Характеристика землетрясений

Землетрясения – это подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или в верхней части мантии земли и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний.

В недрах земли постоянно происходят сложные процессы накопления энергии, высвобождение которой вызывает сейсмический толчок. Момент высвобождения этой энергии связан с перемещением тектонических плит из которых состоит земная кора. На границах плит происходят следующие процессы: плиты могут раздвигаться, сдвигаться, скользить одна относительно другой.

В месте столкновения двух плит происходит деформация земной поверхности с выделением накопленной энергии. Землетрясения подобного типа называют тектоническими. Возможны землетрясения во внутренних частях плит, которые называются внутриплитовыми землетрясениями. Они возникают из-за развития деформации (накопления энергии в плитах), вызванных давлением на краях.

Одной из причин землетрясений являются вулканы. В местах, где раздвигаются плиты, за счёт тепловой конвекции возникают восходящие потоки, извергающие лаву. Данный процесс сопровождается выделением энергии и порождает вулканическое землетрясение.

Землетрясения могут вызываться и инженерной деятельностью человека. Они происходят в результате заполнения водой больших водохранилищ или закачкой воды в скважины.

Количество человеческих жертв при землетрясениях зависит от ряда факторов: времени начала землетрясения, магнитуды, глубины очага, удалённости от населённых пунктов, типа построек и их качества, наличия в зоне землетрясения взрыво- и пожароопасных объектов, водохранилищ, плотин и тому подобного. Основная причина гибели людей при землетрясениях – обрушение зданий.

Основными характеристиками землетрясений являются магнитуда и интенсивность.

Магнитуда землетрясения является мерой общего количества энергии, излучаемой при сейсмическом толчке в форме упругих волн, в гипоцентре землетрясения, расположенном в очаге землетрясения на глубине до 750 км. Проекция гипоцентра на поверхность земли определяет эпицентр землетрясения, вокруг которого располагается область, называемая эпицентральной и испытывающая наибольшие колебания грунта.

Интенсивность землетрясения определяется величиной колебания грунта на поверхности земли и исчисляется в баллах, для этого, как правило, используют шкалу MSK - 64.

Землетрясения по интенсивности классифицируются следующим образом:

- слабые 1-3 балла;

- умеренные 4 балла;

- довольно сильные 5 баллов;

- сильные 6 баллов;

- очень сильные 7 баллов;

- разрушительные 8 баллов;

- опустошительные 9 баллов;

- уничтожающие 10 баллов;

- катастрофические 11 баллов;

- сильно катастрофические 12 баллов.

Интенсивность землетрясения J(R) в РФ определяется по формуле:

J(R) = 3 + 1,5М – 3,5lg , (5.1)

где, R – расстояние от эпицентра землетрясения, км; h – глубина гипоцентра землетрясения, км; М – магнитуда землетрясения.

Магнитуда землетрясения вычисляется по формуле:

М = lgZ_m – 1,32lgR, (5.2)

где, Z_m – амплитуда колебаний земных волн, мкм.

Реальная интенсивность J_реал землетрясения и степень разрушения зданий и сооружений будет зависеть от типа грунта как под застройкой, так и на остальной окружающей местности:

J_реал = J(R) - (ΔJ_пост – ΔJ_о.м), (5.3)

где, ΔJ_пост – приращение балльности для грунта (по сравнению с гранитом), на котором построено здание; ΔJ_о.м – приращение балльности для грунта в окружающей местности (табл. 5.1).

Все здания и типовые сооружения традиционной застройки (без антисейсмических мероприятий) подразделяются на три группы, каждой из которых свойственна определённая сейсмостойкость (табл. 5.2).

Состояние зданий и сооружений оценивается степенью повреждения I (табл. 5.3).

Люди, находящиеся в момент землетрясения внутри здания, поражаются преимущественно обломками строительных конструкций. Вероятность общих (Р^общ) и безвозвратных (Р^безв) потерь в зависимости от степени повреждения здания представлены в табл. 5.4.

Таблица 5.1

Приращения балльности

Тип грунта	ΔJпост; ΔJо.м	Тип грунта	ΔJпост; ΔJо.м
гранит		песчаные	1,6
известняк	0,52	глинистые	1,61
щебень, гравий	0,92	насыпные рыхлые	2,6
полускальные грунты	1,36	-	-

Таблица5.2

Классификация зданий и сооружений по сейсмостойкости J_с

Группа	Характеристика здания	Jс, баллы
А	А1	Здания со стенами из местных строительных материалов: глинобитные без каркаса; саманные или из сырцового кирпича без фундамента; выполненные из скатанного или рваного камня на глиняном растворе и без регулярной (из кирпича или камня правильной формы) кладки в углах
А2	Здания со стенами из самана или сырцового кирпича; с каменными, кирпичными или бетонными фундаментами; выполненные из рваного камня на известковом, цементном или сложном растворе с регулярной кладкой в углах, здания с деревянным каркасом с заполнением из самана или глины, с тяжёлыми земляными или глиняными крышами	4,5
Б	Б1	Здания с деревянным каркасом с заполнением из самана или глины с лёгким перекрытием
Б2	Типовые здания из жжёного кирпича, тёсанного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или сложном растворе: сплошные ограды и стенки, трансформаторные киоски, силосные и водонапорные башни	5,5
В	В1	Деревянные дома, рублёные в «лапу» или «обло»
В2	Типовые железобетонные, каркасные, крупнопанельные и армированные крупноблочные дома; железобетонные сооружения	6,5
С	С7	Типовые здания и сооружения всех видов (кирпичные, блочные, панельные, бетонные, деревянные) с антисейсмическими мероприятиями для расчётной сейсмичности 7 баллов
С8	То же для расчетной сейсмичности 8 баллов
С9	То же для расчетной сейсмичности 9 баллов

Таблица 5.3

Степени (I) разрушений зданий при землетрясениях

Степень	Характеристика повреждений
Отсутствие видимых повреждений	Сотрясение зданий в целом; сыплется пыль из щелей, осыпается побелка
Слабые повреждения	Слабые повреждения материала и неконструктивных элементов здания; тонкие трещины в штукатурке; откалывание небольших кусков штукатурки; тонкие трещины в сопряжениях перекрытий со стенами. Видимые повреждения конструктивных элементов отсутствуют. Для ликвидации повреждений достаточен текущий ремонт здания.
Умеренные повреждения	Значительные повреждения материала и неконструктивных элементов здания, падение пластов штукатурки, сквозные трещины в перегородках. Слабые повреждения несущих конструкций: тонкие трещины в несущих стенах, незначительные деформации и небольшие отколы бетона или раствора в узлах каркаса и в стыках панелей. Для ликвидации повреждений необходим капитальный ремонт здания.
Тяжёлые повреждения	Разрушение неконструктивных элементов здания: обвалы частей перегородок, карнизов, дымовых труб. Значительные повреждения несущих конструкций: сквозные трещины в несущих стенах, значительные деформации каркаса, заметные сдвиги панелей, выкрашивание бетона в узлах каркаса. Возможен восстановительный ремонт здания.
Частичное разрушение	Частичное разрушение несущих конструкций: проломы и вывалы в несущих стенах; разрывы стыков и узлов каркаса; нарушение связи между частями здания; обрушение отдельных панелей перекрытия; обрушение крупных частей здания
Обвал	Обрушение несущих стен и перекрытия, полное обрушение здания с потерей его формы

Таблица 5.4

Вероятность общих (Р^общ)и безвозвратных (Р^безв) потерь

Вероятность потерь	Степень разрушения здания (I)
0, 1, 2
Робщ		0,05	0,5	0,95
Рбезв		0,01	0,17	0,65

Для группы однотипных зданий в зависимости от их сейсмостойкости J_с и реальной интенсивности землетрясения J_реал может быть найдена осреднённая степень разрушения (табл. 5.5), которая используется для приближённой оценки потерь населения, находящегося в этих зданиях, по данным табл. 5.4.

Таблица 5.5

Зависимость осреднённой степени разрушения однотипных зданий (J_ср) от приведённой интенсивности (J_реал – J_с)

Jреал – Jс
Jср	0,1	0,50	1,5	2,5	3,5	4,5	4,9

Так степени разрушений зданий также являются случайными величинами, поэтому более точные потери населения следует оценивать по их математическим ожиданиям. Для этого сначала вычисляют вероятности людских потерь различных видов (структура потерь) по формулам:

- вероятность общих потерь населения

Р^общ = 0,05 ∙ ( + ) + 0,95 ∙ , (5.4)

- вероятность безвозвратных потерь населения

Р^безв = 0,01 ∙ + 0,17 ∙ + , (5.5)

- вероятность санитарных потерь населения

Р^сан = Р^общ - Р^безв, (5.6)

где, - вероятность получения зданиями степеней поражения от 3 до 5 (табл. 5.4).

Далее учитывая, что по своей физической сущности величины Р^общ, Р^безв, Р^сан представляют собой относительные потери населения, под которым понимают отношение численности населения (по видам поражения) в зданиях к его общей численности в них, то абсолютные потери населения в зданиях при землетрясении определяются по формулам:

N^общ = Р^общ ∙ N_з;

N^безв = Р^безв ∙ N_з, (5.7)

N^сан = N^общ – N^безв

где, N^общ, N^безв, N^сан – абсолютные общие, безвозвратные и санитарные потери, N_з – численность населения, находящегося в зданиях.