Ажермачев Г. А.К вопросу применения теории предельной силы

.
8, 2003 .
53
Раздел 2. Основания и фундаменты, механика и
сейсмостойкость
УДК 699.841.624.12 В порядке дискуссии
Г.А. Ажермачёв
Крымская академия природоохранного и курортного строительства
А
К
.А
Гж
р
м
в
еча вопросу применения теории предельной силы землетрясений на скальных
породах для повышения сейсмостойкости зданий на слабых грунтах
Рассматривается возможность повышения сейсмостойкости зданий и сооружений на слабых грунтах за счет
создания искусственного «скального основания». Показан характер колебания зданий на слабых грунтах.
Приводятся данные о минимальных размерах искусственного основания.
cейсмостойкость, сила землетрясения, бальность, колебания, грунт, ускорение
Обеспечение заданной сейсмостойкости зданий и сооружений является сложной
инженерной задачей,так как при её решении приходится учитывать многие факторы
одновременно:
- возможная максимальная сила землетрясения;
- принятая расчетная схема сооружения
должна наиболее близко отвечать конструктивной схеме с учетом воздействия землетрясения;
- достаточно правильно задать сейсмические силы на выбранную расчетную
модель;
- произвести расчет сооружения на сейсмические воздействия с учетом линейной и нелинейной работы его элементов;
- оценить инженерный риск и т.д.
Обеспечение сейсмостойкости зданий
может быть осуществлено несколькими путями: определением динамической модели
сооружения «сооружение–основание», наиболее близко отвечающей работе сооружения в упругой, упруго-пластической стадиях и при полном разрушении; увеличением
количества материала в основных несущих
конструкциях; использованием скрытых резервов свойств материала и конструкции;
введением дополнительных элементов в
конструктивную схему здания; ослаблением воздействия колебаний грунтов и др.
Выбранная расчетная модель должна
базироваться не только на динамических характеристиках сооружения и основания, но
и на поведении отдельных элементов и узлов, входящих в систему, при циклических
нагрузках, превышающих нормативные значения. Такая модель должна иметь нелинейные характеристики жесткостей.
Увеличение количества материала в несущих конструкциях не всегда может обеспечить заданную сейсмостойкость здания,
так как с увеличением массы сооружения
возрастает и сейсмическая сила. Кроме
того, с увеличением сечений элементов возрастает их жесткость, что ведет к увеличению коэффициента динамичности и, в конечном счете, к увеличению сейсмической
силы. Конечно, сейсмостойкость здания
может повыситься.
Использование скрытых резервов материалов и конструкций предусматривает в
первую очередь возможность работы материала в конструкции в упруго – пластической стадии, а также применение конструктивных решений, которые бы уменьшили
коэффициент динамичности системы.
Уменьшить влияние сейсмической энергии уже подошедшей к зданию можно, применив сейсмозащиту, сейсмопоглотители
или гасители колебаний. Иногда эти мероприятия применяются в комплексе.
54
Однако в первую очередь необходимо
учитывать бальность района строительства
и грунтовые условия участка, гд е будет
строится здание.
Бальность района устанавливается по
историческим сведениям о прошедших землетрясениях и принимается по наибольшему, наблюдаемому в этом районе. В результате довольно часто случается, что бально сть в данном районе устанавливается
ниже, чем бальность возможного землетрясения. Так например, случилось при Ашхабадском землетрясении 1948 г., сила которого была 9-10 баллов, в то время как этот
район был отнесен к 7 баллам. Подобная
картина наблюдалась при Спитакском землетрясении 1988 г. и Сахалинском 1995 г.
[1,2]
Анализируя историю землетрясений,
можно сказать, что в тех районах, где происходят слабые землетрясения, там возможны и сильные землетрясения. Например, в
Ашхабадском регионе на протяжении почти
500 лет не наблюдались сильные землетрясения, а слабые происходили часто. Сейсмологи считают, что чем дольше подготавливается землетрясение, тем сильнее оно
может быть.
В будущем ученые смогут более точно
определять возможную бальность землетрясения для данного региона, но грунтовые
условия всегда будут определяющими при
воздействии землетрясений на здания.
Наиболее стабильные показания колебаний дают скальные породы. Экспериментальные наблюдения и теоретические предпосылки отечественных и зарубежных авторов показывают, что на скальных породах при сильных землетрясениях могут
наблюдаться колебания не более 7 баллов,
в то время как на песчаных и глинистых могут доходить до 9-10 баллов. [3]
Во время землетрясения здание раскачивается и вызывает значительные амплитуды перемещения основания, и чем слабее
грунт, тем больше эти амплитуды.
На скальных основаниях амплитуды будут значительно меньше, и здания на скальных основаниях будут испытывать меньшие
амплитуды колебаний.
.
8, 2003 .
Чем больше амплитуда колебаний здания, тем больше в конструкциях наблюдаются деформации и, как результат, увеличивается вероятность разрушения. Исключить или полностью уменьшить колебания
здания можно, если изолировать его от колебаний грунта. Одним из способов защиты может служить «искусственное скальное
основание». Его можно создать, сцементировав основание, превратив его в бетонный
блок. Основной задачей здесь будет - определить минимальные размеры этого основания, на который будет опираться здание.
Размеры основания можно определить из
условия неподвижности его по отношению
к качаниям на сейсмической волне. Рассмотрим, какого минимального размера
должно быть скальное основание, чтобы
здание, построенное на нем, не чувствовало бы больших колебаний, то есть не более,
чем при 7 баллах. Для этого воспользуемся
теорией предельной силы землетрясений на
скальных породах, разработанной в институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта [3].
Представим скальное основание в виде
параллелепипеда (рис.1) с размерами Н, В
и L. Пусть этот параллелепипед находится
в мягком грунте и центр масс его и центр
тяжести здания совпадает, то есть повороты параллелепипеда отсутствуют, а могут
быть только вертикальные и горизонтальные перемещения.
Равновесие искусственного основания
при действии вертикальной сейсмической
волны, инерционных сил и собственного
веса запишется:

V
Q  Q  S ,
q
(1)
где Q  HBL - вес основания;
 - плотность объема основания;

V -ускорение слоя грунта в вертикальном
м
направлении;
q - ускорение силы тяжести;
S=BL – площадь основания параллелепипеда;
.
55
8, 2003 .
волне.
Для нашего случая можем принять
  1 кг
см
2
. Высоту параллелепипеда найдем из
условия, чтобы не было растягивающих напряжений между грунтом и подошвой параллелепипеда.
Для этого воспользуемся уравнением (1).
Таблица 1
Интенсивность в баллах
 - напряжение в проходящей сейсмической
5
6
7
8
9
10

V
H (1  )  
q
(1’)
или

H
(2)

( 1  V

(3)
где f – коэффициент трения бетонного основания
по грунту;

U – ускорения слоя грунта в горизонтальном на-
правлении;
F=HB – площадь вертикальной грани.
Из уравнения (3) можем получить требуемую
длину параллелепипеда:
L
(4)

( f  U
q

0,1-0,2
0,5-1
2,1-4
1,1-2
4,1-8
2,1-4
8,1-16
4,1-8
16,1-32 8,1-16
32,1-64 16,1-32
1,1-5,5
5,5-27
27-134
134-670
670-3350
3350-16750
В таблице приняты следующие обозначения:


V - скорость колебаний грунта в см/сек для
периодов от 0,5 до 2 сек;
Х 0 - амплитуда смещения центра массы маятника с периодом собственных колебаний
0,25 сек и логарифмическим декрементом
затухания 0,5;
Е – плотность потока энергии в пункте наблюдения в эрг/см 2 .
Определим минимальные размеры искусственного скального основания (параллелепипеда), расположенного в рыхлых
грунтах, где возможны землетрясения силой
9 баллов, снижающего интенсивность колебаний до 7 баллов.
Минимальная высота параллелепипеда (2)
H
)
Примем, что ускорения колебаний грунта в
вертикальном и горизонтальном направлениях

12-25
25-50
50-100
100-200
200-400
400-800
дов от 0,1 до 0,5 сек;
Для определения размеров B и L рассмотрим
равновесие системы при горизонтальных сейсмических воздействиях. Запишем уравнение равновесия:


2
V - ускорение грунта в см/сек для перио-
q)
U
Qf  Q  F ,
q

V
ХО , мм Е  105 , эрг см2
V
2
см сек см сек
равны, т.е. V  U .
Численные значения колебаний почвы при
землетрясениях от 5 до 10 баллов, диапазон, интересующий строителей, приведены в таблице [4].
1  10 6
 6.76м
400 

2 .5   1 

981 

Минимальная длина параллелепипеда (4)
L
1  10 6
 43.5м .
400 

2 .5   0 .5 

981 

В соответствии с теорией предельной
силы землетрясений на скальных породах
искусственное скальное основание с разме-
56
рами Н=7 м, В=L=45 м обеспечивает
интенсивность сейсмических колебаний не
более 7 баллов, в то время как на песчаноглинистых колебания грунтов может доходить до 9-10 баллов.
Методика определения размеров искусственного скального основания проста и заманчива, однако нам не известны работы, в
которых бы инструментально подтвердили
теорию и в какой степени.
Существует много технических решений, обеспечивающих снижение сейсмических воздействий на здания и сооружения.
Рассмотренная выше теория предельной
силы землетрясений на скальных породах
заслуживает внимания и может быть применена, когда это будет экономически оправдано.
Рис.1. Искусственное основание
.
8, 2003 .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП II-А.12-69* Строительные нормы и правила «Строительство в сейсмических районах»
М. 1977 с.54.
2. СНиП II-7-81* Строительные нормы и правила
«Строительство в сейсмических районах» М.
1991 с.50.
3. Пучков С.В. Закономерности колебаний грунта
при землетрясении. Академия Наук СССР. Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта. «Наука».М. 1974. с.119.
4. Медведев С.В., Карапетян Б.К., Быховский В.А.
Сейсмические воздействия на здания и сооружения. М. Гостройиздат. 1968. с. 191