Г.И. Аносов, Т.Г. Константинова, И.Ф. Делемень

 Институт вулканологии ДВО РАН,

683006, Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9

 Аннотация. Наблюдения за повреждениями зданий и сооружений при сильных сейсмических событиях свидетельствуют о том, что необходимо изучение вопросов теоретического решения и количественной регистрации таких сложных явлений, как крутильные колебания и анализ сопутствующих им деформаций грунтов. При поступательных и крутильных колебаниях происходят повреждения или разрушения торцевых стен, изгиб центральных частей протяженных в плане сооружений. Иногда отмечается сложная картина распределения повреждений однотипных зданий: участки с большим (или полным) разрушением зданий чередуются с участками частичного их повреждения. При сильном сейсмическом воздействии часть здания, расположенная на более слабых грунтах, испытывает неоднородную осадку, при этом возможно проявление горизонтальной составляющей деформации с угловой (вращательной) компонентой. Такие деформации являются одним из наиболее значимых факторов повреждения сооружений, и в обязательном порядке должны учитываться при проектировании мероприятий по снижению сейсмического риска, а, в первую очередь, при усилении существующих зданий.

 Длительное время считалось, что на территориях с сейсмичностью 8-9 баллов наиболее безопасной является застройка каркасными и панельными зданиями. Действительно, как показали исследования (Константинова, 1979) при 7-балльном Петропавловском землетрясении 1971 г., наибольшие повреждения отмечались для 3-5 – этажных зданий, построенных из крупных и мелких блоков, тогда как панельные дома имели меньшие повреждения. При этом было отмечено, что большая часть строений была подвержена деформациям в основном в угловых и торцевых частях их, при этом более протяженные здания имели большие повреждения. Характер их указывал на преобладание сдвиговых деформаций над деформациями сжатия и растяжения. Однако понадобилось обобщение опыта разрушительных землетрясений в Турции и Японии, чтобы в мировой инженерно-сейсмологической практике пришло понимание того, что вращательные колебания и сдвиговые деформации представляют существенную опасность для устойчивости зданий. В связи с этим возникла необходимость переоценки устойчивости зданий, которые ранее считались наиболее безопасными (блочные, панельные и особенно каркасные).

Анализ последствий сильных землетрясений показывает, что при сейсмических воздействиях возникают не только поступательные, но и вращательные (крутильные) колебания. В литературе за последние десятилетия уделено достаточно много внимания вращательным колебаниям при землетрясениях, так как наблюдения за разрушениями, вызванными землетрясениями, имеют уверенные примеры структурных разрушений, вызванных этими движениями. Следствием этого вида колебаний являются повреждения и разрушения инженерных сооружений, большей частью протяженных и высотных. В большинстве из них наблюдаются значительные повреждения или разрушения торцевых стен и изгиб центральных частей протяженных в плане сооружений. При этом вращательные и крутильные деформации при сильных сейсмических событиях могут оказывать определяющее влияние на устойчивость зданий и сооружений. Это было описано еще в средине прошлого века (Richter, 1958, Newmark, 1969), и другими исследователями. В результате этих работ существенным достижением стало понимание того, что вращение торцов зданий определяется не только формой здания и жесткостью конструктивных элементов,  но  в значительной мере также параметрами сейсмических колебаний и неоднородностью грунтов.

Теоретическая основа (база) вращательных движений грунтов исследуется многими специалистами (Егупов, 2000; Huang, 2003). Авторы этих работ подчеркивают, что источник вращательного движения грунтов может быть важным фактором механизма разрушения в источнике. Для очень сильных землетрясений отмечены факторы разрушения в эпицентральной зоне. Другие исследователи считают, что вращательные движения могут возникать по трассе от эпицентра до пункта регистрации. Есть также мнение, что этот эффект проявляется в пунктах регистрации. Об этом свидетельствуют результаты многих макросейсмических обследований сильных и разрушительных землетрясений. Ряд исследователей отводит таким деформациям существенную роль в сейсмическом процессе, например в (Викулин, 2003).

На наш взгляд, объективное и обоснованное рассмотрение таких сложных явлений, как вращательные деформации, возможно только на основе количественной регистрации крутильных колебаний при землетрясениях, а также вращательных деформаций грунтов и расположенных на них зданий.

Возможность и условия реализации вращательных деформаций грунтов при землетрясениях обсуждаются в инженерной сейсмологии и инженерной геологии уже давно. Н. В. Шебалин считал, что повороты небольших объектов (памятников, обелисков и т.п.) в результате сейсмического воздействия реально существуют и зафиксированы на множестве фотографий. Однако все выводы о присутствии в составе сейсмических колебаний крутящей компоненты, по его мнению, совершенно неосновательны, и связана она не с колебаниями, а с неоднородной деформацией зданий и сооружений. Для подтверждения этого им приведены следующие аргументы: на некоторой плоскости опоры в основании или теле объекта всегда существует центроид трения или сил сцепления. Если проекция центра масс вышележащей части объекта не совпадает с центроидом сцепления, при воздействии горизонтальной компоненты ускорения возникает плечо сил и крутящий момент, поворачивающий соответствующим образом верхнюю часть объекта (Шебалин, 2003).

Еще 20 лет назад все попытки инструментально зарегистрировать в составе сейсмических колебаний крутильную компоненту, в том числе и с помощью специальных устройств Д.А. Харина, успеха не имели. Количественные измерения вращательных движений грунтов при землетрясениях начали выполняться с 1990-х годов (Nighbor, 1994; Takeo, 1998). На записях сейсмических волн крутильные колебания грунтов стали выделять  при нетрадиционной расстановке регистрирующей аппаратуры (Кузьмина и др., 1982). Учитывая важность записей крутильных колебаний для оценки поведения зданий при землетрясениях, необходима разработка новых, совершенных приборов и калибровочных средств. Решается проблема регистрации крутильного движения при землетрясении  (Халчанский, 1998). Сконструирована модель сейсмометра, регистрирующего вращательные движения грунта, которые подтверждают присутствие вращательной компоненты в поверхностных волнах.

Вопросам расчета колебаний протяженных в плане сооружений при землетрясениях посвящены работы ведущих специалистов (Барштейн, 1968; Амирасланов, Барштейн, 1970). Авторы считают, что учет протяженности приводит к уменьшению инерционной силы в продольном направлении на 25.5%, а в поперечном - на 8% и соответственно возрастанию усилий в крайних стойках многопролетного здания примерно на 20%.

Проблемам проектирования на сейсмостойкость протяженных и несимметричных сооружений посвящена работа К. В. Егупова, в которой автор приводит численные эксперименты, позволяющие установить влияние волновых процессов в грунтах на реакцию здания (сооружения) как единой пространственной системы. Игнорирование этого фактора приводит к парадоксальным результатам: сейсмические силы для крутильных и изгибных в плане колебаний равны нулю. Этот факт не согласуется с последствиями сильных и разрушительных землетрясений (Егупов, 2000).

Наблюдались многочисленные разрушения торцовых частей зданий, при землетрясениях в Турции, Румынии, Бухаресте, Лос-Анжелесе, Кобе. Это подтверждают и авторы данной статьи, проводившие макросейсмические обследования сейсмических событий в г. Петропавловске-Камчатском, в зоне бедствия Спитакского землетрясения, в г. Нефтегорске, и выполнявшие их анализ. Во многих случаях это вызвано поворотом перекрытий зданий относительно вертикальной оси, когда центры сил инерции и упругости не совпадают. Тем не менее, эффект кручения наблюдается также и в зданиях с идеальным архитектурно-планировочным решением, в которых предусмотрено симметричное во всех направлениях распределение масс и жесткостей. Для зданий с ядрами жесткости в средней части сооружения на первое место выходят  крутильные колебания. Для них  инерционные характеристики, связанные с вращением перекрытий относительно  вертикальных осей, становятся доминирующими. В наихудших условиях оказываются опять же торцовые элементы здания (Егупов, 2000). Это и представлено на рис. 1.

Рис. 1. Разрушения торцовых частей зданий.

а) Турция, 1998 г., фото из статьи Егупова К. В.;  б) Ленинакан, 1988 г., фото Клячко М. А.

Рассмотрим примеры таких деформаций, которые привели к значительным повреждениям или разрушениям зданий (рис. 2). Мы полагаем, что сдвиг поперечных стен в вертикальных плоскостях и разрушение перекрытий  протяженных зданий в Турции (землетрясение 27 июня 1998г.), многих зданий в Спитаке, Ленинакане, Степанаване при землетрясении 7 декабря 1988 г. можно объяснить тем, что для них преобладающей являлась частота соответствующая частоте крутильных колебаний в вертикальной плоскости.

Отмечено, что при сильном землетрясении 1964 г. с очагом на шельфе Японского моря в городе Ниигата концы протяженных зданий сдвинулись относительно друг друга на 1-2 м (Соловьев, Го, 1974).

При землетрясении 4 мая 1959 г. в г. Петропавловске-Камчатском отмечены случаи скола труб у кровли и поворот их на 20-30^о (Чермных, 1960).

Результаты анализа макросейсмического обследования последствий землетрясения 1971 г. в г. Петропавловске-Камчатском свидетельствуют о том, что часть 3-5-этажных зданий, построенных из мелких и крупных блоков, имели наибольшие повреждения торцов зданий, причем не зависимо от их ориентации в плане (Баранников, Борисова и др., 1975; Федякова, 1975). 

Рис.2. а) сдвиг поперечных стен в вертикальной плоскости относительно друг друга,

б) разрушение перекрытий из своей плоскости (землетрясение в Турции 27 июня 1998г.). Фото из статьи  Егупова К. В.

В г. Алма-Ате в 9-ти балльной зоне в 1980  году были выполнены динамические испытания 25-этажного здания гостиницы. В результате проведенных испытаний выделены два  типа  поворотных  колебаний:  качательные   (вокруг   горизонтальной  оси)  с   периодом

собственных колебаний зданий; крутильные (вокруг вертикальной оси), почти в 20 раз превышающие амплитуду качаний. Механизм возникновения крутильных колебаний при этих исследованиях не выяснен (Жунусов, Кузьмина и др., 1981).

В восьмиэтажном монолитном здании башенного типа города Душанбе экспериментально установлено, что при землетрясениях интенсивностью 3-4 балла возникают угловые колебания. Амплитуда крутильных колебаний достигла 20-30^", что  при протяженности дома около 50 м составит 0.75 см. Поворотные колебания на порядок меньше. Между поступательными и крутильными колебаниями наблюдается сдвиг фаз величиной 0; π/5; π/2; π. На протяжении всего землетрясения сдвиг не остается постоянным. Сложение поступательных и крутильных колебаний при наблюдавшихся углах и амплитудах может в некоторых точках удваивать величину перемещения (Кузьмина и др, 1982).

При разрушительном Спитакском землетрясении 07.12.1988 г. в Армении в зоне бедствия рядом стоящие здания получили развороты и наклоны в противоположных направлениях (рис. 3).

Рис.3.  Спитак: а) наклон зданий в противоположные стороны б) наклон и разворот здания.

 В г. Спитаке наблюдались смещения и повороты архитектурных памятников и надгробных камней при хорошем качестве цементного раствора. На рис. 4 приведена фотография часовни, верхняя часть которой получила сдвиг и поворот, подобное наблюдалось и в Ленинакане. В Спитаке, Ленинакане, Кировакане, Степановане и во многих поселках зоны бедствия надгробные памятники получили разнообразные повреждения. Одни из них устояли, другие падали в широтном направлении. Большинство из них имели сдвиг и поворот, причем на разную величину. На фотографиях сооружений, поврежденных в г. Спитаке, видно, что вращательная компонента отмечается при горизонтальном сдвиге памятников и монументов (рис.4, 5).

Во многих случаях отмечается вращательная деформация торцевых частей зданий вокруг горизонтальной оси. На основании теоретических данных можно было бы ожидать, что повреждение торцевых частей будет преобладающим, однако нередко деформации происходили вокруг оси, соответствующей средней части здания (рис. 3 а). Скорее всего, это явление характерно для зданий небольшой протяженности. Впрочем, видно, что такие здания чередуются со строениями, которые были полностью разрушены. Наличие пространственной периодичности наводит на мысль об определенном влиянии на их повреждения не только продольных и поперечных волн, но и поверхностных.

Итак, вращательные колебания зданий исследованы недостаточно глубоко. Механизм возникновения этих колебаний  мало изучен. Тем не менее, уже сейчас можно сделать вывод, что выделяется несколько типов вращательных деформаций в системе здание-основание. По признаку ориентации оси вращения такие движения можно подразделить на качательные (в вертикальной плоскости), и крутильные (в горизонтальной плоскости) вращательные деформации. Кроме того, целесообразно различать вращательные колебания и вращательные неупругие деформации (включая развитие систем трещин). Последние могут быть индуцированы сейсмическими крутильными колебаниями. В этом случае можно ожидать наличие сложной пространственной картины распределения повреждений однотипных зданий на территории города. Участки с большим (или полным) разрушением сооружений могут чередоваться с участками частичного повреждения (рис. 3 а, б).

Другой механизм генерации неупругих деформаций вращения может быть связан с наличием неоднородного строения грунтового основания зданий и сооружений. В том случае, когда при сильном сейсмическом воздействии расположенная на более слабых грунтах часть здания испытывает неоднородную осадку, возможно проявление и горизонтальной составляющей деформации. Происходит смещение (или наклон) части здания в направлении наиболее глубоко залегающей подошвы ослабленного слоя. В этом случае вращательные движения отражают наличие неоднородной деформации грунтового основания и самого здания. Представляется весьма перспективным поиск методов прогнозирования таких деформаций на основе изучения предшествующей сильному землетрясению истории взаимодействий в системе «грунт-сооружение». С нашей точки зрения, естественная запись таких взаимодействий осуществляется в развитии систем трещин в несущих (и особенно ненесущих) конструкциях зданий, а в грунтовом основании – в вызванных локальными напряжениями и деформациями преобразованиях грунтов.  Особый интерес при этом вызывает изучение степени влияния разжижения грунтов и других вторичных процессов на вращательные деформации.

Таким образом, рассмотренные выше деформации являются одним из наиболее значимых факторов повреждений сооружений. Они должны в обязательном порядке учитываться при проектировании мероприятий по снижению сейсмического риска, в первую очередь при усилении существующих зданий. Необходимо также обратить особое внимание на выявление грунтовых условий, способствующих вращательным деформациям и вызванными ими напряжениями в конструктивных элементах зданий, превышающих прочность на сдвиг и срез, при модернизации существующих методов и нормативов сейсмического микрорайонирования. Не исключено, что потребуется пересмотр существующих подходов к выбору площадок строительства зданий на свайных основаниях.

Кроме того, особое значение приобретают исследования по изучению природы вращательных движений при деформациях грунтов, зданий и сооружений - в каких случаях они связаны непосредственно с крутильными эффектами, в каких – являются результатом развития зон широкого сдвигания, а в каких – результатом появления вращательной компоненты вследствие неоднородной деформации.

Необходимо отметить также, что в изучении деформаций кручения и вращения грунтов, сопряженных с ними сдвиговых смещений, наблюдается парадоксальная ситуация. Существуют теоретические разработки, предполагающие возможность реализации механизма таких деформаций и смещений при сейсмических событиях. Имеются наблюдения за такими явлениями, однако практически отсутствует возможность измерения деформаций кручения и особенно крутильных колебаний из-за того, что такие измерения выполняются только в единичных случаях. До тех пор, пока такие измерения не станут нормой в сейсмометрической практике, говорить о крутильных колебаниях и деформациях можно будет только на уровне предположений.

Обследование повреждений зданий выполнено по программе и при финансовой поддержке ФЦП «Интеграция» (проект № Э0334/946), а обобщение полевых наблюдений и материалов других работ авторов - по Проекту государственной поддержки ведущих научных школ РФ № НШ-2294.2003.5. Авторы благодарят за полезные замечания и поддержку в работе научного руководителя проектов, академика РАН С.А. Федотова. Различные аспекты проблемы деформаций кручения обсуждались с А. С. Алешиным, А. А. Годзиковской, А. В. Викулиным, К. В. Егуповым, А. Е. Путинцевым и Б. И. Самойленко, которым авторы выражают свою признательность.

 ЛИТЕРАТУРА

1.      Амирасланов Н.А., Барштейн М.Ф. Поступательно-вращательные колебания протяженных в плане сооружений при землетрясениях // Строительная механика и расчет сооружений. 1970. № 6. С.35-39.

2.      Баранников Л.Б., Борисова Н.С., Ершов И.А., Константинова Т.Г., Медведев С.В., Федотов С.А., Федякова С.Н., Штейнберг В.В., Шумилина Л.С. Макросейсмическое обследование последствий землетрясения 24 (25) ноября 1971 г. на территории г. Петропавловска-Камчатского. В сб.: Сильные камчатские землетрясения 1971 г. Владивосток. 1974. С.15–62.

3.      Барштейн М.Ф. Колебания протяженных в плане сооружений при землетрясениях // Строительная механика и расчет сооружений. 1968.  № 6. С.30-36.

4.      Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-Камчатский. Камчатский педагогический университет. 2003. 150 c.

5.      Егупов К.В. Проблемы проектирования на сейсмостойкость протяженных и несимметричных сооружений // Сейсмостойкое строительство. 2000. № 1. C.23-30.

6.      Жунусов Т.Ж., Кузьмина Н.В., Токмаков В.А., Харин Д.А. Поворотные колебания высотного здания // Вопр. Инж. сейсм. Вып. 21.  М.: Наука, 1980. С.112–116.

7.      Константинова Т.Г. Зависимость степени повреждения зданий от положения УГВ и мощности рыхлых отложений в Петропавловске-Камчатском при землетрясении 24(25) ноября 1971 г. Сейсмическое микрорайонирование. Кишинев. Штиинца. 1979. С.278-284.

8.      Кузьмина Н.В., Лунев А.А., Токмаков В.А. Об измерении угловых колебаний здания башенного типа // Вопр. Инж. сейсм. Вып. 23.  М.: Наука, 1980. С.148–156.

9.      Соловьев С.Л.,  Го Ч.Н. Каталог цунами на западном побережье Тихого океана.М.: Наука, 1974.  157 c.

10.  Федякова С.Н. Анализ работы зданий при землетрясении 24 (25) ноября 1971 г. в г. Петропавловске-Камчатском. / В сб.: Сильные камчатские землетрясения 1971 г. Владивосток, 1974. С.63–80.

11.  Халчанский С.А. Проблема регистрации угловых перемещений в сейсмологии. Сейсмические приборы. Вып. 30. М.:ОИФЗ РАН, 1998. С. 80-82.

12.  Чермных Г.П. Землетрясение у берегов Камчатки 4 мая 1959 г. Бюлл. Совета по сейсмологии. № 11. 1960.

13.  Шебалин Н.В. Проблемы макросейсмики // Вычислительная сейсмология. Вып. 14. Москва. Геос. 2003. С.55-210.

14.  Huang B.S. Evidence for azimuthal and temporal variations of the rupture propagation of the 1999 Chi-Chi Taiwan, earthquake from seismic data recorded by a dense array, Geophys. Res.Lett.. 28. 3377-3380.  2001.

15.  Newmark  N.M. Torsion in symmetrical buldings, Proc. Fourth World Conference on Earthquake Engineering. Santiago. Chile. 3. 19-32. 1969.

16.  Nigbor R. Six-degree-of-freedom ground-motion measurement, Bull.Seism. Soc. Am. 84. 1665-1669. 1994.

17.  Richter C. F. Elementary Seismology. W. H. Freeman. San Francisco. 1958.

18.  Takeo M. Ground rotational motions recorded in near-source region of earthquakes, Geophys. Res. Lett. 25. 789-792. 1998.