Воздействие сейсмических волн. Землетрясения.

Землетрясения - это подземные толчки и колебания земной поверхности.

Большей части России разрушительные землетрясения не угрожают - они происходят, главным образом, в горных районах, где земная кора более подвижна и неустойчива, так как горные хребты являются молодыми формированиями, поэтому в таких районах придается важное значение антисейсмическому строительству. 

Разрушения зданий и сооружений вызываются как колебаниями почвы, так 

Возникающие колебания распространяются в Земле, и, через основания, передаются на сооружения. Разрушительны и гигантские приливные волны (цунами), возникающие при сейсмических смещениях на морском дне. Опасны также и последствия землетрясений – паника, пожары, нарушение транспортного сообщения.

Ежегодно на Земле происходит до ста тысяч землетрясений, фиксируемых приборами; из них люди ощущают около десяти тысяч, причем примерно сто землетрясений приводят к большим землетрясениям, и, в среднем, одно землетрясение в год носит катастрофический характер.

Примером их возможной разрушительной силы может являться землетрясение, произошедшее в Японии 1 сентября 1923 г. Землетрясение охватило площадь около 56 тыс. км².  В течение нескольких секунд были практически полностью уничтожены Токио, Йокогама, Йокосука и ещё 8 менее крупных городов. В Токио только пожаром было уничтожено свыше 300 тысяч зданий (из миллиона), в Йокогаме подземными толчками было разрушено 11 тысяч зданий и ещё 59 тысяч сгорело. Ещё 11 городов пострадали менее серьёзно. Из 675 мостов 360 было уничтожено огнём. Токио лишился всех каменных зданий, устоял только отель «Империал», возведенный за год до этого знаменитым Фрэнком Ллойдом Райтом. Этот отель был первым в Японии сейсмоустойчивым каменным зданием. Официальное число погибших — 174 тысячи, ещё 542 тысячи числятся пропавшими без вести, свыше миллиона остались без крова. Общее число пострадавших составило около 4 миллионов. Материальный ущерб, понесённый Японией от землетрясения Канто, оценивается в 4,5 миллиарда долларов, что составляло на тот момент два годовых бюджета страны.

Согласно научной классификации, по глубине возникновения землетрясения делятся на 3 группы: «нормальные» — 33 — 70 км, «промежуточные» — до 300 км, «глубокофокусные» — свыше 300 км.

К последней группе относится землетрясение, которое произошло 24 мая 2013 года в Охотском море, тогда сейсмические волны достигли многих уголков России, в том числе и Москвы. Глубина этого землетрясения достигала 600 км.

ПРИЧИНЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Одной из причин землетрясений является быстрое смещение участка литосферы (литосферных плит) как целого в момент релаксации (разрядки) упругой деформации напряжённых пород в очаге землетрясения.

Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли.

При землетрясении в результате перемещения частиц горных пород возникают упругие волны, называемые сейсмическими. Они распространяются в поверхностных слоях Земли с огромной скоростью: продольные – от 5 до 8 км\сек, поперечные – от 3 до 5 км/сек.

Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли — землетрясения.

Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород, называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом — эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.

Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.

Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.

Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).

Существует ещё третий тип упругих волн — длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.

Сила землетрясения, испытываемая сооружением, зависит от удаления и глубины очага, от геологии местности и гидрогеологии участка застройки.

ВОЗДЕЙСТВИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН НА СООРУЖЕНИЯ

Последствия землетрясений зависят от пространственной жесткости, размеров, формы и веса зданий, а также от количества и характера толчков. Наиболее опасны для зданий горизонтальные составляющие колебаний почвы, поскольку при землетрясении здания работают как вертикальный брус или пластина, консольно заделанные в грунт.  Возникающие в районе эпицентра вертикальные сейсмические нагрузки более опасны для горизонтальных конструкций – перекрытий, карнизов и т.п.

Степень разрушения зданий и сооружений в одном сейсмическом районе может быть неодинаковой вследствие разных конструктивных типов сооружений, различного качества строительных материалов (к примеру, при одной и той же интенсивности землетрясения одни здания могут подвергнуться большим повреждениям, чем другие, если у них плохое сцепление камня с раствором), специфики производства работ и характера оснований, (например, на слабых основаниях разрушения всегда больше, чем на прочных). 

ОЦЕНКА И ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ И ВОЗДЕЙСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд (например, шкала Рихтера) и различные шкалы интенсивности.

Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw).Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии. 

Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясения на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в Европе — европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии — шкала Японского метеорологического агентства (Shindo), в США и России — модифицированная шкала Меркалли (MM):

1 балл (незаметное) — отмечается только специальными приборами

2 балла (очень слабое) — ощущается только очень чуткими домашними животными и некоторыми людьми в верхних этажах зданий

3 балла (слабое) — ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика

4 балла (умеренное) — землетрясение отмечается многими людьми; возможно колебание окон и дверей;

5 баллов (довольно сильное) — качание висячих предметов, скрип полов, дребезжание стекол, осыпание побелки;

6 баллов (сильное) — легкое повреждение зданий: тонкие трещины в штукатурке, трещины в печах и т. п.;

7 баллов (очень сильное) — значительное повреждение зданий; трещины в штукатурке и отламывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах, повреждение дымовых труб; трещины в сырых грунтах;

8 баллов (разрушительное) — разрушения в зданиях: большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб. Оползни и трещины шириной до нескольких сантиметров на склонах гор;

9 баллов (опустошительное) — обвалы в некоторых зданиях, обрушение стен, перегородок, кровли. Обвалы, осыпи и оползни в горах. Скорость продвижения трещин может достигать 2 см/с;

10 баллов (уничтожающее) — обвалы во многих зданиях; в остальных — серьёзные повреждения. Трещины в грунте до 1 м шириной, обвалы, оползни. За счет завалов речных долин возникают озёра;

11 баллов (катастрофа) — многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах. Общее разрушение зданий;

12 баллов (сильная катастрофа) — изменение рельефа в больших размерах. Огромные обвалы и оползни. Общее разрушение зданий и сооружений.

Землетрясения силой в 6 баллов и менее не вызывают опасных повреждений, а землетрясения силой в 10 баллов и более настолько разрушительны, что противодействовать им обычными способами повышения сейсмостойкости не представляется возможным, а потому в районах, где вероятны такие землетрясения, строительство обычно не ведется. Следовательно, здания могут быть защищены от землетрясений силой 7-9 баллов. В районах с сейсмичностью в 9 баллов возведение сооружений первой категории сопровождается дополнительными антисейсмическими мероприятиями.

Не без использования материалов книги М. Бойко "Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий" и wikipedia.org