Сейсмографы, акселерографы, велосиграфы

Приборы, которые записывают движение грунта (смещение) при землетрясениях, называются сейсмографами.

Приборы, записывающие во времени ускорения, называются акселерографами.

Приборы, записывающие во времени скорости, называются велосиграфы.

Записи сейсмографов называются сейсмограммами.

Записи акселерографов называются акселерограммами.

Записи велосиграфов называются велосиграммами.

Приход различных волн на записях, сделанных прибором, выражаются характерными точками на оси времени (рис.).

Рис. Сейсмограмма землетрясения

Первой точке соотвествует на сейсмограммах первый «вплеск», фиксирующий приход наиболее быстрых Р-волн. Вызванные ими колебания постепенно затухают, однако через некоторое время вновь усиливаются, что указывает на приход S-волн, а еще через некоторое время на сейсмограммах фиксируется приход L-волн.

Сейсмографы предназначены для записи малых перемещений грунта, вызываемых удаленными землетрясениями. Сейсмологи используют их для определения положения гипоцентров, оценки магнитуды и изучения механики землетрясения.

Инженеров, однако, интересует, как ведут себя конструкции, подвергающиеся воздействию сильных колебаний грунта при землетрясениях, т.е. тому виду сотрясений, который приносит ущерб.

Чтобы записать эти колебания грунта, требуется другой тип приборов, способный измерять не смещения почвы, а ее ускорение. Такие приборы называются акселерографами. Полученная запись акселерографов, называемая акселерограммами, внешне похожа на сейсмограмму, но ее математические характеристики совсем иные.

Акселерографы в отличие от сейсмографов не имеют системы непрерывной регистрации; вместо этого они включаются от самого землетрясения и имеют питание от батарей.

Каждая сейсмограмма (акселерограмма) размещается в соответствии с регистрируемым направлением: «север-юг» и «восток-запад», если на них записаны горизонтальные перемещения, и «вверх-вниз», если записаны вертикально.

Лекция 4

Тема лекции 4.Магнитуда землетрясения.

План лекции

· Очаг землетрясения.

· Магнитуда землетрясения и сейсмическая энергия.

· Шкала Рихтера.

Тезисы лекции

Очаг землетрясения. Глубина очага. Гипоцентр и эпицентр землетрясений.

Магнитуда землетрясения и сейсмическая энергия. Шкала Рихтера.

Основное содержание лекции

Определение местоположения очага землетрясения

Волны Р, S, LR и LQ распространяются с разной скоростью и приходит с разных сторон; поэтому они регистрируются станцией в разное время.

По времени прихода волн Р и S сейсмологи, зная скорости распространения этих волн, могут рассчитать расстояние от места установки приборов до гипоцентра землетрясения.

После того как для нескольких станций определено расстояние до гипоцентра, можно определить координаты гипоцентра и эпицентра.

Пользуясь такими способами, сейсмологии, находящейся на расстояниях сотен и тысяч километров от эпицентра, уже через несколько минут после землетрясения весьма точно определяют место эпицентра.

И только после этого можно приступать к определению магнитуды землетрясения по Рихтеру.

Магнитуда Рихтера

Магнитуда землетрясения – это, по существу, полученная из сейсмограммы мера смещения почвы (или смещение частиц среды). Смещение почвы и амплитуда сейсмической волны одно и тоже, и чем сильнее размах волны, тем больше магнитуда землетрясения.

Для измерения магнитуды землетрясения используется шкала Рихтера.

Шкала Рихтера – это не прибор и не инструмент, а математическая шкала, требующая измерений и расчетов.

В шкале Рихтера используется измеренная по сейсмограмме максимальная амплитуда смещения почвы в микронах (микрометрах);

1мкм – это одна миллионная доля метра.

Магнитуда Рихтера есть приведенный к стандартному расстоянию (100 км) десятичный логарифм этой амплитуды.

M=lg∆ (мкм)

Магнитуда любого толчка определяется как логарифм выраженной в микронах максимальной амплитуды записи этого толчка, сделанной стандартной короткопериодным крутильным сейсмометром на расстоянии 100км от эпицентра. Поскольку шкала магнитуд логарифмическое, увеличение магнитуды на единицу означает десятикратное возрастание амплитуды колебаний в волне (или смещения грунта). Амплитуды сейсмических волн и землетрясения с магнитудой 6,0 в 10 раз больше чем землетрясение с магнитудой 5,0, в 100 раз больше, чем у землетрясения с магнитудой 4,0 и 1000 раз больше, чем у землетрясения с магнитудой 3,0. Нулевая магнитуда не означает, что землетрясения отсутствует; поскольку нуль –это логарифм единицы, такое землетрясение записывается стандартным сейсмографом на расстоянии 100км с амплитудой 1мкм (0,001мм) землетрясение с магнитудой 0 и в самом деле очень слабое, совершенно не ощутимое для людей, однако оно вполне может быть записано высокочувствительным сейсмографом. Можно обнаружить и измерить даже еще более слабые землетрясения: землетрясения с магнитудой -1,0 в стандартных условиях имеет амплитуды 0,1мкм и т.д. для магнитуд -2, -3. Наиболее чувствительные сейсмографы могут обнаружить землетрясение с магнитудой до -3. Самое слабое из ощутимых землетрясений имеет магнитуды около 1,5, а наименьшее землетрясение, способное причинить ущерб (хотя бы и минимальное) около 4,5.

В самой шкале верхний предел магнитуды не предусмотрен, так как это расчетная величина. В действительности же сама Земля создает практически верхний предел, подобно тому, как чувствительность аппаратуры создает нижний предел. Сильнейшие из когда-либо зарегистрированных землетрясений имели магнитуды 8, 9.

Описать землетрясения, сказав: «Его магнитуда равна 6,2» -то же самое, что описать человека, сказав: «он весит 75кг» высок он или мал ростом, молод или стар, красив или нет? Его вес об этих качествах ничего не скажет, хотя, можно поспорить, что в матче по боксу он одолеет того, кто весит 64кг.

Точно так же обстоит дело и с хорошо известной шкалой Рихтера для оценки магнитуды землетрясений: она дает всего лишь одну характеристику очень сложного явления. Как известно, магнитуда землетрясения максимальная амплитуда, или «высота», порожденных землетрясением сейсмических волн, измеренная при определенных стандартных условиях. Но у землетрясений есть много других важных характеристик. Как долго длится сильное колебание? Какой была площадь в споровшейся части разлома? На какой глубине под земной поверхностью произошло землетрясение?

Почти ничего не узнаем о том, что случилось во время землетрясения, если будем знать только его магнитуду. Тем не менее, шкала магнитуд дает нам удобный способ сравнивать землетрясения между собой по их величине.

И так, магнитуда М характеризует происшедшие явления в очаге землетрясения, но не дает информации о разрушительном эффекте его на поверхности Земли.

Сейсмическая энергия

Магнитуда Рихтера тесно связана с энергией, высвобождающейся при землетрясении.

На пути от очага к поверхности Земли значительная часть выделенной во время землетрясения энергии поглощается и только ≈ 7% достигает эпицентральной зоны, т.е. лишь небольшая доля высвобожденной энергии излучается в форме сейсмических волн. Поскольку именно эти волны порождают ощущаемое нами движения грунта и вызывают повреждения зданий и сооружений, то рассмотрим излученную энергию как сейсмическую энергиюземлетрясения.

Доктор Бэко Гуттенберг получил следующее соотношение, связывающее энергию и магнитуду Рихтера

lgE=9.9+1.9M - 0.024М²

Это соотношение показывает, что количество сейсмической энергии при увеличении магнитуды возрастает в чудовищной степени.

при М=4 Е=0,0013*10²⁰ эрг. и т.д.

При землетрясении с магнитудой 5,0 высвобождается в 48 раз больше энергии, чем при землетрясении с магнитудой 4,0.

Лекция 5

Тема лекции 5.Интенсивность землетрясения и измерение ее величины.

План лекции

· Интенсивность землетрясения.

· Шкала интенсивности.

Тезисы лекции

Интенсивность землетрясения. Изосейсты. Шкала интенсивности. Модифицированная шкала Меркалли (шкала ММ). 12-бальная шкала института физики Земли (ИФЗ) АН СССР. Шкала С.В.Медведева - ГОСТ 6249-52. Инструментальные и описательные части шкал.

Единая международная шкала, рекомендованная между правительственным совещанием ЮНЕСКО по сейсмологии и сейсмостойкому строительству - Шкала МSК-64 (Париж,1964). Инструментальные и описательные части шкалы. Стандарт для оценки сейсмической интенсивности по инструментальным данным СН РК В.1.1-3-98.

Основное содержание лекции

Интенсивность землетрясения

Степень причиненного ущерба в определенном месте называется интенсивностью землетрясения и измеряется в баллах с помощью специальной шкалы.

Для каждого землетрясения существует лишь одна магнитуда по Рихтеру, однако это землетрясение может вызвать сотрясения различной интенсивности: от высокой в наиболее сильно пострадавших районах и до самой низкой, не связанной ни с каким ущербом, - вдали от эпицентра.

Интенсивность, приписываемая данному конкретному землетрясению -это обычно максимальная интенсивность, наблюдаемая при этом землетрясении. В общем можно считать, что максимальная интенсивность обычно выше при более сильном землетрясении, чем при более слабом, однако коррекция между интенсивностью и магнитудой очень приблизительна.

Интенсивность землетрясении зависит помимо магнитуды и расстояния и от многих других факторов. Два землетрясения с одной и той же магнитудой, но одно с очагом на глубине 10км, а другое 30км, порождают совершенно различную интенсивность на земной поверхности.

Для предварительного определения максимальной интенсивности землетрясения в эпицентре можно использовать следующие формулы:

для землетрясений с внутрикоровым очагом.

Jmax= M+2,5 ,

Для землетрясений с очагом в мантии

Jmax= M+1,5 ,

Эти выражения действительны, если грунтовые условия почвы будут одинаковыми для всех регионов.

Н.В. Шебалиным предложены следующие эмпирические формулы для определения интенсивности землетрясений в зависимости от магнитуды М, эпицентрального расстояния – и глубины очага һ:

І=1,5- 3,5 lg √∆² +h² +3,

Откуда максимальная интенсивность (в эпиценре при ∆=0)

Jmax= 1.5M-3.5lgh+3

Таким образом, зная магнитуду М, глубину очага h, в км, и эпицентральное расстояние ∆ в км, можно приближенно определить в любой точке на поверхности Земли интенсивность землетрясения J, баллы. Для оценки интенсивности землетрясений многими авторами из различных стран было предложено около 50 шкал сейсмической интенсивности.

В 1901г. (1902г.) итальянский ученый Джузеппе Меркали создал шкалу, где было введено подразделение землетрясений на 12 баллов, в зависимости от их интенсивности. Эта шкала стала называться «шкала Меркалли». Впоследствии эта шкала неоднократно подверглась изменению. В 1931 году шкала была пересмотрена и модернизирована Г.Вудом и Ф.Ньюменом из Сейсмологической лаборатории Калифорнийского технологического института и получила название «Модифицированная шкала Меркалли». Затем Рихтер в 1956г. заново пересмотрел шкалу и назвал ее «Модифицированная шкала Меркалли, вариант 1956г.».

Модифицированная шкала Меркалли (кратко ММ) 1931г. применяется в некоторых странах, например в США.

В настоящее время употребляются и другие шкалы.

В 1917г. Международной сейсмической ассоциацией была принята 12-балльная шкала Меркали-Канкани-Зиберга, которой пользуются и сейчас в ряде Европейских стран.

В СССР была принята 12-балльная шкала, составленная С.В. Медведевым, диапазон которой от 6 до 9 баллов утвержден в качестве ГОСТ 6249-52.

В 1964г. С.В. Медведев (СССР), В Шпонкойер (ГДР) и В.Карник (ЧССР) разработали шкалу МSK, представляющую собой модификацию шкалы Меркали-Канкани-Зиберга и других, близких ей, в том числе и шкалы С.В. Медведева.

Междуправительственное совещание ЮНЕСКО по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (Париж, 1964г.) рекомендовало использовать в качестве единой международную шкалу МSK-1964.

В этой шкале, кроме смещений маятника сейсмометра СБМ, приведены скорости и ускорения почвы, характерные для различных баллов.

В СССР действовал ГОСТ 6249-52, при составлении которого была использована разработанная профессором С.В. Медведевым. Шкала ИФЗ имеет инструментальную и описательную части. Решающей частью для оценки интенсивности землетрясения является инструментальная часть шкалы. Последняя основана на показаниях сейсмометра СБМ, предложенного С.В. Медведевым. Этот прибор измеряет максимальные относительные смещения (Х₀, мм) сферического упругого маятника сейсмометра, характеристики которого подобраны, так, чтобы примерно соответствовали характеристикам малоэтажных жестких зданий (период собственных колебаний 0,25 сек., логарифмический декремент λ=0,5). Описательная часть шкалы состоит из трех разделов.

В первом разделе интенсивность классифицировано по степени повреждения сооружений, выполненных без антисейсмических мер. При этом классификация сделана:

По группам зданий:

группа А – одноэтажные дома со стенами из рваного камня, кирпича-сырца, самана и т.п.;

группа Б - кирпичные и каменные дома;

группа В – деревянные дома.

По степени повреждения:

Легкие повреждения – тонкие трещины в штукатурке и печах, осыпание побелки и т.п.;

Значительные повреждения – трещины в штукатурке, откалывание кусков штукатурки, тонкие трещины в стенах, трещины в перегородках, повреждение дымовых труб печей и т.п.;

Разрушения – большие трещины в стенах, расслоение кладки, обрушение отдельных участков стен, падение карнизов и парапетов, обвалы штукатурки, падение дымовых труб, отопительных печей и т.п.;

Обвалы– обрушение стен, перекрытий и кровли всего здания или значительных частей его и большие деформации стен.

Во втором разделе описаны остаточные явления в грунтах, изменения режима грунтовых и подземных вод.

Третий раздел называется «Прочие признаки» (эти признаки в ГОСТ 6249-52 не включены).

Недостатки шкалы ИФЗ.

Шкала ИФЗ для многих населенных мест описательная часть по разделу «Характеристика повреждений зданий и сооружений» вообще не может быть использована в связи с отсутствием в этих населенных пунктах зданий без антисейсмических мероприятий. Шкала ИФЗ, приведенная в ГОСТ 6249-52, действовала в СССР до 1981г.

В 1975г. ИФЗ и другими сейсмологическими институтами подготовлена новая редакция шкалы. В эту шкалу, так же как и в шкалу МSК, введены смещения маятника, скорости и ускорения почвы, однако значения их приняты большими, чем в шкале МSК. В новом варианте шкалы также не приведены характеристики повреждений зданий с антисейсмическими усилениями.

Окончательный вариант этой шкалы положен в основу методики определения расчетной сейсмической нагрузки по СНИП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах».

В графе 5 проекта шкалы ИФЗ (1975г.) оценка повреждений так же, как и во всех предшествующих шкалах, дана для зданий, возводимых без антисейсмических усилений, следующих типов:

Тип А – со стенами из рваного камня, из кирпича –сырца, глинобитными;

Тип Б – со стенами из обожженного кирпича, из природных и бетонных крупных блоков и мелких камней правильной формы;

Тип В – крупнопанельных, со стальным и железобетонным каркасом, деревянных хорошей постройки.

Степени повреждений в проекте новой шкалы классифицированы следующим образом:

1 - легкие повреждения – небольшие трещины в стенах, откалывание небольших кусков штукатурки:

2 - умеренные повреждения – небольшие трещины в стенах, небольшие трещины в стыках между панелями, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение черепицы с крыш, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб;

3 - тяжелые повреждения –большие глубокие и сквозные трещины в стенах, значительные трещины в стыках между панелями, падение дымовых труб;

4 - разрушения – обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса, проломы в стенах, обрушения частей зданий, разрушение связей между отдельными частями здания;

5 - обвалы – полное разрушение зданий.

При наличии в конструкциях зданий антисейсмических усилений, соответствующих интенсивности землетрясений, их повреждения, по-видимому, должны быть не выше 2-й степени.

Для приближенного сравнения интенсивности землетрясений, их повреждения, по-видимому, должны быть не выше 2-й степени.

Для приближенного сравнения интенсивности землетрясений по шкалам различных стран могут быть использованы данные следующей таблицы.

Таблица 3

Весьма важными, существенно влияющими на разрушительный эффект землетрясения, характеристиками является продолжительность его активной части и спектральный состав колебаний грунта. Эти характеристики не отражены в нормативной части проекта новой шкалы.

Продолжительность активной фазы землетрясения характеризуется достаточно высокими ускорениями и представляет отрезок времени между первым и последним пиками ускорений, которые не меньше определенной величины.

На важность учета в шкале продолжительности активной фазы землетрясений указывалось в ряде работ, однако пока ни в одной из шкал, разработанных в разных странах мира, это не сделано из-за недостатка исходных данных.

Второй важный момент необходимость учета в шкале спектрального состава колебаний грунта.

Одной из важных задач проектирования сооружения является придание ему таких динамических свойств, чтобы оно в минимально возможной степени реагировало на землетрясения. Это в первую очередь означает, что период собственных колебаний сооружения должен быть максимально отличен от тех периодов колебаний основания, при которых возникают его наиболее интенсивные движения, т.е. для инженеров-проектировщиков необходимо знать из всего состава спектра колебаний грунта преобладающие периоды колебаний грунтов.

Для определения преобладающего периода колебания грунта используются записи микросейсмических колебаний.

На осциллограмме выделяет участок с интервалом времени ∆t_u (чаще всего/ или 2 мин) и просчитывают число колебаний с разными периодами Т, которые откладывают по горизонтали графика, а по вертикали – число повторений в выделенном интервале ∆t_u различных величин Т. По кривым распределения величин Т или, как их называют, кривым повторяемости величин Т определяют преобладающие периоды Тn на кривой максимум повторяемости.

Рассмотрим грунты некоторых участков, имеющие существенные различия их динамических характеристик.Например, грунты с преобладающим периодом колебания Тn=0,12 сек отличается высокой жесткостью, а грунты с Тn=0,76 сек относятся к категории рыхлых напластований. В графиках, когда кривые распределения близки к симметричным, тогда значения преобладающего периода находится близко к значению среднего периода Тс.

Лекция 6

Тема лекции 6. Влияние грунтовых условий на интенсивность сейсмических воздействий

План лекции

· Влияние грунтовых условий на интенсивность сейсмических воздействий. Сейсмичность площадки строительства. Категория грунтов по сейсмическим свойствам.

Тезисы лекции

Влияние грунтовых условий на интенсивность сейсмических воздействий. Категория грунтов по сейсмическим свойствам. Влияние грунтовых условий площадки строительства на значение коэффициента динамичности при определении сейсмической нагрузки.

Основное содержание лекции