Это вторая статья, посвященная серии землетрясений в Кахраманмараше, которые произошли 6 февраля 2023 года в Турции. Первая статья была напечатана в журнале STRUCTURE за июль 2023 года и представляла справочную информацию о региональной сейсмичности, сейсмическом проектировании и практике строительства в Турции, а также наблюдения авторов в полевых условиях. Данная статья посвящена наблюдениям, имеющим отношение к практике проектирования в США.
Актуальность последствий землетрясений в Кахраманмараше для Соединенных Штатов
Учитывая большие расстояния и культурные различия между Турцией и Соединенными Штатами, легко попасть в ментальную ловушку, и заранее прийти к выводу, что ущерб и жертвы после землетрясения в Кахраманмараше, не являются репрезентативными для того, что может произойти в Соединенных Штатах. И хотя различия в проектировании, материалах, конструкции, контроле и соблюдении норм действительно существуют, важно учитывать, что:
Фонд зданий и сооружений в США, как и в Турции, представляет собой смесь старых и новых зданий в пропорциях, отражающих периоды роста для разных городов. Например, бетонные здания, построенные до 1980-х годов в городах на западе США, имеют по крайней мере такие же плохие характеристики прочности, как и более современные железобетонные здания в Турции, многие из которых были серьезно повреждены или обрушились.
Даже для новых зданий II категории риска в США ASCE 7 предусматривает 10%-ную вероятность обрушения с учетом максимального предполагаемого землетрясения (Risk-Targeted Maximum Considered Earthquake — MCER). Несмотря на то, что многие инженеры утверждали и продолжают утверждать, что это консервативная оценка вероятности разрушений, это все равно напоминает, что строительные нормы в США направлены на снижение вероятности разрушения, но не на её полное исключение. Краткий обзор целевых показателей ASCE 7 в плане снижения вероятности разрушений см. в статье «Допустимое разрушение?» в мартовском выпуске журнала STRUCTURE за 2015 год.
Сейсмические толчки подобной интенсивности, которые охватили бы такую обширную территорию и такое количество населения как серия землетрясений в Кахраманмараше в Турции, до настоящего времени в США не наблюдались. Примечательно, что интенсивность сейсмических колебаний в серии землетрясений в Кахраманмараше, превысили средние значения, рассчитанные с помощью уравнений прогнозирования движения грунта — тех же или подобных уравнений, которые используются для определения сейсмических требований к зданиям по американским строительным нормам.
По мере понимания разрушительных последствий последовательности землетрясений в Кахраманмараше инженеры-конструкторы (structural engineers) в США могут начать сомневаться в тщетности попыток изменить исход аналогичного землетрясения в США. Тем не менее, авторы призывают практикующих в США инженеров вместо этого вспомнить о важной роли инженеров-конструкторов и о чрезвычайно значимом влиянии, которое мы можем оказать. В следующих разделах обсуждаются наблюдения последствий серии землетрясений в Кахраманмараше, которые особенно актуальны для практики США.

Контроль за строительством имеет важное значение
Надзор за возведением ответственных конструкций (structural observation) и специальный контроль (special inspection) являются чрезвычайно важными задачами, т.к. позволяют добиться строительства здания с требуемыми эксплуатационными характеристиками при относительно низких уровнях затрат усилий/времени. В США часто требуется проведение structural observation и special inspection, особенно в районах с высоким уровнем сейсмичности в западных штатах. Это требование иногда рассматривается инженерами-конструкторами как бремя, т.к. необходимо найти время для посещения объекта в и без того напряженном графике. В практике заключения контрактов в Турции очень редко инженер-конструктор, который готовит проектную документацию, также имеет возможность наблюдать или проверять возведение конструкции во время строительства. Авторам известны случаи в Турции, когда инженер, разработавший чертежи ответственных конструкции, впервые посетил здание только после землетрясения. В Турции нанимается отдельный инженер, который часто до этого момента не имел никакого отношения к проекту. Авторы обследовали множество зданий, в которых конструкции были возведены с отступлениями от проекта (например, отсутствующие или неправильно расположенные хомуты в железобетонных колоннах, трубопроводы или воздуховоды, проложенные сквозь конструктивные элементы и т. д.). (Рисунок 1). Эти, казалось бы, незначительные детали, которые инженер-проектировщик понимает фундаментально и сразу же распознает на месте, могут оказать серьезное негативное влияние на эксплуатационные характеристики здания. Таким образом, авторы призывают американских практикующих инженеров помнить, что надзор за строительством зданий является скорее возможностью повысить общественную безопасность, чем бременем для их времени.

Сейсмическая изоляция хорошо себя показала
Сейсмоизоляция если не является единственным подходящим решением, то, по крайней мере, на сегодняшний день является лучшим вариантом для определенных зданий, таких как больницы неотложной помощи в регионе с высокой сейсмичностью. В 2013 году Министерство здравоохранения Турции выпустило постановление, требующее, чтобы все новые больницы с вместимостью более 100 коек строились с использованием сейсмоизоляции. Из примерно 100 зданий с сейсмоизоляцией в Турции одиннадцать больниц с сейсмоизоляцией находились в пострадавшем от землетрясений районе (рис. 2). Все они показали себя очень хорошо, особенно по сравнению со значительными повреждениями несущих конструкции или обрушениями зданий без сейсмоизоляции. Несмотря на то, что первая больница с сейсмоизоляцией в США (Университетская больница Университета Южной Калифорнии построенная в 1992 году) была построена почти за десять лет до первой в Турции (Университетская больница Коджаэли построенная в 2001 году), Турция в настоящее время намного превзошла США по общей площади больниц с сейсмической изоляцией в результате постановления Министерства здравоохранения. Некоторые из причин стагнации строительства зданий с сейсмоизоляцией в США описаны в статье «Что случилось с сейсмоизоляцией зданий в США?» в марте 2012 года в журнале STRUCTURE (https://www.structuremag.org/?p=4166). Хотя поведение зданий с сейсмоизоляцией во время землетрясения в Турции не было идеальным, в первую очередь из-за проблем с контролем во время строительства, землетрясение в Кахраманмараше может стать сигналом для повышения применения сейсмоизоляции при строительстве учреждений неотложной помощи в районах США с высоким уровнем сейсмичности.

Сейсмоусиление зданий происходит медленно
Сейсмоусиление существующих зданий в США, в сочетании со сносом старых и строительством новых зданий, является необходимым компонентом повышения безопасности жизни общества. После землетрясений в Дюздже и Гёльджюке в 1999 году турецкое правительство ввело налог, который предназначался для финансирования работ по сейсмоусилению зданий. Тем не менее, эти средства, по-видимому, не были использованы для сейсмоусиления существующих зданий, а были направлены на новую инфраструктуру и крупные общественно значимые проекты. Кроме того, был принят закон о городской трансформации, направленный на то, чтобы побудить владельцев модернизировать или сносить и заново отстраивать свои здания при финансовой поддержке правительства. Тем не менее, это финансирование, по-видимому, не мотивировало большинство владельцев существующих зданий. В результате авторы не обнаружили ни одного здания прошедшего сейсмоусиление в сейсмоопасной зоне Турции. В США сейсмоусиление зданий проводят довольно редко, как правило, либо в результате добровольных усилий обеспокоенных владельцев, либо в силу требований законодательства или строительных норм. Например, Международные нормы для существующих зданий (International Existing Building Code – IEBC) требуют проведения сейсмической оценки и усиления в случае изменения категории риска или при значительных изменениях в строении здания. В соответствии с IEBC, сейсмическую оценку и усиление проводят только в том случае, если затрагивается более определенного процента несущих элементов или если система сопротивления горизонтальной нагрузке значительно изменена. Кроме того, в некоторых штатах обязательно проведение сейсмоусиления, когда общие затраты на реконструкцию на квадратный фут превышают определенный предел. Такие изменения встречаются редко, или в такие изменения вносятся корректировки, чтобы избежать сейсмической оценки и сейсмоусиления. Кроме того, во многих штатах на западе США введены нормативы о сейсмической оценке и модернизации некоторых типов существующих зданий (например, с неармированной каменной кладкой, деревянные здания, с неармированным бетоном и т. д.). На рисунке 3 показано разрушение “слабого” (гибкого) этажа, имеющего меньшую сопротивляемость сейсмическим нагрузкам по сравнению с другими этажами. Такие правила, по-видимому, нацелены на наиболее сейсмически уязвимые существующие здания, и все же процент модернизированных существующих зданий в сейсмических регионах США остается низким. Кроме того, как и в Турции, требования по обязательной сейсмической оценке и модернизации зданий в США подвержены общественному и политическому давлению (например, из-за конфликта интересов в связи с жилищным кризисом).

«Functional recovery design» для существующих зданий может навредить характеристикам безопасности
В США все больше внимания уделяется переходу к «functional recovery design», т.е. к такому подходу в проектировании, при котором ориентируются не только на обеспечение безопасности здания в случае землетрясения (или других стихийных бедствий), но и на минимизацию времени простоя и восстановление функциональности здания после таких событий. Эта практика, как правило, рассматривается положительно, поскольку она может в будущем привести строительные нормы и правила США в соответствие с ожиданиями общественности в отношении эксплуатационных характеристик зданий. Кроме того, при проектировании новых зданий возможности быстрого восстановления функциональности здания можно достичь за счет разумных (относительно небольших) дополнительных трат на строительство. На рисунке 4 показано здание, построенное по технологии «туннельной опалубки», которое посетили авторы, для восстановления функциональности которого потребовалось незначительное количество времени по сравнению с серьезно пострадавшими зданиями в этом районе. Идея проектирования с учетом возможности быстрого восстановления функциональности также начинает рассматриваться для существующих зданий в США с пониманием того, что дополнительные затраты на строительство, вероятно, здесь не столь незначительны, как для новых зданий. Несмотря на то, что это похвально, если серия землетрясений в Кахраманмараше является каким-либо показателем поведения даже более старых зданий при аналогичном землетрясении в США, ясно, что повышение безопасности существующих зданий по-прежнему требует значительного внимания. Таким образом, в связи с этим возникает вопрос о том, является ли целесообразным проектирование реконструкции существующих зданий в США с учетом быстрого восстановления функциональности, особенно когда более крупные дополнительные затраты могут быть направлены на улучшение безопасности здания (т.е. сейсмоусиление для обеспечения безопасности жизни).

Ужесточение норм проектирования может компенсировать другие факторы
Подобно строительным нормам и правилам США, турецкие строительные нормы 2007 года допускают межэтажное смещение вызванное расчетными сейсмическими нагрузками до 2%. Хотя и турецкие, и американские инженеры обладают знаниями и возможностями для проектирования конструктивных систем, обеспечивающих устойчивость и безопасность при таких перемещениях, задача усложняется ошибками в проектировании или строительстве, а также практикой использования доступных материалов для ненесущих конструкций. Например, в многочисленных поврежденных зданиях, обследованных авторами в Турции, выпуска арматур из фундаментов были смещены во время строительства и слегка согнуты, чтобы расположить их внутри колонны (рис. 5). Во многих случаях это приводило к преждевременному изгибу и разрыву этих стержней и, возможно, способствовало частичному или полному обрушению здания. Еще один пример, ненесущие стены в Турции строятся почти исключительно из неармированной кладки из-за доступности материалов и квалификации рабочей силы. Когда эти каменные стены заполняют железобетонный каркас, они легко повреждаются при небольших перемещениях, а также влияют на реакцию железобетонного каркаса (например, асимметричное повреждение кладки в плане, может вызвать крутящий момент, большее повреждение кладки на нижних этажах, может может привести к возникновению «слабого/гибкого» этажа и т. д.). Несмотря на то, что ошибки при проектировании/строительстве, а также слабые ненесущие элементы могут быть устранены другими способами (например, усиленным контролем и более подробной детализацией конструкций), они также могут быть устранены путем снижения допустимых пределов межэтажного смещения. Например, было замечено, что невысокие здания построенные по технологии туннельной опалубки имеющие большее количество диафрагм жесткости, что приводит к снижению межэтажного смещения, хорошо себя показали во время землетрясения. Таким образом, ограничение межэтажного смещения служит простым способом компенсации ряда других факторов, которые в противном случае потребовали бы вмешательства на нескольких этапах процесса проектирования и строительства.

Обследование и маркировка зданий после землетрясения требует коммуникации с обществом
Авторы регулярно сталкивались с жителями пострадавшего от землетрясения региона Турции, которые не были осведомлены об официальной оценке безопасности и доступа к своему зданию. После серии землетрясений в Кахраманмараше был проведен обширный процесс оценки, чтобы обозначить здания как «Обрушившиеся», «Нуждающиеся в сносе», «Сильно поврежденные», «Слегка поврежденные» или «Неповрежденные» методом быстрой оценки, требующей несколько минут обследований ученых или правительственных инженеров (Рисунок 6). Несмотря на это, физических меток было мало или совсем не было неясно, были ли жители проинформированы о том, что результаты оценки доступны онлайн. В США маркировка зданий после землетрясения обычно осуществляется в соответствии с ATC-20 Procedures for Postearthquake Safety Evaluation of Buildings (Процедуры по оценке безопасности зданий после землетрясений), который предусматривает нанесение табличек как «Небезопасное», «Ограниченное использование» или «Проверено» после быстрой и, при необходимости, более поздней детальной оценки. Тем не менее, как и в случае с городами в Турции, власти в США, вероятно, будут плохо подготовлены к быстрому реагированию на событие такой же интенсивности и масштаба, как землетрясение в Кахраманмараше из-за нехватки обученного персонала или отсутствия быстрого доступа к исполнительным чертежам. Кроме того, в то время как быстрая оценка по ATC-20 может занять всего несколько десятков минут, помощь жителям в понимании этой оценки и преодолении страха перед входом в здание, которое может иметь даже только косметические повреждения, вероятно, займет гораздо больше времени.

Землетрясения состоят из нескольких событий
Подобно серии землетрясений в Кентербери в Новой Зеландии в 2010-2011 годах, когда последовательно произошли несколько землетрясений высокой интенсивности, серия землетрясений в Кахраманмараше в Турции иллюстрирует, как землетрясения, происходящие одно за другим, могут увеличить ущерб зданиям и человеческие жертвы. Землетрясение в Кахраманмараше вызвало толчки по силе близкие к расчетным в первом событии за которыми последовали значительные, хотя и не равные по силе, толчки во втором событии (рисунок 7). Как и в случае с землетрясением в Кахраманмараше, в США также возможна активация соседних разломов (например, в системе разломов Сан-Андреас). Авторы посетили обрушившееся здание в городе Кахраманмараш, которое было повреждено, но выстояло и позволило жителям эвакуироваться во время первого события (рис. 8). Несколько жителей вернулись в здание, чтобы осмотреть его и забрать вещи, когда девять часов спустя произошло второе сильное землетрясение. Здание рухнуло, убив всех, кто остался внутри. В США, как и в Турции, строительные нормы и правила не ставят явную цель сохранения эксплуатационных характеристик здания при серии последовательных землетрясений. Хотя обычно предполагается, что здание способно выдержать афтершоки, количество и интенсивность этих афтершоков и явная способность поврежденного здания сопротивляться им не поддаются количественной оценке. В связи с этим возникает вопрос о том, будет ли здание, которое выдержало расчетное землетрясение, а затем рухнуло в результате повторных толчков высокой интенсивности, соответствовать требованиям строительных норм США. Если в зданиях, соответствующих требованиям строительных норм и правил, предполагается устойчивость к повторным толчкам, необходимо эти требования рассмотреть и четко обозначить в ASCE 7.

После землетрясения необходима адаптация
В условиях после землетрясения, подобного тому, которое произошло в Кахраманмараше, адаптация играет важную роль в восстановлении. Будь то (а) переход студентов университетов на полностью дистанционное обучение, (б) перенос персоналом больниц более важных отделений на первый этаж из-за неработающих лифтов, или (в) временная установка вышек сотовой связи (рис. 9), поиск альтернативных путей решения задач стало реальностью в пострадавшем от землетрясения регионе Турции. Это говорит о том, чего США возможно придется ожидать после сильного землетрясения.

Заключение
Легко попасть в ментальную ловушку, заключив, что ущерб и гибель людей после землетрясения в Кахраманмараше 6 февраля 2023 года, не являются репрезентативными для того, что может произойти в Соединенных Штатах. Тем не менее то, что землетрясение подобного масштаба до настоящего времени в США не имело место быть, в сочетании со схожими в большей части нормами проектирования США и Турции, может свидетельствовать об обратном. Вместо того, чтобы впадать в уныние из-за наблюдений за последствиями землетрясения в Кахраманмараше, авторы надеются, что американские практикующие инженеры увидят возможность извлечь уроки, и применить их у себя дома
Автор: Рид Циммерман, (Reid Zimmerman, P.E., S.E.)
Источник: https://www.structuremag.org>