УДК 624.042.7 Смирнов Б.С., Сеитов Б.М.,

Ордобаев Б.С., Атамбек у.М.

ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ОЖНОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

В последние годы мы неоднократно доказывали ошибочность официальной «колебательной» доктрины сейсмических разрушений зданий, основываясь на анализе многочисленных необычных форм и фактов разрушения зданий при землетрясениях.

Наши теоретические исследования для «жестких» зданий были подтверждены прямыми экспериментами, проведенными в Кыргызском Государственном Университете Строительства, Транспорта и Архитектуры.

Однако, наиболее сильным аргументом против «колебательной» сейсмической доктрины являются все прежние и нынешние СНиП (Строительство в сейсмических районах) построенные на ее основе. Именно этот простой, но неопровержимый аргумент мы намерены представить в данной работе.

Согласно общепринятой официальной доктрине здания при землетрясениях разрушаются только от действия тех низкочастотных сейсмических колебаний грунта (с малыми скоростями, менее 1 м/сек), которые фиксируются маятниковыми сейсмическими приборами. Из этой доктрины и из СНиП следует, что величина сейсмической нагрузки действующей на несущие элементы зданий, пропорциональна приложенной к ним массе умноженной на сейсмическое ускорение колебаний грунта, т.е.

Q_k = ma_k

Если эта «колебательная» доктрина неверна, то все основанные на ней СНиП должны давать абсурдные результаты при расчете тех многочисленных конструкций, к которым приложено относительно не большая масса здания. Именно такие результаты получаются при расчете кирпичных, каменных крупноблочных монолитных и сборных железобетонных стен в одноэтажных и двухэтажных зданиях, а также стен в двух верхних этажах более высоких зданий. Такие же результаты получаются для ряда других слабонагруженных конструкций и элементов зданий.

Продемонстрируем это на простом, но наглядном примере. Произведем расчет одноэтажного жилого шести квартирного здания по [12] «Строительство в сейсмических районах». Считаем, что расчетная масса здания сосредоточена в уровне диска совмещенной кровле, вес которой вместе со снегом составляет нагрузку

q=0,5 ,

подсчитанной с учетом понижающих коэффициентов сочетаний n_c из таблицы 2.

Несущие конструкции здания отвечают всем требованиям [12]. Покрытие является жестким диском образованными сборными железобетонными плитами, которые замоноличены железобетонными монолитными обвязками. Здание имеет длину 24 м и ширину 12 м. несущими являются три продольные стены образующие два пролета по 6 м. Поперечные стены образуют три пролета по 8 м. Высота стен H = 2,5 м, толщина ∆ = 0,5 м.

Суммарная площадь проемов в наружных продольных стенах составляет 1/3 от их площади. Все поперечные стены, а также внутренняя продольная стена не имеют проемов.

Найдем сейсмическую нагрузку и сдвиговые напряжения в любой из четырех поперечных стен, считая, что жесткий диск покрытия распределяет всю горизонтальную сейсмическую нагрузку поровну между четырьмя поперечными стенами.

Пренебрегаем в запас прочности поперечной жесткостью продольных стен. Общий вес массы диска покрытия

Q = 0,5 *24м*12м = 144mc

Длина всех сплошных стен

L_c = (12*4+24)м = 72м

Их площадь

F = 72м*2,5м = 180м²

Площадь двух наружных стен с учетом проемов

F_n = 2*24м**2,5м = 80 м²

Суммарный вес всей массы стен, примыкающих к покрытию равен

Q_c = *260м²*0,5м*1,4 = 91 mc

Находим горизонтальную сейсмическую нагрузку, действующую на поперечные стены здания. Согласно [12] имеем

S_ik = K₁*Q_k*A*β_i*K_ψ*η_ik (1)

Вес всей массы здания в формуле (1)

Q_k = Q_n + Q_c = 235 тс

Из таблицы 3^* [12] находим, что коэффициент К₁ = 0,35. Считаем, что здание находится на грунте II категории и что оно расположено в зоне с расчетной сейсмичностью в 9 баллов. Тогда коэффициент А = 0,4.

Для определения величины коэффициента динамичности β, надо найти период поперечных колебаний здания

Т_i = ,

где частота ω = , масса m = ;

r_i – возвратная реакция от сдвига диска покрытия на единицу в поперечном направлении. Согласно таблице 5 из [8] для глухих низких сдвигаемых стен r_i =

Суммарная площадь сечения четырех поперечных стен F = 0,5*12м*4 = 24 м²

Модуль сдвига G для кирпичной кладки, согласно [8] равен E₀. Модуль сжатия кладки E₀ принят равным 28*10⁴ и G = 7*10⁴ . Тогда

r_i = = 56*10⁴ , m =

Найдем частоту

ω = = = 153

Период

Т = = = 0,041сек

Коэффициент β_i находим по п. 2.6.^* из [12] при Т_i ≤ 0,1c, β = 1+15T_i, тогда β = 1+15*0,041 = 1,615. Согласно таблице 6 получаем коэффициент K_ψ = 1. Для здания с одной массой η_ik = 1. Согласно (1) сила S_ik = 0,35*235*0,4*1,615*1*1mc = 523,13т.с.

Находим максимальное срезающее напряжение τ в горизонтальном сечении поперечных стен от силы S_ik, действующей на их площадь F = 24м².

τ = = 1,5 = 3,32mc/м² = 0,332кг/см² = 33,2кПа.

Вертикальная сейсмическая нагрузка любого направления в сочетании с воздействием собственного веса одноэтажного здания не смогут снизить прочность на срез R_ср для горизонтальных швов кирпичной кладки и потому не учитываются в расчете.

Согласно п. 3.39 находим, что наименьшее допустимое значение временного сопротивления осевому растяжению по неперевязанным швам для кладки 1 категории R^b_p = 180кПа. Согласно п.3.40 [12] находим расчетное сопротивление срезу кладки по неперевязанным швам по формуле (10) как

R_ср = 0,7* R^b_p = 126кПа

Сопоставляя это расчетное сопротивление R_ср с расчетным срезающим напряжением τ = 33,2кПа, получаем, что неармированная кирпичная стена, рассчитанная на девяти балльную сейсмическую нагрузку отвечающую сейсмическому ускорению а₁ = 0,4g сохраняет почти 3,8ти кратный запас прочности на срез, т.е. для сдвигового разрушения стены потребовалось бы ускорение а₂ = 1,51g, которое в 7,6 раз превышает то реальное ускорение а₃ = 0,2g, при котором всегда срезаются неармированные кирпичные стены во время землетрясений, согласно всем «Отчетам» о последствиях землетрясений, например [8-9].

Примерно тот же абсурдной запас прочности получается при расчете продольных стен здания на срез от сейсмической нагрузки.

Аналогичные по смыслу парадоксальные результаты получаются для любых стен в одноэтажных и двухэтажных зданиях, для стен в двух верхних этажах более высоких зданий, выполненных из обычной или армированной кладки, крупных блоков, сборного железобетона и монолитного бетона, а также для одноэтажных каркасных зданий с мощными наружными стенами. Тот же результат получается для ряда других слабонагруженных конструкций, таких как парапеты, печи и печные трубы, отдельные низкие стены, перегородка, не связанные с перекрытиями и т.д.

Приведем еще несколько типовых и общеизвестных случаев и форм сейсмических разрушений зданий, противоречащих официальной колебательной доктрине СНиП.

1. В реальности при землетрясениях стены почти никогда не разрушаются путем изгиба из плоскости. Однако, при горизонтальных «колебательных» сейсмических нагрузках, в них должны преобладать именно такие изгибные разрушения с образованием схем излома, типичных для изгибаемых плит.

2. Согласно СНиП с ростом этажности должна резко возрастать разрушаемость кирпичных зданий, что очень часто опровергается в «Отчетах» о сейсмических разрушениях, например, в [7-9].

3. Согласно СНиП, в любых зданиях не должны разрушаться их верхние этажи без разрушения нижних, а также не должны срезаться колонны каркаса при наличии неразрушенных жестких стен. Однако, множество примеров реальных разрушений, опровергает эти постулаты. Они приведены, например, в [9,10].

4. Согласно СНиП в каркасных зданиях и зданиях с гибким первым этажом их железобетонные колонны должны изламываться возле своих защемленных концов при действии горизонтальных сейсмических нагрузок от дисков перекрытий. Однако, в реальности вместо изломов в колоннах всегда возникает их аномальный срез по наклонному сечению, который не могут вызвать низкочастотные колебания грунта и зданий.

Разумеется, инженеры не могли не заметить тот абсурд, который они получали при использовании сейсмических СНиП. Например, наш коллега из Владивостока не раз сообщал, что результаты расчета портовых сооружений по СНиП противоречат здравому смыслу, а сами эти сооружения всегда разрушаются при «неопасных» для них сейсмических нагрузках, которые ниже расчетных нагрузок.

Множество противоречий между идеологией, заложенной в основу сейсмических СНиП, и фактами реальных сейсмических разрушений впервые было обнаружено С.В. Поляковым в его капитальной монографии «Последствия сильных землетрясений» [9]. Там он сформулировал много вопросов к авторам «колебательной» доктрины, на которые ему не удалось найти ответ, и на которые мы попытались ответить в наших исследованиях [1-5].

В оправдание всех противоречий и парадоксов, которые содержит в себе «колебательная» сейсмическая доктрина, ее идеологи справедливо ссылаются на ее всеобщность. Т.е. нас должно полностью успокоить то обстоятельство, что точно такой же абсурд получают инженеры из США, Канады, Италии и т.д. при расчете зданий по сейсмическим «Нормам и Кодам».

Нас также сильно должно подбодрить то обстоятельство, что там у них тоже регулярно разрушаются их «сейсмостойкие» здания при «неопасном» для них уровне сейсмических нагрузок.

Тем, кто страдает от разрушения «сейсмостойких» зданий, рассчитанных по официальным «Нормам и Кодам», их авторы всегда объясняли эти факты только браком, допущенным строителями. В этих обвинениях особенно преуспели именно ведущие идеологи «колебательной» доктрины [9,11].

Самое массовое и вопиющее шельмование инженеров-строителей произошло после Спитакского землетрясения в Армении, где они были несправедливо обвинены в тотальных кражах цемента в связи с хрупкими разрушениями железобетонных конструкций. При этом сотрудник ННИЖБА Ю.С. Волков с коллегами провели и опубликовали результаты исследования разрушенных железобетонных конструкций в Спитаке и Ленинакане, где они выявили, что содержание в них цемента полностью отвечало требованиям СНиП. Однако это опровержение прошло не замеченным.

Следует особо подчеркнуть, что согласно нашим всесторонним исследованиям этой чрезвычайно важной проблемы [3-5], резкое снижение начальной прочности бетона, раствора и каменной кладки, а также их охрупчивание, отмеченное после землетрясений [9], производит само сейсмическое воздействие, а не козни строений.

Обвинения против строителей впервые не прозвучали лишь после катастрофы в японском г. Кобе, где качество строительства было безупречно [10]. И где японские специалисты впервые заявили о необходимости полного пересмотра официальной стратегии сейсмозащиты (о чем забыли сразу, после утихания ярости пострадавших сограждан). Там впервые было констатировано и официально признано, что именно землетрясение делает хрупким до этого прочный раствор и бетон и что оно хрупко разрушает пластичные сварные швы в стальном каркасе [10].

Видя крайне негативные результаты практического применения своих СНиП по «сейсмостойкому» строительству, их авторы попытались исправить ситуацию, повысив расчетные ускорения грунта сразу в 4 раза. В СНиП-ПА-12-62 мы имели для семи, восьми и девяти балльных зон сейсмичности расчетные ускорения грунта, равные соответственно 0,025g; 0,05g и 0,1g.

А в СНиП-П-7-81 мы с удивлением обнаружили, что те же самые ускорения каким-то чудом вчетверо увеличились и стали равны 0,1g; 0,2g; и 0,4g. Однако, это волевое решение ничуть не исправило катастрофическую ситуацию в сфере сейсмозащиты.

Попробуем ответить на ключевой вопрос о том, почему же именно низкочастотные колебания грунта (и только они) оказались в центре внимания «специалистов» по сейсмозащите и были «назначены» главной и единственной причиной всех сейсмических разрушений зданий.

На наш взгляд, это произошло из-за тотального применения в инженерной сейсмометрии лишь одного узко-специфического типа приборов в виде маятников.

Начиная с конца 19-го века и поныне, маятники успешно используются сейсмологами как наиболее простое и удобное устройство для фиксации момента прихода сейсмических волн [9].

Однако, их применение в качестве приборов, «измеряющих» разрушительные ускорения, скорости и перемещения поверхностного грунта, является тем абсурдом, который привел к нынешней провальной ситуации в сфере сейсмозащиты.

Маятники «прельстили» всех предельной простотой, удобством в эксплуатации и дешевизной. Никого не смущает тот факт, что маятники могут адекватно отображать только один-единственный тип сейсмических движений грунта в виде гармонических колебаний [11], которые в результате были автоматически назначены главной причиной всех сейсмических разрушений [9,11].

Каково же истинное разрушающее сейсмическое воздействие, которое может вызвать все описанные выше необычные факты и формы сейсмических разрушений?

По нашей версии, изложенной в [1-5], им являются волны сдвига, несущие импульсные скорости выше двух м/сек, при их весьма крутом фронте. Именно они вызывают аномальный срез стен и колонн в зданиях и именно их «не замечают» приборы-маятники. Сдвиговые волны сдвигают поверхностную толщу грунта, которая затем начинает совершать возвратные колебания, фиксируемые маятниковыми акселерометрами. Эти колебания лишь продлевают колебания зданий, вызванные волновым сдвигом грунта, но они не могут быть главной причиной сейсмических разрушений. Они смогут лишь несколько усугубить эти разрушения, если напряжения от колебаний будут накладываться на волновые напряжения.

Следует четко отличать сейсмические сдвиговые колебания поверхностной толщи грунта от тех гораздо более опасных волновых импульсов, которые как раз и вызывают эти колебания, производя резкие односторонние сдвиги толщи.

Эти разрушительные импульсы, производимые волнами сдвига, проявляются в виде кратких разрушительных односторонних толчков, которые резко отличаются по своим параметрам от следующих за ними более медленных двухсторонних колебаний верхней толщи грунта.

Волновые импульсные толчки не могут быть зафиксированы маятниковыми сейсмическими приборами, так как эти приборы узко нацелены именно на точное отображение только лишь гармонических колебаний своего основания (будь то грунт или виброплатформа).

Важно подчеркнуть, что даже от действия колебаний грунта или виброплатформы возникают кратковременно слабые локальные волны сдвига, которые проникают внутрь приборов и существенно влияют на картину колебаний их маятников. Тем самым они искажают ожидаемые результаты типовых акселерограмм (сейсмограмм).

Этот волновой процесс никак не учитывается при расшифровке стандартных акселерограмм и сейсмограмм, отображающих колебания грунта, поэтому в них должны быть существенно занижены величины реальных сейсмических ускорений, скоростей и перемещений грунта.

Для того, чтобы выявить наличие этих ошибок, нами было решено провести тестовые испытания стандартных сейсмических приборов на виброплатформах, имитирующих реальные прерывистые колебания грунта с различными ускорениями, соответствующими землетрясениями различной интенсивности. Заранее известные нам ускорения колебаний виброплатформ мы намерены сравнить с теми ускорениями, которые выдадут нам приборы, поставленные на виброплатформы.

Выводы. Для того чтобы переломить сложившуюся негативную ситуацию в сфере сейсмозащиты надо, наконец, разработать и поставить в сейсмоактивных зонах вместо традиционных маятников качественно новые «настоящие» измерительные приборы, которые действительно способны измерять параметры любых, в том числе импульсных волновых движений грунта (а не просто совершать колебания своих маятников).

После решения этой самой главной задачи нам станет, наконец, ясен принцип создания той качественно новой стратегии сейсмозащиты, которая действительно сможет, наконец, надежно защитить от землетрясений наши здания.

Список литературы

1. Смирнов С.Б. «Ударно-волновая концепция сейсмического разрушения сооружений», Энергетическое строительство, 1992, №9, стр. 70-72.

2. Sergey Smirnov «Discordances between seismic destruction and present calculation», International civil Defense Journal, 1994, №1, p. p. 6-7, 28-29, 46-47.

3. Смирнов С.Б. «Исследование аномальных форм в сейсмических разрушениях зданий, противоречащих официальной теории сейсмозащиты и опровергающих официальный взгляд на причины разрушения зданий при землетрясениях», Объединенный научный журнал, Москва, 2008, №9, стр. 51-59.

4. Смирнов С.Б. «Сейсмический срез зданий – результат отдачи толщи грунта, сдвигаемой глубинными сейсмическими волнами», Жилищное строительство, 2009, №9, стр. 32-35.

5. Смирнов С.Б. «Поверхностная толща грунта, как усилитель разрушительного эффекта сейсмических волн и генератор сдвиговых колебаний», Жилищное строительство, 2009, №12.

6. Инструкция по определению расчетной сейсмической нагрузки для зданий и сооружений, Гостройиздат, Москва, 1962, стр. 128.

7. К. Штейнбругге, Д. Морган «Инженерный анализ последствий землетрясений 1952 года в Южной Калифорнии», Гостройиздат, Москва, 1957, стр. 274.

8. «Карпатское землетрясение 1986 г.», Изд. «Штиинца». Кишинев, 1990, стр. 334.

9. Поляков С.В. «Последствия сильных землетрясений», Стройиздат, Москва, 1978, стр. 311.

10. «A survey report for building damages due to the 1995 Hyogo-Ken Nanbu earthquake», Building Research Institute; Ministry of Construction (Japan) 1996, March, p.222.

11. Р. Клаф, Дж. Пензиен «Динамика сооружений», Стройиздат, Москва, 1979, стр. 320.

12. СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах», - М.: ОАО «ЦПП», 2008. -44С.

13. СНиП КР 20-02:2009 «Сейсмостойкое строительство», Госстрой КР. – Бишкек: -103 стр.

14. Смирнов С.Б., Ордобаев Б.С., Маматов Ж.Ы., Рыспаев Д.А., «Анализ сейсмозащиты зданий и сооружений», Известия ВУЗов №10, 2008, Бишкек – с. 12-14.

15. Смирнов С.Б., Тентиев Ж.Т., Ордобаев Б.С., Кожобаев Д.Ш. «Поверхностная толща грунта – генератор сдвиговых колебаний», Известия ВУЗов №10, 2008, Бишкек – с. 14-17.

16. Смирнов С.Б., Темикеев К.Т., Ордобаев Б.С., Джаманкулов К.М. Некоторые вопросы о причинах и формах разрушений при сейсмических воздействиях. Труды международной конференции по распространению упругих и упругопластических волн, посвященной столетию со дня рождения академика, Героя социалистического труда Х.А. Рахматуллина, 28-29 мая 2009, Бишкек – с. 358-363.

17. Смирнов С.Б., Темикеев К.Т., Ордобаев Б.С., Матмурадов У.У., Разрушение зданий глубинными сейсмическими волнами. Наука и Новые Технологии, №2, 2010 – с. 45-47.

18. Смирнов С.Б., Ордобаев Б.С., Кожобаев Д.Ш., Темикеев К.Т., Сейсмический прочностной расчет одноэтажных зданий. Наука и Новые Технологии, №2, 2010 – с. 48-51