Акселерограмма землетрясения – это запись ускорения грунта во времени, полученная при помощи специальных приборов (акселерометров), установленных на поверхности земли или внутри зданий. Она показывает изменение скорости движения почвы под воздействием сейсмических волн. Акселерограммы используются для анализа силы землетрясения, оценки повреждений сооружений и разработки мер защиты от последствий землетрясений. При моделировании сейсмических воздействий акселерограммы играют ключевую роль, поскольку они отражают динамику движений грунта во время землетрясения. Основные параметры акселерограмм включают:

1. Максимальное (пиковое) ускорение — максимальное значение ускорения, зарегистрированное в течение всего события. Оно определяет интенсивность сейсмического воздействия и часто используется для классификации землетрясений.

2. Продолжительность сильного движения  — интервал времени, в течение которого ускорение превышает определённый порог. Этот параметр важен для оценки продолжительности воздействия сильных сейсмических нагрузок на сооружения.

3. Частота основного колебания— частота, на которой наблюдается наибольший отклик сооружения. Эта величина связана со свойствами грунта и конструкцией самого сооружения.

4. Энергия землетрясения — количество энергии, выделяемой при землетрясении. Энергетические параметры важны для понимания масштабов разрушения и потенциального ущерба.

5. Форма сигнала — временная структура акселерограммы, которая может включать резкий начальный импульс, серию колебаний разной амплитуды и затухание.

6. Спектральные характеристики — распределение энергии по различным частотам. Спектры отклика помогают понять, какие частоты будут оказывать наибольшее воздействие на конкретную конструкцию.

Вид и форма спектра акселерограмм определяются несколькими факторами:

1. Тип грунта — разные типы грунтов имеют различную способность передавать и поглощать сейсмические волны. Мягкие грунты обычно усиливают низкочастотные компоненты, тогда как скальные породы передают высокочастотные составляющие.

2. Расстояние до эпицентра — чем дальше находится точка регистрации от эпицентра, тем больше времени требуется волнам для достижения этой точки, и тем сильнее они рассеиваются и фильтруются средой. Длиннопериодные компоненты обычно сохраняются лучше, чем короткопериодные.

3. Магнитуда землетрясения — большие землетрясения порождают более мощные и продолжительные сигналы, включающие широкий диапазон частот. Малые землетрясения, напротив, характеризуются узким диапазоном частот и меньшей длительностью.

4. Механизм очага  — способ, которым происходит разрыв в очаге землетрясения, влияет на характер излучения сейсмических волн. Различие между нормальными и обратными сдвигами, а также сбросами приводит к разным спектральным характеристикам акселерограмм.

5.  Геологическая среда вдоль пути распространения волн — неоднородности земной коры, такие как разломы, складки и изменения плотности пород, могут изменять форму спектра, добавляя или убирая определенные частоты.

Существует несколько методов моделирования акселерограмм:

1.Метод стандартного спектра ответа (SSRS)

Этот метод основан на преобразовании спектра реакции системы (например, здания) к заданному спектру землетрясения. Спектр реакции представляет собой зависимость амплитуды колебаний системы от частоты. Стандартный спектр ответа строится на основе статистического анализа множества реальных акселерограмм и позволяет оценить поведение сооружения при различных уровнях интенсивности землетрясения.

2. Моделирование акселерограмм землетрясений  по Ф.Ф. Аптикаеву

Методика, предложенная Ф.Ф. Аптикаевым, используется для расчета сейсмической нагрузки на строительные конструкции согласно российским строительным нормам (СП 14.13330.2018). Этот подход включает в себя следующие 3 этап:

1) Определение расчетных параметров землетрясения: магнитуда, расстояние до эпицентра, глубина очага и другие характеристики.

2) Моделирование источника землетрясения: использование математических моделей для описания процесса возникновения и распространения сейсмических волн.

3) Учет свойств грунтового основания: влияние характеристик грунта на распространение сейсмических волн и их воздействие на сооружение.

Учет амплитудно-частотной характеристики среды

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) среды описывает, как различные частоты сейсмических волн изменяются при прохождении через грунтовые слои. Это важно учитывать, так как разные грунты могут усиливать или ослаблять определенные частоты колебаний. В моделях землетрясений АЧХ среды вводится путем применения фильтраций к сигналам, генерируемым источником землетрясения или с помощью специализированных программ таких, как DEEPSOIL.

Пиковые ускорения выбираются на основе уточнённой исходной сейсмичности. Сейсмичность определяется как вероятность превышения определенного уровня ускорения за определенный период времени. Для этого проводятся расчеты, основанные на исторических данных о землетрясениях в данном регионе, а также на результатах инженерных изысканий. На практике используются карты сейсмического районирования, где указаны зоны с различной вероятностью возникновения землетрясений определенной интенсивности.

Расчетные акселерограммы являются важным инструментом для оценки воздействия землетрясений на инженерные сооружения. Различные методы моделирования позволяют учесть множество факторов, включая свойства грунта и особенности источников землетрясений, чтобы получить наиболее точные результаты.

Уточнение исходной сейсмичности (УИС)— это процесс оценки потенциальной интенсивности землетрясений на определенной территории, который включает в себя изучение прошлых землетрясений, оценку геологических условий и расчет возможных воздействий будущих сейсмических событий. Этот процесс помогает определить уровень сейсмической опасности для конкретного региона или участка земли, что важно для проектирования зданий, инженерных сооружений и планирования мер по снижению риска.

Детальное сейсмическое районирование (ДСР), напротив, представляет собой более глубокий и детализированный анализ сейсмической активности в пределах определенного района. Оно направлено на создание карт, показывающих распределение сейсмической опасности в зависимости от различных факторов, включая тип грунта, рельеф местности и близость к активным разломам. Детальное сейсмическое районирование используется для разработки строительных норм и правил, учитывающих местные условия и помогающих минимизировать ущерб от возможных землетрясений.

Таким образом, основное различие между этими двумя понятиями заключается в уровне детализации и цели исследования. Уточнение исходной сейсмичности фокусируется на общей оценке сейсмической опасности, тогда как детальное сейсмическое районирование предусматривает более точный анализ конкретных территорий с учетом множества локальных факторов.

Сейсмическая опасность — это вероятность возникновения землетрясений на определенной территории, которые могут нанести ущерб зданиям, сооружениям и другим объектам. Оценка сейсмической опасности включает в себя определение уровня сейсмических воздействий, которые могут возникнуть в данной местности, и их возможных последствий.

Существуют разные методы оценки сейсмической опасности:

1. Вероятностные методы (ВАСО):

 - Используются для оценки вероятности возникновения землетрясений определенной интенсивности в течение определенного периода времени.

 - Метод учитывает исторические данные о землетрясениях, их частоты (периодичность), интенсивности и зоны ВОЗ.

2. Детерминированные методы (ДАСО):

 - Основаны на анализе конкретных сценариев землетрясений, которые могут произойти в данной местности.

 - Включают моделирование землетрясений с использованием уравнения макросейсмического поля с региональными коэффициентами, с учетом эпицентра сценарных землетрясений, магнитуды, глубины и других параметров.

 - Не учитывают сейсмический режим региона.

3. Метод уравнения сейсмического режима:

 - Позволяет оценить сейсмическую активность в регионе на основе исторических данных, палеосейсмологических и сейсмотектонических исследований.

 - Учитывает повторяемость землетрясений различной интенсивности.

4. Метод сотрясаемости по Ю.Ризниченко:

 - На основании сейсмической активности и ЛД-модели зон ВОЗ региона метод сотрясаемости позволяет строить карты интенсивностей с изолиниями периодов повторяемости.

 - Метод предназначен для количественной оценки сейсмической опасности в баллах макросейсмической шкалы MSK-64

 - В соответствии с СП 286.1325800.2016 «Объекты строительные повышенной ответственности. Правила детального сейсмического районирования» метод используется в работах по детальному сейсмическому районированию (ДСР) или уточнению исходной сейсмичности (УИС).

Для расчетов методом сотрясаемости требуется детальная информация о сейсмическом режиме региона. При заданном макросейсмическом балле в ячейках с координатами (φ, λ) матрицы сотрясаемости метод рассчитывает сейсмическую сотрясаемость. Сейсмическая сотрясаемость является обратной величиной среднего периода повторения.

Входные данные для метода:

1) Наклон графика повторяемости

2) Матрица сейсмической активности (СА)

3)Матрица Mmax, являющаяся цифровым аналогом схемы зон ВОЗ

4)Глубина залегания сейсмоактивного слоя

5)Параметры уравнения макросейсмического поля в форме Блейка-Шебалина

Уточнение исходной сейсмичности (УИС) рекомендуется для объектов, расположенных в зонах повышенной сейсмической активности, чтобы обеспечить их безопасность и устойчивость к землетрясениям. Это особенно важно для стратегически важных объектов, таких как атомные электростанции, плотины, мосты и другие сооружения, где последствия землетрясений могут быть катастрофическими.

Программное обеспечение SEISCAD позволяет оценить сейсмическую опасность района работ разными методами с учетом периодов повторяемости в соответствии с картами ОСР.

Выполнение работ по УИС и ДСР возможно на договорной основе.

   Каталог землетрясений — это важнейший инструмент для оценки сейсмической опасности территории, особенно при проектировании строительных объектов. Такой каталог необходим для анализа исторических данных о землетрясениях, определения частоты и силы возможных событий, а также для построения карт сейсмического районирования.

   Ниже приведены ключевые элементы, которые должен содержать такой каталог землетрясений и пояснения к каталогу, описание сейсмичности рассматриваемого региона:

1. Основные параметры землетрясений

- Дата и время события.

- Координаты эпицентра: широта и долгота места возникновения подземного толчка.

- Магнитуда (M): показатель энергетической мощности землетрясения. Чаще всего используется шкала Рихтера или другие аналогичные системы (например, магнитуда момента).

- Глубина очага: расстояние от поверхности Земли до гипоцентра землетрясения.

- Интенсивность колебаний на поверхности: оценивается по шкалам интенсивности.

2. Исторические данные

  Для корректной оценки сейсмичности важно учитывать все известные исторические землетрясения, даже те, что произошли задолго до появления современных инструментов наблюдения. Это помогает определить долговременную активность региона и вероятность повторяемости сильных событий.

3. Инструментальные данные

 Современные сейсмологические станции фиксируют точные параметры землетрясений. Важно использовать как можно больше записей, чтобы оценить разнообразие землетрясений разного масштаба и глубины.

4. Описание макросейсмических эффектов

   Сюда включаются данные о разрушениях зданий, трещинах грунта, активизации оползней и других последствий землетрясений. Эти сведения помогают оценить реальную опасность для строительных объектов.

5. Повторяемость землетрясений

   Важный параметр для долгосрочного прогнозирования сейсмической активности - частота землетрясений определенной магнитуды. Этот аспект позволяет рассчитать вероятности возникновения сильных толчков в будущем.

6. Оценка региональных особенностей

   В разных регионах землетрясения могут происходить по-разному в зависимости от тектонической обстановки, типа земной коры и плотности населения. Каталог должен учитывать специфику конкретной местности.

7. Источники сейсмической активности

  Если известны активные разломы или зоны вулканической деятельности, эти данные тоже должны быть включены в каталог. Например, близость к крупным активным разломам повышает риск сильных землетрясений.

8. Дистанционные эффекты

   Помимо непосредственной близости к очагу землетрясения, важно учитывать возможность распространения волновых воздействий на большие расстояния. Поэтому в каталоге нужно учитывать удалённые сильные землетрясения, способные оказать влияние на рассматриваемую территорию.

9. Параметры вторичных факторов риска

  Включают такие явления, как сейсмотектонические деформации, изменение уровня грунтовых вод, оползневые процессы, провалы грунта и цунами (если территория находится вблизи океана). Все эти факторы могут существенно повлиять на безопасность сооружения.

10. Карты сейсмического районирования

   Часто на основе каталога создаются карты сейсмического районирования, где каждой зоне присваивается определённый уровень сейсмической опасности. Эти карты позволяют застройщикам выбирать подходящие строительные нормы и стандарты. 

   Для обеспечения надежности и точности расчетов сейсмической опасности, сводный каталог землетрясений должен соответствовать ряду критериев качества. Вот основные аспекты, которым он должен отвечать:

1. Полнота данных:

- Географический охват: каталог должен включать землетрясения, произошедшие в пределах всей интересующей территории в радиусе до 300 км, а также в прилегающих районах, учитывая возможность воздействия удаленных землетрясений.

- Историческая глубина: важны как современные, так и исторические данные, начиная с наиболее ранних зарегистрированных землетрясений. Исторические записи дополняют статистику и помогают лучше понять периодичность и интенсивность сейсмических событий.

- Детализация: каждый зарегистрированный случай должен содержать максимальное количество сведений, таких как координаты эпицентра, магнитуда, глубина очага, продолжительность колебания, видимый ущерб и пр.

2. Точность измерений

- Методы регистрации: используются надежные методы сбора данных, включая инструменты сейсмологических станций, геофизические исследования, а также исторические источники.

- Погрешности: оценка погрешностей измерения должна быть минимизирована. Данные, содержащие значительные ошибки, должны либо исключаться, либо сопровождаться комментариями.

3. Классификация и систематизация

- Единая система классификации: все землетрясения должны классифицироваться по единым параметрам (магнитуде, глубине, типу источника и т.п.), что обеспечит сопоставимость данных.

- Единообразие источников: если информация получена из различных источников (исторических документов, сейсмостанций), она должна быть стандартизована для упрощения анализа.

4. Актуальность и регулярное обновление

- Каталог должен регулярно обновляться новыми данными о землетрясениях, возникающих в исследуемом регионе.

- Необходимо учитывать изменения в методиках обработки данных и классификации землетрясений, корректируя старые записи при необходимости.

5. Соответствие нормативным требованиям

- Для строительства объектов с нормальным и повышенным уровнем ответственности необходимы данные, соответствующие требованиям национальных стандартов и международных норм, регулирующих оценку сейсмической опасности.

- В случае сложных или уникальных условий строительства, возможно использование специализированных моделей и методик оценки сейсмики, требующих особых данных.

7. Анализ корреляционных связей

- Необходимы аналитические выводы о взаимосвязи между параметрами землетрясений (глубиной, магнитудой, частотой повторения и др.) и характеристиками местности, такими как тип почвы, высота над уровнем моря и прочие географические особенности.

8. Репрезентативность выборки

- Должна быть обеспечена достаточная статистическая репрезентативность собранных данных для надежного моделирования будущих землетрясений. Это означает наличие достаточного количества наблюдений для выявления закономерностей.

  Дополнительно, при оценке сейсмической опасности изучается вопрос о техногенной сейсмичности. Детальность и глубина изучения определяется поставленными задачами.

  При необходимости, помимо природных землетрясений, каталог должен учитывать техногенную сейсмичность, вызванную промышленными взрывами, карьерными работами и прочими антропогенными факторами. Также важна регистрация микросейсмических явлений, поскольку слабые регулярные толчки могут влиять на долгосрочную устойчивость сооружений.

Таким образом, качественный каталог землетрясений служит основой для разработки детальных рекомендаций по строительству, включая требования к прочности конструкций, выбору фундамента и другим мерам безопасности.

Разжижение грунтов — это процесс временного снижения прочности и устойчивости грунта под воздействием динамической нагрузки, приводящий к переходу его в текучесвязнопластичное состояние. Это явление часто наблюдается при землетрясениях, взрывах, вибрациях машин или строительстве крупных сооружений. В результате разжижения грунты теряют свою несущую способность, что может привести к серьезным деформациям фундаментов зданий, разрушению конструкций и другим катастрофическим последствиям. Для того чтобы произошло разжижение, необходимо сочетание нескольких факторов:

1. Насыщенность водой: Грунт должен быть насыщенным водой, так как именно вода заполняет поры между частицами почвы и способствует потере их сцепления при вибрации.

2. Мелкодисперсный состав: Мелкофракционные пески, пылеватые грунты и глины наиболее подвержены разжижению, поскольку обладают слабым сцеплением между частицами.

3. Динамическое воздействие: Внешние силы, такие как сейсмические волны, удары или вибрация, вызывают колебательные движения в грунте, что приводит к нарушению структуры и возникновению эффекта разжижения.

4. Отсутствие уплотнения: Грунты, находящиеся в рыхлом состоянии, имеют большую вероятность разжижения, чем уплотнённые.

Для выявления потенциальной угрозы разжижения проводятся следующие испытания:

-Определение гранулометрического состава: Анализ размера частиц позволяет оценить степень однородности и мелкодисперсность грунта.

-Испытания на плотность и влажность: Измеряются плотность сухого грунта и содержание воды, чтобы определить водонасыщенность.

-Оценка сопротивления сдвигу: Испытание на прочность сцепления между частицами помогает установить устойчивость грунта к сдвиговым нагрузкам.

-Анализ структурных характеристик: Оценивается наличие цементирующих веществ и пористость грунта.

-Циклические испытания: Проведение цикличных нагрузок для моделирования воздействия землетрясений или вибраций.

-Тестирование на фильтрационную устойчивость: Проверяется способность грунта удерживать воду при повышенных давлениях.

Проверка грунтов на склонность к разжижению регулируется рядом российских стандартов и сводов правил:

 - СП 22.13330.2016 (актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*) — "Основания зданий и сооружений". Этот документ устанавливает требования к проектированию оснований и фундаментов, включая учет сейсмичности и возможного разжижения грунтов.

- ГОСТ 12248-2010 — "Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости". Описаны методики испытаний, необходимые для анализа прочностных свойств грунтов.

- ГОСТ 56353-2015 "Грунты. Методы лабораторных определений характеристик разжижения". Стандарт, который регулирует процедуры и методики для определения характеристик разжижения грунтов в лабораторных условиях. Этот стандарт предназначен для инженеров-геологов, геотехников и специалистов, занимающихся исследованием грунтов и их поведением при различных воздействиях, таких как землетрясения, взрывы или вибрации. Применение данного стандарта помогает специалистам принимать обоснованные решения при проектировании и строительстве на территориях, подверженных риску разжижения грунтов, обеспечивая безопасность и надежность возводимых объектов.

К территориям с высокой вероятностью разжижения относятся районы с активными тектоническими процессами и участки с рыхлыми песчано-глинистыми отложениями. Примеры регионов: Приморский край, Сахалин, Камчатка, Курилы, Алтай, шельфы морей и океанов территории РФ (Крым, Кавказ). Эти регионы находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где существует высокий риск землетрясений, способных вызвать разжижение.

Оценка опасности разжижения грунтов на территории строительства - это комплекс инженерных расчетов, который определяет степень риска разрушения строительных объектов из-за потери устойчивости грунтов. Он включает сбор геологических данных, определение физико-механических характеристик грунтов, моделирование поведения грунтов при различных нагрузках и прогнозирование периодов повторений и последствий разжижения.

Существует несколько методов для прогнозирования вероятности разжижения, таких как метод амплитудного критерия, методы численного моделирования и экспериментальные подходы.

Результатом оценки является заключение о безопасности участка для строительства и рекомендации по предотвращению возможных рисков.

Выполнение оценки разжижения необходимо для обеспечения безопасности строящихся объектов и предотвращения значительных повреждений и разрушений конструкций.

Программное обеспечение SEISCAD предоставляется на условиях подписки на 6 мес и 1 год. Стоимость подписки на 6 месяцев составляет 5000 рублей