Розділ 11. Вплив сейсмічних навантажень на будівельні конструкції

 

Загальні поняття про землетруси

Швидкі, раптові струси земної кори, викликані різного роду природними причинами, називаються землетрусами. Основна причина землетрусів – розрядка внутрішніх напруг Землі. Виявляються землетруси, головним чином, в зонах активних рухів земної кори. Ці зони називаються сейсмічними (грець. seismos – коливання).

Область усередині Землі, де раптово виділяється потенційна енергія, називається сейсмічним осередком. Центр області називають гіпоцентром Н, а його проекцію на поверхню Землі – епіцентром Е. Відстаньміж гіпоцентром і епіцентром – глибина сейсмічного осередку. За глибиною сейсмічного осередку землетруси поділяють на:

– поверхневі – відстань від епіцентру до гіпоцентру до 10 км;

– нормальні – 10…75 км;

– проміжні – 75…300 км;

– глибокофокусні – 300…700 км.

 

Пружні коливання, що розповсюджуються в Землі від осередків землетрусів, вибухів і інших джерел називають сейсмічними хвилями. Швидкість розповсюдження хвиль залежить від щільності і пружності середовища. Швидкість має тенденцію до зростання у міру поглиблення, в земній корі вона складає 2-8 км/с, а при поглибленні до мантії - 13 км/с. Розрізняють об'ємні та поверхневі сейсмічні хвилі; у свою чергу об'ємні хвилі розрізняються на подовжні і поперечні (рис. 11.1).

Поверхневі сейсмічні хвилі – ті, що розповсюджуються тільки уздовж поверхні Землі. Швидкість поверхневих хвиль менше швидкості об'ємних хвиль. Із-за своєї низької частоти, часу дії і великої амплітуди вони є самими руйнівними зі всіх типів сейсмічних хвиль. Розрізняють два типи поверхневих хвиль: хвилі Лява і Релея.

Об'ємні хвилі проходять через надра Землі.

Подовжні сейсмічні хвилі (P-хвилі, первинні хвилі, компресійні хвилі ) – найбільш швидкі хвилі, що розповсюджуються від джерела сейсмічних коливань і є послідовним стисненням і розрядкою матеріалу. Подовжні хвилі проходять через всі середовища. Їх швидкість в 1,7 разу більша, ніж швидкість поперечних S-хвиль. Стандартна швидкість P-хвиль в граніті – 5000 м/с.

Поперечні сейсмічні хвилі (S-хвилі, вторинні хвилі) – сейсмічні хвилі, що розповсюджуються повільніше, ніж подовжні Р-хвилі. Вони складаються з пружних коливань, поперечних по відношенню до напряму розповсюдження хвилі. Поперечні хвилі не проходять через рідину.

Сейсмічні хвилі у міру віддалення від сейсмічного осередку втрачають інтенсивність. Зменшується і сейсмічна енергія. Ці зміни на спеціальних сейсмічних картах показують ізолініями (ізосейстами). Кожна ізосейста з’єднує точки з рівною щільністю потоку сейсмічної енергії. Дальність розповсюдження багато в чому визначається геологічною будовою району. У складчастих областях сейсмічні хвилі затухають значно швидше, ніж на рівнинах.

 

 

Рисунок 11.1 – Види сейсмічних хвиль

 

В Україні до сейсмічно небезпечних районів віднесені Карпати і Крим. Сейсмічна зона Криму займає південну частину півострова. Тут відомі землетруси силою до 8 балів.

За причинами, що їх викликають, землетруси поділяються на тектонічні, вулканічні і денудаційні.

Тектонічні землетруси пов’язані з розрядкою напруг, що періодично накопичуються в земній корі і верхній мантії внаслідок рухів блоків та глиб, що зачіпають різні глибини земної кори і верхню мантію. На них припадає 95 % всіх землетрусів.

Вулканічні землетруси передують виверженням вулканів або супроводжують їх. Вони мають локальне розповсюдження: обмежуються областю, прилеглою до діючого вулкана.

Денудаційні (або обвальні) землетруси відбуваються в районах розповсюдження легкорозчинних гіпсових, сольових і карбонатних порід, де виникають значних розмірів карстові порожнини і печери. Підземний обвал віддає по поверхні сейсмічним поштовхом. На частку денудаційних припадає близько 1 % всіх відомих землетрусів. Один з найбільш сильних денудаційних землетрусів спостерігався в Харківській області в 1915 р.

Коливання ґрунту, викликані проходженням поверхневих хвиль, фіксуються за допомогою приладів – сейсмографів і записуються у вигляді сейсмограм. Сейсмограми – основний документ, що характеризує землетрус. На них відбиті амплітуди подовжніх, поперечних і поверхневих хвиль.

Основні показники сили землетрусу – його енергія та інтенсивність. Енергія, що виділяється при розрядці напруг у сейсмічному осередку, вимірюється у джоулях або магнітудах. Магнітуда M – умовна енергетична характеристика, що виражається логарифмом відношення амплітуди коливань землетрусу, який вивчається, A_t до амплітуди коливань стандартного землетрусу A:

 

М = lg (А_ґ / А) (11.1)

Як еталонний, або стандартний землетрус, прийнято землетрус з амплітудою 1 мкм, який можна зареєструвати на відстані 100 км сейсмографом стандартного типу.

Шкала, запропонована Ч. Ріхтером, налічує 9 магнітуд. Між енергією і магнітудами існує залежність. Співвідношення магнітуди, енергії та інтенсивності землетрусів наведені в табл. 11.1.

У глибокофокусних землетрусів поверхні Землі досягає лише 7…8 % енергії, що виділяється. Тому невеликі за енергією землетруси з малою глибиною сейсмічного осередку бувають більш руйнівними, ніж глибокофокусні з високою енергією сейсмічного осередку.

Інтенсивність землетрусу характеризує силу підземних поштовхів на поверхні Землі. Для оцінки її розвитку використовують 12-бальну шкалу MSK-1964 (табл. 11.2). В її основу покладені ступінь руйнування будівель, зміни у ґрунтах, поведінка людей та інші ознаки. Характер руйнувань на поверхні залежить від напрямку ударної хвилі.

 

Таблиця 11.1 – Співвідношення інтенсивності, магнітуди та енергії землетрусів

Характер землетрусів	Інтенсивність, бали	Магнітуда, М	Енергія E, Дж	Число землетрусів на рік (частота землетрусів)
Катастрофічне	11…12	8,0…9,0	10^8
Сильно руйнівне	9…11	7,0…7,9	10^16
Руйнівне	7…9	6,0…6,9	10^14
Супроводжується пошкодженнями	6…7	5,0…5,9	10^12
Тільки відчувається	4…5	3,0…3,9	10^8

 

Між енергією землетрусу та його інтенсивністю існує залежність, що виражається формулою:

 

М = 1,3 + 0,6 B, (11.2)

 

де M – магнітуда; B – інтенсивність землетрусу, балів.

 

Таблиця 11.2 – Класифікація землетрусів за проявами по шкалі MSK-1964

VI	3.0…3.9 М	Легкі пошкодження будівель. Спостерігаються тонкі тріщини у штукатурці. У сирих ґрунтах з’являються тріщини шириною до 1 см.
VII	4.0…4.9 М	Легкі та значні пошкодження будівель. Спостерігаються тріщини та сколювання штукатурки. Спостерігаються випадки руйнування споруд з природного каменю (глинобитних і з рваної цеглини), На дорогах з’являються тріщини, порушуються стики трубопроводів.
VIII	5.0…5.9 М	Сильне пошкодження будівель. Руйнується багато будівель із природного каменю. У кам’яних будівлях з’являються численні великі тріщини та розшарування кладки, руйнування окремих ділянок стін, обсипається штукатурка. Тріщини у ґрунтах досягають декількох сантиметрів.
IX	6.0…6.9 М	Загальне пошкодження будівель. Руйнування стін та перекриттів. Окремі випадки руйнування цегляних споруд. Скривлюються залізничні колії. Тріщини у ґрунтах досягають 10 см завширшки.
X	7.0…7.9 М	Загальне руйнування будівель. Цегляні будівлі руйнуються, серйозні пошкодження виникають у дамбах, греблях, мостах. Дорожні асфальтовані покриття набувають хвилястої поверхні. Тріщини у ґрунтах досягають 1 м. На берегах річок, морів, схилах гір спостерігаються великі обвали, випадки випліскування води в озерах, каналах, річках.
XI	8.0…8.9 М	Катастрофа. Ушкоджуються будівлі залізобетонних конструкцій. Значним руйнуванням піддаються мости, дамби, залізничні колії. Рівна поверхня стає хвилястою. Ширина тріщин у ґрунтах досягає 1 м. Уздовж розривів відбуваються вертикальні й горизонтальні переміщення гірських порід.