Начало зарождения теории сейсмостойкости следует, по-видимому, отнести к рубежу конца XIX - начала XX века, когда в результате обследования последствий разрушительного землетрясения 1891 года в Мино-Овари (Япония) японскими учеными были впервые получены данные о максимальных сейсмических ускорениях грунта, позволившие поставить задачу об определении сейсмических сил, воздействующих на сооружение при землетрясениях.
С этой целью в 1906г. Омори провел серию экспериментов по определению сейсмических сил, возникающих в кирпичных столбиках, расположенных на платформе, подвергающейся горизонтальным гармоническим колебаниям. Увеличивая интенсивность колебаний, столбики доводились до разрушения, фиксируя при этом наибольшие ускорения и определяя соответствующие инерционные силы. При этом столбики считались недеформируемыми, так что для любого элемента столбика учитывалось лишь переносное движение, и следовательно, ускорение в любой точке столбика принималось равным ускорению основания.
Эти положения легли в основу теории, получившей название статической теории сейсмостойкости.
Согласно теории Омори максимальные значения сейсмических сил определяются выражением:
S = Kc Q,
(2.1)
где Q - вес части сооружения; кс- сейсмический коэффициент, представляющий собой отношение максимального значения ускорения основания к ускорению свободного падения.
В данной теории величина сейсмического коэффициента принималась на основе макросейсмических данных разрушительных землетрясений в соответствии с ожидаемой силой землетрясения (балльностью района). Заметим, что такая трактовка сейсмического коэффициента сохранялась до настоящего времени.
Статическая теория сыграла огромную роль в развитии теории сейсмостойкости, хотя бы потому, что впервые удалось получить количественную оценку сейсмических сил, вызывающих разрушение сооружения.
Однако очень скоро выявились и ее недостатки, связанные с предпосылкой о недеформируемости сооружения при колебаниях. Статическая теория с определенным приближением может быть признана справедливой только лишь для достаточно жестких конструкций.
Дальнейшее развитие статической теории, основанное на необходимости учета деформируемости сооружения при колебаниях, привело
20
к созданию динамической теории сейсмостойкости, с достаточной полнотой описывающей динамическое поведение конструкции на основе хорошо разработанных методов динамики сооружений. Но при этом возникли существенные трудности, связанные с недостаточной информацией о характере движения грунта при сейсмическом воздействии, поскольку, если в статической теории достаточно было иметь данные только лишь о максимальных значениях ускорений, то в данной теории возникает необходимость описания закона движения грунта основания во времени.
Первая попытка решения задачи расчета системы с одной степенью свободы была предпринята в 1920г. японскими учеными Мононобе и Сато. Движение основания было принято по синусоидальному закону; рассматривался процесс стационарных гармонических колебаний консервативной системы с одной степенью свободы. В результате было получено решение, следующее из динамики сооружений и представленное в виде:
S = KCβQ,(2.2)
где β - коэффициент динамичности, определяемый выражением
| β = |
1 |
= |
1 |
| 1 - T2 / T02 |
1 - ω02 / ω2 |
(2.3)
Здесь T(ω)-период (частота) собственных колебаний системы; T0(ω 0)- период (частота) колебаний основания при землетрясении.
Позднее в 1927г. К.С. Завриев устранил основной недостаток теории Мононобе, состоящий в использовании установившихся колебаний (стационарных) и обосновал необходимость рассмотрения переходных процессов. Формально это выражалось в том, что для движения основания принимался косинусоидальный закон, что давало возможность отразить внезапный характер начала сейсмического воздействия. В последующих работах А.Г. Назарова была развита концепция сейсмического удара, предполагающая возможность представления сейсмического воздействия в виде импульса.
Динамическая теория явилась существенным развитием теории сейсмостойкости сооружений, однако при имеющейся в то время ограниченной информации относительно действительного характера движения грунта при землетрясении она могла основываться только лишь на схематическом его представлении в виде гармонического воздействия.
Дальнейшим этапом в истории развития теории сейсмостойкости явилась спектральная теория, представляющая собой существенное усовершенствование динамической теории за счет введения в обращение спектральных кривых, представляющих собой кривые, описывающие зависимости максимальных ускорений, скоростей или перемещений линейного осциллятора в функции периода его собственных колебаний.
21
Идея спектрального метода определения сейсмических сил впервые была предложена М. Био в 1933г. Впоследствии эта идея нашла развитие в работах Хаузнера, Альфорда, И.Л. Корчинского, С.В. Медведева, А.Г. Назарова, С.В. Полякова, Н.А. Николаенко, В.Т. Рассказовского, Э.И. Хачияна, Ш.Г. Напетваридзе, Я.М. Айзенберга и др.
Разработка спектральной теории сейсмостойкости в значительной степени стимулировала широкое развитие экспериментальных исследований и способствовала совершенствованию инструментальных методов, появлению численных методов обработки инструментальных данных.
Более подробно основные положения спектральной теории сейсмостойкости, лежащей в основе существующих нормативных документов, будут изложены ниже.
В последние десятилетия в рамках этой теории возникли различные направления, из которых в первую очередь следует отметить метод расчета по акселерограммам, вероятностные методы расчета, методы расчета с учетом упруго-пластических деформаций, выключающихся связей и некоторые другие, определяющие современный уровень развития теории сейсмостойкости сооружений.
22
