CC BY
83Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Сейсмостойкое строительство
УДК 699.841
С.Б. СМИРНОВ, д-р техн. наук (sergey.B.smirnov@gmail.com), Московский государственный строительный университет
Формы сейсмических разрушений зданий как надежный источник информации о реальном разрушительном волновом, импульсном воздействии
Итоги исследования за последние 20 лет
Показано, что в картинах сейсмических разрушений зданий содержится ценная информация об импульсном сейсмическом воздействии, которая противоречит официальной «колебательной» модели сейсмического разрушения сооружений. Приведены факты регулярного разрушения «сейсмостойких» зданий при неопасных для них сейсмических нагрузках (вопреки гарантиям любых сейсмических строительных норм). Доказано, что эти «нормы» занижают уровень реальных сейсмических напряжений в несущих элементах, зданий и тем усугубляют сейсмический риск для населения. Показано, что маятниковые акселерометры не способны дать информацию о параметрах разрушительных сейсмических импульсов, но отображают их наличие в виде скачков и пиков на акселерограммах.. Вскрыта причина 4-кратного повышения расчетных ускорений грунта, произошедшего в 1940-1960-е гг. во всех, строительных сейсмических нормативных документах. Описана суть ключевого эксперимента, который должен неоспоримо опровергнуть официальную колебательную теорию сейсмического разрушения сооружений.
Ключевые слова: сейсмический, разрушения, здания, срез, сдвиг, маятник, колебания, импульс, волны, акселерограмма, напряжения, акселерометры, сейсмозащита, сейсмостойкость.
После многолетней исследовательской работы в области теории прочности, механики разрушения и теории предельного равновесия строительных конструкций автор и его коллеги впервые столкнулись с сейсмическими разрушениями зданий и сооружений. При этом сразу обнаружено, что формы этих разрушений весьма необычны, поскольку они никак не соответствуют тому колебательному воздействию, которое считается их официальной причиной.
Для автора очевидно, что эти формы должны служить уникальным источником информации о том неизвестном пока разрушительном сейсмическом воздействии, которое их породило.
В течение последних 20 лет автор и его коллеги изучали аномальные формы и факты сейсмических разрушений в несущих конструкциях зданий, стараясь собрать информацию о сейсмическом воздействии, которое вызвало разрушения.
Отметим, что ранее никого вообще не интересовали ни формы сейсмических разрушений, ни информация, скрытая в них. Дело в том, что сейсмологи изначально всегда считали, что вид и параметры сейсмического воздействия им заранее известны.
Этим воздействием было принято считать низкочастотные гармонические колебания грунта, которые легко поддаются отображению даже с помощью маятниковых приборов. Такое допущение было очень удобно тем, что позволяло сразу решить все проблемы и предельно упростить расчет зданий при землетрясениях.
Однако наши исследования показали, что при разрушительных землетрясениях регулярно возникает множество фактов и явлений, которые никак не могут быть вызваны только лишь низкочастотными колебаниями.
Их невозможно объяснить на базе официальной «колебательной» модели сейсмического разрушения зданий [1-14]. Например, низкочастотные сейсмические колебания грунта должны вызывать в каркасных зданиях изломы железобетонных колонн возле их защемленных концов с образованием изгибных пластических шарниров. Однако в реальности вместо этого в железобетонных колоннах всегда возникает лишь срез по косым трещинам, образующимся в пролетах колонн, на удалении от их концов [1-3; 6].
Для гибких железобетонных колонн, как и для любых гибких стержневых элементов, при низкочастотных и иных квазистатических нагрузках возможно лишь изгибное разрушение путем их излома. То есть в строительной практике стержни обычно можно только изломить, но нельзя срезать. Это подтверждают и многочисленные эксперименты на виброплатформах, создающих колебательное сейсмическое воздействие на модели каркасных зданий.
При этом колонны в этих моделях всегда разрушаются только путем излома в пластических шарнирах возле защемленных концов. Но никогда в них не возникает косых трещин в пролете колонн, типичных для землетрясений. Срез железобетонных колонн без их излома, столь распространенный при землетрясениях, возможен лишь при импульсных квазиударных воздействиях. На присутствие таких воздействий при землетрясениях указывает также по-
12012
39
Сейсмостойкое строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
явление косых и крестовых трещин в пролете гибких простенков, хрупкое разрушение сварных швов, а также множество других фактов и явлений [1-14].
Из анализа отчетов о последствиях сильных землетрясений следует, что так называемые сейсмостойкие здания, запроектированные в точном соответствии с местными сейсмическими нормативными документами, часто разрушаются вопреки их гарантиям при «неопасном» для зданий уровне сейсмической нагрузки, который ниже расчетного уровня [3, 4, 10, 13, 14]. При этом автором доказано, что в колоннах и стенах малоэтажных зданий все официальные сейсмические нормативные документы всегда многократно занижают уровень реальных сейсмических напряжений и резко завышают их реальную сейсмостойкость [13, 14]. Например, согласно СНиП 11-7-81* «Строительство в сейсмических районах» эти здания должны с большим запасом выдерживать 10-балльные землетрясения (по шкале МSК-64). Но в реальности они часто выходят из строя при 8 баллах. По-видимому, эта же ошибка присутствует и при сейсмических расчетах всех иных зданий. Этот дефект всех сейсмических нормативных документов невозможно исправить, так как он является следствием базового постулата официальной теории о прямой зависимости величины сейсмических напряжений в колоннах и стенах от величины массы вышестоящего здания [13, 14], колеблющегося по первой форме, а не от волновых импульсов.
Как это ни парадоксально, но сейсмические строительные нормативные документы в ряде случаев не понижают, а наоборот, повышают уровень сейсмического риска для населения [14]. Например, общеизвестно, что здания с несущими стенами из материалов, практически не способных воспринимать растягивающие напряжения (т. е. кирпичные, каменные и др.), как правило, разрушаются при 9-балльном землетрясении. Тем не менее ни один нормативный документ почему-то не запрещает строительство таких зданий в 9-балльных зонах. Тем самым он резко повышает сейсмический риск для населения в этих домах.
Все эти и многие другие факты неопровержимо говорят о неэффективности официальной стратегии сейсмоза-щиты, базирующейся на упрощенной колебательной модели и не учитывающей волновое импульсное сейсмическое воздействие.
Когда автор попытался вскрыть базовые причины перманентных неудач в сейсмозащите и объяснить все другие обнаруженные несоответствия и парадоксы, оказалось, что единственной причиной всех обнаруженных загадок может быть только недостаток или полное отсутствие информации о реальном разрушительном сейсмическом воздействии [4,12-14]. То есть оно не сводится только лишь к относительно безобидным низкочастотным колебаниям, а содержит неизвестный пока импульсный компонент.
В результате пришлось обратить внимание на те приборы, которые используются для изучения и отображения параметров сейсмического воздействия. Во-первых, оказалось, что ни сейсмологи, ни строители почему-то никогда не пытались измерить самое главное, а именно сейсмические напряжения непосредственно в колоннах и стенах зданий, которые как раз и вызывают их срез. Вместо этого абсолютно необходимого действия они сосредоточили все внимание лишь на параметрах сейсмических движений грунта. Причем эти неизвестные движения волевым решением были сведены к низкочастотным гармоническим колебани-
ям. Во-вторых, оказалось, что для фиксации параметров неизвестного типа сейсмического воздействия используются лишь обычные маятники, служащие главным рабочим органом акселерометров. Известно, что их записи могут быть реальными акселерограммами лишь при том жестком условии, что сейсмические движения грунта будут установившимися гармоническими колебаниями с постоянной частотой и амплитудой, без каких-либо всплесков и скачков. Это гарантирует отсутствие собственных колебаний маятника, которые возбуждаются при любой смене режима вынужденных колебаний и искажают их на записях.
Но на всех реальных акселерограммах имеется целая серия всплесков и скачков, при которых должны тут же возбуждаться собственные колебания маятников в приборах. Это полностью искажает их записи и лишает всякого смысла [7, 14].
Эти скачки и всплески порождаются сейсмическими волновыми импульсами, параметры которых остаются абсолютно неизвестными. Официально считается, что исходящие из гипоцентра волны несут в себе не те разрушительные импульсы, которые срезают колонны и стены зданий, а лишь безобидные гармонические колебания. Такое возможно лишь в том невероятном случае, когда в гипоцентре любого землетрясения появится некий осциллятор (т. е. колебатель), который будет посылать эти экзотические чисто колебательные волны.
Гораздо логичнее предположить, что горизонтальные поверхностные колебания грунта создает сама его верхняя толща, которая начинает колебаться, после того как ее периодически сдвигают в сторону от эпицентра разрушительные волновые импульсы. Очевидно, что официальные приборы-маятники в принципе не могут зафиксировать параметры этих импульсов, но зато регистрируют их наличие в виде всплесков и скачков на графиках.
Автору удалось теоретически обнаружить и обосновать наличие специфических свойств поверхностной толщи грунта, которые позволяют резко усиливать разрушительный эффект сейсмических волн [11, 12].
Кроме того, доказано, что поверхностная толща грунта, сдвинутая сейсмическими импульсами, будет совершать сдвиговые колебания именно в том низкочастотном диапазоне, который типичен для официальных сейсмических колебаний [11, 12]. То есть на всех акселерограммах видны синусоиды, отображающие собственные колебания поверхностной толщи грунта, на которые наложены скачки и всплески от волновых сейсмических импульсов.
Тот факт, что вопреки официальной теории сейсмические движения грунта вовсе не являются чистой гармоникой, в очередной раз наглядно проявился, когда в 1939 г. сейсмологи решили для упрощения фиксации ускорений заменить сейсмометры на акселерометры. При этом абсолютно неожиданно для них оказалось, что ускорения грунта, найденные по акселерограммам, в 4-5 раз превышают ускорения, найденные по сейсмограммам. Эти факты полностью опровергали базовые постулаты сейсмической теории и требования хоть какого-нибудь внятного объяснения.
Сейсмологи молча приняли этот удар, но им пришлось сразу в 4-5 раз увеличить во всех нормативных документах величину сейсмических ускорений грунта без объяснения причин этого шага, что абсолютно сбило с толку инженеров, ослабив их веру в официальную сейсмическую доктрину.
40
12012
Научно-технический и производственный журнал
Сейсмостойкое строительство
Попытаемся вкратце объяснить, каким образом возникла и реализовалась абсурдная идея использовать обычные маятники в качестве измерительных приборов. Во-первых, маятники были самым простым и удобным устройством для фиксации момента прихода сейсмических волн при измерении их фазовой скорости. Во-вторых, маятники с очень малой частотой колебаний могли служить той временно неподвижной точкой отсчета, которая использовалась для фиксации величины сейсмического смещения грунта. Поэтому на первых порах они вполне успешно выполняли эти две простейшие функции. Позднее возникла необходимость решить проблему прочностного расчета зданий на воздействие землетрясения. Тогда перед сейсмологами и строителями возникла качественно новая и чрезвычайно сложная задача по определению базовых параметров для неизвестных сейсмических движений поверхностного грунта. Для ее решения требовалось провести целый ряд теоретических и экспериментальных исследований.
Можно было попытаться решить эту задачу принципиально по-другому: не стремиться измерять скорости и ускорения грунта, а вместо этого научиться измерять самое главное - сейсмические напряжения непосредственно в несущих элементах зданий. Однако такой вариант почему-то вообще никогда и никем не предлагался, тем более что он также предполагал большие трудности при реализации.
Поэтому сейсмологи решили максимально упростить свою задачу. Для этого они заменили неизвестные им формы сейсмических движений грунта на одну-единственную, самую простую и удобную форму в виде стационарных низкочастотных гармонических колебаний с постоянной амплитудой и частотой. Только при таком волевом допущении можно было применять маятниковые акселерометры для измерения сейсмических ускорений грунта. Это допущение автоматически исключало любые иные, в частности импульсные, движения грунта. Именно тотальное использование только лишь маятниковых приборов завело в тупик официальную сейсмическую науку и сделало неэффективной официальную стратегию сейсмозащиты. Особенно ярко и трагично эта неэффективность была продемонстрирована в г. Кобе (Япония) в январе 1995 г., где землетрясение разрушило самые современные и сейсмостойкие здания из стали и железобетона [6, 10].
Представители официальной сейсмической науки почему-то упорно отказываются от попыток измерить сейсмические напряжения непосредственно в типовых несущих элементах зданий. А ведь именно их величина точно определяет и сейсмостойкость зданий, и разрушительную силу землетрясения.
Автор и его коллеги поставили перед собой цель впервые решить эту ключевую задачу. Это позволит путем прямого эксперимента доказать правильность теоретических построений, а также констатировать ошибочность колебательной сейсмической теории. Для этого потребуется измерить реальные сейсмические напряжения в простейшей модели здания, а затем сравнить их с официальными сейсмическими напряжениями в ней, найденными по одновременно записанной акселерограмме [14].
Предположительно реальные напряжения, замеренные с помощью тензометров, окажутся на порядок выше, чем те, которые дает акселерограмма, что позволит строго доказать ошибочность расчетов, производимых на основе официальной сейсмической теории.
После экспериментального опровержения этой теории придется завершить разработку теории прочностного расчета зданий на импульсное волновое сейсмическое воздействие, начатое в [5]; на этой основе потребуется создать качественно новые нормативные документы и закончить построение качественно новой реально эффективной стратегии сейсмозащиты, начатое в [3, 8, 9, 11].
^исок литературы
1. Смирнов С.Б. Ударно-волновая концепция сейсмического разрушения сооружений // Энергетическое строительство. 1992. № 9. С. 70-72.
2. Sergey Smirnov Discordances between seismic destruction and present calculation // International civil Defence Journal. 1994. № 1. Pp. 6-7, 28-29, 46-47.
3. Смирнов С.Б. Принципы разрушения «сейсмостойких» железобетонных зданий и принципы их эффективной сейсмозащиты // Бетон и железобетон. 1994. № 3. С. 22-25.
4. Смирнов С.Б. Полное отсутствие информации о сейсмических воздействиях - главная причина разрушения зданий при землетрясениях // Жилищное строительство. 1994. № 12. С. 13-16.
5. Смирнов С.Б.Особенности работы и прочностного расчета зданий при импульсных сейсмических воздействиях // Жилищное строительство. 1995. № 3. С. 14-17.
6. Смирнов С.Б. Разрушение «сейсмостойких» зданий в Кобе // Жилищное строительство. 1995. № 8. С. 17-19.
7. Смирнов С.Б. О принципиальной ошибке в традиционной трактовке записей инерционных сейсмических приборов // Жилищное строительство. 1995. № 1. С. 51-60.
8. Смирнов С.Б. Новые принципы сейсмозащиты зданий // БСТ, 1998. № 8. С. 2-3.
9. Смирнов С.Б. Решение проблемы надежной сейсмоза-щиты зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 1999. № 10. С. 43-45.
10. Смирнов С.Б. Исследование аномальных форм в сейсмических разрушениях зданий, противоречащих официальной теории сейсмозащиты и опровергающих официальный взгляд на причины разрушения зданий при землетрясениях // Объединенный научный журнал. 2008. № 9. С. 51-59.
11. Смирнов С.Б. Сейсмический срез зданий - результат отдачи толщи грунта, сдвигаемой глубинными сейсмическими волнами // Жилищное строительство. 2009. № 9. С. 32-35.
12. Смирнов С.Б. Поверхностная толща грунта как усилитель разрушительного эффекта сейсмических волн и генератор сдвиговых колебаний // Жилищное строительство. 2009. № 12. С. 33-35.
13. Смирнов С.Б. СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» как документ, опровергающий официальную колебательную доктрину сейсмичесского разрушения зданий // Жилищное строительство. 2010. № 4. С. 9-11.
14. Смирнов С.Б. СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» и новый вариант СНиП 22-03-2009 как дополнительные источники сейсмоопасности и сейсмического риска для граждан Российской Федерации // Жилищное строительство. 2010. № 9. С. 49-51.
1'2012
41
