О поведении грунтов при землетрясениях. Методика оценки инженерной обстановки при землетрясении Какие здания наиболее живучи при землетрясении

Землетрясение по требованию

Ученные занимающиеся проблематикой землетрясений из университета в Неваде в среду протестировали новые конструкции автомобильных мостов, которые были спроектированы с применением инновационных соединительных элементов, которые должны лучше противостоять опасному тремору земли и не позволить упасть конструкции, погребя под тысячами тон бетона и арматуры людей.

была помещена на специальный стенд для симуляции подвижек земной коры. Конструкция весит 100 тонн, ее длина составляет 21 метр.

Испытания были проведены через день после разрушительного землетрясения которое произошло в Мексике. Сотрясение модели продолжалось в течение 30 секунд, в это время сейсмические датчики, расположенные на колоннах и соединениях балок моста, фиксировали перемещение конструкции и отслеживали поведение новых соединительных элементов.

Выпускники местных технических университетов присутствовали на эксперименте и на практике применяли полученные знания, проводя измерения последствий краш-теста моста. Как говорится в предварительном заключении, при первоначальном осмотре конструкции, не было отмечено серьезных структурных повреждений.

«Мост пережил эксперимент лучше, чем мы ожидали» , заявил Саид Сайиди, профессор гражданского и экологического машиностроения, который руководил проектом. Он проводит подобные исследования уже более 30 лет, поэтому опыт в таких делах у него значительный.

Уже сейчас предназначены для того, чтобы выстоять в землетрясениях, но часто небезопасны для передвижения после больших толчков. По его словам, в испытанных конструкциях применялись специальные типы разъемов для соединения деталей сборных мостовых, в том числе бетона со сверхвысокими характеристиками.

«Землетрясения сами по себе не убивают людей- убивают конструкции» , - сказал Сайиди.

Ранее элементы были испытаны по отдельности, но никогда прежде не объединялись в модель моста, подвергшуюся реалистичным движениям подложки. Модель и амплитуда толчков была взята с землетрясения 1994 года произошедшего в Калифорнии, это соответствовало 7.5 баллов, что является достаточно серьезным испытанием для конструкции.

Среди прочего, инновационные соединительные элементы позволяют крепить бетон и другие элементы к существующему мостовому сооружению для ускорения ремонта и реконструкции после катаклизма.

Основными характеристиками землетрясений являются:

• 
  глубина очага землетрясения;
• 
  магнитуда и интенсивность энергии на поверхности земли.
• 
  Интенсивность энергии на поверхности

Глубина очага – это глубина места, где возникает подземный удар (толчок), т.е. очаг землетрясения. Глубина очага землетрясения в различных сейсмических районах лежит в пределах от 0 до 720 км.

Магнитуда – мера общего количества энергии, излучаемой при сейсмическом толчке в форме упругих волн. Магнитуда – безразмерная величина, представляет собой логарифм максимальной амплитуды (Z m ) смещения почвы (поверхностной волны) в микронах (мкм), измеренной прибором сейсмографом (или по сейсмограмме) на расстоянии R =100 км от эпицентра землетрясения:
M = lg Z m – 1,32 R (1)
Магнитуда по вектору изменяется от 0 до 9. Однако магнитуда характеризует выход сейсмической энергии только в эпицентре землетрясения. Поэтому для более объективной оценки силы колебания земной поверхности, т.е. землетрясения в точках, которые удалены от эпицентра, введено понятие интенсивность землетрясения.

Интенсивность землетрясени я – это интенсивность колебания грунта на поверхности земли, являющаяся разрушительной силой землетрясения. Она зависит от магнитуды (M), расстояния от эпицентра (R ) и глубины очага землетрясения (H ). Интенсивность землетрясения (в баллах) в заданной точке на поверхности земли определяется зависимостью:

где 3, 1.5, 3.5 - региональные константы для РФ.

Максимальный ущерб объекту экономики от стихийных бедствий может быть причинён при землетрясении. Оценка предполагаемых масштабов разрушений при землетрясениях может быть произведена аналогично оценке разрушений при ядерном взрыве с той лишь разницей, что в качестве критерия берётся не значение избыточного давления (ΔР ф), а интенсивность землетрясения (J) в баллах. При этом J на конкретном объекте по 12-балльной шкале находят по формуле (2) .

В практических расчетах при оценке устойчивости ОЭ к землетрясениям характер и степень разрушений определяют по табл. 3 для различных значений интенсивности (J, баллы) в интервале от величин, вызывающих слабые разрушения элементов ОЭ (зданий, сооружений, оборудования, сети КЭС и т. п.), до величин, вызывающих полные их разрушения.

Во время землетрясений наряду с разрушениями зданий выходят из строя и системы жизнеобеспечения населения, т. е. сети коммунально-энергетического снабжения (КЭС). Оценку их устойчивости при землетрясении производят по табл. 4. Кроме этого, при расчетах могут быть определены и безвозвратные потери среди населения (табл. 5).

ЗаданиЕ: Определить характер разрушения элементов объекта при землетрясении, устойчивость систем жизнеобеспечения, а также возможные безвозвратные потери среди населения.
ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА:

Таблица 1. Краткая характеристика возможной интенсивности землетрясений по 12-балльной шкале Меркалли (MSK-64)

Таблица 3. Степень разрушения зданий, сооружений при землетрясении

Таблица 4. Устойчивость систем жизнеобеспечения, %

Август 21, 2013 \ Максим \ \ Комментарии к записи Инженеры модернизируют здания «мягкой конструкции» для устойчивости при землетрясении отключены

Команда инженеров под руководством профессора Джона ванн де Линдта из университета штата Колорадо проводят реконструкцию и тестирование здания с «мягким» первым этажом с тем, чтобы повысить их устойчивость и прочность во время сейсмических движений земли.

Многоэтажные здания, построенные по принципу «soft story» (открытые пространства на уровне первого этажа для гаражей или витрин магазинов), имеют слабую и неустойчивую структуру, которая подвержена землетрясениям. Десятки тысяч таких домов были построены по всей Калифорнии, одном из самых сейсмоопасных районов США, в 20 -30-х годах прошлого столетия, что делает это серьезной проблемой безопасности.

Начиная с июля этого года, команда проводит испытания на специальном вибростенде 4-этажного здания площадью 4087 кв. метров, имеющего первый открытый этаж. Согласно результатам испытаний, проведение некоторой реконструкции здания без его полной или частичной разборки позволяет значительно увеличить устойчивость к землетрясениям: в трех их четырех различных модификаций землетрясений здание устояло без существенных повреждений.

В реконструкции был использован новый строительный материал CLT (cross-laminated timber), который представляет собой многослойную клееную древесину с перекрестным расположением слоев. Первая проверенная модификация здания представляет собой структуру из восьми стен 60-сантиметровой ширины с фанерой на нижней стороне диафрагмы жесткости второго этажа, укрепленной несколькими ремнями и клипсами Simpson Strong-Tie. CLT-листы были поставлены компанией Innovative Timber Solutions-Smartwoods.

Вторая успешно испытанная конструкция первого этажа была выполнена в виде жесткого каркаса из CLT-листов Simpson Strong-Tie в соответствии с рекомендациями FEMA P-807, ну а третья конструкция имеет более сильный стальной каркас с анкерной системой. Теперь инженеры планируют испытывать четвертую конструкцию, которая включает в себя вязкостный демпфер, похожий по действию на автомобильные рессоры.

Все работы ведутся на средства гранта в размере 1,24 млн. долларов США, полученного от Национального научного фонда для исследований. Команда инженеров работает совместно с Ренселлеровским политехническим институтом, Калифорнийским политехническим университетом в Помоне, Университетом Западного Мичигана и Университетом Клемсона. В тестах принимают участие многочисленные партнеры по отрасли, в том числе Simpson Strong-Tie и Лаборатория лесной продукции, а также ряд государственных структур.

Традиционные методы и средства защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий включают большой комплекс различных мероприятий, направленных на повышение несущей способности строительных конструкций, проектирование которых осуществляется на основании выработанных отечественным и зарубежным опытом строительства норм и правил, гарантирующих сейсмостойкость зданий и сооружений в районах с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов.

Проектирование зданий и сооружений в сейсмически опасных районах начинается с соблюдения общеполагающих принципов сейсмостойкого строительства, в соответствии с которыми все используемые строительные материалы, конструкции и конструктивные схемы должны обеспечивать наименьшее значение сейсмических нагрузок. Рекомендуется при проектировании принимать, как правило, симметричные конструктивные схемы и добиваться равномерного распределения жесткостей конструкций и масс. В зданиях и сооружениях из сборных элементов рекомендуется располагать стыки вне зоны максимальных усилий, необходимо обеспечивать однородность и монолитность конструкций за счет применения укрепленных сборных элементов.

Существенное влияние на сейсмостойкость зданий оказывает выбор объемно‑планировочных схем, их формы и габаритов. Наиболее предпочтительными формами сооружений в плане являются круг, многоугольник, квадрат и близкие им по формам очертания. Однако такие формы не всегда соответствуют требованиям планировки, поэтому чаще всего применяется прямоугольная форма с параллельно расположенными пролетами, без перепада высот смежных пролетов и без входящих углов. В случае, если возникает необходимость создания сложных форм в плане здания, то его следует разрезать по всей высоте на отдельные замкнутые отсеки простой формы. Конструктивные решения отсеков во время землетрясения должны обеспечивать независимую работу каждого из них. Достигается это устройством антисейсмических швов, которые могут быть совмещены с температурными или осадочными. Антисейсмические швы осуществляются путем установки парных стен, парных колонн или рам, а также путем возведения рамы и стены.

При высоте здания до 5 м ширина такого шва должна быт не менее 3 см. Для зданий большей высоты ширину шва увеличивают на 2 см на каждые 5 м высоты.

В многоэтажных зданиях большую роль на их сейсмостойкость оказывают конструкции междуэтажных перекрытий и покрытий, работающих как диафрагмы жесткости, обеспечивающие распределение сейсмической нагрузки между вертикальными несущими элементами. Сборные железобетонные перекрытия и покрытия зданий должны быть замоноличенными, жесткими в горизонтальной плоскости и соединенными с вертикальными несущими конструкциями.

Боковые грани панелей (плит) перекрытий и покрытий должны иметь шпоночную или рифленую поверхность. Для соединения с антисейсмическим поясом или для связи с элементами каркаса в панелях (плитах) следует предусматривать выпуски арматуры или закладные детали.

Существенное влияние на значения сейсмических нагрузок оказывает масса сооружения. Поэтому при действии сейсмических сил необходимо стремиться к максимально возможному снижению веса конструкций и полученных нагрузок.

Не несущие элементы типа перегородок и заполнений каркаса рекомендуются выполнять легкими, как правило, крупнопанельной или каркасной конструкции и соединять со стенами, колоннами, а при длине более 3 м — и с перекрытиями. В зданиях более пяти этажей не допускается применение перегородок из кирпичной кладки, выполненной вручную. Перегородки из кирпича или камня следует армировать на всю длину не реже, чем через 700 мм по высоте стержнями общим сечением в шве не менее 0,2 кв. см. Допускается выполнять перегородки подвесными с ограничителями перемещений из плоскости панелей.

Каменные здания получают при землетрясениях наибольшие повреждения по сравнению с другими типами зданий современной постройки.

Сейсмостойкость каменных зданий определяется прочностью кирпича и камня , а также зависит от прочности их сцепления с раствором. По действующим нормативным документам рекомендуется несущие кирпичные и каменные стены возводить, как правило, из кирпича или каменных панелей, блоков, изготавливаемых в заводских условиях с применением вибрации, или из кирпичной или каменной кладки на растворах со специальными добавками, повышающими сцепление раствора с кирпичом или камнем.

Для обеспечения сейсмоустойчивости важен выбор места постройки ‑ следует избегать близости к линиям сброса . Также вносятся изменения в фундамент конструкций ‑ создаются «подушки» из бетона или полимерных материалов, благодаря которым здания скользят или «плавают» во время землетрясения и не разламываются по тем линиям, где создается наибольшее напряжение.

Наиболее перспективное направление повышения сейсмоустойчивости - это сейсмоизоляция зданий . Сейсмоизоляция подразумевает отстройку частот колебаний здания от преобладающих частот воздействия. Именно это и обеспечивает снижение механической энергии, получаемой конструкцией от основания.

Специалистами России и зарубежных стран предложены разнообразные устройства систем сейсмоизоляции и гасители энергии колебаний сооружений, а также системы с использованием сплавов, запоминающих объемное состояние, и другие «интеллектуальные» системы .

В мире наблюдаются следующие тенденции: первая ‑ это применение в чистом виде сейсмоизоляции зданий, которая устраивается, как правило, в нижних этажах: резинометаллические опоры самой различной модификации, с низким и высоким демпфированием, с сердечником из свинца и без него, с применением различных материалов. Есть также фрикционные скользящие опоры маятникового типа. И те и другие опоры применяются в мире очень широко.

(Строительство (Москва), 30.03.2009)

Второе направление ‑ применение демпфирования (гашения колебаний), которое известно очень давно и постоянно совершенствуется. Для высотного строительства, как правило, используется сочетание: сейсмоизоляцию располагают в нижнем этаже, а по высоте здания устанавливают демпфирование. Сейчас производители предлагают самые различные демпферы: металлические, жидкостные, есть специальные сплавы с памятью, специальные демпфирующие стены, последние устройства хотя и относительно дорогие, но достаточно эффективные.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

→ Разрушение зданий

Землетрясения и строительство

Итак, здания и сооружения в обширных районах планеты находятся на своеобразных виброплатформах, которые в определенный момент могут заколебаться. Какие меры следует принимать, чтобы оградить их от пагубных последствий этих колебаний?

Проблемы сейсмостойкого строительства, пожалуй, наиболее сложные для современной технической цивилизации. Трудности обусловлены тем, что заранее, “авансом”, необходимо принимать меры против события, разрушительную силу которого невозможно рассчитать. Отдельные землетрясения имеют случайный характер. Последующее землетрясение в той или иной степени отличается от предыдущего. Поэтому подход специалистов к решению проблем сейсмостойкости сооружений в значитель- I ной мере умозрительный, теоретический, основывающийся на весьма идеализированных предположениях. Разумеется, в нынешнем веке, и особенно в последнее время, было проведено много важных исследований. Однако до сих пор землетрясения остаются единственной надежной проверкой как геологических и сейсмологических постулатов, так и принятых методов расчета конструкций на сейсмостойкость.

Первый метод расчета сейсмостойких конструкций был разработан в начале нашего столетия в Японии. Его создателя Омори побудили к этому ужасные последствия землетрясения в Токио и Иокогаме – одного из самых колоссальных бедствий, постигших планету в новое время. Метод был очень несовершенным: сейсмические нагрузки были представлены в виде статических сил, а здание рассматривалось как недеформируемое. Совершенно очевидно, что землетрясение вообще, и воздействие его на конструкцию в частности, представляет собой чисто динамический процесс: сейсмические нагрузки на конструкцию за доли секунды изменяются как по величине, так и по направлению воздействия. Это привело к появлению и быстрому развитию динамических методов, которые в настоящее время приняты почти во всех странах, расположенных в сейсмоактивных районах.

Первый опыт в этой области датируется 1920 г. (Монобе, Япония), но основы метода в наиболее общем виде были изложены советским ученым Завриевым в 1927 г. Сейсмические силы, являясь инерционными силами, обусловлены массой колеблющегося тела и ускорением отдельных его частиц.

Масса в любом случае известна: она определяется постоянной нагрузкой и в значительной степени временными вертикальными нагрузками, расчет которых не представляет проблемы. Путем уменьшения массы можно достигнуть и уменьшения сейсмических нагрузок. Отсюда и современная тенденция к облегчению конструкций в сейсмоактивных районах посредством применения более легких строительных материалов главным образом для несущих, например, ограждающих элементов.

Самым “ крепким орешком” при определении сейсмических сил является ускорение, с которым колеблются отдельные части конструкции. Из множества характеристик землетрясения - амплитуд, скоростей, интенсивности, продолжительности - самая важная – ускорение, с которым колеблются частицы почвы. Каким оно будет? Предусмотреть величину ускорения, по существу, значит предусмотреть силу землетрясения, а это почти так же трудно, как предсказать день, в который оно произойдет. Мы уже говорили, что землетрясения имеют случайный характер. Так или иначе, но эти проблемы решают сейсмологи; конструкторы же работают с учетом того фактора, что может произойти землетрясение, от которого они должны обезопасить свое творение. Фактически они располагают вероятной картиной землетрясения в основании здания. Однако каким будет ускорение отдельных точек по высоте конструкции?

Из почвы в конструкцию поступают колебания, сейсмические силы, но почва и отдельные точки сооружения колеблются с разным ускорением. Это обусловлено относительной гибкостью конструкции, ее неизбежной склонностью к деформациям, которая в данном случае исключительно полезна: благодаря разнице ускорений кинематическая энергия землетрясения расходуется на работу по деформации конструкции и общий разрушительный потенциал земного катаклизма сильно уменьшается. Деформации, которым подвергается конструкция, в значительной степени не являются необратимыми. Такие динамические и упругопластические свойства конструкции и материалов, из которых она изготовлена, обусловливают в основном эффект от воздействия сейсмических сил на сооружение.

Именно это обстоятельство не учитывалось в статическом методе расчета конструкций на сейсмостойкость, созданном Омори, И именно оно более или менее точно учитывается при современных динамических методах. Одна из наиболее распространенных разновидностей этих методов называется спектральной. Она появилась в начале 40-х годов в США и была разработана на основе обширной информации о землетрясениях“ 1923 г. в Сан-Франциско в 1933 г. в Лонг-Бич. Для американского варианта спектрального метода характерно то, что динамическое воздействие на здания и сооружения определяется с помощью универсальных моделей. На этой основе создается серия графиков (спектров) максимального ускорения, скорости и перемещения систем с различными собственными частотами при данном землетрясении. Поскольку характер землетрясения специфичен для каждого района, подобный подход вполне приемлем. Однако, чтобы иметь записи местных ускорений при землетрясении, необходимо, чтобы район достаточно проявил себя в сейсмическом отношении, да к тому же в недавнее время. Посредством анализа многих обстоятельств определяется соответствующий данному месту спектр сейсмических ускорений, которым пользуются конструкторы. Именно таким образом был создан стандартный спектр калифорнийских норм, с помощью которого в США проектируются сейсмостойкие здания и сооружения.

Параллельно с американскими исследованиями, но независимо от них развивается советский вариант спектрального метода, полное теоретическое обоснование которого дано исследователем Корчинским. Особенностью этого метода является аналитическое определение реакции конструкций на сейсмическое воздействие. Параллельно развивается разновидность динамического метода, при которой используются акселерограммы действительно происходивших землетрясений. Акселерограммами называются записи ускорений почвы во время землетрясения. На основе определенного числа таких записей и специальных математических методов получаются довольно точные результаты. Но из-за большого объема вычислительной работы и отсутствия достаточно полных и точных записей эта разновидность метода используется редко, в основном для очень ответственных сооружений, В последние годы все шире применяются методы, основывающиеся на теории вероятности и математической статистике.

Так или иначе, но не будет преувеличением сказать, что расчет сейсмических сил, которые нагружают конструкции, составляет 90% общего объема вычислительных работ. Практические методы определения этих сил весьма разнообразны. Сравнение технических норм различных стран обнаруживает значительное разнообразие даже основных концепций. Разумеется, это до некоторой степени оправданно, поскольку существуют различия между странами как в условиях их сейсмичности, так и в условиях их экономических и технологических возможностей. Однако два основных момента являются общими: 1. Несмотря на произвольное направление сейсмических сил, считается, что здания и сооружения имеют определенный резерв устойчивости по отношению к вертикальным нагрузкам, и поэтому расчет на сейсмику учитывает лишь горизонтальные нагрузки, возникающие при землетрясении. Исключение составляют некоторые мосты, козырьки, консоли, для которых вертикальные нагрузки имеют решающее значение. 2. Рассматривается только один момент динамического процесса колебаний, но именно тот самый момент, когда сейсмические силы достигают своей экстремальной величины. Далее полученные силы трактуются как статическая нагрузка. В этом нет ничего удивительного, потому что динамичность явления в достаточной степени учитывается при определении величины самих сейсмических сил.

Для удобства расчетов предполагается, что массы зданий и сооружений сконцентрированы в определенных их точках, хотя в действительности они равномерно распределены по всей их высоте. Например, для многоэтажных зданий такими точками считаются уровни отдельных этажей. При расчете зданий на устойчивость к сейсмическим воздействиям допускается возможность известных пластических деформаций и даже частичных разрушений, но лишь в неответственных и легковосстановимых несущих элементах, таких,как перегородки или фасадные стены. Все это продиктовано стремлением к разумному компромиссу между затратами на строительство и обеспечением необходимой надежности. В последнее время проводятся исследования по изучению взаимодействий между грунтовым основанием и конструкцией. Деформации в почве тоже поглощают часть кинетической энергии подземных толчков, и это еще один резерв удешевления антисейсмических мероприятий.

Когда речь идет о конфликте между сейсмическими силами и конструкцией, необходимо иметь в виду, что землетрясения представляют собой серию толчков, иногда с определенными паузами между ними, и что первые толчки создают условия для усиления эффекта последующих. Некоторые здания способны устоять при первых тектонических колебаниях, но получают при этом частичные повреждения - образуются трещины, ослабляются связи и т.п., что значительно снижает их устойчивость. Достаточно следующего, даже сравнительно слабого толчка, чтобы они разрушились.

Итак, конструкторские проблемщ сейсмостойкого строительства являются весьма нелегкими, но покоятся на солидном, хотя и формальном основании: известны характеристики землетрясения. Насколько это основание совпадает с действительностью, другой вопрос. Здесь мы снова наталкиваемся на “твердый орешек” сейсмологии: каким будет характер вероятного будущего землетрясения, будут ли здания и сооружения надежны до такой степени, чтобы “и вблки были сыты и овцы целы”? На эти вопросы пока точного ответа дать нельзя. Проделана огромная работа по сейсмическому районированию потенциально опасных территорий. Она выполнена с помощью современных геологических и сейсмологических исследований на основе тщательного изучения различных древних письменных источников и хроник, в которых речь идет о происходивших землетрясениях. И поскольку большое значение имеет локальная геологическая и гидрогеологическая картина, наметилась уже тенденция и к микрорайонированию, т.е. выделению более мелких сейсмических районов.

Сейчас еще нельзя дать категорического ответа на вопросы, касающиеся столь сложной области, где условия диктуются капризами природы и где метафизическая случайность (облаченная в одежды научной вероятности) играет почти такую же роль, как и тысячу лет назад. И все же, если характер будущих землетрясений окажется близким к ожидаемому (а это весьма вероятно, поскольку прогнозы составляются на основе всех тех знаний, которыми располагает мировая наука и практика), можно будет сказать со всей определенностью, что принимаются самые надежные меры против самого страшного стихийного бедствия.