Обследования зданий после землетрясения в Кахраманмараше в Турции – Часть1
Утром 6 февраля 2023 года Турция проснулась от известия о разрушительном землетрясении на юго-востоке страны. Несмотря на то, что эпицентр землетрясения, по оценкам, находился недалеко от города Кахраманмараш, из многих других городов региона не поступало никаких известий. Пока все пытались осознать масштабы происшествия и его последствия, в близлежащем районе произошло второе разрушительное землетрясение. По мере того, как шел день, серьезность ситуации начала проявляться.
В 4:17 утра по местному времени произошло землетрясение магнитудой 7,8 с разрывом разлома общей протяженностью около 250 миль. Через девять часов после этого произошло второе землетрясение магнитудой 7,5 баллов, в 60 милях к северу от первого, с общим разрывом разлома около 120 миль. Эта череда неглубоких землетрясений вместе с их многочисленными афтершоками вызвала широкомасштабные разрушения, общее число жертв превысило 50 000, а более 200 000 зданий рухнули или были сильно повреждены на обширном пространстве в южной и центральной Турции. Одиннадцать провинций с общим населением 14 миллионов человек (Адана, Адыяман, Диярбакыр, Элязыг, Газиантеп, Хатай, Кахраманмараш, Килис, Малатья, Османие и Шанлыурфа) пострадали от этих землетрясений. Это примерно 15% населения страны. По оценкам, более 1,5 миллиона человек остались без крова. Финансовая нагрузка от этих землетрясений для турецкой экономики оценивается в 100 миллиардов долларов США, что может составить почти 10% ВВП в 2023 году. Ущерб, нанесенный только жилым домам, составляет 55% от этого бремени.
Вскоре после землетрясений авторы присоединились к обширной исследовательской группе, организованной Комитетом исследования стихийных бедствий (Disaster Reconnaissance Committee) Американского института бетона (ACI) и включающей представителей Американского общества инженеров-строителей (ASCE), Института строительной инженерии (SEI), Национального института стандартов и технологий (NIST), а также преподавателей и студентов из многочисленных университетов. Эта статья является первой в серии из двух частей и представляет справочную информацию о региональной сейсмичности, сейсмическом проектировании и строительстве в Турции, а также наблюдения авторов в полевых условиях. Во второй статье будут обсуждаться наблюдения, относящиеся к практике строительства в США.
Региональная сейсмичность и последовательность землетрясений
Турция расположена в одном из самых сейсмически активных регионов мира. Страна в основном расположена на Анатолийском блоке, который находится между тремя основными тектоническими плитами, а именно Евразийской, Африканской и Аравийской. С 1900 года в Турции произошло около 20 землетрясений магнитудой более 7,0 и 200 землетрясений магнитудой более 6,0, что означает одно крупное землетрясение примерно каждые пять лет.
Последовательность землетрясений в Кахраманмараше произошла в зоне Восточно-Анатолийского разлома. Это 400-мильная левосторонняя система разломов, где Аравийская плита давит на Анатолийский блок в направлении на северо-восток. Эта система разломов, как известно, на протяжении всей истории вызывала разрушительные землетрясения на различных участках. Однако участок, получивший название «сейсмический разрыв Мараш» (Maraş seismic gap), молчал не менее 500 лет. Первое землетрясение началось на меньшем участке вблизи этого сейсмического разрыва и, «перекинувшись» к основному разлому, распространилось в двустороннем направлении на северо-восток и юго-запад. Десять минут спустя афтершок магнитудой 6,7 произошел в 6 милях к западу от эпицентра основного толчка. Этот основной толчок и последующие афтершоки вызвали землетрясение магнитудой 7,5 балла в Восточно-Анатолийском разломе девять часов спустя. Все они были неглубокими землетрясениями с глубиной очага 4-5 миль, что означает, что огромное количество энергии не успевало рассеяться, прежде чем достичь фундаментов сооружений.
К счастью для исследователей, последовательность землетрясений в Кахраманмараше была зарегистрирована густой сетью сейсмостанций, расположенных как вдоль Восточно-Анатолийского разлома, так и в ее окрестностях. Очень высокие значения горизонтального и вертикального пикового ускорения грунта (peak ground acceleration — PGA) были зарегистрированы во время землетрясения магнитудой 7,8 на ближайшей к эпицентру станции (2,2g по горизонтали, 2,0g по вертикали). На нескольких станциях в Кахраманмараше, Хатае и Газиантепе были зарегистрированы значения PGA в диапазоне от 0,5g до 1,0g. Станции, расположенные вдоль разрыва разлома, также регистрировали экстремальные значения пиковой скорости грунта (peak ground velocity — PGV) (порядка 40 дюймов/с), которые можно интерпретировать как показатель потенциального ущерба. Зарегистрированные значения PGV на этих станциях в 3-4 раза превышали прогнозируемые значения, указанные на карте сейсмической опасности строительных норм Турций (Turkiye Building Earthquake Code). Вблизи от разрыва разлома расчетные спектральные ускорения, учитываемые для типичных жилых домов в регионе, были превышены в диапазоне от 0,5 до 1,5 секунд. Эти высокие нагрузки представляли значительный риск даже для жилых зданий, соответствующих нормам. Более того, кумулятивный эффект последовательных афтершоков и землетрясение магнитудой 7,5 увеличил ущерб и привел к еще большему количеству обрушений. В различных частях региона также сообщалось о нарушениях несущей способности грунта и чрезмерной осадке фундаментов зданий из-за разжижения грунта. Данные о движениях грунта свидетельствуют об усилении сейсмической нагрузки в городах, расположенных у рек, из-за слабых грунтов. Например, спектральные ускорения в Антакьи, расположенной у реки Аси (Оронт), превысили даже максимальный предполагаемый уровень землетрясения в диапазоне от 0,5 до 1,5 секунды (рис. 1).
Практика сейсмического проектирования и строительства в Турции
История сейсмических норм проектирования в Турции начинается сразу после землетрясения магнитудой 7,8 балла в Эрзинджане в 1939 году. В 1975 году этот первоначальный норматив превратился в современный сейсмический кодекс после изменений, внесенных в 1944, 1949, 1953, 1962 и 1968 годах. Частично под влиянием “Blue Book” Ассоциации инженеров-конструкторов Калифорнии (SEAOC) («Blue Book» — это популярное название для документа, официальное название которого «Seismic Design Recommendations» — примечание переводчика) в кодексе 1975 года впервые упоминаются такие понятия как пластичность (ductility) и сила сдвига основания (base shear force). Среди усовершенствований кодекса были расчет сейсмических нагрузок на основе карты сейсмического районирования, минимальные размеры поперечного сечения, минимальные коэффициенты армирования, а также расчет соединения балки с колонной. Этот нормативный документ действовал более двадцати лет, что соответствовало периоду бурного экономического роста в Турции. Таким образом, значительная часть нынешнего жилого фонда была построена именно в этот период. В 1998 году кодекс был обновлен в связи с развитием методов расчета и проектирования конструкций. Впервые были использованы методы нелинейного сейсмического анализа и карта сейсмического районирования на основе вероятности. Последствия разрушительных землетрясений 1999 года в Гёльджюке и Дюздже (магнитудой 7,6 и 7,2 балла соответственно) привели к внесению поправок в 2007 году, включая процедуры сейсмической оценки и модернизации существующих зданий. В 2000 году также были приняты действующие нормы проектирования железобетона (TS 500), которые в основном соответствует требованиям Американского института бетона (ACI) 318, которая требует использования товарного бетона и низкоуглеродистой стальной арматуры периодического профиля. Кроме того, в связи с широким распространением проблемы соответствия нормам был принят закон о строительной инспекции. Свой нынешний вид кодекс принял в 2018 году. Это современный кодекс, который в основном напоминает ASCE 7 для проектирования новых зданий. Кодекс включает в себя специальные разделы, посвященные сейсмическому анализу и проектированию железобетонных, стальных, сборных конструкций, кирпичных и деревянных зданий, а также высотных зданий, сейсмоизолированных зданий и фундаментов. К кодексу прилагается вероятностная карта сейсмической опасности, которая предоставляет данные для 43, 72, 475 и 2475-летнего периода повторяемости землетрясений.
Основываясь на развитии строительных норм и правил по сейсмическому проектированию и строительному контролю, строительный фонд в Турции можно условно разделить на период до 2000 года и после 2000 года. Можно предположить, что здания, построенные до 2000 года, более уязвимы к землетрясениям, чем здания, построенные после 2000 года, из-за несоответствия старых норм современным методам сейсмического проектирования, отсутствия строительного контроля и низкого качества материалов (например, гладкая арматура с низкой прочностью, бетон, приготовленный вручную, с прочностью на сжатие 1-1,5 ksi и т. д.). Известно, что примерно половина зданий в регионе была построена до 2000 года. Тем не менее, пробелы в проектировании и строительстве, а также отсутствие надлежащего контроля проявились в виде серьезных повреждений, если не в виде обрушения, во многих зданиях, построенных после 2000 года. Строительный бум в регионе за последние 15 лет привел к появлению значительного количества жилых домов высотой в среднем примерно 10 этажей, многие из которых были серьезно повреждены или полностью разрушены из-за ненадлежащего проектирования и/или строительства.
В типичной практике жилищного строительства в регионе используется железобетонный каркас с заполнением неармированной кладкой. Широкое использование в качестве заполнения каркаса и в перегородках неармированной кладки создает значительный риск повреждений ненесущих конструкции, поскольку эти стены разрушаются при небольших горизонтальных перемещениях (при межэтажном смещении от 0,5 до 1,0%). Первые этажи зданий, как правило, представляют собой открытые витрины, верхние этажи выступают за фасад нижних этажей, и имеют выступы в виде балконов (рис. 2). Как правило, большая высота первого этажа вместе с частичным или полным отсутствием заполнения каркаса в виде кладки стен создает потенциально уязвимый этаж. Эта проблема, по-видимому, редко рассматривается в практике проектирования, отчасти потому, что заполнением каркаса из неармированной кладки часто пренебрегают при проектировании несущих конструкций. Использование диафрагм жесткости в основном ограничивается периметром лифтовых шахт или они примыкают к лестницам, если предусмотрены какие-либо диафрагмы. Особенно для зданий, построенных до 2000 года, могут возникать случаи со слабыми колоннами и усиленными балками, которые могут привести к обрушениям «блинного типа» во время сильных землетрясений. Еще одной распространенной проблемой является плохое качество строительных работ в виде к плохо уплотненного бетона, загибов концов хомутов под 90 градусов (вместо положенных 135 градусов), недостаточной длины нахлеста арматуры и слабых мест усиления. Эти недостатки довольно распространены в зданиях, построенных до 2000 года, но наблюдения показали, что они не ограничиваются более старыми зданиями. Кроме того, конфигурация конструктивной системы часто нарушается в угоду архитектурному замыслу. К наиболее распространенным проблемам конфигурации относятся неравномерные ряды колонн (расположение и расстояния между колоннами нерегулярны), ригели, соединенные с другими ригелями, отсутствие ригелей между колоннами и смещения между осевыми линиями ригелей и колонн.
Во многих недавно построенных зданиях вместо традиционной конструкции из ригелей и плит распространено использование невысоких балок между колоннами с относительно тонкими плитами и второстепенными балками. Пространство между второстепенными балками обычно заполняется ненесущими элементами, такими как кирпич или пенополистирол, чтобы получить плоский потолок. Этот тип конструкции предпочтителен из-за уменьшения опалубочных работ и архитектурной привлекательности плоских потолков. Тем не менее, это снижает горизонтальную жесткость здания и увеличивает гибкость диафрагм, которая обычно не учитываются при проектировании. Несмотря на то, что строительные нормы Турции 2018 года (Turkish Building Earthquake Code) разрешают использование этого типа системы при условии обеспечения минимального количества диафрагм жесткости, наблюдения на местах показывают, что это требование было нарушено во многих новых зданиях.
Одним из менее распространенных типов зданий в регионе являются здания построенные с применением т.н. туннельной опалубки, которая в основном используется для социального жилья, построенного правительством. Сопротивление горизонтальным нагрузкам в таких зданиях обеспечивается только монолитными стенами (диафрагмами), которые бетонируются одновременно с перекрытиями с применением туннельной опалубки. Из-за большого количества диафрагм жесткости этот тип зданий можно считать менее уязвимым к землетрясениям (Рисунок 3). Детализация диафрагм жесткости при строительстве с применением туннельной опалубки такая же, как и для зданий с диафрагмами, построенных обычным способом.
Другими факторами, способствующими плохому сейсмическому проектированию, являются отсутствие лицензирования в Турции и сильная зависимость от комплексного программного обеспечения для расчета и проектирования конструкции. Кроме того, в Турции по-прежнему проблематично соблюдение строительных норм и правил. Несмотря на то, что закон о строительной инспекции действует уже 20 лет, прочные связи между подрядчиками и правительством, а также возможная коррупция среди инспекционных фирм и местных властей, по-видимому, все еще существуют. В 2018 году правительство объявило строительную амнистию для регистрации незаконных построек, в большинстве из которых не были соблюдены строительные нормы. В наиболее пострадавших городах по состоянию на 2021 год этой амнистией подверглись более 300 000 зданий.
Наблюдения с места событий
В течение полутора недель в конце марта и начале апреля исследовательская группа наблюдала за зданиями в пострадавшем от землетрясения регионе. Среди них были Адыяман, Антакья, Газиантеп, Хасса, Ислахие, Кахраманмараш, Кырыхан, Малатья, Нурдагы и Туркоглу (рис. 4). Здания выбирались на основе доступности и варьировались от функционально до сильно поврежденных. Команда не исследовала множество обрушений, особенно в связи с уже начавшейся очисткой завалов. Почти все здания были с железобетонным каркасом, как описано выше, хотя иногда с деревянными или стальными крышами. Подавляющее большинство обследованных зданий были построены после 2008 года.
Типы конструктивных повреждений включали следующие:
- Деформация и/или излом вертикальных стержней колонн и диафрагм жесткости, особенно в местах плохого исполнения (загибы концов хомутов под углом 90 градусов) или недостаточности поперечного армирования (большие расстояния, либо из-за ненадлежащего проектирования, либо из-за нарушений при строительстве) (Рисунок 5). В частности, во многих местах наблюдалось недостаточное поперечное армирование в районе соединения с фундаментом, что приводило к деформации стержней в районе фундамента.
- Деформация и/или излом горизонтальных стержней балок (ригелей) несущего каркаса, особенно сразу за стыками внахлест или в местах окончания стержней (Рисунок 6). Это повреждение также наблюдалось в местах примыкания ригелей к диафрагмам в направлении наибольшей пространственной жесткости.
- Повреждения под действием сил сдвига в колоннах каркаса или в диафрагмах жесткости, особенно из-за недостаточной или не закрепленной/зафиксированной должным образом поперечной арматуры (Рисунок 7).
- Повреждения под действием сил сдвига в ригелях каркаса и в местах сопряжения ригелей с колонной (Рисунок 8).
- Разрывы поперечной арматуры в колоннах или диафрагмах жесткости (Рисунок 9).
- Остаточные деформации, обычно возникающие в зданиях со слабыми этажами (этажи, имеющие меньшую пространственную жесткость по сравнению с остальными — примечание переводчика) (Рисунок 10).
- Повреждения вследствие ударов смежных секции зданий (рис. 11).
Состояние зданий, построенных по технологии туннельной опалубки после землетрясения в Кахраманмараше были различными. Здания, построенные данным методом в некоторых районах, таких как Караджасу (шесть этажей) и Антакья (восемь этажей), остались без повреждений и были заселены, либо их жители планировали вновь заселиться. Тем не менее, в Кахраманмараше одно 15-этажное здание, построенное по данной технологии, обрушилось, и несколько почти идентичных зданий, также построенных по данной технологии, в этом районе были серьезно повреждены, но выстояли. Повреждения диафрагм жесткости и потеря устойчивости продольной арматуры также имели место в зданиях, построенных по туннельной технологии.
Некоторые повреждения были напрямую связаны с нарушениями при строительстве. Плохое уплотнение бетона наблюдалось чаще, чем в зданиях, построенных в аналогичный период в США, и приводило к разрушениям или повреждениям диафрагм жесткости вследствие деформации продольной арматуры (Рисунок 12). Было замечено, что хомуты колонн были смещены и сгруппированы в одной области, что приводило к деформации продольных стержней над/под областью скопления вследствие больших расстояний между хомутами. Также наблюдались загибы концов хомутов под углом 90 градусов вместо 135-ти градусов, предписанных кодексом. В нескольких случаях инженерные коммуникации были проложены сквозь относительно короткие в плане диафрагмы жесткости, что приводило к разрушению диафрагм из-за имеющихся отверстий.
Среди монолитных зданий, построенных после 2000 года, которые обследовали авторы, редко наблюдались здания с эффектом короткой колонны.
Также были обследованы ненесущие конструкции, как получившие, так и не получившие повреждения. В первую очередь следует обратить внимание на повреждения заполнения каркаса из неармированной каменной кладки (рис. 13). Повреждения не только представляли серьезную угрозу безопасности, но и было серьезным препятствием для повторного заселения. Лестницы были еще одним важным элементом, получившим повреждения. Подавляющее большинство лестниц были из монолитного бетона и имели деформации и/или разрывы продольной арматуры, а также отслаивание бетона в местах соединения с перекрытиями. Повреждения лестниц также вызывают беспокойство, поскольку они являются основным, если не единственным, путем выхода для жильцов здания. Многие из них оказались небезопасными. Также были обнаружены повреждения резервуаров для воды, подвесных потолков, свесов и козырьков, а также глиняной черепицы. Очень мало или совсем не наблюдались повреждения резервуаров топлива, генераторов и инженерного оборудования, расположенного на уровне земли.
Заключение
Хотя серия землетрясений в Караманмараше не могла быть предсказана, разрушения и потери людских жизней, к сожалению, были не совсем непредсказуемыми. Исследования сейсмической опасности указывали на «сейсмический разрыв» в землетрясениях большой магнитуды вдоль системы разломов, которая в конечном итоге вылился в последовательность землетрясений в Кахраманмараше. Ранее уже выявлялись проблемы в проектировании, строительстве, контроле и соблюдении норм в Турции. Все это вместе повлияло на сейсмическое поведение в основном железобетонных зданий в регионе.
Автор: Эгемен Сонмез (Egemen Sönmez), Ph.D, доцент кафедры гражданского строительства Измирского экономического университета, Турция.
Источник: https://www.structuremag.org>
Перевод Smeta-kz.com