Приложение А (справочное). Дополнительная информация и рекомендации

Приложение А
(справочное)

Дополнительная информация и рекомендации

А.1 Сейсмические опасности

При выборе места расположения площадки установки сооружения необходимо учитывать геологически обусловленные опасности, вызванные возможными землетрясениями.

Разжижение грунта может иметь место вследствие периодических циклических движений насыщенных, рыхлых несвязных грунтов. Вероятность разжижения грунта уменьшается по мере увеличения плотности грунта. Сооружения с фундаментами как гравитационного так и свайного типа, расположенные на разжижающихся грунтах данного типа, во время сильного землетрясения могут терять свою несущую способность вследствие снижения прочностных характеристик грунта.

Землетрясения могут вызывать разрушения склонов морского дна, которые при нормальном волновом режиме и собственном весе стабильны, что влечет за собой сползание морского дна. Объем исследований участков в потенциально нестабильных зонах должен делать акцент на метастабильные геологические объекты, окружающие данный участок, и определение механических свойств грунтов, необходимых для моделирования и оценки движения морского дна. Аналитические прогнозы движения почвы как функции глубины ниже уровня морского дна могут использоваться вместе с механическими свойствами грунтов для определения предполагаемого воздействия на элементы конструкций. Лучший способ предупреждения подобных опасностей - это расположение морских сооружений за пределами таких зон.

Сейсмическая активность может привести к сдвигу горных пород. По возможности необходимо избегать расположения сооружений вблизи плоскостей разлома, проходящих по морскому дну. Если в силу обстоятельств требуется расположение сооружений в непосредственной близости от потенциально активных объектов, необходима оценка магнитуды и временной шкалы на основе геологического исследования, которая будет использоваться при проектировании сооружения.

Цунами вызываются мощными (и часто отдаленными) землетрясениями и подземным сдвигом пород, а также значительными сползаниями морского дна в результате землетрясений. При больших глубинах моря данные волны имеют большую длину и малую высоту и не представляют большую угрозу для плавучих и стационарных морских нефтегазопромысловых сооружений. При достижении мелководья волна создает толчки по направлению со дна к поверхности, увеличиваясь в объеме, а затем разбиваясь на мелководье, что способствует большему размыванию суши. Наиболее серьезную опасность для морских сооружений, расположенных на мелководье, представляют вызываемые цунами притоки и оттоки воды в виде волн и течений. Данные волны могут оказывать значительное воздействие на сооружения, а течения могут привести к сильному вымыванию грунта.

В местах ранее существовавших разломов могут быть грязевые вулканы. Данные геологические объекты не являются прямым следствием землетрясений, скорее они используют зону разлома для выноса газа, воды и грязи на поверхность морского дна, таким образом, создавая вулканоподобные рельефы. Лучший способ предупреждения подобных опасностей - располагать морские сооружения вне указанных зон.

Ударные волны в толще воды, вызываемые землетрясениями и движением морского дна, могут оказывать влияние на плавучие сооружения. Ударные волны могут расходиться радиально вверх в толще воды, вызывая возможное импульсивное воздействие на плавучие или полупогружные плавучие сооружения и таким образом увеличивая давление на корпус и натяжные опоры и элементы якорных связей. Данное явление, скорее всего, возможно только как результат очень сильных землетрясений.

А.2 Принципы и методы проектирования с учетом сейсмических условий

А.2.1 Принципы проектирования

Требования двухуровневой проверки при проектировании с учетом сейсмических условий обусловлены высоким уровнем неопределенности в расчетах сейсмических воздействий, а также тем фактом, что проектирование с учетом сейсмического воздействия уровня МРЗ на основании только величины силовых воздействий без учета способности сооружения рассеивать энергию и выдерживать существенные неупругие деформации будет экономически неэффективно.

Сооружение, спроектированное с учетом ПЗ, имеет запас прочности против более значительных воздействий в силу потенциальных запасов прочности конструкции, учтенных в расчетных формулах, а также в виду его способности выдерживать значительные нелинейные деформации. Для того чтобы избежать повторяющихся этапов проектирования и убедиться, что проверка на воздействие МРЗ имеет приемлемый результат, коэффициент отношения спектрального ускорения МРЗ к спектральному ускорению ПЗ устанавливается таким образом, чтобы была высокая вероятность соответствия как техническим требованиям, предъявляемым при проектировании на воздействие МРЗ, так и требованиям, предъявляемым при проектировании на воздействие ПЗ. Методы проектирования, описываемые в настоящем стандарте, устанавливают соотношения между критериями проектирования на воздействия МРЗ и ПЗ.

А.2.2 Проектирование с учетом сейсмических условий

ГАРАНТ:

Нумерация пунктов приводится в соответствии с источником

А.2.2.2 Проектирование с учетом проектного землетрясения

Проектирование с учетом сейсмических воздействий осуществляется, главным образом, с учетом воздействия ПЗ. При этом размеры сечений конструктивных элементов определяются в соответствии с требованиями, установленными в соответствующих стандартах.

Методы проектирования с учетом воздействий ПЗ преследуют две цели:

- обеспечение способности сооружения противостоять сейсмическим воздействиям определенного уровня без разрушений или с минимальными повреждениями, не нарушающими нормальную эксплуатацию сооружения;

- проектирование с учетом воздействий уровня ПЗ должно выполняться таким образом, что сооружение будет иметь возможность воспринимать воздействия уровня МРЗ (см. 10.2) с минимальными конструктивными изменениями.

Первая цель направлена на обеспечение экономичности эксплуатации с той точки зрения, что она исключает необходимость проведения ремонтных работ после произошедшего землетрясения. Вторая цель направлена на обеспечение безопасности эксплуатации.

При проектировании с учетом сейсмических воздействий спектральные ускорения являются определяющим параметром. При этом метод проектирования с учетом воздействия ПЗ может быть уточнен на основании имеющихся записей спектров ускорений.

Записи землетрясения для анализа во временной области отбираются таким образом, чтобы они отражали опасности движения грунта при воздействии ПЗ на площадке. По результатам ВАСО (см. 9.2), основные сейсмические воздействия уровня ПЗ могут определяться, например, процедурой деагрегации, которая определяет влияние зон различных разломов и сейсмических воздействий на возможность превышения заданных спектральных ускорений. Определенные при этом наиболее существенные факторы будут представлять основные сейсмические воздействия уровня ПЗ.

На основании сведений о магнитуде и расстоянии до очага землетрясения при ПЗ запись землетрясения для анализа во временной области можно выбрать из имеющейся базы данных. Каждая запись землетрясения состоит из трех групп записей землетрясения в трех плоскостях, которые представляют два ортогональных горизонтальных компонента и один вертикальный компонент движения. При отборе записей землетрясения тектонические условия (например, тип разлома) и условий участка (например, прочность грунтов основания) имеющихся записей должны соотноситься с условиями площадки установки сооружения. Хотя записи будут соотноситься с целевой магнитудой и расстоянием, возможно, потребуется дальнейшее масштабирование записей для того, чтобы обеспечивалось соответствие уровню спектра откликов ПЗ. Одним из вариантов является простое масштабирование записей таким образом, чтобы средний спектр откликов от двух горизонтальных компонент соотносился с горизонтальным спектром отклика ПЗ при доминирующем модальном периоде колебаний сооружения.

А.2.2.3 Проектирование с учетом максимального расчетного землетрясения

Проектирование с учетом сейсмических воздействий осуществляется с целью предотвращения глобального разрушения сооружения или его частей, создающего угрозу безопасности людей и экологической опасности при сильном землетрясении высокой интенсивности. Цель безопасности определяется как верхняя граница годовой вероятности разрушения в результате сейсмического воздействия.

Для того чтобы проектирование с учетом воздействий уровня МРЗ соответствовало целям безопасности, метод проектирования и связанные с ним критерии учитывают неопределенность сейсмических воздействий и характер затухания сейсмических волн, нагрузочные эффекты и свойства конструкции сохранять прочность. Кроме того, учитываются систематические погрешности, связанные с сейсмотектоническим моделированием.

Выбор записи землетрясения для анализа во временной области при воздействии уровня МРЗ осуществляется в соответствии с методом проектирования на воздействие ПЗ, приведенном в приложении А.2.2.2.

А.2.3 Категория сейсмического риска

Для измерения воздействия на морские сооружения используется спектральное ускорение повторяемостью 1000 лет при периоде колебания 1,0 с. В таблице 1 представлены зоны сейсмичности площадки в зависимости от спектрального ускорения. В силу того, что спектральное ускорение является откликом осциллятора с одной степени свободы, оно более релевантно для определения сейсмического воздействия, чем другие параметры, такие как пиковое ускорение грунта или пиковая скорость грунта. Период 1,0 с используется в виду того, что во многих регионах спектральное ускорение повторяемостью 1000 лет при 1,0 с и значения пикового ускорения грунта за 1000 лет будут иметь сопоставимую магнитуду.

Период повторяемости МРЗ определяется косвенно, исходя из целевой вероятности разрушения и результатов ВАСО с учетом условий площадки установки сооружения. Период повторяемости ПЗ, в свою очередь, определяется на основании требований, предъявляемых к сооружению в части возможности выдерживать значительные деформации, вызванные МРЗ.

Проектирование с учетом сейсмических воздействий начинается с определения значений целевой годовой вероятности разрушения P_f. Данный подход отличается от расчета по коэффициентам нагрузок и сопротивления, где целевая годовая вероятность разрушения применяется на уровне элементов конструкций. Упрощенный и детализированный методы проектирования основаны на том, что проектирование на воздействие МРЗ должно соответствовать целевой годовой вероятности разрушения конструкции. Рекомендуемые целевые годовые вероятности разрушения перечислены в таблице 2 и отражают имеющийся опыт в проектировании морских сооружений для сейсмически активных регионов.

А.3 Упрощенный метод проектирования с учетом сейсмических условий

Детальный метод проектирования с учетом сейсмических условий включает определенное количество этапов и связанных с этим проверок, призванных гарантировать достижение цели. Упрощенный метод разработан на основе детального метода с помощью моделирования с использованием диапазона входных параметров и надлежащего осреднения результатов. Основные этапы разработки упрощенного метода приведены ниже.

В упрощенном методе проектирование основывается на сейсмических картах, отображающих спектральные ускорения с периодом повторяемости один раз в 1000 лет, вместо проведения ВАСО. При определении спектральных ускорений уровня МРЗ по этим картам следует учитывать, что:

- спектральное ускорение изменяется при изменении периода повторяемости от одного раза в 1000 лет до периода повторяемости 1/P_f для соответствия целевой вероятности разрушения;

- поправочный коэффициент С_с, применимый к спектральному ускорению уровня МРЗ, соответствует периоду повторяемости в 1/P_f (см. раздел 8).

При разработке упрощенного метода проектирования вышеизложенное было смоделировано на основе использования с помощью целевых вероятностей разрушения (см. таблицу 2) и широкого диапазона значений наклона кривой сейсмической опасности. На основании этих результатов были вычислены средние масштабные коэффициенты N_ALE, приведенные в таблице 9. Таким образом, масштабные коэффициенты, приведенные в таблице 9, соответствуют целевым вероятностям разрушения, приведенным в таблице 2.

При разработке упрощенного метода проектирования период повторяемости ПЗ был смоделирован для целевых вероятностей разрушения, приведенных в таблице 2, диапазона значений наклона кривой сейсмической опасности и диапазона значений С_r. Полученные периоды повторяемости ПЗ проверялись на соответствие того, что они выше, чем минимальные периоды повторяемости, указанные в таблице 11. На основании этих результатов установлены максимальные допустимые значения С_r следующие:

- 2,8 - для сооружений с уровнем воздействия L 1;

- 2,4 - для сооружений с уровнем воздействия L 2;

- 2,0 - для сооружений с уровнем воздействия L 3.

А.4 Детальный метод проектирования с учетом сейсмических условий

А.4.1 Вероятностный анализ сейсмической опасности

ВАСО, как правило, проводят с помощью специального программного обеспечения со следующими входными параметрами:

- определение очагов землетрясения как разломов, так и распределенных очагов землетрясения, не приписываемых напрямую известному разлому. Для каждого очага землетрясения определяется максимальная магнитуда;

- для каждого очага землетрясения определяется годовая частота его возникновения в зависимости от магнитуды;

- определение затухания колебания грунта при землетрясении, включая распределение вероятности (обычно логарифмически нормальной), представляющей неопределенность спрогнозированного движения грунта на площадке установки сооружения. Соотношения для затухания разрабатываются на основании обработки имеющихся статистических данных движения грунта при землетрясениях, произошедших в сходных геологических и тектонических условиях.

При проведении ВАСО, вероятности, связанные со значениями движения грунта, вычисляются путем объединения вероятностей движения грунта из многих очагов. Следовательно, вероятности движения грунтов не связаны с конкретным разломом или сейсмическим событием. Несмотря на то, что применение ожидаемого движения грунта, вызванного сильнейшим землетрясением, произошедшим неподалеку, на ближайшем разломе представляется консервативным, эти значения могут оказаться значительно меньше значений движения грунта, определенных с помощью вероятностного метода. Это отчасти справедливо, если самое крупное землетрясение на ближайшем разломе связано с более коротким периодом повторяемости, чем то, что рассматривается в вероятностном методе, или если площадка подвержена сейсмическим воздействиям со стороны нескольких разломов, каждый из которых оказывает влияние на общую вероятность превышения. Противоположный результат возможен, когда период повторяемости крупнейшего землетрясения на ближайшем разломе гораздо выше, чем ожидаемый период повторяемости движения грунта.

Процедура ВАСО может применяться для определения как горизонтального, так и вертикального компонента движения грунта. Альтернативно значение вертикальной компоненты движения грунта может оцениваться на основе отношений, установленных для вертикального и горизонтального спектральных ускорений.

Отношение между средним периодом повторяемости (или величиной, обратной средней частоте повторения) и целевой годовой вероятности превышения определяется по формуле (8) или (А.1)

.

(А.1)

При значениях вероятности разрушения, которые учитываются при проектировании с учетом сейсмических условий, разница между результатами, получаемыми по формулам (8) и (А.1) пренебрежимо мала.

А.4.2 Детальный метод проектирования

Учитывая, что целевая годовая вероятность разрушения равна P_f, годовая вероятность воздействия уровня МРЗ должна быть ниже P_f и соответствующий период повторяемости МРЗ должен быть больше 1/P_f. Подобное увеличение периода повторяемости МРЗ необходимо для учета случайностей и неопределенностей сейсмических воздействий и характеристик сооружения; данные неопределенности не учтены на кривой сейсмической опасности и неизменно приводят к увеличению вероятности разрушения. Связанное с этим увеличение периода повторяемости МРЗ в основном зависит от двух факторов:

- относительной значимости данных дополнительных неопределенностей (выраженных логарифмическим стандартным отклонением );

- наклона кривой сейсмической опасности a_R при P_f.

В детальном методе проектирования, поправочный коэффициент применяется к среднему спектральному ускорению для периода Т = Т_dom с вероятностью превышения, равной P_f. В таблице А.1 представлены значения поправочного коэффициента С_с как функции и наклона кривой сейсмической опасности a_R. Значение равное 0,3, считается типичным для неопределенностей, не учтенных кривой сейсмической опасности, например неопределенности способности деформироваться в нелинейных системах. Данные значения поправочного коэффициента С_с являются основой округленных значений, представленных в таблице 10. Необходимо отметить, что неопределенности могут варьироваться для стальных стационарных сооружений ферменного типа, гравитационных сооружений и других типов МНГС. В случаях, когда расчет сейсмического воздействия и устойчивости сооружения является более неопределенным, необходимо применять более высокие значения поправочного коэффициента С_с. Альтернативные корректирующие факторы (например, усиливающееся ускорение или требуемое смещение) могут быть получены и применены к элементам конструкции с наибольшими неопределенностями.

Таблица А.1 - Поправочный коэффициент С_с для спектрального ускорения МРЗ

Значение	Поправочный коэффициент для aR
	1,75	2,0	2,5	3,0	3,5
0	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
0,2	1,08	1,07	1,05	1,04	1,04
0,3	1,20	1,16	1,12	1,10	1,09
0,4	1,35	1,28	1,20	1,18	1,16

Для расчета соответствующего спектрального ускорения МРЗ применяются поправочные коэффициенты спектрального ускорения, рекомендованные в таблице 10 или таблице А.1. Альтернативно возможно выполнить расчет поправочных коэффициентов, применимых наоборот, т.е. к годовой вероятности разрушения P_f вместо поправочных коэффициентов, применимых к спектральному ускорению. В таблице А.2 представлены рассчитанные поправочные коэффициенты P_f как функция наклона кривой сейсмической опасности для равной 0,3. Также в таблице А.2 приведены требуемые периоды повторяемости МРЗ для сооружений уровня воздействии L1, исходя из того, что целевая годовая вероятность разрушения составляет 1/2500.

Таблица А.2 - Поправочный коэффициент для Р_f

аR	Поправочный коэффициент для Рf	Период повторяемости МРЗ* Рf = 1/2500
1,75	2,12	5300
2,0	1,59	4000
2,5	1,33	3300
3,0	1,22	3100
3,5	1,19	3000
* Период повторяемости МРЗ для сооружения уровня воздействия L1 с целевой годовой вероятностью разрушения .

Как в упрощенной, так и в детальной методике проектирования на сейсмическое воздействие, период повторяемости ПЗ определяется таким образом, чтобы сохранялся баланс между проектированием с учетом воздействий уровня ПЗ и МРЗ. При наличии подобного баланса сооружение, спроектированное с учетом воздействия уровня ПЗ, имеет большую вероятность соответствия проектным требованиям МРЗ. Данный критерий способствует сокращению затратных циклов проектирования и удовлетворяет цели безопасности МРЗ.

Для определения воздействия, подпадающего под требования ПЗ, уменьшается соответствующее спектральное ускорение МРЗ посредством коэффициента сейсмического запаса С_r, который представляет собой имеющийся запас надежности при воздействиях, превышающих уровень ПЗ.

Предусматриваются следующие запасы надежности:

- явно выраженные коэффициенты запаса надежности в расчетных уравнениях, применяемых в проектировании элементов конструкций сооружений;

- косвенный запас надежности в проектировании элементов конструкций сооружений, например разница между номинальной и расчетной прочностью материала;

- запас на общую прочность и устойчивость сооружения;

- способность сооружения воспринимать значительные нелинейные деформации.

Так как сейсмический коэффициент запаса С_r должен быть определен до проектирования на сейсмические воздействия, указанный выше запас надежности должен быть рассчитан по известным данным о применяемых материалах, проектных критериях и архитектурно-конструктивному типу сооружения. Запас надежности стационарных стальных сооружений между уровнями МРЗ и ПЗ может находиться в пределах от 1,1 до 2,8. Меньшие значения С_r соответствуют сооружениям с минимальным запасом надежности и незначительной податливостью, в то время как большие значения соответствуют сооружениям с высокими показателями запаса надежности и податливости.

При проектировании сейсмического воздействия по детальному методу допускается принимать любые значения С_r при условии, что расчет на воздействие МРЗ удовлетворяет имеющимся критериям.

Завышенное значение коэффициента сейсмического запаса С_r может привести к значительным изменениям в результате проверки на соответствие требованиям МРЗ, что увеличивает затраты на проектирование ввиду необходимости выполнения повторных расчетов с меньшим значением С_r.

С другой стороны, заниженное значение С_r может привести к принятию консервативных проектных решений (более дорогие решения), что позволит легко пройти проверку на соответствие требованиям МРЗ.

Требования к назначению минимальных периодов повторяемости ПЗ, приведенные в таблице 11, должны обеспечивать выполнение экономических целей проектирования с учетом воздействий уровня ПЗ и недопущения разрушения сооружения в ходе часто возникающих сейсмических явлений (см. А.2.2.2). Минимальные требования, представленные в таблице 11, также косвенно направлены на удовлетворение целей безопасности при проектировании с учетом воздействий уровня МРЗ. Данные требования могут выступать как регулирующие в тех областях кривой сейсмической опасности, где она имеет небольшой наклон (см. рисунок 4).

А.4.3 Анализ отклика площадки

Спектры ускорений площадки могут определяться путем числового моделирования по алгоритмам эквивалентного линейного или нелинейного анализа с использованием моделей грунтов основания. Анализ отклика площадки включает в себя оценку распространения поперечных волн через определенные слои грунтового основания, скорость поперечных волн или модуля сдвига, плотности грунта и динамических характеристик грунта. Для проведения анализа требуется решение уравнения движения с использованием динамических свойств грунтов.