ГЛАВА 12. Методика прогнозирования последствий землетрясений

Лекционный материал

Методика оценки последствий землетрясений разработана ВНИИ ГОЧС и опубликована в 1994 году.

Воздействие землетрясений на здания и сооружения вызывается интенсивными колебаниями грунтов. В качестве обобщенной характеристики сейсмического воздействия землетрясения на здания и сооружения в данной методике принята интенсивность землетрясения, выраженная в баллах.

Степень разрушения зданий и сооружений определяется превышением фактической интенсивности землетрясения (в баллах) над расчетной в месте их расположения. Под расчетной сейсмостойкостью понимается максимальная интенсивность сейсмического воздействия землетрясения, при котором здания и сооружения нс получают разрушений, либо получают допускаемые повреждения, сохраняя при этом свои эксплуатационные качества и обеспечивая безопасность людей и сохранность оборудования.

При оценке и прогнозировании характера и степеней разрушения зданий и сооружений рассматриваются три типа объектов- элементов застройки населенного пункта: точечные, площадные и протяженные.

Точечные объекты характеризуются размерами в плане (длина и ширина), каждый из которых меньше по сравнению с шириной зоны средней балльности.

Площадные объекты характеризуются размерами в плане (длина и ширина), каждый из которых превышает ширину зоны средней балльности.

Протяжённые объекты характеризуются размерами в плане (длина и ширина), один из которых значительно превышает другой и превышает ширину зоны средней балльности. Сейсмическое мик­рорайонирование - количественная оценка изменения (увеличения или уменьшения) сейсмической балльности по сравнению с ее исходной величиной на основе комплексного изучения сейсмических свойств грунтов, инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей площадок строительства.

При выборе типа наземного здания используется следующая классификация зданий по этажности:

* малоэтажные (высотой до 4-х этажей);

* многоэтажные (от 5 до 8 этажей);

* повышенной этажности(от 9 до 25 этажей);

* высотные (более 25 этажей).

Здания и сооружения с сейсмической защитой отличаются от аналогичных зданий и сооружений, расположенных в несейсмических зонах, тем, что в них применены инженерные мероприятия и технические решения, позволяющие повысить расчетную сейсмостойкость до 7-9 баллов.

 

Определение параметров поражающих факторов землетрясений.

Интенсивность землетрясения, выраженная в баллах, определяется по формуле:

I_б = 1.5 M - 3.5 lg R² + h² + 3 (1)

где I_б - интенсивность землетрясения, баллы (балльность базисной изосейсты);

М - магнитуда;

R - эпицентральное расстояние, км; h - глубина очага, км.

Для определения расстояния от эпицентра, где возможно возникновение определенной интенсивности землетрясения в баллах, используется зависимость следующего вида:

R = h 10^0.57(Io-Iб) - 1, (2)

где I₀ - максимальная интенсивность землетрясения (в эпицентре).

Максимальная интенсивность может быть получена на основе следующего выражения:

I₀ = 1.5 M - 3.5 lg h + 3 (3)

В случаях отсутствия изосейст, полученных на основе микрорайонирования, или уточнения полученных результатов путем учета инженерно-геологических условий территории застройки населенного пункта (объекта) недостающие изосейсты, а также балльность для конкретных зданий и сооружений, находящихся в зонах с инженерно-геологическими условиями, отличающимися от окружающей местности, могут быть получены путем вычисления по формуле:

I = I_б - (DI_б - DI), (4)

где I - искомая балльность изосейсты или местонахождения здания или сооружения; I_б - балльность базисной изосейсты, проходящей по территории с известными инженерно-геологическими условиями, DI_б - приращение балльности в известных инженерно-геологичес­ких условиях по сравнению с гранитом, DI - приращение балльности по сравнению с гранитом за счет изменения инженерно-геологических условий местности, по которой проходят недостающие изосейсты или, где находятся конкретные здания или сооружения. Величины DI и DI_б определяются по таблице 1.

Таблица 1: Величина приращений DI и DI_б

Тип инженерно-геологических условий	DI и DIб
1. Гранит
2. Известняк и песчаники	0.52
3. Полускальный грунт (гипс, мергель)	0.92
4. Крупнообломочные (щебень, гравий, галька)	1.36
5. Песчаные	1.6
6. Глинистые (глины, суглинки, супеси)	1.61
7. Насыпные рыхлые	2.6

Оценка характера и степеней разрушения зданий и сооружений.

Точечные объекты

Первоначально по плану или карте населенного пункта (объекта) для каждого здания или сооружения на участке населенного пункта (объекта) определяется максимально возможная или ожидаемая интенсивность землетрясения, выраженная в баллах. Для этого необходимо определить в какой зоне (по балльности землетрясения) окажется конкретное здание или сооружение. С этой целью на плане или карте населенного пункта (объекта) для указанных изосейст строятся зоны балльности в пределах границы застройки. Построение зон балльности осуществляется путем выделения полосы шириной равной сумме половины расстояний от указанной изосейсты до ближних прилегающих изосейст (Рис. 5.1.). При этом балльность зоны соответствует балльности изосейсты, проходящей в этой зоне.

Более точное определение максимально возможной интенсивности землетрясения (макс.I+ 0.5 балла) для указанного здания или сооружения может быть осушествлено по формуле:

Iз = I_б + (I₁ - I_б) R з/ R₁ (5)

где Iз - интенсивность землетрясения для здания или сооружения;

I₁ - изосейста наибольшей балльности, ограничивающая зону, в которой находится здание или сооружение;

Rз - величина привязки здания или сооружения к изосейсте наименьшей балльности, ограничивающей зону, в которой находится здание или сооружение;

R₁- расстояние между изосейстами наибольшей и наименьшей балльности, ограничивающими зону, в которой находится здание или сооружение (Рис. 5.1).

На основании расчетной информации с учетом справочных данных по степеням разрушения зданий и сооружений при землетрясениях (Приложение 1) определяются фактические степени разрушения зданий и сооружений существующей застройки населенною пункта (объекта).

С целью получения качественного описания разрушения зданий и сооружений в зависимости от полученной степени разрушения определяется характеристика разрушения здания и сооружения (Приложение 2). Кроме того, благодаря этим данным может быть решена обратная задача, связанная с оценкой степени разруше­ния здания и сооружения по фактическим характеристикам разрушения.

Площадные объекты

Опенка степеней разрушения зданий и сооружений, представляющих собой площадные объекты выполняется в следующей очередности.

По плану или карте населенного пункта (объекта) для каждого здания или сооружения определяются возможные зоны (по балльности землетрясения), в которых расположены указанные здания и сооружения. Построение зон балльности осуществляется в последовательности аналогичной точечным объектам. После выполнения указанной процедуры определяются части здания и сооружения, которым соответствует определённая балльность землетрясения по формуле:

a_i = S_i / S₀, (6)

где a_i - коэффициент, показывающий, какая часть здания или сооружения в какой оказалась зове балльности землетрясения;

S_i - площадь здания или сооружения, расположенного в определенной зоне балльности землетрясения;

S₀ - общая площадь здания или сооружения;

i - соответствует величине балльности зон, в которых

расположено здание или сооружение (Рис. 5.2.).

Наряду с указанными для таких типов зданий или сооружений может быть определена средняя балльность по зависимости вида:

I_ср = Σ(S_i·a_i) / ΣS_{i .} (7)

Определение характеристик степеней разрушения аналогично точечным объектам.

Протяженные объекты.

По плану или карте населенного пункта (объекта) для протяженных зданий или сооружений определяются возможные зоны (по балльности землетрясения), которые пересекают указанные зда­ния или сооружения. Подходы к построению зон балльности осуществляются в той же последовательности, которая изложена применительно к точечным объектам. После построения зон балльности определяются части здания или сооружения, пересекающие соответствующие зоны балльности землетрясения на основе следующей зависимости:

b_i = L _i / L₀, (8)

де b_i - коэффициент, показывающий, какая часть здания или сооружения пересекает определенную зону балльности;

L_i - длина здания или сооружения, пересекающая определен­ную зону балльности землетрясения (Рис. 5.3.);

L₀ - общая длина протяженного здания или сооружения;

i - соответствует величине балльности зон, которые пере­секают протяженное здание или сооружение (Рис. 5.3.).

Вместе с тем, для указанных типов зданий или сооружений может быть определена средняя балльность на основании следующего выражения:

I_ср = Σ(L_i·b_i) / ΣL_{i .} (9)

Определение характеристик степеней разрушения аналогично точечным объектам.

 

Учет динамики разрушения здания и сооружений/

В случае учета динамики разрушения зданий и сооруже­ний при воздействии землетрясения необходимо определить времена наступления первой и главной фазы землетрясения, а также интервал времени от наступления первой фазы землетрясения до наступления главной фазы землетрясения.

Время наступления первой фазы землетрясения (прихода продольных гипоцентральных сейсмических волн), при которой возможно незначительное разрушение зданий и сооружений, определяется по формуле:

^t₁ = (R² + h²)^0.5 / V_pm , (10)

где V_pm - средняя скорость распространения продольных гипоцентральных сейсмических волн.

При определении времени наступления первой фазы землетрясения в эпицентре в формуле (10.) принимается R=0.

Средняя скорость распространения продольных гипоцентральных сейсмических волн при расположении очага землетрясения на границе слоев вычисляется на основании зависимости вида:

 

(11)

где h_i - мощность 1-го слоя элемента структуры земного шара и скорость распространения продольных гипоцентральных сейсмических волн в пределах данного слоя. Средняя скорость распространения продольных гипоцентральных сейсмических волн при расположении очага землетрясения в пределах n-го слоя вычисляется по следующей зависимости:

 

(12)

где h_г и V_pn - глубина очага землетрясения и скорость распространения продольных гипоцентральных сейсмических волн в пределах n-го слоя _n-1

Мощности слоев элементов структуры земного шара и скорость распространения продольных гипоцентральных сейсмических волн в них указаны в табл. 2.

Время наступления главной фазы землетрясения (прихода поверхностных сейсмических волн), при которой здания и сооружения получают определенные степени разрушения) вычисляется по формуле:

t_г = h/V_pm + R/ V_pm (13)

где V_pm- средняя скорость распространения поверхностных сейсмических волн.

Средняя скорость распространения поверхностных сейсмических волн определяется на основании зависимости вида:

 

(14)

где l_i и V_ri - протяженность и скорость распространения по­верхностных сейсмических волн на i-м участке с одинаковым типом грунта.

Скорость распространения поверхностных сейсмических волн в зависимости типа грунта приведена в табл. 3.

Интервал времени от наступления первой фазы землетрясения до наступления главной фазы эемлетрясения определяется по формуле:

Dt = t_г - t₁ (15)

Таблица2: Строение земного шара

Элемент струк- туры земного шара	N п/п	Тип слоя	Мощность слоя (hi),км	Скорость распространения гипоцентральных сейсмических волн, км/с
			материк	океан	материк
			горы	равнина		горы	равнина
Кора		Осадочные породы Гранит Базальт	- 40.0 20.0	5.0 10.0 25.0	1.0 - 6.0	6.1 6.9 8.0	3.5 3.9 4.5
Мантия		Верхняя мантия Средняя мантия Нижняя мантия		8.1 9.8 12.5	4.6 5.6 7.0
Ядро		Внешняя оболочка ядра Субядро		9.3   11.2	-   -

Для учета местных инженерно-геологических условии, при определении скоростей распространения продольных и поперечных гипоцентральных, а также поверхностных сейсмических волн, целесообразно применять годограф, представляющий собой графические зависимости времени от расстояния пройденного указанными типами сейсмических волн. Учет динамики разрушения зданий и сооружений при воздействии землетрясения целесообразно также использовать для разработки рекомендаций по проведению мероприятий по обеспечению защиты и снижению тя­жести поражения людей, находящихся в зданиях и сооружениях на момент землетрясения.

Таблица 3: Скорость распространения поверхностных сейсмических волн.

N п/п	Тип грунта	Скорость поверхностных сейсми-ческие волн (УП), км/с
	Скальные грунты Граниты	5.60
	Песчаники плотные	2.60
	Полускальные грунты Гнейсы	2.70
	Сцементированные пески	1.65
	Крупнообломочные грунты Щебнистые и гадечийковые	1.70
	Гравийные вз кристаллических пород	1.55
	Песчаные грунты. Пески гравелистые и крупные	1.35
	Пески средней крупности	1.20
	Пески мелкие и пылеватые	0.95
	Глинистые грунты Глины	1.20
	Суглинки	1.10
	Супеси	0.95
	Суглинки и супеси рыхлые	0.65
	Насыпные и почвенные грунты	0.35

Приложение 1. Справочные данные по степеням разрушения зданий и сооружений при землетрясениях.

N	Конструктивное решение здания или сооружения	Интенсивность землетрясения в баллах, приводящего к различным степеням разрушения зданий или сооружений
		слабые разруш.	средние разруш.	сильные разруш.	полные разруш.
ЖИЛЫЕ, ОБЩЕСТВЕННЫЕ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЗДАНИЯ
1.	Кирпичные и каменные с несущими наружными и внутренними продольными стенами и железобетонными перекры-тиями: малоэтажные многоэтажные	6.0..7.0 5.0..6.0	7.0..7.5 6.0..7.0	7.5..8.0 7.0..7.5	> 8.0 > 7.5
4.	Каркасно-кирпичные (каменные) с железобетонными перекрытиями: малоэтажные многоэтажные	6.5..7.5 5.5..6.5	7.5..8.0 6.5..7.5	8.0..8.5 7.5..8.0	> 8.5 > 8.0
6.	Бетонные или железобетонные круп-ноблочные: малоэтажные многоэтажные	6.5..7.0 6.0..6.5	7.0..7.5 6.5..7.5	7.5..8.0 7.5..8.0	> 8.0 > 8.0
8.	Железобетонные крупнопанельные: малоэтажные многоэтажные повышенной этажности	6.0..7.0 5.0..6.0 5.5..6.0	7.0..7.5 6.0..7.5 6.0..7.0	7.5..8.0 7.5..8.0 7.0..7.5	> 8.0 > 8.0 > 7.5
10.	Железобетонные крупнопанельные с не-сущими наружными стенами и внутрен-ним продольным каркасом: малоэтажные многоэтажные повышенной этажности	6.0..6.5 5.5..6.0 5.0..6.0	6.5..7.5 6.0..7.5 6.0..7.0	7.5..8.5 7.5..8.0 7.0..8.0	> 8.5 > 8.0 > 8.0
СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
1.	Подвалы зданий и соору­жений (неусиленные): стены и покрытия из ребристых железобетонных плит	8.0..9.0	9.0..10.0	10.0..12.0
3.	стены из железобетонных панелей, покрытие из плос ких плит	7.0..7.5	7.5..8.5	8.5..11.0	>11.0
6.	Автомобильные гаражи железобетонные одноэтажные	8.5..9.5	9.5..11.0	11.0..12.0
7.	Автомобильные гаражи железобетонные многоэтажные	7.5..9.0	9.0..10.0	10.0..12.0
8.	Пешеходные тоннели с применением уголковых стеновых элементов	8.5..9.5	9.5..10.5	10.5..11.0	>11.0
9.	Пешеходные тоннели из объемных элементов	9.0..10.0	10.0..11.0	11.0..12.0
ЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
	Встроенные убежища с классом зашиты:
6.	I	11.0..12.0
7.	II	11.0..12.0
8.	III	10.0..11.0	11.0..12.0
9.	IV	8.5..10.5	10.5..11.5	>11.5
10.	V	9.0..10.5	10.5..11.0	11.0..12.0
КОММУНАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СЕТИ
1.	Подземные стальные трубопроводы на сварке диаметром 350 мм	10.0..11.0	11.0..12.0
3.	Подземные чугунные керамические трубопроводы, соединенные при помощи раструбов и асбоцементные на муфтах	8.0..9.0	9.0..10.0	10.0..12.0
10.	Коллектор из объемных блоков	9.0..10.0	10.0..11.0	11.0..12.0
18.	Подземные кабельные линии, проложенные в железобетонных каналах или трубах	11.0..12.0
19.	Воздушные ЛЭП высокого напряжения	7.0..8.0	8.0..8.5	8.5..9.0	> 9.0
20.	Тоже низкого напряжения на деревянных опорах	6.5..7.5	7.5..8.0	8.0..8.5	> 8.5
21.	Силовые линии электрофицированных железных дорог	7.5..8.0	8.0..8.5	8.5..9.5	> 9.5
22.	Антенные устройства	6.0..7.0	7.0..8.0	8.0..9.0	> 9.0

Приложение 2. Характеристика степеней разрушения зданий и сооружений

Степени разрушения зданий и сооружений
Слабая	Средняя	Сильная	Полная
1. Жилые и общественные здания
Частичное разрушение внутренних перегоро-док, кровли, дверных и оконных коробок, лег-ких пристроек и др. Основные несущие конструкции сохраняя-ются. Для полного восстановления требу-ется капитальный ре- монт.	Разрушение меньшей части несущих конструкций. Большая часть несущих конструкций сохраняется и лишь частично деформиру-ется. Может сохраниться часть ограждающих конст-рукций стен, однако, при этом второстепенные и не-сущие конструкции могут быть частично разрушены, Здание выводится из строя, но может быть восстановлено.	Разрушение большей части несущих конструкций. При этом могут сохраняться наиболее прочные злемен-ты здания, каркасы, ядра жесткоети, частично стены и перекрытия нижних эта-жей. При сильном разру-шении образуется завал. Восстановление возможно с использованием сохра-нившихся частей и конст-руктивных элементов. В большинстве случаев вос-становление нецелесооб-разно.	Полное обрушение здания, от которо­го могут сохра-ниться только поврежденные (или неповрежденные) под-валы и незначительная часть прочных элементов. При полном разрушении образу-ется завал. Восстановление здания невозможно.

 

 

Практическое задание.

Дано: жилое здание (по плану или карте города) - кирпичное с железобетонными перекрытиями, многоэтажное - находятся в 7-ми балльной зоне (между 8-ми и 7-ми балльными изосейстами) (Рис 5.1.).

Расстояние между изосейстами: 8-ми и 7-ми балльной - 2000 м (R₁=2000м); 7-ми и 6-ти балльной - 1000 м (R₂ = 1000м).

Привязка здания к 7-ми балльной изосейсте составляет 300 м (R₃=300м).

Здание находится в 1-м квартале города"N".

Требуется: оценить последствия землетрясения для данного здания.

Вспомогательный методический материал и оборудование:

Текст методики прогнозирования последствий землетрясения, калькулятор.

Рекомендуемая форма практического занятия:

Самостоятельное решение задачи.

Исследовательская задача.

Определить вероятность землетрясения на территории Удмуртской Республики и исследовать соответствие системы наблюдения и контроля над сейсмической активностью предъявляемым к ней требованиям. В случае обнаружения несоответствия предложить вариант решения проблемы.