CC BY
214
Критический анализ состояния нормативной документации по расчёту сооружений на землетрясения
Е.Н.Курбацкий, Г.Э.Мазур, В.Л.Мондрус
Вступившие в силу с 1 июля 2015 года нормы СП 14.13330.2014 «СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах» являются неудачной актуализацией устаревшего СНИП II-7-81* (Минстрой России. Москва, 1995). Кроме устаревших положений, которые были включены в прежние редакции СНиП ещё в 1969 году, в актуализированной редакции появились ошибочные рекомендации, использование которых в мостостроении и тоннелестроении может привести к катастрофам при землетрясениях. Проектирование гражданских и транспортных сооружений в настоящее время не обеспечено нормативными документами, соответствующими современным знаниям по сейсмологии и современному уровню развития динамических методов расчёта сооружений.
Ключевые слова: устаревшие нормы, приращение балльности, средний грунт, коэффициент динамичности, спектр ответов, сейсмостойкость.
Critical Analysis of Condition of the Normative
Documents on Calculation of Structures for Earthquake.
By E.N. Kurbatskiy, G.E. Mazur, V.L. Mondrus
Accepted on the 1 July 2015 CODEs SP 14.13330.2014 «SNIP II-7-81*. Construction in seismic areas «are unsuccessful updating obsolete SNIP II-7-81 * (the Ministry of Construction of Russia. Moscow, 1995). In addition to outdated provisions which were included in the previous version of SNIP at 1969, in the updated edition appeared erroneous recommendations, the use of which in bridge and tunnel design and construction can lead to disasters from earthquakes. Designing of civil and transport facilities are not provided by the regulatory documents relevant to current knowledge on seismology and the modern methods of dynamic structures design.
Keywords: outdated codes, increment of seismic intensity points, average soil, dynamic coefficient, response spectrum, seismic resistance.
Введение
«Если строитель построил для человека непрочный дом, который разрушился и убил домохозяина, то строитель должен быть казнён» (из законов Хаммурапи, 1700 год до н.э.). Если бы царь Хаммурапи жил в наше время, ответственность за разрушение сооружений и гибель людей при землетрясениях несли бы не только строители и проектировщики, но и разработчики нормативных документов. К сожалению, сегодня
разработчики норм не несут никакой ответственности. Поэтому «новые» нормативные документы, регламентирующие расчёты сооружений на сейсмические воздействия, в течение почти 50 лет практически переписываются со старых документов вместе со всеми их недочётами и ошибочными положениями. Немногочисленные формулы, представленные в этих документах, которые были разработаны для расчётов на логарифмических линейках и арифмометрах, устарели и не соответствуют современным знаниям и вычислительным возможностям. Конечно, нормативные документы должны быть в определённой степени консервативными, но и отставать от современных достижений науки и техники не должны.
Ещё один вопрос, возникающий при анализе существующих актуализированных документов - это вопрос этики. Инженер не имеет морального права брать на себя решение вопросов, выходящих за рамки его компетенции. Но при нынешней системе разработки норм к документам часто относятся просто как к продукции, за которую уполномоченный коллектив разработчиков получает вознаграждение согласно договору. Такая система устраивает разработчиков, так как они не несут ответственность за качество продукции. Некачественный товар можно вернуть продавцу, но как инженеру отказаться от использования некачественного нормативного документа? Безответственность и небрежность авторов норм создают впечатление, что разработчики не обладают достаточными знаниями в теоретической механике, динамике сооружений, механике сплошных сред, спектральном анализе и незнакомы с состоянием и достижениями в области нормирования и сейсмической инженерии технически развитых стран. Разработчики упорно перетаскивают из редакции в редакцию устаревшие методы, от которых давно отказались их зарубежные коллеги. Огромное количество коллективов и известных учёных в различных частях мира занимались и занимаются вопросами оценки параметров возможных землетрясений и защиты от сейсмических воздействий. Зная о частых научных контактах разработчиков норм с коллегами из других стран, мы считаем по меньшей мере странным продолжающееся игнорирование мирового опыта. А пока мы вынуждены констатировать, что российские нормы не соответствуют современному уровню и достижениям в области обеспечения сейсмостойкости сооружений.
Назначение исходной сейсмичности
В Российской Федерации для оценки сейсмических воздействий на сооружения используются карты общего сейс-
мического районирования (ОСР), в которых интенсивность землетрясений I (балльность) оценивается в баллах. При этом при проектировании наземных и подземных сооружений такое понятие как балл ни в каких инженерных расчётах непосредственно никогда и нигде не использовалось. При расчётах подземных сооружений применяются пиковые значения скоростей и перемещений точек грунта при землетрясениях, а для наземных - пиковые величины ускорений, скоростей, перемещений точек грунта и продолжительность землетрясений. Кроме того, используются спектры ответов и акселерограммы колебаний грунта, совместимые с расчётными спектрами ответов.
Ещё в 2012 году в работе [1] отмечалось, что в России ускорения смещений грунта при землетрясениях определяются по картам ОСР путём пересчёта балльности, соответствующей актуализированной макросейсмической шкале, а не на основе инструментальных измерений, как это принято во многих странах мира. Приведём цитату из статьи [1]: «И, хотя в отечественной строительной практике до сих пор используется пересчёт баллов в ускорения по шкале МСК-64, необходимо отметить, что такой пересчёт не учитывает спектральный состав сейсмического воздействия и в силу этого должен очень осторожно применяться для инженерных расчётов без должного обоснования».
При проектировании сооружений необходимо перейти от балльности к ускорениям и при этом учесть грунтовые условия строительной площадки. При разработке карт ОСР-97 для оценки сейсмической интенсивности в баллах использовались так называемые средние грунты, под которыми составители карт понимали грунты второй категории.
Согласно СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» (актуализированной редакции СНиП 11-7-81*) сейсмическая жёсткость грунтов второй категории изменяется в широких пределах - от 350 до 1 500 (г/см3)-(м/с). Надо полагать, что именно в таком виде понятие «средние грунты» использовалось составителями карт ОСР [1; 2]. Такое широкое понимание среднего грунта приводит к произволу, неконтролируемым ошибкам и даже мошенничеству при определении исходной сейсмичности по картам ОСР. Среди проектировщиков существует мнение, что можно договориться с сейсмологами и понизить или повысить сейсмичность строительной площадки на один балл, и сейсмологи при этом не нарушат нормативных требований.
В нормах США в соответствии с регламентом AASHTO для таких целей используются скальные коренные породы, что значительно уменьшает разброс и неопределённости при оценке сейсмической опасности. Уже давно в СССР и РФ предлагалось отказаться от применения максимального ускорения на среднем грунте (категории II) в качестве основного амплитудного параметра колебаний и использовать пиковое ускорение на скальном грунте (категории I), но пока всё без изменений.
Уточнение исходной сейсмичности
Примером произвола при оценке сейсмичности строительной площадки является раздел норм, касающийся микрорайонирования. Например, при выполнении микрорайонирования по картам ОСР определяется сейсмичность района, без должного обоснования выбирается некоторый эталонный грунт, который при построении карт ОСР не использовался, и без какой-либо дополнительной информации уточняется сейсмичность строительной площадки относительно этого грунта.
В СП 14.13330.2014 появился так называемый референтный грунт с неизвестно откуда взявшейся средней сейсмической жёсткостью 655 (г/см3)-(м/с), с использованием которой должен производиться перерасчёт интенсивности с учётом жёсткости грунта строительной площадки. На вопрос автора о том, использовался ли указанный референтный грунт при оценке сейсмичности районов, никто из разработчиков карт ОСР не дал положительного ответа. Не ясно, на каком основании он стал эталонным и почему именно относительно него необходимо определять приращение балльности.
«Выбор расчётной жёсткости для эталонного среднего грунта по сейсмическим свойствам по экономическим соображениям, а также традиционным для сейсмического районирования представлениям о среднем грунте как о типичном грунте селитебных территорий», как это представлено в работах [7; 8], вызывает недоумение и беспокойство. Причём тут карты ОСР? Эталонный грунт с такими же свойствами принят, например, и для строительной площадки моста через Керченский пролив. Возникает вопрос: на каком основании? Ведь грунты там совершенно не похожи на грунты селитебных территорий.
При разработке карт ОСР грунт с подобными характеристиками никогда не использовался. Но даже если допустить, что сейсмичность определялась для грунтов с эталонной жёсткостью 655 (г/см3)-(м/с), методика пересчёта приращений балльности в ускорения может привести к серьёзным ошибкам.
В начале второй половины прошлого века С.В. Медведевым была разработана методика сейсмического микрорайонирования [3], которая сохранилась в нормативных технических документах РФ настоящего времени. В соответствии с этой методикой параметры сейсмических воздействий связываются со свойствами грунта. Вводятся два понятия - категория грунта и балльность (или приращение балльности). Возникает необходимость установить соответствие между ними.
В актуализированном документе СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» приводится следующая формула для определения приращения интенсивности Д! в баллах на основе метода сейсмических жесткостей:
Д/ = 1,67(1ё655-1ё/^), (1)
где р - плотность грунта, г/см3; V - скорость распространения поперечных сейсмических волн в грунте, м/с.
Причём это выражение предлагается использовать без оговорок практически во всех случаях. Оно является частным случаем формулы С.В. Медведева:
где р, ри - плотность эталонного грунта и исследуемого грунта соответственно, г/см3; V, V - скорость распространения поперечных сейсмических волн в эталонном и исследуемом грунте соответственно.
Если в качестве исследуемого грунта взять грунт второй категории с минимальной и максимальной сейсмической жёсткостью, то приращение интенсивности AI будет равным соответственно +0,4 и -0,6; таким образом, «средний» (эталонный) грунт не является средним по сейсмической жёсткости. Но теперь становится ясно, что диапазон сейсмических жесткостей грунтов второй категории был выбран так, чтобы возможные значения AI уложились в однобалльный интервал.
Уравнение (2), как отмечается в СП 14.13330.2014, было получено методом сейсмических жесткостей, хотя не упоминается, в чём он заключается. Не указано, при каких условиях и ограничениях можно применять эту формулу. Почему почти за полувековой период её использования в ответственных нормативных документах у сейсмологов не появилось желания проверить соответствие между реакцией грунтов при сильных землетрясениях и прогнозной интенсивностью. Трудно себе представить, как обосновать такую формулу «эмпирическими данными, указывающими на связь сейсмической жёсткости и степени разрушения зданий при землетрясениях» [8]. Как можно по трещинам и разрушениям зданий определить коэффициент перед разностью логарифмов с точностью до третьего знака? В другой работе приводится ещё более «интересное» объяснение происхождения указанного коэффициента в формуле Медведева: «Коэффициент пропорциональности k=1,67 был получен как среднее арифметическое из нескольких частных определений. Никакого физического обоснования полученного коэффициента при этом не было дано. Упоминается, что лишь впоследствии, в диссертационной работе И.А. Ершова, появились соображения физического плана, поясняющие вывод полученного коэффициента» [4]. Добавим от себя, что в основу вывода И.А. Ершова было положено ошибочное предположение о равенстве потоков энергии в двух точках среды с разными акустическими жесткостями.
В действительности формула С.В. Медведева представляет собой приближённое представление формулы Цёппритца, описывающей преломление и отражение волн при распространении через границу сред с разными акустическими (сейсмическими) жёсткостями. Подробное доказательство этого утверждения приведено в работе «К вопросу пересчёта приращений балльности в ускорения колебаний грунта» [6].
Уравнение Цёппритца определяет отношение параметров волн, распространяющихся через границу раздела сред, а уравнение С.В. Медведева определяет то же самое в баллах. Формула Медведева следует из формулы Цёппритца при условии, что квадратом приращения балльности AI можно пренебречь и что разность сейсмических жесткостей грунтов мала.
Поэтому заложенное в СП определение категорий грунтов по приращениям балльности в предположении, что они равны одному баллу или даже двум или трём баллам, ошибочно. Манипуляции с формулой Медведева [7] в случаях, когда замена одного грунта на другой вызывает увеличение параметров преломлённой волны более чем в два раза без учёта резонансов, противоречат физическим законам.
Процедура определения параметров сейсмического воздействия через свойства эталонного грунта со средней сейсмической жёсткостью 655 (г/см3)-(м/с) на основе формулы С.В. Медведева чревата серьёзными последствиями при землетрясениях. Неправильное определение характеристик эталонного грунта может существенно исказить параметры расчётного сейсмического воздействия.
Ещё один серьёзный недостаток нормативного подхода -игнорирование зависимости расчётных пиковых ускорений от толщины поверхностного слоя и его частоты колебаний, что существенно искажает величину и характер сейсмического воздействия и может привести к недооценке сейсмической опасности.
Возникает вопрос: почему сейсмологи и геофизики не бьют тревогу, когда на уровне государственных нормативных документов предлагаются ошибочные положения в отношении оценок при сейсмическом районировании? Отсюда вытекает и другой вопрос: сколько в РФ уже дано неправильных оценок для расчёта ответственных сооружений на сейсмические воздействия при использовании этих ошибочных положений?
Спектры максимальных реакций (откликов, ответов)
конструкций на сейсмические воздействия или динамические коэффициенты?
Спектры реакций (ответов) - одна из наиболее важных, полезных и широко используемых концепций в теории и практике расчётов сооружений на сейсмостойкость. Предложенная более девяноста лет назад японским учёным К.А. Сюэхиро [9], в настоящее время эта концепция используется во всех зарубежных нормативных документах и руководствах по расчёту сооружений на сейсмостойкость.
В российских нормах для оценки сейсмических воздействий используется понятие «спектральный коэффициент динамичности» - в. Кривые коэффициента динамичности в в российских нормах строятся как функции периода свободных колебаний осциллятора. Это практически та же концепция, но названная по-другому.
«Коэффициент динамичности» в понимании инженера и студента старших курсов технического вуза - это коэффициент, показывающий во сколько раз реакция на динамическое воздействие превышает реакцию на воздействие статическое. В общем случае для сейсмического воздействия не существует такого статического воздействия, которое надо умножать на коэффициент динамичности. Только для одномассовых систем можно было бы понимать под «коэффициентом дина-
мичности» отношение реакции системы к реакции аналогичной системы с бесконечной жёсткостью (нулевым периодом колебаний). Понятие «спектр откликов» имеет однозначную трактовку и не привязано к понятиям статики сооружений,
Общение авторов статьи с проектировщиками, которые используют понятие «спектральный коэффициент динамичности», показало, что большинству из них не известно, как он получен и из названия не понятна физическая сущность.
Во многих российских учебниках и пособиях по динамике сооружений и в курсах лекций о концепции спектров ответов даже не упоминается. В работе «Спектры максимальных реакций (откликов) конструкций на сейсмические воздействия», опубликованной в 2009 году в журнале «Строительная механика», уже поднимался этот вопрос. За прошедшие годы ничего не изменилось. Как показывает анализ выпущенных в последнее время монографий и методических пособий, при оценке сейсмических воздействий допускаются грубые ошибки: «спектры ответов сооружений называют спектрами откликов грунта». Это свидетельствует о том, что авторы не понимают физической сущности концепции спектров ответов.
Поэтому кратко опишем гениальный опыт К.А. Сюэхиро [9], который просто и понятно объясняет концепцию спектров ответов. Его анализатор сейсмических колебаний грунта состоял из 13-и различных масс, подвешенных на пружинах. Во время землетрясений перемещения масс записывались на вращающиеся барабаны, фиксируя реакцию осцилляторов на реальное сейсмическое воздействие. На каждой записи выбиралась только одна точка - максимальное перемещение данной массы. Величина максимального перемещения наносилась на график, в котором по горизонтальной оси откладывались в масштабе частоты (периоды) колебаний масс, а по вертикальной - максимальные значения перемещений масс при данном сейсмическом воздействии. Этот прибор на несколько лет вперёд предвосхитил развитие теории спектров ответов. Схематично этот прибор и методика построения спектра ответа представлена на рисунке 1.
Определение. «Спектр ответов - график максимальных реакций: перемещений, скоростей, ускорений, или других максимальных параметров совокупности осцилляторов
h fn fi h 4 fn
Рис. 1. Опыт Сюэхиро. Экспериментальное построение спектров ответов
(систем с одной степенью свободы) на заданное воздействие. Ординаты спектра ответов - максимальные значения реакций осцилляторов на заданное воздействие, абсцисса спектра - собственные частоты осцилляторов или периоды собственных колебаний.
В статье известного американского учёного А.К. Чопра (А.К. Chopra) «Спектр ответа упругих систем. Исторические заметки» [10] отмечается, что «концепция спектров ответов хорошо интегрировалась в теорию и практику инженерных расчётов сооружений на сейсмостойкость, но многие исследователи и инженеры, использующие эту концепцию, не знают происхождения концепции». Добавим от себя, что многие инженеры-проектировщики не понимают физической сущности и полезности этой концепции.
Динамические коэффициенты в нормах РФ и спектры
откликов в Еврокодах
График коэффициентов динамичности ДТ), предложенный И.Л. Корчинским шестьдесят лет назад, был включён в СН 8-57 «Нормы и правила строительства в сейсмических районах». График был получен в условиях ограниченного в то время количества инструментальных данных. Практически все имеющиеся в то время инструментальные записи землетрясений были аналоговыми.
В СНиП II-А.12-69 «Строительство в сейсмических районах» график был скорректирован, а в СНиП II-7-81 заменён тремя графиками, соответствующими трём категориям грунта.
К сожалению, параметры графиков основывались не на фактических данных о сейсмических воздействиях, а на необходимости сохранения преемственности между старыми и новыми нормами и минимизации затрат на антисейсмическое усиление.
В СП 14.13330.2014 используются кривые коэффициентов динамичности Д в зависимости от расчётного периода собственных колебаний T здания или сооружения (см. рис. 2).
В нормах содержится ошибочное ограничение: «во всех случаях значения р. должны приниматься не менее 0,8», которое не соответствует спектрам откликов реальных землетрясений и не позволяет выполнять расчёты большепролётных и сейсмоизолированных мостов, так как при увеличении периода колебаний перемещения должны будут стремиться к бесконечности. Несмотря на это, пересмотреть данное ограничение авторы норм не решаются.
р,
/2
/
/ / ------ ......
/
0.0 0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0.6 0.7 0,8 0,9 1,0 1,1 1.2 1.3 1,4 1.5 1.« 1.7 1,8
Рис. 2. Коэффициент динамичности (РФ)
Каким образом были получены эти кривые, при каких значениях коэффициента демпфирования - нигде не упоминается. Отметим, что такие кривые не соответствуют максимальным реакциям сооружений на реальные сейсмические воздействия.
Как уже отмечалось выше, в зарубежных нормах этот же коэффициент называется спектром реакций (отклика или ответа), что более точно соответствует физической сущности этого параметра.
Приведём аналогичные кривые, используемые в Еврокоде EN 1998-1:2004:Е:
Рис. 3. Спектры откликов, принятые в Еврокоде
На спектрах откликов, представленных в зависимости от периодов колебаний рассчитываемых сооружений, при воздействии реальных землетрясений чётко выделяются четыре характерные точки: при Т==0. Т=ТВ, Т=ТС и Т=ТВ. Эти точки получены в результате обработки большого количества акселерограмм землетрясений. Происхождение этих характерных точек определяется на трёхординатных графиках спектров ответов ускорений, скоростей и перемещений, построенных в логарифмических координатах. Специально приведём в качестве примера графики в трёх-
ординатных осях спектров откликов по ускорениям шести различных землетрясений.
Невооружённым глазом видно, какими будут огибающие, необходимые для построения нормативных спектров. Именно на такое представление сейсмических воздействий опирались Ньюмарк и Холл при разработке своей методики, которая используется для построения нормативных спектров во многих странах.
Каждая кривая на одном графике представляет собой три зависимости: максимального ускорения от периода, максимальной скорости от периода и максимального перемещения от периода. Для этой цели используются три ординаты. Ордината максимальных ускорений, направлена под углом 45° к горизонтальной оси; ордината максимальных перемещений под углом 135° (-45°).
Расчётные спектры строятся как огибающие набора акселерограмм.
Чёрные линии на графике соответствуют пиковым ускорениям, пиковым скоростям и пиковым перемещениям грунта. Синяя линия соответствует постоянным максимальным ускорениям для осцилляторов с периодами от ТВ, до ТС, красная соответствует постоянным максимальным скоростям для осцилляторов с периодами от ТС, до Тв и зелёная линия соответствует постоянным максимальным перемещениям для осцилляторов с периодами, превышающими Тв.
Значения параметров Тв, ТС, Тв и для каждого типа грунтовых условий и типа спектра могут быть найдены в национальном приложении конкретной страны. Задаются аналитические выражения для спектров ответов для каждого интервала периодов с учётом поправочного коэффициента на демпфирование, если он отличается от 5%. Таким образом, спектры откликов, применяемые в Еврокоде, соответствуют спектрам Ньюмарка-Холла.
Период, с
Рис. 4. Трёхординатные спектры шести различных земле- Рис. 5. Иллюстрация к методике построения спектра Нью-
трясений, указанных в таблице
марка-Холла
Ничего подобного не учитывается в СП 14.13330.2014.
В строительных нормах не упоминается, при каких значениях коэффициентов демпфирования построены графики динамических коэффициентов и как учитывать демпфирующие свойства материала сооружений. От демпфирующих свойств очень сильно зависит реакция сооружений на сейсмические воздействия. При наличии сейсмоизолирующих устройств с большими коэффициентами использовать динамические коэффициенты демпфирования недопустимо.
Для примера представим графики спектров максимальных ускорений при воздействии землетрясения Нортридж ^ог^п^де) (17 января 1994 года) для систем с различными коэффициентами демпфирования. Характеристики землетрясения: пиковое ускорение РвЛ = 866 см/сек2; пиковая скорость РвУ = 42 см/сек.; пиковое перемещение РвБ = 14,3 см; продолжительность 59,9 секунд.
Как видно из представленных графиков, влияние демпфирования на реакцию сооружений очень существенно. Это хорошо всем известный факт, не учитывать и даже об этом не упоминать - некомпетентно.
Некоторые ошибочные положения и недостатки
актуализированных российских норм
1. В приложении «Г» предложено использовать необоснованные поправочные коэффициенты К2, К3 и К4.
Применение коэффициентов К2, К3 основанное на концепции приращения балльности, ошибочно, тем более что для этого необоснованно используется «средний грунт».
Значения поправочного коэффициента на рельеф местности К4, уменьшающие интенсивность землетрясений на дне долин в два раза и увеличивающие интенсивность на берегах в 1,2 раза, требуют проверки и уточнения. Результаты аналитического и численного моделирования распространения продольных и поперечных волн в полупространстве с выемкой или с глубоким оврагом существенно отличаются от рекомендуемых значений.
2. К - коэффициент, учитывающий влияние на сейсмическую нагрузку снижения жёсткости сооружения и увеличение рассеяния энергии колебаний из-за появления трещин и пластических деформаций в конструкциях моста, можно использовать только для грубой оценки поведения сооружения при землетрясении. Существуют методы расчёта и программные комплексы, позволяющие рассчитывать сооружения с учётом нелинейного поведения, с учётом образования шарниров или разрушения отдельных элементов. Результаты таких расчётов показывают, что значения коэффициента К зависят от типа сооружения и его конструктивной схемы и могут быть различными для разных элементов сооружения.
3. Отсутствует оценка взаимодействия сооружений с грунтом при сейсмических воздействиях. Исходное сейсмическое воздействие определяется для «свободного поля», поэтому для фундаментов и опор сооружений использование спектров ответов (динамических коэффициентов) ошибочно.
4. В нормах только упоминаются сейсмозащитные устройства транспортных сооружений. Отсутствуют требования к этим устройствам, а также рекомендации по их выбору и расчёту.
5. Не учитывается изменение сейсмического воздействия в пространстве. Как показывает анализ разрушений мостов при сильных землетрясениях, наиболее распространённым повреждением является сброс пролётных строений с опор. В СП 14.13330.2014 предлагается лишь установка антисейсмических устройств (стопоров) для предотвращения сброса пролётных строений, при этом отсутствуют какие-либо рекомендации по расчёту возможных перемещений концов пролётных строений.
6. В российских нормах для оценки сейсмических воздействий используется понятие «спектральный коэффициент динамичности». В зарубежных нормах этот же коэффициент называется спектром реакций (отклика или ответа), что более соответствует физической сущности этого параметра.
7. Нормы не предусматривают для транспортных сооружений иных методов расчёта, кроме линейно-спектрального.
8. Отсутствуют рекомендации по усилению существующих сооружений для повышения их сейсмостойкости.
9. В нормы должны быть добавлены пункты, регламентирующие проектирование и расчёты на сейсмические воздействия подходов к мостам и тоннелям, которые, как известно, могут быть и насыпями, и выемками.
10. В СП 14.13330.2014 предлагается оригинальная (но запутанная!) классификация ответственности транспортных сооружений: «1а - особо высокий уровень ответственности», «1б - высокий уровень ответственности» и «2 - нормальный
0.01 0.1 1 10 Период, с
Рис. 6. Графики спектров максимальныхускорений для систем с различными коэффициентами демпфирования: д = 0,0; д = 0,025; д = 0,05; д = 0,10; д = 0,20
уровень ответственности». В эти перечни, кроме транспортных сооружений, вписаны и здания вокзалов, терминалы аэропортов, здания морских вокзалов, причальные сооружения, памятники архитектуры и другие сооружения, не имеющие никакого отношения с точки зрения сейсмостойкости к мостам и тоннелям. Классификация не согласуется ни с общей частью документа (таблица 3), ни с ГОСТ по надёжности строительных конструкций.
11. В нормативном документе и приложениях имеется целый ряд необоснованных допущений и предположений, не подтверждённых эмпирическими данными.
Например, пункт Г.2.2, содержащий соотношения между баллами, пиковыми ускорениями, пиковыми скоростями и пиковыми смещениями и предположение о равенстве шага инструментальных шкал по ускорениям, скоростям и смещениям, является серьёзным источником ошибок (до одного балла). Предупреждение о нежелательности использования старых шкал для перехода от баллов к ускорениям грунта имелось ещё в объяснительной записке к карте ОСР-78.
Анализ натурных данных показывает, что при изменении интенсивности на один балл пиковые ускорения изменяются в два с половиной раза (для интенсивности 8 баллов неправильный учёт шага шкалы вызывает занижение пиковых значений ускорения в полтора раза), пикового значения скорости - в три раза и пикового смещения - почти в пять раз. Поэтому представленные ниже соотношения из пункта Г.2.2 СП 14.13330.2014 являются ошибочными.
Кроме того, отметим, что неверно называть пиковые значения амплитудными, так как сейсмические колебания не являются гармоническим процессом.
Интенсивность сейсмических воздействий должна свзя-зываться не только с ускорениями, но и скоростями, смещениями и другими характеристиками сейсмического движения грунта, в первую очередь, с продолжительностью колебаний.
13. Отсутствуют рекомендации по использованию искусственных акселерограмм.
14. В разделе 7.9 «Тоннели», состоящем из семи пунктов, не содержится ни слова о параметрах, характеризующих сейсмические воздействия на подземные сооружения, и не упоминаются расчётные модели. Следует отметить, что при расчёте на землетрясения тоннелей в отличие от наземных сооружений не используются ни динамические коэффициенты (спектры откликов), ни пиковые ускорения.
Заключение
Поскольку балльность нельзя непосредственно использовать в инженерных расчётах, её перевод в амплитуды движений грунта при оценках сейсмичности производится по шкалам сейсмической интенсивности. И на этом этапе в России «царит произвол».
Зарубежные стандарты по сейсмостойкости и сейсмическому районированию существенно отличаются от российских. В большинстве стран мира сейсмическое районирование
выполняется не в баллах шкалы сейсмической интенсивности, а в параметрах сейсмических движений грунта, хотя раньше также использовалась балльная система. Можно объяснить, почему так произошло. Источники возможных землетрясений характеризуются механическими параметрами: перемещениями, скоростями, ускорениями силами и моментами. Распространяющиеся от источников землетрясений волны описываются функциями перемещений, скоростей и ускорений точек грунтовой среды. Для оценки реакции сооружения на сейсмическое воздействие необходимо знать параметры движения «свободного поля» строительной площадки при расчётном землетрясении. Возникает вопрос: зачем переходить сначала по приближённым формулам от ускорений к баллам, а затем опять от баллов к ускорениям, добавляя на каждом этапе неопределённости?
В России исходными данными для построения карт сейсмического районирования в баллах являются оценки магнитуд в зонах возможных землетрясений. С точки зрения проектировщиков целесообразно сразу строить такие карты в изолиниях ожидаемых пиковых ускорений и пиковых скоростей на основе параметров сейсмических источников, а не производить сначала расчёты ожидаемой балльности, а затем переводить её в ускорения, тем более, что при переходе к баллам используется не десятичная, а неудобная двоичная система. Часто при определении ускорений для дробных балов проектировщики допускают ошибки.
Не ясно, почему сейсмологи предпочитают эмпирические формулы даже в тех случаях, когда воздействия можно описать физическими моделями и математическими выкладками, учитывая при этом натурные наблюдения и вероятностный характер явлений.
За рубежом сейсмическое районирование с самого начала выполнялось под эгидой инженеров-строителей, специалистов в областях механики сплошных сред и динамики сооружений при участии сейсмологов и геологов. Наиболее успешно эти исследования проводятся в США. В отличие от российских американские нормативные документы, как правило, содержат математические модели и расчётные схемы, разработанные специалистами в области механики сплошных сред и инженерами-строителями. Американским учёным удалось приблизить сейсмическое районирование к нуждам сейсмостойкого строительства, а также к снижению сейсмического риска.
В России основную роль в развитии методологии сейсмо-районирования играли геологи. И лишь в составлении карт ОСР-97 стали принимать участие сейсмологи и геофизики. Но инженеры-строители в этом практически не участвовали. Отсюда - целый ряд ошибочных положений в российских нормативных документах. Очень часто в них приводятся формулы без указания допущений, модели, расчётной схемы, доказательств и статистики. Такой подход очень опасен и может привести к серьёзным последствиям.
На многих конференциях и совещаниях высказывались предложения, с которыми солидарны и авторы:
- отказаться от использования в качестве основного параметра колебаний значения максимального ускорения на среднем грунте (категория 2) и впредь использовать в этих целях максимальное ускорение на скальном грунте (категория 1);
- признать устаревшим термин «коэффициент динамичности» и использовать вместо него термин «нормированный спектр реакции»;
- отказаться от характеристики грунтов через частотно-независимый параметр «приращение балльности» и перейти к принципу спектральной характеристики грунтов.
Свод правил и приложения к нему содержат устаревшие и ошибочные положения, поэтому должна быть выполнена не актуализация его, а существенная переработка.
Коллектив, который многие годы переписывает старые положения и не учитывает критических замечаний, должен быть существенно обновлён.
Литература
1. Уломов, В.И. Актуализация нормативного сейсмического районирования в составе единой информационной системы «Сейсмобезопасность России» / В.И. Уломов // Вопросы инженерной сейсмологии. - 2012. - № 1. - С. 5-38.
2. Уломов, В.И. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации / В.И. Уломов. Л.С. Шумилина // Сейсмостойкое строительство. -1998. - № 4. - С. 30-34.
3. Медведев, С.В. Инженерная сейсмология / С.В. Медведев. - М.: Госстройиздат, 1962. - 260 с.
4. Методика и принципы проведения микросейсморай-онирования (СМР) [Электронный ресурс] // Портал единой информационной системы (ЕИС) «Сейсмобезопасность России». - Режим доступа: http://seismorus.ru/sites/default/ files/artides/Met_smr.doc. (дата обращения: 17.01.2017).
5. Курбацкий, Е.Н. Спектры максимальных реакций (откликов) конструкций на сейсмические воздействия / Е.Н. Курбацкий // Строительная механика и расчёт сооружений. - 2009.
6. Курбацкий, Е.Н. К вопросу о пересчёте балльности в ускорения / Е.Н. Курбацкий, А.П. Косауров // Инженерные изыскания в строительстве. - 2016. - №14. - С. 50-60.
7. Шестопёров, В.Г. Сейсмическое микрорайонирование участков строительства моста: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М, 2006. - 23 с.
8. Шестопёров, Г.С. МДС 22-1.2004. Методические рекомендации по сейсмическому микрорайонированию участков строительства транспортных сооружений / Г.С. Шестопёров, В.Г. Шестопёров. - М.: ФГУПЦПП, 2005. - 48 с.
9. Suyehiro, K. A Seismic Vibration Analyser and the Records Obtained Therewith / K. Suyehiro // Bulletin of the Earthquake Research Institute-University of Tokyo. - 1926. - № 1. -P. 59-64.
10. Chopra, А.К. Elastic response spectrum: a historical note / А.К. Chopra // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. - 2007. - № 36. - P. 3-12.
Literatura
1. Ulomov V.I. Aktualizatsiya normativnogo sejsmicheskogo rajonirovaniya v sostave edinoj informatsionnoj sistemy «Sejsmobezopasnost' Rossii» / V.I. Ulomov // Voprosy inzhenernoj sejsmologii. - 2012. - № 1. - S. 5-38.
2. Ulomov V.I. Komplekt kart obshhego sejsmicheskogo rajonirovaniya territorii Rossijskoj Federatsii / V.I. Ulomov, L.S. Shumilina // Sejsmostojkoe stroitel'stvo. - 1998. - № 4.
- S. 30-34.
3. Medvedev S.V. Inzhenernaya sejsmologiya / S.V. Medvedev.
- M.: Gosstrojizdat, 1962. - 260 s.
4. Metodika i printsipy provedeniya mikrosejsmorajonirovaniya (SMR) [Elektronniy resurs] // Portal edinoj informatsionnoj sistemy (EIS) «Sejsmobezopasnost' Rossii». - Rezhim dostupa: http://seismorus.ru/sites/default/files/articles/Met_smr.doc. (data obrashheniya: 17.01.2017).
5. Kurbatskij E.N. Spektry maksimal'nyh reaktsij (otklikov) konstruktsij na sejsmicheskie vozdejstviya / E.N. Kurbatskij // Stroitel'naya mehanika i raschet sooruzhenij». - 2009.
6. Kurbatskij E.N. K voprosu o pereschete ball'nosti v uskoreniya / E.N. Kurbatskij, A.P. Kosaurov // Inzhenernye izyskaniya v stroitel'stve. - 2016. - №14. - S. 50-60.
7. Shestoperov V.G. Sejsmicheskoe mikrorajonirovanie uchastkov stroitel'stva mosta: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk.
- M, 2006. - 23 c.
8. Shestoperov G.S. MDS 22-1.2004. Metodicheskie rekomendatsii po sejsmicheskomu mikrorajonirovaniyu uchastkov stroitel'stva transportnyh sooruzhenij / G.S. Shestoperov, V.G. Shestoperov. - M.: FGUPTSPP, 2005. - 48 s.
