CC BY
20ц м
■I
УДК 699.841
С.Б. СМИРНОВ, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет
СНиП-11-7—81* «Строительство в сейсмических районах» как документ, опровергающий официальную колебательную доктрину сейсмического разрушения зданий
Доказано, что ошибочность официальной колебательной сейсмической теории, заложенной в основу СНиП-11-7-81* «Строительство в сейсмических районах», проявляется в абсурдности тех результатов, которые получаются при прочностном расчете по данному СНиПу для кирпичных, каменных, бетонных и железобетонных стен в одноэтажных и двухэтажных зданиях, в двух верхних этажах более высоких зданий, а также при расчете ряда иных конструкций, на которые согласно СНиПу действует относительно низкая сейсмическая нагрузка. Приведены результаты экспериментов, а также ряд общеизвестных фактов и форм сейсмических разрушений в зданиях, противоречащих колебательной теории. Показано, что тотальное использование примитивных маятниковых приборов для измерения параметров разрушительного сейсмического воздействия привело к полному отсутствию информации об этом воздействии и к провалу официальной «антиколебательной» стратегии сейсмозащиты зданий и сооружений.
Ключевые слова: сейсмический, колебания, доктрина, срез, разрушения, маятники, сейсмозащита, волны, импульсы.
Начиная с 1992 г. доказывалась ошибочность официальной колебательной теории сейсмических разрушений зданий [1-5], основанная на анализе многочисленных необычных форм и фактов разрушения зданий при землетрясениях, противоречащих этой доктрине.
Теоретические исследования в 2009 г. были подтверждены экспериментами, проведенными в Киргизском государственном университете строительства, транспорта и архитектуры, где сделана попытка воспроизведения реальных сдвиговых разрушений стен, распространенных при землетрясениях, путем испытания моделей одноэтажного глинобитного здания на виброплатформе, моделирующей 9- и даже 10-балльное землетрясение. В результате испытаний получены изгибные схемы разрушения стен в виде их излома из плоскости при ускорениях, которые на порядок превосходили реальные разрушающие сейсмические ускорения, равные 0,15 д. Реального сдвигового разрушения стен добиться не удалось.
Однако наиболее сильным аргументом против колебательной сейсмической теории являются прежние и современные редакции СНиП «Строительство в сейсмических районах», построенные на ее основе.
Согласно общепринятой официальной доктрине здания при землетрясениях разрушаются только от действия тех низкочастотных сейсмических колебаний грунта (с малыми скоростями менее 1 м/с), которые фиксируются маятниковыми сейсмическими приборами. Из этой теории и из СНиПов следует, что величина сейсмической нагрузки, действующей на несущие элементы зданий, пропорциональна приложенной к ним массе, умноженной на сейсмическое ускорение колебаний грунта.
Если колебательная теория неверна, то все основанные на ней СНиПы должны давать абсурдные результаты при расчете конструкций, к которым приложена относительно небольшая масса здания. Именно такие результаты всегда получаются при расчете кирпичных, каменных, крупноблочных, монолитных и сборных железобетонных стен в одноэтажных и двухэтажных зданиях, а также стен в двух верхних этажах более высоких зданий. Такие же абсурдные результаты получаются для ряда других слабонагруженных конструкций и элементов зданий.
Продемонстрируем это на простом, но наглядном примере. Произведем расчет одноэтажного, жилого шести-квартирного кирпичного здания по СНиП 11-7-81* «Строительство в сейсмических районах». Считаем, что расчетная масса здания сосредоточена в уровне диска совмещенной кровли, вес которой вместе со снегом составляет нагрузку д = 50 Па, подсчитанную с учетом понижающих коэффициентов сочетаний пс.
Несущие конструкции здания отвечают требованиям СНиП 11-7-81*. Покрытие является жестким диском, образованным сборными железобетонными плитами, которые за-моноличены железобетонными монолитными обвязками. Длина здания 24 м; ширина 12 м. Несущими являются 3 продольные стены, образующие 2 пролета по 6 м. Поперечные стены образуют 3 пролета по 8 м. Высота стен Н = 2,5 м; толщина А = 0,5 м. Суммарная площадь проемов в наружных продольных стенах составляет 1/3 от их площади. Поперечные стены, а также внутренняя продольная стена не имеют проемов.
Найдем сейсмическую нагрузку и сдвиговые напряжения в любой из 4 поперечных стен, считая, что жесткий диск
Ш4 м
I
покрытия распределяет всю горизонтальную сейсмическую нагрузку поровну между 4 поперечными стенами.
Пренебрегаем в запас прочности поперечной жесткостью продольных стен.
Общий вес массы диска покрытия Оп = 1440 кН. Длина всех сплошных стен ¿с = 72 м. Их площадь Рс = 180 м2. Площадь 2 наружных стен с учетом проемов Рп = 80 м2. Суммарный вес массы стен, примыкающих к покрытию, равен Ос= 910 кН.
Находим горизонтальную сейсмическую нагрузку, действующую на поперечные стены здания. Согласно СНиП 11-7-81*:
8:к = К1 • Ок • А • в • К • п к,
(1)
где Ок = Оп + Ос = 235 кН; коэффициент К1 = 0,35; тогда коэффициент сейсмичности А = 0,4 (считаем, что здание стоит на грунте II категории и расположено в зоне с расчетной сейсмичностью 9 баллов). Для определения величины коэффициента динамичности в, надо найти период поперечных колебаний здания Т: = 2п/ю, где частота
ю = ; масса т = Ок/д; г1 - возвратная реакция от сдвига диска покрытия на единицу в поперечном направле-
FG „
нии. Для глухих низких сдвигаемых стен г1 = . Сум-
1,2Н
марная площадь сечения 4 поперечных стен Р = 24 м2. Модуль сдвига в для кирпичной кладки равен 1/4Е0. Модуль сжатия кладки Е0 принят равным 28 МПа и в = 7 МПа. Тогда:
г1 = 56 МПа; т = 2400 Пас2.
Найдем частоту ю = у— = 153 1/с.
Период Т =
2п 6,28 = 153
с = 0,041 с.
Коэффициент в, = 1 + 15 Т, = 1,61. Согласно табл. 6 СНиП 11-7-81* Кф = 1. Для задания с 1-й массой пк = 1.
Согласно (1) сила Зкк = 530 кН. Срезающее напряжение т в горизонтальном сечении поперечных стен от силы 3:к, действующей на их площадь: т = Зкк/Р = 22 кПа.
Вертикальная сейсмическая нагрузка любого направления в сочетании с воздействием собственного веса одноэтажного здания не сможет снизить прочность на срез Иср для горизонтальных швов кирпичной кладки и потому не учитывается в расчете.
Согласно п. 3.39 СНиП наименьшее допустимое значение временного сопротивления осевому растяжению по не-перевязанным швам для кладки I категории Ивр = 180 кПа. Согласно п. 3.40 СНиП 11-7-81* расчетное сопротивление срезу кладки по неперевязанным швам по формуле (10) как Яср = 0,7ЯрВ = 126 кПа.
Сопоставляя это расчетное сопротивление Яср с расчетным срезающим напряжением т = 22 кПа, получаем, что не-армированная кирпичная стена, рассчитанная на 9-балльную сейсмическую нагрузку, отвечающую сейсмическому ускорению а1 = 0,4 д, сохраняет почти 6-кратный запас прочности на срез. Т. е. для сдвигового разрушения стены
потребовалось бы ускорение а2 = 2,4 д, которое в 12 раз превышает то реальное ускорение а3 = 0,2 д, при котором всегда срезаются неармированные кирпичные стены во время землетрясений согласно всем отчетам о последствиях землетрясений [6-8].
Примерно тот же абсурдный запас прочности получается при расчете продольных стен здания на срез от сейсмической нагрузки.
Аналогичные по смыслу парадоксальные результаты получаются для любых стен в одноэтажных и двухэтажных зданиях, для стен в двух верхних этажах более высоких зданий, выполненных из обычной или армированной кладки, крупных блоков, сборного и монолитного железобетона, а также для одноэтажных каркасных зданий с мощными наружными стенами. Тот же результат получается для ряда других слабонагруженных конструкций, таких как парапеты; печи и печные трубы, отдельные низкие стены; перегородки, не связанные с перекрытиями, и т. д.
Приведем еще несколько типовых и общеизвестных случаев и форм сейсмических разрушений зданий, противоречащих официальной колебательной теории:
- в реальности при землетрясениях стены почти никогда не разрушаются путем изгиба из плоскости. Однако при горизонтальных колебательных сейсмических нагрузках в них должны преобладать именно такие изгибные разрушения с образованием схем излома, типичных для изгибаемых плит. Именно такие изгибные разрушения были получены в экспериментах, проведенных в Киргизской Республике при колебаниях моделей зданий на виброплатформе;
- согласно СНиП 11-7-81* с ростом этажности должна резко возрастать разрушаемость кирпичных зданий, что очень часто опровергается в отчетах о сейсмических разрушениях [6-8];
- согласно СНиП 11-7-81* в любых зданиях не должны разрушаться верхние этажи без разрушения нижних, а также не должны срезаться колонны каркаса при наличии неразрушенных жестких стен. Однако множество примеров реальных разрушений опровергает эти постулаты [8];
- согласно СНиП 11-7-81* в каркасных зданиях и зданиях с гибким первым этажом железобетонные колонны должны изламываться возле своих защемленных концов при действии горизонтальных сейсмических нагрузок от дисков перекрытий. Однако в реальности вместо изломов в колоннах всегда возникает аномальный срез по наклонному сечению, который не могут вызвать низкочастотные колебания грунта и зданий.
Множество противоречий между идеологией, заложенной в основу сейсмических СНиП 11-7-81*, и фактами реальных сейсмических разрушений впервые было обнаружено в [8], где сформулированы вопросы к авторам колебательной теории, на которые не удалось найти ответ. На поставленные вопросы автор попытался ответить [1-5].
В оправдание всех противоречий и парадоксов, которые содержит в себе колебательная сейсмическая теория, ее идеологи справедливо ссылаются на ее всеобщность. Т. е. российских инженеров должно полностью успокоить то обстоятельство, что точно такой же абсурд получают инженеры из США, Канады, Италии и у них тоже регулярно разрушаются сейсмостойкие здания при «неопасном» уровне сейсмических нагрузок.
Тем, кто страдает от разрушения сейсмостойких зданий, рассчитанных по официальным нормативным доку-
10
4'2010
ц н
■I
ментам, зарубежные инженеры всегда объясняли эти факты только браком, допущенным строителями [8].
Самое массовое и вопиющее шельмование инженеров-строителей произошло после Спитакского землетрясения в Армении, где они были несправедливо обвинены в тотальных кражах цемента в связи с хрупким разрушением железобетонных конструкций. При этом сотрудник ННИЖБ Ю.С. Волков с коллегами провели исследования разрушенных железобетонных конструкций в Спитаке и Ленинакане и показали, что содержание цемента в конструкциях полностью соответствовало требованиям нормативных документов. Однако это опровержение прошло незамеченным.
Следует особо подчеркнуть, что согласно всесторонним исследованиям этой важной проблемы [3-5] резкое снижение начальной прочности бетона, раствора и каменной кладки, а также их охрупчивание, отмеченное после землетрясений [8], производит само сейсмическое воздействие.
Обвинения против строителей впервые не прозвучали лишь после катастрофы в г. Кобе (Япония), где качество строительства было безупречно и где японские специалисты впервые заявили о необходимости полного пересмотра официальной стратегии сейсмозащиты. Там впервые было констатировано и официально признано, что именно землетрясение делает хрупким до этого прочный раствор и бетон и что оно хрупко разрушает пластичные сварные швы в стальном каркасе.
Учитывая негативные результаты практического применения строительных норм и правил, авторы этих документов попытались исправить ситуацию, повысив расчетные ускорения грунта сразу в 4 раза. В СНиП 11А-12-62 для зон сейсмичности 7, 8, 9 баллов расчетные ускорения грунта, равны 0,025 д; 0,05 д; 0,1 д соответственно. А в СНиП 11-7-81 те же самые ускорения вчетверо увеличены до 0,1 д; 0,2 д; 0,4 д соответственно. Однако это волевое решение ничуть не исправило катастрофическую ситуацию в сфере сейсмозащиты.
Попробуем ответить на ключевой вопрос о том, почему же именно низкочастотные колебания грунта (и только они) оказались в центре внимания специалистов по сейсмоза-щите и были назначены главной и единственной причиной всех сейсмических разрушений зданий. На наш взгляд, это произошло из-за тотального применения в инженерной сейсмометрии лишь одного узкоспецифического типа приборов в виде маятников.
Начиная с конца XIX в. и поныне маятники успешно используются сейсмологами как наиболее простое и удобное устройство для фиксации момента прихода сейсмических волн [8].
Однако их применение в качестве приборов, измеряющих разрушительные ускорения, скорости и перемещения поверхностного грунта, является неверным.
Маятники предельно просты, удобны в эксплуатации и дешевы. Никого не смущает тот факт, что маятники могут адекватно отображать только один тип сейсмических движений грунта в виде гармонических колебаний, которые в результате были автоматически назначены главной причиной всех сейсмических разрушений [8, 9].
Каково же истинное разрушающее сейсмическое воздействие, которое может вызвать все описанные выше необычные факты и формы сейсмических разрушений?
По версии автора [1-5] разрушающим сейсмическим воздействием являются волны сдвига, несущие импульсные скорости более 2 м/с. Именно они вызывают аномальный срез стен и колон в зданиях, и именно их не замечают приборы-маятники. Сдвиговые волны сдвигают поверхностную толщу грунта, которая затем начинает совершать возвратные колебания, фиксируемые маятниковыми акселерометрами. Эти колебания лишь продлевают колебания зданий, вызванные волновым сдвигом грунта, но они не могут быть главной причиной сейсмических разрушений. Они смогут лишь несколько усугубить эти разрушения, если напряжения от колебаний будут накладываться на волновые напряжения.
Все действующие сейсмические нормативные документы существенно занижают реальные сейсмические напряжения в стенах и колоннах сооружений для принятых уровней расчетной сейсмичности. Приведенные аргументы необходимо учесть при возведении объектов к XXII зимним Олимпийским играм в 2014 г. в особо сейсмо-опасной зоне.
^исок литературы
1. Смирнов С.Б. Ударно-волновая концепция сейсмического разрушения сооружений // Энергетическое строительство. 1992. № 9. С. 70-72.
2. S. Smirnov Discordances between seismic destruction and present calculation // International civil Defence Journal. 1994. № 1. Р. 6-7, 28-29, 46-47.
3. 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.
4. Смирнов С.Б. Сейсмический срез зданий - результат отдачи толщи грунта, сдвигаемой глубинными сейсмическими волнами // Жилищное строительство. 2009. № 9. С. 32-35.
5. Смирнов С.Б. Поверхностная толща грунта как усилитель разрушительного эффекта сейсмических волн и генератор сдвиговых колебаний // Жилищное строительство. 2009. № 12. С. 33-35.
6. Штейнбругге К., Морган Д. Инженерный анализ последствий землетрясений 1952 года в Южной Калифорнии. М.: Гостройиздат. 1957. 274 с.
7. Карпатское землетрясение 1986 г. / Под ред. А.В. Дру-мя, Н.В. Шаболина, Н.Н. Складнева, С.С. Графова, В.И. Ойзермана. Кишинев: Штиинца, 1990. 334 с.
8. Поляков С.В. Последствия сильных землетрясений. М.: Стройиздат, 1978. 311 с.
9. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М.: Стройиздат, 1979. 320 с.
Подписка на электронную версию
Актуальная информация для всех работников щпптйЛИ^ строительного комплекса 11"ЦД11УЬ1ЛрЦ
http://ejournal.rifsm.ru/
