С. Б. СМИРНОВ, д-р техн. наук, проф, (МИСИ) Ударно-волновая концепция сейсмического разрушения и сейсмозащиты сооружений
По многочисленным наблюдениям, большинство сейсмических разрушений зданий происходит после первых, наиболее мощных толчков, которые почти мгновенно срезают колонны и стены зданий, но не успевают раскачать здание, т. е. вызвать в нем появление опасных сил инерции.
Известно, что при землетрясениях появлению инерционных сил всегда предшествует появление волн поперечного сдвига в вертикальных элементах зданий, т. е. сдвиговые волны первичны, а инерционные силы — вторичны. Логично было бы считать именно эти волны одной из главных причин сейсмического разрушения зданий. Тем не менее, общепринятой и единственной причиной сейсмических разрушений сооружений до сих пор считают сейсмические, сугубо вторичные инерционные силы.
Такой противоречащий почти всем экспериментам подход был оправдан лишь при начале формирования сейсмической науки, но при современном развитии теории волновых процессов в грунте и теории ударной прочности материалов от него следует отказаться.
Традиционный сейсмический расчет заключается в определении эквивалентной статической величины инерционных сил, которые затем прикладываются к массивным элементам и дискам перекрытий. При этом для определения прочности и неразрушимости элементов зданий используют обычные статические прочностные константы материалов. К сожалению, данная инерционно-силовая концепция противоречит реальности. Дело в том, что всесторонний и тщательный анализ многочисленных разрушений зданий во многих случаях не согласуется с реальными схемами разрушения и даже противоречит им. Имеется много типов реальных сейсмических разрушений, которые невозможно объяснить только на базе этой концепции. Приведем шесть наиболее наглядных и часто встречающихся примеров [1] реальных сейсмических разрушений, которые противоречат общепринятой инерционно-силовой концепции и не могут быть вызваны действием инерционных сил.
Пример 2. Здание с гибким каркасным 1-м этажом.
Согласно расчетной схеме такого здания (рис. 2) в четырех опорных сечениях А гибких колонн возникают максимальные изгибающие моменты Л4ах = 1/4/с/г, которые вызваны действием инерционной силы 1С, приложенной к жесткой верхней части здания. С ростом силы 1С моменты Max достигнут предельного значения М0, что должно привести к появлению четырех пластических шарниров по концам колонн в точке А. В результате эта рама должна превратиться в классический изгибной механизм бокового смещения. Так, на практике разрушаются все аналогичные рамы с подобной горизонтальной
Расчетная схема дана на рис. 3 Оконные проемы ослабляют стену при ее работе на горизонтальную инерционную силу с. Суммарное поперечное сечение всех простенков в ослабленной зоне А—А намного меньше, чем в зоне без проемов В—В, поэтому в первую очередь от предельной инерционной силы 1с должны разрушаться простенки А—А, где напряжение от нее на порядок выше, чем в сплошной зоне стены В—В (см. рис. 3) нагрузкой. Однако при воздействии землетрясений с частыми толчками такие рамы разрушаются иначе. В них возникает совершенно иной, сдвиговой механизм хрупкого разрушения, когда в наименее напряженных сечениях С происходит поперечный срез колонн по наклонным сечениям (см. рис. 2). Появление такого механизма при действии горизонтальной инерционной силы 1С представляется невероятным и противоречит основным положениям теории предельного равновесия и строительной механике. При обычных, не сейсмических горизонтальных нагрузках, никогда не возникают подобные сдвиговые механизмы со срезом колонн в наименее нагруженных сечениях С—С, а наблюдается обычный изгибной механизм.
Однако на практике, согласно многочисленным натурным наблюдениям, при частых сейсмических толчках трещины появляются одновременно в ослабленной зоне А—А и сплошной В—В. Это разрушение от силы также является парадоксальным для такой схемы нагружения и противоречит положениям строительной механики.
Пример 4. Разрушение стен разной толщины под действием одинаковых инерционных сил.
Оказывается, что часто толщина стен и других элементов почти не влияет на степень их разрушения при частых сейсмических толчках. Например, часто одно и то же значение инерционной силы 1С приводит к почти одновременному разрушению бетонных стен одинаковой и разной толщины. В то же время при инерционно-силовой концепции разрушения толщина элемента должна оказывать решающее влияние при сейсмических разрушениях. Отсутствие прямого влияния толщины полностью ставит под сомнение инерционно-силовую концепцию сейсмического разрушения.
В заключение приведем два весьма частых примера сейсмических разрушений, которые тоже не могут быть вызваны сейсмическими инерционными силами.
Пример 5. Высокие диафрагмы жесткости и стены высоких ядер жесткости часто разрушаются от среза по наклонным сечениям, а не от изгиба силой /с, хотя нормальные растягивающие напряжения в уровне нижней заделки от силы 1с намного больше, чем касательные напряжения.
Пример 6. Шарнирные колонны каркаса, где вообще не возникают от действия горизонтальных инерционных сил ни усилия М и Q, ни напряжения, тем не менее разрушаются путем среза.
Итак, во всех шести рассмотренных случаях разрушения зданий были вызваны не инерционными силами, а волновым ударно-сдвиговым воздействием, которое было приложено к зданиям и разрушило их еще до появления инерционной силы. До сих пор это воздействие почти не принималось во внимание при прочностном расчете и не было детально исследовано. Можно привести еще много подобных примеров сейсмического разрушения, противоречащих по своей природе инерционно-силовой концепции разрушения.
Среди множества случаев сейсмического разрушения невозможно найти противоположные по природе примеры разрушений, которые бы прямо свидетельствовали о том, что они вызваны появлением резонансных или обычных инерционных сил. Почти все реально возникавшие случаи изгибного разрушения колонн, высоких стен и ядер жесткости, похожие на разрушение от сил инерции, могут быть вызваны действием волн изгибных напряжений, появление которых сопровождает прохождение волн сдвиговых напряжений по вертикальным элементам зданий. Если волны сдвига имеют длину, превышающую высоту здания, то волновые изгибные напряжения достигают очень больших значений и приводят к изгибному ударному разрушению зданий, которое внешне выглядит точно так же, как и разрушение от инерционных сил, но предшествует их появлению.
Если учесть, что подавляющее большинство разрушений происходит сразу после первого толчка, когда здание не успевает раскачаться и резонансные инерционные силы еще не появились, то можно сделать единственно возможный вывод о том, что подавляющее большинство сейсмических разрушений происходит не от инерционных сил, а от волнового воздействия.
Общепринятая концепция сейсмических разрушений состоит в том, что в грунте при землетрясениях возникает широкий спектр гармонических колебаний с разными частотами и что здание всегда улавливает в этом спектре именно свою частоту и, резонируя только с ней, разрушается. Эта концепция неверна. Дело в том, что сейсмические перемещения не являются колебаниями и тем более гармоническими. При колебаниях должны происходить возвратно-поступательные перемещения грунта, изменяющиеся по закону синуса или косинуса. На самом деле землетрясение создают хаотичную систему толчков, т. е. скачкообразных односторонних перемещений, которые вызваны, в основном, прохождением наиболее опасных поверхностных волн сжатия в грунте. Во фронте этих волн скачком появляется скорость перемещения, исчезающая за волной. Попадание собственных колебаний здания в резонанс с хаотичной системой толчков маловероятно. Если учесть, что при пластических деформациях здание уходит от резонанса (но при этом не может уйти от опасного разрушающего воздействия волн среза), то разрушения от действия сейсмических инерционных сил невозможны.
Причиной сейсмических разрушений являются волны напряжений сдвига ть, которые возникают в стенах, диафрагмах и других вертикальных элементах зданий от прохождения поверхностных сейсмических волн сжатия (или горизонтальных толчков) под зданиями.
Предлагаемый прием сейсмоизоляции вполне пригоден для существующих зданий АЭС и достаточно эффективен. Действительно, поскольку отношение Grp/G6 незначительно, то значение намного ниже, чем (4), поэтому напряжения также снизятся при замене в них скорости.
Сущность прочностного расчета вертикальных железобетонных элементов зданий на воздействие ударных касательных напряжений во фронте волн сдвига такая же, как при расчете защитных оболочек АЭС на пробивание при ударе самолета [2], хотя скорость здесь намного ниже. Необходимо ввести и использовать в расчете такие новые понятия ударно-скоростного разрушения, как скорость разрушения бетона Ур и его мгновенную (теоретическую) прочность Rlt, где
Отсюда видно, что имеется прямая связь между скоростью разрушения бетона Ур и скоростью сдвига Vr, или скоростью перемещений У„ во фронте сейсмической волны в фундаментной плите. Причем Ур всегда на порядок выше, чем Уг.
При построении методики прочностного расчета железобетонных стен и колонн придется описывать процесс формирования и развития волнового поля напряжений сдвига и изгиба, а затем на его основе анализировать и вызванный им процесс скоростного разрушения бетона в стенах, диафрагмах и колоннах.
Например, если в грунте вдоль поверхности идут короткие волны сжатия, то в упрощенной трактовке условием неразрушимости вертикального железобетонного элемента с рабочей толщиной А от среза является выполнение соотношения
Подавляющее большинство сейсмических конструктивных мер защиты, кроме сейсмоизоляции, направлено лишь на нейтрализацию опасного воздействия инерционных сил и поэтому бесполезно при воздействии ударно-волновых напряжений среза, что и подтверждается почти во всех случаях достаточно интенсивных землетрясений. Необходимы совершенно иные, новые антисейсмические меры, эффективные в борьбе с наиболее опасным ударно-волновым сейсмическим воздействием. Такие меры уже разработаны и прошли успешную экспериментальную проверку.
Бетон и железобетон, 1992 №11