Необходимые действия инженера при обследовании здания после землетрясения

 

 

Динамика                             Статика

Но тогда в каком  же случае можно пренебречь ускорениями? Любая сила зависит от времени. Опыт показывает, что инерционностью системы можно пренебречь только тогда, когда силы прилагаются «достаточно медленно». При этом временной параметр, конечно же, не может быть абсолютным, он должен быть промежутком времени, свойственным системе, т.е. периодом собственных колебаний, обратным значению частоты собственных колебаний (см. следующую главу).

Землетрясение с частотой возмущения приблизительно 25 Гц приводит к колебаниям в тех конструкциях, частоты собственных колебаний которых оказываются ниже 25 Гц. Если самая низкая частота собственных колебаний выше 25 Гц, то инерционное нагружение можно рассматривать как квазистатическое, а всю конструкцию можно рассчитывать на статические нагрузки.

С помощью анализа частот динамического нагружения и анализа частот конструкции можно выяснить, можно ли этим нагружением вызвать колебания в конструкции и насколько они будут опасные, а также какие требования следует предъявлять к возможной расчетной модели. Для сейсмических расчетов это означает, что расчетная модель должна представлять все частоты собственных колебаний приблизительно до 25 Гц.

 

Результаты  расчёта и наблюдаемые последствия  землетрясений

 

После работ Н. Мононобэ, А. Дануссо, К. Муто, К. С. Завриева , А. Г. Назарова, Н. Био , Г. Хаузнера , И. Л. К'орчинского , С. В. Медведева и других исследователей, оценка сейсмостойкости сооружений основывается на представлениях динамики.

Особая заслуга в  разработке практического метода расчета  в нашей стране принадлежит И. Л. Корчинскому. Располагая крайне ограниченными сведениями о движении грунта при землетрясениях, он удачно схематизировал его и, пользуясь аппаратом прикладной динамики, предложил простой способ расчета, который уже более 10 лет принят в нормах проектирования СССР.

Привлечение к анализу сейсмического воздействия элементов динамики обогатило расчетные схемы сооружений и позволило существенно углубить представления о сейсмической нагрузке. Появилась возможность объяснить такие особенности действия землетрясения на конструкции, которые ранее, в рамках так называемой статической теории сейсмостойкости, оставались непонятными.

 

 

 

В приведенных ниже примерах сопоставлены результаты расчета сооружений на сейсмостойкость с фактическим их состоянием после 9-балльного Ашхабадского землетрясения. Рассматриваются сооружения, различные по конструкции и жесткости. В соответствующих таблицах указаны горизонтальные сейсмические нагрузки и усилия в отдельных элементах их конструкций, вычисленные по статической теории, в том числе по нормам 1951 г.

(ПСП-101-51) и по современной методике (СНиП П-А.12-62). Эти вычисления показывают, в частности, как изменилась  величина расчетной сейсмической  нагрузки в связи с переходом  к динамическому методу ее определения.

Сейсмическая нагрузка на сравнительно жесткие сооружения— двухэтажное кирпичное здание детсада и каркасный с железобетонными диафрагмами мельничный корпус, подсчитанная по СНиП, оказывается в 2—3 раза большей, чем по формулам статического расчета. Объяснить разрушение обоих этих зданий возможно, только пользуясь современным методом расчета. Более того, на примере мельничного корпуса можно проследить последовательность разрушения конструкций; оно началось с повреждения железобетонных стен, затем разрушилось кирпичное заполнение и наконец — железобетонные стойки каркаса.

 

 

Рис. Мельничный корпус

а —схематический   разрез   здания;   б — план   первого   этажа

 

Для несколько менее  жестких, но высоких сооружений —  силосный корпус элеватора и металлическая водонапорная башня — большей оказывается также сейсмическая нагрузка, вычисленная по СНиП. Имевшееся повреждение силосов может быть объяснено ее совместным действием с односторонней загрузкой элеватора зерном: при суммарном изгибающем моменте 30 тыс. тм расчетная несущая способность сечения корпуса (вертикальная арматура диаметром 20 мм через 40 см, бетон марки 100) составляет 29 тыс. тм. Обследовавшие это сооружение после землетрясения отмечали еще и низкое качество выполненной конструкции.

Что касается водонапорной башни, то она повреждений не имела и это согласуется с расчетом: при усилиях в стержнях А и Б N_A = 22,7 т и Vs=6,3 т их несущая способность равна соответственно 39,5 и 7,2 г.

 

 

Рис. Силосный корпус элеватора   (план)

 

 

 

Рис.   Металлическая     водонапорная башня

Определяемая СНиП сейсмическая нагрузка на сооружения небольшой жесткости (7\>0,8 сек) меньше рекомендовавшейся ранее (ПСП-101-51). На примере (рис. Ш.5) каркасного трехэтажного здания фабрики (7/i=0,85 сек) можно убедиться (табл. Ш.5),что такая величина сейсмической

 

 

 

 

 

Рис. Каркасное здание фабрики

а — поперечная рама каркаса;  б — план здания

нагрузки также согласуется  с действительностью — это здание при землетрясении сохранилось. Судя по расчету, не должна была иметь повреждений и кирпичная труба. Во время землетрясения с нее упала только верхушка, что, надо полагать, произошло вследствие отмечавшихся еще до землетрясения повреждений ствола, а не от чрезмерной сейсмической нагрузки, которая вызвала бы, прежде всего, разрушение трубы внизу.

Приведенные примеры  показывают, что действующая в  настоящее время в нашей стране методика оценки сейсмических сил до статочно хорошо согласуется с последствиями  реального сейсмического воздействия  на сооружения.

 

Из истории  развтитя методов оценки сейсмических нагрузок

 

Японскими учеными в  начале нашего века была разработана  так называемая статическая теория определения сейсмических сил, возникающих в сооружениях при землетрясении. В 1900 г. японский ученый Ф. Омори, исходя из предположения об абсолютной недеформируемости и жесткой заделке в основании сооружения, горизонтальные поступательные перемещения, скорости и ускорения всех точек которого одинаковы и равны соответственным характеристикам колебания основания, предложил оценивать сейсмические силы, как силы инерции.

При землетрясении ускорения могут быть направлены в разных направлениях, и поэтому расчетную проверку нужно делать на максимальные по абсолютной величине силы, предполагая их действующими в любом горизонтальном направлении.

Вес тела Q и его масса m связаны соотношением

Q = mg,                                         

Где g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения.

Зная максимальное ускорение  основания и вес сооружения и, пользуясь формулой, легко подсчитать возникающие в нем при землетрясении максимальные инерционные силы, которые условились называть сейсмическими нагрузками.

 

 

Рис. К определению величин сейсмических нагрузок:

 

модель Ф.  Омори;  б — сейсмограммы землетрясения  1923 г. в Токио.

- схемы  реальных   колебаний   сооружения  при  землетрясении; Мононобе и К. С.  Завриева

- расчетная модель для различных землетрясений. Для определения реальных величин ускорений при землетрясениях необходимы были их инструментальные измерения.

 

Оценка технического состояния жилых кирпичных зданий после землетрясения по внешним признакам

 

Категория  состояния  здания	Признаки силовых  воздействий землетрясения на  конструкции
1	Отсутствуют видимые  повреждения. Осыпание чешуек побелки  стен и потолка.
2	Тонкие трещины по контуру перегородок, из углов проемов в опорной части перемычек. Ширина раскрытия трещин до 0,5 мм.
3	Трещины в перегородках и швах между панелями перекрытий. Падение больших кусков штукатурки. Горизонтальные трещины в узких  простенках. Вертикальные трещины в местах сопряжения стен различного направления. Ширина раскрытия трещин в стенах 0,5 ... 2 мм.
4	Расслоение перегородок, их смещение из плоскости или частичное  обрушение. Смещение до 10 мм плит перекрытий и перемычек. Диагональные и x-образные трещины в сплошных стенах. Наклонные трещины в простенках продольных и поперечных стен. Ширина раскрытия трещин 2 ... 10 мм.
5	Отрыв наружных стен от внутренних. Обрушение значительной части перегородок. Обрушение наружных самонесущих  стен. Частичное обрушение несущих стен. Значительное смещение перекрытий (более 10 мм) с площадок опирания.

 

При обследовании зданий после землетрясения можно использовать два приема: во-первых, на плане населенного  пункта наметить заранее подлежащие обследованию здания, выбранные по некоторому принципу (например, каждое пятое здание или все угловые на каждом перекрестке плюс несколько зданий внутри квартала и т. п.); во-вторых, обследовать здания группами, т. е. обследовав несколько зданий подряд, миновать некоторое расстояние и опять обследовать подряд несколько зданий. В каждом населенном пункте желательно обследовать не менее 10 (лучше около 30) зданий основных типов. Если территория населенного пункта отчетливо разделяется на несколько участков с разным рельефом или различными инженерно-геологическими условиями, обследования производят для каждого участка раздельно; В ходе работы каждому обследованному зданию присваивают определенную степень повреждения. Для ускорения работ и обеспечения сохранности первичной документации можно использовать специальные карточки, в которых фиксируется эта информация. В процессе обработки полученной информации для каждого типа зданий вычисляют приведенную (среднюю) степень повреждения dcp (dcp A, dcp Б, dcp В):

dcp =djnj/nj,

где nj-число обследованных зданий данного типа (А, Б или В), имеющих степень повреждения dj.

Переход от средней степени  повреждения dcp к балльности I осуществляется по специальной таблице или графику. Метод позволяет выполнять разновременный сбор и обработку макросейсмической информации.

Первичный итог всей работы - карта изосейст. Для ее составления  результаты оценки интенсивности в  обследованных (в том числе опросным методом) населенных пунктах наносят  на карту. В случае несовпадения оценок в пунктах, обследованных двумя или более наблюдателями, окончательная оценка балльности принимается после совместного обсуждения и анализа первичного материала. Изосейсты проводят как сглаженные кривые, огибающие зоны размещения пунктов с данной балльностью. Сглаживанием изосейсте придается упрощенная форма овальной (по возможности всюду выпуклой) кривой с плавно меняющейся кривизной. При необходимости форма изосейсты может быть и более сложной, однако повышение порядка линии должно быть обосновано достаточно большим числом пунктов с известной балльностью. Число "чужих" пунктов (т. е. пунктов, не соответствующих проведенным изосейстам) не должно превышать 10 % от числа пунктов данного.

 

Площадью изосейсты i-го балла (при вычислении глубины очага  землетрясения и др.) считается  площадь, оконтуренная этой изосейстой, включая площади более высоких баллов. Площадью зоны i-го балла (при расчете плотности обследования, экономических подсчетах и т. п.) считается площадь между i-й и i +1 изосейстами.

 

После завершения работ  весь фактический материал передается в архив для дальнейшего использования в научно-производственной деятельности и, в частности, для уточнения сейсмической опасности на подвергшейся сотрясениям территории.

 

В настоящее время  имеется компьютерная программа, позволяющая  в течение короткого времени обрабатывать полученную от обследователей информацию о макросейсмических последствиях землетрясения и выдавать результат в виде карты изосейст для оперативного использования. Достоинство программы -- возможность поэтапного уточнения карты по мере поступления новой макро-сейсмической информации.

 

При оценке проявившейся сейсмичности и построении карты  изосейст необходимо учитывать некоторые  особенности, не вошедшие в явном  виде в шкалу М5К-64:

 

• в пересеченной и холмистой местностях амплитуды колебаний, а следовательно, и интенсивность сотрясений возрастают с высотой и с увеличением крутизны склонов;

 

• на границах негоризонтальных неоднородностей и тектонических нарушений, в том числе под толщами нескольких сотен метров, интенсивность может резко возрасти;

 

• в многоэтажных зданиях реакции зданий, людей и предметов на верхних этажах сильнее, чем на первом;

 

• в зданиях одного типа и этажности степень повреждения может зависеть от вида междуэтажного перекрытия (деревянное, сборное или монолитное железобетонное) и кровли.

 

При оценке балльности обзорным методом по данным о наиболее значительных разрушениях, приуроченных часто к  неблагоприятным геологическим  структурам или инженерно-геологическим  условиям, интенсивность сейсмического  воздействия по отношению к средним грунтовым условиям может оказаться завышенной, что приведет к искажению карты изосейст.

 

 

 

 

 

Характерные повреждения  строительных конструкций после землетрясения

 

 

 

Рис. Повреждения стальных конструкций 

а - общая потеря устойчивости балки; б - то же стойки; в - то же резервуара; г - местная потеря устойчивости сжатого пояса балки; д - то же днища резервуара (хлопун); е - механическое повреждение элемента (погнутость) в его плоскости; ж - то же элементов; з - отклонение фермы от вертикали

 

 

 

Рис. Трещины при разрушении изгибаемых железобетонных элементов