«Некоторые новые воззрения на сейсмические воздействия».

Смирнов С.Б., Ордобаев Б.С., Бозов К.Д., Айдаралиев Б.Р.,

Абдыкеева Ш.С.

Согласно ныне принятой доктрине причина всех тяжелейших последствий землетрясений – колебания грунта, ускорения которых достаточно малы. Сомнения в достоверности этого утверждения возникли после того, как при внимательном изучении выяснилось, что характер разрушений надземных сооружений не соответствует основным законом строительной механики. Дело в том, что характер разрушений надземных сооружений не соответствует основным законам строительной конструкции и разрушаются определенным образом: появляются макротрещины конкретного типа, которые имеют свое местоположение, направление, сочетание и последовательность возникновения. Вследствие этого движения грунта, зафиксированные специальными сейсмическими приборами – акселерометрами, могут разрушить железобетонные колонны и перекрытия зданий только в местах заделки, то есть там, где исходя из условий равновесия, возникают максимальные напряжения. И первыми должны образовываться горизонтальные трещины изгиба.

Однако реальная картина совершенно иная. На колоннах появляются наклонные сдвиговые трещины посредине, где, более слабые касательные напряжения и косые или крестовые трещины по диагонали на простенках и перемычках, хотя там уровень напряжений на порядок ниже, чем в основании. Причем наиболее загадочным и типичным является разрушения, только одних перемычек в монолитных, сборных и других зданиях. Несмотря на то, что это – самые слабо напряженные участки стен. Кроме того, простенки и перемычки рушатся по всей стене снизу доверху, а колонны - лишь на первых двух (редко трех) этажах, причем «крестовые» трещины (рис.1) в них не возникают. Характерны противоречия: гибкие колонны уязвимы гораздо больше, чем жесткие стены, которые должны были воспринять на себя всю нагрузку от колебания здания, и даже шарнирные опоры не спасают их, а ведь там вообще не должно быть никаких усилий при боковых смещениях. Оказалось также, что каркасные здания на практике почти всегда менее сейсмостойки, чем панельные, по теории должно быть наоборот, ибо они менее (резонансны), и т.д.

Подобные факты нельзя игнорировать – они требуют доказательного объяснения. А это невозможно, если исходить из «колебательной» доктрины землетрясений. Напрашивается вывод: уникальные разрушения могут быть порождены соответствующими ими воздействиями, создающими большие скорости грунта более 3м/сек. и большие ускорения грунта. Правда, пока остается неизвестным точное значение того рубежа в величине последнего параметра, за которым возникают подобные явления. Нам экспериментально удалось установить: при ускорениях грунта, меньших 5g, трещины гибких элементов всегда имеют изгибную, а не сдвиговую форму. Отсюда следует: что движения грунта с малыми ускорениями (до 0,5 g) – имеющие якобы маятниковые фиксирующие приборы при землетрясениях, и они в принципе не в силах вызывать разрушения наблюдаемые сейсмологами.

Но если предположить, что по колоннам и простенкам проходят квази ударные волны, на мгновение придающие им характерную форму параллелограмма, то тогда, очевидно, вместо деформаций и напряжений изгиба возникают кратковременные большие ускорения и инерционные силы вращения, порождающие вместо статистического - динамический момент и получается от квази ударной поперечной силы. В результате образуются наклонные трещины. Под действием волны форму параллелограмма принимают и перемычки между простенками. Однако в них, в отличии от предыдущих, нет сжатия от веса здания, вот почему они разрушаются в первую очередь.

По простенкам ударная волна сдвига «пробегает» почти без помех снизу доверху – возникают первые косые трещины. Затем, отразившись от свободного края стены, она «опускается» вниз и создает вторые, перпендикулярные к первым, образуя как бы «кресты». В колоннах, наоборот - эта волна почти полностью отражается от заделок в перекрытиях на двух первых этажах и дальше не проходит. Зато суммируется мисс прямой волной, удваивая величину касательного напряжения. Потому-то косые трещины в колоннах возникают чаще и раньше, чем в стенах, и не бывают крестовыми. А шарнирные опоры, изолирующие колонны от изгиба, не могут уберечь их от ударной волны сдвига – они «срезаются» точь –в - точь так, как и защемленные. Но поскольку здесь уровень сжатия от веса зданий много выше, чем в стенах и простенках, крутизна трещин сдвига гораздо больше. И по этим «крутым» косым трещинам колонны легко рушатся.

Каков же источник, порождающий мгновенные квази - ударные импульсы и волны при землетрясениях?

До сих считается, что первопричина сейсмических волн – «упругая отдача», то есть внезапный сдвиг границ магистральной трещины, возникшей вдоль разлома земной коры в результате медленного взаимного сдвига горных пород (тектонических плит). Поскольку такая отдача в принципе невозможна из-за блокирующих ее гигантских сил трения по краям трещины, сжатой огромным давлением вышележащей породы, то наиболее вероятным источником мгновенных импульсов сейсмических волн могут быть только острые вершины начальных микротрещин. Именно тут, под влиянием сдвига, возникают гигантской силы растягивающие напряжения, сопоставимые с теоретической прочностью бездефектной породы. Разрыв каждой из этих растянутых связей создает мгновенный сжимающий удар. И в итоге рождаются ударные волны сжатия, приводящие к лавинообразному росту трещин. Возможно также появление в земле вторичных разрывов того же типа в относительной близости от поверхности, а также аналогичных вторичных мгновенных квази ударных импульсов и квази ударных волн, спровоцированных взаимным сдвигом различных слоев породы из-за разницы в скорости распространения в них продольных волн.

Итак, на наш взгляд, основа современной теории сейсмических разрушений – случайное совпадение частот собственных колебаний зданий и верхних слоев грунта. Отсюда и принятое объяснение: мол, здания падают от вынужденных колебаний своих больших масс. Но это справедливо в случае, если грунт сдвигается с частотой, близкой к собственным частотам сооружений, лежащим в интервале от 0,1 до 2 с, при их ускорении, как уже было отмечено, не превышающем 0,5 g. Значит, периоды опасных колебаний грунта и его ускорения должны быть примерно те же.

Рис. 1 Крестовые трещины

Можно предположить, что сейсмометры показывают вовсе не первичные волновые движения грунта, а некие вторичные, тоже являющиеся, скорее всего, лишь собственными сдвиговые колебания верхней массы грунта, которые возникают сразу после прохождения ударных волн. И здесь частотный диапазон сдвиговых колебаний зданий и верхнего грунта обычно совпадает только волновое импульсное действие и позволяет наиболее убедительно объяснить парадоксальное отсутствие изгибных трещин и наличие сдвиговых трещин при землетрясениях. Отсюда становится понятным противоречие между истинной картиной разрушений, зафиксированных многочисленными фотографиями, и объяснением сейсмологов, основанных на показаниях уже упомянутых приборов.

В анализах сейсмических последствий мы не обнаружили обязательных прочностных проверок, не сопоставлялись теоретические (ожидаемые) и реальные механизмы разрушения зданий и их элементов, при совпадении того и другого правильность всего сейсмического расчета оказалось бы гарантированной.

Напрашивается неприятное резюме: нынешние сейсмозащитные конструкции абсолютно бессильны против разрушающего воздействия землетрясений, а современные сейсмические расчеты и нормы не отражают реальности. Ведущим специалистом, учитывая важность проблемы, надо либо признать, либо отвергнуть эти факты.

В заключении кратко сформулируем вытекающие из всего сказанного, общие принципы универсальной сейсмозащиты зданий от воздействия квази ударных волн сдвига. Необходимо стремиться к минимуму площади поперечного сечения в связях между фундаментом и зданием.

Подобные модели конструкции, разработанные автором на основе предлагаемых им принципов, показали очень высокую сейсмоизолирующую способность при испытаниях во время подземных взрывов.