m0919

2.Не нарушая условий адекватности, увеличить объем выборки до значений объективно обеспечивающих проявление интересующей нас закономерности.

3.Постараться до минимума сократить имеющееся многообразие и разнообразие элементов влияния исследуемой динамической системы.

К сожалению, из-за сложности поставленных задач, их одним каким-либо действием не решить – нужен системный подход и комплексное решение.

Начнем с того, что если учесть имеющееся многообразие строительных объектов, на которых были осуществлены натурные испытания или на которых проведены исследования в условиях их работы при сильных землетрясениях, то в определенной мере, наш выбор анализируемых объектов можно считать случайным. А это значит, что с отмечаемой оговоркой, у нас появляется определенная возможность обеспечить первый пункт наших условий.

Затем, исходя из практического опыта, у нас есть определенные основания считать, что если рассчитать прочностные свойства элементов строительной системы по максимальным значениям сейсмического воздействия (по максимальным акселерограммам), то есть большая вероятность, что они выдержат без разрушений и сильных повреждений и другие аналогичные воздействия, тем более, при силовых воздействиях меньшей интенсивности.

Однако если учесть общее количество строительных объектов, требующих сейсмозащиты, такой подход для сообщества окажется экономически весьма затратным. Ведь при этом все строительные объекты придется рассчитывать на максимальные значения ускорений, в то время как большинство наблюдаемых сильных землетрясений демонстрируют более умеренные параметры силового воздействия. Получается, что для практических целей, нужен вариант,

который одновременно обеспечивал бы достаточные прочностные свойства элементам строительной системы и при этом был бы еще и экономичным. Условия противоречивые, но практически выполнимые. Для этого нужно лишь воспользоваться имеющейся в распоряжении сейсмологов базой (картотекой) акселерограмм сильных землетрясений. И, исходя, из мощности

иглубины ожидаемого землетрясения, расстояния от эпицентра до конкретной строительной площадки, геологических условий подобрать нужную нам акселерограмму.

При этом, так как для каждого конкретного случая подбираемого условия и параметры являются индивидуальными, то их, в определенной мере, можно считать случайными. И, таким образом, хоть в какой-то мере, все же обеспечивается условие независимости выборки. Кроме этого выбор из более чем трех тысяч записей акселерограмм нескольких конкретных записей гораздо лучше обеспечивают условие многочисленности, нежели условие использования нескольких записей, хотя и самых сильных землетрясений.

И, наконец, если воспользоваться возможностями, предоставляемыми современными методами физико-математического моделирования, в частности, компьютерного моделирования, то становится возможным использование одних и тех же параметров силового воздействия (акселерограмм) и конкретных геологических условий для исследования и расчета целого ряда строительных объектов разной конструкции и архитектурного исполнения, И наоборот - использование разных вариантов силового воздействия (акселерограмм) и геологических условий для анализа и расчета конкретного строительного объекта. Что ведет к снижению общего уровня неоднозначности и неопределенности.

Правда, учитывая все же искусственность предположения, уже сейчас следует подстрахо-

ваться и незамедлительно обеспечить: постоянный, длительный инженерный мониторинг

идинамическую паспортизацию наиболее представительных и характерных строительных объектов на всех этапах их строительства и эксплуатации. При этом качество проектирования предлагается обязательно определять вибрационным силовым воздействием. В

перспективе, предлагаемые шаги, посредством получения объективных, интегральных диаграмм реакций несущих конструкций, узлов и элементов строительной системы на различных стадиях ее работы: упругой, упругопластической, разрушения, объективно позволяют обеспечить качество интересующей нас выборки.[1, 8, 11-13]

И, как следствие, это позволяет обеспечить более высокий уровень эффективности и надежности сейсмозащиты строительных объектов.

К счастью для нас, кроме отмеченных выше подходов, в арсенале строителей имеются и

151

другие средства и возможности снижения неоднозначности и неопределенности.

2.3. ПРИМЕРЫ КОРРЕКТНОГО СНИЖЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ И НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ В ЗАДАЧАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ СЕЙСМОЗАЩИТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ:

2.3.1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ ЭТАЛОНЫ.

Как известно, критерием истинности является практика. В нашем случае, землетрясения как строгий экзаменатор выявляют слабые стороны строительных объектов, с другой стороны - представляют информацию для последующего совершенствования проектных решений. Поэтому, для доказательства особенностей работоспособности, эффективности и надежности сейсмозащиты зданий и сооружений лучшим вариантом было бы их непосредственное исследование в условиях сильного землетрясения. Однако по целому ряду объективных причин это просто невозможно осуществить. [1-5]

Проблема в том, что сильные землетрясения явления редкие и случайные – мы не знаем где, когда и с какой интенсивностью проявятся эти воздействия. Определенную роль в невозможность решения проблемы поиска эффективной и надежной сейсмозащиты вносит нелинейность силового поля, а так же нелинейность деформирования материала и геометрическая нелинейность работы конструкций строительного объекта. Но еще большую проблему для анализа и теоретических проработок вызывает ограниченность и отсутствие объективной информации и экспериментальных данных о поведении строительных элементов и узлов во время сильных землетрясений. Вследствие чего, большинство строительных объектов, расположенных на сейсмоопасных территориях (в частности на территории Украины), фактически не имеют реальной апробации в условиях их работы при сильных землетрясениях. Что, естественно, вызывает массу технических проблем при обеспечении эффективной и надежной сейсмозащиты строительных объектов. [6-9]

Высокий уровень неоднозначности и неопределенности в задачах обеспечения высокой эффективности и надежности не позволяет не только корректно и адекватно, но во многих случаях вообще обеспечить удовлетворительное решение. [1-5] Выход один – это понизить имеющую место негативную составляющую неопределенности до практически приемлемого уровня использования. В качестве одного из эффективных средств снижения неоднозначности и неопределенности предлагается рассмотреть использование строительные эталоны.

Так с одной стороны, по целому ряду объективных причин, в частности, экономического, эстетического и технического порядка мы не можем ни отказаться, ни существенно уменьшить имеющееся архитектурно-конструктивное многообразие строительных объектов. Одновременно с этим, все из-за того же многообразия объектов, мы не можем их на прямую сравнить между собой. Однако с другой стороны, при этом ведь никто не мешает нам, рядом с интересуемым объектом, установить единичный осциллятор, например, в виде одноэтажной, металлической рамы [6] и тем самым организовать эталон сейсмической интенсивности, что для нас авто-

матически решает ряд важных проблем:

Во-первых, это объективно сводит все имеющееся многообразие элементов влияния исследуемой динамической системы к исследованию стандартного эталона (эталонов). Одновременно с этим, в одноэтажной, эталонной раме спектры реакции непосредственно показывают, какого значения может достигать реакция реальной системы с определенным периодом колебаний и затуханием.

Во-вторых, очевидно, что одноэтажная, стандартная рама является более точной мерой интенсивности, чем используемое максимальное значение параметра реакции относительно основания. В нестандартном строительном объекте, наряду с особенностями колебания грунта, неизбежно приходится учитывать еще и собственные колебания и затухания осциллятора, т.е. конструктивные особенности объекта.

В третьих, выполнение одноэтажной, стандартной рамы из металла позволяет обнаружить при сильных землетрясениях, влияние гистерезиса, который при малых значениях силового воздействия просто не фиксируется, так как не обнаруживается.

И, наконец, сравнение данных с эталонов, расположенных в разных пространственных точках, между собой, в какой-то мере позволяет нам объективно судить об особенности влияний,

152

вносимых разным геологическим строением площадок строительства, а так же учесть особенности фактических параметров землетрясений в динамический характер поведения строительного объекта при землетрясении.

Проблема лишь в отсутствии такого эталона. Строителям следует договориться об

конструктивных параметрах эталона интенсивности, об его аппаратурном оснащении, размещении аппаратуры и, наконец, согласовать и законодательно закрепить статус эталона интенсивности на межгосударственном уровне.

В качестве другого иллюстрирующего примера корректной нейтрализации негативной составляющей неопределенности рассмотрим силовое воздействие. И здесь, редкость проявлений, и уникальность землетрясений, связанная с многофакторным влиянием целого ряда его составляющих, не позволяет нам напрямую использовать сейсмические воздействия в за-

дачах динамики и приводит к объективной необходимости замены сейсмического силового воздействия на более доступное динамическое воздействие. Данный факт не вызывает со-

мнения у специалистов. Проблема лишь в том, как это адекватно и корректно осуществить. Среди контролируемых динамических воздействий, когда известно его место и время

проявления, наиболее близкими по частоте, амплитуде и интенсивности силового воздействия являются ядерные взрывы [5]. Правда, учитывая негативные экологические последствия и их стоимость, не говоря уже о действующем запрете на ядерные испытания, от динамических испытаний посредством ядерных взрывов следует отказаться.

По сравнению с ядерными взрывами, обычные взрывы являются более доступными и экономичными. Но и их применение из-за техники безопасности и дискомфорта, который они вызывают среди населения, в основном ограничено отдельно стоящими строительными объектами, и очень редко, в тех случаях, когда по объективным причинам взрывные работы проводятся внутри жилых образований, их используют для динамического исследования строительных объектов. [1, 3-5, 7-8]

Другой путь контролируемых испытаний строительных объектов динамическими воздействиями нам обеспечивают гармонические силовые воздействия, получаемые с помощью вибромашин. С их помощью можно контролировать не только время воздействия, но частоту и амплитуду силового воздействия. Однако, учитывая жесткую связь между зданием и его основанием, большие диссипативные свойства грунта, вибрационную машину приходится устанавливать на верхних этажах строительного объекта, в то время как сейсмическое воздействие к объекту приходит через фундамент сооружения. Что нарушает адекватность приложения нагрузки и, как следствие, разное силовое восприятие нагрузки строительными элементами. [1-8]

Кроме этого, из-за больших параметров силового воздействия, после динамических испытаний, в месте установки вибромашины наблюдаются микротрещины в железобетонных конструкциях, и даже разрушения отдельных строительных элементов. Поэтому, как правило, после испытаний приходится ремонтировать исследуемый строительный объект. В целом испытания с помощью вибромашин довольно дороги. К стоимости ремонта строительного объекта, следует добавить стоимость самой вибромашины и стоимость ее эксплуатации, что естественно приводит к высокой стоимости динамических испытаний посредством вибромашин. [1-4, 7-10]

Наиболее доступными и дешевыми являются механические воздействия от оборудования, установленного внутри строительного объекта, от транспорта и механизмов, работающих вне строительного объекта, от импульсных ветровых воздействий и т.д. К сожалению, из-за малой интенсивности данных воздействий, посредством их сложно исследовать явления нелинейности, например, связанные с появлением пластичности в металлических деталях и микротрещин в железобетонных элементах, так как фиксация этих проявлений возможна только при более высоких значениях силовых воздействий. [1-10]

Каждое отмечаемое воздействие обладает только ему присущими частотой, амплитудой и интенсивностью силового воздействия, которые существенно отличаются не только друг от друга, но и от сейсмических воздействий. Поэтому, чтобы в практических целях вместо редких сейсмических воздействий можно было использовать более доступные динамические силовые воздействия, нужен своего рода их сравнительный ряд или переводные коэффициенты (масштабы). Понятно, что для успешного решения данной проблемы потребуется значительное

153

время и существенное материально-техническое сопровождение. Другой альтернативы в решении проблемы на сегодня нет, а ее решение для сообщества крайне существенно и необходимо.

Предлагаемое упрощение силового воздействия действительно способно обеспечить приемлемое решение проблемы поиска и обеспечения надежной сейсмозащиты строительных объектов, но только в отдаленной перспективе, после накопления необходимого объема информации и данных о влиянии сейсмических и динамических воздействий на элементы и узлы строительных объектов. Уже сейчас следует предпринять соответствующие шаги по обес-

печению получения сравнительных (переводных) коэффициентов (масштабов) между сейсмическими и динамическими воздействиями: взрывными, вибрационными, организуемых с помощью вибромашин, импульсными ветровыми и механическими воздействиями, т.е. соответствующего экономического, материального и юридического обеспечения.

2.3.2. Физическое моделирование.

Как показывает практический опыт, исследовать строительный объект довольно

сложно и дорого, в то время как физическое моделирование позволяет заменить сложный и дорогостоящий объект исследования на исследование более простого и доступного аналога. И главное, физическое моделирование, при соблюдении определенных условий, позволяет распространять результаты исследований модельного аналога на его реальный прототип.

[1-6]

Следует отметить, что под физической моделью какого-либо процесса или явления понимают полное, на уровне современных знаний, описание этого процесса или явления в физически содержательных терминах. В модель должны входить все без всяких упрощений известные функциональные, дифференциальные и прочие соотношения и связи между параметрами процесса или явления. Физическая модель также должна содержать имеющие экспериментальные данные, относящиеся к рассматриваемому процессу, изложение гипотез, которые могут быть сформулированы по поводу еще не изученных связей, соотношений между параметрами. [1-8]

Воснове физического моделирования лежит понятие о подобии явлений. Два явления называют подобными, если они имеют одинаковую физическую природу и если характеристики одного из них отличаются от характеристик другого только масштабом, одинаковым для всех одноименных характеристик. Одноименными называются характеристики, имеющие одинаковую размерность. Масштабный множитель позволяющий перейти от характеристик одного явления к характеристикам другого, называют коэффициентом подобия или константами подобия.

Взависимости от вида изучаемых характеристик различают:

Геометрическое подобие – если речь идет только о геометрических характеристиках; геометрически подобными называют фигуры, отношения всех соответствующих размеров в которых одинаковы.

Механическое подобие – если речь идет о подобии механических характеристик - сил, давлений, механических напряжений, скоростей и т.п.

В свою очередь, механическое подобие подразделяют:

на кинематическое подобие, т.е. подобие геометрически-временных характеристик движения - деформаций, перемещений, скоростей, ускорений и т.п.,

и на динамическое подобие, т.е. подобие сил, давлений, механических напряжений и т.п. [1,

3-6]

Естественно, что механическое подобие включает в себя и геометрическое подобие. Критерии подобия регламентируются рядом теорем подобия:

Так первая теорема подобия, сформулированная Ньютоном в 1686 г. [9] устанавливает, что в подобных механических системах коэффициент подобия для сил F связан с коэффициентом подобия для масс M, для времени T и с коэффициентом геометрического подобия L зависимостью:

154

F M L

T2

Или в более короткой форме - для подобных механических явлений индикаторы подобия равны единице. [8]

Согласно второй теореме подобия для того, чтобы данные, полученные из опыта, можно было непосредственно распространять на подобные явления, эти данные надо обрабатывать и представлять в виде зависимости между критериями подобия. Другими словами, надо стараться установить зависимость не между отдельными величинами, характеризующими явления, а между их комплексами, представляющими критерий подобия. [5, 8, 10-11]

Третья теорема подобия устанавливает. Что для подобия явлений необходимо и достаточно, чтобы условия однозначности этих явлений были подобны, т.е. чтобы явления описывались одной и той же системой уравнений, граничных и начальных условий, причем определяющие критерии должны быть равны. [5, 8, 10-11]

Таким образом, для выполнения моделирования необходимо обеспечить следующее:

1.Составить уравнения, описывающие изучаемое явление в натуре, установить начальные и граничные условия, а затем привести их к критериальной форме.

2.Запроектировать модель подобия, подобрав масштабы всех величин таким образом, чтобы определяющие критерии для модели и оригинала были равны, а условия однозначности подобны, либо чтобы для явления в модели подходили дифференциальные уравнения, начальные и граничные условия в критериальной форме, составленные для оригинала; при этом необходимо тщательно проверить, чтобы на модели сохранилась физическая природа явления, т.е. чтобы с изменением масштаба не начали играть роль те эффекты, которые не проявляются в натуре, например, краевые эффекты или переход в другую стадию работы для твердых деформируемых тел и т.д. При отсутствии уверенности в отсутствии масштабных эффектов и для обеспечения надежности результатов, получаемых при моделировании, обычно проектируют масштабную серию, т.е. несколько моделей разного масштаба и их результаты сверяют между собой результаты, полученные на них.

При этом масштабные модели должны быть достаточно малыми для того, чтобы моделирование было экономичным и могло быть осуществлено с применением доступного экспериментального оборудования – вибростолов, вибровозбудителей и т.п. Но в то же время эти масштабы должны быть сравнительно велики для того, чтобы обеспечить достаточно слабое влияние масштабных эффектов, достаточно точное осуществление параметров, входящих в состав определяющих критериев и достаточно надежное измерение всех параметров явления, входящих

всостав определяемых критериев. Нахождение компромисса между этими двумя противоречивыми требованиями к выбору масштабов составляет одну из основных трудностей проектирования модели явления, имеющего строгое математическое описание.

3.Изготовить модель, оснастить ее необходимой измерительной аппаратурой и провести на ней эксперименты во всех интересующих исследователя режимах.

4.Обработать результаты эксперимента, представив их в виде зависимостей определяемых критериев от определяющих критериев, и если моделирование выполнено правильно, то эти зависимости пригодны и для натуры. [7-8]

К сожалению, для строительных объектов, подвергнутых силовому воздействию при сильных землетрясениях, по ряду объективных причин, обеспечить все критерии подобия не представляется возможным. Например, хотя бы из-за несовместимости между собой требований предъявляемых к масштабам или физическим константам материала модели, так как практически до настоящего времени не решена проблема создания материалов, которые позволяли бы широко варьировать модулями упругости при сохранении неизменными коэффициента Пуассона. В результате, если модель выполняется из того материалам, что и оригинал, то из критерия Эйлера вытекает требование равенства скоростей на модели и оригинале (или равенства масштабов времени и линейного), тогда как из критерия Фруда вытекает требование изменения скоростей пропорционально корню квадратному из его линейного масштаба (т.е. линейный

155

масштаб должен быть равен квадрату времени). Из чего вытекает, что при постоянном ускорении свободного падения g моделирование не возможно. [8]

Для согласования критерия Фруда с другими критериями подобия можно поместить модель в поле центробежных сил, установив ее на специальную центрифугу [12]. Тогда роль ускорения

свободного падения будет играть геометрическая сумма ускорений g r 2 . При достаточно

большом отношении величины радиуса вращения r к максимальному размеру модели эти ускорения во всех точках модели можно считать параллельными и равными по величине. Угловая скорость вращения подбирается по величине необходимого масштаба ускорения. Однако для решения задач динамики сооружений этот метод практически не применяется в связи с серьезными техническими трудностями. [5]

Затем, жесткость, прочность и вес строительных узлов и элементов, равно как и сила вязкого трения, вес подвижных частей демпфирующих элементов, с изменением размеров, меняются в разных пропорциях. В этих условиях, обеспечить согласованную, эквивалентность изменения всех отмечаемых параметров с критериями геометрического и механического подобия в полном объеме технически невозможно. В силу объективных обстоятельств, независимо от нашего желания, приходится какими-то определенными изменениями пренебрегать (отбрасывать). А вот чтобы оценить влияние этих упрощений, дополнительно требуется проверка напряжений в материале узлов и элементов, с тем, чтобы они не оказались выше предела пропорциональности, а, кроме того, необходима проверка (доказательство) возможности считать эти элементы модели безинерционными. [1-2, 8]

При моделировании систем с переменными параметрами необходимо, чтобы и на эти параметры распространялось изменение масштаба времени.

Кроме этого, при моделировании нелинейных систем необходимо, чтобы диаграммы нелинейности оригинала и модели, были построенные в безинерционных координатах, совпадали и т.д. [1-2, 8]

В конечном итоге получается, чтобы, обеспечить все критерии подобия, мы должны модель привести в полное соответствие с прототипом, в результате чего, модель из исследуемого аналога превратится в исследуемый прототип и тем самым, мы лишимся преимуществ, которые нам обеспечивает физическое моделирование.

Другой способ преодоления трудностей, связанный с предложения о применении так называемого «нелинейного подобия» [6], при котором величины, характеризующие явления в модели и оригинале, пересчитываются друг в друга с помощью нелинейных уравнений [8]. Правда, такой способ моделирования возможен только при наличии строгого математического описания исследуемого явления, т.е. при наличии математических уравнений со всеми дополнительными условиями, обеспечивающими однозначность решения (например, начальные и граничные условия в краевой задаче). А для этого, как минимум, требуется большой объем достоверного, материала по силовому воздействию, по работе в условиях сильных землетрясений как объекта в целом, так и его элементов, узлов и частей. К сожалению, из интересуемого объема информации, пока мы располагаем лишь некоторым набором акселерограмм землетрясений «средней» интенсивности и только единичными акселерограммами землетрясений большой интенсивности, которые не охватывают всех интересуемых нас грунтовых напластований. Наконец, есть экспериментальные данные по поведению строительных конструкций и элементов при действии динамических нагрузок, но только в лабораторных условиях и практически нет фактического материала о пространственной работе зданий и сооружений в условиях действия землетрясений средней и сильной интенсивности.

Еще сложнее выступает задача объективно доказать наличие адекватности между строительным объектом и моделью, так как, учитывая многофакторность и сложность явлений, многообразие и разнообразие строительных объектов, недостаток информации по реальной работе, при моделировании сложно учесть все условия подобия. В результате мы получаем лишь некоторую качественную картину, в лучшем случае, близко отражающую реальность, в худшем случае – мы зря потеряем время и деньги.

С другой стороны,- имея большой статистический материал по отмечаемым аспектам, во-

156

обще-то, отпадает необходимость в моделирование на моделях. Проблема, как уже отмечалось, лишь в том, что мы пока не располагаем необходимыми объемами фактов и данных.

Итак, раз методы теории физического подобия не могут быть применены и использованы в полном объеме, то у нас остается лишь одна практическая возможность добиться успеха, и заключается она - в частичном соблюдении условий подобия, т.е. при более глубоких упрощениях

иидеализациях конкретных расчетных систем строительных объектов. Правда, с таким расчетом, чтобы они с одной стороны делали бы задачу практического решения при динамическом воздействии достижимой, а с другой - наиболее близко отражающей истинную работу, как конструкций сооружения, так и самого сооружения в целом. [1-6, 7-8, 13]

Используя возможности строительной механики, теории упругости (сопромата), теории колебаний и т.д. можно обеспечить численное исследование или компьютерное моделирование, что объективно позволяет не зависеть от обстоятельств и внешних условий, а конструировать и создавать их в зависимости от имеющихся потребностей, возникающих перед конструктором (исследователем). Естественно, что все это связано с определенными техническими трудностями. Но трудностями уже преодолимыми.

Понятно, что характер идеализаций, допустимых при рассмотрении той или иной задачи, определяется всей задачей в целом и зависит не только от свойств рассматриваемой системы, но

иот того на какие именно вопросы мы хотим получить ответ при рассмотрении. Таким образом, допустимость той или иной идеализации зависит от тех количественных соотношений, которые характеризуют данную систему. Вследствие чего, вынужденно введенные нами упрощения и используемые аппроксимации, округления (отбрасывание малых величин), требуют математической оценки, с тем, чтобы установить границы применимости сформулированной расчетной модели. [1-2]

Винженерной практике сделать такие оценки для сложных динамических систем удается редко. Не все гипотезы и упрощения поддаются экспериментальной проверке на натурных объектах, не говоря уже об экспериментах на модельных образцах и об отсутствие объективной информации и экспериментальных данных о поведении строительных элементов и узлов во время сильных землетрясений. Несомненно, что игнорирование малыми параметрами в ряде случаев может оказать большое влияние на устойчивость или качественный характер поведения динамической системы и, следовательно, без количественной оценки вводимых упрощений и рабочих гипотез нельзя судить о достоверности результатов исследований или расчетов и границ их применимости.

Поэтому упрощенное моделирование с одной стороны требует соответствующего обоснования используемого аппроксимирования, с другой стороны - обязательного подтверждения получаемых результатов натурными испытаниями, которых, как мы уже отмечали, у нас в нужном объеме нет.

Если учесть, что при случайном характере землетрясений, даже целенаправленный отбор исследуемых строительных, в определенной мере, носит случайный характер, то у нас есть основание воспользоваться статистическим выборочным методом для определения свойств случайных объектов.

Сравнивая физических параметров объекта до и во время землетрясения с данными его компьютерного моделирования, несложно установить величину и характер отклонения. Причем чем большим объемом информации и фактов мы будем располагать, тем ближе к истине окажется результат сравнения. Понятно, что для получения и накопления информации необходимо время, соответствующий инженерный мониторинг строительных объектов, нужны специалисты, нужно нормативно-законодательное и материально-техническое обеспечение.

При этом проводимый инженерный мониторинг, паспортизация и динамическая паспортизация строительных объектов, проводимые как в период строительства, так и в процессе эксплуатации строительных объектов, позволяют не только выявлять, отслеживать негативное влияние природных факторов и человека, но и своевременно их устранять и даже, в каком-то мере, предвосхищать их при будущем строительстве.

Несомненно, и то, что для обеспечения, получения эффективной и надежной сейсмозащиты строительных объектов это необходимое и обязательное условие.

157

2.4. СОСТАВЛЯЮЩИЕ И СОПУТСТВУЮЩИЕ СЕЙСМИЧЕСКОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ

ФАКТОРЫ И ИХ ОТРАЖЕНИЕ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТАХ.

Научно-технический прогресс, из-за изменения уровня знаний и появления новых технических и экономических возможностей, приводит нас к постоянному пересмотру уже сложившихся и устоявшихся взглядов на окружающую нас действительность.

Издесь сейсмостойкое строительство не исключение. Так расчетные относительное ускорения грунта, нормируемое отечественной шкалой сейсмических нагрузок, увеличилось с 1952 по сей день в четыре раза. В первом нормативном документе СН-8-57 значение К было в неявном

виде заложено в показателях коэффициента сейсмичности Кс, который имел значение для землетрясений: 7 баллов – 0.025; 8 – баллов – 0.05; 9 - баллов – 0.1. В СНиП II-7-81; показатель сейсмичности (А) характеризуется амплитудным уровнем ускорения движения грунта, равным соответственно для землетрясений: 7 баллов – 0.1; 8 – баллов – 0.2; 9 - баллов – 0.4. [1-4]

Вследствие чего, можно было бы ожидать, что старые сооружения, рассчитанные на меньшие нагрузки, претерпят массовые обрушения при сильных землетрясениях, нормируемых сегодняшней шкалой. Однако опыт последних сильных землетрясений показал, что и старые и новые здания, рассчитанные соответственно на старые и новые нагрузки, примерно одинаково переносят сильные землетрясения при одинаковом качестве строительства. [1]

Иэто, в определенной мере, понятно и закономерно:

Раньше, при строительстве в сейсмических районах, у строителей, в некоторой мере, была возможность маневра территорией, поэтому требования к строительной площадке были выше - их выбирали и тщательно отбирали. Сейчас же, прежде всего, из-за значительного роста народонаселения и ограниченности свободных территорий, строить приходится там, где укажет заказчик, - причем нередко на территориях, которые ранее считались сейсмически непригодными.

Изменился и характер застройки. Если в начале 20 столетия, это были в основном каменные массивные здания высотой от одного до трех этажей, то в середине 20 столетия этажность возросла до 5 этажей. В строительной практике стал использоваться железобетонный и металлический каркас с каменным и панельным заполнением, железобетонные перекрытия. Кроме этого, в качестве эффективного антисейсмического защитного средства, используется железобетонный антисейсмический пояс. В конце 20 века этажность возросла до 9 и более этажей, а железобетонный каркас в строительной практике стал преобладающим конструктивным решением. Появилось множество строительных объектов, аналогов которым в начале 20 столетия просто не найти. В качестве иллюстрирующих примеров таких объектов можно отметить атомные электростанции, современные химические, металлургические и механосборочные предприятия, занимающие большие территории, с опасными для людей и окружающей среды производствами; нефтепроводы, газопроводы, телебашни, тоннели под морями и реками, многокилометровые мосты, располагаемые на большой высоте, чтобы обеспечить пропуск судов или быструю и безаварийную переброску транспорта по сложной местности и т.д. Одним словом, многие современные строительные объекты просто не с чем сравнивать. Отсюда появилась непростая, практическая проблема, как и чем, оценивать сейсмостойкость современных строительных объектов? И вообще – как и насколько эффективно мы это делаем и осуществляем?

2.4.1. ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ.

Если обратиться к истории организации сейсмозащиты строительных объектов, то выясниться, что первоначальные исследования негативных сейсмических проявлений стали возможны только с появлением шкалы интенсивности.

Заметим, что интенсивность землетрясения - это сейсмический эффект, оцениваемый в баллах по описательной шкале интенсивности сотрясения земной поверхности, основанный на реакции людей, строительных объектов и на изменениях природных объектов. [5-9]

В разных странах принято по-разному оценивать интенсивность землетрясения [6-8]:

158

ВСША и англоязычных странах наиболее широко распространена 12-балльная модифицированная шкала Меркалли (ММ);

ВРоссии и некоторых других странах 12-бальная шкала Медведева-Шпойнхойера-Карника

(MSK-64);

ВЕвропе - 12-бальная Европейская макросейсмическая шкала (EMS-98);

ВЯпонии - 7-балльная шкала Японского метрологического агентства (JMA).

Все шкалы интенсивности устроены так, что в них с ростом балльности, растет и уровень негативного проявления, достигая своего максимума при 12 баллах или 7 баллах (по шкале JMA).

В качестве иллюстрирующего примера рассмотрим фрагмент варианта модифицированной шкалы Меркалли [6-7]. Однако так как практическую значимость имеют существенные сейсмические проявления, то инженеры-строители при проектировании зданий и сооружений обычно учитывают информацию об интенсивности, начиная с 7 баллов. Поэтому и мы представим шкалу не всю, а только начиная с 6 баллов:

VI. Ощущается всеми; многие в испуге выбегают из домов. Иногда смещается тяжелая мебель, в некоторых местах осыпается штукатурка и опрокидываются трубы. Разрушения небольшие.

VII. Все жители выбегают из домов. В зданиях, возведенных по специальным проектам, повреждения незначительные, в типовых, хорошо выстроенных зданиях - от легких до умеренных, в плохо спроектированных или выстроенных - значительные. Опрокидывается часть труб. Толчки ощущаются в автомашинах.

VIII. В зданиях, возведенных по специальным проектам,- легкие повреждения, в типовых зданиях - значительные повреждения, иногда частичное разрушение, в плохо выстроенных - значительные разрушения. Происходит отрыв панелей от каркасов. Опрокидываются и падают печные и фабричные трубы, колонны, памятники, стены. Перемещается тяжелая мебель. Наблюдаются выбросы небольших объемов песка и ила. Изменяется положение уровня воды в колодцах и скважинах.

IX. В зданиях, возведенных по специальным проектам, значительные повреждения, наклон хорошо спроектированных и выстроенных каркасных зданий, в типовых зданиях большие повреждения, частичное разрушение. Здания смещаются относительно своих фундаментов. Значительные трещины на земной поверхности. Разрывы подземных трубопроводов.

X. Разрушение некоторых хорошо выстроенных деревянных зданий и большинства каменных и каркасных вместе с их фундаментами. Многочисленные трещины на земной поверхности. Искривление рельсов на железных дорогах. Значительные оползни по берегам рек и на склонах. Выбросы песка и ила. Выплеск воды и затопление берегов.

XI. Только немногие каменные здания сохраняют устойчивость. Обрушение мостов. Широкие трещины на поверхности земли. Подземные трубопроводы полностью выходят из строя. Сплывы и оползни в рыхлых грунтах. Значительный изгиб рельсов на железных дорогах.

XII. Тотальное разрушение. На поверхности земли образуются волны. Изменяются отметки поверхности и линия горизонта. Предметы подбрасываются в воздух.

Вообще-то, аналогичный вид и общее построение имеют все шкалы интенсивности. Однако при этом каждая шкала интенсивности определяется своими особыми или индивидуальными особенностями. Так по шкале интенсивности JMA [7], принятой в Японии, максимум интенсивности по сравнению с 12 балльной модифицированной шкалой Меркалли, определяется в 7 баллов. Отсюда разница в характеристике балла в приводимых шкалах интенсивности. Проиллюстрируем сказанное на примере фрагмента шкалы JMA от четырех до семи баллов:

IV. Сильное: сильное раскачивание домов и строений, опрокидывание неустойчивых предметов, выплескивание жидкостей из сосудов, наполненных на четыре пятых.

V. Очень сильное: растрескивание штукатурки на стенах, oопрокидывание каменных надгробий, повреждение кирпичных дымовых труб и складских построек из местных материалов.

VI. Разрушительное: обрушение до 30% японских деревянных домов, многочисленные оползни грунта и разрушение откосов, трещины на пологих участках грунта.

VII. Опустошительное: обрушение более 30% японских деревянных домов.

159

С другой стороны, шкала интенсивности MSK-64, так же, как и модифицированная шкала Меркалли, являясь 12 балльной, имеет схожую сравнительную базу. Однако, как более современная, она в своей структуре имеет еще ряд дополнительных уточняющих пунктов, в частности таких как [8-9]:

Типы сооружений:

Здания, возведенные без необходимых антисейсмических мероприятий.

Тип А - здания из ровного камня, сельские постройки, дома из кирпича - сырца, глинобитные

дома

Тип Б - обычные кирпичные дома, здания крупноблочного и панельного типа, фахверковые строения, здания из естественного тесаного камня.

Тип В - каркасные железобетонные здания, деревянные дома хорошей постройки.

Количественные характеристики:

отдельные - около 5%; многие - около 50%; большинство - около 75%.

Классификация повреждений:

1с т е п е н ь . Легкие повреждения: тонкие трещины в штукатурке и небольших кусков штукатурки.

2с т е п е н ь . Умеренные повреждения: небольшие трещины в стенах, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение кровельных черепиц, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб.

3с т е п е н ь . Тяжелые повреждения: большие и глубокие трещины в стенах, падение дымовых труб.

4с т е п е н ь . Разрушения: сквозные трещины и проломы в стенах, обрушение частей зданий, обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса.

5степень. Обвал: Полное разрушение зданий.

Группировка признаков шкалы

а) Люди и их окружение, б) Сооружения, в) Природные явления.

Следует особо подчеркнуть, что шкалы интенсивности не имеют никакого отношения к инструментальным измерениям. Они просто позволяют свидетелю в удобном виде обобщить свои ощущения и наблюдения, так что их можно сравнить с тем, что произошло в других местах или при другом землетрясении. [11]

Правда и то, что действующие в настоящее время шкалы построены как на инженерной основе, так и на описании ощущений людей. Причем при интерпретации конкретных явлений используется та часть шкалы, которая представляется наиболее целесообразной.

К сожалению, одновременно с простотой и доступностью подхода, связанного с использованием шкал интенсивности, он обладает низкой информативностью, а полученные данные во многом являются малодостоверными. И это вполне объяснимо.

Дело в том, что ощущения людей и их мнения во многом индивидуальны и субъективны. Это целиком и полностью зависит от их местожительства, занятий, возраста (жизненного опыта), физического состояния и т.д. Поэтому, даже находясь в обычных условиях, люди по-разному воспринимают и описывают происходящие рядом с ними события. Еще хуже обстоит бело с адекватностью нашего восприятия окружающей действительности и оценки событий, когда мы находимся в экстремальных условиях сильного землетрясения, когда имеет место реальная угроза нашей жизни и безопасности, когда под угрозой находятся наши близкие, когда царит всеобщая паника. Кроме этого, землетрясение явление неожиданное, поэтому застает людей в разных местах: кого-то на улице, кого-то в помещении, в низу, в средине или на верху объекта и т.д., в разном положение (сидя, стоя, лежа). В результате, наряду с чисто субъективными причинами, срабатывают и объективные причины. В частности, медицинскими экспериментами и физическими средствами (приборами) установлено, что люди находясь в разных положениях, по-разному воспринимают вибрационные воздействия. При этом имеет значение рост человека, его комплекция, одежда, обувь, частота и интенсивность вибрационного воздействия, его

160