CC BY
37
УДК 624.42.3:69.022
АНАЛИЗ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
А. В. Туманов
THE ANALYSIS OF THE SEISMOLOGICAL DATA FOR CONSTRUCTION
А. V. Tumanov
Аннотация. Актуальность и цели. Статья посвящена решению задачи обеспечения сейсмостойкости строительства в сейсмических районах. Приводятся сейсмологические данные существующих землетрясений. Детальное изучение землетрясений и механизмов их возникновения относится к сфере сейсмологии. Необходимую информацию для изучения реализации вопросов сейсмостойкости представляют, естественно, данные о самом землетрясении. Материалы и методы. Реализация задач была достигнута за счет использования существующих данных землетрясений. Важную и необходимую исходную информацию для изучения и практической реализации вопросов сейсмостойкости представляют, естественно, данные о самом землетрясении. Детальное изучение землетрясений и механизмов их возникновения относится к сфере сейсмологии. Результаты. В данной работе подробно описывается комплекс данных землетрясений. Приведены записи скорости и ускорения, соответствующие импульсу перемещения; результаты сравнения этих идеализированных записей колебаний грунта с реальными записями ускорений существующих землетрясений. Выводы. Анализ данных землетрясений систематически выявляет ошибки, допущенные при проектировании и строительстве, даже самые незначительные; эта особенность сейсмостойкого строительства подчеркивает трудности и притягательные стороны решения его проблем.
Ключевые слова: анализ, сейсмология, землетрясения, атомная энергетика.
Abstract. Background. Article is devoted to the decision of a problem of maintenance of seismic stability of construction in seismic areas. Cited the seismological data of existing earthquakes. Detailed studying of earthquakes and mechanisms of their occurrence concerns to sphere of seismology. The necessary information for studying realization of questions of seismic stability represent, naturally, the data on the earthquake. Materials and methods. Realization of problems has been achieved due to use of existing given earthquakes. The important and necessary initial information for studying and practical realization of questions of seismic stability represent, naturally, the data on the earthquake. Detailed studying of earthquakes and mechanisms of their occurrence concerns to sphere of seismology. Results. In the given work the complex of the given earthquakes is in detail described. In the same place records of speed and acceleration movings corresponding to a pulse are resulted. Comparisons of these idealized records of fluctuations of a ground with real records of acceleration of existing earthquakes. Conclusions. The analysis of the given earthquakes the mistakes admitted{allowed} at designing and construction, - even regularly reveal the most insignificant mistakes; this feature of aseismic construction emphasizes difficulties and the attractive parties{sides} of the decision of his{its} problems.
Key words: analysis, seismology, earthquakes, atomic engineering.
Введение
Важность проблемы обеспечения сейсмостойкости выходит за рамки текущих потребностей строительства в сейсмических районах. При планиро-
вании развития предприятий атомной энергетики необходимо принять строгий критерий антисейсмической защиты при проектировании атомных электростанций. Это требование вызвало повышенный интерес к динамике сооружений, равно как и к практическому применению результатов динамического расчета. Стоит привести замечание Н. Ньюмарка и Э. Розенблюмета: «Землетрясения систематически выявляют ошибки, допущенные при проектировании и строительстве, - даже самые незначительные ошибки; эта особенность сейсмостойкого строительства подчеркивает трудности и притягательные стороны решения его проблем, а также их общеобразовательное значение, выходящее за пределы непосредственного использования результатов исследований».
1. Выявление проблемы повреждения конструкций
Важную и необходимую исходную информацию для изучения и практической реализации вопросов сейсмостойкости представляют, естественно, данные о самом землетрясении. Детальное изучение землетрясений и механизмов их возникновения относится к сфере сейсмологии. В своих исследованиях специалист по сейсмостойкому строительству должен подходить к изучению землетрясений с иных позиций, чем сейсмолог. Сейсмологи сосредоточивают свое внимание прежде всего на глобальных или макроскопических последствиях землетрясений и поэтому имеют дело с небольшими амплитудами колебаний грунта, не вызывающими ощутимой реакции сооружений. Инженеры, наоборот, имеют дело в основном с местными эффектами сильных землетрясений там, где колебания грунта достаточно интенсивны, чтобы вызвать повреждения конструкций. Эти так называемые сильные сейсмические движения имеют параметры слишком большие для регистрации с помощью типовых приборов, применяемых сейсмологами, и требуют разработки специальных сейсмографов сильных движений. Тем не менее, несмотря на различие сферы деятельности инженеров в области сейсмостойкого строительства и сейсмологов, многие вопросы сейсмологии представляют для инженера большой интерес [1].
Общие механизмы движений в недрах земли, приводящие к землетрясениям, пока недостаточно ясны, и предлагаемые теории механизмов землетрясений часто противоречивы.
Первопричины землетрясений непосредственно связаны с общими тектоническими процессами, постоянно вызывающими горообразование и образование океанических впадин в земной коре. Тектонические плиты, движения которых характеризуют эти процессы, могут быть указаны, по крайней мере частично, на картах сейсмичности.
Информация о землетрясениях, которые могут причинить повреждения сооружениям, существенно ограничена и пока не дает возможности составить для всего земного шара и даже отдельных регионов карты сейсмической опасности, где устанавливаются вероятности землетрясений заданной интенсивности с определенным средним периодом повторения [2].
На континентальной части самый активный сейсмический район располагается вдоль Калифорнийского побережья и связан с разломом Сан-Андрес. Этот разлом и ряд второстепенных разломов (рис. 1) явились источниками самых сильных землетрясений.
Рис. 1. Эпицентры основных землетрясений и разломы в Калифорнии с магнитудой М
Разлом Сан-Андрес - одна из наиболее активных и изученных систем разломов в мире. Его расположение примечательно в топографическом отношении, он почти полностью выходит на поверхность земли в Калифорнии. Изучение этой системы разломов и землетрясений, связанных с ней, позволяет существенно расширить современные знания о механизмах возникновения землетрясений и характеристиках сильных сейсмических движений. Интересно, что относительные подвижки грунта вдоль этого разлома, соответствующие постоянному перемещению против движения часовой стрелки относительно Тихоокеанского бассейна, наблюдаются здесь как во время землетрясений, так и при постоянном крипе, регистрируемом геодезической службой. Эти измерения свидетельствуют о движении геологической структуры к западу от разлома в северном направлении по отношению к его восточному крылу со скоростью около 5 см в год.
Х. Ф. Рид на основании результатов изучения разрывов вдоль разлома Сан-Андрес во время Сан-Франциского землетрясения впервые дал четкое определение теории упругой отдачи при описании процесса зарождения землетрясения. Многие сейсмологи уже приходили к выводу о том, что землетрясения являются результатом разрывов или разломов в земной коре. Однако исследования Ридом перемещений сдвига с большой амплитудой, которые наблюдались вдоль десятков километров вдоль разлома, позволили ему прий-
ти к заключению, что специфическим источником энергии сейсмических колебаний было высвобождение деформаций земной коры. Это высвобождение само происходит в результате внезапного разрыва сдвигового типа [3].
2. Моделирование модели землетрясения
Существенная особенность механизма упругой отдачи, который позволяет наилучшим способом объяснить землетрясения, вызывающие интенсивные и потенциально разрушительные колебания поверхностных слоев, видна на рис. 2.
Активная зона разлома показана в центре. Предполагается, что геологическая структура слева (как для разлома Сан-Андрес) движется к северу с постоянной скоростью. Если бы несколько заборов были построены перпендикулярно линии действия разлома (рис. 2,а), этот постоянный дрейф приводил бы к постепенному искажению линии заборов, как показано на рис. 2,6. На схеме также показана дорога, относительно которой предполагается, что она построена после искажения оград. Важно отметить, что постоянная деформация пород приводит к напряжениям и деформациям, превышающим их прочность. В некоторой критической точке зоны разлома начинается разрыв, который быстро распространяется по длине сильно деформированных пород. В результате снимаются упругие деформации и соответствующие перемещения, приводя к схеме, показной на рис. 2,в, с большими подвижками дороги и линий заборов. После снятия деформаций линии заборов снова станут прямыми, а дорога, которая была построена на уже деформированном основании, получит локальные напряжения.
а)
б)
в)
Рис. 2. Механизм упругой отдачи при зарождении землетрясения: а - до деформирования; б - деформированная порода (до землетрясения); в - после землетрясения
Согласно теории механизма упругой отдачи источником землетрясения является внезапное движение грунта по обеим сторонам от разлома, которое происходит от разрыва земной коры. Само землетрясение представляет собой систему волн колебаний, которые возбуждаются этой дислокацией. Классическая сейсмология занимается в основном изучением этих упругих волн при их прохождении в земле. При разрыве генерируются два типа волн: продольные волны Р (от слова primary - первичные) и поперечные волны S (от слова
secondary - вторичные), которые еще называют волнами сдвига. Волны Р движутся быстрее, чем волны S. Поэтому если их скорости, которые зависят от свойства материала среды, известны, то расстояние от точки наблюдения до очага можно определить по разности моментов вступления двух типов волн. В результате измерения разности моментов вступления волн от источника на многих станциях, которые установлены по всему земному шару, можно установить положение источника и характер отражения и преломления волн от границ пород (рис. 3). Почти все данные о внутреннем строении Земли были получены в результате подобных сейсмологических исследований.
Рис. 3. Путь некоторых Р-волн от очага: 1 - ядро; 2 - мантия; 3 - фокус землетрясения; 4 - отражение от поверхности;
5 - сейсмологическая станция; 6 - отражение от ядра
Телесейсмические записи подобных сейсмических волн имеют малую ценность для специалистов в области сейсмостойкого строительства в связи с малыми амплитудами колебаний грунта. Только вблизи точки разрыва (фокуса или гипоцентра) колебания грунта достаточно велики, чтобы вызвать повреждения в зданиях. В этой стадии механизм возникновения волн может быть рассмотрен, если следовать Дж. В. Хаузнеру, на примере небольшой (размером с монету) трещины, расположенной на поверхности разлома, как показано на рис. 4. Предположим, что характер напряжений в этой части зоны с трещинами достиг предельного уровня. Когда происходит разрыв, освобождение деформаций вблизи поверхности трещины будет сопровождаться внезапным относительным перемещением обоих концов трещины. Эти перемещения вызывают волну перемещения, которая быстро распространяется от источника. Запись подобного простого импульса перемещений, зарегистрированная станцией на среднем расстоянии от фокуса, имела бы вид, как на рис. 5.
3
И 1
а)
©
Сечение
б)
в)
Рис. 4. Идеализированный точечный очаг разрыва при землетрясении: а - план; б - разрез вдоль разлома; в - трещина в очаге в виде небольшой монеты; 1 - регистрирующий прибор; 2 - эпицентр; 3 - линия разлома; 4 - фокус; 5 - план; 6 - периметр трещин
в)
Рис. 5. Идеальное движение грунта от точечного источника: а - перемещение; б - скорость; в - ускорение
Там же приведены записи скорости и ускорения, которые соответствуют импульсу перемещения. Сравнения этих идеализированных записей колебаний грунта с реальными записями ускорений при землетрясении Порт-Хъюним показывают хорошее совпадение.
Таким образом, механизм указанного землетрясения был подобен модели разрыва с образованием простой трещины.
Записи характерных землетрясений, таких как Эль-Сентро, значительно сложнее, чем запись землетрясения Порт-Хъюним (рис. 6), что, по-видимому, связано с более сложным механизмом очага. Гипотеза, которая дает удовлетворительное объяснение характерной записи сейсмического воздействия, заключается в том, что землетрясение представляет собой последовательность разрывов вдоль поверхности разлома. Каждый последующий разрыв является источником элементарной сейсмической волны типа воздействия в Порт-Хъюним.
г)
Рис. 6. Акселерограмма землетрясения Порт-Хъюним: а - ускорение; б - скорость; в - перемещение; г - реакция маятника с периодом 2,5 с
Заключение
В связи с тем, что разрывы происходят в разные моменты времени и в разных точках, наблюдаемые движения на близко расположенных станциях будут представлять собой случайную комбинацию простых записей. Следует подчеркнуть, что сейсмологи определяют фокус землетрясения как точку в земной коре, в которой начинается первый разрыв по поверхности разлома, и эпицентр как проекцию фокуса на поверхность Земли. Если землетрясение является результатом последовательности разрывов вдоль линии разлома, очевидно, что фокус может не совпадать с центром высвобождения энергии. При сильном землетрясении, которое может быть связано с разломом длиной в сотни километров, расстояние от эпицентра до сооружения может не иметь большого значения. В этом случае важным параметром является расстояние до ближайшей точки вдоль поверхности разрыва.
Список литературы
1. Туманов, А. В. Прочность армированных стен из кирпичной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил : дис. ... канд. техн. наук / Туманов А. В. - Пенза, 2000. - 180 с.
2. Баранова, Т. И. Экспериментальная теория сопротивления кирпичных и армокир-пичных стен при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил / Т. И. Баранова, А. В. Туманов. - М. : Спутник+, 2011. - 108 с.
3. Ньюмарк, Н. Основы сейсмостойкого строительства : сокр. пер. с англ. / Н. Нью-марк, Э. Розенблюэт ; под ред. Я. М. Айзенберга. - М. : Стройиздат, 1980. - 344 с. Клаф, Р. Динамика сооружений : пер. с англ. / Р. Клаф, Дж. Пензиен. - М. : Стройиздат, 1979. - 320 с.
Туманов Антон Вячеславович
кандидат технических наук, старший преподаватель, кафедра строительных конструкций, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: tumanovpguas@list.ru
Tumanov Anton Vyacheslavovich candidate of technical science, senior teacher,
sub-department of building designs, Penza State University of Architecture and Construction
УДК 624.42.3:69.022 Туманов, А. В.
Анализ сейсмологических данных для строительства / А. В. Туманов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 3 (15). -С. 151-158.
