В этой монографии опубликована наша статья:
Уломов В.И., Севостьянов В.В., Миндель И.Г., Трифонов Б.А. Оценка
сейсмической опасности для высотных зданий в г. Москве // Современное
высотное строительство. Монография (464 с.). М.: ГУП "ИТЦ
Москомархитектуры", 2007. С. 94-100 (см.
здесь
pdf). 21-22 ноября 2007 г. в Москомархитектуры состоялась Юбилейная 5-я Международная конференция, на которой мною был сделан доклад "Низкочастотные сейсмические воздействия на высотные здания в г. Москве от далёких очагов сильных землетрясений" (см. здесь pdf).
В 1991-1997 гг. при создании карт общего сейсмического районирования Российской Федерации (ОСР-97) нами для каждой площадки размером 25 км на 25 км рассчитывался прогнозируемый сейсмический эффект не только от близких, но и от удаленных очагов землетрясений Такие расчеты, естественно, были выполнены и для Восточно-Европейской платформы (ВЕП), в центре которой расположена Москва. Особое внимание уделялось крупным землетрясениям с заглубленными очагами в Восточных Карпатах (зона Вранча, Румыния), неоднократно ощущавшихся на территории ВЕП и в г. Москве.В 2002-2003 гг. в связи с начавшимся в г. Москве высотным строительством наши исследования были возобновлены, а в 2007-2008 гг. продолжены с целью подготовки нормативных документов. Ожидалось, что продолжительные низкочастотные колебания, даже едва различимые на земной поверхности, а также резонансные явления в грунте и зданиях, могут существенно повлиять на реакцию высоких строительных объектов.Следует заметить, что до наших работ 2007-2008 гг. все оценки сейсмических воздействий на строительные объекты на территории европейской части страны базировались на некорректном использовании акселерограммы Вранчского землетрясения 4 марта 1977 г., полученной сейсмической станцией «NIS» (Сербия), расположенной в 484 км к юго-западу от эпицентра. Эта оригинальная цифровая акселерограмма, неправомерно экстраполированная российскими гидротехниками до расстояний около 1400 км, впоследствии стала использоваться при расчете на сейсмические воздействия даже таких чрезвычайно ответственных сооружений, какими являются атомные станции. По недоразумению, в таком же искаженном виде акселерограмма вошла и в первый нормативный документ для высотного строительства в г. Москве [2006 г.].(более детальные сведения о сказанном можно получитьздесь pdf)Восточно-Европейская равнина, в центре которой расположена Москва, характеризуется относительно слабой сейсмичностью и очень редко возникающими здесь местными землетрясениями с интенсивностью в эпицентре до 6-7 баллов. Такие явления известны, например, в районе городов Альметьевск (землетрясения в 1914 и 1986 гг.), Елабуга (1851 г., 1989 г.), Вятка (1897 г.), Сыктывкар (1939 г.), Верхний Устюг (1829 г.). Аналогичные по силе землетрясения возникают на Среднем Урале, в Предуралье, Приазовье, Поволжье, в районе Воронежского массива. На Кольском полуострове и сопредельной с ним территории отмечены и более крупные сейсмические события (Белое море, Кандалакша, 1626 г., 8 баллов). Наряду с этими сейсмическими явлениями на территории европейской части нашей страны ощущаются также колебания от сильных землетрясений, происходящих в сопредельных зарубежных регионах (Восточные Карпаты, Крым, Кавказ, Центральная Азия). На северо-западе ощущаются землетрясения Скандинавии (Норвегия, 1817 г.), на юге – сильные землетрясения Прикаспийского бассейна (Туркменистан, 1895, 2000 г.), Кавказа (Спитак, Армения, 1988 г.), Крыма (Ялта, 1927 г.). См. рис. 1 и 2.
Рис. 1. Фрагмент карты Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации - ОСР-97С, характеризующей максимально возможный сейсмический эффект и предназначенной для оценки сейсмической опасности при строительстве особо ответственных сооружений, в том числе высотных зданий. На фоне рельефа земной поверхности разной штриховкой показаны зоны сейсмической интенсивности (в данном случае, видны только 6- и 7-балльные) и красным цветом - местоположение тектонических разломов разного возраста. Тонкими серыми линиями оконтурены административные области.
Рис. 2. Схема изосейст от сильнейших удаленных землетрясений, ощущавшихся в Москве. Цифрами помечена интенсивность (баллы) в зонах, в которых ощущались такие сотрясения. Остальные пояснения на этой карте. Среди других удаленных сейсмических очагов в Москве ощущаются 2-3-балльные колебания почвы от сильных землетрясений, происходящих в западной части Центральной Азии, на Северном Кавказе и в Крыму. Из недавних таких событий, ощущавшихся на верхних этажах зданий в Москве, было 9-балльное землетрясение 6 декабря 2000 г. на западе Туркменистана. На обширной площади, в том числе в Москве и Санкт-Петербурге, неоднократно наблюдались сейсмические колебания интенсивностью до 3-4 баллов от заглубленных очагов крупных землетрясений, происходящих в Восточных Карпатах (район Вранча, Румыния, рис. 3). Нередко сейсмическая опасность усугубляется техногенным воздействием на литосферную оболочку Земли (добыча нефти, газа и других полезных ископаемых, инъекция флюидов в разломы и т.п.). Такие, «индуцированные», землетрясения регистрируются в Татарстане, Пермской области и в других регионах страны. Слабые землетрясения (5 баллов и менее) возможны практически повсеместно.
Рис. 3. Фрагмент карты глобальной сейсмической опасности, созданной при участии многих стран мира, в том числе и России, и опубликованной в 1999 г. под эгидой ООН в США. Сейсмический эффект на этой карте представлен в виде ускорений колебаний грунта, который с вероятностью 90% не должен быть превышен в течение 50 лет (иными словами, повторяемость такого эффекта в среднем составляет один раз за 500 лет). Здесь самый светлый цвет соответствует 5 и менее баллам, голубой цвет - 5-6 баллам, зеленый - 6-7, желтый - 7, розовый - 8, красный - 9 и коричневый - 9-10 баллам. Пунктирной стрелкой показан путь сейсмических волн от эпицентральной зоны Вранча до Москвы.
Наиболее близкие к Москве очаги слабых тектонических землетрясений находились в районах Рязани и Твери. Из относительно недавних таких сейсмических явлений было 4-5-балльное землетрясение с магнитудой М=3.5, случившееся 18 января 2000 г. в Кировской области. Ближайшая к Москве 6-балльная зона удалена от центра города на расстояние около 120 км и частично захватывает восточную часть Московской области. По всем имеющимся сейсмологическим данным, Москва относится к сейсмически безопасным районом. За письменный период истории Руси с Х века по настоящее время ни в летописях, ни в литературных источниках, в Москве не было отмечено ни одного достаточно сильного местного землетрясения. Не было зарегистрировано ни одного сколько-нибудь заметного местного подземного толчка за все 70 лет практически непрерывных наблюдений Сейсмической станицей "Москва" (ЦСС "Москва"), расположенной в Пыжевском переулке (см. рис. слева).
В низкой чувствительности сейсмографов этой станции сомневаться не приходится, т.к. на ее сейсмограммах имеются даже записи сотрясений от трагических террористических взрывов, разрушивших в сентябре 1999 года жилые дома на юге Москвы (см. ниже). В настоящее время для официальной оценки сейсмической опасности на территории Российской Федерации служит Комплект карт общего сейсмического районирования - ОСР-97, созданный в 1991-1997 гг. в Институте физики Земли РАН под руководством автора этих строк (см. раздел "Районирование" и рис. 1). Комплект состоит из трех карт - ОСР-97-А, ОСР-97-В и ОСР-97-С, отражающих 90%- (карта А), 95%- (В) и 99%-ную (С) вероятность не превышения (или 10%, 5% и 1% возможного превышения) в течение 50 лет расчетной сейсмической интенсивности, указанной на картах. В соответствии с ОСР-97, район Москвы расположен в зоне возможных 5-балльных сейсмических воздействий, отнесенных к средним грунтам по классификации действующих строительных норм и правил - СНиП II-7-81* "Строительство в сейсмических районах". Некоторое приращение балльности возможно на более слабых (рыхлых) и обводненных грунтах. Вместе с тем, как уже сказано, до Москвы нередко доходят ощутимые сейсмические волны от очагов крупных землетрясений в Восточных Карпатах (район Вранча, Румыния), расположенных на глубине 150-200 км от земной поверхности и удаленных от Москвы на расстояние около 1400 км (см. рис. 3). По историческим сведениям, самое "древнее" из известных таких землетрясений ощущалось во "Владимирской земле" в 1230 году с интенсивностью до 5 баллов. Предполагается также, что самым близким к Москве было якобы "подмосковное" землетрясение 1446 г. такой же интенсивности. По другим же источникам, его так же относят к Карпатскому очагу. Не менее сильным было и Карпатское землетрясение 1802 г. Относительно недавними сейсмическими событиями такого рода, во время которых сотрясения в Москве достигали интенсивности 3–4 баллов, были Карпатские землетрясения 1940, 1977, 1986 и 1990 г. В последнем случае ощущались два толчка - 30 и 31 мая 1990 г. На 14-18 этажах современных высоких зданий башенного типа интенсивность колебаний, возможно, достигала и 5-6 баллов. Это вполне естественно, поскольку с увеличением высоты здания колебания всегда усиливаются за счет его раскачивания. Особенно часто это наблюдается при низкочастотных (плавных) сейсмических колебаниях от удаленных очагов сильных землетрясений (высокие частоты быстро затухают с расстоянием). Например, при относительно плавных сейсмических колебаниях в юго-западном районе Москвы при Карпатском землетрясении 1977 г. в железобетонном здании башенного типа на 24 этаже даже наблюдались заметные повреждения в виде небольших трещин на стыке стен и потолков. Сообщалось также, что шпиль Московского университета на Воробьевых горах раскачивался с амплитудой якобы до двух метров. Вместе с тем, нужно заметить, что такие и даже более интенсивные (до 7 баллов) сейсмические воздействия на здания соизмеримы с ветровыми нагрузками, которые учитываются при проектировании и строительстве таких сооружений.
Рис.4. Сейсмограммы Центральной сейсмической станцией "Москва", полученные во время землетрясения в зоне Вранча на территории Румынии 4 марта 1977 г.
По приведенным на рис. 4 сейсмограммам Центральной сейсмической станции "Москва" видно, как перемещалась, с какой скоростью и ускорением, земная поверхность в Москве во время землетрясения в зоне Вранча в 1977 г. Первыми, как всегда, достигают пункта наблюдения продольные волны Р, распространяющиеся с большей скоростью, по сравнению с поперечными волнами S. Более интенсивными являются поперечные волны, поскольку они обусловлены преобладанием сдвиговых подвижек пород в сейсмических очагах. Как видно, даже на вертикальной составляющей трехкомпонентных записей ЦСС "Москва", они явно преобладают по амплитуде. Раскачивая в горизонтальном направлении оснований зданий и сооружений, интенсивные поперечные волны (и, прежде всего, вызываемые ими ускорения колебаний грунта) являются самыми опасными для строительных объектов. Поскольку тот и другой тип волн рождается в сейсмическом очаге одновременно, то по времени запаздывания прихода поперечных волн по отношению к продольным (tS-tP), зная скорости тех и других, по специальным годографам легко определить расстояние от пункта наблюдений до эпицентра этого сейсмического события. Направление на источник определяется по продольным волнам. Зная азимут прихода продольных волн и эпицентральное расстояние, а также амплитуду и частоту колебаний, оперативно вычисляются координаты эпицентра землетрясения и его магнитуда. Затем результаты обработки могут быть уточнены по данным, полученным с сети других сейсмических станций .
Рис. 5. Так замысловато будет сотрясаться в горизонтальной плоскости территория Москвы во время максимального возможного землетрясения в зоне Вранча с магнитудой М=8.0. Клубок из непрерывной линии - это изменение ускорений перемещения грунта. (подробнее - здесь pdf) Долгосрочный прогноз сейсмических сотрясений в Москве Район Вранча в Восточных Карпатах является одним из наиболее активных в сейсмическом отношении в Европе (см. рис. 3). Сильные землетрясения, возникающие здесь, сопровождаются разрушениями не только на румынской территории, но и в соседних европейских странах. Наиболее крупные из них с магнитудой M более 7.0, случившиеся в 1908, 1940, 1977 и 1986 гг., повлекли за собой многочисленные жертвы и причинили серьезный ущерб строительным объектам в Румынии. Так, только при землетрясении 1977 г. в этой стране погибло 1560 человек и свыше 11 тысяч получили ранения, в Бухаресте практически полностью разрушились 32 высотных здания. Большие разрушения испытали и два других румынских города, удаленных более чем на 200 км от эпицентральной области. Карпатский очаг, как и многие сейсмоактивные регионы мира, характеризуется относительно стабильным сейсмическим режимом, т.е. землетрясения в заданных интервалах магнитуд возникают здесь достаточно ритмично. Это позволяет осуществлять их долгосрочный прогноз и определять интервалы времени (годы), в пределах которых обязательно должны произойти такие (ранжированные по магнитудам) землетрясения. Последовательность возникновения крупных землетрясений (с магнитудами М=7.5 и М=7.0) в Восточных Карпатах и их ориентировочный долгосрочный прогноз до 2300 г. иллюстрирует рис. 6. Как видно, максимальный сейсмический эффект, который может возникнуть в Москве в результате самого крупного Карпатского землетрясения, не должен превысить 5 баллов. Но и это может случиться не очень-то скоро.
Рис. 6. Последовательности возникновения Карпатских землетрясений (кружки) с магнитудами М=7.5 (точнее, от 7.3 до 7.7) и М=7.0 (т.е. от 6.8 до 7.2) и долгосрочный прогноз таких землетрясений (серые кружки), вызывающих сейсмические сотрясения интенсивностью от 3-4 до 5 баллов на территории Москвы. Согласно расчетам, очередное землетрясение с М=7.5 должно произойти в Карпатах приблизительно в промежутке между 2158 г. и 2288 г., а с М=7.0 - в интервале 2006-2036 гг.
Рис. 7. В Геофизической службе РАН (Обнинск) накоплен большой цифровой сейсмографический материал по слабым Карпатским землетрясениям, в том числе и на территории Москвы, на основе которого можно исследовать особенности сотрясений грунта в Москве и изучать их спектральный состав, знание которого необходимо для московских проектировщиков и строителей. Здесь PZ, PE, SZ, SE - спектры продольных (P) и поперечных (S) сейсмических волн по вертикальной (Z) и горизонтальной (E) составляющим, соответственно. В прямоугольных рамках разным цветом указаны год, месяц и дата землетрясений, для которых построены эти спектры. В таблицах приведены подробные сведения о времени возникновения землетрясений в Карпатах, координатах их эпицентров, глубине очагов и магнитуде.
Так реагируют короткопериодный (желтый) и длиннопериодный (красный) маятники сейсмометров на колебания их основания (зелёный цвет). Если мысленно перевернуть картинку, то можно представить себе реакцию малоэтажных и высотных зданий на низкочастотные колебания грунта. При таких смещениях грунта высотные здания подвергаются сейсмическим воздействиям более значительно, чем невысокие строения.
Страшны ли "небоскребы" в Москве? Возвращаясь к сейсмической ситуации в Москве в связи со строительством здесь высотных зданий, для сравнения, можно было бы привести еще один фрагмент той же карты глобальной сейсмической опасности, но теперь для территории США (см. раздел GSH Map). Не только Нью-Йорк с его знаменитыми, многочисленными и высочайшими небоскребами, но и другие крупнейшие американские города, в сейсмическом отношении находятся во сто крат в менее благоприятной обстановке, по сравнению с Москвой. Особенно в Калифорнии. "Не землетрясения убивают людей, а здания", справедливо заявили в своей книге "Зыбкая твердь" (М.: "Мир", 1988) известные американские инженеры-сейсмологи Дж. Гир и Х.Шах. Иными словами, нужно качественно и грамотно строить, сообразуясь с потенциальной сейсмической опасностью, и тогда землетрясения не будут страшны. Одновременно, следует признать, что сейсмическая уязвимость Москвы действительно может возрасти, но не только из-за уплотнения и просадки грунта, вызванных интенсивной застройкой города и повышением этажности строительства, но и в связи с тем, что из-за разрастания сети искусственных подземных полостей, а также широкого использования участков с насыпными грунтами, породы чрезмерно насыщаются водой и другими флюидами. И это может усилить сейсмический эффект на целый балл и более от тех же удаленных очагов Карпатских землетрясений. Усиление сейсмического эффекта происходит также в результате очень большой длительности (сотни секунд) низкочастотных сейсмических колебаний на территории г. Москвы от удаленных и заглубленных очагов Вранчских землетрясений в Восточных Карпатах. Что же касается сейсмически активных тектонических разломов под Москвой и опасности возникновения под городом сильных местных землетрясений, о которых нередко заявляют некоторые геофизики и геологи, то для таких утверждений пока нет никаких сейсмологических оснований. Древнейшая Восточно-Европейская платформа остается такой же устойчивой, какой и была десятки и сотни миллионов лет тому назад. Хотя, как известно, трудно отыскать на земном шаре участки, где не было бы вообще никаких разломов. Однако большинство из них давно "отжили" период своей активности и на протяжении миллионов лет крепко-накрепко "залечены", и никаких землетрясений на них не возникает.
Литература Уломов В.И. Хроника сейсмичности Земли. Отзвуки дальних землетрясений в Москве // Земля и Вселенная. 2006. № 3. С. 102-106. Уломов В. Москва и землетрясения есть вещи несовместные? // City "МИР и DOM". Сент. 2005 г. С. 109–113. (pdf 2009 Кбайт) Оценка возможных сейсмических воздействий на территории г. Москвы в соответствии с Общим сейсмическим районированием территории Российской Федерации - ОСР-97. Отчет ИФЗ РАН, 2004 г. 30 стр. Полный текст Отчета можно скачать (pdf 4173 Кбайт)
Из истории: Евгений Федорович Саваренский - заведующий сейсмической станцией "Москва". 1946 г.
Эта работа была выполнена в 2003 г. по заказу НИЦ "Тоннели и метрополитены" и Институтом физики Земли Российской академии наук (ИФЗ РАН). Поводом для постановки сейсмометрических наблюдений явились жалобы местных жителей на сильные сотрясения, а также видимые повреждения в стенах отдельных жилых и общественных зданий, расположенных в непосредственной близости от участка строительства тоннельно-эстакадного варианта третьего транспортного кольца в районе Лефортово. Объектом сейсмометрического мониторинга было 6-этажное кирпичное здание дома №31/35 по ул. Фридриха Энгельса, построенное в 30-х годах прошедшего столетия и наиболее подверженное процессу трещинообразования в его конструкциях. Априори предполагалось, что наряду с естественной просадкой этого здания, вызванного недавней надстройкой четырьмя этажами его восточного крыла, определенное влияние на накопление деформаций в стенах здания будут оказывать техногенные сейсмические воздействия, создаваемые работой механизмов в рядом расположенном котловане. Как известно, при динамических воздействиях такие конструкции уязвимы сильнее, чем не имеющие трещин. Ранее достаточно полное обследование городской застройки вблизи строящихся тоннелей было выполнено НИИ ОСП и НИЦ ТМ ЦНИИС. При этом были обнаружены многочисленные трещины в стенах целого ряда зданий. Основная причина появления большинства трещин была объяснена дополнительными напряжениями от неравномерной осадки фундаментов. В старых постройках трещины в стенах особенно часто появлялись в углах зданий, в карнизах и в кирпичной кладке стен над оконными проёмами. По материалам разведочного бурения на участках строительства Лефортовских тоннелей, Метрогипротрансом составлены инженерно-геологические разрезы вдоль их осей. Целью работы ИФЗ являлось исследование характера и интенсивности техногенных сейсмических воздействий строительных механизмов на ближайшую к котловану и значительно поврежденную трещинами часть здания дома № 31/35 по ул. Фридриха Энгельса (см. фотоснимки). Поставленные задачи были реализованы путем круглосуточного (в течение более одного месяца) сейсмического мониторинга подвального и чердачного помещений указанной части здания двумя трехкомпонентными комплектами современной высокочувствительной цифровой сейсмометрической аппаратуры. Интерпретация полученных сейсмограмм включала в себя профессиональную обработку огромного числа трехкомпонентных записей сейсмических колебаний разного рода (естественный городской фон, импульсные воздействия механизмов в котловане и др.), анализ их спектрального состава и других физических параметров (амплитуды смещения, скорости, ускорения и др.). Для наиболее интенсивных и информативных колебаний составлен каталог, включающий указание времени (дата, час, минута, секунды) их возникновения, величины амплитуд, частоты колебаний и других параметров, характеризующих колебательные (вибрационные) процессы в исследуемом здании. Эта обширная информация, записанная на компакт-дисках, включена в Приложение к Отчету и может быть полезна для последующего практического использования в строительной практике. Весь объем экспериментальных сейсмометрических наблюдений, цифровая обработка и анализ зарегистрированных данных выполнен сотрудниками Лаборатории континентальной сейсмичности, Лаборатории сильных землетрясений и Лабораторией сейсмометрии Института физики Земли: Уломов В.И. (Общее руководство работой. Написание разделов - Введение, разделы 1, 2, подраздел 5.1, Заключение); Арефьев С.С., Быкова В.В. (Анализ сейсмографического материала, написание подраздела 5.2), Марченков А.Ю. (Обеспечение инструментальных наблюдений; обработка первичных данных, написание подраздела 4.2, приложение 1) Уломов И.В. (Обработка и интерпретация сейсмометрических данных, написание раздела 3, подразделов 4.1, 5.3, Приложение 2, все фото, оформление отчета, запись на компакт-диск).
Расположение исследуемого здания в Москве.
Вид со стороны котлована строящейся магистрали 3-го транспортного кольца. Светлое 6-этажное здание в центре фотоснимка - изучаемый объект.
Так выглядят сейсмометры конструкции Лаборатории сейсмометрии ИФЗ, установленные в подвальных и чердачных помещениях этого 6-этажного здания (я тихонько подошел, чтобы убедиться в чувствительности аппаратуры).
Примеры записей сотрясений. Полный текст Отчета, сейсмограммы и другие материалы можно скачать здесь (8250 Кбайт). Имеется прекрасная коллекция фотоснимков повреждений зданий от просадки грунта под ними. Позже эти фото, выполненные Игорем Уломовым, будут также выставлены на этом сайте.
Рис. 1. Расположение на территории Москвы сейсмических станций, предназначенных для изучения глубинного строения и возможной местной сейсмичности. Кроме двух стационарных станций, принадлежащих Геофизической службе РАН (станция ЦСС) и Институту физики Земли РАН (ИФЗ), остальные были установлены Опытным конструкторским Бюро РАН с целью отладки аппаратуры.
Рис. 2. Так выглядят трехкомпонентные (вертикальная и две горизонтальные составляющие) записи величин скоростей сейсмических сотрясений, вызванных террористическими взрывами в Москве в 1999 г. и зарегистрированных высокочувствительной аппаратурой, действующей на территории Института физики Земли РАН (данные Игоря Уломова, Лаборатория сейсмометрии ИФЗ, ул. Большая Грузинская, 10).
|
заместитель
директора по информации Центра новых строительных технологий, материалов и
оборудования
Москомархитектуры, специалист Центра по связи с общественностью. Её
должностные обязанности - разработка и организация PR-стратегии; обеспечение
информационного взаимодействия Центра с профессиональными, московскими и
центральными СМИ; курирование вопросов изготовления полиграфической
продукции, выпускаемой Центром и с участием Центра; информационное
обеспечение профессиональных мероприятий; организация презентаций,
конференций и т.п.; подготовка статей и других информационных материалов.
О
сейсмических проявлениях в Москве 
