Сейсмическое воздействие

Эта статья или раздел может содержать материал неэнциклопедичного характера. Пожалуйста, улучшите её в соответствии с правилами написания статей.

Сейсмическое воздействие — специализированное понятие, которое в практике расчетов на сейсмостойкость характеризует колебательное движение грунта при землетрясении , создающее кинематическое возбуждение колебаний исследуемого объекта.

• Сейсмовоздействие (сокращенный термин) представляет собой следующий динамический процесс.

Переносное ускорение колеблющегося основания (единой опорной платформы) сообщает объекту инерционные нагрузки, вызывая в нём ответные колебания. При этом сейсмическое воздействие в общем случае представляется трехкомпонентными акселерограммами (записями ускорения во времени) для двух горизонтальных и вертикального направлений.

Акселерограммы могут представляться либо инструментальными записями произошедших землетрясений (естественных и искусственных, продолжительностью 5—30 секунд), либо синтезированными записями (функциями), обобщающими в себе спектральные свойства реальных землетрясений, выражаемые обобщенными спектрами ответа. Для целей проектирования акселерограммы могут быть нормированы по максимальному (пиковому) ускорению в соответствии с интенсивностью (балльностью) землетрясения, о чём будет сказано ниже. Для лучшего восприятия данной статьи полезно также ознакомиться с краткой специальной терминологией, принятой в области антисеймического проектирования, а также с сейсмологической терминологией.

Источник воздействия

Упрощённо земная кора представляет собой твёрдую сферическую оболочку с неравномерными инерционными, упругими, диссипативными и прочностными свойствами. Нарушение прочности (разрядка механических напряжений) оболочки в некоторой её зоне создает локальное высвобождение потенциальной энергии деформации. Инициируются местные затухающие колебания оболочки, распространяющиеся от очага возмущения подобно волнам от упавшего на воду предмета. Такие колебания представляют собой сложный нестационарный процесс, в котором сильнее всего проявляются низшие (до 20—30 Гц) собственные частоты и формы. Из них наибольший спектральный отклик (максимумы спектров ответа) дают частотные составляющие, находящиеся в диапазоне 1—10 Гц.

Количественные показатели

Традиционное в сейсмологии представление интенсивности (силы) землетрясения с помощью описательных факторизованных пунктов, образующих ту или иную шкалу, чаще 12-ти балльную (Меркалли, MSK-64, EMS-98), не позволяет ни количественно, ни качественно оценивать сейсмическое воздействие, как физическое явление. Именно поэтому для целей проектирования была введена уровневая градация максимальных горизонтальных ускорений на поверхности земли при землетрясении различной балльности. Применительно к 12-ти балльной сейсмической шкале укоренились следующие нормативные соотношения баллов и ускорений:

землетрясениям с интенсивностью ___ 6, __ 7,__ 8,__ 9, __10 __ баллов назначаются максимальные (пиковые) ускорения акселерограмм,

соответственно равные значениям _ 0.05, _ 0.1, _0.2, _0.4, _0.8 _ (в долях ускорения свободного падения, g).

Данный ряд соотношений может быть продолжен в обе стороны, однако это не имеет практического смысла. Землетрясения ниже 6-ти и выше 10-ти баллов не рассматриваются в качестве проектных ситуаций. Первые не опасны капитальным строениям, а вторые настолько разрушительны, что обеспечивать для них сейсмостойкость объектов нецелесообразно, а то и просто невозможно. Из приведенных соотношений видно, что сила сейсмического воздействия, с повышением интенсивности землетрясения на один бал, удваивается. Наблюдаемая здесь степенная зависимость по основанию 2, указывает на существенную нелинейность сейсмической шкалы в отношении действующих на объекты соответствующих нагрузок, которые напрямую зависят от ускорений колеблющегося основания. Указанные сейсмические ускорения используются только в их фиксированных, без какой-либо интерполяции, значениях. В противном случае у баллов сейсмичности появились бы дробные доли, чего, в отличие от значений магнитуд, не бывает.

Проектные уровни

Сейсмостойкие объекты проектируют в соответствии с установленной для площадки их строительства балльности. Например, для площадки с сейсмичностью 8 баллов расчеты объектов будут выполняться с использованием акселерограмм, нормированных (масштабированных) к максимальному ускорению 0.2g. При этом, например, значение 0,19g будет сочтено недопустимым, а значение 0.3g — необоснованно завышенным. Повысить (или понизить) расчетные нагрузки можно только в два раза, путем согласованного повышения (понижения) сейсмичности сразу на один бал. Иного пути пока не предусмотрено. Сейсмическое районирование осуществляется исключительно в баллах, что предопределяет весьма условное и огрубленное задание уровней проектного сейсмического воздействия. Очевидно, что это плохо согласуется с характеристиками реальных землетрясений, где не бывает фиксированных и резко дискретных уровней.

Компоненты воздействия

При выборе проектного сейсмического воздействия специалисты часто сталкиваются с неопределенностью в соотношении вертикальной и горизонтальной составляющих ускорения — так называемом V/H (Vertical / Horizontal) соотношении. Измерениями установлено, что горизонтальные ускорения в большинстве случаев преобладают над вертикальными. Обратное может иметь место только в относительно небольшой эпицентральной зоне землетрясения, где крупные поселения людей и промышленные объекты оказываются крайне редко. При этом, чем дальше от эпицентра землетрясения, тем больше преобладает горизонтальное ускорение — является наиболее опасным для зданий и сооружений — над вертикальным. Возможно это результат некого внутреннего V—>H преобразования форм и энергии колебаний земной поверхности. Так это или нет, но неоднократно замечено, что наибольшие разрушения происходят, к сожалению, не в эпицентре землетрясений, а на некотором удалении от него и на значительно более обширных территориях, где еще велика общая интенсивность колебаний.

Несмотря на то, что почти всё стоящее на земле, в том числе здания и сооружения, обладает большей устойчивостью по отношению к вертикальным нагрузкам, нежели к горизонтальным, пренебрегать учетом вертикальных сейсмических ускорений и реальными V/H соотношениями не разумно. На практике V/H соотношения иногда приходится принимать по неким формальным условиям, например: 2/3, 1/2, 0. Первое значение может применяться при проектировании оборудования тепловых электростанций (ТЭС, см. п.11. РД 10-249-98), второе значение использовалось в теплоэнергетике до 2000 года и применяется теперь в проектировании строительных конструкций атомных электростанций (АЭС, см. п.3.5 ПНАЭ Г-5-006-87 ), а последнее значение (0) используется в строительстве для многих типов каркасных и кирпичных зданий (см. пп.2.2-2.4 СНиП II-7-81). V/H соотношения, заложенные в трехкомпонентные аналоговые акселерограммы, для расчета оборудования АЭС (обязательно) и ТЭС (по усмотрению заказчика) определяются техническим заданием на проектирование.

Пора исправлять ошибки

Необъяснимо, но факт. В сообщениях средств массовой информации о произошедших землетрясениях в течение многих лет бессчётное количество раз повторяются примерно одни и те же ошибки, например:

« … произошло землетрясение силой 6 баллов по шкале Рихтера …»;

« … магнитуда колебаний в эпицентре достигала 7,3 балла по шкале Рихтера »;

« По сведениям ИТАР-ТАСС, в отдельных районах страны мощность землетрясения могла достигать 8 баллов по шкале Рихтера »

… и т. п.

Невежество подобных сообщений никак не проходит, и, к большому сожалению, оно продолжает прививаться населению. Давно бы пора средствам информации провести собственный и публичный «ликбез» по этому вопросу, восприняв следующие несложные понятия, а именно:

1. Балльной шкалы интенсивностей Рихтера не существует; им была предложена эмпирическая формула для определения одного из видов магнитуд землетрясения;
2. Магнитуда — безразмерный параметр, который весьма приближенно, простым десятичным значением (от 1 до 9) характеризует энергию землетрясения в его очаге (фокусе, гипоцентре);
3. Эпицентр землетрясения находится на земной поверхности, над гипоцентром;
4. Интенсивность землетрясения на отдаленных от эпицентра территориях можно оценивать только в целых значениях баллов в рамках 12-ти балльной шкалы (любой из принятых — все эти шкалы принципиально не отличаются друг от друга);
5. Для эпицентра допускается определять условную балльность путем прибавления к магнитуде величины 2.5—3 с последующим округлением до целого значения (указывать интервалы баллов, например, 8—9, некорректно);
6. Сообщение типа: «… землетрясение с магнитудой … по Рихтеру и эпицентром в … », — пожалуй, является оптимальным в информационных сводках о произошедшем землетрясении.

Однако можно сказать с определенностью: общественности, строителям, специалистам в области сейсмостойкого проектирования не так уж важна информация об энергиях землетрясений и их очагах. Куда важнее информация о реальной интенсивности сейсмического воздействия, о том какие уровни ускорений были у прошлых землетрясений и какие ускорения вообще возможны на нашей планете; какие она может выдержать сама и какие — наши рукотворные творения.

Почему важно знать уровни ускорения

Даже при вполне корректном сообщении о землетрясении мы не получим действительно полезной информации об уровнях сейсмического воздействия на отдаленных от эпицентра территориях. А ведь элементарным и понятным показателем уровня воздействия является зарегистрированное на земной поверхности значение максимального горизонтального ускорения (Am), выраженное в долях g и дополненное V/H соотношением. Именно ускорение по законам механики создает инерционную нагрузку, разрушающую объекты при землетрясении. Получив информацию об ускорениях сейсмического воздействия, любой умеренно образованный человек сможет определить долю веса здания, действующую на него горизонтально в виде инерционной перегрузки. Эта доля определяется просто: она равна __ 3Am__, где 3 — осредненный коэффициент повышения ускорения в спектре ответа сейсмического воздействия для частоты, находящейся в диапазоне 1—10 Гц. Надо отметить, что низшие собственные частоты зданий и наземных сооружений в большинстве случаев попадают в этот наиболее неблагоприятный при землетрясениях диапазон.

Например, сообщается, что средний уровень горизонтального сейсмического ускорения в таком-то населенном пункте (городе, поселке) составил величину 0.33g. Это где-то между 8-ми и 9-ти балльными нормированными уровнями (см. выше). Тогда условная горизонтальная инерционная перегрузка всех зданий там достигла 1.0g. А это соответствует их полной весовой нагрузке, которую здания восприняли бы, будучи приведенными в горизонтальное положение. Конечно, неспециалисту трудно оценить прочность и устойчивость здания в таком виде, но, представив свой жилой дом хотя бы на мгновение повернутым горизонтально, человек вряд ли бы с оптимизмом воспринял эту ситуацию, и отчетливо понял бы, в каком бедственном положении оказываются люди при таком землетрясении. Зная этот простой способ сейсмической оценки и имея возможность получать необходимую информацию, он смог бы уже лучше оценивать надёжность своего жилища на случай возможного землетрясения, а значит, более осознанно отстаивать своё право на сейсмическую безопасность. Если бы это было так, то, возможно, не было бы таких ужасных последствий, как, например, при землетрясениях в Спитаке и в поселке Нефтегорск (Сахалинская область).

Как и где получить акселерограммы?

Сделать цифровую запись акселерограммы землетрясения, при современном уровне техники, кажется, совсем несложно. При наличии встроенного акселерометра и необходимого программного оснащения, с этой задачей вполне мог бы справиться, например, сотовый телефон или подобное ему специализированное устройство с дистанционной активацией. С его помощью цифровые записи акселерограмм (подобные записям звука) вполне можно было обрабатывать на предмет получения спектров ответа и максимальных ускорений, а главное, их можно было пересылать по эфиру заинтересованным службам, помещать в Интернете, использовать в анализе сейсмостойкости зданий, новых и подвергнувшихся землетрясению.

Однако, как ни странно, ничего подобного не наблюдается. На сейсмостанциях по-прежнему применяют во многом устаревшие сейсмографы, разработанные много десятилетий назад. С помощью их показаний устанавливаются так называемые изосейсты, определяется местоположение эпицентра, гипоцентра, вычисляется магнитуда землетрясения. Надо отметить, эта информация довольно быстро предается гласности. Данных же об интенсивности (балльности) землетрясения на охваченных им территориях обычно нет, поскольку балльность оценивается путем визуального анализа разрушений, повреждений и т. д., а на это требуется довольно много времени, вполне достаточного для утраты общественного интереса к произошедшему землетрясению. Если оно было разрушительным, то в первые дни широко освещается информация о количествах жертв и пострадавших, о материальном ущербе, о работе спасателей, о реакции официальных лиц … Данных об уровнях сейсмических ускорений не бывает никогда.

База данных сейсмического воздействия

Качественные записи акселерограмм землетрясения являются очень большой редкостью. Если акселерограммы и записывают, то лишь на сейсмостанциях и, как правило, вдалеке от разрушенных населенных пунктов. Найти эти записи (не в виде картинки, а в форме оцифровки) нельзя даже в Интернете. Создается впечатление, что эта информация является государственной или ведомственной тайной. Но ведь это не так, и надо надеяться, что ситуация вскоре изменится. Этому должна способствовать лучшая осведомленность общества и, в первую очередь, его технически образованной части, в проблемах сейсмической безопасности. В какой то мере на это может повлиять и изложенная здесь познавательная информация.

Поскольку акселерограммы землетрясений являются базовыми характеристиками сейсмического воздействия, их по праву можно назвать основой многих научных исследований в области антисейсмического проектирования объектов жизнедеятельности человека, а значит важным фактором нашей будущей сейсмической безопасности. Уже существует мощные вычислительные комплексы с совершенными компьютерными программами, реализующими прогрессивные конечно-элементные схемы математического моделирования, с помощью которых можно выполнять расчеты сейсмостойкости самых сложных конструкций. Получив качественную и всеобъемлющую общедоступную информацию (всемирную базу данных) о реальных сейсмических воздействиях (совместных трехкомпонентных записях акселерограмм), ученые и специалисты смогут совершить, наконец, прорыв в сторону резкого повышения надежности и ответственности всех антисейсмических решений.

См. также

• Модель сейсмического воздействия "СА-482"
• Акселерограмма землетрясения в Иране (1978 год)
• Акселерограмма землетрясения (1981, Иран)
• Сейсмическая нагрузка

Примечание

Основные концептуальные положения, касающиеся понятия «сейсмическое воздействие» и использованные в данной статье, сформировались в области отечественного энергетического машиностроения в 70-х — 80-х годах прошлого века. Совместно с другими аспектами антисейсмического проектирования они нашли свое отражение в следующих, кроме указанных в ссылках, нормативных документах.

1. РТМ 108.020.37—81 (переиздание с Изменением №1 1985 г.) Оборудование атомных энергетических установок. Расчет на прочность при сейсмическом воздействии. —Л.: НПО ЦКТИ, 1986, 35с.
2. РТМ 108.031.114—85. Котлы паровые стационарные. Нормы расчета на прочность при сейсмическом воздействии. —Л.: НПО ЦКТИ, 1986, 57 с.
3. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. — М.: Энергоатомиздат, 1989, с.115—118, с.487—504.