» » Подготовка к землетрясениям, прогнозирование поведения сооружений

Подготовка к землетрясениям, прогнозирование поведения сооружений

15.08.2016

Наилучший способ защиты от землетрясений - это своевременная и надежная подготовка к нему. Это осуществляется прежде всего путем систематического усовершенствования научных основ сейсмического воздействия, принципов проектирования и возведения сейсмостойких зданий и сооружений и их расчетных концепций. Другими словами главное внимание необходимо уделять вопросам безопасности сооружения, а не на установлению точного дня и часа его обрушения. Ведь люди умирают не от самого землетрясения, а из-за разрушения зданий и сооружений вследствие землетрясения. Для уменьшения уровня негативных последствий от землетрясения первостепенной научной проблемой становится прогнозирование не точного времени ожидаемого землетрясения, а прогнозирование поведения сооружения во время землетрясения. Цель любого прогноза — понижение уровня негативных последствий прогнозируемого явления. Цель прогнозирования поведения сооружения во время землетрясения (независимо когда оно произойдет) — разработать такие принципы проектирования и возведения зданий и сооружений, при реализации которых были бы гарантированы безопасность жизни людей, сохранность оборудования и имущества с минимальными расходами на антисейсмические мероприятия. Другими словами свести к минимуму величину сейсмического риска.
Задача прогнозирования поведения сооружения во время землетрясения включает в себя большой круг взаимообусловленных вопросов. Главными из них являются закономерности сложных пространственных колебаний приповерхностной неоднородной толщи (строительной площадки) с различными физико-механическими, акустическими и гидрологическими параметрами при сильных землетрясениях с одной стороны, и особенности конструктивных, объемно-пространственных решений, прочностных, деформационных и диссипативных свойств, применяемых строительных материалов и узлов сопряжений проектируемого сооружения - с другой стороны.
Как неоднократно отмечалось выше, механизм возникновения землетрясения имеет еще много не до конца выясненных аспектов. Еще сложнее прогнозирование особенностей его проявления на определенном расстоянии от очага на поверхности Земли с данным грунтовым условием на строительной площадке проектируемого сооружения.
Ho все же следует констатировать, что за последние 50-60 лет благодаря регистрации большего количества акселерограмм сильных землетрясений и достижениям в области механики деформированных твердых тел удалось разработать достаточно близкую к действительности теорию (модель) сейсмического воздействия на здания и сооружения. Это теория позволяет при наличии статистически полной информации об уровне сейсмической опасности данной территории, грунтовых условиях площадки строительства и прочностно-деформационных, диссипативных параметрах проектируемого сооружения, прогнозировать его поведение при будущих землетрясениях. Причем этот прогноз осуществим вплоть до выявления повреждений и разрушения отдельных его элементов и управления этими повреждениями в смысле их допустимости для безопасности жизни людей и сохранности имущества. Эта тик называемом спектральная теория сейсмического воздействия в разных модификациях в настоящее время принята в нормативных документах по сейсмостойкому строительству почти всех сейсмоактивных стран мира. Таким образом в действительности основные положения норм сейсмостойкого строительства — это наш сегодняшний прогноз поведения проектируемых зданий и сооружений при будущих землетрясениях.
Естественно, что отдельные элементы этой теории систематически будут подвергаться изменениям и дополнениям после каждого сильного землетрясения, анализа повреждений зданий и сооружений, в том числе инструментально зафиксированных кинематических параметров по высоте поврежденных и неповрежденных сооружений.
Вопросы прогнозирования поведения сооружения можно существенно развить также на основе экспериментальных исследований натурных объектов или их крупномасштабных моделей при искусственных воздействиях имитирующие землетрясение: при помощи мощных сейсмических платформ програмного управления, с использованием вибрационных машин, при специальных подземных взрывах. Большую и неоценимую информацию о фактическом поведении сооружения дают обследования их физического состояния и характер повреждений после сильного землетрясения независимо от того, где они произошли. Мы здесь особо подчеркиваем роль повреждений зданий, потому что они содержат больше информации для совершенствования принципов проектирования, чем полностью разрушенные или, наоборот, полностью устоящие здания. Здесь уместно вспомнить слова известного американского геофизика и геодезиста Уильяма Боун о том, что “Человечество от крупных природных катаклизм получает частичную отдачу в виде тех поучительных уроков, которые вытекают от их изучения”. Поэтому при каждом разрушительном землетрясении независимо от страны, где оно произошло, необходимо организовать специальную экспедицию ученых в области сейсмостойкости и инженеров-проектировщиков (а не только сейсмологов как это бывает в большинстве случаев). Полноценные такие исследования, естественно, не обойдутся без крупных финансовых и материальных вложений, но они существенно малы, чем для работ по прогнозированию времени землетрясения, и можно с уверенностью утверждать, что они стократно окупятся.
Единственным источником информации о реальных кинематических параметрах движения грунта являются те инструментальные данные, которые зафиксируются во время сильных землетрясений. Естественно, что для надежной статистической оценки данных и построения на их основе моделей сейсмических воздействий для сейсмостойкого строительства инструментальные данные должны быть добыты из густой сети наблюдений, организованной на пунктах с разными грунтовыми условиями на всей сейсмоопасной территории в течение десятка лет. С сожалением приходится констатировать, что из-за отсутствия надежных акселерографов в сети сейсмических станций на всей территории бывшего СССР не было накоплено достаточного количества акселерограмм сильных землетрясений с магнитудой М>5. Такие записи не были получены ни при Ашхабадском, ни при Ташкентском, ни при землетрясениях на Камчатке, в Зангезуре, в Дагестане, Сахалине, Ноемберяне и многих других. А при двух мощных землетрясениях 1976 г. в Газли и 1988 г. Спитаке было получено всего по одной акселерограмме. Даже во время мощного Спитакского землетрясения 1988 года с магнитудой М=7.0 всего была получена одна акселерограмма на расстоянии около 30 км от эпицентра. По нашим сведениям, неблагоприятно обстоит дело с регистрацией акселерограмм грунтов и сооружений при сильных землетрясениях в странах СНГ и в настоя шее время. Для сравнения отметим, что во время Ломо-Приетского землетрясения 1989 года в Калифорнии в 125 пунктах на грунтах с радиусом 250 км были получены трехкомпонентные акселерограммы землетрясения. При этом акселерографы были установлены не только на грунтах, но и на разных по высоте уровня жилых и общественных многоэтажных зданиях, мостах и плотинах -всего получено 690 акселерограмм грунтов и сооружений. Аналогичная картина имела место и при последующих землетрясениях в Нортридже (США) в 1994 году и при сильных землетрясениях в Куширо-Оки и Кобе (Япония).
Мы специально это подчеркиваем, так как считаем, что сейсмическая безопасность будущих построек прямо обусловлена сегодняшним наличием большого количества записей прошлых сильных землетрясений.
Наряду с систематическим уточнением карт сейсмического районирования необходимо составить специальные локальные карты с расположением сейсмоактивных разломов и эпицентров прошлых разрушительных землетрясений, возможных оползневых зон, участков разжижения грунтов, участков вероятного затопления в случае обрушения плотин и других опасных для строительства зон.
Из сказанного следует, что нормы сейсмостойкого строительства должны систематически совершенствоваться в результате регистрации землетрясений, анализа их последствий и развития базы экспериментально-теоретических исследований строительных конструкций. Можно с уверенностью констатировать, что в этой области за последние десятилетия заметны неоспоримые достижения. Однако самые современные и строгие нормы сейсмостойкого строительства не могут гарантировать безопасность сооружений, если они проектировались с их грубыми нарушениями, строительно-монтажные работы при их возведении осуществлялись некачественно, не по проекту, и во время эксплуатации со стороны жителей конструктивное решение сооружения подвергалось различным самовольным изменениям. Здесь уместно привести отрывок из древних “Законов Хаммурада” (11750 г.д.н.э), заимствованный из книги Дж. Гира и Х. Шаха: “Если строитель построил дом для человека и не сделает его прочным, а дом падает и приносит смерть его владельцу, этот строитель заслуживает смерти. Если при этом погибает имущество, он должен возместить то, что уничтожено, и, раз он не сделал дом прочным, он должен построить его заново за свой счет. Если строитель построит дом для человека и не сделает его по правилам и стена упадет, тогда строитель должен укрепить стену за свой счет”. К сожалению, такие нарушения в прошлом имели место в сейсмоактивных районах бывшего СССР. Поэтому многие здания и сооружения в этих районах имеют большую уязвимость уже при землетрясениях с магнитудой М>5.
Как бы горько не звучало, гарантировать полную безопасность сооружения во время землетрясения практически невозможно. Да и с экономической точки зрения она нецелесообразна. Полное исключение повреждений во время землетрясения стоит много денег. Мы сознательно идем на определенный риск при строительстве зданий и сооружений. Этот риск велик для территории со старой застройкой, на территориях с высокой плотностью населения. Следовательно, необходимо всегда быть готовым к возможным чрезвычайным событиям. В этом деле наиболее важным шагом должна быть аттестация эксплуатируемых зданий и сооружений - периодическое обследование технического состояния и выявления уровня их сейсмовооруженности. На этой основе необходимо принять решение о сносе неудовлетворительных и усилении ослабленных объектов. Для этого необходимо иметь общую государственную и местную долговременную программу уменьшения уровня сейсмического риска. В первую очередь необходимо усилить здания и сооружения с большим накоплением людей (школы, больницы, объекты массовых спортивных и культурных мероприятий) и объекты жизнеобеспечения. Более предпочтительны те методы повышения уровня сейсмовооруженности эксплуатируемых объектов, которые позволяют осуществить это без прекращения эксплуатации. К таким методам относятся сейсмоизоляция существующего сооружения путем поэтапной установки резино-металлических подушек на уровне верхнего обреза фундаментов, возведением над существующим зданием верхнего неэксплуатируемого гибкого этажа, играющего роль гасителя колебания во время землетрясения; соединение верха существующего здания с вновь построенным жестким консольным сооружением и др,
Основные принципы сейсмостойкого строительства. Опыт и последствия разрушительных землетрясений показывают, что при строительстве новых, усилении и реконструкции существующих зданий и сооружений необходимо придерживаться общепризнанных принципов сейсмостойкого строительства, которые в обеспечении сохранности зданий и сооружений и жизни людей являются наирешающими:
- Объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и сооружений должны удовлетворять условиям симметрии и равномерного распределения жесткостей и масс. Предпочтение следует отдать конструктивным системам с малым шагом несущих элементов, меньшим количеством проемов, их малым размером и симметричным расположением. Здания сложной, неправильной формы при землетрясениях подвергаются дополнительным крутильным воздействиям, что резко увеличивает их повреждаемость.
- Вертикальные несущие элементы должны проходить по высоте здания от фундамента до крыши без разрывов и смены материала.
- Конструктивнее решение здания должно обладать определенной “адаптативностью” для исключения его хрупкого и внезапного разрушения и создания возможности его пластического деформирования без обрушения. С этой целью сжимающие усилия в несущих вертикальных элементах от постоянных статических нагрузок должны быть ограничены по сравнению с их реальной несущей способностью. Сталь — самый надежный строительный материал для сейсмостойкого строительства. Следует отдать предпочтение многократно статически неопределимым конструктивным системам.
- Основные несущие элементы конструкции должны быть однородными и монолитно связанные между собою в единую прочную и гибкую конструкцию. Здание по высоте должно быть гибким, на уровнях перекрытий - жесткими. В сборных железобетонных конструкциях следует стремиться к укрупнению размеров элементов, обращая особое внимание на надежность и прочность стыков соединения и их расположения вне зон максимальных усилий. Соединения должны быть равнопрочными с соединенными элементами; их конструктивное решение должно обеспечивать возможность качественного выполнения строительно-монтажных работ. Болтовые соединения предпочтительны по сравнению со сварочными соединениями. С целью предотвращения возможных аварий необходимо предусмотреть гибкие соединения между элементами комуникаций внутри сооружения и магистральными - в грунте.
- Необходимо никогда не забывать, что разница начальной стоимости здания с минимальной и высокой сейсмостойкостью составляет всего 5% и что позднее вынужденное усиление уже готового или поврежденного здания может обойтись в 50 и более процентов его первоначальной стоимости. Как говорят в народе “скупой платит дважды”.
- Многие здания и сооружения старой постройки имеют декоративные фасады, скульптурные украшения и карнизы, которые во время землетрясения могут представлять большую опасность. Их или надо удалить, или дополнительно укреплять со зданием на основании новых норм.
- Вблизи активных разломов, на крутых склонах, оползневых зонах, участках возможного разжижения и проседания грунтов, зонах возможного затопления в случае обрушения плотин необходимо наложить ограничение на строительство. На таких территориях лучше разбить парки, зоны отдыха и другие аналогичные объекты.
- При разработке проектов застройки территорий городов необходимо стремиться к простой застройке с возможно широкими улицами и проездами и меньшей плотностью заселения. Этажность жилых зданий рекомендуется не более 9, больниц и школ не более 3,
- Скальные грунты всегда предпочтительны для обеспечения сейсмостойкости. Причиной повреждений и обрушений зданий, возведенных на аллювиальных грунтах, в большинстве случаев, является генерирование в них резонансных колебаний во время землетрясения. Поэтому значение периода основного тона свободных колебаний проектируемого сооружения должно отличаться не менее в 1.5 раза от преобладающего периода грунтовой толщи, на которой оно должно быть возведено. Последствия разрушительных землетрясений показывают, что индивидуальные жилые дома в сельских местностях не менее уязвимы, чем другие здания и сооружения. Поэтому вопросы их проектирования и строительства также обязательно должны регламентироваться нормами.
- Нормы сейсмостойкого строительства устанавливают лишь минимальные требования для обеспечения сопротивления сооружения землетрясению. Они не могут предусмотреть все возможные случаи. Поэтому инженер-проектировщик обязан нести также индивидуальную ответственность за сейсмостойкость своего проекта. Общепризнанными критериями сейсмостойкого проектирования с точки зрения обеспечения безопасности людей и экономии материальных ресурсов считаются:
• при слабых землетрясениях (М≤5.5) здания должны остаться неповрежденными или получить небольшие повреждения;
• при умеренных землетрясениях (5.5≤М≤7.0) допускаются некоторые повреждения, однако здания должны сохранять целесообразность их восстановления;
• при сильных землетрясениях (М≥7.0) здания должны сохранять жизни людей и не обрушиться, хотя позже могут быть снесены.
Известно, какая суета и неразбериха появляются среди населения и органов управления сразу после разрушительного землетрясения, От ужаса и страха люди, естественно, немедленно покидают свои жилища независимо от степени их поврежденности. Часто из-за отсутствия соответствующих инструктивно-нормативных указаний и объяснений люди покидают совсем неповрежденные или с незначительными повреждениями дома. Причем это происходит не только в первые часы и дни после землетрясения, а многие месяцы и даже годы спустя. Такая обстановка приводит к тяжелым последствиям. Люди остаются без крыши, а их жилища, оставленные на произвол судьбы, постепенно приходят в негодность. Поэтому нормы сейсмостойкого строительства должны содержать специальную шкалу (рекомендацию) по уровню получивших во время землетрясения повреждений зданий различных конструктивных систем, на основании которой можно оперативно решить вопросы пригодности того или иного объекта к дальнейшей постоянной, или временной эксплуатации или же необходимости немедленной эвакуации людей из данного объекта. При этом степень повреждения объекта можно установить также инструментально путем сравнения величины измеренного периода свободных колебаний поврежденного здания с величиной периода измеренного до землетрясения (неповрежденного).
Подготовка общества. В деле защиты от землетрясений огромное значение имеет общественное сознание о негативных последствиях землетрясений. Очень важно работникам органов управления, проектировщикам, архитекторам, строителям и всему населению систематически напоминать о горьких уроках прошлых разрушительных землетрясений. С этой целью на видных местах и фасадах наиболее уязвимых зданий и сооружений необходимо поместить предупредительные специальные объявления-дощечки об их опасности в случае землетрясения. Люди, не переживающие необычные ситуации, во время землетрясений могут подвергаться большим нервным потрясениям и прибегать к неразумным действиям. Поэтому все население сейсмоактивных зон должно иметь элементарные знания о землетрясениях и о способах защиты от них. Школьникам в обязательном порядке необходимо обучать» подготовить их преодолевать чувство страха и спокойно переживать само землетрясение. Широкие слои населения необходимо систематически обучать элементарным навыкам обеспечения как собственной безопасности, так и других членов общества как в течение всего землетрясения, так и непосредственно после землетрясения. Для этих целей необходимо использовать все средства массовой информации и в первую очередь телевидение. Среди населения необходимо систематически проводить учебные сейсмические тревоги с привлечением всех аварийно-спасательных служб. В первые часы и дни землетрясения на средства массовой информации возлагается большая ответственность. Обычно после сильного землетрясения распространяются всякого рода необоснованные слухи о вымышленных причинах землетрясения, об ожидаемых более мощных ударах, о большем количестве жертв и огромных масштабах повреждений (несоответствующих действительности), которые становятся причиной дополнительной дестабилизации и без того нарушенного общественного сознания. Средства массовой информации не только не должны способствовать распространению таких слухов, но и в тесном сотрудничестве с представителями властей и специалистами в области сейсмологии и строительства способствовать доведению до сознания широких слоев населения истиной информации о происшедшем.
Землетрясения всегда становятся причиной огромного материального ущерба. Поэтому людям надо убедить заранее страховать свои жилища, как это делается в случае пожара, засухи и других природных стихийных явлений. Государственные и частные страховые компании должны гарантировать немедленную выплату гражданам страховых компенсаций непосредственно после землетрясения.
И, наконец, для быстрой ликвидации негативных последствий и лечения ран необходимо постоянное функционирование государственных специальных, оснащенных современными техническими средствами, профессиональных отрядов по спасательным работам, по быстрому восстановлению линий жизнеобеспечения, соблюдению общественного порядка, организации медицинского обслуживания и снабжения населения продуктами питания и других неотложных мер. Для координации и организации этих мероприятий необходимо также наличие соответствующих законодательных актов данной страны. В некоторых странах подготовка к землетрясениям считается эквивалентным подготовке к войне. Этот путь спасения жизни людей и сохранения материальных ценностей считается более надежным и рациональным, чем их эвакуация и последующее возвращение. Землетрясение, без сомнения, страшное природное явление. Оно происходит неожиданно, проявляя порою вероломство и беспощадность. Ho с научной точки зрения с ним можно “сотрудничать”, против него можно сражаться и сдерживать его разрушительные “посягательства” и даже можно “победить” Да. Можно победить землетрясение, если каждый ответственный за это государственный чиновник и ученый, инженер-проектировщик и строитель с надлежащей ответственностью возьмется за это общенациональное дело. Говорят природа наказывает неосведомленных и недобросовестных. Следовательно, изучать природу и знать закономерности его прогнозируемых и неопрогнозируемых явлений — долг каждого из нас.