Сейсмометрический мониторинг технического состояния зданий типовой застройки в г. Улан-Батор

Обширные территории Монголии расположены в высокосейсмичных областях и, как следствие, подвержены частым землетрясениям различной интенсивности. Только в XX в. произошло более 60 сейсмособытий интенсивностью 7-12 баллов и магнитудой более 5,5. Среди них крупнейшими, вызвавшими крупные нарушения земной поверхности, являются землетрясения с магнитудой более 8 (Болнайское, 1905 г., Фуюньское, 1931 г., Гоби-Аэтэйское, 1957 г.), которые вызвали деформации земной коры протяженностью более нескольких сотен километров.

Относительно высокая сейсмическая интенсивность в Монголии объясняется ее расположением, с одной стороны, в структурной зоне растяжения, зависящей от Байкальского разлома, а с другой - ее расположением между структурной зоной соприкосновения (или сжатия) Индийско-Австралийских и Евразийских плит. Из сейсмологической летописи Монголии (начиная с 1903 г.) видно (табл. 1), что сейсмическая активность сконцентрирована вдоль хребтов Монгольского Алтая и Гоби-Алтая, а также вдоль северо-западной приграничной полосы с Российской Федерацией в районе восточной части Могод и Хангайских хребтов.

Таблица 1

Землетрясения в Монголии в XX в.

№	Наименование местности	Дата	Магнитуда	Баллы
1	Цэцэрлэг	09.07.1905	7,6	10-11
2	Булнай	29.07.1905	8,2	11-12
3	Монгольский-Алтай	10.08.1931	8,0	11
4	Гоби-Алтай	04.12.1957	8,1	11-12
5	Могод	01.05.1967	7,8	10-11
6	Дэрэн	24.09.1998	5,4	6-7

Постоянное движение сейсмических разломов с возникновением новых создает угрозу новых землетрясений, способных принести не только большой экологический, но и экономический ущерб государству. Решению данной проблемы способствовали научно-иследовательские работы по сейсмологии в Монголии, начало которым было положено в 1957 г., когда в Улан-Баторе была создана первая в стране сейсмологическая мониторинговая станция. Большим вкладом в сейсмологическую науку послужили исследования советских и монгольских ученых: В.А. Потапова, А.В. Ключевского, А.Г. Дмитриева, Г.И. Татькова, Ю.П. Бержинского, Л.П. Бержинской, Баяраа Гангаадорж и др.

Особенный интерес вызывают исследования, в которых картина сейсмичности юга Байкальского региона и Монголии представлена в совместных работах Байкальского филиала ГС СО РАН и сети сейсмических станций Монголии. Из результатов комплексных инженерносейсмологических иследований и составленных по ним карт сейсмического микрорайонирования (1979-1985, М 1:4000) на территории городов Улан-Батор (1969, М 1:25000), Сухэ-Батор, Улиастай, Хобдо, Улаангом, Даланзадгад, Алтай, Эрдэнэт, Зуунмод, Уянга сомона Убурхангайского аймака, Могод сомона Булганского аймака видно, что существует вероятность роста основных показателей, установленных по сейсмическому общему районированию, в зависимости от грунтового строения указанных территорий, характеризуемого толщиной осадочного грунта, уровнем воды и т.д.).

Диапазон иследовательских работ по составлению сейсмических карт общего районирования и микрорайонирования весьма обширен, а их результаты определяют значение в решении вопросов по возведению сейсмостойких зданий и сооружений, подбору безопасных сейсмических районов градостроительства, планированию мер по эвакуации и спасению при сильном землетрясении. Сейсмическую опасность для г. Улан-Батор создают как транзитные землетрясения из очагов Гобийского Алтая, Могодской зоны, так и местные, из активных разломов, расположенных в непосредственной близости от города и способных генерировать землетрясения с магнитудой до М8. Расчетная сейсмичность городской территории оценивается в 7 баллов по шкале MSK-64 для средних грунтовых условий.

Для наглядности приводим статистические данные по годам (рис. 1), которые указывают на увеличение вероятности сильных землетрясений в окрестностях г. Улан-Батора и необходимость установления мер предупреждения и реальной оценки снижения возможного ущерба.

Рисунок 1 - Гистограмма количества сейсмических событий, зарегистрированных в окрестностях Улан-Батора с 2000 по 2016 г. [1]

Цель исследования

В связи с вышесказанным актуальной задачей является проведение исследовательских работ по разработке методики оценки класса сейсмостойкости зданий массовой застройки г. Улан-Батора.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• -    выборка зданий - представителей массовой застройки г. Улан-Батора;

• -    инструментальное измерение и анализ динамических характеристик зданий-представителей.

Материалы и методы исследований

Для оценки текущего уровня сейсмостойкости типовых зданий - представителей массовой застройки по заказу департамента строительства, городского хозяйства и планирования г. Улан-Батора были проведены совместные исследования с Институтом земной коры (г. Иркутск) и Геологическим институтом СО РАН (г. Улан-Удэ), в рамках которых были выполнены:

• -    обследование и оценка состояния несущих и ограждающих конструкций зданий - представителей массовой жилой застройки города, инструментальные измерения их динамических характеристик;

• -    сбор данных о структуре жилищного фонда, необходимых для моделирования сейсмической реакции жилых домов при сильных землетрясениях.

Так, были проведены инженерно-техническое и сейсмометрическое обследования 14 жилых зданий (табл. 2) и получены динамические характеристики типичных зданий, относящихся по шкале MSK-64 к классам сейсмостойкости С6 и С7.

При этом исследованные объекты были условно разделены на пять групп в зависимости от их конструктивного типа и этажности. На рисунке 2 показаны типовые здания массовой застройки г. Улан-Батора.

Таблица 2

Реестр обследованных зданий - представителей массовой жилой застройки

№ п/п	Жилые дома	Тип здания	Этажность	Год постройки	Проект/серия
I. Крупнопанельные 5-этажные жилые дома по типу серии 1-464 А-С
1	Дом 65 в мкр-не 15	КПД	5	1969	1-464 А-С
2	Дом 44 в мкр-не 5	КПД	5	1970-е	1-464 А-С
3	Дом 5 в мкр-не 15	КПД	5	1970-е	1-464 А-С
II. Крупнопанельные 5-этажные жилые дома из блок-секций серии 92-08С-УБ
4	Дом 48 в мкр-не 4	КПД	5	1978	92-08С-УБ
5	Дом 4 в мкр-не 5	КПД	5	1979	92-08С-УБ
6	Дом 12 в мкр-не 16	КПД	5	1974	92-08С-УБ
7	Дом 11 в мкр-не 16	КПД	6	1974	92-08С-УБ (с надстроенным 6м мансардным этажом)
III. Крупнопанельные 9-этажные жилые дома из блок-секций серий 92-014С (1-УБ), 92-016С (1-УБ) и 92-07С-УБ
7	Дом 13 в мкр-не 2	КПД	9	1983	92-014С, 92-016С
8	Дом 12Б в мкр-не 10	КПД	9	1986	92-014С, 92-016С
9	Дом 25, Барилгачны Гудамж	КПД	9	1988	92-014С, 92-016С
10	Дом 23А в мкр-не 3	КПД	9	1983	92-07С-УБ
11	Дом 21 в мкр-не 5	КПД	9	1988	92-07С-УБ
IV. Жилой дом с кирпичными несущими стенами, усиленными монолитным железобетонным каркасом
12	Дом 20 в мкр-не «40000»	Кирпичный с ж/б каркасом	5	1965	Бариилган зургийн улсын Институт
V. Группа каркасных жилых домов с железобетонным и металлическим каркасом и кирпичным /мелкоблочным заполнением
13	Дом 21 А в мкр-не 2	c монол. ж/б каркасом	16	2007	Компания «Богда холдинг» ХХК-ийн
14	Дом 403 в мкр-не «Баян монгол»,	c монол. ж/б каркасом	8	2009	Компания «ББСМО» ХХК
15	Дом 51 в мкр-не 12	c металлическим каркасом	9	1967	Управление «Моспроект-2»

Рисунок 2 – Типовые здания массовой застройки в г. Улан-Баторе

Особое внимание при проведении обследования зданий массовой застройки в г. Улан-Баторе было уделено инструментальным исследованиям динамических характеристик зданий при микродинамическом уровне воздействия, определению частот и форм колебаний, декрементов и скоростей распространения сейсмических волн по высоте здания. Микродинамиче-ские измерения проводились на лестничных клетках подъездов, вдоль вертикальной осевой линии, что вызвало затруднения в ряде случаев в идентификации крутильных форм колебаний торцевых стен, которые по интенсивности значительно могут превышать амплитуды основного тона колебаний. Тем не менее измеренные по упрощенной методике динамические характеристики обследуемых зданий сильно различаются даже в пределах одной группы. Имеет место неоднородность масс и жесткостей внутри здания, что приводит к усилению крутильных форм колебаний.

Анализ динамических характеристик зданий-представителей, полученных с помощью инструментальных измерений, показал, что зависимость периода основного тона колебаний Т от высоты здания H (количества этажей n ) носит линейный характер (табл. 3) и описывается формулами вида:

T = ah + в,

где a , в — эмпирические коэффициенты, Т - период основного тона колебаний, с.

Таблица 3

Зависимость периода основного тона колебаний от высоты зданий

Типы зданий	Поперечное направление	Продольное направление
Крупнопанельные	Т = 0,0142Н + 0,0323	Т = 0,0115Н - 0,0452
Каркасные	Т = 0,0134Н + 0,064	Т = 0,0116Н +0,0889

Получена оценка соотношения обобщенных жесткостей зданий в поперечном и продольном направлениях. Обобщенная жесткость крупнопанельных зданий оказалась больше в продольном направлении по сравнению с поперечным на 30%, что объясняется особенностями конструктивного решения. В поперечном направлении панельного здания в основном работают стены из тяжелого бетона, тогда как в формировании жесткости здания в продольном направлении значителен вклад наружных стен.

Для каркасных зданий соотношение жесткостей оказалось аналогичным: обобщенная жесткость зданий в продольном направлении также оказалась больше по сравнению с поперечным на 20%, что обусловлено работой в продольном направлении рамных и рамно-связе-вых каркасов преимущественно на сдвиг. Рамы в поперечном направлении работают на изгиб и сдвиг, и, возможно, они недостаточно усилены диафрагмами жесткости.

На рисунках 3, 4 показаны графики, отражающие зависимость периода основного тона колебаний Т от высоты здания H для различных конструктивных систем зданий массовой застройки.

Следует отметить, что линейные уравнения регрессионного типа на вышеприведенных рисунках хорошо согласуются с обширными данными, полученными в разное время специалистами ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, в частности В.И. Обозовым, Г.В. Мамаевой [2].

При сравнении результатов экспериментальных исследований с данными микродина-мических измерений периодов собственных колебаний, проведенных в 2000 г. японскими специалистами (H. Kawase, et al., 2000) [3], оценен общий уровень накопленных повреждений и деформаций крупнопанельных зданий типовой застройки г. Улан-Батора. В определенной степени экспериментальные значения динамических характеристик зданий различных конструктивных типов позволяют оценивать их сравнительную жесткость.

Крупнопанельные 5-8-этажны» жилые дома Поперечное направление

Высот» элани» Н м

Рисунок 3 – Экспериментальные данные для многоэтажных панельных зданий

Рисунок 4 – Экспериментальные данные для каркасных зданий

Инструментальные исследования, выполненные спустя 11 лет, учитывают деформации зданий, накопленные ими в результате физического и сейсмического износа конструкций. На рисунке 5 приведены графики, построенные по измерениям, приведенным в отчете японских коллег «Earthquake Disaster Risk Management Scenario For Ulaanbaatar City, Mongolia». Однако в отчете не указаны местонахождения обследованных зданий, поэтому возможно только статистическое сопоставление периодов (частот) первых форм собственных колебаний для объединенной группы 5 - 9-этажных крупнопанельных зданий, без детального деления различных серий этой группы.

Рисунок 5 – Изменение частот основного тона колебаний в поперечном и продольном направлениях 5–9-этажных крупнопанельных зданий за 2000-2011 гг.

Выводы и заключение

Сравнение экспериментальных зависимостей частот первых наиболее интенсивных форм продольных и поперечных колебаний в зависимости от этажности зданий, полученных в 2000 г., с динамическими характеристиками, полученными в 2011 г., показало, что наибольшие отклонения в сторону снижения частот отмечаются у 5-этажных жилых домов, а максимальные – у 9-этажных зданий.

В целом измеренные в 2011 г. резонансные частоты крупнопанельных 5–9-этажных жилых домов систематически (на 20-30 %) ниже, чем у зданий этого типа в 2000 г. Можно предположить, что за прошедший десятилетний период произошло снижение жесткости этих типов зданий в 1,5 раза. Полученные инструментальные данные могут быть использованы для расчетов несущих конструкций пяти наиболее характерных типов зданий на сейсмические нагрузки интенсивностью 7 баллов согласно российским национальным нормам СНиП II–7–81*, а также согласно Актуализированной редакции этого же нормативного документа, которая предусматривает более высокие значения сейсмических нагрузок на здания.

При планировании дальнейших исследований сейсмостойкости зданий и сооружений необходимо проводить детальные микродинамические обследования различных групп современной застройки, высотных зданий и сооружений, а также общественных зданий (детсадов, школ, высших и средних специальных учебных заведений, больниц, госпиталей, муниципальных учреждений) с массовым пребыванием людей или обеспечивающих функционирование города в условиях чрезвычайных ситуаций. Также представляется целесообразным проведение систематических детальных микросейсмических измерений в режиме дефектоскопии при вводе в эксплуатацию объектов современного строительства.

Для обоснованной оценки текущего уровня сейсмостойкости массовой застройки важно не только сопоставить измеренные в режиме свободных колебаний динамические характеристики обследуемых объектов с параметрами «эталонных» недеформированных зданий-представителей, но и уметь прогнозировать характер их изменения при сильном землетрясении. Поэтому наряду с микродинамическими измерениями представляется важным развернуть систему инженерно-сейсмометрических станций, контролирующих сейсмическую реакцию как уникальных, в том числе высотных зданий и объектов, так и зданий, относящихся к массовой типовой застройке.