ПУТИ ВЫХОДА ТЕОРИИ
СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ИЗ ГЛУБОКОГО КРИЗИСА Г. А. Джинчвелашвили, профессор, кандидат
технических наук, МГСУ О.В. Мкртычев, профессор, доктор технических наук, МГСУ
В статье рассматриваются проблемы расчета и проектирования зданий
и сооружений на сейсмические воздействия. Анализируются расчетные положения
норм проектирования зданий и сооружений для строительства в сейсмических
районах. Современная теория сейсмостойкости оказалась в глубоком кризисе. В
работе приведены пути выхода из создавшейся ситуации.
Сильные разрушительные землетрясения угрожают более чем 50 странам
мира. Основной причиной катастрофических последствий землетрясений является
неэффективная инженерная деятельности человека в сфере строительства:
- массовое
строительство недостаточно надёжных зданий и сооружений, неспособных
эффективно сопротивляться сильным, продолжительным землетрясениям;
- неэффективный
метод контроля качества строительства;
-
отсутствие инструментального контроля над
процессом неизбежного уменьшения несущей способности строительных конструкций
в течение длительной эксплуатации.
Неэффективная инженерная деятельность и прогрессирующее увеличение
масштаба строительства, рост численности населения и его концентрации в
городах подготавливает неизбежные тяжёлые сейсмические и
техногенно-динамические катастрофы в различных странах мира - экономический и
социально-гуманитарный ущерб.
Невозможно объяснить, почему до настоящего времени Проблема
Сейсмической и Техногенно-динамической Безопасности является практически
информационно закрытой Проблемой, которая не включена в приоритеты
государственных и международных программ развития.
Только, начиная с 2009 г., Европейский Союз включил общее понятие
«Безопасности» в программу поддержки научных исследований и разработок, что
неадекватно Проблеме, имеющей государственное и международное Региональное и
Глобальное значение.
Современная теория сейсмостойкости зданий и
сооружений, общепринятая во всех странах мира, разработана в середине ХХ
века в Советском Союзе под руководством профессора, доктора технических наук
И. Л. Корчинского.
Эта первая попытка инженерной науки на основе метода инженерного
расчёта обеспечить защиту зданий и сооружений и жизней людей от разрушительных
землетрясений, породила большие надежды на кардинальное решение Проблемы.
Однако эти надежды не оправдались, и в настоящее время ежегодные сильные,
продолжительные землетрясения разрушают целые современно построенные города и
регионы в различных странах мира (см. табл. 1).
|
(частично
заимствованы из [Хачиян Э.Е., 2006]). Табл. 1. Некоторые из важнейших
землетрясений, происшедших на территории бывшего Советского Союза и в мире
их последствия
|
Тяжёлые
сейсмические катастрофы являются результатом:
- несовершенства
существующей теории сейсмостойкости;
-
ошибочности ее основного принципа, так
называемого принципа «минимизация ущерба и потерь», который на практике при
сильных, продолжительных землетрясениях обуславливает возникновение массовых
разрушений и жертв в результате непрогнозируемого динамического процесса
прогрессирующего уменьшения несущей способности конструкции зданий и сооружений
в процессе землетрясений, а также в предшествующий землетрясению период в
результате техногенно-динамических, ветровых, вибрационных и других
воздействий;
-
недостаточной эффективности существующей
методики инженерного анализа последствий разрушительных землетрясений; методов
натурных испытаний.
Разрозненные исследования сложной
научно-технологической инженерной проблемы не позволили современной науке о
сейсмостойкости раскрыть физический механизм и закономерности динамического
сопротивления, адаптации и разрушения несущих конструкции зданий и сооружений
и создать на этой основе принципиально новые конструкционные системы зданий и
сооружений, способные успешно сопротивляться сейсмическим и
техногенно-динамическим перегрузкам при сильных и продолжительных
землетрясениях, техногенным взрывам, вибрациям, пожарам.
Масштабы последствий ежегодных сейсмических
катастроф составляют десятки и сотни миллиардов долларов США. При землетрясении
в Китае 12-25 мая 2008 г. в провинции Сычуань были полностью разрушены
несколько десятков городов и более 7 млн. зданий и сооружений, в том числе
современно построенных из железобетонных конструкций, экономический ущерб
составил несколько триллионов долларов США.
Землетрясения в Гаити в течение января-февраля
2010 г. разрушили полностью страну. Это вызвало экономическую и
социально-гуманитарную катастрофу, которая является вызовом современной цивилизации,
который не получил, до настоящего времени, адекватного ответа.
Совсем недавно в Японии 11 марта 2011 г.
произошло сильнейшее в истории страны землетрясение магнитудой 9.0, за которым
последовали цунами (на северовосточное побережье о. Хонсю) и сотни
афтершоковых толчков магнитудой 4-6. По оценкам японских властей в результате
катастрофы погибли не менее 10 тыс. человек. В префектуре Фукусима на атомном
комплексе "Фукусима-Дайичи" ("Фукусима-1") вышли из строя
системы аварийного охлаждения, и японские власти пытаются остудить реакторы и
тепловыделяющие элементы. Перегрев реакторов и хранилищ отработавшего ядерного
топлива грозит взрывами и масштабным выбросом радиации.
Большинство людей погибли не в результате
непосредственно землетрясения, а вследствие катастрофического цунами. В Токио,
где по некоторым оценкам, ощущалось землетрясение 7 баллов (по шкале MSK-64) ни
один небоскреб не рухнул, все современные здания удовлетворительно перенесли
землетрясение. Масштабы бедствия (исключая аварию на АЭС) не сопоставимы с
аналогичными потерями в результате землетрясения в Индонезии (2004 г.) или
Гаити (2010 г.).
Учёным давно известно, что каждое
землетрясение, подвергая в течение веков разрушительным испытаниям здания и
сооружения, построенные в различных станах мира, давало примеры необычайно
высокой сейсмостойкости отдельных зданий и сооружений, что оказалось
невозможным объяснить в рамках существующей теории и практики сейсмостойкого
строительства.
та зданий и сооружений на сейсмические воздействия. Метод был
применён с учётом специфики нормативных требований сложившихся в стране.
В отечественных нормах (СССР) СНиП II-A.12-62
в основу расчета был заложен спектр ускорений, представленный в
следующем виде [2]:
Cw (T) = kcgb(T), (1)
где кс был определен как коэффициент сейсмичности,
зависящий от сейсмичности района строительства, а b(T) - как
коэффициент динамичности, характеризуемый период
собственных
колебаний системы.
В соответствии с (1), формула для определения
сейсмической нагрузки была представлена следующим образом:
Для коэффициента динамичности была принята
спектральная кривая, аналитическое описание которой определялось выражением: b =
0.9/T, но не более 3 и не менее 0.6.
В последующей редакции этих норм СНиП П-А.12-69*
была сохранена формула (1), но для коэффициента динамичности было введено
скорректированное выражение b = 1/T,
но не более 3 и не менее 0.8.
Коэффициент сейсмичности кс в обеих редакциях норм
принимался равным 0,025; 0,05 и 0,1, соответственно для районов с расчетной
сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов.
Как
показано в [3] имеет место соотношение:
к wc
кс = —, (3)
g
где Wc -
среднеквадратическое отклонение амплитуды ускорений землетрясения заданной
интенсивности:
Е
Wk[1]
W =
с V N
Определенная таким образом интенсивность
сейсмического воздействия, означает 50% обеспеченность случайной величины.
Это в большей степени объясняет тот факт, что
половина зданий и сооружений, запроектированных согласно действующему на момент
землетрясения СНиП, получали разрушения 4-5 степени (см. табл. 1).
С
нашей точки зрения, ни одно здание, запроектированное по нормам на
проектное землетрясение (ПЗ) не должно получить повреждений выше 3-ей степени. Это основной тезис сейсмостойкого строительства.
В редакции сейсмических норм СНиП II-7-81 методика
определения сейсмических сил была существенно переработана, впрочем, без
изменения принципиальных основ спектральной теории.
Применительно к системе с одной степенью
свободы сейсмическая сила определялась выражением:
Коэффициент A принимается равным 0,1; 0,2 и 0,4,
соответственно для районов с расчетной сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов:
W
A =y-lmsL, (6)
g
где Wmax -
максимальная амплитуда ускорений землетрясения заданной интенсивности.
В отличие от
теоретически полученной формулы (3), в формулу (5) введен дополнительных
коэффициент K1, названный
при обосновании последней редакции норм, коэффициентом предельных состояний.
Величина
коэффициента K1 зависит от
степени допускаемых повреждений в зданиях и сооружениях и принимался равным
0,12 или 0,25, а в особо оговоренных случаях, когда не допускалось остаточных
деформаций или локальных повреждений, принималось K1 = 1.
Коэффициентом K2 учитывались
особенности конструктивных решений зданий и сооружений; его значение
варьировалось в пределах от 0,5 до 1,5.
И, наконец, коэффициент Ky учитывал
уменьшение деформативности сооружений
башенного типа или каркасных зданий в зависимости от соотношения
высоты стоек h к их поперечному
размеру b. При h/b
> 25 коэффициент Ky принимался
равным 1,5. Для всех остальных зданий и сооружений Ky = 1.
При 15 < h/b < 25
коэффициент Ky принимался
по интерполяции от 1 до 1,5.
Кроме того, анализ записей землетрясений и
повреждаемости сооружений, эксплуатируемых в различных грунтовых условиях,
позволил дифференцировать зависимость р(г) по грунтам I, II и III
категорий. Соответствующие зависимости р(г) приведены на рис.1 в соответствии
с различными редакциями норм.
|
|
|
|
|
|
\
|
|
|
|
' ------------------ —----------------------------
|
|
а)
|
|
|VTi
|
|
|
ч
|
|
|
|
|
|
|
|
|
II
liTj
|
1 ■ ■■
б)'
|
|
/
|
|
|
|
— — —_________
|
|
|
|
|
|
в) г)
Рис. 1. Графики
коэффициентов динамичности в соответствии с редакциями норм: а) СНиП П-А.12-62
(ред. 1962г.); б) СНиП П-А.12-69* (ред. 1969г.); в) СНиП II-7-81 (ред.
1981г.); г) СНиП II-7-81* (ред. 2003г.)
Введение коэффициента предельных состояний K1 может
трактоваться двояко [4]. Первая трактовка исходит из того, что нормативный
расчет - это расчет на сильное и редкое землетрясение. Произведение Ag в
этом случае есть расчетное ускорение этого землетрясения. Так, для расчетной
сейсмичности 9 баллов Ag =4 м/с2. В соответствии с
идеологией сейсмостойкого строительства при сильных землетрясениях в сооружении
допустимы пластические деформации и локальные повреждения, не приводящие к
гибели людей и уничтожению ценного оборудования.
В связи с этим предельно допустимые усилия в элементах конструкции
могут быть увеличены. Если принять величину [Ф] в качестве предельно
допустимого значения фактора при обычных нагрузках, то в расчете на
воздействие сильных землетрясений допустимое значение фактора будет Ф = r [Ф], где r > 1. Условие обеспечения
сейсмостойкости в этом случае имеет вид:
Ф< r [Ф], (7)
где Ф
- значение анализируемого фактора от действия сейсмических сил.
Желая сохранить единое описание предельных состояний для
сейсмических и иных расчетов, условие (7) запишем в виде
- Ф<[Ф]. (8)
r
Представление (8) равносильно введению к
сейсмическим нагрузкам понижающего коэффициента K1 = ~ <
1.
r
Для обычных сооружений этот коэффициент принят равным 0,25.
Такая трактовка нормативной методики
предполагает, что антисейсмическое усилие конструкции на воздействие сильного
землетрясения обеспечит нормальную эксплуатацию сооружения и при слабых
сейсмических воздействиях.
Вторая трактовка нормативной методики
рассматривает ее как расчет на слабое и частое воздействие с ускорением KlAg .
Так, для 9-балльного района при Kl = 0,25 выполняется расчет на ускорение 1
м/с2, т.е. на 7-балльное воздействие.
Такая трактовка нормативной методики
предполагает, что антисейсмическое усилие конструкции на воздействие слабого
землетрясения обеспечит сохранность жизни людей и ценного оборудования. Это
противоречит основному тезису сейсмостойкого строительства.
На первый вариант трактовки нормативного
расчета были ориентированы нормы СССР, США, Алжира. На второй вариант — Индии,
Болгарии, Югославии, Румынии.
При расчете и проектировании объектов массового
строительства принятие той или иной трактовки не имеет значения, поскольку
сооружения, усиленные по СНиП, должны обеспечивать требования сейсмостойкости,
как при сильных, так и при слабых воздействиях. Вместе с тем при проектировании
новых сейсмостойких конструкций, не имеющих апробированных аналогов, принятие
одной из трактовок может привести к ошибкам в оценке их сейсмостойкости. В этом
случае необходима проверка сейсмостойкости сооружения как на действие сильных,
так и слабых землетрясений.
2.
Недоверие расчетным положениям. Ведь усилия,
получаемые в элементах, почти всегда получались меньше, чем от основного
сочетания усилий (даже при 9- балльном воздействии).
3.
В этой ситуации активно включалась «инженерная
интуиция» и конструкции проектировались согласно опыту проектирования, и все
зависело исключительно от квалификации конструктора, а не от расчета.
4.
Укоренилось мнение, что сейсмические воздействия
не так страшны, и все можно сконструировать, типа «чего изволите?».
Сразу после разрушительного землетрясения в
нашей стране подвергались ревизии нормы сейсмостойкого строительства. Если
проанализировать эволюцию изменения графика коэффициента динамичности (рис.
1), легко заметить, что кривая рис. 1б появилась после Ташкентского
землетрясения 1966 г., кривые рис. 1г, после Спитакского землетрясения 1988 г.
Сразу после Нефтегорского землетрясения 1995 г.
на Сахалине, были пересмотрены карты общего сейсмического районирования:
появились карты ОСР-97. Иными словами, нормы подвергались косметическим
изменениям.
По иному пути пошла Япония. 1995 год часто
рассматривается как поворотный пункт в становлении в Японии гражданского
общества. Землетрясение в Кобе (магни- туда 7.3) рано утром 17 января в
считанные секунды превратило город в груду горящих руин, погибло около шести
тысяч человек. Оно стало тревожным звонком для японских властей. Кобе был одним
из самых оживленных портов в мире до землетрясения, но, несмотря на ремонт и
восстановление, он никогда не восстановит свой прежний статус в качестве
основного грузового порта в Японии. Огромные размеры землетрясения вызвали
значительное сокращение японского фондового рынка.
В декабре 1995 года правительство объявило 17
января национальным днем по предупреждению стихийных бедствий. Уроки
землетрясения в Кобе были усвоены, несколько раз строительные нормы
пересматривались (последний раз в 2008 году), систематически проводятся
масштабные научные исследования (в том числе экспериментальные). Здания стали
оснащаться современными системами сейсмозащиты (резино- металлическими опорами,
динамическими гасителями колебаний, поглотителями колебаний).
Японцы владеют самыми современными средствами
предупреждения землетрясений, их строители одни из лучших специалистов в
области возведения сейсмостойких конструкций. Во многом благодаря этому
большая часть подземных ударов проходит без серьезных последствий.
Вновь построенные здания, настолько гасят
колебания почвы, что даже сильные толчки сводятся к легкой дрожи и звону
посуды. Но время от времени на страну обрушиваются действительно страшные
испытания. Причина этих событий кроется в тектонике региона: одна огромная
плита уползает под другую на огромной глубине. И поэтому Японии, никогда не
суждено оказаться на твердой земле. Самые жуткие прогнозы обещают полное
исчезновение островов. Одно из землетрясений может стать последним - сценарий,
не отвергаемый учеными, считает Алексей Завьялов из Института физики Земли РАН.
Примеру Японии последовали другие страны
Юго-Восточной Азии. В частности, в Китае ведутся интенсивные исследования
систем активной сейсмозащиты, некоторые из которых реализованы.
Проектирование и строительство зданий и
сооружений в сейсмических регионах должно осуществляться таким образом, чтобы с
достаточной степенью надежности были соблюдены все следующие требования.
- Требование отсутствия обрушения.
-
Требование ограничения ущерба.
Согласно первому критерию конструкция здания
или сооружения должна быть спроектирована и построена таким образом, чтобы
выдержать расчетное сейсмическое воздействия без местного и общего обрушения,
сохраняя, таким образом, свою конструктивную целостность и остаточную несущую
способность после сейсмических событий.
Второй критерий утверждает, что конструкция
должна быть спроектирована и построена таким образом, чтобы выдержать
сейсмическое воздействие, имеющее более высокую вероятность возникновения, чем
расчетное сейсмическое воздействие, без наступления ущерба и связанных с ним
ограничений эксплуатации, чья стоимость будет несоразмерно выше в сравнении со
стоимостью самой конструкции.
Для реализации соответствующих критериев
необходимо проверить следующие предельные состояния:
-
аварийные предельные состояния;
-
предельные состояния по ограничению ущерба.
Аварийные предельные состояния - это состояния,
связанные с обрушением или другими видами разрушения конструкции, которые могут
поставить под угрозу безопасность людей.
Предельные состояния по ограничению ущерба - это состояния,
связанные с повреждениями, при которых более не выполняются указанные
требования эксплуатационной пригодности.
1.
В случае, если произойдет землетрясение
интенсивностью, равной ПЗ, здания и сооружения, запроектированные и строящиеся
согласно СНиП II-7-81* имеют дефицит сейсмостойкости 2 балла (Сочи, Сахалин,
Куриллы и др.).
2.
Необходимо разработать и утвердить Целевую
программу Сейсмобезо- пасности территории страны для обследования и проверки
сейсмостойкости существующего жилищного фонда.
3.
Необходимо проведение систематических масштабных
научных исследований (в том числе экспериментальных) в области разработок
современных систем активной сейсмозащиты.
4.
На основе этих исследований, разработать и
согласовать Национальный стандарт по сейсмостойкому строительству.
1.
СНиП II-7-81. Строительство в сейсмических
районах. М.: Госстрой, 1981, 129 с.
2.
Амосов А.А., Синицын С.Б. Основы теории
сейсмостойкости сооружений. -М.: АСВ, 2001. - 96 с.
3.
Завриев К.С., Напетваридзе Г.Ш., Карцивадзе
Г.Н., Джабуа Ш.А., Чура- ян А. Л. Сейсмостойкость сооружений. - Тбилиси:
Мецниереба. - 325 с.
4.
Уздин А.М., Сандович Т.А., Аль-Насер-Мохомад
Самих Амин. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий
и сооружений. СПб: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1993. - 176 с.
5.
Ржевский В.А. Сейсмостойкость зданий в условиях
сильных землетрясений, Ташкент: «ФАН», 1990, 260 с.
6.
Хачиян Э.Е. Инженерная сейсмология. Ереван:
Айастан, - 2006. - 356 с.
3. Негативные последствия
принятия новых принципов проектирования зданий и сооружений
После ввода в действие СНиП II-7-81, особенно после исследований
д.т.н. Ржевского В.А. [5], чьи теоретические разработки, основанные на
консольных расчетно- динамических моделях (РДМ) касающиеся упруго-пластических
систем были обобщены на пространственные системы, привели к появлению в нормах
пресловутого коэффициента K = 0,25. Процесс развития пространственных
РДМ не был доведен до логического завершения и в нормах до сегодняшнего дня
фактически доминирует консольная РДМ.
Одним взмахом, ничего не предпринимая, сейсмические силы были
уменьшены аж в 4 (!!!) раза. Принятие этого коэффициента привело к далеко
идущим негативным последствиям:
1. Фактическое сворачивание исследований по активной сейсмозащите
по стране. Действительно, какой вид сейсмозащиты может конкурировать с таким
снижением сейсмических сил на 2 балла?
[1]
Пределы применимости теории сейсмостойкости
Теория
сейсмостойкости сформировалась в СССР во второй половине пятидесятых годов
прошлого столетия. В основу теории был принят, спектральный метод расчё-
Комментариев нет:
Отправить комментарий