Исследование механизмов разрушений зданий при землетрясениях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование механизмов разрушений зданий при землетрясениях

Смирнов С.Б.,

Ордобаев Б.С.,

Абдыкеева Ш.С.,

Бейсембин К.Р.

Еще в 1992 г., изучив многие отчеты о землетрясениях, мы обнаружили, что при всех достаточно сильных землетрясениях регулярно происходят, так называемые, неоправданные разрушения сейсмостойких зданий, рассчитанных на более высокий уровень сейсмических нагрузок, чем те, при которых они разрушались. Эти неприятные и настораживающие факты всегда объяснялись только лишь низким качеством строительства.

Например, согласно данным из Отчета, воздействию Карпатского землетрясения 86-го года, оцененного в 7-8 баллов, подверглись новые каркасные железобетонные здания и антирезонансные здания с гибким 1-ым этажом, рассчитанные на 8 баллов. Многие из них были разрушены. (Детальная классификация разрушений этих зданий дана в табл.4,6 на стр. 255-263 в Отчете). При этом все такие неожидавшиеся по расчетам разрушения новых зданий объяснены браком строителей, хотя здания строили много разных организаций.

Если судить по максимальным величинам записанных ускорений и перемещений грунта, то придется признать, что интенсивность Карпатского землетрясения 86-го года была ниже 8 баллов, а во многих местах, где также произошли разрушения, она была даже ниже 7 баллов. (Согласно данным на стр. 69-70 максимум ускорений не превышали 0.13 g, а максимумы смещений составляли всего лишь 1.4 см.) Напомним, что по шкале MSK - 64 7-ми балльному землетрясению отвечают ускорения свыше 0.1 g и перемещения свыше 7 см, а 8-ми балльному соответственно свыше 0.2 g и 13 см.

В г. Кобе вся современная застройка была рассчитана на сейсмическое воздействие с уровнем интенсивности 7 баллов по японской шкале. Этот уровень несколько выше уровня в 9 баллов по шкале MSK - 64, которому отвечают максимумы ускорений в интервале (0.4 g ; 0.8 g), максимумы скоростей от 0.5 м/сек и максимумы смещений от 19 см до 27 см.

В г. Кобе максимум ускорений составил 0.827 g, максимум скорости 1.29 м/сек и максимум перемещения 32.5 см.

В Отчете (см. стр. 82-87) дано детальное обоснование того факта, что реальные сейсмические нагрузки на здания в г. Кобе не превысили расчетный уровень. Кроме того, там же приведен детальный прочностной расчет срезанных землетрясением железобетонных колонн в 8-ми этажном каркасном здании в квартале Хигашинада, построенном в 1986 г. В результате этого расчета показано, что колонны не должны были разрушиться (см. стр. 119-125)

При этом оказалось, что были разрушены или серьезно пострадали 70% железобетонных зданий, 60% сталежелезобетонных зданий и 55% стальных зданий (см. стр.16-17) разрушение сейсмостойкий здание

В Отчете приведено много примеров разрушения новых зданий, произошедших вопреки расчетам и "Кодам" от 71-го и 81-го гг. Однако, там так и не дано ответа на главный вопрос о том, почему же все-таки произошли все эти разрушения. И это вполне естественно, ибо на него нельзя ответить, оставаясь лишь в рамках резонансной модели.

Согласно базовым постулатам строительной механики, а также согласно опыту всей практики строительства, устойчивое и регулярное появление разрушений при нагрузках, которые по расчету неопасны для зданий, возможно лишь в том случае, когда неверна или недостаточна сама исходная информация о внешнем воздействии на здание и создаваемых им нагрузках, заложенных в основу прочностного расчета.

В нашем случае из этого постулата следует, что здания при землетрясениях разрушает не только лишь одно колебательное воздействие грунта, заложенное в СНиП и в прочностные расчеты, но и еще какое-то совсем иное воздействие, о котором пока ничего не известно сейсмологам. Именно это воздействие, само по себе или же в совокупности с колебаниями грунта разрушает здания вопреки строительным нормам и расчетам. Оно же вызывает множество аномальных форм разрушения, о которых мы скажем ниже.

Можно привести еще ряд иных типовых фактов разрушения зданий, которые также говорят о том, что резонансная модель далеко не исчерпывает все стороны сейсмического воздействия на здания.

Перейдем теперь к описанию и анализу различных типов сейсмических разрушений и покажем, что их форма и свойства также противоречат общепринятому представлению о едином и слишком простом резонансно-колебательном механизме разрушения зданий при землетрясениях.

Начнем с самого распространенного и типичного случая сейсмических разрушений, которые наиболее часто встречаются при всех сильных землетрясениях в последние десятилетия. Речь идет о сейсмическом срезе или сдвиге железобетонных колонн в каркасных зданиях и в зданиях с гибким 1-ым этажом.

Из всей практики строительства и постулатов строительной механики известно, что основной формой разрушения любых гибких стержневых элементов (к которым относятся и железобетонные колонны) является их излом от предельного изгиба. При обычных относительно малых скоростях деформирования строительных конструкций Е"1 (которые типичны для сейсмичных колебаний зданий) в колонах в предельной стадии должны возникать пластические шарниры и изломы в тех точках, где действует максимальный изгиб.

При горизонтальных сейсмических колебаниях зданий происходят взаимные смещения в плане жестких и массивных дисков перекрытий, в которых защемлены колонны каркаса. При этом максимальные изгибающие моменты возникают возле защемленных концов колонн и там же должны возникать изгибные пластические шарниры и изломы колонн в стадии предразрушения зданий. Именно так всегда разрушаются модели каркасных зданий при воспроизведении сейсмических колебаний грунта на виброплатформах.

Однако, в реальности при землетрясениях вместо изломов в железобетонных колоннах возникают срезы и сдвиги. Они реализуются в нескольких разных формах, похожих на излом.

В зависимости от силы землетрясения наблюдается несколько стадий сдвига колонн. При 7-ми балльных землетрясениях в зонах сдвига обычно возникают косые магистральные трещины и происходит слабое разрыхление бетона (при этом зоны сдвига могут располагаться на любом участке колонн). При 8-ми балльных землетрясениях в зонах сдвига в окрестностях магистральной трещины возникает интенсивное разрыхление и растрескивание бетона, которое иногда охватывает всю толщину колонны. При 9-ти балльных землетрясениях обычно происходит полное раздробление в зонах сдвига и выпучивание продольной арматуры.

Когда колонны изготовлены из высокопрочного и пластичного бетона и имеют очень интенсивное поперечное армирование (в том числе и винтовое), то макротрещины не возникают, а также чисто пластический сдвиг отдельного участка колонны за счет микрораздробления бетона.

В толстых железобетонных колоннах с относительно низкой вертикальной нагрузкой этот пластический сдвиг может охватить всю колонну целиком. Этот случай типичен для мощных железобетонных опор, несущих эстакад. При 9-ти балльных землетрясениях они пластически сдвигаются по всей высоте, принимая форму параллелограмма, и застывают в деформированном наклонном положении. Такие аномальные сдвиги опор в эстакадах часто возникали в г. Кобе в 1995 г., в Лос-Анджелесе в 1994г. Именно их многие ошибочно принимают за изгибные разрушения из-за появления псевдоизломов в заделках возле концов опор. На самом деле изломы от изгиба отсутствуют, ибо в заделках опор нет горизонтальных трещин, служащих главным атрибутом излома железобетонного элемента.

Надо отметить, что пока еще никому не удалось смоделировать такой пластический сдвиг железобетонной колонны или её участка. Это еще раз подтверждает необычность сейсмического воздействия.

Что же касается возникновения крестовых трещин в простенках, то здесь тоже некоторая аномалия, которая не укладывается в рамки колебательной модели. Дело в том, что сам факт появлении крестовых трещин и угол их наклона должны зависеть от уровня интенсивности землетрясений, т.е. от величины горизонтальной сейсмической силы Q и ее соотношения с вертикальной силой P от собственного веса.

Однако, на практике такие зависимости почему-то отсутствуют. В простенках при 7-ми, 8-ми, 9-ти балльных землетрясениях возникают крестовые трещины примерно с одинаковым углом наклона, близким к 450.

Следующий массовый тип сейсмических разрушений - это расслоение кирпичной кладки в результате разрыва ее швов. Несоответствие с колебательной моделью в этом случае состоит в том, что расслоение кладки происходит даже при слабых 7-ми балльных землетрясениях, когда растягивающие и сдвигающие напряжения в стенах согласно расчетам должны быть на порядок ниже предельного сцепления швов.

Еще одно противоречие здесь состоит в следующем. При горизонтальных сейсмических нагрузках в наружных стенах зданий, удаленных от эпицентра, простенки должны быть напряжены гораздо интенсивнее, чем перемычки и узлы. Поэтому они должны расслаиваться сильнее. Однако, на практике степень расслоения кладки везде примерно одинакова.

Разновидностью подобного явления служит интенсивное разрыхление и даже раздробление бетона, которое тоже часто происходит при сейсмических напряжениях ниже предельных и удивляет равномерность своего распределения.

Аномальное раздробление высокопрочного бетона сразу по всей высоте колонн одного этажа особенно часто возникало в г. Кобе.

Оно приводило к такому феномену, как "схлопывание" этажей, когда колонны всего этажа полностью рассыпалась, их арматура спрессовывалась, а один из этажей здания как бы исчезал. Примеры "схлопывания" этажей даны также на стр. 91и 109, причем там отмечен, что такой аномальный тип разрушения пока не имеет строгого объяснения, также нет объяснения разрушениям только лишь верхних этажей.

В г. Кобе очень часто встречался еще один вид типовых аномальных разрушений, который наблюдался и ранее.

Речь идет о хрупком разрушении высокопрочных сварных швов в стыках элементов стального каркаса. Из-за этого явления процент разрушения таких зданий, считавшихся эталоном сейсмостойкости, оказался необычайно высок и составил 36,3%.

Подведя итоги анализа, изложенного выше материала, мы считаем из всей совокупности приведенных фактов можно с достаточно обоснованностью сделать следующие выводы:

1. При сильных землетрясениях регулярно возникает много таких фактов и явлений, которые не могут быть вызваны только лишь теми низкочастотными сейсмическими колебаниями грунта, которые фиксируется инерционными сейсмическими приборами.

2. Из п.1 прямо следует, что имеется еще одно или несколько иных неизвестных пока сейсмических воздействий и явлений, которые возникают при землетрясениях и вызывают большинство сейсмических разрушений зданий и сооружений.

3. Наконец, из пп.1 и 2 следует, что та информация о разрушительном сейсмическом воздействии, которая заложена во все официальные "Коды", нормы и прочностные расчеты зданий и сооружений явно недостаточна и требует существенного всестороннего расширения и дополнения путем проведения качественно новых исследований, особенно при учете тех крайне аномальных и очень опасных сейсмотектонических "взрывов" и выбросов, которые произошли в Чернобыле и в Сасово.

4. До тех пор, пока эти неизвестные воздействия не будут обнаружены, изучены и заложены в основу нового поколения норм, мы не сможем разработать и внедрить в практику эффективные меры сейсмозащиты и не научимся строить действительно сейсмостойкие здания и сооружения.

Литература

1. "A sure report for building damages due to the 1995 Hyogo-Ken Nanbu earthquake"; Building Research institute; Ministry of Construction (Japan) 1996 March, 222p.

2. Карпатское землетрясение 1986 г., Кишинев, изд. "ШТИИНЦА", 1990 г., 334стр.

3. Железобетонные стены сейсмостойких зданий, Совместное издание СССР-Греция, Москва, Стройиздат, 1988г., 501стр.

4. Soils and Foundations, Special issue of Geotechnical aspects of the January 17 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake, Japanese Geotechnical society, January 1996, 359 p.

5. Штейнбругге К. и Морган Д. "Инженерный анализ последствий землетрясений", 1952 г., в Южной Калифорнии, Москва, ГосИздат, 1957, стр.270.

6. Поляков С.В. "Последствия сильных землетрясений", Москва, Строиздат, 1978г., стр. 312.

7. Proceeding of the nineth European Conference on Earthquake Engineering, Moscow, 1990, 297 p.

Размещено на Allbest.ru