Прогнозирование и оценка обстановки при землетрясениях
Землетрясение - это подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии Земли и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний.
Около 20 % территории России находится в сейсмоопасных зонах. В XX веке здесь произошло более 40 разрушительных землетрясений.
Опасные последствия землетрясений разделяют на природные и техногенные, связанные с деятельностью человека. К природным относятся: нарушение грунта (трещины и смещения), оползни, лавины, сели, цунами. Связанные с деятельностью человека - разрушение или обрушение зданий, мостов и других сооружений; наводнения при прорывах плотин и водопроводов; пожары при повреждениях нефтехранилищ и разрывах газопроводов; повреждение транспортных средств, коммуникаций, линий энерго- и водоснабжения, а также канализационных труб; радиоактивные утечки при повреждениях ядерных реакторов.
Количество человеческих жертв при землетрясениях зависит от времени начала землетрясения, магнитуды, глубины очага, удаления от населенных пунктов, типа построек и их качества, наличия в зоне землетрясения взрыво- и пожароопасных объектов, водохранилищ и плотин и т. п. Основная причина гибели людей при землетрясениях - обрушение зданий.
Основными характеристиками землетрясений являются магнитуда и интенсивность.
Магнитуда землетрясения является мерой общего количества энергии, излучаемой при сейсмическом толчке в форме упругих волн в гипоцентре землетрясения, расположенном в очаге землетрясения на глубине до 730 км. Проекция гипоцентра на поверхность земли определяет эпицентр землетрясения, вокруг которого располагается область, называемая эпицентральной, и испытывающая наибольшие колебания грунта.
Сила землетрясения исчисляется в баллах, причем обычно применяют либо шкалу Рихтера, использующую величину магнитуды (1 < М < 9), либо международную шкалу MSK (или близкую к ней шкалу Меркалли), использующие величину интенсивности землетрясения (1 < J< 12).
Землетрясения в зависимости от интенсивности колебаний грунта на поверхности земли классифицируются следующим образом: слабые (1...3 балла); умеренные (4 балла), довольно сильные (5 баллов); сильные (6 баллов); очень сильные (7 баллов); разрушительные (8 баллов); опустошительные (9 баллов); уничтожающие (10 баллов); катастрофические (11 баллов); сильно катастрофические (12 баллов).
Интенсивность землетрясения J(R) определяется по формуле:
где R - расстояние от эпицентра землетрясения, км; h - глубина гипоцентра землетрясения, км; М - магнитуда землетрясения, равная:
где Zm - амплитуда земных колебаний, мкм.
Реальная интенсивность землетрясения и степень разрушений зданий и сооружений будет зависеть от типа грунта как под застройкой, так и на остальной окружающей местности:
где А7П0СТ - приращение балльности для грунта (по сравнению с гранитом), на котором построено здание; AJ0M - приращение балльности для грунта в окружающей местности (табл. 8.1).
Таблица 8.1
Значения а/пост; a jom
|
Тип грунта |
|
Тип грунта |
|
|
Г ранит |
0 |
Песчаные |
1,6 |
|
Известняк |
0,52 |
Глинистые |
1,61 |
|
Щебень, гравий |
0,92 |
Насыпные рыхлые |
2,6 |
|
Полускальные грунты |
1,36 |
Все здания и типовые сооружения традиционной постройки (без антисейсмических мероприятий) подразделяются на три группы, каждой из которых свойственна определенная сейсмостойкость (табл. 8.2).
Таблица 8.2
Классификация зданий и сооружений по сейсмостойкости (Jc)
|
Группа |
Характеристика здания |
Jc, баллы |
|
|
А |
А1 |
Здания со стенами из местных строительных материалов: глинобитные без каркаса; саманные или из сырцового кирпича без фундамента; выполненные из скатанного или рваного камня на глиняном растворе и без регулярной (из кирпича или камня правильной формы) кладки в углах и т. п. |
4 |
|
А2 |
Здания со стенами из самана или сырцового кирпича; с каменными, кирпичными или бетонными фундаментами; выполненные из рваного камня на известковом, цементном или сложном растворе с регулярной кладкой в углах; выполнение из пластового камня на известковом, цементном или сложном растворе; выполненные из кладки типа "мидис"; здания с деревянным каркасом с заполнением из самана или глины, с тяжелыми земляными или глиняными крышами; сплошные массивные ограды из самана или сырцового кирпича и т. п. |
4,5 |
|
|
Б |
Б1 |
Здания с деревянным каркасом с заполнением из самана или глины и легкими перекрытиями |
5 |
|
Б2 |
Типовые здания из жженого кирпича, тесаного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или сложном растворе: сплошные ограды и стенки, трансформаторные киоски, силосные и водонапорные башни |
5,5 |
|
|
В |
В1 |
Деревянные дома, рубленные «в лапу» или «в обло» |
6 |
|
В2 |
Типовые железобетонные, каркасные, крупнопанельные и армированные крупноблочные дома; железобетонные сооружения: силосные и водонапорные башни, маяки, подпорные стенки, бассейны и т. п. |
6,5 |
|
|
С |
С7 |
Типовые здания и сооружения всех видов (кирпичные, блочные, панельные, бетонные, деревянные, щитовые и др.) с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 7 баллов |
7 |
|
С8 |
То же для расчетной сейсмичности 8 баллов |
8 |
|
|
С9 |
То же для расчетной сейсмичности 9 баллов |
9 |
|
Примечание. При сочетании в одном здании признаков двух или трех типов здание в целом следует относить к слабейшему из них.
Состояние зданий и сооружений после землетрясения оценивается степенью повреждения I (табл. 8.3).
Таблица 8.3
Степени (/) разрушений зданий при землетрясениях
|
Степень / |
Характеристика повреждений |
|
0 Отсутствие видимых повреждений |
Сотрясение здания в целом; сыплется пыль из щелей, осыпаются чешуйки побелки |
|
Слабые повреждения материала и неконструктивных элементов здания: тонкие трещины в штукатурке; откалывание небольших |
|
|
1 Слабые повреждения |
кусков штукатурки; тонкие трещины в сопряжениях перекрытий со стенами и стенового заполнения с элементами каркаса, между панелями, в разделке печей и дверных коробок; тонкие трещины в перегородках, карнизах, фронтонах, трубах. Видимые повреждения конструктивных элементов отсутствуют. Для ликвидации повреждений достаточен текущий ремонт здания |
|
2 Умеренные повреждения |
Значительные повреждения материала и неконструктивных элементов здания, падение пластов штукатурки, сквозные трещины в перегородках, глубокие трещины в карнизах и фронтонах, выпадение кирпичей из труб, падание отдельных черепиц. Слабые повреждения несущих конструкций: тонкие трещины в несущих стенах, незначительные деформации и небольшие отколы бетона или раствора в узлах каркаса и в стыках панелей. Для ликвидации повреждений необходим капитальный ремонт здания |
|
3 Тяжелые повреждения |
Разрушения неконструктивных элементов здания: обвалы частей перегородок, карнизов, фронтонов, дымовых труб. Значительные повреждения несущих конструкций: сквозные трещины в несущих стенах, значительные деформации каркаса, заметные сдвиги панелей, выкрашивание бетона в узлах каркаса. Возможен восстановительный ремонт здания |
|
4 Частичное разрушение |
Частичные разрушения несущих конструкций: проломы и вывалы в несущих стенах; разрывы стыков и узлов каркаса; нарушение связей между частями здания; обрушение отдельных панелей перекрытия; обрушение крупных частей здания |
|
5 Обвал |
Обрушение несущих стен и перекрытия, полное обрушение здания с потерей его формы |
Примечание. В зданиях, возведенных с антисейсмическими мероприятиями, при оценке степени повреждения учитываются только повреждения несущих элементов конструкций.
Люди, находящиеся в момент землетрясения внутри зданий, поражаются преимущественно обломками строительных конструкций. Вероятность общих (Роош) и безвозвратных (Рбсзв) потерь в зависимости от степени повреждения зданий представлена в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Вероятность общих (Р00щ) и безвозвратных (Росзв) потерь
|
Вероятность потерь |
Степень разрушения здания |
fZL_ |
||
|
0, 1,2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
робщ Г1 |
0 |
0,05 |
0,5 |
0,95 |
|
рбезв *1 |
0 |
0,01 |
0,17 |
0,65 |
Для группы однотипных зданий в зависимости от их сейсмостойкости Jc и реальной интенсивности землетрясения Урсал может быть найдена осредненная
степень разрушения (табл. 8.5), которая используется для приближенной оценки потерь населения, находящегося в этих зданиях, по данным табл. 8.4.
Таблица 8.5
Зависимость осредненной степени разрушения однотипных зданий (/ ) от приведенной интенсивности (Уреал -Jc) землетрясения
|
*^реал *^с |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
и |
0,1 |
0,50 |
1,5 |
2,5 |
3,5 |
4,5 |
4,9 |
Так как степени разрушения зданий тоже являются случайными величинами, поэтому более точно потери населения с учетом данных табл. 8.4 следует оценивать по их математическим ожиданиям. Для этого сначала вычисляются вероятности людских потерь различных видов (структура потерь) по формулам:
- вероятность общих потерь населения
- вероятность безвозвратных потерь населения
- вероятность санитарных потерь населения
где Pj=з 5 - вероятность получения зданиями степеней поражения от 3 до 5 (см. табл. 8.6).
Таблица 8.6
Вероятность Р? получения зданиями различной степени повреждения (/)
|
*^реап *^с |
Степень повреждения I |
|||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
0 |
0,9 |
0,1 |
||||
|
1 |
0,4 |
0,5 |
0,1 |
|||
|
2 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,1 |
||
|
3 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,1 |
|
|
4 |
0 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,1 |
|
5 |
0 |
0 |
0 |
0,1 |
0,3 |
0,6 |
|
6 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,1 |
0,9 |
Далее, учитывая, что по своей физической сущности величины Робш, Рбезв, и Рса" представляют собой относительные потери населения, под которыми понимают отношение численности пострадавшего населения (по видам поражения) в зданиях к его обшей численности в них, то абсолютные потери населения в зданиях при землетрясении определяются по формулам:
где №6щ, №™, NCdH - абсолютные общие, безвозвратные и санитарные потери; N,t - численность населения, находящегося в зданиях.
Потери населения зависят от места его нахождения в различное время суток (табл. 8.7).
Таблица 8.7
Среднесуточное распределение городского населения по месту его пребывания
|
Время суток, ч |
Место нахождения,% |
||||||||
|
Жилые здания и здания культ.-быт. назначения |
Произ- вод- ственные здания |
В транспорте |
На улице (открыто) |
||||||
|
Города с населением (млн. чел.) |
|||||||||
|
|
Более 1,0 |
|
|
Более1,0 |
||||
|
1 |
6 |
94 |
6 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
6 |
7 |
74 |
6 |
7 |
9 |
12 |
13 |
11 |
8 |
|
7 |
10 |
22 |
50 |
9 |
11 |
17 |
19 |
17 |
11 |
|
10 |
13 |
28 |
52 |
6 |
7 |
10 |
14 |
13 |
10 |
|
13 |
15 |
45 |
37 |
4 |
4 |
7 |
14 |
14 |
11 |
|
15 |
17 |
27 |
49 |
8 |
9 |
13 |
15 |
15 |
12 |
|
17 |
19 |
45 |
24 |
10 |
12 |
15 |
20 |
18 |
15 |
|
19 |
01 |
77 |
14 |
4 |
4 |
6 |
5 |
5 |
3 |
