список литературы - Сейсмобезопасность России
advertisement
О ПУТЯХ ВКЛЮЧЕНИЯ АМПЛИТУД ДВИЖЕНИЙ ГРУНТА В МЕТОДИЧЕСКУЮ СХЕМУ РАЙОНИРОВАНИЯ И НОРМИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В РОССИИ Традиционно сейсмическое районирование в СССР- России и, в частности, общее сейсмическое районирование (ОСР) проводилось в терминах макросейсмической интенсивности. При инженерных расчетах использовали значение нормативной макросейсмической интенсивности, снятое с включенной в СНиП карты ОСР, которое затем пересчитывали в расчетное максимальное значение ускорения грунта; используя ускорение, находили далее нагрузку на сооружение. Сложилась даже особая терминология и язык: так, инженеры называют нормативную макросейсмическую интенсивность «сейсмичностью», а сейсмологи часто называют макросейсмическую интенсивность (как расчетную, так и наблюденную) «балльностью». Принято также называть пиковое значение ускорения (максимальный модуль, экстремум) «максимальным ускорением». В период 1960-2000 гг. абсолютное большинство стран перешло к сейсмическому районированию (зонированию) в терминах амплитудных параметров колебаний - максимальных ускорений, максимальных скоростей или уровней спектра реакции. Так, в США в 1990 гг. отказались от карты максимальных ускорений и перешли к уровням спектра реакции, в Европе и Китае сохраняются максимальные ускорения. На фоне подобной сложившейся в мире практики традиционный для России подход к ОСР с использованием «балльности» может сохраняться или быть пересмотрен, но в любом случае полезно рассмотреть вопрос оценки расчетных амплитудных параметров колебаний в рамках планируемого пересмотра ОСР. Ниже данная тематика обсуждается детально. Рассмотрены следующие вопросы: вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО) как типовой подход к ОСР; подходы к ВАСО с использованием «балльности» (ВАСО- I) и амплитуд (ВАСО-А); требования к изученности движений грунта для случая ВАСО-А и сравнение с фактическим положением дел; пути обхода трудностей; существенные расхождения между наблюдательными фактами инженерной сейсмологии (сейсмологии сильных движений) и инженерной практикой, отраженной в СНиП; рекомендации по преодолению проблем; предлагаемые процедуры по включению амплитудных параметров в схему ОСР. Чтобы преодолеть проблему большого разнобоя и одновременно случайных совпадений обозначений, в работе была сделана попытка провести определенную систему. Обозначено: А - принятое как базовое для инженерного расчета максимальное ускорение грунта, без повышающих или понижающих коэффициентов; при использовании ВАСО обычно соответствует определенному периоду повторяемости сотрясений, обозначаемому T. K - непрерывный параметр грунтовой толщи - «категория грунта», равен 1.0, 2.0 или 3.0 для категорий грунта I , II или III российских норм СНиП 81 и РСН 60-86, соответственно. Значение К (нецелое) можно приписать также классам грунта норм США или Европы, для чего, например, провести интерполяцию по аргументу lg(Vs), где Vs скорость поперечных волн в верхней части разреза. Aкп - значение A для типового или опорного скального грунта (грунт Категория I в России) или для коренных пород (условного фундамента). Iкп - соответствующее значение балльности. Аналогично определяются параметры: AВ для грунта опорного класса в нормах США, AАе для грунта опорного класса A в европейских нормах, AК2- значение A для опорного среднего грунта (грунт Категория II в России), а - наблюденное максимальное ускорение грунта, индивидуальное или осредненное, RA(Tc) - спектр реакции по ускорению для сооружения, моделируемого одномассовым маятником с периодом Tc, , K(Tc) «коэффициент динамичности» (традиционный); K(Tc)= RA(Tc)/A. Обычно различен для разных К, кп(Tc)= RA(Tc)/Aкп «модифицированный коэффициент динамичности». Отличается от K(Tc) использованием для нормировки параметра Aкп вместо A. 1.1. Содержание ВАСО и в частности ВАСО-А. Практика США и Европы. Проект GSHAP. Возможности для ВАСО-А в России и проблема изученности 1.1.1. ВАСО как современный подход к ОСР. Определение ВАСО. ВАСО- I в России Распространенный современный подход к сейсмическому районированию заключается в том, что на всю территорию страны составляется карта «сейсмической опасности» (seismic hazard) в узком, вероятностном смысле этого термина. Чтобы ясно разделить понятия о сейсмической опасности в обычном и узком смысле, последнюю рассматривают как результат особой процедуры - вероятностного анализа сейсмической опасности или ВАСО. Сейсмическая опасность по ВАСО тесно связана с понятием сейсмической сотрясаемости, введенным Ю. В. Ризниченко [1]. Сотрясаемость в точке определяется как среднегодовое число В (повторяемость) сотрясений с баллом I, равным или превышающим определенное пороговое значение I . Зависимость B от значения «порогового балла» I, - это убывающая функция B(I), она выражается в единицах год-1. Нередко в качестве информации о сейсмической опасности картируется величина среднего периода повторяемости T(I)=1/B(I) для набора фиксированных значений порогового балла I. Такое представление прозрачное, достаточно полное, но не компактное. Поэтому сложилась практика отражать на картах сейсмической опасности значения соответствующей обратной функции IР0=I(В0) для фиксированного значения повторяемости В=В0, например, для В0=0.002 год-1=1/500 лет. Иными словами, на карте сейсмической опасности нанесены такие пороговые значения балльности IР0, которые имеют, в идеале, точно определенный шанс (например, 0.002) быть превышенными при будущих землетрясениях в течение годового срока. Поясним, что шанс не быть превышенным в течение года составляет в этом примере 1-0.002=0.998 или 99.8%. При этом годовая вероятность или повторяемость 1/T одинакова в каждой точке карты. Короче, карта сейсмической опасности отражает уровень сейсмического воздействия с заданной вероятностью непревышения за заданный период времени. Пороговая балльность в практике России используется как входной параметр инженерного расчета и далее называется «нормативная балльность». Обычно для целей ОСР фиксируется определенный уровень вероятности возникновения колебаний с интенсивностью, равной или превышающей IР0, хотя бы один раз в течение срока не в 1 год, а в 50-лет. Так, для действующей в 2011 г карты ОСР-97А это значение вероятности принято равным 10%, (за 50 лет), что соответствует значению сотрясаемости В0=1/475 год-1 или периоду повторяемости 475 лет (округленно 500 лет) [2]. Соответственно, вероятность непревышения за 50 лет составляет 90%. Ясно, что в описанном подходе безо всяких изменений можно заменить балл I на амплитудный параметр, в качестве которого можно использовать, например, логарифм максимального ускорения или само значение ускорения. Если опорный грунт - скальный, то картируемый параметр - это Aкп. Отметим, что балл карт ОСР-97 относится к среднему (кат. II ) грунту. Определенный вклад в оценки сейсмических нагрузок может вносить и значение производной dlgB(T)/dlgT которое определяет, как быстро растет значение балла IР0 при росте периода повторяемости T. Значения реальных значений скорости спада сотрясаемости (эмпирические, по статистике исторической макросейсмики) могут быть охарактеризованы диапазоном вариаций повторяемости от 5 до 10 раз на единичное приращение балла, то есть вариаций I от 1 до 2 баллов при изменении повторяемости в 10 раз. Этот фактор важен для инженерного расчета, если расчетчик пытается учесть вероятностным образом влияние разброса прочности реального сооружения относительно результатов идеализированного инженерного расчета. Степень важности данного фактора определяется именно абсолютным значением наклона кривой dlgB(T)/dlgT. Если спад В - быстрый, то влияние данного фактора относительно ниже. Вклад разброса прочности можно учесть, внеся дополнительные повышающие множители к нагрузке. В ISO19001 предлагаются значения такого множителя: в диапазоне (1.1-1.2) и до 1.35. В проекте норм МСН фактор скорости спада сотрясаемости dlgB(T)/dlgT учитывается с использованием, вместо прямой оценки производной, комбинаций нормативных интенсивностей в пункте на картах ОСР97 A,B и C, что принципиально верно, хотя подобный обходный путь с использованием округленных нормативных интенсивностей очень грубый (в то время как в расчете ВАСО эта производная оценивается попутно и без большого труда). Та же величина годится и для оценки поправок к нагрузке за уровень ответственности сооружения. Поэтому может быть целесообразным составление карт данного параметра в дополнение к обычной карте ВАСО. Карты сейсмической опасности, полученные с помощью процедур ВАСО, будем называть для краткости картами ВАСО. Для краткости подходы к ВАСО с использованием «балльности» или амплитуд будем называть, соответственно ВАСО-I или ВАСО-А. Во многих странах карты ВАСО, в первую очередь карты для периода 475 лет, рассматриваются как основа карт сейсмического зонирования или районирования страны. Чаще используют максимальное ускорение, но в США ОСР описывается через две карты RA для периодов сооружения 1 с и 0.2 с, для других же периодов RA находится интерполяцией специального рода. В России ВАСО-I на территорию страны провели впервые при создании карт ОСР-97. В практике России для конкретной площадки расчетная балльность подправляется для учета фактических свойств грунта: IР =IР0 + I , где I - это поправка за грунт, называемая «приращением балльности», а IР0 снимается с карты ОСР в соответствии с географическим положением площадки строительства. Значения IР0 – целые из диапазона 6-9 баллов. Величина I принимает возможные значения –1, 0 или +1 балл. В простейших случаях I оценивается по инженерно-геологическим данным о литологии грунтового разреза под площадкой для верхнего слоя грунта толщиной 10 м. Для этого вводится понятие «категория грунта»; выделены три категории: I (скальные и особо плотные нескальные грунты), II (средние грунты), и III (мягкие грунты). Основываясь только на инженерной геологии, полагают, что I = (номер категории грунта) –2. Однако в критических случаях предпочтительна оценка I по изменению амплитуд колебаний на данном грунте (относительно «среднего» грунта) прямым сейсмологическим методом. Далее выполняется переход от IР к квазистатической расчетной нагрузке по спектральному методу (метод спектров реакции). В простейшем случае сооружение описывается как одномассовый упругий маятник с безразмерным затуханием 0.05. Для этой расчетной схемы выполняют следующие два шага: 1. Определяют расчетное максимальное ускорение A колебаний грунта под сооружением на основе постулата жесткой функциональной связи между A и расчетной балльностью IР. В действующих нормах величина А – безразмерная, в долях ускорения свободного падения g, и принята конкретная связь вида A 0,1 2I P 7 (1) 2. Определяют расчетное инерционное ускорение, приложенное к сооружению, как RA(Tс)= A K(Tc) где: Тс - собственный период сооружения; – A - максимальное ускорение основания; RA(Tс) - это расчетный спектр реакции или максимальное инерционное ускорение сооружения, возникающее при его вынужденных колебаниях; для целей нормирования оно расщепляется на два сомножителя – A и K(Tc); «коэффициент динамичности» K(Tc) имеет чисто эмпирическое происхождение и получен на основе анализа и обобщения расчетов с реальными акселерограммами; он представляет собой осредненное значение безразмерного отношения максимального инерционного ускорения упругого маятника RA(Tc) к максимальному ускорению основания этого маятника A. Принятые в СНиП функции K(Tc) слегка различны для трех возможных значений K. Выбор функций А(IР) и K(Tc) един для всей территории России. Поясним, что возникающая нагрузка имеет двоякий характер: по происхождению - это динамическая нагрузка в процессе колебаний, а по использованию в расчете она считается приложенной статически; вся идея (упрощенного) инженерного расчета как раз и сводится к замене динамического расчета более простым статическим. В других странах также используют спектры реакции, но связь балл – расчетное ускорение не используют, а строят карту ОСР непосредственно в расчетных значениях для амплитудных параметров колебаний. Нельзя не заметить, что, в отличие от неявного российского стандарта - шкалы интенсивности MSK-64 [3] и ее усовершенствованного варианта MMSK-84 [4], новая европейская шкала ЕМS-98 [5] вообще (и принципиально) не содержит указаний на амплитудные параметры колебаний. Сам факт отсутствия жесткой связи наблюденной балльности и наблюденного максимального ускорения (а также наблюденной, реальной величины RA(Tc)) общеизвестен. Поэтому степень корректности традиции - жестко привязывать расчетную амплитуду к расчетному баллу не вполне ясна. Дальнейший анализ показывает, что использование балла как инструмента нормирования в принципе не хуже, чем использование максимального ускорения, и даже может иметь определенные преимущества. 1.1.2. О целесообразности сохранения практики использования балла, как инструмента для ВАСО-А или непосредственно в рамках ВАСО-I Практика в России в 2010 г такова, что при применении карты ОСР в баллах инженер переводит расчетный балл IР в расчетный спектр реакции RA(T) по выработанным инженерами-строителями правилам, и этот пересчет, по исходной идее, отражает связь реального наблюдаемого (с заданной повторяемостью) балла и параметров наблюдаемых колебаний грунта. Здесь две сложности: (1) как уже отмечено, наблюденный макросейсмический балл I не связан жестко с наблюденным максимальным ускорением а (имеется большой разброс а при заданном балле, более того, сама средняя зависимость a(I) может быть определена с большой ошибкой); (2) наблюденное а нельзя отождествлять с расчетной величиной А. Оба эти вопроса требуют обсуждения. Как известно, при фиксированном наблюденном балле разброс измеренного амах велик: стандартное уклонение lgамах порядка 0.3 (вариации около двух раз в каждую сторону). Но когда используется зависимость А(IР) из строительных норм, фактически по значению I жестко прогнозируется значение а гипотетического будущего землетрясения с помощью величины А. Является ли ошибка такого прогноза принципиальной с инженерной точки зрения? По-видимому, нет. Надо исходить из того, что балльность как концепция имеет важные позитивные аспекты. Конечно, это не более чем полукачественная характеристика движений грунта. Она, однако, имеет интегральный характер, и отражает усредненные характеристики колебаний как во времени (в пределах длительности колебаний), так и по определенному участку земной поверхности. В то, же время а - это точечная оценка и по времени, и по пространству, и имеет большой внутренний разброс. Можно полагать, что эти преимущества параметра нормирования на основе I I перевешивают его недостатки. При использовании важно лишь, чтобы нормативное значение А было реалистическим и при этом монотонно, систематически росло с ростом IР. Влияние же разброса эмпирической связи между I и а имеет ограниченный характер. Дело в том, что инженеру истинное значение а не очень важно, ему важно лишь задать адекватное нормативное значение А, которое обеспечит приемлемую прочность сооружения. Соотношение же истинного значения а с величиной А, закладываемой в расчет, нетривиально. Во-первых, сооружение не идеально хрупко и большой одиночный выброс ускорения не страшен, важнее уровень амплитуд в области максимальных амплитуд на акселерограмме (типа среднеквадратического экстремума ускорения, оцененного в плавающем окне длиной в несколько секунд). Во-вторых, обычно (но не всеми) считается, что очень короткий выброс (например, с характерной частотой 15 Гц) тоже не очень страшен: важно, какое а будет в «инженерном диапазоне периодов» (то есть, если пропустить акселерограмму через полосовой фильтр 0.3-10 Гц. В третьих, помимо значения амплитуды ускорения, на степень повреждений сильно влияет длительность колебаний с амплитудами, близкими к максимальным (поскольку разрушение реального сооружения происходит обычно не мгновенно, а постепенно, путем накопления повреждений, а для этого необходимо время). Наличие всех этих факторов приводит к тому, что инженеры нередко говорят, что они стремятся использовать не истинное, наблюдаемое «сейсмологическое» максимальное ускорение, а некое «эффективное» максимальное ускорение; однако единства в определении подобного «эффективного» параметра пока нет. В идеале, это «эффективное» значение и следовало бы использовать в качестве расчетного значения максимального ускорения А. В этой ситуации, вполне логично связывать значение A (единственный расчетный параметр, прямо отражающий масштаб нагрузки) непосредственно со значением интенсивности, отражающей, в первую очередь, масштаб повреждения гипотетических зданий с фиксированной уязвимостью (таких, например, как когда-то типичный одноэтажный кирпичный дом, по Медведеву [6]). Становится ясно, что использование прямой связи расчетной балльности IР с расчетным ускорением А - это по существу удобный обходный способ получить «эффективное ускорение», не изучая реальных значений а и заодно во многом обходя перечисленные трудные проблемы связи IР c а и а с А. Поэтому, сама концепция использования балла IР0 как параметра карты ОСР, дополненная подразумеваемой или явной спецификацией параметра А(IР) как эффективного значения ускорения, выглядит вполне допустимой. Следует отметить, что картирование непосредственно параметра А логически более прозрачно и в принципе предпочтительнее. Компромиссным могло бы быть составление согласованного комплекта карт I и А, отнесенных к опорному грунту. Сегодня (2010 г) процедура пересчета I => А=> RA(T) фиксируется в строительных нормах (СНиП) на основе проведенного инженерами анализа сейсмологической информации. При полном сохранении такой практики создание комплекта двух отдельных, но жестко согласованных карт I и А является избыточным и может не быть целесообразным. Дальнейшее обсуждение ведется в предположении, что использование параметра А (пересчет А => RA(T)) выполняется по другой, модернизированной процедуре, включающей новые варианты пересчета I => А и пересчета А => RA(T). 1.1.3. ВАСО-А. Практика США и Европы и Японии. GSHAP. Проблемы изученности амплитуд в условиях России Процедуры ВАСО-А прошли несколько этапов развития, начиная с 1968 г. и не могут здесь быть описаны кроме как очень кратко. Обзор можно найти в [7]. Основные шаги ВАСО-А следующие: Составление модели сейсмичности. «Сейсмичность» понимается в сейсмологическом смысле как описание потока событий-землетрясений в пространстве (гипоцентры) и времени. События характеризуются в первую очередь магнитудой и размером очага. Временная структура принимается чисто случайной - поток Пуассона с определенной плотностью (частотой событий). Пространственная структура включает линейные (разломы, линеаменты) и площадные (диффузные) сейсмогенные зоны. Нет четкой традиции со спецификацией протяженных очагов землетрясений в рамках модели сейсмичности. Составление модели сейсмического эффекта в приемнике (площадка строительства) от одиночного события-источника. За эффект обычно берут максимальное ускорение, скорость, уровень спектра реакции на фиксированном периоде. Определяющими параметрами для эффекта считаются магнитуда M, эпи- или гипоцентральное расстояние r, тип источника и грунтовые условия G. Модель обычно представляют в виде функциональной зависимости - уравнения прогноза движения грунта (УПДГ, GMPE, ground motion prediction equation), например, для А типа lg a = F(M, r, G). При этом зависимость от M обычно нелинейная, зависимость от расстояния r определяется через параметры геометрического расхождения и поглощения (или эмпирическую функцию затухания) и учитывает размер очага, зависящий от магнитуды. Предпринимаются усилия для последовательного учета эффекта протяженности источников. Эффект грунтовых условий оценивается через дискретный класс грунта (аналог категории СНиП), причем эта оценка используется только на этапе применения результатов ВАСО-А (в виде карты СР) для конкретного объекта. Собственно ВАСО-А проводится применительно к скальному или плотному грунту («firm ground», “soft rock” Vs около 700 м/с). Альтернативный подход может заключаться в использовании фиксированной заранее выполненной карты грунтовых условий и включении их эффекта в картируемые нормативные значения. Объединение двух названных моделей и определение параметров (повторяемости в функции А) будущей статистики сотрясений или движений грунта разной силы с учетом модельной статистики очагов вокруг приемника и с учетом УПДГ или модели затухания. Понятно, что корректное выполнение процедур ВАСО-А требует использования адекватных исходных данных. Сложившаяся в России практика оценки сейсмичности в целом близка к таковой за рубежом, единственное важное отличие - повсеместный переход к магнитуде Mw как базовой в таком описании. Положение с УПДГ иное. В условиях США основой УПДГ является база данных регистрации сильных движений грунта (акселерограмм), успешно регистрируемых с 1933 г. В Японии акселерограммы в массовом порядке регистрируются с 1962 г, но после 1995 г сеть приборов была радикально расширена и переведена на цифровую основу. Европейская база данных опирается в первую очередь на довольно обширные материалы регистрации сильных движений в Италии, Греции, Турции и бывшей Югославии. Эти материалы дают прочную основу для проведения ВАСО-А на этих территориях. Современные УПДГ для Японии и Южной Европы довольно надежны. Методики ВАСО-А были в основном разработаны до 1990 г. В 1992-2000 гг. результаты ВАСО по регионам Земли были приведены в единую сводку (и нередко уточнены) в рамках проекта ЮНЕСКО GSHAP, который давал мировую карту ВАСО-А для скального грунта для Т=475 лет. Материалы проекта GSHAP весьма поучительны, из них, в частности, видно фактическое положение дел с изученностью сейсмической опасности в разных странах. Однако, российское участие в GSHAP было организовано на основе пересчета в максимальные ускорения баллов карты ОСР-97А, построенной для среднего грунта. Пересчет вели на основе простой формулы линейной связи I => lg A, не идентичной аналогичной связи, фиксированной в Российских СНиП. Использование корреляции балл-амплитуда для Российского сегмента GSHAP обходный маневр, вызванный практическим отсутствием материалов по реальным движениям грунта на территории России для регионов коровой сейсмичности. Весьма ограниченный материал исследований СДГ для Камчатки использован не был. К 2011 г положение с изученностью не изменилось. Поэтому выполнить ВАСО-А на основе собственных УПДГ в условиях России, по-видимому, невозможно. Для сбора исходных материалов для составления УДПГ нужна расстановка в регионах России сетей цифровых акселерографов, желательно с регистрацией на различных, характерных для региона вариантах грунтовых условий. Общее число приборов должно быть установлено на основе компромисса. Плотность приборов, принятая для развитых густонаселенных стран с высокой сейсмической угрозой, (Италия, Япония, запад США, Иран, Греция) определяется типичным расстоянием между акселерографами в 20-30 км. При такой плотности каждое сильное землетрясение надежно регистрируется в приемлемом диапазоне расстояний. Однако, такую плотность в слабонаселенных, но сейсмоопасных регионах России трудно реализовать с организационной стороны - редки населенные пункты. В малосейсмичных регионах такая плотность также едва ли оправдана. Все же следует ориентироваться на шаг не менее 50 км вдоль важнейших активных разломов, и обеспечивать регистрацию в первую очередь на скальных грунтах. Дополнительно к акселерографам, необходима установка цифровых велосиграфов (не менее 5-7 на регион) для оценок уровня спектра на низких частотах и определения магнитуд Mw . После расстановки подобной сети придется ждать 5-10 лет для накопления минимального числа записей слабых и умеренных землетрясений. После этого можно пробовать оценить УПДГ для малых и средних магнитуд, а также изучить региональные свойства затухания амплитуд с расстоянием. За тот же срок можно ориентировочно, оценить УПДГ для малых и, при удаче, для средних магнитуд, что впервые создаст основу для корректной адаптации в России акселерограмм из мировых баз данных сильных движений. Параллельно необходимо разработать корректные способы экстраполяции параметров акселерограмм от слабых и умеренных землетрясений к сильнейшим в регионе. На этом пути через 10-15 лет можно будет получить материал для относительно надежных региональных УПДГ. Для реализации подобной программы нужны сами приборы, работы по выбору и организации и строительству пунктов наблюдений, организация сбора, накопления и первичного анализа данных. Нужны также усилия по постоянному долгосрочному поддержанию функционирования подобной сети. Без таких или подобных усилий невозможно ни построить реалистические УПДГ для регионов России, ни даже заимствовать грамотным образом акселерограммы или УПДГ, накопленные или созданные за рубежом. 1.2. Практические возможности для использования амплитуд при картировании сейсмической опасности России 1.2.1. Использование заимствованных зависимостей УПДГ для проведения работ ВАСО-А Как показывает опыт работ GSHAP для менее изученных регионов мира, обычный путь преодоления низкой изученности в целевом регионе - это прямое заимствование УПДГ, составленных в сейсмологически более изученных регионах и странах. Наиболее типично использование УПДГ, разработанных на относительно обширном материале запада США. Такой подход имеет то преимущество, что в УПДГ для запада США уже отсеяны различные аномалии, а также имеются оценки не только для средних, но и для диапазонов разброса индивидуальных измерений амплитуд. Однако, некритическое использование подобного подхода опасно. Возможны существенные ошибки, основные причины которых в том, что имеется существенные региональные особенности в устройстве самих зависимостей УПДГ. Можно ожидать, по крайней мере, два типа особенностей - в плане излучательной способности очагов и в плане затухания амплитуд с расстоянием. Определенные, менее существенные искажения возможны также в силу того, что имеются трудности с пересчетом магнитудных оценок из региональных шкал типа «энергетический класс» или MLH по методике Соловьева в шкалу Mw. Существенные различия в излучательной способности очагов - реальное явление, которое проявляется как разброс амплитуд при фиксированных магнитуде и расстоянии для событий внутри региона, равно как и различия между региональными средними. В обсуждаемой проблеме особенно важен второй фактор, так как он может порождать существенные и неконтролируемые систематические ошибки. Его масштабы бывают заметны, и могут выражаться в различиях региональных средних УПДГ до двух, а в особых случаях до 3-4 раз (при фиксированных магнитуде и расстоянии). Наиболее известны различия в параметре «максимальное ускорение»: между западом и востоком в пределах США, между субдукционными и коровыми очагами в Японии, между данными запада США (Калифорнии), с одной стороны, и данными Италии (или Японии), с другой. Для названных пар регионов первый в паре имеет среднее ускорение (при фиксированных магнитуде и расстоянии) в 1.5-2.5 раза ниже, чем второй. В особых случаях (северо-запад Индии в сравнении с северо- востоком) последний имеет амплитуды максимальных ускорений и скоростей в 2-3 раза выше. Для зон субдукции нередко отмечаются более низкие (около двух раз) амплитуды от мелкофокусных очагов в сравнении с промежуточными очагами на глубинах 80-200 км. Надо сказать, что отмеченные тенденции, кроме, пожалуй, отличий между западом и востоком США, нельзя считать вполне надежно установленными. В литературе можно встретить расхождения в отношении не только масштаба, но даже реальности подобных различий (см. например, [8], где различие уровней УПДГ для Калифорнии и зон субдукции поставлено под вопрос. Нередко в качестве причины описанных различий выдвигают межрегиональный разброс очагов по параметру «сброшенное напряжение». Роль этого фактора несомненна, но он едва ли является на 100% определяющим; в любом случае вопрос изучен недостаточно. Для характеризации данного явления привлекают также следующие качественные факторы: различие в периоде повторяемости очагов на одном и том же участке геологического разлома (очаги с периодом повторяемости 5000-10000 лет мощнее, чем для случая периода повторяемости 100-200 лет); различие в степени удаленности очага от границы литосферных плит (чем удаленнее, тем выше амплитуды); различие в степени тектонической раздробленности или фактор тектонически активный - стабильный регион (чем активнее или раздробленнее, тем ниже амплитуды). Перечисленные факторы отнюдь не имеют взаимоисключающего характера; напротив, они заметно коррелированны; при этом список факторов едва ли полон. Сколько-нибудь аккуратный учет подобных факторов при заимствовании «чужих» УПДГ без изучения фактического материала по зарегистрированным «своим» движениям грунта выполнить затруднительно. На поверхности лежит идея использования регионованалогов, но пути надежной практической реализации подбора таких аналогов не видны. После развертывания сети акселерографов и сбора материала, составляющего минимальную базу данных по «своим» движениям грунта, даже для малых и умеренных магнитуд, подобный подход мог бы быть разработан с определенным, контролируемым уровнем надежности. Фактор различия затухания между «чужим» и целевым регионами относительно менее важен, чем фактор уровня излучения очагов, так как в эпицентральной зоне, где амплитуды максимальны и где оценка их уровня наиболее важна при ВАСО, гипоцентральные расстояния невелики. Поэтому различия амплитуд за счет фактора различия в затухании имеют здесь подчиненный характер. Если важны движения грунта в широком диапазоне амплитуд (6-10 баллов) и, следовательно, эпицентральных расстояний, учет регионально-специфического затухания необходим. Все изложенное позволяет сделать вывод, что для условий России едва ли можно ожидать надежных результатов от проведения ВАСО-А на основе УПДГ, заимствованных из других регионов мира. 1.2.2. Возможность включения амплитуд в схему ОСР России на основе предварительного проведения ВАСО-I, путем прямого пересчета балла в амплитуду Выбор амплитудного параметра. В принципе, по баллу I на карте ВАСО-I можно путем прямого пересчета строить оценки различных параметров движений грунта, таких, как максимальные ускорения, максимальные скорости, уровни спектров Фурье и др. Если ограничиться одиночным параметром, в качестве такового следует, по-видимому, выбирать максимальное ускорение, так как это - базовый амплитудный параметр в традиционной процедуре оценки расчетных нагрузок. Выбор простейшего варианта процедуры пересчета I => А. Простейший путь здесь - это использование принятой связи А(I) по СНиП. В СНиП II-7-81 [9], а вслед за ним и в СНиП II-7-81* [2000] баллу I=[7; 8; 9] соответствует А=[0.1; 0.2; 0.4]. Напомним, что в момент своего принятия, связь А(I) из СНиП II-7-81 давала численные оценки, в 1.41 раза превышающие соответствующие оценки шкалы MSK-64 (как точечные оценки принимаем среднегеометрические границ диапазона). В то же время, последняя экспериментальная оценка по данным США [9] (см рисунок 1) дает при I=7 или 9 ожидаемое среднее геометрическое а=0.25g или 0.90g, то есть 220-250% от принятого в СНиП действующем в 2011 г, или около 300% относительно средних по MSK-64. Таким образом, здесь имеются серьезные проблемы, касающиеся абсолютного уровня ускорений и возможных систематических ошибок пересчета. Но проблемы этим не ограничиваются. a(I): Various lg10 peak acceleration, horizontal, cm/s 2 3 SNIP US-99 non-It It Eur-All Kamch Apt2001 ASh88 2.5 2 1.5 1 0.5 3 4 5 6 7 Macro Intensity, MSK64 8 9 Рисунок 1. Варианты средней зависимости a(I) наблюденных максимальных горизонтальных ускорений (ордината) от сейсмической интенсивности по шкале МSК64 (абсцисса). Обозначения, сверху вниз в легенде: A(I) по СНиП-81, с линейной экстраполяцией; средняя зависимость a(I) по массовому материалу для запада США [10], a(I) по данным европейской базы данных сильных движений вне Италии; то же для Италии, причем использована шкала MCS ; то же для европейской базы суммарно; то же для Камчатки (квадраты); то же по [11, 12] (формула lg a.=-0.75+0.40I); то же по [13] для вариантов длительности d50%=5 (верхняя) и 10 с. (нижняя кривая). На рисунке 1 также приводятся осредненные зависимости a(I) , построенные по европейской базе данных сильных движений в целом, а также для ее подмножеств «вне Италии» и «Италия». В этой базе данные по Италии составляют более половины. Для Италии использованы баллы макросейсмической шкалы MCS (Mercalli-Cancani-Zieberg) которые в нескольких квалифицируются как последних практически публикациях идентичные итальянских баллам MSK64. сейсмологов Причины систематических различий итальянских и внетальянских групп данных достоверно установить не удалось. Обращает на себя внимание тот факт, что итальянские и внеитальянские данные заметнее всего расходятся при 6-7 б., а при 8-9 9 б. находятся в согласии. Как видно из графиков рисунка 1, ряд источников аппроксимирует связь a(I) нелинейной зависимостью. Как отмечено уже в [14] типичный шаг логарифма амплитуд для макросейсмической шкалы, то есть производная dlga/dI , составляет около 0.3 ед логарифма на балл, в диапазоне 5-9 баллов, 0.5-0.6 в диапазоне 2-5 баллов, и выражено снижается в диапазоне 9-10 баллов. Причина нелинейности в диапазоне 2-9 баллов обнаруживается довольно просто. В диапазоне 2-5 баллов основой макросейсмической шкалы являются ощущения людей. Эти ощущения ранжируются (градуируются) с трудом, поэтому здесь у составителей шкалы получилось различие амплитуд примерно в 3-4 раза для соседних ступеней шкалы, dlga/dI=0.5-0.6. В диапазоне 6-10 баллов основой макросейсмической шкалы являются повреждения зданий, степень которых ранжируется более уверенно; в результате шаг шкалы по lga снизился до +0.3, что дает различие амплитуд примерно в 2 раза для соседних ступеней шкалы. Излом нелинейных связей у всех авторов появляется как раз в области баллов 5-6. Можно поэтому полагать, что нелинейность связей отражает реальность, в то время как единая линейная связь в диапазоне 2-10 баллов и наклоном dlga/dI более 0.3 скорее всего является переупрощением и может вести к несколько завышенным оценкам амплитуд для наиболее мощных колебаний. Насыщение амплитуд ускорений в области 9-10 баллов также реально и обсуждается ниже. Это явление слабо поддержано наблюдениями, поэтому зависимости прогнозного характера на рисунке 1 его не отображают. Альтернативная точка зрения выражена в [11, 12] где делается вывод, что зависимость lg a(I) лучше выражается прямолинейной зависимостью вида lg a.=0.75+0.40I, с изменением амплитуд в 2.5 раза на балл. По мнению настоящего автора, это переупрощение, причем оно в том или ином варианте возникает неизбежно, если предполагать линейность связи. Коснемся теперь абсолютных уровней зависимости a(I) Указания на более чем двукратное расхождение принятой в СНиП II-7-81* [2000] зависимости a(I) с материалами анализа большого объема наблюдений за сильными движениями в США является серьезной проблемой. Надо сказать, что проблема эта не новая и достаточно сложная. Принятые типовые зависимости a(I) за период 1950-2000 гг. существенно эволюционировали в направлении роста амплитуд при фиксированном балле. Принятое в СНИП II-7-81 [9] для 9 баллов значение а=А=0.4g было в определенном смысле корректно - оно накрывает сверху соответствующий диапазон шкалы MSK-64 (0.2-0.4 g). Однако, уже Аптикаев и Шебалин [13] рекомендуют для 9 баллов оценку 0.60g в среднем. Новая оценка Вальда и др. [15] равна уже 0.92g. Правда, следует отметить, что обе эти оценки являются в определенной мере искусственными и применимыми только к прочным грунтам. Фактически в области 9 баллов рост измеренного ускорения а с баллом прекращается, сначала на мягком, а затем и на среднем грунте. Рекордные значения ускорений, достигающие 2-4 g, регистрируются пока исключительно на скальных грунтах. Эмпирическое среднее для 9 баллов (без группировки по типам грунта) составляет 0.45g по [13] и около 0.5g. по [10]. Данное явление усложняет картину. За счет разрушения и потери связности грунтов при прохождении волн больших амплитуд, при росте амплитуд на коренных породах, регистрируемый на грунте параметр а насыщается и не растет, а может и снижаться. См. иллюстрацию на графике [16]. Однако это насыщение для измеренного параметра а мало что меняет с точки зрения инженерного расчета. Дело в том, что насыщение а ни в коей мере не является признаком насыщения разрушительной силы землетрясения (иначе и балл не рос бы). В частности, продолжает расти без выраженного насыщения наблюденная максимальная скорость колебаний грунта. Приостановка в росте а связана, по-видимому, с быстрым снижением характерной частоты спектра колебаний при росте балла [15]. Такая тенденция имеет, по крайней мере, две совместно действующие причины: рост вклада относительно низкочастотной неволновой компоненты движения грунта вблизи разлома, а также быстрый рост с амплитудой нелинейных потерь в грунте, о чем будет еще речь ниже. В целом, нет сомнений в том, что условный, эффективный параметр А должен продолжать расти с баллом. Однако возникает вопрос, следует ли понимать соответствующие нагрузки традиционно, просто как боковую силу (срез основания). В области 9-10 баллов для нескальных грунтов целесообразно рассмотреть вариант учета нагрузок двух видов - от боковых сил и от неравномерной (дифференциальной) просадки грунта под фундаментом. Эмпирически такой подход реализуется в ответственных сооружениях, например, использованием монолитной фундаментной плиты или других адекватных инженерных решений. Однако, нет явного требования к проектировщику учитывать дифференциальные просадки на этапе инженерного расчета. Существует мнение, что материалы США, где для оценки макросейсмических баллов используется модифицированная шкала Меркалли, не вполне сопоставимы с баллами по европейским шкалам. Для этого возможны по крайней мере две причины. Вопервых, возможно, что типичная застройка запада США и типичная застройка сейсмоопасных регионов Европы могут оказаться плохо сопоставимыми в плане уязвимости из-за различия в традициях строительства. Это объяснение кажется наиболее правдоподобным. Можно предполагать также наличие некоторого несоответствия шкал MSK64 и ММ. Однако, следуя [17, табл.2], можно предположить, что баллы 8-9 MSK64 соответствуют баллам 8.4-9.5 шкалы ММ, и сотрясения с амплитудой 0.9 g при IMM=9 отвечают баллу IMSK= 8.5. Так что учет данного фактора не только не объясняет расхождение, а напротив, делает его даже более ярким. Для задачи фиксации связи А(I) для применения при пересчете в А используемых в СССР-России данных о балльности целесообразно учитывать тот факт, что стандартная в СССР-России шкала MSK64 (и ее прямой потомок EMS) являются базовыми шкалами для Европы и применялись для характеризации данных европейской базы вне Италии. На этом пути можно получить численное значение a(I=9 б)=0.6g. Аналогичная оценка получена Аптикаевым и Шебалиным [13] для опорной длительности 5 с. Использование шкал MM и данных США дает относительно завышенные оценки, а шкалы MCS и данных Италии, в диапазоне 6-8 баллов, - относительно заниженные оценки. При I=9 б европейские данные в любом варианте устойчиво предсказывают а(I=9 б)=0.6g. Однако объем данных, на котором основана эта оценка, невелик. Поэтому в качестве опорного значения с слегка нелинейного графика для европейской базы данных вне Италии сняли опирающееся на достаточно большой объем (несколько десятков) данных значение а(I=8) = 0.33 g. Отметим, что европейская (вне Италии) зависимость в целом слегка нелинейна. Все же, шаг изменения lg а на ступень шкалы балльности, равный 0.3010 (или 2 раза для а), судя по рисунку 1, можно уверенно продолжать использовать и в будущем для пересчета а(I) в диапазоне баллов 6-9, по крайней мере, для скальных грунтов. В качестве опорного значения будем использовать опирающееся на относительно обширные данные значение а(I=8) = 0.30 g. Зафиксировав линейный тренд с привычным наклоном dlg A/dI = 0.3010 (рост а в 2 раза на балл), получим для линейной аппроксимации следующее соотношение, представляющее рекомендацию связи балл–максимальное ускорение согласно данному разделу: I= 7 8 A= 0.165 0.33 9 0.66 Подчеркнем, что при выводе данной связи использованы исходные об амплитудах, в которых данные не группированы по типам грунта. На первый взгляд ее можно использовать для среднего грунта, получить, например, оценки максимальных ускорений, а затем получить оценки для скального грунта или коренных пород, используя «приращение балльности», равное -1, и внося поправочный коэффициент 0.5, следуя действующему СНиП и РСН. Как уже отмечалось [16], накопленный при регистрации сильных движений грунта материал противоречит подобному подходу. Альтернативный подход развивается ниже на основе опыта, вложенного в последнюю версию норм США и Европы. Выводы к разделу 1.2 Проведение ВАСО непосредственно в терминах амплитуд в условиях России затруднительно по причинам низкой изученности фактов инженерной сейсмологии; использование обходных путей приемлемо в принципе, но не может дать сколько-нибудь надежных результатов. Проведение ВАСО в терминах баллов может быть использовано для приемлемой вероятностной оценки амплитуд колебаний. Такая оценка будет приемлема по надежности и не должна давать существенных ошибок. Соотношение балл–максимальное ускорение, используемое в нормах, подлежит пересмотру на основе накопленных к 2010 г объемов наблюдений сильных движений. 1.3. Обоснование и содержание модернизированной процедуры пересчета расчетной балльности в максимальное ускорение в целях корректного учета грунтовых эффектов в условиях больших баллов и амплитуд Связь а(I), обсужденная выше, почти у всех авторов строится и приводится без дифференцирования по типам грунта. Использование в практике России стандартного понятия «приращение балльности» неявно предполагает, что зависимость а от I однотипна для разного уровня амплитуд и не зависит от того, по какой причине растет балл - из-за роста амплитуды на коренных породах или из-за изменения параметров грунтовой толщи при фиксированной амплитуде на коренных породах. Далее детально обсуждается второй из этих двух случаев. Необходимость обсуждения связана с тем, что принятое в процедурах СНиП II-7-81* предположение о росте максимальных ускорений (параметра А) в 2 раза на единицу «приращения балльности» или на единичный шаг категории грунта находится в существенном противоречии с данными наблюдений сильных движений. Наблюдения говорят, что этот рост примерно соответствует традиции при относительно низкой балльности, до 6-7 баллов на коренных породах (на скальном фундаменте). При 8-9 баллах этот рост несколько замедляется. С максимальным ускорением положение серьезнее. При амплитудах до 6-7 баллов на коренных породах (на скальном фундаменте), при приращении балльности I =1, рост а составляет примерно 1.6 раза и сильно замедляется при 8-9 баллах. При 9-10 баллах на скальном фундаменте рост максимальных ускорений, как говорят расчеты по нелинейным моделям грунтовых толщ и редкие наблюдения, может смениться их парадоксальным снижением. В рамках обычных моделей нелинейного поведения грунта по Хардину-Дрневичу данное поведение связано с деградацией упругих и прочностных свойств грунтовой толщи под действием поля волны. Таким образом, традиционное представление о росте максимальных амплитуд в зависимости от типа грунта в два раза на балл примерно согласуется с наблюдениями максимальной скорости, в то время как для максимальных ускорений это представление неприемлемо даже при малых амплитудах. Может возникнуть вопрос, каким образом появляется подобное расхождение при малых амплитудах, когда собственно нелинейных эффектов быть не должно. Вероятная причина - в вязкоупругом поведении грунтовой толщи. В такой толще неупругие потери сильно растут с частотой, частично подавляя эффект различия акустических жесткостей (импедансов). Это ведет к заметным дополнительным потерям для ускорений, в то время как влияние на скорости - ограниченное. Эффект повышенных потерь в грунтовой толще при больших амплитудах - не единственный наблюдавшийся нелинейный эффект в нескальных грунтах. При особых типах грунтов возможны нелинейное формирование пиков ускорений (см. теорию и детальный обзор нелинейных эффектов в [18]), но такие эффекты пока рассматривают как редкую аномалию Обзор нелинейных эффектов и путей их учета на основе норм IBS-2006 США, Еврокод 8 и МСН-2002. Обсуждение проведем на основе действующих на 2011 г строительных норм США IBS-2006, составленных с учетом наиболее обширного архива записей сильных движений и с учетом теоретических нелинейных расчетов распространения упругих волн в реалистических моделях грунтовых толщ. Нормы IBS-2006 включают карты сейсмического районирования, которые описывают нагрузки на языке уровней спектра реакции на двух фиксированных периодах - 1 с (S1= RA(1)) и приблизительно 0.2 с (Ss= RA(0.2)), значения которых привязаны к конкретному роду грунта B (скальный грунт) Значения Ss для класса В далее обозначаются SsВ. Вообще, род грунта описывается через «класс грунта» с буквенным кодом A, B, C, D, E. Классы грунта примерно аналогичны российским «категориям грунта», но дают более дробную классификацию. Из таблицы 1 (следует основной части таблицы 1613.5.2 IBS-2006, не включены особые случаи мягкого грунта, а также пенетрометрические и прочностные параметры грунтов) устанавливается соответствие между классами A, B, C, D, E США и категориями России, принятое на основе значения vS скорости поперечных волн. Оно установлено на основе норм РСН 6086 в следующем виде: для категории 1 - Vs = 1000 - 1400 м/с, точечная оценка 1200 м/с; для категории 2 - Vs= 250 - 350 м/с, точечная оценка 300 м/с; далее проводили интерполяцию по аргументу lg vS. Таблица 1 Определение классов грунта A,B,C,D,E IBS-2006 США на основе средней скорости vS в верхнем слое толщиной 30 м. Класс грунта США A B C D E Скорость поперечных волн vS , м/с vs 1524 762vs 1524 366vs 762 183 vs 366 vs 183 Категория Род грунта грунта К [0.75] Твердая скала 1.25 Скала 1.75 Очень плотный грунт, мягкая скала 2.25 Плотный грунт [2.75] Мягкий грунт В таблице 2 приводятся значения «грунтовых коэффициентов» Fa для расчета спектра реакции на коротком периоде (приблизительно 0.2 с) для грунтов разного класса, исходя из набора вариантов спектральных амплитуд SsВ (на скальном грунте класса B) для в диапазона амплитуд 0.25-1.25g. Значение SsВ снимают с карты районирования. Для расчета спектра реакции при классе грунта, отличном от В, расчет Ss, ведут по формуле Ss, = SsВ * Fa (**П) Принципиальное отличие такого подхода от практики в России - в двух аспектах. Во-первых, на карте ОСР отображен спектральный параметр, а параметр А не входит в процедуры расчетов. Во-вторых, при учете эффекта грунта используются «грунтовые коэффициенты», существенно зависящие от амплитуды колебаний на коренных породах (то есть от SsВ). Для сопоставимости с нормами России, целесообразно для ориентировки связать значения параметра SsВ с значениями максимального ускорения А на том же (класс В) грунте (первая строка таблицы 2 , обозначено АВ). Это сделали в предположении, что отношение B=SsВ/ АВ, то есть динамический коэффициент для коротких периодов и для скальных грунтов, равен 2.5. В следующих двух строках - балл, полученный из АВ пересчетом по соотношению из СНиП-81 и, более реалистично, по [13]. Таблица 2 Грунтовые коэффициенты Fa для вариантов класса грунта A,B,C,D,E США и вариантов спектральных амплитуд Ss = SsВ для скального грунта класса В (по таблице 1613.5.3(1)) Класс грунта США и др АВ =SsВ /2.5 I(АВ) по СНиП-81 A B C D E К пересчитанное по Vs 0.75 1.25 1.75 2.25 2.75 Спектр реакции, на коротких периодах, на грунте класса В, Ss, согласно карте СР SsВ= 0.25 SsВ = 0.50 SsВ = 0.75 SsВ = 1.00 SsВ 1.25 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 7 8 8.5 9 9.25 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.2 1.2 1.1 1.0 1.0 1.6 1.4 1.2 1.1 1.0 2.5 1.7 1.2 0.9 0.9 Таблица 3 Грунтовые коэффициенты S для вариантов класса грунта Aе, Bе, Cе, Dе по Еврокод-8 для спектров Тип 1 (основной) и Тип 2 (малые магнитуды) Класс грунта Еврокод-8 A≡ Aе B≡ Bе Скорость поперечных волн vS , м/с > 800 360 – 800 C≡ Cе 180 – 360 2.12 D≡ Dе < 180 [2.58] По формуле (1) К, пересчитанное по Vs [1.04] 1.58 Род грунтового разреза Скала мягкая скала Плотный грунт Мягкий грунт S для спектров «Тип 1» 1,0 1,2 S для спектров «Тип 2» 1,0 1,35 1,15 1,50 1,35 1,80 в предположении АВ = SSВ /2.5 были рассчитаны ориентировочные значения максимального ускорения А в зависимости от условного непрерывного аргумента «номер категории грунта» К, для пяти амплитудных уровней АВ и SSВ). Результаты видны на следующем рисунке 2. Абсциссы - это значения непрерывного аргумента К, в частности, пересчитанные из характеристик грунтовых классов ABCDE норм США, см. таблицу 1. При целых К, значение К соответствует определениям категории. По той же схеме выполнили пересчет в К для классов грунта A, B, C, D норм Еврокод8. Поскольку идентичность обозначений может ввести в заблуждение, европейские классы, которые определены иначе, чем в нормах США, переобозначены как Aе, Bе, Cе, Dе. На рисунке 2 ординаты для сплошных ломаных линий - это значение А, полученное из значения SS как SS /2.5 =AB Fa . Выраженные различия тонких кривых от рекомендаций норм США при AB =0.2 g и выше прямо связаны с учетом в этих нормах нелинейных потерь в постепенно теряющем прочность и связность грунте. Рисунок 2, иллюстрирует, как по нормам США зависит амплитуда ускорения А на нескальном грунте от грунтового параметра К для случаев разных по уровню «входных амплитуд» AB , привязанных к скальному грунту, класса В. При относительно малых амплитудах это изменение примерно следует обычной линейной схеме (систематический рост амплитуды при падении акустической жесткости). 0.8 0.7 Apeak at a soil 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.5 1 1.5 2 soil category K value from Vs 2.5 3 Рисунок 2. Ломаные линии с кружками описывают поведение значений А норм США в зависимости от аргумента «номер категории грунта» К согласно таблице 2 и уравнению 1. Линии, снизу вверх, приблизительно соответствуют значениям балльности 6.5 7.5 8 8.5 8.75. Параметр линии - значение ускорения АВ = SsВ /2.5 для грунта класса В; это значение обозначено кружком со точкой при К=1.25. Тонкий пунктир - аналогичные кривые, построенные в предположении линейного поведения среды. Серый пунктир -два варианта зависимости А от К на основе таблиц Еврокод8 (см таблицу 3) для случаев различных исходных значений А для грунта класса Aе, равных 0.15 и 0.45. Эти две ломаные пропорциональны друг другу. Черная кривая - предложение для новых норм России при фиксированном А = Aсг =0.3 для грунта категории К=1.0 Бросается в глаза, что и в этом случае инженерные сейсмологи США принимают рост амплитуды с категорией намного медленнее, чем это принято в СНиП-1981 и РСН60-86. Шаг lgA (dlgAdK)в российских нормах равен, традиционно, 0.3010 (рост 2 раза на K=1). В нормах США при малых амплитудах для ускорений и спектрального параметра SS , dlgA/dK составляет устойчиво приблизительно 0.2 (рост в 1.6 раза на K=1 или 1.25 раза на класс грунта США). Это заметно расходится с традициями России/СССР. Однако при тех же малых амплитудах, для периодов в окрестности 1 с, dlgS1/dK составляет в среднем около 0.3 (рост в 2 раза на K=1 или 1.41 раза на класс грунта США). Данная схема относится к линейному поведению грунта и поэтому основана на больших объемах наблюдений. Можно уверенно предполагать, что она отражает реальность, и расхождение в темпе роста амплитуд с категорией грунта dlg(амплитуда)/dK - реальное явление. Рост грунтовых коэффициентов с К наиболее выражен при малых амплитудах. При относительно больших амплитудах, этот рост замедляется в силу нелинейности. Для иллюстрации экспериментального характера обсуждаемых различий возьмем конкретный анализ, основанный на десятках записей землетрясения Нортридж. Показано, что при малых амплитудах на грунте класса В, отношения амплитуд Fa и Fv составляют между классами С/В (K=0.5) и D/B (K=1): для коротких периодов Fa=1.62 и 2.06 раза, для средних периодов Fv=1.96 и 2.62 раза. В то же время при амплитудах более 0.5 g на грунте класса В аналогичные параметры составляют: Fa=1.29 и 1.36 раза; Fv=1.56 и 1.84 раза. В [19]. Была изучена новая база данных NGA. Из их рисунка 8 видно, что при периодах 0.1, 0.3 и 1 с, грунтовый коэффициент при K=1 составляет примерно 1.9, 2.6 и 3.2 раза при малых ускорениях, в то время как при aкп=0.6g он снижается до 1.0, 1.4 и 2.2 . Для данных Италии анализ грунтовых эффектов в [20] проводился в терминах, отличных от классов ADCDE США, и без учета нелинейных амплитудно-зависимых эффектов. Для класса «мощный аллювий», сопоставимого с классом D США, относительно класса «скала», получены следующие грунтовые поправки в десятичных логарифмах: +0.10 для максимального ускорения, (0.19-0.27); 0.12 и 0.38 для спектров реакции на периодах 0.2 и 1.0 с. Видно, что общая картина очень близка к таковой для условий США. Для условий Японии в [21] грунтовые поправки к lg RA для «среднего грунта» относительно «скалы » для периодов 0.2 и 1с составляют 0.13 и 0. 40 соответственно. В (Kanno et al 2006) получили оценку G=dlgY/dlgV30, для различных амплитудных параметров, где V30 -это Vs в верхних 30 м разреза. .Легко видеть, что dlgY/dK ≈0.6 G. Получены следующие оценки dlgY/dK: 0.33 для максимального ускорения; 0.426 для максимальной скорости; 0.408 и 0.558 для спектров реакции на периодах 0.2 и 1.0 с. Видно, что качественное согласие с результатами по США снова усматривается, но численные оценки выше оценок для США, или более ранних оценок для Японии. Авторы отмечают данный факт и его аномальный характер и ограничиваются этим. С другой стороны, грунтовые поправки к lg RA на периодах в 0.2 и 1.0 с имеют гораздо более близкие к традиции США значения 0.15 и 0.30. Грунтовые коэффициенты для классов C, D и Е (относительно класса В) для ускорений и спектров на 0.2 и 1 с составили: для ускорений 1.5, 1.9 и 2 раза, для спектров на 0.2 с 1.4, 1.9 и 1.8 раза, и для спектров на 1 с 1.35, 2 и 3.6 раза. Все исследования, описанные в данном абзаце, не учитывали зависимость от амплитуды. Таким образом, намечается тенденция к несколько более высоким оценкам грунтовых коэффициентов в Японии относительно данных по западу США. Особенно интересна работа [22] где специально сравниваются результаты двух параллельных исследований грунтовых поправок, которые принимаются либо зависящими от амплитуды, либо постоянными. Для класса грунта D (относительно класса В) вариации грунтового коэффициента составляют для а: от 1.6 при малых амплитудах до 0.5 при 1 g ; и и аналогично для RA(1) от 2.7 до 1.4. В то же время амплитуднонезависимые грунтовые коэффициенты для а и RA(1) составляют 1.38 и 2.3. При анализе различий регионов следует иметь в виду, что модель вертикального распространения волны, и тем более частная модель отношения акустических жесткостей не дает полного описания картины грунтовых коэффициентов. Более совершенная модель должна бы учитывать вклады поверхностных волн, включая их высшие гармоники, и во всяком случае роль резонансов в слое. Поэтому различия в оценках не должны удивлять. В целом, из примеров видна ясная качественная картина поведения грунтовых коэффициентов: они выражено снижаются с ростом амплитуд на скальном грунте, причем при малых амплитудах грунтовый коэффициент для коротких периодов заметно ниже, чем для средних периодов. Абсолютные цифры грунтовых коэффициентов обычно сопоставимы или несколько выше, чем в нормах США. Обобщение данных такого рода по многим землетрясениям, в первую очередь для запада США, послужило основой для установления нормативных грунтовых коэффициентов IBС-2006. Рассмотрение кривых рисунка 2 показывает, что по мере увеличения максимального ускорения на скале, устойчивый рост амплитуд с ростом К прекращается, и при Ав=0.5 g формируется картина насыщения амплитуд на значениях, характерных для грунтового класса В. Важно отметить, что «переключение» с линейного на заметно нелинейный режим происходит постепенно: от отсутствия вплоть до К=2.5 при AB=0.1 до «немедленного» включения при К≈1.5 при AB=0.5. Качественно аналогичные выводы следуют из рассмотрения более примитивного подхода, использованного в европейских нормах Еврокод-8, когда предполагается карта сейсморайонирования в терминах AАе - максимального ускорения на коренных породах или грунте класса Ае (оригинальное обозначение ag). В Еврокод8 нет явного и прямого учета нелинейности, грунтовые поправки принимаются амплитудно-независимыми; но неявным образом эти поправки существенно учитывают нелинейность грунтов. Непростая картина, видная на графиках рисунка 2 по нормам США, сглажена и осреднена в европейских нормах, где принята единая форма трендов А(К) при разных уровнях амплитуды на скальном грунте. Эти тренды описываются через единый для всех амплитуд грунтовый коэффициент S= A /AАе, таблица 3. Расчет спектра реакции RA(Tc) для сооружения с собственным периодом Tc (оригинальное обозначение Se(T)) ведется по следующей схеме: RA(Tc) = AАе S Ae (T), где функция Ae(T) (оригинальное обозначение Sе/ag) напоминает коэффициент динамичности СНиП-81, однако нормирована не на максимальную амплитуду движения данного грунта, а на аналогичную амплитуду для коренных пород. Произведение А =AАе S = ag S имеет смысл максимального ускорения на грунте разного класса. Его ход с категорией грунта иллюстрируется серыми пунктирными ломаными с квадратами на рисунке 3. Там приведены варианты зависимости А от К на основе таблиц Еврокод8 для случаев AАе=0.09, 0.27 и 0.45 и для очагов Тип 1. Поскольку в данном случае нелинейность учитывается осредненно однотипным образом для всех амплитуд, эти три кривые аналогичны (пропорциональны друг другу). Если считать таблицы Fa IBС-2006 близкими к истине, то в рамках подхода Еврокод8, при амплитудно-независимых грунтовых поправках, вносятся искажения. Из рисунка 3 можно усмотреть, что выбранный в Еврокод8 конкретный вариант поправок, неявно учитывающих нелинейность, примерно соответствует случаю, когда максимальное ускорение на скале близко к 0.3 g. При малых амплитудах, когда вклад нелинейности невелик, такой подход занижает ускорения на мягких грунтах до двух раз в области К=2.5-3. Напротив, при ускорениях 0.4-0.5 g на грунте с К=1, ускорения предсказываемые на тех же грунтах по ЕС8 могут превышать реальные до 1.5 раз. Хотя численно данные выводы не вполне надежны из-за вариаций свойств реальных грунтов, проведенный анализ качественно вполне обоснован. Применительно к условиям России и СНГ, разработан проект норм МСН-2002, в котором также реализован табличный вариант учета нелинейности. Главная особенность МСН-2002 в сравнении с IBS-2006 - это использование в качестве опорного амплитудного параметра колебаний максимального ускорения на среднем (К=2), а не на скальном (К≈1) грунте. Это следует традициям норм СССР, но по этой причине возникает ряд сложностей, причем не только с нормированием в строительных нормах, но и с методикой СМР, и частично с методикой ОСР. Нормы МСН-2002 занимают, в известном смысле, промежуточное положение относительно норм США и Европы. Нелинейность описывается в табличном виде и учтены различия в степени выраженности нелинейных эффектов при разных уровнях амплитуды (таблица 2.4 МСН-2002) но форма спектра не меняется с амплитудой. На рисунке 4 приведены зависимости А(К) для ряда уровней Акп. При этом в оригинале аргументом такой зависимости служит уровень А на среднем грунте, далее обозначаемый АК2. Для пересчета к аргументу Акп использовали зависимость А(К), приведенную там же. Так получили таблицу 4, которая является аналогом таблицы 2. По сравнению с исходной таблицей 2.4 МСН-2002, добавлены промежуточные значения I. В квадратных скобках приведены значения Fa согласно зависимостям по таблице 2, интерполированные к уровням К и Акп , из таблицы 4. 1.2 1 Apeak at a soil 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1 1.5 2 soil category K 2.5 3 1 1.5 2 soil category K 2.5 3 0 Apeak at a soil 10 -1 10 0.5 Рисунок 3. Ход значений А норм МСН-2002 в зависимости от аргумента «номер категории грунта» К согласно табл. 4 (сплошные линии). Линии, снизу вверх, соответствуют значениям балльности 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 на грунте К=2. Аналогично, штриховые ломаные линии с кружками описывают поведение значений А норм США согласно таблице 2 . Линии, снизу вверх, приблизительно соответствуют значениям балльности 6.5 7.5 8 8.5 8.75. Параметр линии значение ускорения АВ для грунта класса В США. Тонкий пунктир - аналогичные кривые, построенные в предположении линейного поведения среды. Принято dlgA/dK=0.3010 Верхний график - натуральный масштаб, нижний график - логарифмический масштаб. Из таблицы 4 и рисунка 3 видно, что в целом как нормы МСН-2002 так и нормы США учитывают, что нелинейные эффекты (замедленный рост амплитуд в функции от К) нарастают с амплитудой. В области АК1=0-0.3 и К=1-2.5 имеется неплохое численное согласие. Но при АК1 более 0.3 имеются существенные расхождения и детали заметно различаются. Во-первых, результат, отраженный на рисунке 3, показывает численное расхождение между нормами США и расчетом по МСН, в котором сделано стандартное для норм СССР-России предположение dlgA/dK=0.3010 (рост амплитуды ускорения вдвое на K =1), не связанное с учетом нелинейности. Нормы США указывают на dlgA/dK=0.20 при малых амплитудах. Аналогичный результат приведен в [17, уравнение 2.18, и табл 4] где видно, что с ростом К, рост спектральных амплитуд на периоде 0.3 с происходит как Vs 0.2-0.28, в то время как на периодах 1-1.5 с рост спектральной амплитуды и максимальной скорости примерно следует Vs 0.5 в согласии с концепцией отношения акустических жесткостей. При больших амплитудах dlgA/dK принимает много меньшие значения, чем 0.20. По-видимому, нормы IBС-2006 несколько лучше отражают реальность, и наличие расхождения указывает на необходимость пересмотра методологии СМР. Из графиков на рисунке 3 также видно, что принятая для МСН-2002 схема нелинейного поведения переупрощена и не отражает качественно разное поведение на разных амплитудных уровнях. Поведение кривых IBС-2006 демонстрирует выраженное нарастание нелинейного затухания на слабых грунтах, в отличие от заглаженной зависимости норм МСН2002. Надо отметить, что нормы США для грунтов, более слабых, чем класс E, (класс F) вообще рекомендуют детальное исследование. Кроме того, при обычной для СССРРоссии более грубой градации грунтовых условий просто трудно отобразить в таблице важные детали. Наконец, использование как опорного грунта К=2 вносит дополнительные сложности в анализ. Поэтому был выполнен в пробном порядке пересмотр набора грунтовых коэффициентов. За опорные величины использовали грунтовые коэффициенты норм IBС2006; такой подход достаточно обоснован, так как в этих нормах использовано обобщение наиболее обширных наблюдений. Обзор опубликованных вариантов реализации норм с учетом нелинейности 1. (следуя ЕС8) Напомним, что в ЕС8: (картируемый/зонируемый входной параметр расчета) единственный входной амплитудный параметр Акп или ААе для К=1; (как задан ход амплитудного параметра с изменением грунтовых условий и с изменением амплитудного уровня на опорном грунте ) изменения амплитудного параметра А с изменением грунтовых условий определяются таблично через коэффициенты, заданные для разных грунтов; нелинейность изменения амплитудного параметра А ростом амплитуды на опорном (скальном) грунте не игнорируется вовсе, но учитывается для случая конкретного жестко фиксированного на уровня, примерно определяемого через Акп≈0.3-0.4 ; имеются два варианта таблиц для двух вариантов очагов - с средними и высокими и с низкими магнитудами. (как форма спектральных кривых зависит от амплитуды на коренных породах Акп) спектральные кривые имеют неизменную форму для каждого конкретного класса грунта при любых амплитудах, спектральные кривые нормализованы (обезразмерены) через деление на Акп. Проблемы данного подхода: игнорируется факт зависимости степени и деталей нелинейного поведения от амплитуды на коренных породах Акп; игнорируются существенные различия в степени выраженности нелинейного поведения на разных частотах, что ведет к неучету выраженной зависимости формы спектра от амплитуды на коренных породах Акп. 2. (следуя МСН2002)) . В МСН2002: (картируемый/зонируемый входной параметр расчета) единственный параметр - нормативная балльность, однозначно пересчитываемый в амплитуду АК2 на грунте с К=2; не составляет принципиальных трудностей дальнейший пересчет АК2 в Акп или ААе, для К=1; (как задан ход амплитудного параметра с изменением грунтовых условий и с изменением амплитудного уровня на опорном грунте) ход параметра А в зависимости от исходной амплитуды АК2 (или Акп ) и от грунтовых условий определяется таблично через варианты коэффициентов для разных АК2 и К; (как форма спектральных кривых зависит от амплитуды на коренных породах Акп) спектральные кривые имеют фиксированную форму для конкретной категории грунта при любых амплитудах; спектральные кривые нормализованы (обезразмерены) через деление на АК2 но не составляет принципиальных трудностей использование в этих целях Акп. Проблемы данного подхода: игнорируются существенные различия в степени выраженности нелинейного поведения на разных частотах; нормировка на максимальное ускорение для нескального грунта неудачна с точки зрения описания физики процесса или системного описания и затрудняет использование подобных подходов при УИС и ДСР. Таблица 4 Грунтовые коэффициенты пересчитанные из таблицы 2.4 норм МСН2002 Балл на грунте кат 1 Балл на грунте кат 2 Балл на грунте кат 3 AK2 Aкп K=1* K=2 ** K=3 5 6 7 1 2[1.54] 4 Параметры колебаний грунтов*** 6 7 8 9 7 8 9 10 8 9 10 [11] 0.15 0.3 0.5 1 0.075 0.15 0.25 0.5 1 1 1 1 2[1.54] 2[1.43] 1.67[1.26] 1.43[1.1] 3.2 2.8 2.0 -- 10 [11] -- [1.25] -- примерно граница классов A|B США примерно граница классов C|D США *** В квадратных скобках, курсивом: интерполированное к использованному набору дискретных значений K значение Fa по IBC-2006 Таблица построена для случая, когда за опорное значение амплитуды берется ее значение Aск на грунте с К=1 или коренных породах, в предположении A(I=7)=0.15 и (при малых амплитудах) dlgA/dK=0.3 * ** Таблица 5 Предлагаемый вариант связи нормативного балла на среднем грунте IK2 и нормативного значения максимального ускорения на коренных породах (или на грунте кат. 1), Aкп, в ед. g (вариант АГ116, А.А.Гусев, июнь 2011 г.) Балл на среднем грунте, например по карте ОСР IK2=6 IK2=6.5 IK2=7 IK2=7.5 IK2=8 IK2=8.5 IK2=9 IK2=9.5 1 IK1* 5. 5.50 6. 6.50 7. 7.50 8. 8.50 2 dlgA/dK 0.20 0.20 0.20 0.19 0.17 0.14 0.11 0.0650 3 AK2 0.0703 0.103 0.141 0.206 0.468 0.674 0.281 0.365 4 Aкп 0.0443 0.0650 0.0886 0.133 0.190 0.265 0.363 0.581 * предполагаемый балл на скальном грунте IK2=10 9. 0.06 0.937 0.816 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 1.5 2 2.5 3 -1 10 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Рисунок 4. Зависимости А(К) для набора 9 значений Акп, предлагаемые как основа норматива, построены путем интерполяции грунтовых коэффициентов таблицы 2. Штриховые линии с квадратами - аналогичные зависимости согласно IBC-2006. С точки зрения применений для нормирования, целесообразно исключить падающий участок при больших амплитудах. Верхний график - натуральный масштаб, нижний график - логарифмический масштаб. 3. (следуя нормам США IBC 2006)). В IBC 2006: (картируемый/зонируемый входной параметр расчета) вводятся и картируются два входных параметра SS и S1, явно задающие уровень спектра реакции на периодах ≈0.2 с и 1.0 с.для грунта категории В (мягкая скала) . Пары карт SS и S1 сильно взаимно коррелированы, если рассматривать эти пары по отдельности в пределах регионов Запад США и Восток США. Параметры SS и S1 тесно связаны с значениями максимальных ускорений Акп и максимальных скоростей Vкп для скального грунта. Можно без больших искажений пересчитывать SS в Акп и S1 в Vкп; (как задан ход амплитудного параметра с изменением грунтовых условий и с изменением амплитудного уровня на опорном грунте ) ход параметров S MS и SM1 определяющих уровень спектра реакции на периодах ≈0.2 с и 1.0 с на разных грунтах и при разных амплитудах, определяется, исходя из значений тех же параметров для грунта категории В (для мягкой скалы) равных, соответственно, SS и S1. Для этого используются две отдельные и существенно различные таблицы коэффициентов (Fa и Fv) для SMS и SM1 соответственно; (как форма спектральных кривых зависит от амплитуды на коренных породах Акп) спектральные кривые не имеют определенной жесткой формы и определяются после расчета параметров SMS и SM1. Значения этих параметров используются для привязки «безразмерной» спектральной кривой путем ее масштабирования по отдельности в области коротких и длинных периодов. С помощью такого приема явно учитываются существенные различия в степени выраженности нелинейного поведения на разных частотах. Проблемы данного подхода: существенных проблем не усматривается. Подход в целом приемлем, однако окончательными и могут численные значения уточняться. В коэффициентов не являются условиях слабой изученности России использование двух отдельных карт для SS и S1 едва ли целесообразно, можно принять, что эти параметры пропорциональны друг другу. При этом сохраняется главное преимущество подхода США - учет изменения формы спектров при фиксированном грунте с изменением амплитуды воздействия на коренных породах. Можно заменить параметры SS и S1 на более привычные Акп и Vкп. В силу изложенного, целесообразнее проводить более детальный учет нелинейности в табличном виде, следуя подходу IBC-2006 или европейских норм ISO 19901, использующих ту же таблицу Fa. Предлагаемый вариант схемы пересчета от баллов к ускорениям. С учетом материалов норм МСН-2002 и IBС-2006 и других, был составлен вариант грунтовых коэффициентов, и жестко с ним связанный вариант численной связи балла с ускорением (таблица 5, рисунок 4). В качестве исходных опорных значений комбинаций балл-ускорение принято, согласно нашему анализу данных европейской базы акселерограмм (кроме Италии), значение A(I|I=8)=0.32g. Это значение получено без деления на группы по видам грунтов. В шапке таблицы 5 имеется набор уровней нормативного балла IK2 на среднем грунте, который предположительно соответствует сетке принятых значений новейшей карты ОСР с шагом 0.5 балла. В первой строке таблицы даны соответствующие значения балла IK1, для коренных пород или площадки со скальным грунтом. Во второй строке даны значения коэффициента dlgA/dК, численно определяющего возможность перехода от АК2 к Акп =АК1 Значения этого коэффициента сильно зависят от амплитуды определяемой, например, через, АК2. Они также могли бы зависеть от категории грунта К, но фактические цифры даны в предположении что категория грунта находится в ограниченном диапазоне 1-2. Они пригодны только для максимальных ускорений, но как ориентировочные дают поведение спектральных амплитуд для периодов 0.1-0.3 с. Для численной оценки dlgA/dК использованы значения Fa таблицы 4 для диапазонов классов грунта B-C и B-D. С этой целью использованы первые разности таблицы Fa по аргументу «класс грунта», с дальнейшим сглаживанием. В третьей строке даны принятые при построении таблицы значения максимального ускорения AK2 для среднего грунта. Они получены на основе следующих соображений: Ход зависимости A(I), принят в основном согласно действующему СНИП (2 раза на балл, dlgA/dI=0.3010); Дополнительно, при наибольших баллах учтена небольшая тенденция к замедлению тренда AK2(I) с опорой на ход зависимости, принятый в МСН-2002 (см. табл.4) Принято фиксированное опорное значение AK2(IK2=8)=0.27 g. Последний выбор принципиален и имеет следующее обоснование. Согласно строке 2 таблицы 5, при IK2=8, dlgA/dK=0.17; при IK1=8 , dlgA/dK=0.11; так что в среднем для таких уровней колебаний грунта можно принять среднее dlgA/dK=0.14, то есть изменение амплитуды примерно в 1.4 раза на категорию грунта. Согласно вышеописанным эмпирическим оценкам, значению I=8 соответствует значение A(I|I=8)=0.33 g. Предполагаем, что это значение можно считать средним геометрическим из значений для скального и среднего грунта, что дает: для среднего грунта AK2 (I|I=8)=0.33*10-0.07=0.281 g (базовое, взято за опору) для скального грунта AK1 (I|I=8)=0.33*10+0.07=0.388 g Поясним, что здесь речь идет о ситуациях, когда зафиксировано именно значение балла, а не уровень амплитуд на коренных породах. В следующей строке 4 приведен набор значений максимального ускорения Акп на коренных породах, полученный по значениям AK2 из строки 3 с использованием значений коэффициента dlgA/dK из второй строки. Этот набор является основным результатом данной работы. Численно зафиксированная данной таблицей связь значений IK2 (в шапке) и Акп предлагается как нормативная для привязки значений ускорения на грунте К=1к цифрам балла на карте ОСР. Предполагается, что для расчета нормативного спектра реакции RA(Tc ) будет применено нормативное ускорение Акп , для чего будут использованы заданные для каждого К нормированные на Акп спектральные функции кп(Tc). Поясним, что только строка 4 таблицы 5 содержит нормативную информацию. Строки 1-3 приводятся для информации и не участвуют в прикладном расчете. В частности, значения ускорения на среднем грунте AK2 из строки 3 имеют ориентировочный характер и не должны рассматриваться как рекомендуемое значение ускорения для среднего грунта. Предполагается, что рекомендуемое значение ускорения будет получаться на основе Aск, как результат СМР. Возможно и использование упрощенных схем, но оно должно отражать региональную специфику. Использованные значения dlgA/dK могут быть специфичными для запада США и Европы, но, судя по японскому опыту, не могут быть уверенно рекомендованы для зон субдукции. Из приведенных материалов следует, что связь между баллом и ускорением должна, по крайней мере, при больших баллах 8-10, существенно зависеть от типа грунта. При фиксированном значении балла, на скальных грунтах ускорение должно быть выше, чем на среднем грунте. Данная ситуация иллюстрируется на рисунке 5. Как и следовало ожидать, при одинаковых значениях балла в шапке таблицы 5 и в строке 1 им соответствуют различные значения A. Например, значению I=8 соответствует (по предположению) 0.281 g в условиях среднего грунта, но 0.363 g в условиях скального грунта. Для I=8, примерно в середине диапазона 0.28-0.36 g оказывается полученная в предыдущем разделе оценкой а=0.33 g , при получении которой фактор рода грунта не учитывался. На рисунке 5 приведена также зависимость для мягкого грунта, в этом случае при росте балла и ускорения на скальном грунте, ускорение при больших баллах 8-10 на таком грунте насыщается при значениях около 0.4 g. Любопытно, что ускорения при фиксированном балле при на мягком грунте при I=6-8 получились чуть выше, чем на среднем, а не ниже, как можно было бы ожидать на основе экстраполяции тенденции от K=1 к K=2. Фактическая тенденция прямо отражает устройство таблицы Fa из IBC-2006, которая предсказывает более быстрый рост амплитуд при переходе от K=2 к K=3, в сравнении с переходом от K=1 к K=2. Такое поведение параметра Fa обнаружено эмпирическим путем, по-видимому оно связано с тем, что ситуация мягких грунтов возникает обычно в условиях осадочных бассейнов и аллювиальных долин, где рост амплитуд относительно условий скального грунта происходит не только за счет эффектов низкой акустической жесткости, но и в большой мере за счет формирования поля поверхностных волн. peak acceleration vs macro intensity 0 a-peak, g 10 A(I) |K=1 A(I) |K=2 A(I) |K=3 A(I)-SNiP81 1.5*A(I)-SNiP81 -1 10 6 6.5 7 7.5 8 I-MSK 8.5 9 9.5 10 Рисунок 5. Зависимость максимального ускорения от балла А(I). Обозначения, сверху вниз: предлагаемые специфические зависимости А(I) для категорий грунта 1, 2 и 3; зависимость А(I)по СНиП II-7-81*; то же (по СНиП II-7-81*) с дополнительным коэффициентом 1.5. Зависимость максимальных ускорений от рода грунта при фиксированном балле не просто автоматически следует из принятых таблиц норм IBC-2006, но имеет и определенную независимую наблюдательную основу. В работе [23] при анализе большого объема материалов США методом множественной регрессии установлена именно такого рода зависимость для уровня спектра Фурье на коротких периодах (поведение этого параметра аналогично поведению максимального ускорения). Однако выполненный нами анализ связи a-I по европейской базе данных не показывает выраженной тенденции зависимости от типа грунта, по крайней мере в рамках использованной там примитивной классификации грунтов. Выводы к разделу 1.3 Для корректной оценки амплитуд воздействия по карте нормативного балла сочтен необходимым и предложен пересмотр подходов к оценке воздействия и создание единой процедуры, вместо их сегментов, разделенных в настоящее время между картой ОСР, нормами СНиП и нормами РСН. Главное в пересмотре - учет выраженного нелинейного поведения нескальных грунтов, учет которого предлагается проводить на основе зарубежных данных. Не усматривается логически непротиворечивых отдельных путей независимого прогноза параметра «нормативное максимальное ускорение» на основе традиционной процедуры, в предположении, что амплитуда ускорения меняется вдвое при изменении категории грунта на единицу при постоянной амплитуде на скальных грунтах или коренных породах (dlgA/dK=0.3010), и на основе предлагаемой пересмотренной процедуры. 1.4. Формализованное описание (алгоритм) для процедур составления карт сейсмической опасности (карт ВАСО) РФ в терминах сейсмических ускорений Выше приводится детальное обоснование для процедур выполнения сейсмического районирования в терминах пиковых ускорений для скального грунта. При этом принимали за основу, что сейсмическое районирование будет выполняться, в согласии с современным подходом, в вероятностных терминах. В этом случае на территорию страны составляется карта «сейсмической опасности» (seismic hazard) в формальном, вероятностном смысле этого термина. Для этого применяется процедура вероятностного анализа сейсмической опасности или, сокращенно, ВАСО. Пример реализации ВАСО процедура составления для РФ набора карт ОСР-97, в этом случае карты составлялись в терминах макросейсмической интенсивности I на среднем грунте. Альтернативный подход - составление карт в амплитудных терминах, в частности, в терминах пиковых ускорений А на скальном грунте. Как обосновано в разделе 2 настоящего отчета, на 2011 г в России единственный эффективный и наиболее надежный путь построения карты сейсмической опасности (ВАСО) в единицах пиковых ускорений на скальном грунте - это пересчет из предварительно составленной карты опасности (ВАСО), выраженной в баллах I, в аналогичную карту в пиковых ускорениях А. Такой подход ранее опробован при выполнении проекта GSHAP, проведенного ЮНЕСКО для создания мировой карты сейсмической опасности. Результатом процедур ВАСО может являться: набор карт среднего периода повторяемости для заданного набора значений балла I интенсивности (серия карт T(I) ) или заданного набора значений пикового ускорения А (серия карт T(А), либо карта уровня сейсмического воздействия (в единицах балла I или пикового ускорения А) с заданной вероятностью превышения за заданный период времени; или набор таких карт для нескольких вариантов данного периода. Такой уровень воздействия может быть использован как элемент строительных норм, и в терминологии инженеров он носит название «сейсмичность». Типичные значения заданных значений вероятности превышения и периода времени составляют Р=10% и Т=50 лет. При этом вероятность непревышения в течение 50 лет приведенного на карте уровня составляет 90%. Предполагается, что, следуя традиции ОСР-97, именно второй подход будет применен в карте 2012 г. Формализованное описание (алгоритм) для процедуры составления карт сейсмической опасности (карт ВАСО) РФ в терминах сейсмических ускорений. Предлагаемая процедура составления карты сейсмической опасности (карт ВАСО) РФ в терминах сейсмических ускорений включает следующие шаги: Шаг 1. Составляется карта ВАСО территории в терминах балла макросейсмической интенсивности для заданных вероятности превышения Р и периода времени Т, например Р=10% и Т=50 лет. Шаг 2. Для каждой точки сетки расчета упомянутой карты ВАСО, выполняется пересчет значений балла I на среднем грунте в значения пикового ускорения А на скальном грунте. Используется непосредственно полученное расчетом неокругленное значение балла. Принятая связь А(I) имеет непрерывный (не ступенчатый) характер и определяется линейной интерполяцией по данным головки и строки 4 табл. 5, которые повторяем здесь для наглядности макросейсмическая интенсивность на среднем грунте: I, балл = 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.5 10.0 0.190 0.265 0.363 0.581 0.816 пиковое ускорение на скaльном грунте: А, ед. g = 0.0443 0.0650 0.0886 0.133 Данный подход не должен комбинироваться с использованием зафиксированного в ныне (2011 г.) действующих СНиП предположения, что амплитуда пикового ускорения меняется вдвое при изменении категории грунта на единицу при постоянной амплитуде на скальных грунтах или коренных породах (dlgA/dK=0.3010). Использование этого предположения обычно будет вести к неоправданному завышению расчетных нагрузок в условиях среднего грунта. Вместо этого, рекомендуется проведение обзорных работ по СМР в регионе для определения спектральных характеристик типичных грунтовых толщ и прогноза изменения этих характеристик при больших амплитудах. При отсутствии данных СМР, может применяться следующее правило, основанное на опыте регистрации колебаний грунта в условиях запада США и Европы: макросейсмическая интенсивность на среднем грунте: I, балл,= 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.5 10.0 приращение логарифма ускорения при изменении категории грунта на единицу, от категории 1 к категории: 2 dlgA/dK = 0.20 0.20 0.20 0.19 0.17 0.14 0.11 0.065 0.06 Шаг 3. По значениям А, полученным на исходной сетке расчета карты ВАСО в баллах, составляется карта ВАСО в единицах ускорения, в изолиниях. Эта карта для каждой точки территории дает формальную вероятностную оценку сейсмической опасности в терминах пиковых ускорений на скальном грунте или коренных породах с заданной вероятностью превышения (например, 10%) за заданный срок (например, 50 лет). Имеются два варианта оформления карты в изолиниях: вариант с интерполяцией значений А между изолиниями (Вариант И), и вариант с дискретизацией (ступенчатым представлением) значений А (Вариант С). Дадим примеры. Для Варианта И рекомендуемый набор изолиний изображаемых значений ускорения следующий: 0.02; 0.025; 0.03; 0.04; 0.05; 0.07; 0.1; 0.125; 0.15; 0.20; 0.25; 0.30; 0.40; 0.50; 0.70; 1.0 причем изолинии подписываются этими числами. Значение А считается гладкой функцией координат и рассчитывается путем линейной интерполяции значений А между изолиниями Для варианта С изолинии рисуются для значений ускорения: 0.0173; 0.0224; 0.0274; 0.0346; 0.0447; 0.0592; 0.0837; 0.1118; 0.1369; 0.1732; 0.2236; 0.2739; 0.3464; 0.4472; 0.5916; 0.8367; 1.1180 а постоянные значения А из списка 0.02; 0.025; 0.03; 0.04; 0.05; 0.07; 0.1; 0.125; 0.15; 0.20; 0.25; 0.30; 0.40; 0.50; 0.70; 1.0 приписываются полям (полосам), заключенным между этими изолиниями. Например, фиксированное значение 0.02 g приписывается всей полосе между изолиниями 0.0173 и 0.0224 g. При сохранении зафиксированного в действующих (в 2011 г.) в СНиП предположения, что амплитуда ускорения меняется вдвое при изменении категории грунта на единицу при постоянной амплитуде на скальных грунтах или коренных породах (dlgA/dK=0.3010), составление сейсмологически обоснованной карты расчетных пиковых ускорений по существу невозможно. Выводы к разделу 1.4 Выполнение процедур ВАСО непосредственно в терминах амплитуд колебаний, и в частности в терминах максимальных ускорений грунта, в условиях России затруднительно по причинам низкой изученности фактов инженерной сейсмологии. В принципе можно было бы использовать обходные пути, но в настоящее время этот подход не может дать сколько-нибудь надежных результатов. Этот подход может стать более приемлемым в перспективе после создания акселерографической сети России и накопления минимального объема регистрации сильных движений грунта в России. Проведение ВАСО в терминах баллов макросейсмической интенсивности может быть использовано также и для вероятностной оценки амплитуд колебаний, путем пересчета. Такая оценка будет приемлема по надежности. Выполнение пересчета оценок, полученных при ВАСО в терминах баллов макросейсмической интенсивности, в аналогичные оценки для максимальных ускорений на скальном грунте возможно и не должно давать существенных систематических ошибок. Используемое при этом соотношение балл - максимальное ускорение должно быть установлено на основе накопленных к 2010 г объемов наблюдений ильных движений грунта. При этом следует исходить из того, что это соотношение может и должно быть специфическим для грунтов разной категории. Соотношения балл-ускорение и ускорение-категория грунта, используемые в нормах СНиП II-7-81*, следует считать устаревшими, их использование в предлагаемой схеме недопустимо. Предложен вариант соотношения балл–ускорение отдельно для скальных и средних грунтов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ризниченко Ю.В. От активности очагов землетрясений к сотрясаемости земной поверхности. Известия АН СССР, Физика Земли, 1965, N11 2. Страхов В.Н., Уломов В.И., Шумилина Л.С. Общее сейсмическое районирование территории России и сопредельных стран.// Физика Земли, 1998, № 10. 3. Медведев С.В. Международная шкала сейсмической интенсивности// Сейсмическое районирование СССР. М.: Наука,1968. С.151-162. 4. Ершов И.А., Шебалин Н.В. Проблемы конструкции шкалы интенсивности землетрясений с позиций сейсмологов//Прогноз сейсмических воздействий. Вопросы инженерной сейсмологии. Вып.25. М.: Наука, 1984. С. 78-95. 5. Grünthal (Editor). European Macroseismic Scale ЕМS-98.. 1998. G. ESC, Subcommission on Engineering Seismology, Working Group Macroseismic Scale. Luxembourg, 1998. 99 p. 6. Медведев С. В. Инженерная сейсмология. М.: Стройиздат,.1962 7. Гусев А.А., Шумилина Л.С. Некоторые вопросы методики общего сейсмического районирования // Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии, вып 2-3. М.: ОИФЗ РАН 1995. С. 289-299. 8. СНиП II-7-81*. Строительные нормы и правила. Строительство в сейсмических районах / Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1995. - 52 с. 9. Wald, D.J., V. Quitoriano, T.H. Heaton, and H. Kanamori Relationships between peak ground acceleration, peak ground velocity, and modified Mercalli intensity in California, Earthq. Spectra, 1999, 15. P. 557-564. 10. Аптикаев Ф.Ф. (2001) Сильные движения грунта при землетрясениях: Сейсмические воздействия . Автореферат докторской дисс. 11. Аптикаев Ф. Ф. Инструментальная шкала сейсмической интенсивности // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. − 2005. − № 5. − С. 33 − 37. 12. Аптикаев Ф.Ф., Шебалин Н.В. Уточнение корреляций между уровнем макросейсмического эффекта и динамическими параметрами движения грунта //Исследования по сейсмической опасности. Вопросы инженерной сейсмологии. Вып. 29. М.: Наука, 1988. С. 98-108. 13. Шебалин Н.В. О равномерности шкалы балльности. //Сейсмическая шкала и методы измерения сейсмической интенсивности,М.Наука 1975, 222-233. 14. Чернов Ю.К. Сильные движения грунта и количественная оценка сейсмической опасности территорий. АН УЗССР. Ин-т сейсмологии. Ташкент: Фан, 1989. 295 с. 15. Гусев А.А.. 2002. О сейсмологической основе норм сейсмостойкого строительства в Pоссии. Физика Земли, №12, C. 35-44. 16. Гусев А.А.. 2003. Некоторые вопросы сейсмологического обоснования норм сейсмостойкого проектирования. Сейсмостойкое проектирование. Безопасность сооружений. C. 32-36 17. Окамото Ш. Сейсмостойкость инженерных сооружений PDF. Стройиздат, Москва, 1980. 342 с. 18. Trifunaс M. D. 1991Empirical scaling of Fourier spectrum amplitudes of recorded strong earthquake accelerations in terms of Modified Mercalli Intensity, local soil conditions and depth of sediments. Soil Dyn and Earthq. Eng., 10, 65-72. 19. Ресурс официальных справочных материалов по семейству программных продуктов ESRI ArcGIS, http://webhelp.esri.com. 20. Шипулин В.Д. - Основные принципы геоинформационных систем - Харьков, ХНАГХ - 2010, PDF. 21. Отчет по НИР №1/08 в рамках РЦП “Сейсмобезопасность территории Кемеровской области» (2006-2010 гг.), РАСС, Я.М. Айзенберг, В.И. Смирнов, Р.Т. Акбиев и др. 22. Постановление Правительства РФ от 16 февраля 2008 г. №87 "О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию" (с изменениями от 18 мая 2009 г.) 23. Ведомственные строительные физического износа жилых зданий". нормы ВСН 53-86(р) "Правила оценки