Учебное пособие по дисциплине Сейсмостойкость зданий и транспортных сооружений для студентов специальности 290900 Изыскание, проектирование и постройка железных дорог, путь и путевое хозяйство
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ЗДАНИЙ И ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Иркутск 2005 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ В.В. Гаскин, И.А. Иванов СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ЗДАНИЙ И ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Учебное пособие по дисциплине «Сейсмостойкость зданий и транспортных сооружений» для студентов специальности 290900 «Изыскание, проектирование и постройка железных дорог, путь и путевое хозяйство» и специальности 291500 «Экспертиза и управление недвижимостью» Иркутск 2005 1 УДК 624.01 ББК 38.3 Г14 Рекомендуется УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов для межвузовского использования Рецензенты: доктор технических наук В.А. Подвербный, профессор ИрГУПСа, кандидат технических наук А.Ю. Михайлов, доцент ИрГТУ Гаскин В.В., Иванов И.А. Сейсмостойкость зданий и транспортных сооружений: учебное пособие. - Иркутск: ИрГУПС, 2005. - 76 с. Рассмотрены вопросы инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства различных зданий и транспортных сооружений. Ил. 11. Табл. 5. Библиогр.: 28 назв. © Гаскин В.В, Иванов И.А. © Иркутский государственный университет путей сообщения, 2005 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Возникновение проблемы сейсмостойкости искусственных сооружений относится к началу их строительства, а методы ее реализации ранее носили эмпирический характер. И лишь после землетрясений в Ноби (1901) и Сан- Франциско (1906) эта проблема привлекла внимание исследователей. Последствиями таких грозных как землетрясения стихийных бедствий являются разрушения зданий, плотин, мостов, сопровождающиеся пожарами аварии инженерных коммуникаций, а также большие человеческие жертвы. Страна, в которой произошло землетрясение, несет значительный материальный ущерб и основными путями снижения этого ущерба являются введение на стадии проектирования объекта требуемых антисейсмических мероприятий и должное качество выполнения строительно-монтажных работ. В России имеется ограниченный объем предназначенной для ВУЗов методической литературы по сейсмостойкому строительству и в ней недостаточно освещены вопросы инженерной сейсмологии, сейсмостойкости промышленных и гражданских зданий, способы изучения их колебаний, восстановления и сноса. Не рассмотрены также вопросы обеспечения сейсмостойкости транспортных сооружений. Данное пособие является попыткой заполнить эти пробелы. Надеемся, что изучение изложенного в настоящем учебном пособии специального курса, посвященного особенностям проектирования, строительства, восстановления и сноса поврежденных землетрясениями зданий и сооружений в сейсмических районах будет способствовать уменьшению общего национального ущерба от сейсмических воздействий. Глава 1. Инженерная сейсмология 1.1. Землетрясения 3 Землетрясения - это стихийные бедствия, которым подвержены многие районы земного шара. В результате землетрясений происходят оползни, обвалы в горах, изменяются русла рек, часть суши опускается и становится дном, дно морей поднимается и становится сушей. На море землетрясения сопровождаются огромными волнами, которые заливают и опустошают большие площади прибрежных земель. Землетрясения вызывают ужас у людей и животных, влекут за собой большие человеческие жертвы. Но люди заметили, что при землетрясениях разрушаются не все здания и сооружения, поэтому стали присматриваться к этой проблеме и пытаться создавать сооружения, способные противостоять землетрясениям. Для того чтобы узнать, какие факторы вызывают разрушение зданий, необходимо было разобраться во многих вопросах, связанных с землетрясениями. Однако изучать землетрясения нелегко, в связи с тем, что происходят они внезапно и продолжаются небольшой промежуток времени. Первая попытка создать теоретические предпосылки для расчета и проектирования сейсмостойких зданий и сооружений была сделана в прошлом столетии японским ученым Омори. Но ее применение на практике не гарантировало надежность зданий при сильных землетрясениях, так как метод Омори более всего подходил для проектирования зданий с жесткой конструктивной схемой. Более обоснованное представление о работе зданий и сооружений было получено лишь после разработки динамического метода расчета. Однако проблема сейсмостойкости зданий и сооружений далеко не исчерпывалась лишь вопросом определения сейсмических нагрузок. Необходимо было также знать несущую способность строительных конструкций, загруженных импульсивной знакопеременной сейсмической нагрузкой, учитывать работу грунтов и т.д. Таким образом, в проблеме сейсмостойкости зданий и сооружений различают три аспекта: необходимо уметь описывать само сейсмическое воздействие; уметь правильно моделировать работу здания, т.е. грамотно конструировать расчетные схемы объектов расчета; знать работу материала. Познакомимся с некоторыми землетрясениями, происшедшими в различных частях земного шара. В 1755 г. сильнейшее землетрясение и вызванные им волны цунами разрушили г. Лиссабон. Были превращены в развалины около 15000 домов, погибла четверть населения города. В Индийской провинции Ассам в 1897 г. землетрясение разрушило все на территории 350 тыс. кв. км. Возникли трещины в грунте, реки изменили течение, некоторые дома погрузились в мягкий грунт до крыш. Землетрясение 1908 года в Италии с гипоцентром под дном Мессинского пролива было одним из самых сокрушительных. Разрушено 98 % зданий, погибло около 100 тыс. человек. 4 Токийское землетрясение 1923 года разрушило города Иокогаму и Токио. Оно сопровождалось взрывами газовых магистралей и пожарами. Более I млн. зданий было разрушено, более 400 тыс. зданий сгорело и более 200 тыс. зданий смыла морская волна. Погибло свыше 150 тыс. человек. Дно бухты Сагама вдоль тектонической линии поднялось к северу на 200 м и опустилось к югу на 100 м. Ашхабадское землетрясение 1948 года силой 8 баллов сильно повредило здания из сырцового кирпича и железобетонные. В 1966 г. произошло землетрясение в г.Ташкенте с очагом под центром города. Разрушены здания из глинобита, самана и некоторые сейсмостойкие здания современной постройки. Землетрясения в г. Газли силой 8-9 баллов по отечественной 12- балльной шкале вызвало значительные разрушения и выявило небрежность и низкую квалификацию проектировщиков и строителей ряда крупнопанельных жилых зданий, а землетрясение 1986 г. в Молдавии (г. Кишинев) силой 7-8 баллов подтвердило должную сейсмостойкость строящихся в Молдавии 9-этажных крупнопанельных домов серии 135. Катастрофические силой 7,8 балла 19 сентября и 7 баллов 20 сентября 1985 года (шкала Рихтера) землетрясения, поразившие всю страну, произошли в Мексике. Наиболее значительным разрушениям подверглись центральные и южные районы г. Мехико. Погибло около 7 тыс. человек, тысячи людей были ранены. До основания разрушено более 500 многоэтажных зданий современной постройки. Специалистами установлено, что разрушившиеся высокие здания имели асимметричную форму в плане, были расположены слишком близко к более низким зданиям (эффект соударения). А определенное количество разрушенных зданий было построено строительными фирмами, экономившими на антисейсмических мероприятиях. Мощность этого землетрясения была обусловлена эффектом усиления колебаний обводненных аллювиальных отложений в долине Мехико, а его причиной явился разрыв земной коры, вызванный смещением на расстояние от одного до двух метров плиты земной коры под названием "плита Кокос" относительно неподвижного соседнего участка. Строение Земли, температура, давление и скорости распространения сейсмических волн. Земля представляет собой сферическое тело с радиусом порядка 6400 км. Строение Земли изучалось с разных позиций. Одним из основных методов ее исследования официальной наукой является геофизический метод сравнения параметров колебаний разных точек на земной поверхности при землетрясениях. 5 Землетрясения проявляются в виде колебаний поверхности Земли, Земная кора Мантия Ядро 3500 2900 5-40 вызв Рис. 1. Упрощенная схема строения Земли Ядро составляет центральную часть Земли и представляет собой сферу с радиусом 3500 км. Поскольку ядро не проводит поперечные волны, то, по крайней мере, его поверхностная часть считается жидкостью. Мантия покрывает ядро, имеет мощность около 2900 км и состоит из ультраосновных оливиновых пород. Земная кора имеет мощность 5 – 40 км и состоит из изверженных (гранита и базальта) пород, осадочных пород и продуктов метаморфической деятельности. емная кора в океанической и континентальной частях различается по является базальтовой и имеет кора состоит из двух слоев: гранитного в верхней части и базальтового в нижней. Здесь толщина коры сост перемещаются. Удельные массы разных Сл г/см 3 анных высвободившейся внутри Земли энергией. Особенности этих колебаний зависят от свойств геологических структур, расположенных вдоль линии распространения сейсмических волн. Поэтому исследования картины распространения колебаний позволяют обратным путем судить о внутреннем строении Земли. В соответствии с результатами таких исследований Земля состоит из трех слоев разной природы: ядра или центросферы, мантии и земной коры или литосферы (рис.1). З своему составу и толщине. Под океаном кора толщину 5 км. В континентальной части авляет от 30 до 40 км. Заметим, что существуют также и другие модели строения Земли, не совпадающие с мнением официальной науки. Континенты в виде тонких плит плавают в мантии, которая имеет свойства вязко-текучей среды. В связи с процессами, происходящими в мантии, континенты деформируются и частей земли приведены в табл. 1. Таблица 1 Удельные массы разных слоев Земли ой Удельная масса Кора 2,7 – 3,0 6 М по внутреннему периметру 5,7 антия по наружному периметру, 3,3 Яд центральная часть 9,7 12,3 ро по периферии, Температура Земли увеличивается с глубиной и составляет: 1000-1500° глубине 700 км (т.е. на наибольшей глубине, где, как считают, могут зарождаться землетрясения) и 4000-5000° С в центре ядра. адиент возрастания температуры но 30° С/км в поверхностном слое Земли, а затем уменьшается с глубин итается, что давление внутри Земли составля 2 в верхней ом слое ядра и 3700 т в центре ядра. Эти д вышают прочность скальных пород при странения продольной сейсмической ы в гранитной част земной коры равна 6 км/с, в базальтовой части - 6,7 км/с и в мантии, в сред ю нача С на глубине 100 км, около 2000° С на Гр равен пример ой. Сч ет 9 т/см части мантии, 1400 т/см 2 в наружн /см 2 авления во много раз пре осевом сжатии. Скорость распро волн и нем, она составляет 8,7 км/с. Вблизи границы между земной корой и мантией существует плоскость, в которой скорости распространения сейсмических волн непрерывно меняются. Скорость поперечных волн изменяется от 3,7 до 4,4 км/с, продольных - от 6,3 до 7,8 км/с. Эту плоскость разрывности скоростей сейсмических волн называют поверхностью Мохоровичича (или Мохо). История Земли. Считают, что возраст Земли (примерно 4500 млн. лет) совпадает с возрастом галактической вселенной. Взаимные влияния материи в недрах Земли привели в результате к разделению ее на три современных слоя и расчленени земной коры на континенты и океаны. Полагают, что в ле палеозойской эры Земля как тело стала почти такой, какой она выглядит сейчас. Считается также, что формации земной коры, имеющие отношение к происходящим сегодня землетрясениям, связаны с третичным и частично с четвертичным периодами Кайнозойской эры. Земля постоянно меняется под действием непрерывного потока энергии из недр и со стороны Солнца. На поверхности Земли происходит эрозия, стираются горы и равнины, вызывая перемещение грунта и камней к морю и отложение их на морском дне. Продукты вулканической деятельности и остатки организмов также накапливаются на дне океанов. Мантийное вещество под океанами стремится подняться, а под континентами - погрузиться в недра Земли. В результате мантия под континентами оседает как в связи с ее конвекцией, так и под весом отложившихся материалов. Земная кора в этих же районах изгибается вниз, образуя впадины, 7 называемые геосинклиналями. В местах геосинклиналей кора испытывает в течение длительного времени действие высоких температур и давлений. равновесия, через определенное время, когда конвекция мантии в этом а аких изме к к то место, где зародилось и произошло земл в в лебаний продолжается в течение определенного промежутка врем ко ся во од ые Погружение будет продолжаться до тех пор, пока конвективными потоками мантии создается большое боковое давление. Но, поскольку это движение по направлению противоположно положению изостатического сечении начнет спадать, ранее опустившиеся части снова начнут подниматься в связи с изостазией. И вновь образованные массы породы поднимутся выше поверхности моря. Этот процесс известен как движение горообразования или орогенезис. Гипоцентры. Причины землетрясений. В условиях, когда в недрах Земли накапливаются громадные запасы энергии, континенты находятся в процессе постоянного роста, на поверхности Земли также происходят различные изменения. Землетрясения связаны с одним видом т нений. С точки зрения сейсмогеологии, землетрясения представляют собой сильные олебания грунта, происходящие благодаря высвобождению большого количества энергии в течение короткого промежутка времени при дислокациях внутри земной оры или верхней части мантии Полагают, что максимальное количество энергии, высвобождаемое при одном землетрясении, приблизительно равно 5•10 10 Дж. Гипоцентр или фокус - это етрясение. Эпицентр - точка на поверхности непосредственно над гипоцентром. Амплитуды сейсмических колебаний на поверхности сначала имеют небольшую величину, затем внезапно у еличиваются. Этот торой период процесса ко ени, после которого колебания постепенно затухают. Первый период легкого дрожания называется начальными толчками, следующая часть с большими амплитудами - основными толчками, заключительная часть - хвостом колебаний (рис. 2). Этот характер колебаний связан с тем, что внутри земной ры образуют два вида лн - первичные пр ольн Рис. 2. Осциллограмма колебаний поверхности грунта 8 волны (волны растяжения-сжатия) и вторичные поперечные волны (волны сдвига). Когда происходит освобождение энергии в гипоцентре землетрясения, эти волны возникают одновременно. Однако, поскольку скорость распространения продольных волн больше, они раньше достигают пункта регистрации на земной поверхности и начальная фаза колебаний целиком определяется этими волнами. Последующее появление поперечных и поверхностных волн характеризует основную фазу колебаний. Установлено, что расстояние от гипоцентра до пункта регистрации приближенно пропорционально продолжительности начальной фазы колебаний. Расстояние до гипоцентра от овить координаты гипоцентра. ей к н ме о но проявляется ряд последующих толч е о м о ос а км их называют очень поверхностными; при глубинах от 30 до 100 ний. об ря я. и нескольких (трех) точек регистрации позволяет устан Однако найденный гипоцентр является источником возникновения лишь первой с смичес ой волны. О может не совпадать с ст м наиболее интенсивного выделения энергии, т.е. очаг может охватывать значительную площадь. Разрушительные землетрясения не ограничиваются одним колебательным возмущением. Обыч ков. Первое сильное землетрясение называ тся сновным толчко или форшоком, а последующие - афтершоками. Гипоцентры афтершоков необязательн совпадают с гипоцентром новного толчк , который обычно располагается на краю гипоцентральной области афтершоков. Землетрясения классифицируют в зависимости от глубины очага: при глубине до 30 км - поверхностными; при глубинах более 100 км - глубокофокусными. Максимальной глубиной очага считают величину 700 км. В зависимости от причин возникновения различают следующие типы землетрясе Провальные или вальные землет сени Вызываются обширными обвалами карстовых областей внутри Земл . Вулканические землетрясения. Вызываются локальными извержениями лавы, взрывами газа и т.п. Этот тип землетрясений редко встречается, слаб по интенсивности и имеет ограниченную сферу влияния. Глубокофокусные землетрясения. Причины их возникновения мало изучены. Землетрясения эти мощны, однако из-за большого удаления очага от поверхности Земли, редко вызывают разрушения зданий. Тектонические землетрясения. Для объяснения их причин выдвигались разл проявления, различие по размерам, неравномерное расп магмы и сил горообразования ичные теории, которые рассматривали такие характеристики, как периодичность ределение по регионам. Основные распространенные в наше время подходы базируются на теории действия 9 (оро и происходит быстрое накопление энергии, там и возрастает сейсмическая гию деформаций. Если спос р л дет происходить медл эт р ц к ов сейсмостойкого строительства. е генезиса). Там, где отмечаются интенсивные движения горообразования активность. Интервалы между землетрясениями различаются в зависимости от способности блоков земной коры накапливать энер обность к накоплению энергии в азломе ве ика, величина подвижки будет большой, что увеличивает размер проявляющегося землетрясения. И, наоборот, если способность к накоплению энергии мала, бу енное непрерывное скольжение в разломе, а величина подвижки во время землетрясения и, следовательно, размеры самого землетрясения, будут невелики. Из ого следует, что в пе вых зонах будут происходить землетрясения через продолжительный период времени и сила их будет велика. Во вторых зонах будут происходить частые, средние и слабые землетрясения. Анализ географии зарегистрированных землетрясений показывает, что они распределяются не случайным образом. Районы, в которых происходят разрушительные землетрясения, чрезвычайно ограничены. Эти области называют сейсмическими поясами или сейсмическими зонами (см. табл. 2). Проявление землетрясений. Землетрясения проявляются не только в простом сотрясении Земли, а сопровождаются различными другими явлениями. К важным с инженерной точки зрения явлениям относятся сейсмические толчки, движения земной коры, образование разломов и сбросов, унами. Происходят та же изменения в геомагнетизме и электрическом поле Земли, которые представляют большой интерес для геофизиков, но не оказывают в настоящее время прямого влияния на решение вопрос Сейсмические толчки. Для процессов колебаний земной поверхности характерны начальные слабые толчки небольшой продолжительности, за которыми следуют интенсивны колебания в течение определенного промежутка времени, после чего колебания затухают. Коровые движения. Благодаря съемкам до и после землетрясений иногда о наруживают что поверхность грунта получает перемещения по горизонтальному и вертикальному направлениям в пределах большой площади. Если съемку удается выполнить непосредственно перед землетрясением и сразу после него, то можно опреде ить точно изменения, вызванные землетрясением. Методы измерения перемещений земной коры включают в себя прецизионную триангуляцию с использованием триангуляционных станций и прецизионн б , л ое нивелирование с использованием реперов (методы высшей геодезии). Однако эти методы в связи с их сложностью и высокой стоимостью могут применяться не всегда. Таблица 2 10 Сейсмические пояса Земли Тип Описание Расположение гипоцентра Примеры Океанический Следует впадинам на дне океана Мантия Центральный пояс Индийского океана Вокруг островов Следует дугам, окружающим небольшие Мантия Алеутские, Курильские, Марианские острова острова Рюкю , острова Орогенические Следует геосинклинали дугам горных на х или , кора и Японские Филиппинский Земная мантия острова, архипелаг, западное побережь Южной мерики А , Западное побережье Северной Америки, Иран, урция Т хребтов континента дугам окружающим большие острова Континентальные плато Внутри континентов Земная кора Восточная Сибирь, Аппалачский регион В последние г ых наблюдений нач оборудование по измерению наклонов и деформаций земно но состоит из группы трех наклономеров в виде труб с водой дл 30 м, размещенных во взаимно пересекающихся тоннелях. ры позволяют регистрировать изменения углов наклона с точно и служат для решения задач по прогнозу землетрясений. земной наиболее прояв егл оцентр котор ает определенный предел. я землетрясения с глубин е 20 км этот предел равен примерно 10 15 Дж. Здесь можно о направление движения при землетрясении часто совпадает с направлением оды для ежедневн инают применять й коры. О иной около Эти прибо стью до минуты яются Движения землетрясениях с н коры убокими гип Например, дл часто ами, энергия л при ых превыш ой очага мене заметить, чт 11 движ разлом называется гориз и ии и и о д случае, когда очаг землетрясения распо ич х размеры волн цунами бывают при землетрясениях п отсоса, у яет глубина океана и рельеф береговой линии. . , , раняется ее объе изи поверхности Земли возникают колебания грунта, которые проявляются только в поверхностных слоях и ения этих же участков поверхности, имевшим место при землетрясениях, происходивших ранее. Разломы. Во время сильных землетрясений иногда возникают разрывы движений по двум сторонам от граничной линии, охватывающей узкий участок поверхности. Пересечение плоскости разрыва с этой поверхностью называется разломом. При горизонтальной дислокации онтальным, при д слокац в вертикальном направлени - вертикальным разломом. Некоторые разломы не выходят на поверхность грунта и их наличие может быть обнаружено только после проведения геодезических съемок. Длина и раскрытие разломов могут быть вычислены в зависимости от силы землетрясения. Цунам . Эт морские волны большой лины, затапливающие прибрежные районы. Они возникают в том лагается под дном океана. Слово "цунами" имеет японское происхождение. Цунами возникают тогда, когда при землетрясении происходит опускание или поднятие дна океана. Такие нарушения поверхности дна в результате тектон ески движений происходят одновременно на большой территории эпицентральной области. Высота волны достигает 30 м, длина волны - около 100 км, скорость распространения - приблизительно 500-700 км/ч. Период одной волны составляет 10-30 мин. Наибольшие в пределах тихоокеанского сейсмического ояса. Цунами начинаются с понижения уровня воды у океанического побережья в виде своеобразного за которым следует подъем воды. На величин волны цунами очень вли Сейсмические волны. Объемные волны Энергия, высвобождаемая на глубине, распространяется в форме колебательного движения, достигая поверхности земли. В слоях грунта могут передаваться два вида волн разной природа - продольные и поперечные При прохождении продольных волн (Р) направление движения части грунта совпадает с направлением движения фронта волны. Среда, в которой распространяется этот вид волн, испытывает напряжения растяжения-сжатия с изменением своего объема. Смещение вдоль возбуждения вызывает вторую волну перпендикулярную первой. Эта волна, называемая поперечной (S) сопровождается изменением формы среды, но при этом сох м. Продольная волна распространяется быстрее поперечной и поэтому раньше достигает поверхности земли. Скорость распространения продольных волн в земной коре - 7-8 км/c, поперечных - 4-4,5 км/с. Поверхностные волны. Вбл 12 быст стицы грунта при движении описывают эллипс в вертикальной плоскости, й ю ь б во теле - за счет , о Д т , и л унта, величинах его скоростей, смещений, ускорений, дефо ы р от о и грунта существуют специальные приборы маят в д у колебаний грунта: Т ро затухают в более глубоких. Эти колебания вызываются поверхностными волнами (R). Поверхностная волна, возникающая в однородном грунте, называется волной Рэлея - по имени открывшего ее лорда Рэлея. В этом случае ча параллельно направлени распространения волн. Причем большая ос эллипса в лизи эпицентра направлена вертикально, а меньшая - горизонтально. Схема распространения поверхностных волн аналогична схеме распространения гравитационных лн в воде. Различие в том, что в жидкости волны распространяются за счет сил тяжести, а в твердом сил упругости. Отметим что п мере удаления от эпицентра вертикальная составляющая смещения грунта уменьшается, а горизонтальная - увеличивается. Регистрация сейсмических колебаний. ля научного анализа процессов сейсмических колебаний необходимы инструментальные измерения. Многолетними инструментальными наблюдениями в разных сейсмических зонах было установлено, что закономерности сейсмических колебаний имею региональный характер т.е. колебания грунта в разных сейсмических областях различны. Для получения записей землетрясений необходима густая сеть инженерно-сейсмических станций, снабженных аппаратурой для регистрации сильных землетрясений. Такая служба в России уже создана, ее называют нженерно-сейсмометрической с ужбой (ИСС). Записи сильных землетрясений позволяют получить более полную и подробную информацию о колебаниях гр рмаций и т.п Эти величин требуются для азработки методов проектирования в сейсмических районах ветственных с оружений: плотин, шлюзов, дамб, атомных электростанций, тоннелей т.п. Получение записей сильных землетрясений связано с определенными материальными и организационными трудностями. Для регистрации смещений, скоростей и ускорений нико ого типа, а их принципиальные отличия друг от руга заключаются в следующем Сейсмограф. Регистрирует смещения грунта. Собственный период колебаний его маятника больше периода сейсмических колебаний: Т СОБ. > Т СЕЙСМ. при h примерно равном 0,7. Здесь h - коэффициент затухания. Осциллограмму землетрясения, полученную с помощью сейсмографа, называют сейсмограммой. Велосиграф. Этот прибор регистрирует скорости смещений грунта. Период колебаний его маятника примерно равен период СОБ. ≈ Т СЕЙСМ. , а коэффициент затухания h больше критического. С помощью этого прибора получают велосиграмму. 13 Акселерограф. Регистрирует ускорения, возникающие при колебаниях грунта. Здесь собственных колебаний аятника прибо а меньше периода колебаний грунта: Т период м р СОБ. <. Т СЕЙСМ. , а коэффициент затухания h ≈ 0,5. Пол й в п пункта, номером станции, эпицентральным рассто е со я с основанием, обоснование расчетных схем сооружений, изуч ногоканальное исследование колебаний соор и осциллографа с гал е п о Г Ш ужений, обычно используют комплект вибрографов ВЭГИК и осци Б п учаемую с помощью акселерографа осциллограмму называют акселерограммой. Полученные с помощью названных приборов осциллограммы должны сопровождаться следующими данными: дато , ременем о Гринвичу, названием населенного янием, глубиной очага, азимутом эпицентра, балльностью землетрясения, масштабами времени и измерения. Регистрация колебаний осуществляется в горизонтальном и вертикальном направлениях, причем, начало записи расположено слева. В момент начала землетрясения приборы включаются автоматически пускателями, а через несколько минут ими же отключаются. Многоканальные исследования колебаний сооружений. При изучении колебаний сооружений ставят разны задачи: анализ вместной работы сооружени ение конструкции и материала сооружения, анализ динамических характеристик зданий и сооружений. Перечисленные аспекты имеют непосредственное отношение к проектированию сейсмостойких зданий и сооружений. Разработкой методики измерений и соответствующей аппаратуры длительное время занимался институт физики Земли РАН. Результатом этих работ явился метод МИКС (м ужений). Измерение колебаний сооружений по методу МИКС производится с помощью электродинамических вибрографов ьванометрической р гистрацией. При этом запись роизводится на дну ленту синхронно. В качестве датчиков применяют вибрографы трех типов: ВЭГИК, акселерограф СПМ-6 и виброграф больших перемещений ВБП. Для регистрации используются осциллографы ПОБ-9, ПОБ-12 или ПОБ-14 с гальванометрами типов Б- и ГБ-IV. Колебания регистрируют в интервале частот 2 - 20 Гц. Специалисты, занимающиеся вопросами сейсмостойкости зданий и соор ллографа ПО . Виброграф ВЭГИК (виброграф электродинамический, геофизический институт, Кирнос) регистрирует механические колебания в горизонтальной и вертикальной плоскостях и ередает этот сигнал на осциллограф. Осциллограф ПОБ (полевой осциллограф Борисевича; цифры после букв названия указывают на количество гальванометров, установленных в осциллографе, а, следовательно, и на количество каналов) укомплектован съемной кассетой для фотобумаги, на катушке которой может быть намотано до 10 м фотобумаги шириной 12 см. Он имеет также две осветительные 14 лампы: одна освещает зеркальца всех гальванометров, а другая необходима для фиксации марок времени на фотоленте. Луч света, отражаясь от зеркальцев гальванометров, падает на фотобумагу в виде точек, каждой из которых соответствует один гальванометр. В связи с тем, что фотобумага движ х линий с часто ный характер. В дальнейшем ученые обобщали последствия разных землетрясений и разрабатывали обобщенные шкалы. Рассмотрим неко ее время шкалы сейсмической интенсивности. я е а с с е м е унтовых и подземных вод и прочие признаки (реак с при изменении балл ий ется в кассете с равномерной скоростью, регистрируемые колебания развертываются во времени. Скорость протяжки фотобумаги обычно 4-8 см/с. Маркировка времени наносится в виде сплошных тонки той 10 и 20 Гц. 1.2. Интенсивность землетрясений Шкалы сейсмической интенсивности. Вопрос о силе землетрясения наиболее старый в сейсмологии. Еще в античные времена пытались различным образом охарактеризовать силу землетрясения. Первые попытки классифицировать землетрясения по интенсивности относятся к началу XVII века. Для оценки силы землетрясения пользовались различными сейсмическими шкалами. За период примерно в 200 лет таких шкал составлено около 50-ти. Первые сейсмические шкалы составляли применительно к последствиям отдельных землетрясений и поэтому они имели индивидуаль торые действующие в настоящ Шкала JMA. Принята в 1949 г. японским метеорологическим агентством. Является стандартом дл определения интенсивности землетрясений в Японии, имеет восемь позиций - от 0 до 7. Шкала Меркалли-Канкани-Зиберга (шкала ММ или модифицированная Меркалли). Шкала утв ржден международной ейсмической а социацией в 1917 г. Действует в США и большинстве европейских стран. Содержит описательны признаки последствий землетрясений, двенадцатибалльная. В СССР до 1953 г. использовалась шкала ММ. В настоящее время в России действует сейсмическая шкала Института физики Земли РАН. Описание последствий землетрясений в этой шкале дифференцировано по трем раздела : поведени зданий и сооружений, остаточные явления в грунтах, изменение режима гр ция людей, животных, мещение мебели и т.п ), что является ее отличительной особенностью. Раздельное описание позволяет проследить изменение эффекта по какому-то одному признаку ьности землетрясения. Сила землетрясения в баллах (балльность) определяется здесь величиной х 0 , представляющей наибольшее относительное смещение сферического упругого маятника сейсмометра, имеющего период собственных колебаний 0,25 с и логарифмическ 15 декр н ж уж й, детальное сопо п и о е ия пострадавших райо с о т К в 3 о , Таблица 3 емент затухания, равный 0,5. При этом величину х 0 в мм получают сейсмометром СБМ-2, что позволяет получить количественную оценку землетрясения. В населенных пунктах, где отсутствуют сейсмометры, силу землетрясения определяют по описательной части шкалы (табл. 3). Сейсмическая интенсивность. Среди специалистов по сейсмостойкому строительству принято характеризовать интенсивность землетрясений величиной максимальных ускорений. Такой подход основан на предположении, что воздействие землетрясения а здания или сооружения в основном определяется максимальным ускорением. Однако этот подход справедлив лишь для естких соор ени которые разрушаются хрупко. Когда интенсивность землетрясений выражают через ускорения, то используют отношение этого ускорения к ускорению свободного падения g = 9,81 м/с 2 . Это отношение имеет вид, к = а / g, где а - величина ускорения грунта при данном землетрясении. За рубежом часто интенсивность землетрясений оценивают в галах (gal), 1 гал = 0,001 см/с 2 Американскими исследователями было проведено ставление инструментальных записей и наблюдавшихся после землетрясения оврежден й. Было установлено, что степень повреждения зависит как т ускорений, так и от периодов колебаний. При одинаковых ускорениях степень повреждений в случае коротких периодов была меньше, чем в случае больших периодов. А когда скорости колебаний были одинаковы, то независимо от периодов наблюдалась одна и та же степень повреждений. Характеристики землетрясений. Сейсмическая интенсивность, рассмотренная ранее, характеризует силу землетрясения в определенном районе, но не дает представления о разм рах землетрясения. О размерах землетрясения судят на основании результатов обследован нов. При этом читают, что чем большую площадь хватывает землетрясение, ем больше его сила. . Рихтер 19 5 г. предложил измерять силу землетрясения величиной М = lgA, где A - измеренная сейсмографом амплитуда колебаний в микронах для эпицентрального расстояния равного 100 км; М - магнитуда землетрясения. Если расстояние от эпицентра до точки наблюдения отличается т 100 км вносят соответствующие поправки. Рихтером была разработана так называемая “абсолютная шкала М” с Сейсмическая шкала Института физики Земли РАН Балл Смещение х 0 мм Краткая характеристика землетрясения 1 - Колебания почвы отмечаются приборами 16 2 - Колебания почвы ощущаются в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии 3 - Колебания отмечаются немногими людьми 4 0,5 Землетрясение отмечается многими людьми. ерей Возможно колебание окон, дв 5 0,5 – 1 Качание висячих предметов, скрип полов, дребезжание стекол, осыпание извести 6 1,1 – 2 Легкие повреждения в некоторых зданиях: тонкие п. трещины в штукатурке, трещины в печах и т. 7 2,1 – 4 иях: ьных е уб Значительные повреждения в некоторых здан трещины в штукатурке и откалывание отдел кусков, тонкие трещины в стенах, повреждени дымовых тр 8 4,1 – 8 Разрушения в некоторых зданиях: большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб 9 8,1 - 16 ение стен, Обвалы в некоторых зданиях, обруш перекрытий, кровли 10 16,1 – 32 грунтах Обвалы во многих зданиях. Трещины в около 1 м шириной 11 32 и, Многочисленные трещины на поверхности земл большие обвалы в горах 12 - Изменение рельефа в больших размерах показателями емл ироко используется сейсмостанц ых землетрясений, происходя земном шаре. В соответствии со шкалой “М” ые сил лет Большая часть энер й во время землетрясения, расп траняе рм ю, которую несут эти волны ают в виде сферы и находят площадь, к котор перед зависимость между выд ических волн энергией землетрясения Е ( ) и его эмпирическим соотношени народнохозяйственное значение. Землетрясения причиняют ущерб силы з етрясения от 0 до 8,5. Шкала “М” ш иями мира при анализе инструментальных данн щих на сам ьные зем рясения мира не превосходят величины М = 9. гии, высвобождаемо рос тся в фо е сейсмических волн. Чтобы оценить энерги , гипоцентр приним ой ается энергия от верхней полусферы. Существует еляемой в виде сейсм Дж магнитудой М, которая выражается следующим ем: lg Е = 4,8 + 1,5 М. Сейсмическое районирование территории страны, его 17 народному хозяйству, и поэтому главной целью исследований в области инженерной сейсмологии является изыскание условий, при которых землетрясения чале 20-го века. Действующий же в настоящее время ком го районирования территории Российской Российской академией наук. Указ п з а а ы В объ пов и в пределах страны выделены следующие сейс лы. Здесь расположены сотн о ание строительства в семи л в восьмибалльных –8 % и в девя значение Заметим пока перестают быть стихийными бедствиями. Сейсмическое районирование имеет целью разделить территории, подверженные землетрясениям, на районы с различной сейсмической опасностью и, следовательно, с различными требованиями к антисейсмическим мероприятиям для проектируемых инженерных сооружений. Приблизительное определение сейсмической опасности некоторых областей России производилось еще в на плект карт общего сейсмическо Федерации ОСР–97 утвержден анный комплект карт предусматривает осуществление антисейсмических мероприятий при строительстве объектов и отражает 10 % - (карта А), 5 % - (карта В) и 1 - процентную (карта С) вероятность возможного ревышения в течение 50 лет указанных на картах начений сейсмической интенсивности. Указанная н картах сейсмическая интенсивность относится к участкам со средними по сейсмическим свойствам грунтами. Комплект к рт ОСР–97 (А, В, С) позволяет оценивать на трех уровнях степень сейсмической опасности и предусматривает осуществление антисейсмических мероприятий при строительстве объектов трех категорий, учитывающих разную ответственность сооружений: • карта А – массовое строительство; • карт и С – екты ышенной ответственности и особо ответственные объекты. Решение о выборе карты при проектировании конкретного объекта принимается заказчиком по представлению генерального проектировщика. В соответствии с картам мически опасные зоны: Прикарпатье, Крым, Кавказ, Алтай и Саяны, Прибайкалье, Верхоянская Зона, Чукотка и Кури и городов и поселков, размещено много крупных промышленных предприятий, ведется жилищное и гражданское строительств . Представляют интерес затраты на антисейсмическое усиление зданий. Расчеты показывают, что в среднем удорож ба льных районах составляет 5 %, х тибалльны – 11 % от стоимости несейсмического проекта. Из приведенных цифр ясно, что сейсморайонирование имеет большое народнохозяйственное , что речь шла о макросейсморайонировании. 18 Экономически целесообразно проводить сейсморайонирование в пределах отдельных населенных пунктов - городов. Такое районирование называют се чается на I, в третьем - на 2 балла (рис. 3). Рис. 3. Н ют се ые условия территории города, а также ее ф 1.3. Влияни ебания поверхности земли Иногда наблюдаются повреждений на территориях с практически одинаковыми эпицентральными асстояниями. Это вызвано отличиями грунтовых условий площадок. Поскольку существует зависимость условиями и п и п не большие затраты на обеспечение их сейсмостойкости. Исследование йсмомикрорайонированием. Существует три схемы сейсмомикрорайонирования, по которым территория города разбивается на одну, две или три зоны разной балльности: в первом случае зона имеет одну балльность, во втором - балльность участков отли ( J – балльность района) а выбор схемы сейсмомикрорайонирования влия йсмогеологические и грунтов орма. Схемы микрорайонирования города е грунтовых условий на сейсмические кол большие различия в степени зданий р между грунтовыми овреждениями зданий при землетрясениях, то ее учет на стади роектирования предотвращает разрушения зданий и снижает излиш 19 зависи ений зданий и сооружений выяв влияние типа грунтов на интенсивность и форму сейсмических волн, влияние грунтов на способность сооруж под де две др на т р ож можно рассматрив ерхностного слоя. После записи стотный щие определяют чением ЭВМ. И, наконец, третий способ бази мости между типом грунтовых условий и степенью поврежд ило три проблемы: ений к затуханию колебаний и снижение прочности грунта йствием колебаний. Здесь рассмотрена лишь первая проблема, так как угие в настоящее время исследованы слабо. Сейсмические колебания аллювиальных грунтов. Частотные характеристики сейсмических колебаний. Геологическое строение долин, выходящих к морю и рекам, определяется отложениями песка и гравия позднего периода поверх ранних напластований. Эти грунты называют аллювиальными. При прохождении по слою указанных грунтов сейсмических волн они многократно отражаются от граничных поверхностей слоя. При этом колебания грунта резко возрастают, а преобладающие колебания проявляются при строго определенных периодах. Эти периоды называются преобладающими периодами колебаний грунта и определяются структурой поверхностного слоя. Если поверхностный слой однородный, то преобладающий период может быть определен по формуле Т ПРЕОБЛ = 4Н / v, где Н - толщина поверхностного слоя; v - скорость распространения поперечных волн. Преобладающий период колебаний грунта оказывает большое влияние колебания здания, ко орое аспол ено на этом грунте. Поэтому для обеспечения сейсмостойкости здания этот период целесообразно знать заранее. Существуют три способа определения преобладающих периодов колебаний грунтов. Первый из них заключается в регистрации микроколебаний. Он основан на свойстве грунта совершать колебания с амплитудами , причем эти колебания порядка нескольких микрон ать как упругие колебания пов микроколебаний (их называют микросейсмами) проводят их ча анализ и строят частотные кривые, по которым и находят преобладаю периоды. В основе другого способа лежит теория многократного отражения волн в поверхностных слоях. Преобладающие периоды расчетным путем с привле руется на результатах инструментальных наблюдений при землетрясениях. Здесь преобладающий период находят по записям происшедших землетрясений. Однако анализ таких записей показывает, что Т ПРЕОБЛ может иметь разные значения, в зависимости от силы землетрясения. Интенсивность сейсмических колебаний. Анализ макросейсмических наблюдений и повреждений зданий при землетрясениях показал, что максимальные смещения на аллювиальных грунтах были в 5-10 раз больше максимальных перемещений на плотных грунтах при удаленных 20 землетрясениях и в 1,5-3,5 раза больше при близких землетрясениях. При этом аб юдалась тенденция к величению ускорений в зоне длинных периодов. читыв я изложенное, можно утверждать, то балльность участков с аллювиальными грунтами необходимо увеличивать, по сравнению с участками, где имеются преимущественно коренные породы. Этот факт нашел отражение в работах проф. С.В. Медведева и учтен в действующих нормах. К аналогичному результату, имеется в виду повышение балльности, н л у У а ч прив е в с чительно меньше ускорений на поверхности (при т , к плитуды колебаний скальных грун глубины. я одит также и высокий уровень грунтовых вод. Причем С.В. Медведевым было установлено, что наличие грунтовых вод на глубине 10 м и боле не влияет на балльность землетрясения, а повышение их уровня в пределах 10 м эту балльность у еличивает. Сейсмические колебания заглубленных слоев грунта. Фундаменты больших сооружений заглубляются на величину от единиц до нескольких десятков метров. Поэтому для их расчета, а также для ра чета подземных сооружений необходимо иметь информацию о сейсмических колебаниях заглубленных слоев грунта. Колебания заглубленных слоев грунта определяют с помощью подземных сейсмографов, расположенных в буровых скважинах, глубиной до 40-50 м или в тоннелях и стволах шахт с глубиной до 500 м. Анализ полученных записей колебаний показал, что в начальных стадиях колебания на глубине и на поверхности похожи (разница - в небольшом сдвиге по времени), но на поверхности колебания усиливаются. Ускорения на глубине зна мерно в 2-4 раза). Эти экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими вычислениями. Сейсмические колебания скальных грунтов. Повреждения при землетрясениях на скальных грунтах. Ответственные сооружения - плотины, гидро- и атомные электростанции и т.п. обычно возводя на коренных скальных породах. Для обеспечения надежной работы таких сооружений необходимо знать природу сейсмических колебаний в районах распространения скальных пород. Повреждения и разрушения сооружений на скале сводятся в основном, к образованию трещин в хрупких сооружениях и обрушению последних. Причем, разрушаются преимущественно жесткие здания - ирпичные или каменные, а гибкие (каркасные) - разрушений не имеют. Анализ последствий землетрясений показал, что при сейсмических воздействиях ам тов меньше, чем аллювиальных, а ускорения значительны в диапазоне коротких периодов. Экспериментальные исследования также показали, что смещения поверхностного и заглубленного слоев грунта отличаются незначительно, причем имеется тенденция к уменьшению амплитуд с увеличением Ускорени же поверхностного слоя, в этом случае, примерно вдвое больше ускорений заглубленных слоев. Однако надо иметь в 21 виду, что иногда кальные грунты, если они выветрелы ведут себя аналогично аллювиальным грунтам. |