Оценка макросейсмической балльности по совокупности проявлений землетрясений в природной среде и техносфере

Актуальность проблемы. Землетрясения занимают одно из первых мест среди многочисленных природных катастроф по своим разрушительным последствиям и количеству жертв. Причиной гибели людей чаще всего является неспособность существующих зданий противостоять сейсмическим воздействиям, о чем свидетельствуют тяжелые последствия ряда сильных землетрясений. Поэтому особую актуальность приобретает оценка сейсмической опасности территорий и надёжности зданий и сооружений.

Выбор темы диссертации предопределили: а) высокая сейсмическая активность в области Байкальского рифта, где в последние десятилетия зарегистрирован ряд землетрясений класса К = 13−15 с магнитудами М — 5.0−6.2- б) введение в действие новых карт Общего сейсмического районирования ОСР-97 [Страхов, Уломов, 1999], в результате чего остро обозначилась проблема дефицита сейсмостойкости зданий и сооруженийв) необходимость в научно-методическом анализе результатов обследования последствий землетрясений-на территории Прибайкалья, а также экспериментальных исследований' сейсмостойкости современных зданий' массовой застройки, проведенных с помощью сейсмовзрывных и вибрационных испытаний опытных объектов на территории Иркутской области.

При использовании сейсмических шкал одной из наиболее сложных проблем является оценка интенсивности землетрясений по совокупности неоднородных факторов. Даже в последних версиях шкал ММ8К-86 и -92 не удалось избежать искусственных приемов при оценке макросейсмического эффекта. В этом смысле целесообразно рассмотреть указанную проблему с учетом эффектов землетрясения в природной среде в общей статистике макросейсмических признаков. Решающими здесь являются, два момента: 1) приведение всей мак-росейсмической информации к единообразной форме для ее дальнейшей обработки- 2) использование адекватного математического аппарата.

Выполнение первого из условий связано с базовыми понятиями шкал MMSK: порогом чувствительности и зоной насыщения реакции объекта. Между этими значениями реакция объекта подчиняется некоторому закону. Для зданий Н. В. Шебалиным [1975] статистически обоснован нормальный закон распределения числа зданий по степеням их повреждений, получивший убедительное подтверждение благодаря работам Т. Ж. Жунусова с коллегами [Zhunu-sov, 1990], И. Ф. Ципенюка [1987] и других исследователей. Аналогичные данные имеются в отношении распределения реакции людей и предметов быта при сейсмических воздействиях [Кулиев и др., 1970]. Реакция этих видов объектов относится к статистическим данным, для которых справедлива шкала интервалов. Сложнее обстоит дело с описательными признаками (транспортные и сетевые линейные сооружения, явления на поверхности грунта, прочие признаки), которые соответствуют шкале более низкого ранга — шкале порядка, где статистические операции не являются корректными.

Значительный разброс параметров остаточных деформаций наблюдается при попытках статистической обработки, например, обширного эмпирического материала Е. В. Поповой [1974;1980]. Недавно разработаннаясейсмическая шкала «The INQUA Scale» [Michetti et al., 2004] и ее новая редакция ESI-2007 (Environmental Seismic Intensity 2007)" [Michetti et al., 2007] предназначены специально для оценки интенсивности по различным эффектам землетрясения в природной среде. Результаты тестирования этих шкал на примере Култукско-го землетрясения в 2008 году показали, что данные шкалы не могут быть отнесены даже к самому низкому рангу — шкале порядка. Приведенные факторы свидетельствуют о сложности задачи установления взаимосвязи между интенсивностью землетрясений и остаточными деформациями грунтов.

Интенсивность землетрясения, согласно Н. В. Шебалину, должна определяться всей совокупностью реакций объектов-субъектов на поверхности земли. Впервые идея количественной интерпретации макросейсмических полей и ее реализация на базе шкалы MSK-64 изложена в работе [Онофраш, Роман, 1979]. Решение задачи интегральной оценки интенсивности макросейсмического эффекта составляет ядро настоящей работы. Используемые автором информационно-статистические методы позволили: 1) представить на базе современных сейсмических шкал MMSK-92, INQUA Scale, ESI-2007 и РШСИ-2002 широкий спектр макросейсмических признаков в единообразной форме условных вероятностей, выражающих меру связи между проявлением реакции признаков и интенсивностью сейсмического воздействия- 2) получить количественные оценки сейсмической интенсивности с анализом качества этих оценок. Тестирование методики проводилось по данным инженерного анализа последствий реальных 6−8-балльных сейсмических событий на территории Прибайкалья в 1995;2008 годах.

В Иркутской' области с 1989 по 2004 год проведены сейсмовзрывные и вибрационные испытания полутора десятков опытных объектов жилых и общественных зданий высотой от 2 до 10 этажей, а также специальных сооружений с расчетной сейсмичностью 7−9 баллов. Вибрационные испытания двух объектов безригельного каркаса (Иркутск, 2004) были проведены с учетом накопленного автором опыта экспериментальной оценкисейсмостойкости зданий. При этом наряду с существующими, методиками экспериментальной оценки сейсмостойкости зданий, использовались разработанные автором методические приемы количественной! интерпретации инструментальной и макросейсмической информации при сейсмических воздействиях и вибрационных испытаниях зданий.

Цель исследования: Цель работы заключается в разработке способов количественной оценки интенсивности землетрясения на основе результатов обследования его последствий, включающих в себя, наряду с расширенным перечнем макросейсмических признаков, статистические данные об остаточных деформациях грунтов.

Задачи исследования: Для. достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Исследовать вероятностные законы распределения макросейсмических признаков и привести неоднородную макросейсмическую информацию к единой форме условной вероятности, необходимой для количественной оценки интенсивности землетрясений.

2. Создать базу данных в форме условных вероятностей проявления различных макросейсмических признаков на сейсмические воздействия различной интенсивности на основе шкал MMSK-92, РШСИ-2002 (Шерман и др., 2003], а также современных шкал INQUA Scale и ESI-2007.

3. Адаптировать аппарат информационных статистик к оценке сейсмических воздействий с учетом расширенного перечня проявлений землетрясения в окружающей среде, включая различные геологические эффекты.

4. Разработать информационно-статистическую систему для оценки уровня сейсмостойкости природно-технической системы «сооружение-грунтовое основание» на основе анализа ее реакции с использованием статистических методов.

Научная новизна.

1. Предложена усовершенствованная методика оценки макросейсмической балльности землетрясений та единой научно-методической основе для получения однородных статистических рядов сейсмических событий.

2. Предложены способы преобразования информации об остаточных явлениях на грунтах, соответствующей рангу шкалы порядка, к форме, допускающей статистическую обработку всего массива наблюденных макросейсмических признаков.

3. Для идентификации динамических моделей, используемых при оценке сейсмостойкости сооружений по результатам вибрационных испытаний взамен алгоритмов, основанных на детерминистских подходах, впервые применены методы многомерного статистического анализа, соответствующие случайной природе сейсмического воздействия.

Практическая значимость работы:

1. Составлена информационно-статистическая база данных в виде матриц условных вероятностей реакций различных типов и видов объектов на сейсмические воздействия на основе шкал MMSK-92, INQUA Scale, ESI-2007 для количественной интерпретации макросейсмического поля.

2. Разработана усовершенствованная методика оценки сейсмостойкости опытных объектов типа «сооружение — грунтовое основание» по результатам их динамических испытаний.

3. Подготовлен проект Территориального стандарта региональной шкалы сейсмической интенсивности с учетом сейсмологических и инженерно-геологических особенностей Прибайкалья в целях нормативно-методического обеспечения практической деятельности по повышению сейсмобезопасности территории региона.

Защищаемые положения:

1. Закономерности распределения" макросейсмических признаков в виде остаточных деформаций грунтов, повреждений зданий и других эффектов в зависимости от интенсивности землетрясений с использованием статистических данных об устойчивости грунтовою толщи при. сейсмических воздействиях.

2. Интегральная оценка интенсивности землетрясений с учетом остаточных деформаций грунтов при сейсмических воздействиях в рамках расширенного перечня проявлений землетрясений в окружающей среде.

3. Информационно-статистическая система для* оценки уровня сейсмостойкости природно-технических объектов по результатам их динамических испытаний.

Личное участие: Принимала непосредственное участие в проведении инженерного обследования' последствий умеренных и сильных землетрясений на территории Прибайкалья и Забайкалья в 1995, 1999, 2001; и 2008 г. г.- анализе макросейсмических данных современных и исторических землетрясенийтестировании проекта шкалы ESI-2007 на примере реального сейсмического события, произошедшего 27.08.2008 г. на Южном Байкалепроведении сейсмов-зрывных и вибрационных испытаний опытных объектов в городах Иркутске и Ангарске в период с 1989 по 2004 год. Основная роль автора работы заключалась в расчетно-аналитической оценке сейсмостойкости объектов по результатам натурных испытаний.

Апробация работы: Основные результаты исследований были представлены на международной конференции во Владивостоке (1997) — научно-практических конференциях при ИрГТУ в Иркутске (1997, 1998, 2000) — Российских конференциях по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию в Сочи (1999, 2003, 2005, 2007, 2009) — на научных конференциях с международным участием при ИЗК СО РАН в Иркутске (2000, 2001, 2002, 2004, 2005, 2009) — II Всероссийской конференции в Красноярске (2001) — 2-м международном симпозиуме в Новосибирске (2005).

Публикации" По теме диссертации опубликованы 12 работ.

Структура работы и объем. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит (без приложений) 141' страницу, включая 17 рисунков и 28 таблиц.

Список литературы

насчитывает 114 наименований.

в) результаты работы трех статистик, определяющих: количество информации в выборке расчетных ускорений грунтасовместность наблюдений амплитуд ускорений грунта относительно априорного интервала интенсивности (функция правдоподобия) — апостериорная вероятность по всем гипотезам на основании случайной выборки (формула Байеса).

Расчет выполняется по данной методике в несколько вариантов, каждый из которых характеризуется априорным интервалом интенсивности и сформированной для него матрицы условных вероятностей ускорений? грунта. Во внимание принимается тот из вариантов, где относительно зоны оценивания одновременно наблюдается максимум количества информации, максимум функции правдоподобия и, максимум вероятности подтверждения гипотезы (формула Байеса).

Анализ* результатов в таблице 4.6. показал, что относительно интервала интенсивности 8−8.5 наблюдается выраженный максимум по всем статистикам. Отсюда следует вывод: уровень динамического нагружения, достигнутый при этих испытаниях фрагмента с вероятностью>0.07, может быть оценен в 7.5−8.0 баллов, с вероятностью 0.76.оценен в 8.0−8.5 балла и с вероятностью 0.2 оценен I в 8.5−9.0 баллов по шкале М8К-64. Результаты оценок всех этапов вибрационных испытаний 3-этажного фрагмента на основе вероятностной инструментальной шкалы Ф. Ф. Аптикаева и с использованием информационных статистик представлены в таблице 4.7, а в таблице 4.8 -оценки, полученные по разным методикам. I.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа представляет собой дальнейшее развитие исследований в области региональных шкал сейсмической интенсивности, научно-методическая основа которых разработана под руководством проф. С.И. Шер-мана. Основное внимание в диссертации уделено наименее разработанному аспекту проблемы — учету геологических эффектов и макросейсмических проявлений землетрясений в грунтах и рельефе.

1. Для решения этой проблемы разработана информационно-статистическая система, способная поддерживать широкий класс моделей от статистической интерпретации макросейсмического поля до расчетных моделей зданий при динамических, в частности вибрационных, воздействиях на природно-технические объекты. Система представляет собой совокупность информационно-статистических методов интерпретации многоуровневой и разнородной информации в единое признаковое пространство. Решающее значение придается назначению балльности, соответствующей порогу чувствительности и зоне насыщения реакции. Эти параметры устанавливаются на основании сейсмических шкал и имеющихся эмпирических данных.

2. При построении системы использован методологический аппарат системного анализа, органически сочетающегося с байесовским подходом в использовании соотношения между априорной и апостериорной информацией. Суть указанной методологии состоит в пошаговом приведении исходной модели к состоянию, подобному объекту-оригиналу, путем включения в модель программных механизмов адаптации и интерпретации. В информационно-статистической системе указанные механизмы реализованы в процессе корректировки базы данных по мере поступления новой информации в форме матриц условных вероятностей проявления различных макросейсмических признаков на основе модернизированных сейсмических шкал типа ММЭК.

3. Исследованы вероятностные законы распределения геологических эффектов, согласующихся с имеющимися экспериментальными данными. В качестве адекватного математического аппарата использованы информационные статистики. Суть их состоит в преобразовании макросейсмического поля в поле сейсмического эффекта оптимальными методами по критерию максимума используемой информации. Полученные оценки интенсивности землетрясения с использованием информационных статистик демонстрируют высокую информативность макросейсмического поля, отличаются устойчивостью относительно наблюденных макросейсмических признаков и не зависят от априорных оценок.

4. При построении базы данных использован нормальный закон распределения числа объектов по степеням их реакции, статистически обоснованный для зданий и позднее подтвержденные исследованиями для реакции предметов быта и людей. Сформулированы методические ограничения, соблюдение которых позволяет, не переводя геологические эффекты в ранг шкалы интервалов, — проявления на грунтах и рельефе в лучшем случае соответствуют рангу шкалы порядка, использовать единый статистический аппарат при обработке результатов наблюдений,.

5. Приведены уточненные вероятностные зависимости реакции для всех типов зданий, предметов быта и реакции людей в зависимости от интенсивности землетрясений в диапазоне от 2 до 12 баллов шкалы ММ8К-92, которая обладает преемственностью по отношению к шкале М8К-64. При этом вместо ограниченной статистики части объектов с максимальными степенями реакции, принятой в устаревшей шкале М8К-64, используется вся эмпирическая информация и расширенный перечень макросейсмических признаков.

6. На основе проведенных исследований подготовлен проект Территориального стандарта региональной шкалы сейсмической интенсивности для Прибайкалья. Внедрение количественной методики макросейсмической оценки интенсивности исторических и современных землетрясений способствует получению однородных статистических рядов сейсмических событий на единой научно-методической основе.

7. Разработанная информационно-статистическая система оказалась применимой и при исследованиях сейсмостойкости зданий при динамических испытаниях опытных объектов. При идентификации расчетных моделей зданий под воздействием динамических нагрузок применены статистические методы, как наиболее соответствующие случайной природе внешнего воздействия, взамен детерминистских методов, используемых существующими методиками. Усовершенствованная методика нашла практическое применение при вибрационных испытаниях ряда опытных объектов (Иркутск, 2004 г.).

В заключение отметим, что одна из наиболее сложных научно-методических проблем в использовании современных сейсмических шкал — интегральная оценка интенсивности землетрясений по совокупности неоднородных факторов, рассмотрена в данной работе с единых позиций системного анализа многоуровневой и разнородной информации с учетом новейших экспериментальных данных о проявлениях землетрясений в окружающей среде.