, длительности ее действия и граничных условий защемления. Колебания пространственной системы происходят по случайному закону.

При расчете часто отказываются от учета затухания колебаний, т.е. запас механической энергии при колебаниях не изменяется. Такие системы называют консервативными, в отличие от реальных диссипативных, обладающих свойством рассеивать энергию. Колебания, которые происходят после устранения внешних воздействий, называют собственными.