CC BY
44
УДК 69.02
Оценка уязвимости исследуемых территорий, сооружений и проживающего на них населения от возможных природных опасностей
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2020
Г.М. Нигметов, В.А. Акимов, А.А. Егорова, А.С. Маклаков
Аннотация
Выполнен анализ типовой застройки территорий Краснодарского, Ставропольского краев и Кабардино-Балкарской Республики. Оценены уязвимость и сейсмостойкость зданий и сооружений, в том числе плотин. Проведен расчет последствий сильных землетрясений. Выявлена потребность создания технологий по оперативной оценке и мониторингу уязвимости зданий и сооружений. Предложено применение технологии ди-намико-геофизических испытаний для оценки уязвимости территорий, зданий и сооружений.
Ключевые слова: сейсмостойкость; сейсмичность; уязвимость; дефицит сейсмостойкости.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-00-00342.
Possible Natural Hazards Vulnerability Assessment of the Studied Territories, Structures and the Population
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2020
G. Nigmetov, V. Akimov, А. Egorova, А. Maklakov
Abstract
The analysis of typical housing of Krasnodar, Stavropol region and Kabardino-Balkar Republic territories is performed. The vulnerability and seismic resistance of buildings and structures, including dams, was assessed. The consequences of strong earthquakes were calculated. The need to create technologies for rapid assessment and monitoring of buildings and structures vulnerability has been identified. The use of dynamic-geophysical testing technology for assessing the vulnerability of territories, buildings and structures is proposed.
Key words: seismic resistance; seismicity; vulnerability; lack of seismic resistance.
The reported study was funded by RFBR according to the research project № 18-00-00342.
16.01.2020
1. Анализ типовой застройки территорий
Территории Краснодарского, Ставропольского краев и Кабардино-Балкарской Республики представлены различными типами застройки. Используя сейсмическую шкалу МСК-64, можно выделить застройку типов А (из местных материалов), В (каменная и блочная), С (сейсмостойкая С7, С8 и С9). По базе данных о застройке, заложенной в геоинформационную систему по оценке последствий сильных землетрясений « Экстремум», о территориях имеются следующие сведения (см. табл. 1).
Рис. 1. Пример смешанной застройки в г Нальчике
Как видно из табл. 1, в рассмотренных городах в 1999-2000 гг. отсутствует застройка с сейсмостойкостью С8 и С9. Так как на этих территориях велась застройка с учетом современных требований по сейсмостойкости, то база данных ГИС «Экстремум» нуждается в корректировке и ее можно рассматривать для оценочного анализа.
Как видно из табл. 2, во всех рассматриваемых городах произошел прирост населения. С учетом дефицита
сейсмостойкости, старения застройки для значительной части населения городов повысился индивидуальный сейсмический риск.
Для оперативной оценки уязвимости застройки необходимы надежные методы оценки сейсмостойкости сооружений.
2. Оценка уязвимости, сейсмостойкости зданий и сооружений
В СССР здания и сооружения, как правило, строились по типовым проектам и в преобладающем большинстве выполнялись в виде сборных железобетонных конструкций. Сейчас наибольшее распространение получили железобетонные здания монолитного исполнения, поэтому применяемый для сборных железобетонных конструкций методический подход не может быть применен для расчета монолитных конструкций на сейсмическую нагрузку.
Множество случаев катастрофического обрушения зданий, происходящего в последние годы во всех странах независимо от уровня их развития, говорит об острой необходимости применения новейших технологий диагностики и мониторинга зданий и сооружений.
Наиболее существенным недостатком в области диагностики и мониторинга зданий является отсутствие технологий, обеспечивающих интегральную оценку системы «грунт-здание» в трехмерной динамической постановке.
Существующий подход к диагностике основывается в первую очередь на визуальном и прочностном контроле, с отбором проб материала и изучением конструктивного исполнения отдельных конструктивных элементов путем вскрытия узлов, защитных слоев и рытья шурфов для изучения строения фундаментов. Понятно, что, производя локальный контроль, то
Таблица 1
Процент застройки по типам сооружений (по данным 1999-2000 гг., из базы данных ГИС «Экстремум»)
Название Численость Численость А/высота, м В/высота, м С6/высо- С7/высо- С8/высо- С9/высо-
города населения в населения в та, м та, м та, м та, м
1999-2000 гг., наст. время,
тыс. чел. тыс. чел.
Нальчик 233,2 239,3 0,2/3 0,21/6 0,2/15 0,39/3 0 0
Краснодар 647,1 918,145 0,3318/ /5,2 0,4519/14,7 0,136/20,5 0,0803/16 0 0
Сочи 331,2 443,644 0,3318/5,2 0,4519/14,7 0,136/20,5 0,0803/16 0 0
Ставрополь 342,9 437,367 0,31/3,8 0,46/13,28 0,07/21,2 0,16/21 0 0
Таблица 2
Оценка возможного дефицита сейсмостойкости для населения городов
Название Сейсмич- Прирост Процент застройки / дефицит сейсмостойкости С8 С9
города ность, баллов населения в 2019 г. по сравн. с 1999 г. А В С6 С7
Нальчик 8 6519 0,2/2 0,21/2 0,2/2 0,39/1 0 0
Краснодар 7 271045 0,3318/1 0,4519/1 0,136/1 0,0803/0 0 0
Сочи 8 112444 0,3318/2 0,4519/2 0,136/2 0,0803/1 0 0
Ставрополь 7 124467 0,31/1 0,46/1 0,07/1 0,16/0 0 0
есть концентрируясь на частностях, можно не уяснить главного механизма и причины уязвимости объекта к воздействию возможной нагрузоки.
По мнению авторов, идеальной схемой для диагностики уязвимости сооружений является воспроизведение на объекте с реальными грунтовыми условиями воздействия проектируемой нагрузоки, либо долей этой нагрузки с пропорциональным ее увеличением или уменьшением в пределах чувствительности аппаратуры. Схема постановки такого эксперимента приведена на рис. 2.
РЕЗУЛЬТАТОМ ПРОВЕДЕНИЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СИСТЕМЫ «ЗДАНИЕ-ГРУНТ» (В КООРДИНАТАХ X, У, г, ч ПО ДИНАМИЧЕСКИМ, ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ
Рис. 2. Получение динамических параметров системы «грунт-здание» с использованием сейсмоимпульсной машины
На практике важно выделить перечень нагрузок на сооружение с учетом влияния среды и провести правильное планирование эксперимента с точным определением мест расстановки датчиков. Подобные сейсмические нагрузки можно моделировать воздействием на грунтовый массив у здания и воздействием динамической нагрузки непосредственно на здание и его отдельные конструктивные элементы.
Моделирование сейсмической нагрузоки на грунтовый массив возможно:
ударами или сбрасыванием грузов весом от 16 кг и более (проведенные опыты показывают возможность получения информации о реакции здания при воздействии ударами на грунтовый массив);
ударами или возбуждением мягким грузом (в основном производится возбуждение верхних этажей здания);
динамическим возбуждением специальными управляемыми вибраторами.
Самой сложной частью в технологии динамических испытаний является анализ полученных данных для определения уязвимости, сейсмостойкости (устойчивости) сооружения. При анализе динамических параметров сложным является получение нормативных динамических параметров сооружения и критериев оценки категории технического состояния. Для этого можно применять численные пакеты программ.
К сожалению, ни в одной из существующих численных моделей нет возможности учитывать влияние динамики грунтового массива. Наибольшее распространение получили модели типа «СКАД», «ЛИРА» и «АНСИЗ».
Для решения волновой динамической задачи необходимо:
описать закон изменения сейсмической нагрузки от очага до основания объекта;
представить трехмерную поверхность грунтового массива в месте расположения объекта;
учесть его массу, геометрию и свойства среды.
По результатам расчетов получаются динамические и напряженно-деформационные параметры системы «грунт-здание». Результаты расчетов можно использовать для сравнения с натурными данными, полученными из опытов. Причем, используя сейсмо-импульные машины, можно создавать заданные величины сейсмовибрационной нагрузки на нужном удалении от сооружения. Закладывая эти же параметры сейсмовибрационной нагрузки в модель, можно получить расчетные данные, которые затем сравниваются с экспериментальными результатами, и более точно настроить систему мониторинга объектов.
Экспериментальный подход к фиксации параметров воздействия динамической нагрузки на натурные объекты и результаты полученных испытаний дают возможность получить надежные результаты по реакции здания на динамическое воздействие. Расчеты, проведенные Г. М. Нигметовым методом граничных интегральных уравнений в задачах оценки динамических и напряженно-деформационных параметров при воздействии волновой нагрузки на сооружения различной трехмерной геометрии, показывают волновой характер реакции сооружений на воздействие нагрузки.
На основе изучения данных, полученных авторами о закономерностях разрушения различных типов зданий и сооружений, а также закономерностей распространения сейсмических волн в зависимости от рельефа местности, были составлены модели, связывающие параметры очага землетрясения с ускорениями в рассматриваемой точке на поверхности земли в зависимости от грунтовых условий и рельефа местности [1-9].
Для моделирования распространения сейсмической волны от очага землетрясения до рассматриваемой площадки предлагается применять методику, разработанную на основе метода запаздывающих потенциалов Кирхгофа Г. М. Нигметовым. Решение для двумерного случая рассматривается как частный случай для трехмерного случая.
Получены формулы для напряжений и перемещений через продольный Ф и два поперечных у у2 потенциала для прямоугольной системы координат в пространственно-временном измерении.
Г. М. Нигметовым на основе формулы запаздывающих потенциалов Кирхгофа была составлена система интегральных уравнений для трехмерного случая взаимодействия волн с сооружениями в упругом изотропном массиве, без учета влияния дневной поверхности массива.
В системе интегральных уравнений, полученной Г. М. Нигметовым, если предположить поперечный потенциал у2 = 0, то можно прийти к зависимостям следующего вида:
(к, 10 ) = 2 „ (к Д0 )-п- _[[{ Р^д / дп(т, 1)+[ Р~2 (т, 1) + + (сР)-1 д /дt(т,I)]дР /дп}dS1;t = ^ - Р /с1;
д /дп0(к, ^)=п-{{{Р^д2 /дпдп0(т,I)+[Р~2д /дп0(тд) + +(с,Р)-1 д2 / д1дп0 (тД )]дР / дп} dS1;t = ^ - Р / с,;
дФдsm ) = Ц^'дФ / дnдs01(m,t)+\_ ВТ2дФ / дs01(m, /) + + у1 д2Ф /дtдs01 (т^)] дR /дп} dS1;t = t0 -R /с1;
д^1дп0 (к, /0 ) = п- Л(К~1д 2у1 / дпдп0 (т, / ) + ^К~2д^.| / дп0 (т, /) + + (^К)-1 д/ д/дп0 (т, /)] дК / дп} ^; / = /0 - К / с2;
д^дп^. (к, 10 ) = п- Д^д / дпдз01 (т, I ) + / 5з01 (т, I) +
+ (с, R)-1 д2^ / Э1Эб01 (т, I)] дR / дп} ; I = 10 - R / с2,
Эти частные уравнения дают решение задач дифракции в двумерной постановке.
Предложена численная схема реализации системы интегральных уравнений, в которой поверхность разбивается на отдельные элементы. В центрах этих элементов искомые величины принимаются постоянными в определенные фиксированные промежутки времени, и искомые функции потенциалов получаются в процессе суммирования величин в период времени с запаздыванием.
Установлено, что прямой метод запаздывающих потенциалов Кирхгофа позволяет численно выполнить решение задач дифракции нестационарных волн на поверхностях произвольной геометрии и получить поле напряжений и перемещений в окрестности полости.
Экспериментальные исследования на пневмо-динамической установке ПДУ — 100 подтвердили работоспособность предлагаемой методики оценки напряженно-деформируемого состояния объектов сложной трехмерной геометрии, находящихся в сплошной изотропной упругой среде.
Применение указанного подхода дает возможность получить надежные критерии оценки уязвимости сооружений различного конструктивного исполнения и различной геометрии в зависимости от параметров динамической нагрузкии грунтовых условий.
Одной из сложнейших задач при проведении динамических испытаний является выделение частоты собственных колебаний конструктивной системы. Качество решения поставленной задачи зависит от:
правильности проведенного эксперимента: расстановки датчиков, их закрепления к поверхности конструкций;
места, мощности и характера воздействия динамической нагрузки;
программно-методического аппарата по анализу полученных виброколебаний.
Труднорешаемой задачей является получение частоты собственных колебаний конструкций по фоновому воздействию. Анализ полученных спектров колебаний различных зданий при динамическом и фоновом воздействиях показывает возможность четкого выделения частоты собственных колебаний как при импульсном воздействии, так и из фоновых колебаний, особенно для верхних этажей строительных объектов.
Таким образом, для решения задач диагностики и мониторинга уязвимости сооружений и оценки индивидуального риска предлагается интегральный экспериментально-расчетный подход. При этом для оценки состояния здания (сооружения) предлагается использовать динамические параметры, полученные путем испытаний и расчетов.
3. Оценка уязвимости плотин
Разрушение гидротехнических сооружений при наводнении, землетрясении и других опасных природных явлениях может привести к формированию волны прорыва и катастрофическим последствиям, связанным с гидродинамическим воздействием на здания и сооружения. Поэтому задача оценки уязвимости гидротехнических сооружений имеет наиболее актуальное значение.
Для оценки уязвимости плотин и мостовых переходов, находящихся в их теле, предлагается применять метод динамических испытаний в сочетании с геофизическими методами. Оценка уязвимости выполняется на основе анализа комплексных диагностических параметров. Для своевременного прогнозирования возможного наступления предельных стадий по уязвимости и сейсмостойкости предлагается система мониторинга жесткости и деформаций. Опыт применения предлагаемой технологии на Саяно-Шушенской ГЭС, плотинах г. Екатеринбурга, Подмосковья и Армении показал ее эффективность.
Пример снятия динамических параметров грунтовой плотины приведен на рис. 3, 4.
—
л- 4 ч/ \ /Ч
р/ м ЛА Л_
Рис. 3. Собственные колебания тела плотины по оси Х
С помощью мобильного диагностического комплекса «Струна» были выполнены динамические испытания грунтового тела плотины и получены динамические параметры сооружения. Известно, что
плотины можно применять метод динамических испытаний в сочетании с геофизическими методами.
4. Расчет последствий сильных землетрясений
Рис. 4. Ускорения тела плотины и моста по оси Х при проезде транспорта
частота собственных колебаний конструктивной системы связана с ее жесткостью Е/. Поэтому результаты динамических испытаний по увеличению квадрата частоты собственных колебаний/2 сооружения дают величину снижения интегральной жесткости сооружения.
Для определения нормативного значения периода собственных колебаний грунтового тела плотины применялась следующая зависимость:
X, = 0,84 *
38,5 38,5 - 32,4
В
В - Вп
-* 6,0 *
-* н *
Y
Q* G
* 0,84 *
1,91 *104
'6,3 * 0,12 *109
= 0,1s,
где:
В, В0 — ширина плотины в основании и сверху, м;
Н — высота плотины, м;
у — удельный вес грунта в теле плотины;
О — величина, характеризующая сечение тела плотины;
G — модуль сдвига грунта тела плотины.
Выполненные расчеты по определению нормативного значения периода собственных колебаний показывают, что период собственных колебаний тела плотины должен составлять 0,16 с.
По результатам динамических испытаний сооружения установлено, что минимальные и максимальные значения периодов собственных колебаний сооружения имеют значения:
1) по оси X: Тхх = 0,185 с;
2) по оси У: Ту = 0,182 с;
3) по оси г: Т^ = 0,083 с.
Результаты сравнения периодов собственных колебаний по осям X, У и 2 показывают, что снижение жесткости по осям X и У составляет около 16%, по оси 2 снижения жесткости не обнаружено.
Также по осям X и У зафиксированы ускорения, превышающие ускорения по оси 2 в 2 раза.
Из рассмотренного примера видно, что для оценки степени повреждения и уязвимости тела грунтовой
Применение методики расчета последствий сильных землетрясений необходимо до возможного землетрясения, при землетрясении и после него.
Как правило, перед землетрясением с магнитудой более 5 баллов происходит серия форшоков, которые своим воздействием на систему «грунт-здание» их частично ослабляют. Перед сильным землетрясением следует иметь прогнозные данные о мощности, глубине, координатах и времени реализации возможного очага землетрясения. Исходными данными для моделирования сейсмического воздействия на систему «грунт-здание» являются:
1) данные о гипоцентре возможного очага землетрясения;
2) данные о горно-геологических и тектонических условиях от очага до основания здания;
3) данные об уязвимости системы «грунт-здание»;
4) данные о количестве и местах нахождения людей.
На этой стадии возможны выполнение расчетов по оценке последствий, разработка мероприятий по снижению возможных рисков.
При самом землетрясении необходимо своевременно рассчитать возможные последствия и принять решение на проведение спасательных работ; понятно, что эффективность спасательных работ зависит от точности и своевременности расчетов.
На стадии афтершоков после срабатывания основного толчка важно как можно точнее получить данные расчетным или экспериментальным путем об истинном состоянии системы «грунт-здание» для внесения поправок в исходные данные и получения более точных данных по уязвимости объектов от воздействия основного и повторных катастрофических сейсмических толчков.
Законы разрушения зданий учитывают зависимость между вероятностью повреждения зданий и интенсивностью воздействия землетрясения в баллах. Ее можно получить на основе изучения реальных данных по разрушению зданий при сейсмическом воздействии. Для определения вероятности наступления не менее той или иной степени повреждения зданий используется нормальный закон. Рассматривается пять степеней повреждения зданий, т.е. после землетрясения здание может быть в одном из пяти состояний.
В соответствии с проектом шкалы ММБК-86 пять степеней повреждения включают в себя:
d = 1 — легкие изменения;
d = 2 — умеренные;
d = 3 — тяжелые;
d = 4 — частичное разрушение несущих конструкций;
d = 5 — обвалы.
Для определения вероятности наступления той или иной степени повреждения учитывается теорема о полной группе событий:
I Р»(1 )= 1-
1=0
После сейсмического события здание может получить одно из шести повреждений:
оказаться неповрежденным (событие В0);
получить 1, 2, 3, 4 или 5-ю степень повреждения
В ^ ВУ ^ В)
Опыт эксплуатации геоинформационной системы (ГИС) «Экстремум», в которой используется вероятностная модель, показал, что расчеты, выполненные с помощью ГИС, дают близкие к реальным результаты. То есть для больших территорий применение вероятностных моделей, где населенные пункты представляются в виде точечных объектов, оправданно. Однако при подсчете для отдельного населенного пункта или для отдельного здания происходит накопление ошибок от неточного поля ускорений, неучета геологических и тектонических особенностей грунтового массива и геометрии, детальных сведений о уязвимости зданий. Это может привести к значительному накоплению ошибок и неточным результатам.
Выводы
1. Большинство зданий и сооружений на территориях Краснодарского, Ставропольского краев и Кабардино-Балкарии построено по нормам, принятым еще в советское время, и если исключить износ (что маловероятно), обладает дефицитом сейсмостойкости 1-2 балла.
2. Так как значительная часть населения территорий находится преимущественно в условиях возможного воздействия геологических, водных и пожарных опасных природных явлений, требуется создание технологий по оперативной оценке и мониторингу уязвимости зданий и сооружений.
3. Предложено для оперативной оценки уязвимости территорий, зданий и сооружений применение технологии динамико-геофизических испытаний.
Благодарность
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проектов КОМФИ 18-00-00342).
Литература:
1. Кириков Б. А. Древнейшие и новейшие сейсмостойкие конструкции. М.: Наука, 1990.
2. Кириков Б. А. Избранные страницы истории сейсмостойкого строительства. М.: Мир, 1993.
3. Grube Gert-Rainer, Kutschmar Ariber. Bauformen von Romanik bis zur Gegenwart. Ein Bildhandbuch. 4. Bearbeitete Auflage. HUSS-MEDIEN GmbH. Verlag Bauwesen. 10400 Berlin.
4. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Изд. 5-е. М.: Либроком, 2010. 274 с.
5. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985. 472 с.
6. Акатьев В. А., Нигметов Г. М., Нигметов Т. Г. Влияние степени армирования железобетонной балки на ее амплитудно-частотную характеристику // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 3.
7. Нигметов Г. М., Рыбаков А. В., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Современные подходы к оценке опасности обрушения сооружений // Технологии гражданской безопасности. 2018. Т.15. № 2(56).
8. Напетваридзе Ш.Г., Кириков Б.А., Чачава Т.Н. и др. Вероятностные оценки сейсмических нагрузок на сооружения. М.: Наука, 1987.
9. Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений. М.: ВНИИ ГОЧС, 2003.
Сведения об авторах
Нигметов Геннадий Максимович: к. т. н, доц., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), в. н. с. науч.-исслед. центра. 121352, Москва, Давыдковская ул., 7. е-mail: tagirmaks@mail.ru SPIN-код — 8578-2278.
Акимов Валерий Александрович: д. т. н., проф., засл. деятель науки РФ, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), гл. н. с. 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-mail: akimov@vniigoch.ru SPIN-код — 8120-3446.
Егорова Александра Алексеевна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), н. с.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-mail: camula91@mail.ru SPIN-код — 2171-9208.
Маклаков Александр Сергеевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС
(ФЦ), с. н. с. науч.-исслед. центра.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
е-mail: alexm00@rambler.ru
SPIN-код — 3626-2084.
Information about authors_
Nigmetov, Gennady M.: Cand.Sci. (Engineering), Associate Professor, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Leading Researcher of Research Center. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. E-mail:tagirmaks@mail.ru SPIN-scientific — 8578-2278.
Akimov Valery A.: ScD (Technical Sc.), Professor, Honored Scientist of the Russian Federation, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Chief Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: akimov@vniigoch.ru SPIN-scientific — 8120-3446.
Egorova Alexandra A.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. е-mail: camula91@mail.ru SPIN-scientific — 2171-9208.
Maklakov Alexander S.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Senior Researcher of the Research Center.
7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. е-mail: alexm00@rambler.ru SPIN-scientific — 3626-2084.
