Высотное строительство в расширяющемся масштабе порождает новые вызовы в отношении безопасности возведения и эксплуатации зданий и сооружений, в том числе и при землетрясениях. Изучение этих вопросов в отношении сейсмических воздействий для территории г. Москвы до сих пор систематически не осуществлялось, а ведь оно требует продуманного системного накопления знаний. В статье на конкретных примерах рассматриваются сейсмические воздействия на высокие ярусы зданий и сооружений г. Москвы. Приводятся оценки возможной максимальной интенсивности и повторяемости сотрясений в столице от такого основного источника колебаний, как землетрясения в глубокофокусной очаговой зоне Вранча (Карпаты). Рассматривается постепенное усиление этих эффектов с увеличением высоты зданий и сооружений. Выделяются основные факторы и тенденции, которые необходимо учитывать при оценке уровня опасности и снижения рисков при будущих воздействиях. Приводятся рекомендации по направлениям дальнейших исследований и мерам по усилению сейсмобезопасности в г. Москве.
Проблема устойчивости и сохранности высоких ярусов зданий и сооружений в таком мегаполисе, как Москва, стала особенно актуальной в результате массового высотного строительства [4, 9, 10, 27, 28] (рис. 1) и неожиданных ощутимых сотрясений в городе от весьма удаленного Охотоморского землетрясения 24 мая 2013 года [7, 11, 29, 31]. Выявилось, что строительные нормы [27] содержат ряд упущений и нуждаются в актуализации [9, 28].
Рис. 1. Примеры увеличения этажности строений в г. Москве за последние 200 с небольшим лет [18]
До настоящего времени оценку сейсмических воздействий на высотные здания, особенно на их высокие этажи, невозможно было точно выполнить ввиду отсутствия представительного массива данных инструментальных записей и конкретных макросейсмических наблюдений по этажам на высоких ярусах. К решению этой задачи приблизились авторы публикаций [28, 33, 35], использовавшие расчетный метод с несколькими допущениями.
В 2007–2008 годах расчеты поневоле осуществлялись на основе макросейсмических сведений по приземным этажам с последующей экстраполяцией на высокие этажи с большими допусками. В то время не удалось в должной степени использовать исторический опыт наблюдений для высотных строений, оценить вероятные изменения среды и корректно определить вероятные интервалы сейсмических воздействий.
Необходимость оценки степени устойчивости высотных зданий и сооружений при внешних воздействиях была осознана при их массовом строительстве. Основное внимание при их проектировании в Москве уделялось ветровым нагрузкам, а сейсмическим воздействиям – в гораздо меньшей степени. Автору известно всего несколько публикаций, отражающих результаты представительных поэтажных измерений вибраций трехкомпонентными датчиками с выделением именно сейсмических воздействий.
Например, такие измерения были выполнены в высотном Главном здании МГУ им. М.В. Ломоносова на Воробьевых горах в г. Москве (рис. 2) при Охотоморском землетрясении 24 мая 2013 года [12]. Они проводились на 13 уровнях на высотных отметках от 20 до 222 м. Есть основания полагать, что результаты измерений в нижней центральной части здания, имеющей форму параллелепипеда (с 1-го по 31-й этаж) в отличие от таковых для ротонды и шпиля являются более представительными для сравнения с большей частью других высотных зданий города из-за формы, наличия стального каркаса, строительных швов между этой частью и боковыми более низкими пристройками. Авторы исследования [12] оперировали в основном частотой колебаний и величинами смещений на записях. Они отметили устойчивое нарастание смещений (особенно в направлении прихода волн от источника) с высотой. До 23 этажа (95,5 м) деформации конструкций интерпретировались как сдвиговые, а выше – как изгибные. Резкое нарастание амплитуд смещений, особенно для продольных волн, прослеживалось именно для высоты начиная с 90–100 м. Важен вывод авторов работы [12] о том, что в колебаниях участвуют не только наземные конструкции, но и подземная часть сооружения, возможно с прилегающим грунтом основания [12, с. 36].
Рис. 2. Главное здание МГУ [1]
Настоящая статья представляет собой попытку продвинуться в прояснении намеченных вопросов, в том числе с использованием макросейсмических сведений, полученных от очевидцев.
Основной доступный для исследований материал относится к двум сильным сейсмическим событиям с удаленными глубокофокусными очагами. Это землетрясение 4 марта 1977 года в зоне Вранча в Карпатах (Румыния) и Охотоморское землетрясение 24 мая 2013 года на Дальнем Востоке [7, 11]. Имеются также некоторые сведения о воздействиях на московские здания Вранчского землетрясения 10 ноября 1940 года [13, 15], но тогда в столице высотных сооружений практически не было.
В отдельных публикациях сообщается о том, что ощутимые колебания достигают г. Москвы при сильных землетрясениях в западной части Центральной Азии, на Северном Кавказе и в Крыму [33, 34]. Но документально известно только одно сообщение о слабо ощущаемых сотрясениях предположительно на верхнем этаже московского здания от Казанджикского землетрясения 1946 года, которое произошло в западной части Копетдага и имело магнитуду М=7,0 [15, 17]. Однако люди в столице не ощущали колебаний при более сильных землетрясениях – Красноводском 1895 года в Западной Туркмении (М=7,7) и Балханском 2000 года (М=7,1). Ни одно из известных сильных коровых сейсмических событий на Кавказе и в Крыму на уровне ощутимых колебаний (2–3 балла) не достигало не только столицы, но и вообще центра европейской части России.
Исторические изыскания автора по землетрясениям Скандинавии за сотни лет также не дали данных о том, что сотрясения оттуда достигали хотя бы запада Русской равнины.
Местных же землетрясений тектонического генезиса за всю 850-летнюю историю Москвы ни в ней, ни в радиусе многих сотен километров от нее не происходило [16, 17, 21, 23–25].
До 2013 года была известна только одна очаговая зона, продуцирующая сотрясения и в центре Русской равнины – уже упомянутая выше зона Вранча в Карпатах, являющаяся зоной глубокофокусных землетрясений. По русским летописям известно, что сотрясения из этой зоны достигали центральных частей Русской равнины (и, соответственно, территории Москвы) на протяжении многих столетий [16, 20, 23].
Москва и ее окружение кардинально изменились за последние 60 лет. Резко увеличились ее площадь и население (постоянное и временное), жилые площади и коммуникации расширились во много раз, усложнилась инфраструктура. Сегодня это мегаполис с территорией ядра около 1000 кв. км, в котором сейчас постоянно проживает 12–16 млн человек, тогда как, например, в 1940 году население города составляло около 4,5 млн человек.
С 1980–1990-х годов в столице начался строительный бум при падении проектной и строительной дисциплины. Резко выросла доля многоэтажных (10–16 этажей) и высотных (выше 24 этажей) зданий (рис. 3). Безусловно, нарастание темпов высотного строительства сохранится и в дальнейшем. Соответственно, возрастут и масштабы изменений подземной среды, в первую очередь дифференцированные нагрузки на грунтовые основания и воздействие на гидравлические показатели (табл. 1).
Рис. 3. В Москве значительно увеличилась доля многоэтажных и высотных зданий [14]
Таблица 1. Изменения этажности и статических нагрузок от веса зданий и сооружений на грунтовые основания в г. Москве (по [20])
Рис. 4. Карта распределения интенсивности сотрясений в баллах на Русской равнине при землетрясениях в зоне Вранча 10 мая 1230 года (черные квадраты) и 3 апреля 1977 года (изосейсты) [18]
Землетрясение 26 октября 1802 года – наиболее сильное из возникших в очаговой зоне Вранча в новейшей истории [26, 32]. С интересующего нас угла зрения примечательно следующее малоизвестное донесение московского обер-полицмейстера Киверина на высочайшее имя: «…землетрясение сие большую часть ощутительно было в верхних этажах больших домов. Везде колебались в оных мебель и прочие домашние предметы. Работавшие на Спасской башне в Кремле чувствовали трясение оной, а в доме актера Сандунова актеры от сильного колебания… начали было выходить вон…» [15, 16]. Отметим, что верхними тогда считались 3-й и 4-й этажи, правда при высоких потолках.
Вранчское землетрясение 23 февраля 1838 года также отозвалось в Москве, но очень слабо. О нем известно лишь одно краткое сообщение: «… в студенческом общежитии в верхнем этаже старого Университета… вдруг столики с горевшими на них свечами стали отодвигаться от стены, а неплотно затворенные двери начали хлопать… На другой день мы слышали, что в верхних этажах некоторых высоких московских домов в посудных шкафах было перебито немало посуды, а в некоторых стенах верхних этажей образовались трещины» [16, с. 79]. В первой части цитаты речь идет о левом крыле здания Московского университета на Моховой улице, которое имело 4 этажа и высокие потолки. Описанная комната, вероятно, была угловой, обращенной к югу. Интенсивность сотрясений по приведенному описанию можно принять равной 4 баллам, но сведений о том событии слишком мало. Важно, однако, что уже тогда было отмечено резкое усиление колебаний на верхнем этаже.
Вранчское землетрясение 4 марта 1977 года [19, 21] (рис. 5) изучалось автором специально. В публикациях [33, 34] сообщается, что во время землетрясений в Карпатах в 1977 и 1986 годах на 14–16 этажах московских зданий башенного типа интенсивность сотрясений достигала 6 баллов, возникли даже небольшие трещины на стыках стен и потолков. На верхних этажах двух соседних башен в Бирюлево даже разошлись швы между наружными стеновыми панелями с образованием щелей. Кроме того, известно, что в высотных башнях люди падали со стульев, в том числе это случилось с охранником на верхнем этаже (в ротонде под шпилем) Главного здания МГУ, хотя на земле многие люди вообще не ощутили колебаний [15].
Рис. 5. Сейсмические эффекты Вранчского землетрясения 4 марта 1977 г. (зеленые линии – приблизительные изосейсты с указанием интенсивности в баллах), показанные на фрагменте карты районирования сейсмической опасности для пиковых ускорений в долях g с вероятностью 10% их возможного превышения в течение 50 лет (бежевый цвет – интенсивность до 5 баллов, зеленый – 5–6 баллов, желтый – 6–7 баллов, розовый – 7–8 баллов, красный – 8–9 баллов, бордовый – 9 баллов и более) [33]
Конкретные сведения от очевидцев о макросейсмических сотрясениях в городе при землетрясении 1977 года не публиковались – их автор собирал индивидуально.
В 2013 году сбор информации был более организованным, но также выполненным в небольшом для мегаполиса объеме [7]. Все же появилась некоторая основа для сопоставления сведений не только по нижним, но и по высоким этажам. Судя по всему, интенсивность изменялась от 2–4 баллов на двух первых этажах до 6–7 баллов на этажах выше 20-го.
Сходные выводы были сделаны и при обработке результатов инструментальных измерений во время землетрясения 24 мая 2013 года в Главном здании МГУ на Воробьевых горах [12].
Неполнота данных не позволяет сказать, что это присуще колебаниям от удаленных глубокофокусных землетрясений во всех высотных зданиях по всей Москве, но все же намечается определенный тренд.
По собранным автором опросным сведениям удалось сделать следующие общие выводы.
1. Степень реакции зданий в столице на слабые сейсмические воздействия от удаленных землетрясений прямо зависит от длительности существования зданий, их конструктивных особенностей и качества строительства и ремонта.
2. Интенсивность сейсмических воздействий в целом возрастает от нижних к верхним этажам, но их конкретные проявления зависят и от ряда других причин, таких как геологические и гидрогеологические условия, конструкция сооружения, степень его «усталости», характерные спектры собственных колебаний в соотношении со спектральными характеристиками землетрясений и др. Интенсивность колебаний (преимущественно горизонтальных) на 10–18 этажах может увеличиться на 2–4 балла по сравнению с подвальным или первым этажом, а не на 1–2 балла, как принималось ранее, в том числе при расчетах [28, 35]. Следовательно, при сильных удаленных землетрясениях в московских высотных зданиях люди, находящиеся выше 10–18 этажей, могут ощущать беспокойство и даже поддаться панике. На этажах примерно выше 20-го за счет сильного бокового раскачивания зданий сотрясения могут иметь интенсивность до 4–6 баллов, поэтому могут возникнуть отдельные повреждения конструкций, в том числе утечки воды и газа, разрывы электросетей, возгорания, нарушения телефонной связи. Все это осложнит психологическую и медицинскую помощь, эвакуацию людей и спасательные действия сил МЧС. В единичных случаях (в Спасской башне Кремля, Главном здании МГУ) сотрясения наверху оцениваются величинами до 5–7 баллов по шкале MSK-64. Из жилых высоток наибольшие опасения вызывают одноподъездные башни, особенно каркасно-щитовые.
3. Проблема оценки опасности и риска сейсмических воздействий в г. Москве в практическом отношении значима именно применительно к высотным зданиям, тем более при их массовом строительстве.
Землетрясение 4 марта 1977 года не было максимальным по выделенной энергии. Его магнитуда М составила 7,1 плюс/минус 0,2.
Вранчские землетрясения 26 октября 1802 года и 10 ноября 1940 года, сотрясения от которых достигли Москвы, имели более высокие магнитуды – от 7,3 до 7,5. Соответственно, они могли вызвать и более сильные колебания на высоких этажах, если бы тогда существовали такие же высокие здания, как теперь.
К выяснению вопроса о максимальном по силе землетрясении в очаговой зоне Вранча автор подошел путем проверки и уточнения оценок в соответствующих каталогах за почти 900 лет. Эти оценки, как оказалось, значительно различаются между собой. Обнаруженные факты и проведенные сравнения выявили в существующих каталогах нестабильность определений параметров для периода позднего средневековья и XVIII–XIX веков.
Автором была выполнена ревизия каталогов наиболее сильных глубокофокусных землетрясений в очаговой области Вранча [19] для периода с 1100 по 1650 год (табл. 2).
Таблица 2. Усовершенствованный каталог сильнейших средневековых землетрясений в очаговой зоне Вранча
Рис. 6. Комплекс небоскребов «Москва-Сити» [36]
На территории г. Москвы активные разломы не установлены, однако выделяются так называемые геодинамически активные зоны. Основная такая зона в виде полосы шириной 5–6 км пересекает город в северо-западном направлении в общем соответствии с направлением долины р. Москвы [5]. А квартал «Москва-Сити» как раз и находится в пределах этой зоны – на Краснопресненской набережной на берегу Москвы-реки.
В геодинамически активных зонах имеются участки с повышенной трещиноватостью горных пород и, соответственно, с увеличенной флюидопроницаемостью, развитием карстовых и карстово-суффозионных процессов [5]. Именно в них в первую очередь могут со временем изменяться гидравлические условия в водоносных горизонтах и несущая способность грунтов в период строительства и эксплуатации высотных зданий и сооружений.
На изданной в 1997 году карте подтопления г. Москвы [15] квартал «Москва- Сити» оказался в узкой полосе между постоянно подтопляемыми и неподтопляемыми участками, что нельзя признать благоприятным.
На изданной в 2011 году «Схеме мощности низкоскоростных (мелкодисперсных) грунтов» площадь, занятая кварталом «Москва-Сити», оказалась в пределах редкого в городе участка с резким изменением мощности рыхлых отложений от 10 до 60 м [28]. Характерной особенностью оказался и рост сейсмической интенсивности от 4,0 до 5,5 балла при возрастании мощности от первых метров до 50–70 м [28, с. 124]. Подчеркнем, что речь здесь идет об интенсивности на уровне земли и первых этажей. Иными словами, 5,5 баллов на данном участке – это исходная величина. А чего следует ждать на этажах выше 30-го или 50-го? Этим вопросом инженеры-проектировщики и инженеры-строители не задавались.
До сих пор отсутствуют сведения о сейсмических воздействиях в высотных зданиях на этажах выше 30-го. Это относится и к комплексу «Москва-Сити» с десятью небоскребами башенного типа. Их поведение на этажах выше 50 — го с учетом резонансных явлений оценить простым экстраполированием скудных данных по этажам 10–25 вряд ли возможно.
Дело здесь осложняется скученностью супервысотных зданий на ограниченном участке при различиях в периодах собственных колебаний каждого из них, а также тем, что соотношения между размерами подземных и надземных частей небоскребов рассчитывались для достижения устойчивости отдельно стоящих зданий. А как поведут себя их грунтовые основания при такой плотной застройке, как в этом комплексе, и как это отразится на высоких этажах в случае сейсмических воздействий?
Изучение вопроса о сейсмических воздействиях на высотные здания г. Москвы требует продуманного системного накопления знаний по кругу специфических показателей и составления инструкций в отношении сейсмического риска. Решение этой задачи невозможно без организации специальной службы сейсмометрических наблюдений по конкретной долгосрочной программе, разработанной специалистами естественнонаучного, и инженерно-технического профиля. Для этого должно быть выполнено следующее.
1. Создание сети сейсмометрических наблюдений в разных частях мегаполиса в зданиях, различающихся по типу, этажности, длительности эксплуатации, грунтовым основаниям и окружающим геоморфологическим условиям.
2. Сбор и обработка опросных сведений от квалифицированных и/или проинструктированных информаторов по заранее определенным адресам.
3. Создание научно-методического центра сбора и оперативной обработки информации с регулярной выдачей и обсуждением полученных данных.
4. Постоянная и своевременная систематизация зарубежного опыта, учет достижений и просчетов в высотном строительстве развитых стран с публикацией соответствующих обзоров.
5. Налаживание связи с городскими коммунальными организациями, органами МЧС, службами пожарной и скорой помощи.
6. Выработка мер по противодействию разного рода слухам, нелепым предсказаниям и обучение жителей и работников верхних этажей правилам поведения в случае сотрясений.
За несколько столетий в Москве не фиксировались сейсмические сотрясения с интенсивностью выше 4–5 баллов по шкале MSK-64 на уровне земли и двух первых этажей. Только событие 800-летней давности в зоне Вранча в Карпатах, вероятно, вызвало 5-балльные сотрясения в центре Русской равнины.
Фактические данные о возможности землетрясений в Москве интенсивностью 4 балла чаще, чем раз примерно в 100–200 лет (на стандартных грунтах без подтопления), отсутствуют.
Надо учитывать, что с развитием в городе высотной застройки ситуация существенно меняется: интенсивность колебаний (преимущественно горизонтальных) на верхних ярусах высотных зданий и сооружений увеличивается в несколько раз по сравнению с приземными этажами.
Со времени последнего сильного землетрясения в очаговой зоне Вранча (с магнитудой 6,8–7,0) прошло около 40 лет. Поскольку интервалы между сильными событиями в этой области составляют 30–60 лет, надо быть готовыми к тому, что очередное событие, сотрясения от которого достигнут Москвы, возникнет до середины XXI века.
Уточненная версия каталога самых сильных землетрясений в зоне Вранча (см. табл. 2) не дает оснований ожидать вскоре события с магнитудой более 6,8–7,0. Тем не менее на высоких ярусах высотных строений в ряде районов столицы вполне вероятны сотрясения интенсивностью 5–7 баллов.
Однако точно понять риски невозможно без контроля текущего состояния, усталости и износа зданий и сооружений, выявления недостатков строительства, мониторинга изменений геологической и гидрогеологической среды, дополнительного обсуждения перспектив развития высотного строительства в городе и его окрестностях.
При настоящей степени изученности вопроса можно сделать лишь следующие уверенные выводы. Проектировщики, строители, эксплуатационники, коммунальные службы и административные органы должны твердо знать, что верхние ярусы высотных зданий и сооружений гораздо более уязвимы при природных сейсмических воздействиях, чем нижние. Обеспечение безопасности высотных строений в рассматриваемом отношении требует особого внимания на всех этапах – инженерных изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант № 14-05-00776.
Заглавное фото: https://pixabay.com/ru/moscow-city-москва-город-3550477/
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку