15.3. Очаг поражения при землетрясении

Очаг поражения (зона чрезвычайной ситуации) - это территория или аква­тория, на которой в результате возникновения источника чрезвычайной ситуа­ции происходит поражение людей, нарушаются условия безопасности жизне­деятельности или наносится материальный ущерб объектам экономики и окру­жающей природной среде. Из многочисленных очагов поражения, возникаю­щих в результате различных стихийных бедствий, наиболее значительными по масштабам последствий являются очаги, образующиеся при землетрясениях. Очагом поражения при землетрясении называется территория, в пределах ко­торой произошли массовые разрушения и повреждения зданий, сооружений и др. объектов, сопровождающиеся поражениями и гибелью людей, животных и растений [13]. Очаги массового поражения возникают обычно в районе земле­трясения, где его интенсивность 7-8 баллов и более. Большинство зданий полу­чают средние и сильные разрушения.

В районе землетрясения может быть один или несколько очагов пораже­ния. Очаги поражения при землетрясениях по характеру разрушений зданий и сооружений можно сравнить с очагами ядерного взрыва. Оценка возможных масштабов разрушения при землетрясении может быть проведена аналогично оценки разрушений ядерного взрыва, а в качестве критерия берется максималь­ная интенсивность землетрясения в баллах. Сейсмические волны могут быть продольные и поперечные.

317

Очаг землетрясения (гипоцентр землетрясения), обычно расположен на глу­бине А от 8 до 65 км. Если глубина очага землетрясения h неизвестна, то ее принимают равной 20 км. Эпицентром землетрясения называется проекция гипо­центра (очага землетрясения) на поверхность Земли.

Землетрясения могут быть природного и техногенного характера. Основ­ные характеристики землетрясения: магнитуда М - это амплитуда горизонталь­ного смещения, измеряемая по 9 бальной шкале Рихтера; интенсивность J — ка­чественный показатель последствий землетрясения, оценивается по 12 бальной шкале MSK; энергия землетрясения Е, оценивается в джоулях (Дж).

В очаге поражения образуется четыре зоны: полных (избыточное давление АРф = 50кПаи более), сильных (АР_Ф=30...50 кПа), средних (АР_Ф = 20...30 кПа), сла­бых разрушений (ЛРф=10...20кПа).

Характер и степень ожидаемых разрушений могут быть определены для различных значений интенсивности землетрясения в баллах и соответствующих им значений избыточного давления в кПа (табл. 15.2).

Основные характеристики землетрясения можно рассчитать по формулам в зависимости от магнитуды [24].

Магнитуда — это логарифм амплитуды максимального смещения грунта в мм на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения.

Таблица 15.2 - Степени разрушения зданий и сооружений в зависимости от ин­тенсивности землетрясения (J, балл) и магнитуды (М, балл)

J, алл	Тип землетрясения	кПа	балл	Последствия
V	Умеренное,	5	3	Разрушение остекления
-VI	Довольно сильное, сильное	10 ...20	5	Среднее разрушение деревянных зданий, слабые - кирпичных, у лю­дей легкие травмы
II	Очень сильные	30	6	Сильные - деревянных зданий, сред­ние - кирпичных (до 30 км), у людей легкие травмы (ушибы, ссадины)
III	Разрушительное	40	6,5	Сильные - кирпичных зданий, тре­щины в почве, у людей легкие трав­мы
X	Опустошительное	50	7	Сильные всех, разрыв коммуникаций (до 80 км), у людей травмы средней тяжести
	Уничтожающее	60	7,5	Обвалы, разрушения магистралей (до 120 км), у людей тяжелые травмы (переломы черепа, разрывы внутрен­ностей)
I-XII	Катастрофическое	70-80	8-9	Изменение рельефа (до 160 км)

Энергия землетрясения Е определяется по формуле

318

_Е=10(5,24₊1,44М)

где М — магнитуда (измеряется в баллах от 0 до 9 по шкале Рихтера). Ин­тенсивность землетрясения зависит от магнитуды, измеряется в баллах от 1 до 12 и находится из выражения

J=1.5(M-1). (15.2)

Интенсивность землетрясения на расстоянии R от эпицентра рассчитыва­ется по формуле

J_R =l,5M-3,51gVi?²+/z² +3 (14.10)

где h — глубина очага (в расчетах принимается h =20 км). Расстояние от эпицентра, на котором возможно возникновение колебаний определенной ин­тенсивности, рассчитывают по формуле

^Jfi)-l, (15.3)

где J_o - максимальная интенсивность в эпицентре землетрясения, балл; Jr -интенсивность землетрясения на расстоянии R, балл.

Время прихода поверхностных сейсмических волн можно определить по формуле

U =h/v_np+R/v_noe (15.4)

где v_np - скорость распространения продольных волн, км/с (у_и/, = 6,9 км/с-гранит; v_np = 6,1 - осадочные породы);

Vnoe - скорость распространения поверхностных волн, км/с (v_noe= 5,6км/с-гранит; v_noe =4,0- известняк; v_noe = 1,5- щебень, гравий, галька; v_noe = 1,0-песчаный грунт; v_noe=0,35 - насыпной грунт).

Время прихода продольных сейсмических волн на расстояние R определя­ется из выражения

,₂= №-. (15.5)

Степень разрушения зданий и сооружений в зависимости от интенсивно­сти землетрясения (J, балл) и магнитуды (М, балл) определяется по справочным таблицам (табл. 15.2).

Оценка устойчивости объекта к воздействию сейсмической волны заклю­чается в выявлении основных элементов объекта (цехов, участков производст­ва, систем), от которых зависит его функционирование и выпуск необходимой

319

продукции; определении предела устойчивости каждого элемента, сопоставле­ния найденного предела устойчивости объекта с ожидаемым максимальным значением сейсмической волны и выводах о его устойчивости (табл. 15.3).

Таблица 15.3 - Степень ожидаемых разрушений объектов при землетрясении

Характеристика зданий и сооружений	Разрушения, баллы
	слабые	средние	сильные	полные
1	2	о J	4	5
1. Массивные промышленные здания с метали-ческим кар­касом и крановым оборудованием грузоподъемностью 25-50 т	VII - VIII	VIII - IX	IX-X	х-хп
2. Здания с легким металлическим каркасом и бескаркасной конструкции	VI-VII	VII - VIII	VIII - IX	IX- XII
3. Промышленные здания с металлическим каркасом и бе­тонным заполнением с площадью остекления 30%	VI-VII	VII - VIII	VIII - IX	IX-X
4. Промышленные здания с металлическим каркасом и хрупким заполнением стен и крыши	VI-VII	VII - VIII	VIII - IX	IX-X
5. Здания из сборного железобетона	VI-VII	VII - VIII	VIII - IX	VIII - XI
6. Кирпичные бескаркасные производственно-вспомогательные одно- и многоэтажные здания с перекры­тием (покрытием) из железобетонных сборных элементов	VI-VII	VII - VIII	VIII - IX	IX-XI
7. Кирпичные бескаркасные производственно-вспомогательные одно- и многоэтажные здания с перекры­тием из деревянных элементов	VI	VI-VII	VII - VIII	VIII - XII
Продолжение таблицы 15.3
1	2	о J	4	5
8. Административные многоэтажные здания с металличе­ским или железобетонным каркасом	VII - VIII	VIII - IX	IX-X	Х-XI
9. Кирпичные малоэтажные здания (1...3 этажа)	VI	VI-VII	VII - VIII	VIII - IX
10. Кирпичные многоэтажные здания (3 и 5олее этажей)	VI	VI-VII	VII - VIII	VIII - IX
11. Складские кирпичные здания	V-VI	VI-VIII	VIII - IX	IX-X
12. Трубопроводы на металлических или железо-бетонных эстакадах	VII - VIII	VIII - IX	IX-X	х-хп

Минимальный предел устойчивости элементов объекта (зданий и соору­жений) к сейсмической волне выбирается из табл. 15.3 по нижней границе диапазона средних разрушений (выделено жирным шрифтом), а объекта а це­лом - по минимальному пределу входящих в его состав элементов [13].

Пример 15.1. Магнитуда в эпицентре землетрясения по шкале Рихтера М = 9 баллов. На объекте, расположенном в 10 км от эпицентра, имеются массивные промышленные здания с металлическим каркасом и крановым оборудованием грузоподъемностью 25-50 т (позиция №1, табл. 15.3), складские кирпичные здания (позиция №11), трубопроводы на металлических и железобетонных эс­такадах (позиция №12).

Определить характер разрушения объектов при землетрясении определен­ной интенсивности. Рассчитать энергию землетрясения.

Решение. Определим энергию землетрясения по формуле (15.1):

320

_Е=10(5,24₊1,44М) ₌

Определим интенсивность землетрясения в эпицентре по формуле (15.2): J = 1,5(М -1) = 1.5 (9-1) = 12 баллов (по шкале MSK)

Определим интенсивность землетрясения на заданном расстоянии R= 10 км по формуле (15.3):

J_R =l,5M-3,51gVi?²+/z² +3= 1,5 • 9 - 3,5 lg 10 ² + 20² +3=11 баллов

По табл. 15.3 найдем минимальный предел устойчивости и характер раз­рушения объектов. Для объекта №1 минимальный предел устойчивости - VIII баллов, поэтому при землетрясении в 11 баллов он получит полные разруше­ний. Для объекта №11 минимальный предел устойчивости - VI баллов, он по­лучит полные разрушения. Для объекта №12 минимальный предел устойчиво­сти - VIII баллов и он получит полные разрушений. Полученные данные зане­сем в табл. 15.4. Таблица 15.4 - Результаты разрушения объекта от природного землетрясения

№	Характеристика объек-	Магнитуда земле-	Ожидаемая интен-	Предел устойчи-	Характер раз-
объекта	та	трясения М, балл	сивность земле-	вости объекта	рушений
			трясения	в баллах
			J, балл
1	Массивные	9	11	VIII	полные
	промышленные
	здания
11	Складские	9	11	VI	полные
	кирпичные здания
12	Трубопроводы	9	11	VIII	полные

Вывод. Все здания и сооружения получат полные разрушения.

Землетрясения техногенного характера возможны при проведении взрыв­ных работ, при плановом обрушении здании, при аварийных взрывах емкостей

с углеводородными газами или сосудов под давлением и пр. (см. главу 13).

Степень ожидаемых разрушений на объекте может быть определена по ожидаемому избыточному давлению воздушной ударной волны ЛР (кПа) и со­ответствующих значений интенсивности землетрясения в баллах (табл. 15.2).

Для определения избыточного давления взрыва газовоздушной (ГВС) или топливовоздушной смеси (ТВС) можно использовать формулы

-при К<2

АР =

700

(15.6)

321

-при К>2 др ₌ ²² (15.7)

где К — относительная величина;

K=0,24(R/R_l), (15.8)

где R —расстояние от центра взрыва до точки, где определяется избыточное

давление, м; R1 - радиус зоны детонационной волны, м,

(15.9)

где Q — количество взрывоопасной смеси (углеводородного газа) в емкости,

т.

Пример 15.2. Расстояние от емкости до цеха R = 600 м. Определить избы­точное давление ударной волны в районе механического цеха при взрыве емко­сти с бутаном Q = 100 т, определить соответствующий балл по шкале интен­сивности землетрясения и оценить характер разрушения объектов №1,11,12 (см. табл. 15.3).

Решение. Определим коэффициент K по формуле (15.8)

з

K= 0,24 (R/R1) = 0,24 (600/17,53100) = 1,8<2

Найдем избыточное давление ударной волны АР кПа по формуле (15.6),

т.к. K < 2:

АР P . ⁷⁰° = 20кПа

V + 29,8 -1,8³ -1)

Соотношение в баллах интенсивности землетрясения для избыточного давления АР определим по табл. 15.2.

Избыточному давлению АР = 20 кПа соответствует VI баллов по шкале ин­тенсивности землетрясений.

Определим характер разрушения объектов.

Занесем исходные и полученные данные в табл. 15.5.

Таблица 15.5 - Результаты разрушения объекта от землетрясения техно­генного характера

a PS

600

1 о

I? is

о

100

§

ю

го

S

20

о

i

VI

_SI

₁

№ 1

№11

№12

VIII

VI

VIII

й g ё

5 В S

^ s °

й s a

CO

Без разрушений

Слабые разрушения

Без разрушений