УДК 699.841

Смирнов С.Б., Ордобаев Б.С., Атамбек у. М.

О фактах регулярного разрушения «сейсмостойких» зданий

Вскрыты факты регулярного разрушения «сейсмостойких» зданий и сооружений при неопасных для них сейсмических нагрузках.

Ключевые слова: сейсмический, срез, сдвиг, разрушения, колебания, воздействия, напряжение.

Среди наиболее опасных для всего человечества природных катастроф сильные землетрясения занимают особое место. Действительно, сильные землетрясения, способные вызвать обширные разрушения случаются на планете примерно раз в две недели. Каждое сильное землетрясение в густонаселенной местности является катастрофой.

Сейсмостойкость зданий и сооружений –способность зданий и сооружений противостоять сейсмическим воздействиям. Требуемая сейсмостойкость зависит от расчета сейсмичности объектов строительства, устанавливаемой в зависимости от назначения здания и сооружения.

Мы не раз приводили доказательства того, что слабые низкочастотные колебания грунта, которые официально считаются причиной всех сейсмических разрушений, не могут, в принципе, вызвать те крайне необычные формы среза железобетонных колонн и стен, которые всегда возникают при землетрясениях [1–4]. Их могут вызвать лишь сейсмические импульсы [5–7], которые нельзя отобразить теми инерционными сейсмическими приборами, коими до сих пор пользуются сейсмологи [8, 9].Официальная сейсмическая наука считает бесспорным неизбежность затухания разрушительных сейсмических импульсов по пути от центров землетрясений к удаленным от них зданиям. Однако она почему-то всегда упускает из вида то крайне важное обстоятельство, что слабые низкочастотные колебания и подавно должны затухнуть, пробегая большой путь по пористой, и выражено неупругой грунтовой среде.

Дело в том, что каждая очередная волна, несущая импульсное сжатие, обжимает грунт на своем пути (вплоть до её остановки), съедая волны сжатия, несущие импульсы. Напротив, волны, несущие низкочастотные колебания, создают знакопеременные напряжения и потому они не способны оставлять за собой уплотненный и упругий след в грунте, т.е. каждая такая последующая волна будет тратить на уплотнение грунта столько же энергии, как и все предыдущие и также быстро затухнет.

Кроме того, согласно диаграмме сжатия “σ-ε” для грунтов (в виде параболы) доля неупругих деформаций по уплотнению грунта при прохождении слабых сейсмических сигналов даже при однократном нагружении не ниже чем для импульсных сигналов [8;10], даже при однократном нагружении грунта. По нашему убеждению, любые сейсмические сигналы не могут придти к зданиям напрямую от центра землетрясения, если длина их траектории по неплотным поверхностным грунтам превышает 10 км.

В этих пористых грунтах скорости волн весьма малы (часто существенно ниже, чем 200 м/сек). Например, скорость волны сжатия в пылеватом грунте бывает, ниже 10 м/сек. Поэтому сейсмические сигналы на этом пути либо быстро затухнут, либо придут совсем ослабленными и с большим запозданием. Имеется другой, гораздо менее энергозатратный и гораздо более быстрый и потому реальный путь для сейсмических сигналов от центров землетрясений к подошвам зданий.

Речь идет о том, что продольные волны сжатия с большой скоростью и почти без потерь пробегают под зданиями по нижним упругим слоям грунта на больших глубинах H > 50 м. При этом они порождают вторичные волны сдвига, бегущие вверх к подошвам зданий и действующие на них.

Скорости движения волн в нижних слоях на порядок выше, чем в верхних [11]. В результате они сдвигают свои слои относительно верхних слоев и этим вызывают перекос и сдвиг всей поверхностной толщи грунта глубиной H порядка 100–150 м. Этот сдвиг формируется при пробегании снизу-вверх вторичных волн сдвига.

При этом в сдвигаемой толще накапливается огромная потенциальная энергия. Периодически распрямляясь, толща скачком переводит её в кинетическую энергию и наносит мягкие боковые удары по фундаментам зданий. Именно эти удары срезают колонны и стены зданий при землетрясениях. В грунте по мере роста его глубины H с ростом вертикального давления p = ρ_н и бокового давления 0,2p интенсивно растут его модули E и G (пропорционально H²) и медленно растет плотность грунта ρ. В результате скорости продольных волн

С =

и волн сдвига

Č =

растут почти линейно с ростом H. Ширина фронта для вторичных волн сдвига почти постоянна при их пробеге к поверхности грунта. Поэтому согласно условиям равновесия мы имеем следующее соотношение для касательных напряжений τ в этих волнах:

τ = ρ_нV_нČ_н = ρ_вV_вČ_в = const, (1)

где V_н и V_в – скорости грунта в нижних и верхних слоях грунта соответственно, Č_н и Č_в – скорости волн сдвига в тех же слоях соответственно.

Учитывая, что скорость V_В удваивается при отражении волны сдвига от поверхности грунта, получим из (1) следующую ключевую формулу для скорости грунта возле поверхности:

V_в = 2V_н* С_н/С_в (2)

В грунтах соотношение С_н/С_в может быть близким к десяти, а ρ_н/ρ_в близко к двум [11]. Т.е. скорость грунта на поверхности V_В может быть 40 раз выше, чем скорость грунта V_Н в нижних слоях. Именно с этой большой скоростью V_В грунт наносит фронтальные удары по вертикальным торцам фундаментов и сдвиговые удары по их подошвам.

Волны сдвига в свою очередь порождают вторичные волны сжатия, которые догоняют волны сдвига, возникающие впереди, и накладываются на них. Они создают существенное горизонтальное сжатие, которое уплотняет грунт и приближает процесс сдвига к упругому даже в самых верхних слоях. Этому также способствует большая скорость нагружения грунта и его кратковременность. Чтобы показать реальность сейсмического среза железобетонных колонн сдвиговыми импульсами, нам необходимо задаться конкретными параметрами грунта.

Согласно данным [11], а также по данным “Международной ассоциации тоннелестроителей” для глины разных плотностей имеем:

· на глубине H = 1 м: ρ = 1,4 т/м3; С_В = 260 м/с;

· на глубине H = 60 м: ρ = 2,8 т/м3; С_Н = 1870 м/с.

Не имея данных о скоростях волн в более глубоких, условно ограничиваем размер сдвигаемой толщи величиной H = 60 м, но при этом считаем, что сдвиг толщи происходит квазиупруго. Эти два допущения взаимно компенсируют вносимую ими погрешность и потому не могут принципиально исказить суть описываемого процесса.

Итак, даже без учета неизбежного затухания верхней волны, нижняя волна обгонит её за одну секунду на 1610 м. Порожденная ею волна сдвига убегает до поверхности грунта, отразившись от неё, удваивает скорость V_Н и бежит обратно, снимая сдвиг с поверхностной толщи. Этим она вызывает отдачу со стороны толщи. Свой двойной пробег волна сдвига, бегущая со средней скоростью, совершает за время Т = 2Н/Č. При Č_ср = 700 м/с имеем T=0,17с, то есть удары по фундаментам в нашем примере будут приходить с периодичностью T = 0,17 с.

По формуле (2) найдем во сколько раз возрастает скорость грунта на поверхности V_В по сравнению с породившей ее скоростью грунта в нижнем слое V_Н.

При наших данных Č_В = 116 м/с; С_Н = 836 м/с; ρ_В = 1,4 т/м3; ρ_н = 2,8 т/м3 мы согласно (2) находим, что V_В = 28,4V_Н. Именно с такой большой скоростью грунта волны сдвига и вторичные волны сжатия наносят горизонтальные удары по фундаментам.

Нам надо определить, какая скорость бетона V_Б при этом возникает в фундаментной плите. В [1] были получены общие формулы для скорости V_Б при переходе из грунтовой среды волн, несущих скорость грунта V_В в бетонную среду. Мы получили следующую приближенную формулу для нашего случая:

V_Б = V_B*6() (3)

При реальных параметрах для грунта и железобетона С_в = 260 м/с; Č_в = 116 м/с;

C_Б = 4920 м/с; Č_Б = 2200 м/с; ρ_Б = 2,5 т/м³; ρ_в= 1,4 т/м3 согласно (3) получим, что V_Б =0,375V_В.

Учитывая, что V_В = 28,4V_Н, получим: V_Б = 10,6V_Н. Задавшись достаточно малой скоростью грунта V_Н в нижних слоях V_Н = 0,1 м/с получим, что V_Б = 1,06 м/с.

Фундаментная плита, где скачком возникла скорость V_Б = 1,06 м/с, создаст в железобетонных колоннах 1-го этажа волну сдвига. Она бежит по ним со скоростью

Č_Б = = 2200 м/с

и создает напряжение сдвига τ, а также главные растягивающие напряжения σ⁺_гл, действующие по косым главным площадкам. При этом

τ = G_Б · V_Б ·(Č_Б)^-1 = σ⁺_гл =12·10⁴ кг/см²·1,06 м/с ·(2200 м/с)^-1 = 58 кг/см².

Волна сдвига многократно отражается от жестких дисков перекрытия и фундаментной плиты. При этом ее напряжения существенно возрастут. Однако, очевидно, что и первичного напряжения σ⁺_гл = 58 кг/см² вполне достаточно для разрыва колонны и ее среза по наклонному сечению в 6 раз выше статистической прочности бетона на растяжение R_st = 10 кг/см².

Выясним, как быстро произойдет этот срез.

Согласно [12] при σ⁺_гл > R_st ключевым прочностным параметром становится уже непрочность R_st, а скорость разрушения бетона V_p, которая равна скорости развития трещины вдоль растянутого наклонного сечения, где действует σ⁺_гл. При σ⁺_гл>5R_st скорость разрушения определяется приближенной формулой:

V_p = 20 ·1,06 м/с = 21,2 м/с.

При толщине колонны h = b = 0,4 м и длине косого сечения 0,6 м колонна будет срезана за 0,03 с.

Сдвиговая деформация колонны неустойчива и стремится перейти в деформацию изгиба. Поэтому вслед за волной сдвига с меньшей скоростью по колонне бежит волна изгиба. Она ограничивает рост сдвига при многократных отражениях волны сдвига от ригелей и плит, защемляющих колонны. Однако нарастающие деформации изгиба не успевают создать изломы колонн возле их заделок за малое время среза колонн t = 0,03 с.

Описанный выше эффект от сдвига и отдачи верхней толщи по смыслу базовой формулы (2) должен быть максимален для рыхлых грунтов и минимален для скальных оснований зданий. Практика это полностью подтверждает.

Действительно, в зданиях, стоящих на рыхлых и пылеватых грунтах, сейсмические разрушения минимальны (на базе официальной сейсмической теории нельзя объяснить этот эффект).

Что же касается среза железобетонных колонн, то его можно исключить, заменив их на стальные, но не имеющие сварных соединений или взять их в стальные обоймы.

Как же можно защититься от этих сдвиговых импульсов? Для защиты надо исключить горизонтальные удары грунта по фундаментам.

Для этого здание следует поставить на мощную фундаментную плиту, лежащую поверх грунта на сваях, которые препятствуют ее вдавливанию в грунт. При этом здание еще должно быть устойчивым к опрокидыванию за счет ограниченной высоты и достаточно большой ширины и длины [3; 5; 9; 13].

Список литература

1. Смирнов С.Б. Ударно-волновая концепция сейсмического разрушения сооружений// Бетон и железобетон, 1992, №11. – С. 28-31.

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. 51-63

4. Смирнов С.Б. «О принципиальной ошибке в традиционной трактовке записей инерционных сейсмических приборов», Жилищное строительство, 1995, №1, стр. 23-25.

5. Рыков Г.В. «Прикладные методы динамики сооружений», Труды МИСИ им. Куйбышева, Москва, 1992, стр. 103.

6. «Soils and Foundations», Special issue of Geotechnical aspect of the January 17, 1995 Hyogo-Ken Nanbu Earthquake, Japanese Geotechnical Society, January 1996, p. 359.

7. Смирнов С.Б. Обоснование причин разрушения «сейсмостойких» зданий и эффективные меры их сейсмозащиты // Энергетическое строительство. – 1994. – №4. – С. 68-71

8. Смирнов С.Б. о причинах провала официальной стратегии сейсмозащиты // Объединенный научный журнал, Москва, 2008, №9, стр. 51-63

9. Смирнов С.Б. О расчете защитных железобетонных оболочек АЭС на непробиваемость при ударе «мягкого протяженного объекта» // Энергетическое строительство. – 1992, №11. – С. 57-59.

10. Smirnov Sergey. The main Suspect, Science in Russia. – 1994. – №5. – P. 12-15.

11. Smirnov Sergey. A riddle it`s high time to solve. Russia. – 1997. – №5. – P. 34-36.

12. Рыков Г.В., Скобеев А.М. Измерение напряжений в грунтах при кратковременных нагрузках. – М.: Наука, 1978. – С. 246.

13. Smirnov S.B., Zimin M.J. Seismic failures-new point of view // The Ontario Technologist. – 2009. Vol. 51. – №4. – P. 12-13

14. Смирнов С.Б., Ордобаев Б.С., Айдаралиев Б.Р. «Сейсмические разрушения – альтернативный взгляд», сборник научных трудов, часть І, Издательство «Айат», Бишкек -2012г., 138с.

15. Смирнов С.Б., Ордобаев Б.С., Айдаралиев Б.Р. «Сейсмические разрушения – альтернативный взгляд», сборник научных трудов, часть ІІ, Издательство «Айат», Бишкек – 2013, 144 стр.