Экология/№6. Экологический мониторинг

д. ф.-м. н., профессор Бугаевский Г.Н., асп. Багмут А.В.

НАПКС, Симферополь, АРК, Украина

Сейсмическая и экологическая опасность в Крыму

Опасные природные явления и стихийные бедствия геофизического,  гидрологического, и метеорологического происхождения, влекут за собой разрушение зданий, сооружений, промышленных и экологически опасных объектов (ЭОО), гибель людей, потерю материальных ценностей.

В последние годы последствия этих явлений возрастают в связи с увеличением сложности и концентрации потенциально опасных промышленных объектов.

Подпись: Рис 1. Карта ОСР-2004-С (для размещения объектов, экологически наиболее опасных, на Крымском полуострове)Серьёзность сложившейся ситуации была подчеркнута в заявлении Международной организации по сейсмической безопасности (ISSO) от 6 августа 2012г. [1]. В нем говорится о необходимости при проектировании и строительстве сооружений предусматривать способность конструкций  выстоять при достоверно известных сильнейших землетрясениях на данной территории, которые могут произойти в любое время, независимо от их редкости и низкой повторяемости.

Крымский полуостров является зоной интенсивного развития опасных геологических процессов, связанных с сейсмичностью, оползневыми и абразионными процессами. Наиболее разрушительно указанные процессы действуют в пределах южной береговой зоны и Керченского полуострова (рис.1) [3]. В связи с этим, в регионе необходима организация мониторинга сейсмических процессов. Особенно катастрофичными могут стать последствия разрушения техногенно-опасных объектов Крыма в результате сильного сейсмического воздействия. Таких, например, как нефтехранилища в районе г. Феодосия, завод «Крымский титан» в р-не г. Армянск, многие плотины Крымских водохранилищ и, наконец, планируемый транспортный переход через Керченский пролив без предварительного определения положения тектонически активных разломов в зоне Керченского пролива.

Подпись: Рис. 2. Экологически опасные объекты Крыма      Техническое состояние рассматриваемых объектов, в основном, характеризуется комплексным показателем, который учитывает множество воздействующих факторов (срок и режим эксплуатации, геометрические конструктивные параметры элементов, состояние материалов, особенности зон расположения объектов и др.). Тем не менее, практически не выполняются исследования динамических характеристик техногенно-опасных, экологически опасных и других сооружений, необходимость которых указана в ДБН В.1.1-12:2006 [3]. Во многом – это результат отсутствия соответствующей инструментальной базы и опыта стандартизированных практических исследований в области инструментального изучения сейсмостойкости зданий и сооружений.

Подпись: а) б) Рис. 3. а) крепление настенных кассет. б) точки расстановки кассет на этажах. Все эти данные подтверждают актуальность в Украине и особенно в Крыму исследований в области динамики сооружений, и в частности на ЭОО, основой которых должны стать инструментальные наблюдения с применением специализированной измерительной аппаратуры.

Рассмотрим пример применения такой аппаратуры на корпусе № 3 Национальной академии природоохранного и курортного строительства (НАПКС, рис. 3).

С помощью данной цифровой трехкомпонентной системы выполнены исследования динамических характеристик корпуса №3 НАПКС. Определены амплитудно-частотные характеристики и получены значения спектров отклика в различных точках с учетом конструктивных особенностей здания. На основании обработки и анализа полученных результатов сделаны выводы относительно особенностей частотных характеристик корпуса и его отдельных конструктивных частей.

Первый этап изысканий в НАПКС был освещён в публикациях [4,5]. На данном этапе исследований две настенные трехкомпонентные кассеты с сейсмоприемниками крепились на лестничной клетке с первого по четвертый этажи (рис. 3 а, б) для оценки распределения динамических харастеристих вдоль вертикали.

Подпись: Рис. 4. Генераторная установка. Колебания возбуждались генератором (на основе трехфазного асинхронного электродвигателя, рис. 4), расположенным в лаборатории в подвальном помещении на частотах 5, 10, 15, 20, 25 и 30 Гц.

После выполнения наблюдений путем лигнейных преобразований выполнен переход от симметричной азимутальной ортогональной системы к ортокогональной системе координат XYZ с одной вертикальной и двумя горизонтальными осями (рис.5).

Подпись: Рис. 5. Направление осей в симметричной азимутальной ортогональной системе и стандартной ортогональной системе координат XYZ. Формулы перехода к ортогональным координатам XYZ:

X(t)=0.817×AI(t) – 0.408×AII(t) – 0.408×AIII(t)

Y(t) = 0.707×AII(t) – 0.707×AIII(t)

Z(t)=0.577×AI(t)+0.577×AII(t) + 0.577×AIII(t),

где AI, AII, AIII – амплитуда соответствующей компоненты.

Указанные преобразования выполнены в программе Microsoft Excel. Благодаря таким преобразованиям выполнена проверка идентичности записи компонент сигнала по совпадению сигнала контрольного сейсмоприемника (СП) и пересчитанной вертикальной компоненты (рис.6).

Подпись: Рис. 6. Графики сигналов рассчитанной Z-компоненты и вертикального СП. Записи полученных четырех каналов обработаны в программе Mathcad. Получены амплитуды спектров для каждого канала на регистрируемых частотах. По этим данным в программе Excel рассчитаны аплитуды спектров колебаний суммарного вектора:

S = sqrt(X2+Y2+Z2).

По полученным данным построены для каждого этажа графики, отображающие зависимость амплитуды колебаний корпуса от частоты возбуждения.

Подпись: Рис 7. Амплитуды колебаний суммарного вектора с первого по четвертый этаж Как показано в статье [5], резонансная частота корпуса №3 НАПКС близка к 20 Гц, поэтому целесообразно рассмотреть результаты записей на этой частоте.

Подпись: Рис. 8. График амплитуд Х-компоненты Как видим, на резонансной частоте амплитуда колебаний возрастает от этажа к этажу с более резким увеличением между третьим и четвертым этажами (рис.7). Как показано на фотографии корпуса №3 академии (рис. 3 б), выше третьего этажа отсутствует боковая пристройка амфитеатра, что может служить причиной скачкообразного роста амплитуды колебаний.

Рассмотрение графиков по каждой компоненте показывает, что основной вклад в резкое возрастание амплитуды на 4 этаже даёт именно Х составляющая (рис. 8), т.е. составляющая, со стороны которой отсутствует связь со смежной частью корпуса.

При этом амплитуда Y-компоненты изменяется незначительно (рис. 9).

Подпись: Рис. 10. График амплитуд Z-компоненты. Подпись: Рис. 9 График амплитуд Y-компоненты. Амплитуда Z-компоненты (рис. 10.) практически линейно возрастает от первого к четвертому этажу. Это показывает, что вертикальная составляющая колебаний на резонанстной частоте имеет существенный вклад в общий рост амплитуды при повышении этажности. В данном случае можно сделать заключение, что такое возростание амплитуды колебаний между третьим и четвертым этажами – это не нарушение конструкции здания, а объективное следствие отсутствия боковой пристройки к лестничной клетке. Тем не менее, полученные данные позволят отслеживать динамику изменений характеристик выделенного участка здания в дальнейшем при повторных наблюдениях. В случае выявления таких отклонений это являлось бы поводом для более детального обследования данного участка с целью поиска конструктивных нарушений.

ВЫВОДЫ

1.   Выполнены наблюдения в корпусе №3 НАПКС и выявлено, что анализ суммарного сигнала в целом является достаточно информативным, но анализ каждой компоненты представляет ещё больший интерес и подтверждает целесообразность такого подхода при исследованиях зданий, сооружений, экологически-опасных объектов.

2.   Инструментальным способом подтверждены предположения относительно увеличения амплитуды колебаний 4 этажа на лестничной клетке, причем можно утверждать, что причиной этому является именно отсутствие боковой пристройки, так как резкий скачек совершает именно Х-компонента, ориентированная перпендикулярно стене.

3.   Идентичность работы каналов регистрации подтверждается сравнением амплитуды пересчитанной вертикальной компоненты с данными вертикального сейсмоприемника.

4.   Полученные результаты подтверждают необходимость выполнения инструментальных динамических исследований для объектов строительства, и, в частности, экологически опасных объектов (плотин водохранилищ, корпусов атомных электростанций, резервуаров хранения жидких и газообразных химических веществ и т.д.). Необходимым является выполнение таких исследований сразу же после строительства объекта, что позволит опираться на полученные данные при повторных периодических измерениях и, особенно, после ощутимых и сильных землетрясений.

ЛИТЕРАТУРА

1.       Заявление о Позиции по оценке сейсмической опасности и проектной нагрузке для общественной безопасности, Международная организация по сейсмической безопасности (ISSO) 6 августа 2012 г. [Электронный ресурс], Вестник ОНЗ РАН, 4 (2012) – Режим доступа: http://onznews.wdcb.ru/news12/info_120910.html

2.       Химическая угроза в Крыму – реальность [Электронный ресурс]: По материалам: ГУ МЧС Украины в АРК 14.09.2008г. – Режим доступа: http://forum-msk.org/material/region/529802.html

3.       Строительство в сейсмических районах Украины ДБН В.1.1-12:2006, Минстрой Украины, Киев 2006г.

4.       Багмут А.В. Настенные трехкомпонентные сейсмометрические комплексы для динамической паспортизации зданий /Багмут А.В. Бугаевский Г.Н. Сб. «Строительство, материаловедение, машиностроение»., Вып. 65, Днепропетровск, 2012, с. 98-103.

5.       Солошенко А.А. Определение динамических характеристик здания вибрационным воздействием генератора. Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. тр, НАПКС, Симферополь, (В печати).