Сокращенная модифицированная шкала Меркалли (ММ) – соответствует шкале ИФЗ АН
(вариант 1956 г., разработан Рихтером)
I. Не ощущается, период колебаний велик.
II. Ощущается людьми на верхних этажах.
III. Чувствуется внутри помещений. Колебания подобны тем, которые наблюдаются при прохождении легких грузовых автомобилей. Подвешенные предметы качаются. Не всегда распознается как землетрясение.
IV. Подвешенные предметы качаются. Колебания подобны тем, которые наблюдаются при прохождении тяжелых автомобилей; ощущение толчков подобно тем, которые бывают при ударе о стенку тяжелых мячей. Стоящие автомобили сильно раскачиваются. Дребезжат оконные стекла, посуда, двери. Стаканы звенят. Глиняная или фаянсовая посуда ударяется друг о друга. На верхних уровнях скрипят деревянные стены и рамы.
V. Ощущается вне помещения; определяется направление перемещения сейсмической волны. Спящие люди пробуждаются. Жидкость в сосудах колеблется, частично проливается. Перемещаются небольшие неустойчивые предметы. Двери качаются, закрываются, открываются. Маятниковые часы останавливаются.
VI. Чувствуется всеми людьми. Люди испуганы и выбегают из помещений, передвигаются без чувства устойчивости. Окна, фаянсовая и стеклянная посуда разбиваются. Безделушки, книги и другие предметы падают с полок. Картины падают со стен. Мебель может сдвигаться или опрокидываться. В слабой штукатурке и непрочной кирпичной кладке появляются трещины. Небольшие колокола начинают звонить. Деревья и кусты сильно колышутся и шумят.
VII. Людям трудно устоять на ногах. Замечается водителями транспорта, Подвешенные предметы начинают дрожать. Ломается мебель. Повреждения непрочной кирпичной кладки, включая трещины. Непрочные дымовые трубы разрушаются. Падает штукатурка, плохо закрепленные кирпичи, камни, плитка, карнизы, незакрепленные парапеты и детали архитектурных орнаментов. Появление трещин в кирпичной кладке. Появление волн в прудах и водоемах, вода покрывается грязной пеной. Небольшие оползни по песчаным и гравийным берегам. Большие колокола начинают звонить. Повреждение бетонных ирригационных каналов.
VIII. Повреждение рулевого управления автомобилей. Повреждения прочной кирпичной кладки и частичное разрушение. Обвал штукатурки и некоторых кирпичных стен. Кручение и падение дымовых и заводских труб, памятников, башен, резервуаров, приподнятых над землей. Дома каркасной конструкции перемещаются на фундаментах, плохо закрепленные панели стен отделяются от элементов каркасов. Обламываются ветки деревьев. Изменение уровня и температуры воды в колодцах и источниках. Трещины вo влажном грунте и на крутых склонах.
IX. Общая паника. Разрушение кирпичной кладки, иногда полностью; повреждение фундаментов. Каркасные конструкции (незаанкеренные) сдвигаются с фундаментов и перемещаются. Серьезные повреждения конструкций резервуаров. Разрушение подземных трубопроводов. Заметные трещины в грунте. В зонах с аллювиальными почвами на поверхность извергаются песок и грязь, образуются сейсмические фонтаны и песчаные кратеры.
X. Большинство кирпичных и каркасных сооружений разрушено вместе с фундаментами. Разрушены некоторые прочные деревянные сооружения и мосты. Серьезные повреждения дамб, плотин, набережных. Большие оползни. Вода выходит из берегов каналов, рек, озер и др. Песок и грязь покрывают поверхности пляжей и плоских участков земли. Рельсы немного искривляются.
XI. Значительные искривления рельсов. Подземные коммуникации полностью выходят из строя.
XII. Почти полное разрушение. Перемещены большие массы скальной породы. Изменение топографии местности. Предметы подбрасываются в воздух.
В нашей стране принята шкала ИФЗ (основные характеристики – см. табл. 10.2.2).
Таблица 10.2.2
| Шкала баллы | x0, мм | v0, см/с | а0, см/с2 | Характеристики повреждений зданий и других сооружений | Остаточные деформации в грунтах и скальных породах |
| 1,5-3 | 3-6 | 30-60 | Повреждения 1-й степени в отдельных зданиях типа Б и во многих типа А; 2-й степени в отдельных зданиях типа А | В немногих случаях - оползни, на сырых грунтах возможны видимые трещины шириной до 1 см; в горных районах - отдельные оползни, возможны изменения дебита источников и уровня вод в колодцах | |
| 3,1-6 | 6,1-12 | 61-120 | Во многих зданиях типа В 1-й степени и в отдельных - 2-й. Во многих зданиях типа Б 2-й степени и в отдельных - 3-й. Во многих зданиях типа А 3-й степени и в отдельных - 4-й. Трещины в каменных оградах | В отдельных случаях - оползни проезжих частей дорог на крутых склонах и трещины на дорогах. Нарушение стыков трубопроводов. В отдельных случаях - изменения дебита источников и уровня воды в колодцах. В немногих случаях возникают или пропадают существующие источники воды. Отдельные случаи оползней на песчаных и гравелистых берегах рек | |
| 6,1-12 | 12,1-24 | 121-240 | Во многих зданиях типа В повреждения 2-й степени и в отдельных - 3-й. Во многих зданиях типа Б повреждения 3-й степени и в отдельных - 4-й. Во многих зданиях типа А повреждения 4-й степени и в отдельных - 5-й. Памятники и статуи сдвигаются, надгробные памятники опрокидываются. Каменные ограды разрушаются | Небольшие оползни на крутых откосах выемок и насыпей дорог, трещины в грунтах достигают нескольких сантиметров. Возможно возникновение новых водоемов. Во многих случаях изменяется дебит источников и уровня воды в колодцах. Иногда пересохшие колодцы наполняются водой или существующие иссякают | |
| 12,1-24 | 24,1-48 | 241-480 | Во многих зданиях типа В повреждения 3-й степени и в отдельных - 4-й. Во многих зданиях типа Б повреждения 4-й степени и в отдельных - 5-й. В большинстве зданий типа А повреждения 5-й степени. Памятники и колонны опрокидываются | Значительные повреждения берегов искусственных водоемов, разрывы частей подземных трубопроводов. В отдельных случаях - искривление рельсов и повреждений проезжих частей дорог. На равнинах наводнения, часто заметны наносы песка и ила. Трещины в грунтах до 10 см, а по склонам и берегам >10 см. Кроме того, много тонких трещин в грунтах. Частые оползни и осыпание грунтов, обвалы горных пород |
Примечание: x0—максимальные смещения маятника одномаятникового сейсмометра СБМ или маятника с периодом 0,25 с в многомаятниковых приборах АИС или ИГИС; v0 - максимальные скорости колебаний грунта; а0 - максимальные ускорения грунта при периоде 0,1 с и более.
В гр. 5 оценка повреждений, как и во всех предшествующих шкалах, дана для зданий, возводимых без антисейсмических усилений, следующих типов: тип А - со стенами из рваного камня, из кирпича - сырца, глинобитными; тип Б - со стенами из обожжённого кирпича, из природных и бетонных крупных блоков и мелких камней правильной формы; тип В - крупнопанельных, со стальным и железобетонным каркасом, деревянных хорошей постройки.
Степени повреждений в проекте новой шкалы классифицированы следующим образом: 1-легкие повреждения - небольшие трещины в стенах, откалывание небольших кусков штукатурки; 2 - умеренные повреждения - небольшие трещины в стенах, небольшие трещины в стыках между панелями, откалывание довольно больших кусков штукатурки; падение черепицы с крыш, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб; 3 - тяжелые повреждения - большие глубокие и сквозные трещины в стенах, значительные трещины в стыках между панелями, падение дымовых труб; 4 - разрушения - обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса, проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными частями здания; 5 - обвалы - полное разрушение зданий.
При наличии в конструкциях зданий антисейсмических усилений, соответствующих интенсивности землетрясений, их повреждения, по-видимому, должны быть не выше 2-й степени.
В зависимости от геологических условий, производится уточнение сейсмичности площадки строительства (на основании карт сейсмического микрорайонирования, а при их отсутствии из общих инженерно-геологических условий и приближенных рекомендаций СНиП, приведенных в табл. 10.2.3). При этом учитывается, что сильная выветренность и нарушенность пород, высокая просадочность грунтов, осыпи, отвалы, плывуны и горные выработки являются неблагоприятными в сейсмическом отношении.
Таблица 10.2.3.
| Категория грунтов по сейсмическим свойствам | Грунты | Сейсмичность площадки строительства в баллах при сейсмичности района | ||
| I | Скальные грунты всех видов (в т. ч. вечномерзлые и вечномерзлые оттаявшие) невыветрелые и слабовыветрелые; крупнообломочные грунты плотные маловлажные из магматических пород содержащие до 30% песчано-глинистого заполнителя; выветрелые и сильно выветрелые скальные и нескальные твердомерзлые (вечномерзлые) грунты при температуре минус 2° С и ниже при строительстве и эксплуатации по принципу I (сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии) | |||
| II | Скальные грунты выветрелые и сильновыветрелые, в т. ч. вечномерзлые, кроме отнесенных к I категории; крупнообломочные грунты, за исключением отнесенных к I категории; пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные и средней плотности маловлажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем консистенции IL<0,2 при коэффициенте пористости е<0,9 — для глин и суглинков и е<0,7 — для супесей; вечномерзлые нескальные грунты пластично-мерзлые или сыпучемерзлые, а также твердомерзлые при температуре выше минус 2° С при строительстве и эксплуатации по принципу I | |||
| III | Пески рыхлые, независимо от влажности и крупности; пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные и средней плотности водонасыщенные; пески мелкие и пылевые плотные и средней плотности влажные и водонасыщенные; глинистые грунты с показателем консистенции IL>0,5; глинистые грунты с показателем консистенции IL<0,5 при коэффициенте пористости е>0,9 — для глин и суглинков и е>0,7 — для супесей; вечномерзлые нескальные при строительстве и эксплуатации по принципу II (допускается оттаивание грунтов основания) | >9 |
Примечания. 1*. Отнесение площадки к I категории по сейсмическим свойствам допускается при мощности слоя, соответствующего I категории, более 30 м от черной отметки в случае насыпи или от планировочной отметки в случае выемки. В случае неоднородного состава грунты площадки строительства относятся к более неблагоприятной категории по сейсмическим свойствам, если в пределах 10-метрового слоя грунта (считая от планировочной отметки) слой, относящийся к этой категории, имеет суммарную толщину более 5 м.
2. При прогнозировании подъема уровня грунтовых вод и обводнения грунтов (в том числе просадочных) в процессе эксплуатации здания и сооружения категорию грунта следует определять в зависимости от свойств грунта (влажности, консистенции) в замоченном состоянии.
3. При строительстве на вечномерзлых нескальных грунтах по принципу II, если зона оттаивания распространяется до подстилающего талого грунта, грунты основания следует рассматривать как невечномерзлые (по фактическому состоянию их после оттаивания).
4. Для особо ответственных зданий и сооружений, строящихся в районах сейсмичностью 6 баллов на площадках строительства с грунтами III категории по сейсмическим свойствам, расчетную сейсмичность следует принимать равной 7 баллам.
5. При определении сейсмичности площадок строительства транспортных и гидротехнических сооружений следует учитывать дополнительные требования, изложенные в разделах 4 и 5.
6. При отсутствии данных о консистенции или влажности глинистые и песчаные грунты при положении уровня грунтовых вод выше 5 м относятся к III категории по сейсмическим свойствам.
Сейсмические волны. На пути от очага к поверхности земли значительная часть выделенной во время землетрясения энергии поглощается и только ~7% достигает эпицентральной зоны (несколько больше при очень сильных землетрясениях).
Образующиеся вокруг очага трещины имеют различные размеры и излучают разные волны, периоды которых сокращаются с уменьшением длины трещины. Наличие в очаге разных по размерам трещин приводит к образованию богатого различными частотами спектра колебаний.
Передача нагрузок в виде перемещений, колебаний на здание происходит следующим образом. При землетрясении нагрузки (в виде перемещений, колебаний) передаются через грунты основания на конструкции фундаментов и стен подвалов, и, через них, на перекрытия подвалов. Далее нагрузки (в виде перемещений, колебаний) передаются на вертикальные конструкции первого этажа, перекрытие первого этажа, вертикальные конструкции второго этажа, перекрытие второго этажа и т.д. Конструкции здания, получив перемещение в виде сейсмического толчка, и, соответственно, получив некоторую потенциальную энергию из-за возникших при этом деформаций, стремятся вернуться в исходное состояние, используя силы упругости путем перехода потенциальной энергии в кинетическую. Пройдя начальное положение, конструкции продолжают двигаться по инерции (т.к. кинетическая энергия в нулевой точке не погашена) и переходят в положение, противоположное начальному отклонению. Так в здании возникают колебания как следствие проявления сил инерции, создаваемых перемещениями массы здания.
Землетрясения чаще всего проявляются как серия последовательных перемещений грунтов основания, происходящих с определенной частотой. Если период собственных колебаний здания близок к периоду землетрясения, то колебания накладываются друг на друга, и возникает явление резонанса, при котором даже толчки малой силы могут вызвать большие колебания здания, которые могут привести к его разрушению. Если период собственных колебаний здания не совпадает с периодом землетрясения, то колебания гасят друг на друга, и здание может выдержать даже землетрясение большой силы.
При этом необходимо учесть, что слишком большие перемещения могут вызвать в элементах конструкций здания напряжения, превосходящие динамический предел прочности материала, и, как следствие, проявление пластических деформаций в узлах и элементах. Это может привести к тому, что здание потеряет первоначальную форму, и потребуются значительные затраты на его восстановление. Также следует учитывать эффект поглощения (гашения) колебаний в зданиях и сооружениях происходит при возбуждении колебательных движений. Здания стремятся возвратиться в исходное положение, и степень затухания колебаний в зданиях зависит от типа соединений основных конструктивных элементов, типа ненесущих деталей и вида строительных материалов. Отсюда следуют выводы:
- Повреждение здания во время перемещения грунта вызывается не динамическим воздействием в виде удара, а при действии сил инерции, создаваемых колебаниями массы здания.
- Чем меньше собственная масса, тем меньше силы инерции, и тем выше сейсмостойкость.
- Чем больше период собственных колебаний здания, тем меньше воздействие землетрясения.
- Чем выше жесткость здания, тем выше его сейсмостойкость.
- Чем большие перемещения способно выдержать здание, тем выше его сейсмостойкость.
- Чем больше гибкость здания, тем больше период собственных колебаний здания и, соответственно, меньше воздействие землетрясения.
- Чем больше гашение (поглощение) колебаний в зданиях, тем меньше воздействие землетрясения.
- Чем больше период собственных колебаний здания превышает колебания грунта, тем меньше воздействие землетрясения.
- Чем выше прочность здания (чем большие нагрузки оно может выдержать), тем выше его сейсмостойкость.
Эти выводы не позволяют дать однозначные рекомендации по повышению сейсмостойкости зданий, но они позволяют выявить круг вопросов, стоящих при проектировании.