Модель землетрясений как излучение сейсмических волн - трещиной - диполем

Размещено на http://allbest.ru

Модель землетрясений как излучение сейсмических волн - трещиной - диполем

Цвигун С.В., Койнов Р.С., Цвигун А.С.

Аннотация

В статье анализируются современные методы снижения риска разрушения зданий при землетрясениях через управление амплитудой колебаний. Исследуются баллистические эффекты на структурную целостность, значение изоляторов в рассеивании энергии сейсмических ударов и методы минимизации сейсморезонанса. Статья включает разработку новых подходов к лабораторным тестам на изоляторах, с применением газовой детонации, и моделирование трехмерных деформаций для улучшения стратегического планирования строительства.

Ключевые слова: сейсмическая защита, амплитуда колебаний, структурная устойчивость, изоляторы, сейсмический резонанс, осциллограмма, газовая детонация, полиуретановые изоляторы, стратегическое строительство, моделирование трехмерных смещений, усталостные свойства материалов, волны Лява и Релея, здания высокой этажности, расчёт трещин, прогнозирование векторов распространения энергии, сейсмическая инженерия, строительные нормы.

Сокращения

1. ЗТ - землетрясение

2. УТ - усталостная трещина

3. ДТ - динамическая трещина

4. RW - волны Рэлея

5. L V - волны Лява

6. BT - вершина трещины

7. ВУТ - вершина усталостной трещины

Сегодня ученые используют тысячи сенсоров ускорения и GPS по всему миру, регистрируют волны, анализируют ЗТ и взрывы (у первых сильно отличаются амплитуды продольной и поперечной волн, а у взрывов они почти одинаковы), но нет объединяющей теории, модели ЗТ.

По нашему мнению, сильные ЗТ бывают там, где есть высокопрочные породы (которые при больших нагрузках не превращаются, как мрамор в песок), способные накопить, как механический конденсатор, упругую гиперэнергию от сжатия на десятках квадратных километрах, и излучают при разрушении стопора направленный импульс быстрее 2 км/с, который бьет радиально почти вдоль горизонта на сотни километров.

Фокус ЗТ излучает волны, которые перемещаются сначала одним пакетом, а через 10-20 км начинается их разделение по скоростям, самые разрушительные (они несут до 70% энергии волн, а перед этим ещё 90% энергии ЗТ остается на месте в виде тепла от процессов деформации) волны Лява и Рэлея начинают отставать.

Механизм нашей деформационно-блоковой модели ЗТ простой. Например, плита слева двигается на Новосибирск со скоростью 5 мм/год. В Акташе (республика Алтай) есть базальт и гранит толщиной 2 км и длиной 200 км.

Плита напрягает его (рис 1), есть линии 3D сдвигов, а потом 3D трещин (1) и (2), впереди плиты и в самом инденторе. Вода, вибрации облегчают процессы деформации при ЗТ (как и взрывы углеводородов) и эти сдвиги превращают твердые породы в рассеченный трещинами материал. Силы трения падают в десятки раз, поэтому усилия по линиям скольжения (плоскостям сдвига) передаются на километры.

В Акташе разрушается стопор - затвор плотины упругой энергии. Сначала разряжается механический конденсатор по главному руслу максимального давления, с переходом через точку равновесия, следует упругий возврат, а потом действуют и боковые ветви - происходят афтершоки. Почти все полосы деформационных сдвигов, образованные при подготовке ЗТ ступенчатые, и чем ближе к оси главного удара, и чем ступени ниже, тем крупнее. По фотографиям из космоса можно определить места откуда и куда направлено максимальное давление.

Рисунок 1. Схематическая иллюстрация деформационно-блоковой модели ЗТ. Сила P создаёт контактное давление на другую плиту и вызывает клиновые линии сдвигов (нереверсивных) 1,2; на поверхности 2 - это образования рифтовых трещин. Каждое пересечение линии сдвигов - это потенциальные места для образования пор и трещин.

При мощных ЗТ разрушительные поверхностные RW и LW проходят расстояния в сотни километров, по пути возможны алгебраические сложения амплитуд одной и той же волны. (Например: глина, уголь работают как линии задержки сигнала), поэтому там, где это явление бывает - может быть усиление волн. Одно мощное ЗТ обычно содержит пакет менее 20 колебаний, но они если применить правило радиоантенн, имеют одинаковые размеры излучателя 3D трещины - диполя (его размеры десятки метров).

Для сравнения RW (в лаборатории) (рис.2) имеют длительность одного импульса 20-50 мксек, а трещина - диполь- длиной 3 мм.

Рисунок 2. Излучение поверхностных волн при разрушении (неполном)

(а) растяжением; (б) - двухполярные волны сжатия и растяжения при ударе шара о полуплоскость.

Длина импульса является функцией длины контактной площадки.

Возможно, по длине первого импульса сжатия мы сможем измерять размеры той трещины, которая генерировала этот импульс.

Допустим явление камуфлетного ядерного взрыва на глубине 300м. Радиально, прямо вдоль поверхности Земли уйдут 4 пачки волн, со скоростью быстрее 3 км/с:

а) волна сжатия;

б) поперечная волна (смещает грунт влево-вправо);

в) RW и LW - рэлеевская и волна Лява (они на глубине нескольких метров почти незаметны?) считаются поверхностными волнами, именно они дробят, ломают бетон, стойки, колонны домов и т.д.

Волны типа (а) перемещаются в 1,7 раза быстрее, чем волны типа (б) и по этому факту вычисляют фокус землетрясения.

Обычно при землетрясениях колебания (а), (б), (в) длятся всего 17 секунд и видно по записям импульсов их всего 10-20 (Землетрясение в Кобе, Япония 17.01.1995г.).

Вводим произвольно треугольный импульс, а волны будем учитывать только высотой более 25% от максимума амплитуды (рис. 3).

Рисунок 3. Смещение поля, 1 эт, Кобе.

Датчик пишет продольные колебания пола в здании.

Сначала приходит импульс сжатия 0-1 (на осциллограмме он высотой 6 мм), потом растяжения 2, потом снова сжатие 3 и т.д. Раскачивание здания идет по нарастающей: 1-2 это сигнал высотой 10 мм, 2-3 размах сигнала 16 мм (это максимум силы), 3-4...это 14 мм, 4-5 ...это 5 мм.

По амплитуде колебаний видно, что самые разрушительные импульсы 1 - 2, 2-3, 3-4, которые должны быть погашены изоляторами ЗТ в 2-5 раз, т.е. если мы это не сделаем, то здания начнут «танцевать» (раскачиваться) и разрушатся, т.к. частоты 0,1-12 Гц близки резонансным частотам здания, которое способно за 17 секунд опасно раскачаться.

Такой новый наш подход экспериментально возможно решит проблема полиуретановых изоляторов для зданий и такое исследование на лабораторном стенде даст новые результаты. Такая идея подсчета и регистрации ускорения, смещения, силы, направления, размаха амплитуд приведет к учету малоцикловой усталости бетона, который на изгиб и растяжение хрупок и недостаточно прочен.

Нужен анализ сепарации и учета волн отдельно или заменять каким-то усредненным импульсом, у которого передний фронт импульса, его размах, амплитуда и длительность растягивающего импульса играют первую роль? Работы по изоляторам от землетрясений и усталостным свойствам строительных материалов и конструкций быстрее выполнить на стендах с силовым элементом на принципе газовой детонации (скорости нагрузки до 3 км/с). строительство землетрясение сейсмический

В интернете есть записи с осциллографов мощных ЗТ [3,4]. Надо признать, что они имеют недостаточное разрешение импульсов по горизонтали. По этой пачке первых колебаний (очень тесной), трудно оценить 6 самых первых колебаний. Возможно существующие приборы не могут записать все 100% амплитуды острых импульсов, когда могут быть короткие ударные волны и - очень высокие короткие зубья импульсы в конце левого ската, точки 1 и 2 (рис 3). В простых лабораторных исследованиях длина волн Рэлея всего 50 мкс и связана с короткой трещиной диполем, которая его излучает (всего 35мм). До сих пор не понятно, можно ли по 5-6 первым импульсам от мощного ЗТ определить примерные размеры такой антенны - трещины, ее ориентацию, запасы энергии и векторы излучаемых импульсов. Ясно, что там проходят сложные деформационные сдвиги с тепловыми вспышками локального перегрева. (Мы при медленном индентировании шара диаметром 8 мм в гранит обнаруживали оплавленную бронзовую сетку с ячейкой 0,1мм). Сами трещины [2] имеют сложную трехмерную схему (обычно 65% отрыва и 35% сдвига). Недалеко от индентора, перед образованием длинной трещины Герца, на поверхности гранита проходит торошение и вспучивание материала, т.е. это линии сдвига и трещины по ним выходит под углом на свободную поверхность.

Для анализа разрушений при ЗТ, удачных и неудачных строительных решений принять, что ЗТ будет с магнитудой около 7 баллов. Для этого необходимо:

а) по каждому ЗТ с магнитудой более 3,5 понадобятся записи с высокой достоверностью и разрешением волн Лява, Релея, трехмерные смещения, деформации на уровне грунта и на высотах до 20 этажа (возможны резонансные явления высоких зданий);

б) знать какие волны ломают инфраструктуру, размах амплитуд между соседними импульсами волны Лява - это указывает в какую сторону упадет высокая конструкция, стоящая на земле, а не от первого импульса.

в) необходимо знание с какого азимута придут волны, чтобы ориентировать здания, их размер, архитектуру, амортизаторы для фундаментов, ограничения на строительство зданий вблизи обрывов (эффект Прандтля).

Сравним размеры трещины диполя, которые получены двумя способами. Первый [5] результат получен из расчетов при магнитуде М7 -- длина трещины составляет 350 м. Второй способ -- по первой синусоиде, размер трещины 400м (скорость движения продольной волны в граните 4 км/с, а длительность импульса 0,1с. Если к проблеме циклического нагружения при ЗТ применить термины малоцикловой усталости и механики контактного разрушения, то из записей сейсмограмм, получается коэффициент асимметрии цикла R= -1 (что считается неплохим для долговечности материала).

По каждому тяжелому случаю необходимо извлекать полезные рекомендации, строить модели трехмерных деформаций - время, все реверсивные сдвиги, перемещения, состояние воды. В случаях, когда локально разгружают кору Земли (добыча угля) или наоборот - нагружают: водохранилища, нарушается в регионе равновесие. Эти объемы, которые за счет трения, выступов, всяких эркеров ранее успешно сопротивлялись ранее сдвигам на сжатие, локально перегружены или более не уравновешены. Они срезаются и по существующим линиям сдвига - далее трещинами выбрасываются импульсно в менее нагруженную сторону (индентор всегда перемещается сам или перемещает материал так чтобы образовалось состояние устойчивой трехточечной опоры), снижения нагрузки на индентор.

Список литературы

1. Неверов В.В. Природа взрывов сжимаемых тонких слоев // Журнал прикладной механики и технической физики - 1986 -№ 4.с. 110-115;

2. Шур Е. А. Модели образования фрактографических рельефов на усталостных трещинах / Е. А. Шур, В. Н. Цвигун, Р. С. Койнов // Вестник горнометаллургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии: сборник научных трудов. - Москва; Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2018. - Вып. 40. - С. 118-135. - Библиогр.: с. 134 (28 назв.);

3. Эйди Дж. А. Землетрясения M: Недра 1982 г., 264 стр., УДК: 550.348.436. (023.11) = 82 = 03.20;

4. Болт Б.А. Землетрясение. М: Издательство Мир 1981г., 256 стр;

5. Цвигун, В. Н. Модель мощных землетрясений - импульсный разрыв округлого массива базальта от сжатия двумя силами, действующими по одной линии / В. Н. Цвигун, Р. С. Койнов // Журнал передовых исследований в области естествознания. - 2019. - № 8. - С. 4-14. - DOI 10.26160/2572-4347-2019-8-4-14. - EDN EXJCPM

Abstract

Earthquake model as seismic wave radiation - crack - dipole

Tsvigun S. V., Koinov R.S., Tsvigun A.S.

The article analyzes modern methods of reducing the risk of destruction of buildings in earthquakes by controlling the amplitude of vibrations. Ballistic effects on structural integrity, the importance of insulators in the energy dissipation of seismic impacts and methods for minimizing seismic resonance are investigated. The article includes the development of new approaches to laboratory tests on insulators, using gas detonation, and modeling of threedimensional deformations to improve strategic planning of construction.

Keywords: seismic protection, amplitude of vibrations, structural stability, insulators, seismic resonance, oscillogram, gas detonation, polyurethane insulators, strategic construction, t-hree dimensional displacements, fatigue properties of materials, Love and Rayl-eigh waves, high rise buildings, crack calculation, prediction of energy propagation vectors, seismic engineering, building codes.

Размещено на Allbest.ru