Устойчивость к землетрясениям. Инженеры модернизируют здания «мягкой конструкции» для устойчивости при землетрясении. Последствия сейсмического воздействия на здания и сооружении
Землетрясения - есть колебания земной поверхности вследствие внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней мантии. Движение грунта при землетрясениях носит волновой характер. Волам трех типов, - продольные, поперечные и поверхностные, - распространяются с различными скоростями. Колебания грунта в сейсмических волнах возбуждают колебания зданий и сооружений, вызывая в них инерционные силы. При недостаточной прочности (сейсмостойкости) конструкций происходят их повреждения различной степени или разрушения.
Сейсмическая опасность при землетрясениях определяется как интенсивными колебаниями грунта, так и вторичными факторами, среди которых назовем: лавины, оползни, обвалы, опускание (просадку) и перекосы земной поверхности. разжижение грунта, наводнения при разрушении и прорыве плотин и защитных дамб, а также пожары.
Интенсивность землетрясений на поверхности земли оценивается по 12-балльной шкале, согласно ГОСТ 6249-52. ЮНЕСКО рекомендовано использовать близкую международную шкалу MSK–1964. В настоящее время в России используется рекомендованная Бюро межведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (МСССС) АН РФ, так называемая шкала ИФЗ, положенная в основу норм "Строительство в сейсмических районах" - СНиП II-7-81. Шкалы ИФЗ, MSK, а также американская модифицированная шкала Меркалли ММ и европейская шкала Меркалли-Конкани-Зиберга близки между собой.
Последствия сейсмического воздействия на здания и сооружении
Последствия воздействия землетрясений оценивают по шкале, одобренной Бюро МСССС (1973 г.), согласно которой здания и сооружения классифицируют по трем типам:
А - здания из рваного камня, сельские постройки, дома из кирпича-сырца, глинобитные дома;
Б - кирпичные дома, здания крупноблочного липа, здания из естественного тесанного камня:
В - здания панельного типа, каркасные железобетонные здания, деревянные дома хорошей постройки.
Степени повреждений зданий и сооружений приняты следующими:
баллов. Во многих зданиях типа В повреждения 1 степени и в отдельных - 2 степени. Во многих зданиях типа А повреждения 3 степени и в отдельных - 4 степени. Трещины в каменных оградах.
баллов.Сильные повреждения зданий. Во многих зданиях типа В повреждения 2 степени и в отдельных - 3 степени. Во многих зданиях типа Б повреждения 3 степени и в отдельных - 4 степени. Во многих зданиях типа А повреждения 4 степени и в отдельных -5 степени. Памятники и статуи сдвигаются. Надгробные памятники опрокидываются. Каменные ограды разрушаются.
баллов. Всеобщие повреждения зданий. Во многих зданиях типа В повреждения 3 степени и в отдельных - 4 степени. Во многих зданиях типа Б повреждения 4 степени и в отдельных - 5 степени. В большинстве зданий типа А повреждения 5 степени. Памятники и колонны опрокидываются.
баллов. Всеобщие разрушения зданий.
баллов. Катастрофа.
баллов. Изменения рельефа.
3 - большие, глубокие и сквозные трещины в стенах, значительные трещины в стыках между панелями, падение дымовых труб (тяжелые повреждения);
Легкие повреждения: тонкие трещины в штукатурке и откалывание небольших кусков штукатурки;
Умеренные повреждения: небольшие трещины в стенах, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение кровельных черепиц, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб;
Тяжелые повреждения: большие, глубокие и сквозные трещины в стенах, падение дымовых труб;
Разрушения: обрушения внутренних стен и стен заполнения каркаса, проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными частями здания;
Обвалы: полное разрушение зданий.
Приведем описание разрушений зданий и сооружений, соответствующих различной балльности землетрясений:
6 баллов. Повреждения 1 степени в отдельных зданиях типа Б и во многих зданиях липа А; в отдельных зданиях типа А повреждения 2 степени.
Анализ последствий землетрясений показывает, что здания различной конструкции получают следующие повреждения, если сейсмические воздействия превышают расчетные (для зданий, запроектированных с учетом требований СНиП 11-7-81) или здания не имели антисейсмических усилений (по данным А.Мартемьянова).
В каркасных зданиях преимущественно разрушаются узлы каркаса. Особенно сильные повреждения получают основания стоек и узлы соединения ригелей со стойками каркаса, если размеры последних недостаточны и если они не имеют усилений в виде вутов.
Отсутствие вутов в ригелях рамы приводит к разрушению узлов и к искажению формы здания, а иногда – его обрушению.
Разрушение стоек происходит в сечении у фундаментов, реже - у ригеля. Арматура выпучивается наружу, бетон по всему сечению дробится, а стойки укорачиваются.
В малоэтажных зданиях, если стены расположены вплотную снаружи стоек каркаса и опираются на фундаментные балки, в результате соударений в стенах появляются трещины, а иногда они полностью разрушаются.
В крупнопанельных и крупноблочных зданиях наиболее ответственными являются места стыковых соединений панелей и блоков между собой и с перекрытиями. Когда связи стыковых соединений недостаточны, отмечаются случаи взаимного смещения панелей, раскрытии вертикальных стыков, отклонения панелей и даже их обрушение.
Крупноблочные здания перенесли сильные землетрясения в Петропавловском- Камчатском в 1959 и 1971 г.г., где сила землетрясения была более 7 баллов, но здания не были разрушены, получив повреждения в виде трещин.
В зданиях с несущими каменными стенами возникают: косые и Х-образные трещины в простенках и глухих стенах; вертикальные трещины - в местах сопряжения продольных и поперечных стен (возможно выпадение стен наружу); трещины в местах заделки железобетонных перемычек. Возможны сдвиг железобетонных перемычек, а также повреждение антисейсмического пояса.
В зданиях с несущими стенами из местных материалов (сырцовый кирпич, глиносаманные блоки и др.) разрушения носят катастрофический характер. Особо низкой устойчивостью обладают печи и дымовые трубы, разрушение которых часто вызывает пожары.
В деревянных зданиях (рубленных, сборно-щитовых, каркасно-заборных) повреждения стен при землетрясениях незначительны. Характерные повреждения в рубленных домах - щели в углах, в то время, как каркасно-щитовые здания повреждаются более сильно. В каркасно-заборных домах из-за перекоса короткие бревна выходят из пазов, и во многих домах происходит выпадение стен.
Наиболее существенные повреждения деревянных домов происходят при сдвиге по цоколю, причем значительно повреждаются отопительные системы. Степень их повреждения в Байкальском землетрясения 1959 г. в некоторых населенных пунктах составила 100% дымовых труб, 15% всех печей и свыше 10% всех плит. Конструкции зданий можно расположите. по убывающей сейсмостойкости в такой последовательности: каркасные здания, крупнопанельные, деревянные рубленые и сборно-щитовые, здания с несущими каменными стенами, здания со стенами из местных материалов.
4.2.1. Надежность антисейсмической защиты зданий и сооружений
Фактическая надежность зданий и сооружений, вообще говоря, должна подтверждаться статистикой отказов, но для строительных объектов в целом такая статистика никем не ведется и именно поэтому возникает проблема оценки фактической надежности по данным специальных расчетов. Однако имеется область инженерно-строительной деятельности, где фактические отказы изучаются систематически. Это инженерный анализ последствий разрушительных землетрясений. Поэтому ниже будут приведены некоторые накопленные данные о фактической величине сейсмического риска. Для конкретности будет рассматриваться один из наиболее массовых объектов строительства - крупнопанельные жилые здания. В работе представлены данные анализа последствий землетрясений различной интенсивности, перенесенных крупнопанельными зданиями за период около 20 лет. Фактическая повреждаемость характеризовалась в условных единицах по следующей шкале:
1 - небольшие трещины в стенах, откалывание небольших кусков штукатурки (легкие повреждения);
2 - небольшие трещины в стенах, небольшие трещины в стыках между панелями, откалывание значительных кусков штукатурки, падение черепицы с крыши, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб (умеренные повреждения);
4 - обрушение внутренних стен и стен заполнения каркасов. проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными частями зданий (разрушения);
5- полное разрушение зданий (обвалы).
Усредненные данные приведены в табл. 7
Таблица 7
|
Степень повреждения (условных единиц) при землетрясении силой, балл |
|||
СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» предусматривают при расчетной интенсивности воздействия степень повреждения, близкую к трем условным единицам. Если считать такие повреждения отказом, то найденные вероятности превышения этой границы (сейсмический риск) будут равны величинам, показанным в табл. 8.
Таблица 8
|
Расчетная сейсмичность здания, баллы |
Сейсмический риск крупнопанельных зданий при интенсивности землетрясения, баллы |
||
Очевидно, что вероятность появления сейсмических повреждений зависит от срока службы здания. Некоторые из них, имеющие малый срок существования, вообще могут не подвергаться расчетным или близким к ним по интенсивности землетрясениям.
Чем меньше будет интервал между сильнымн землетрясениямиТ э , по сравнению с расчетным сроком службы зданияТ с , тем ныне вероятность получить повреждения. Это схематично показано на рис 70, где по горизонтальной оси отложено время, а интенсивность землетрясения показана высотой столбика. В промежутках между расчетными землетрясениями возможны землетрясения меньшей интенсивности.
Рисунок 70 Схема интервалов времени между землетрясениями
Как видно из этой схемы, отношение среднего срока эксплуатации к среднему промежутку времени между расчетными землетрясениями, хорошо отражает опасность реализации землетрясения в течение срока службы. Так, для сооружения со сроком службы Тс 1 эта опасность велика, а для сооружения со сроком службы Тс 2 < Тс 1 -сравнительно мала.
В то же время, если говорить о землетрясениях меньшей интенсивности, то они
неизбежно реализуются, и для сооружения со сроком службыТ с 1 не один раз.
Для крупнопанельных зданий сТ с = 125 лет и с учетом среднегодового количества землетрясений различной интенсивности, соответствующей карте сейсмического районирования, были получены уточненные значения сейсмического риска в случае расположения здания в «своем» сейсмическом районе (табл. 9).
Таблица 9
|
интенсивности в рассматриваемом регионе (индекс повторяемости) |
|||
Анализ влияния землетрясений различной интенсивности на надежность застройки, представленный выше, нашел воплощение в так называемом двухуровневом подходе к обеспечению сейсмостойкости. Этот подход исходит из идеи о том, что при относительно частых землетрясениях с повторяемостью раз в 100-200 лет (проектные землетрясения - ПЗ) не допускается нарушение нормальной эксплуатации, а при редких разрушительных землетрясениях с повторяемостью раз в 2000-5000 лет (максимальные расчетные землетрясения - МРЗ) необходимо обеспечить сохранность жизни людей и ценного оборудования. По существу двухступенчатое проектирование является первым шагом к анализу сценариев длительного (в течение времени жизни объекта) поведения зданий и сооружений в увязке с методом расчетных предельных состояний.
В дополнение к сказанному необходимо отметить, что расчетный анализ сейсмического риска сам по себе недостаточен в силу той большой неопределенности сейсмологической информации, которая характерна для современного состояния науки. Ведь «сейсмостойкие» здания оказываются уязвимыми не только за счет небрежного исполнения, как это часто утверждается, но и при самом тщательном выполнении всех нормативных требований. И опыт катастрофических разрушений при землетрясениях 1999 года в Турции и на Тайване является тому свидетельством.
По данным, приведенным в работе А.А. Петрова , рекомендации нормативных документов расходятся с наблюдениями на порядки. Так, при землетрясении в Нортридже, оценка балльности которого соответствовала 8 баллам по шкале ММ, были зарегистрированы пиковые ускорения грунта от 0,15g до 1,78g, в то время как расчетное ускорение в СНиП II-78-81* для землетрясения в 8 баллов принимается равным 0,2g (принятая в СНиП шкала МЭК близка к шкале ММ). Все это заставляет относиться с должной осторожностью к расчетам надежности и безопасности при сейсмических воздействиях и во многом полагаться не только на такие расчеты, но и на выработанный веками на основе метода проб и ошибок практический опыт применения конструктивных решений успешной сейсмозащиты зданий и сооружений.
Эффективность применения мер защиты, в частности мер сейсмозащиты, продемонстрировало землетрясение 1989 года в г. Лос-Анджелосе, которое по силе не уступало спитакскомy, но не вызвало никаких разрушений сооружений при полном отсутствии человеческих жертв. А спитакское землетрясение, обрушившееся на объекты, не защищенные в необходимой степени (добавим: и низкое качество строительных работ), унесло более 25000 жизней.
Такие сопоставления требуют проведения весьма тщательного инженерного анализа последствий землетрясений, который должен выявить удачные и неудачные конструктивные решения и дать возможность понять, почему расположенные рядом здания, запроектированные, кстати, с учетом рекомендаций антисейсмических норм, в одном случае прекрасно выдерживают землетрясение, а в другом - разрушаются (рис.71).
По этому поводу имеются самые противоречивые точки зрения, одна из самых радикальных такова: «Причины недавних катастрофических разрушений «сейсмостойкой» застройки в Турции и на Тайване состоит в том, что официальная наука о сейсмике до сих пор не имеет достоверной информации о тех сейсмических воздействиях, которые разрушают здания и сооружения во время сильных землетрясений, и категорически отказывается признать реальность. … Об этом свидетельствует множество очевидных фактов и явлений. Главные из них - необъяснимые перманентные разрушения современных
«сейсмостойких зданий, происходящие вопреки всем нормам и расчетам, а также полное несоответствие формы всех видов сейсмических разрушений зданий тем низкочастотным колебаниям грунта, которые в течение последнего столетия официально считаются единственной причиной разрушения зданий при землетрясениях» . Можно по-разному относиться к таким мнениям, но нужно помнить, что сейсмическая опасность слишком серьезна, чтобы пренебрегать любыми возможностями ее уточнения. Будем помнить, что за последний век жертвами землетрясений стало около миллиона человек по всей земле.
Землетрясение на Гаити
Землетрясение на Гаити 2010 года - крупное землетрясение на острове Гаити, произошедшее 12 января в 16 часов 53 минуты по местному времени. Эпицентр находился в 22 км к юго-западу от столицы Республики Гаити Порт-о-Пренс, гипоцентр на глубине 13 км. После основного толчка магнитудой 7 было зарегистрировано множество повторных толчков, из них 15 с магнитудой более 5.
Рисунок 72 Президентский дворец на Гаити, белоснежное здание в колониальном стиле, которое в центральной части составляло раньше три этажа, также пострадало от землетрясения.
Вечером 12 января 2010 года в течение нескольких минут произошли три землетрясения в нескольких милях от побережья Гаити. Магнитуда первого землетрясения составила 7,0 баллов. Магнитуда повторных подземных толчков составила 5,9 и 5,6 баллов. Особых бед натворил первый толчок. По данным различных информагентств, разрушения в столице Гаити составляют от значительных до максимальных. Некоторые просто говорят, что столица стерта с лица земли.
Столь же различаются и оценки человеческих жертв: президент Гаити Рене Преваль заявил, что число погибших колеблется от 30 до 100 тысяч. Но по другим сообщениям, эти осторожные оценки занижены многократно, и число жертв может перевалить за полмиллиона людей.
Землетрясение на Гаити стало результатом подвижек земной коры в зоне контакта Карибской и Северо-Американской литосферных плит. Последний раз землетрясение такой разрушительной силы произошло на Гаити в 1751 году.
Рисунок 73 Вид на разрушенный землетрясением район Canape‐Vert в столице Гаити 13 января 2010. (REUTERS/Eduardo
Munoz)
По официальным данным на 18 марта 2010 года число погибших составило 222 570 человек, получивших ранения - 311 тыс. человек, пропавших без вести 869 человек. Материальный ущерб оценивается в 5,6 млрд евро.
В день землетрясения в столице Гаити Порт-о-Пренсе были разрушены тысячи жилых домов и практически все больницы. Без крова осталось около 3 миллионов человек. Были также разрушены Национальный дворец, здания Министерства финансов, Министерства общественных работ, Министерства связи и культуры и кафедральный собор.
Столица страны Порт-о-Пренс (население 2,5 млн человек) была опустошена землетрясением, остальные районы страны пострадали мало.
Почему разрушений и жертв так много? Почему власти Гаити оказались не готовы к такому повороту событий?
Во-первых, столь разрушительного землетрясения на острове не было с XVIII века. Соответственно, никто и не предполагал, что подобное может произойти именно в январе 2010 года. А во-вторых, многие дома гаитянской столицы оказались неприспособленными к такой катастрофе – до 80 % гаитянцев живут за чертой бедности, их лачуги были стерты с лица земли в первые же секунды. А учитывая большую скученность построек, можно предположить, что число жертв может действительно измеряться сотнями тысяч человек.
Рисунок 74 Трещины поползли по дому после землетрясения в Порт‐о‐Пренс 12 января. (Clarens Renois / AFP ‐ Getty Images)
Впрочем, очень многое зависит и от правил поведения во время землетрясения. Так, например, десять сотрудников МВД России, которые работали в столице Гаити, во время первого же толчка моментально выскочили из здания, в котором они находились, а потому отделались только царапинами…
Но землетрясение на Гаити не ограничилось тремя толчками вечером 12 января. Уже спустя несколько часов на острове был зафиксирован еще ряд толчков. Только в последний час дня их было пять – силою от 4,2 до 5,7 баллов. На следующий день здесь были зафиксированы еще 32толчка, причем тринадцать из них превышали 5 баллов по шкале Рихтера. Так что они, несомненно, добавили еще разрушений и привели к человеческим жертвам.
По мнению специалистов Национального информационного центра землетрясений при Геологической службе США землетрясения не прекратятся еще долго. Они подчеркнули, что в самых разных уголках планеты происходит в среднем в год одно землетрясение катастрофической степени (силой в 8 и более баллов), 18 землетрясений, которые можно квалифицировать как «очень сильные» (7–7,9 балла), 120 просто «сильных» землетрясений (6–6,9 балла), около 800 «умеренных» колебаний почвы (5–5,9 балла), более 6 200 легких землетрясений (4–4,9 балла), почти 50 тысяч «слабых» (3–3,9 балла). Нетрудно подсчитать, что в среднем в день происходит порядка 150 землетрясений различной магнитуды колебаний.
..|
Условное наименование величины событий |
Ориентировочное соотношение величин М и I для неглубоких очагов землетрясений |
|
|---|---|---|
|
Интервал магнитуд М , по Рихтеру, единицы В ОЧАГЕ |
Интенсивность I , по шкале MSK-64 , баллы НА ПОВЕРХНОСТИ |
|
| Слабые | 2.8 - 4.3 | 3 - 6 |
| Умеренные | 4.3 - 4.8 | 6- 7 |
| Сильные | 4.8 - 6.2 | 7 - 8 |
| Очень сильные | 6.2 - 7.3 | 9 - 10 |
| Катастрофические | 7.3 - 9.0 | 11 - 12 |
ЗАТУХАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА С УДАЛЕНИЕМ ОТ ЭПИЦЕНТРА
Магнитуда землетрясения характеризует энергию сейсмических волн, излучаемых его очагом, а интенсивность сейсмических сотрясений на земной поверхности зависит как от величины эпицентрального расстояния, так и от глубины залегания очага. Приведенные кривые затухания характеризуют спадание интенсивности сейсмических сотрясений с удалением от эпицентра землетрясений разных магнитуд с "нормальной" глубиной очагов, верхняя кромка которых расположена достаточно близко к земной поверхности. Чем очаг глубже, тем слабее сейсмический эффект в эпицентре и тем медленнее затухает он с расстоянием.
// Этот эффект можно уподобить интенсивности освещенности поверхности обычным фонариком. Чем ближе он к ней, тем ярче освещенность на кратчайшем расстоянии от него, но тем быстрее она убывает с удалением от фонарика. При удалении же самого фонарика от освещаемой поверхности освещенность в центре становится тусклее, но зато этот "менее опасный полумрак" охватывает достаточно большую площадь. //
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ОЧАГИ СЦЕНАРНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
В строительной практике, наряду с вероятностными оценками сейсмической опасности, определяемыми на основе нормативных карт сейсмического районирования территории Российской Федерации – ОСР-97, нередко применяются также и детерминистские методы расчета ожидаемых сейсмических воздействий от так называемых сценарных землетрясений, независимо от того, когда они произойдут. При этом решающую роль играет адекватный выбор потенциальных очагов землетрясений, представляющих наибольшую опасность заданным площадям и конкретным строительным объектам.
Непременным условием идентификации и сейсмологической параметризации потенциальных очагов землетрясений (ПОЗ), рассматриваемых в качестве сценарных, является опора на сейсмогеодинамическую модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ), на основе которой создавался комплект официальных карт ОСР-97, имеющих федеральное значение.
При расчете теоретических (синтетических) акселерограмм и динамической реакции зданий и сооружений на сейсмические воздействия, должен учитываться целый ряд геолого-геофизических параметров ПОЗ и среды, в которой распространяются сейсмические волны (местоположение очага, его размеры и ориентация в пространстве, магнитуда, сейсмический момент, затухание сейсмических волн различной длины с расстоянием, спектральное влияние реальных грунтов и другие факторы).
Поскольку детерминистские оценки сейсмического эффекта, получаемые по сценарным землетрясениям, являются консервативными, они нередко существенно завышают величину сейсмической интенсивности, получаемую вероятностными методами. В то же время, такие экстремальные сейсмические воздействия могут оказаться чрезвычайно редкими событиями, которыми зачастую можно и пренебречь. В этой связи допускается перевод детерминистских оценок в вероятностные, соответствующие нормативным требованиям карт ОСР-97.
Объемная модель
источников землетрясений и потенциальные очаги,
представляющие наибольшую опасность для условного
города. 1 – линеаменты,
2 – домены, 3 – очаги крупных землетрясений с
магнитудой М=6.8 и более, 4 – очаги землетрясений с
М=6.7 и менее, 5 – траектории распространения
сейсмических волн от потенциальных очагов Z1 и Z2
землетрясений в сторону города. На этом
рисунке приведен пример распространения сейсмических
волн от двух потенциальных источников землетрясений
– от относительно небольшого очага Z1,
расположенного в домене непосредственно под городом,
и от наиболее крупного очага Z2, принадлежащего
линеаменту и удаленного от города на значительное
расстояние.
В первом
случае, сценарное землетрясение характеризуется
умеренной магнитудой (не более М=5.5) и небольшой
глубиной залегания очага (не более 10 км). Во втором
случае, очаг относится к линеаменту высокого ранга
(магнитуда М=7.5) и имеет достаточно большую
протяженность (около 100 км).
Очаг Z1
генерирует высокочастотный спектр излучаемых волн,
имеющих небольшую продолжительность и достаточно
большие ускорения, опасные в основном для невысоких
строений. И наоборот, низкочастотные динамические
воздействия от очага Z2, которым свойственны
относительно небольшие ускорения, по сравнению с
событием Z1, представляют значительную опасность для
высотных строительных объектов своей очень большой
продолжительностью (возможно, также большими
скоростями колебаний и смещениями грунта) при малых
величинах ускорений.
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.
→ 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.
Землетрясение - мощная разрушительная стихия, которая способна уничтожать целые города. К счастью, за последние несколько десятилетий архитекторы и инженеры разработали несколько технологий, которые гарантируют, что здания, будь то небольшие дома или небоскребы, не разрушатся, если случится землетрясение.
1. «Парящий» фундамент
Изоляция фундамента, как следует из названия, заключается в том, чтобы отделить фундамент здания от всей постройки выше фундамента. Одна из систем, работающих по такому принципу, позволяет зданию «плавать» над фундаментом на свинцово-резиновых подшипниках, в которых свинцовое ядро окружено чередующимися слоями резины и стали. Стальные пластины крепят подшипники к зданию и фундаменту и это позволяет во время землетрясения двигаться фундаменту, но не двигаться конструкции над ним.
Сегодня японские инженеры вывели эту технологию на новый уровень. Их система позволяет зданию парить на воздушной подушке. Вот как это работает. Сенсоры на здании распознают сигналы сейсмической активности. Сеть сенсоров передает сигнал воздушному компрессору, который за полсекунды нагнетает воздух между зданием и фундаментом. Подушка поднимает здание на 3 см над землей, изолируя его от толчков, которые могут его разрушить. Когда землетрясение прекращается, компрессор выключается и здание опускается на место.
2. Амортизаторы ударов
Эта технология взята из авто-индустрии. Амортизаторы уменьшают магнитуду вибраций, превращая кинетическую энергию колебаний в тепловую энергию, которая может быть рассеяна через тормозную жидкость. В строительстве инженеры устанавливают на каждом уровне здания подобные гасители колебаний, один конец которых крепится к колонне, другой к балке. Каждый гаситель состоит из поршневой головки, которая движется в цилиндре, наполненном силиконовым маслом. Во время землетрясения горизонтальное движение здания заставляет двигаться поршни, оказывая давление на масло, что преобразует механическую энергию землетрясения в тепло.
3. Маятниковая сила
Амортизация может быть разных видов. Другое решение, особенно для небоскребов, предполагает подвешивание огромной массы у вершины здания. Стальные тросы поддерживают массу, в то время как тягучие жидкие амортизаторы располагаются между массой и защищаемым зданием. Когда во время землетрясения здание раскачивается, маятниковая сила заставляет его двигаться в обратном направлении, рассеивая энергию.
Каждый такой маятник настроен точно в соответствии с естественной частотой вибрации здания, чтобы избежать эффекта резонанса. Такая система используется в небоскребе «Тайбэй 101» высотой 508 м – в центре маятника 660-тонный шар золотого цвета, подвешенный на 8 стальных тросах.
4. Заменяемые предохранители
Знаете, как работают электрические «пробки»? Инженеры пытаются внедрить подобные предохранители и в сейсмическую защиту зданий.
Электрические предохранители «вылетают», если нагрузка на сеть превышает определенные значения. Электричество отключается, и это предотвращает перегрев и пожары. Исследователи из Университета Стэнфорда и Университета Иллинойса провели исследования конструкции из стальных рам, которые являются эластичными и могут колебаться на вершине фундамента.
Но это еще не все. В дополнение исследователи предложили вертикальные кабели, которые соединяют верхушку каждой рамы с фундаментом, тем самым ограничивая колебания. А когда колебания заканчиваются, кабели могут вытянуть всю конструкцию вверх. Наконец, между рамами и у оснований колонн находятся заменяемые предохранители. Металлические зубцы предохранителей поглощают сейсмическую энергию. Если нагрузка превысит допустимую, предохранители можно легко и недорого заменить, быстро восстановив здание в его первозданном виде.
5. Колеблющееся «ядро»
Во многих современных небоскребах инженеры используют систему колеблющейся стены центрального ствола здания. Усиленный бетон проходит через центр конструкции, окружая лифтовые холлы. Однако эта технология несовершенна, и такие здания во время землетрясений могут подвергаться значительным неэластичным деформациям. Решением может стать комбинирование этой технологии с упомянутой выше изоляцией фундамента.
Стена центрального ствола здания колеблется на нижнем уровне здания, чтобы предотвратить разрушения бетона стены. Кроме того, инженеры укрепляют два нижних этажа здания сталью и устанавливают натяжную арматуру по всей высоте. В железобетонных конструкциях с натяжением арматуры на бетон стальные тросы проходят через центральный ствол здания. Они работают как резиновые ленты, которые могут быть растянуты гидродомкратами, чтобы усилить временное сопротивление разрыву центрального ствола.
6. Плащ-невидимка от землетрясений
Землетрясения создают волны, которые подразделяются на объемные и поверхностные. Первые быстро проходят в глубину Земли. Вторые двигаются более медленно через земную кору и включают подвид волн, известный как волны Рэлея, которые двигают землю в вертикальном направлении. Именно эти колебания и создают основные разрушения при землетрясениях.
Некоторые ученые полагают, что можно прервать передачу этих волн, создав «плащ-невидимку» из 100 концентрических пластиковых колец, скрытых под фундаментом здания. Такие кольца могут улавливать волны, и колебания уже не могут распространяться на здание над ними, а просто выходят с другого конца конструкции из колец. Однако не до конца изучено, что будет в таком случае со стоящими поблизости зданиями, лишенными такой защиты.
7. Сплавы с эффектом памяти формы
Пластичность материалов представляет главную задачу для инженеров, пытающихся создать сейсмоустойчивые здания. Пластичность описывает изменения, которые происходят в материале, когда к нему прикладывают силу. Если эта сила достаточно велика, форма материала может быть изменена навсегда, что повлияет на его способность правильно функционировать.
Сплавы с эффектом памяти формы, в отличие от традиционных стали и бетона, могут испытывать значительные нагрузки и все равно возвращаться к прежней форме. Эксперименты с этими сплавами уже проводятся. Один из них – никель-титан, или нитинол, который эластичнее стали на 10-30%.
8. Углеволоконная оболочка
Строить новые здания с сейсмозащитой очень важно, но не менее важно защищать от землетрясений здания уже построенные. Изоляция фундамента здесь также может помочь, но есть более простое решение, так называемая усиленная углеродным волокном пластиковая оболочка (fiber-reinforced plastic wrap, FRP). Инженеры просто оборачивают пластиковый материал вокруг опорных бетонных колонн и закачивают под давлением эпоксидную смолу между колонной и материалом. Этот процесс может быть повторен 6-8 раз. Таким способом можно укрепить даже здания, которые уже были повреждены землетрясениями. Согласно исследованиям, устойчивость конструкций при применении такого метода возрастает на 24-38%.
9. Биоматериалы
Материалы, подобные FRP и сплавам с эффектом памяти, в будущем могут стать еще более совершенными – и вдохновение для новых материалов может прийти из мира животных. Например, скромная мидия, чтобы оставаться на своем месте, выделяет липкие волокна – биссусные нити. Некоторые из них жесткие, а другие – эластичные. Когда волна ударяет в мидию, она остается на своем месте, т.к. эластичные нити поглощают волну. Исследователи подсчитали, что соотношение жестких и эластичных волокон – 80:20. Дело за малым – разработать подобный материал для применения в строительстве.
Другая идея связана с пауками. Известно, что их паутина прочнее стали, однако ученые считает, что уникальным этот материал делает динамическая реакция при значительном натяжении. Ученые обнаружили, что при растяжении отдельных нитей паутины они сначала не растягиваются, потом растягиваются, а потом опять становятся нерастягивающимися.
10. Картонные трубы
Для стран, которые не могут позволить себе дорогие сейсмозащитные технологии, у инженеров также есть разработки. Например, в Перу исследователи сделали традиционные постройки из необожженного кирпича прочнее, укрепив их пластиковой сеткой. В Индии успешно используют бамбук для усиления бетона. В Индонезии некоторые здания стоят на опорах из старых покрышек, наполненных песком или камнями.
Даже картон может стать крепким, долговечным строительным материалом. Японский архитектор Shigeru Ban построил несколько зданий, используя картонные трубы, покрытые полиуретаном. В 2013 г. он построил собор в Новой Зеландии. Для постройки понадобилось 98 картонных труб, усиленных деревянными балками. Конструкции из картона и дерева очень легкие и гнущиеся, они лучше выдерживают сейсмические нагрузки, чем бетон. А если они все-таки разрушатся, вероятность, что под обломками пострадают люди, минимальна.
Текст: Валентина Лебедева