Пиковое ускорение грунта

Пиковое ускорение грунта (PGA, Peak ground acceleration) — мера интенсивности землетрясения, соответствующая амплитуде наибольшего абсолютного ускорения на акселерограмме[1]. PGA часто разделяют на горизонтальную и вертикальную составляющие. Горизонтальные PGA больше, чем в вертикальном направлении, но это не всегда так, особенно вблизи сильных землетрясений. Расчётное движение грунта при землетрясении (DBEGM)[2] часто определяется в терминах PGA. PGA измеряется с помощью акселерографов.

PGA является наиболее часто используемым типом ускорения грунта в инженерных приложениях. Он часто используется в сейсмостойком проектировании (включая сейсмические строительные нормы и правила) и обычно наносится на карты сейсмической опасности[3]. При землетрясении повреждение зданий и инфраструктуры более тесно связано с движением грунта, мерой которого является PGA, а не с магнитудой самого землетрясения. Для умеренных землетрясений PGA является достаточно хорошим определителем ущерба; при сильных землетрясениях повреждения чаще коррелируют с максимальной скоростью грунта[4].

Геофизика

Энергия землетрясения распространяется волнами от гипоцентра, вызывая движение грунта во всех направлениях, но обычно моделируется по горизонтали (в двух направлениях) и по вертикали. PGA регистрирует ускорение (скорость изменения скорости) этих движений, в то время как пиковая скорость грунта представляет собой наибольшую скорость (скорость движения), достигаемую землей, а пиковое перемещение представляет собой пройденное расстояние. [5] [6] Эти значения различаются при разных землетрясениях и в разных местах в пределах одного землетрясения в зависимости от ряда факторов. К ним относятся длина разлома, магнитуда, глубина землетрясения, расстояние от эпицентра, продолжительность (продолжительность цикла сотрясений) и геология земли (недра). Мелкофокусные землетрясения вызывают более сильное сотрясение (ускорение), чем промежуточные и глубокие землетрясения, поскольку энергия высвобождается ближе к поверхности. [7]

PGA может быть выражено в долях g (стандартное ускорение из-за силы тяжести Земли, эквивалентное перегрузке ) либо в виде десятичной дроби, либо в процентах; в м/с ^2 (1 g равно 9,81 м/с ^2 ); [5] или кратно Gal, где 1 Гал равен 0,01 м/с ^2 (1 g равно 981 Гал).

Тип грунта может значительно влиять на ускорение грунта, поэтому значения PGA могут демонстрировать крайнюю изменчивость на расстоянии в несколько километров, особенно при землетрясениях от умеренных до сильных. [8] Различные результаты PGA от землетрясения могут быть отображены на карте сотрясений . [9] Из-за сложных условий, влияющих на PGA, землетрясения одинаковой магнитуды могут давать несопоставимые результаты, при этом многие землетрясения средней магнитуды генерируют значительно большие значения PGA, чем землетрясения большей магнитуды.

Во время землетрясения ускорение грунта измеряется в трех направлениях: вертикальном (V или UD, для вверх-вниз) и двух перпендикулярных горизонтальных направлениях (H1 и H2), часто с севера на юг (NS) и с востока на запад (EW). Регистрируется пиковое ускорение в каждом из этих направлений, причем часто сообщается самое высокое индивидуальное значение. В качестве альтернативы можно отметить комбинированное значение для данной станции. Пиковое горизонтальное ускорение грунта (PHA или PHGA) можно получить, выбрав более высокую индивидуальную запись, взяв среднее значение двух значений или вычислив векторную сумму двух компонентов. Трехкомпонентное значение также может быть достигнуто за счет учета вертикальной составляющей.

В сейсморазведке часто используется эффективное пиковое ускорение (EPA, максимальное ускорение грунта, на которое реагирует здание), которое обычно составляет ⅔ – ¾ PGA.  .

Повреждение зданий связано как с пиковой скоростью грунта (PGV), так и с продолжительностью землетрясения: чем дольше сохраняется сотрясение высокого уровня, тем выше вероятность повреждения.

Сравнение инструментальной и ощущаемой интенсивности

Пиковое ускорение грунта обеспечивает измерение инструментальной интенсивности, то есть сотрясения грунта, регистрируемого сейсмическими приборами . Другие шкалы интенсивности измеряют интенсивность ощущений, основываясь на сообщениях очевидцев, ощущениях сотрясения и наблюдаемых повреждениях. Между этими шкалами существует корреляция, но не всегда абсолютное совпадение, поскольку на опыт и ущерб могут влиять многие другие факторы, в том числе качество сейсморазведки.

Вообще говоря,

• 0,001 г (0,01 м/с ^2 ) – воспринимаемый людьми
• 0,02  г (0,2  м/с ^2 ) – люди теряют равновесие
• 0,50  г (5  м/с ^2 ) – очень высокая; хорошо спроектированные здания могут выжить, если продолжительность невелика. [6]

Корреляция со шкалой Меркалли

Геологическая служба США разработала инструментальную шкалу интенсивности, которая отображает пиковое ускорение грунта и пиковую скорость грунта по шкале интенсивности, аналогичной войлочной шкале Меркалли . Эти значения используются сейсмологами всего мира для создания карт сотрясений. [10]

Инструментальный </br> Интенсивность	Ускорение в долях от g=9.81 m/c2	Скорость </br> (см/с)	Воспринимаемое дрожание	Потенциальный ущерб
I	< 0,000464	< 0,0215	Не чувствуется	Никто
II–III	0,000464 – 0,00297	0,135 – 1,41	Слабый	Никто
IV	0,00297 – 0,0276	1,41 – 4,65	Свет	Никто
В	0,0276 – 0,115	4,65 – 9,64	Умеренный	Очень легкий
VI	0,115 – 0,215	9,64 – 20	Сильный	Свет
VII	0,215 – 0,401	20 – 41,4	Очень сильный	Умеренный
VIII	0,401 – 0,747	41,4 – 85,8	Тяжелый	От умеренного до тяжелого
IX	0,747 – 1,39	85,8 – 178	Жестокий	Тяжелый
Х+	> 1,39	> 178	Экстрим	Очень тяжелый

Изменение максимального коэффициента ускорения в зависимости от глубины скользящей массы. Для z/H =0,75 a_max/a_z=0,43. amax,ave — максимальное среднее ускорение для скользящей массы, распространяющейся на глубину z.[11]

Известные землетрясения

PGA single direction (max recorded)	PGA vector sum (H1, H2, V) (max recorded)	Mag	Depth	Fatalities	Earthquake
3.23 g [12]		7.8	15 km	2	2016 Kaikoura earthquake
2.7 g [13]	2.99 g[14][15]	9.1[16]	30 km[17]	19,759[18]	2011 Tōhoku earthquake and tsunami
	4.36 g [19]	6.9/7.2	8 km	12	2008 Iwate–Miyagi Nairiku earthquake
1.92 g [20]		7.7	8 km	2,415	1999 Jiji earthquake
1.82 g [21]		6.7	18 km [22]	57	1994 Northridge earthquake
1.81 g[23]		9.5	33 km	1,000–6000	1960 Valdivia earthquake
1.61 g[24]		7.6	40.2 km	2	2012 Costa Rica earthquake
1.51 g [25][26]		6.2[27]	5 km	185	February 2011 Christchurch earthquake
	1.47 g [28]	7.1	42 km[17]	4	April 2011 Miyagi earthquake
1.46 g [29]		6.4	17.9 km	2	2022 Ferndale earthquake
1.26 g [30][31]		7.1	10 km	0	2010 Canterbury earthquake
1.25 g[32]		7.3	63.1 km	4	2022 Fukushima earthquake
1.25 g[33]		6.6	8.4 km	58–65	1971 Sylmar earthquake
1.04 g [34]		6.6	10 km	11	2007 Chūetsu offshore earthquake
1.0 g		6.0	8 km	0	December 2011 Christchurch earthquake
0.98 g [35]		7.0	21 km	119	2020 Aegean Sea earthquake
0.92 g[36]		7.6	16.2 km	2	2022 Michoacán earthquake
0.91 g		6.9	16 km	5,502–6,434	Great Hanshin earthquake
0.8 g [37]		7.2	12 km	222	2013 Bohol earthquake
0.78 g [38][39]		6.0	6 km	1	June 2011 Christchurch earthquake
0.75 g [40]		8.1	28.9 km	0	2021 Kermadec Islands earthquakes
0.68 g[41]		6.7	18.4 km	93	2022 Luding earthquake
0.65 g[42]		6.9	19 km	63	1989 Loma Prieta earthquake
0.65 g [43]		8.8	23 km[44]	525 [45]	2010 Chile earthquake
0.6 g [46]		6.0	10 km	143	1999 Athens earthquake
0.58 g[47]		6.4	10 km	2	2021 Hormozgan earthquake
0.51 g[48]		6.9	10 km	1	2022 Taitung earthquake
0.51 g [49]		6.4	16 km	612	2005 Zarand earthquake
0.5 g [50]		7.0	13 km	100,000–316,000[51]	2010 Haiti earthquake
0.47 g[52]		7.2	10 km	2,248	2021 Haiti earthquake
0.438 g [53]		7.7	44 km	28	1978 Miyagi earthquake (Sendai)
0.41 g[54]		6.5	11 km	2	2015 Lefkada earthquake
0.4 g [55]		5.7	8 km	0	2016 Christchurch earthquake
0.37 g [56]		5.1	1 km	9	2011 Lorca earthquake
0.34 g[57]		6.4	15 km	5,778	2006 Yogyakarta earthquake
0.18 g		9.2	25 km	131	1964 Alaska earthquake

Примечания

1. Douglas, J (1 апреля 2003). "Earthquake ground motion estimation using strong-motion records: a review of equations for the estimation of peak ground acceleration and response spectral ordinates" (PDF). Earth-Science Reviews. 61 (1–2): 43–104. Bibcode:2003ESRv...61...43D. doi:10.1016/S0012-8252(02)00112-5. Архивировано (PDF) 27 сентября 2020. Дата обращения: 19 января 2023.
2. Nuclear Power Plants and Earthquakes Архивная копия от 22 июля 2009 на Wayback Machine, accessed 8 April 2011.
3. European Facilities for Earthquake Hazard & Risk. The 2013 European Seismic Hazard Model (ESHM13)  (неопр.). EFEHR (2013). Дата обращения: 11 ноября 2015. Архивировано из оригинала 27 декабря 2015 года.
4. ShakeMap Scientific Background. Rapid Instrumental Intensity Maps  (неопр.). Earthquake Hazards Program. U. S. Geological Survey. Дата обращения: 22 марта 2011. Архивировано из оригинала 23 июня 2011 года.
5. Explanation of Parameters  (неопр.). Geologic Hazards Science Center. U.S. Geological Survey. Дата обращения: 22 марта 2011. Архивировано из оригинала 21 июля 2011 года.
6. Lorant, Gabor. Seismic Design Principles  (неопр.). Whole Building Design Guide. National Institute of Building Sciences (17 июня 2010). Дата обращения: 15 марта 2011. Архивировано 7 января 2008 года.
7. Magnitude 6.6 – Near the west coast of Honshu, Japan  (неопр.). Earthquake summary. USGS (16 июля 2001). Дата обращения: 15 марта 2011. Архивировано из оригинала 14 марта 2011 года.
8. ShakeMap scientific background. Peak acceleration maps  (неопр.). Earthquake Hazards Program. U. S. Geological Survey. Дата обращения: 22 марта 2011. Архивировано из оригинала 23 июня 2011 года.
9. ShakeMap Scientific Background  (неопр.). Earthquake Hazards Program. U. S. Geological Survey. Дата обращения: 22 марта 2011. Архивировано из оригинала 23 июня 2011 года.
10. ShakeMap Scientific Background. Rapid Instrumental Intensity Maps  (неопр.). Earthquake Hazards Program. U. S. Geological Survey. Дата обращения: 22 марта 2011. Архивировано 23 июня 2011 года.
11. Пример оценки сейсмостойкости земляной плотины по методу Макдиси и Сида (1978) Для однородной земляной плотины высотой 40 м, относительно землетрясения с Mw=7,5 и PGA=0,8g.
12. Goto, Hiroyuki (2019-02-04). "Extreme Accelerations During Earthquakes Caused by Elastic Flapping Effect". Scientific Reports. 9 (1): 1117. Bibcode:2019NatSR...9.1117G. doi:10.1038/s41598-018-37716-y. PMC 6361895. PMID 30718810.
13. Volkan Sevilgen; Erol Kalkan. March 11, 2011 M9.0 Tohoku, Japan Earthquake: Preliminary results  (неопр.). United States Geological Survey (17 марта 2011). Дата обращения: 22 марта 2011. Архивировано 24 марта 2011 года.
14. 平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震による強震動  (неопр.). Kyoshin Bosai. Дата обращения: 10 ноября 2021. Архивировано 28 мая 2023 года.
15. 2011 Off the Pacific Coast of Tohoku earthquake, Strong Ground Motion  (неопр.). National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention. Дата обращения: 18 марта 2011. Архивировано 24 марта 2011 года.
16. M 9.1 - 2011 Great Tohoku Earthquake, Japan - Origin  (неопр.). USGS. Дата обращения: 10 ноября 2021. Архивировано 9 мая 2023 года.
17. Archived copy of USGS Magnitude 7 and Greater Earthquakes in 2011  (неопр.). Дата обращения: 8 сентября 2017. Архивировано 13 апреля 2016 года.
18. 平成23年（2011年）東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）について（第162報）（令和4年3月8日）  (неопр.). 総務省消防庁災害対策本部. Дата обращения: 23 сентября 2022. Архивировано 27 августа 2022 года. Page 31 of the PDF file.
19. Masumi Yamada. Spatially Dense Velocity Structure Exploration in the Source Region of the Iwate-Miyagi Nairiku Earthquake  (неопр.). Seismological Research Letters v. 81; no. 4 597–604. Seismological Society of America (август 2010). Дата обращения: 21 марта 2011. Архивировано 1 января 2011 года.
20. M 7.7 - 21 km S of Puli, Taiwan  (неопр.). USGS. Дата обращения: 10 ноября 2021. Архивировано 20 сентября 2023 года.
21. Gazetas, G.; Ghahraman; Yegian, M.K.; Dakoulas, P.; Makris, N. The Northridge Earthquake of 1994: Ground Motions and Geotechnical Aspects  (неопр.). Third International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics 1384. Northeastern University College of Engineering (апрель 1995). Дата обращения: 7 апреля 2021. Архивировано 6 мая 2013 года.
22. M 6.7 - 1km NNW of Reseda, CA  (неопр.). USGS. Дата обращения: 10 ноября 2021. Архивировано 7 декабря 2022 года.
23. M 9.5 - 1960 Great Chilean Earthquake (Valdivia Earthquake)  (неопр.). USGS. Дата обращения: 10 ноября 2021. Архивировано 18 октября 2022 года.
24. Laboratorio de Ingeniería Sísmica  (неопр.). Lis.ucr.ac.cr. Дата обращения: 9 ноября 2012. Архивировано 4 ноября 2022 года.
25. Feb 22 2011 – Christchurch badly damaged by magnitude 6.3 earthquake  (неопр.). Geonet. GNS Science (23 февраля 2011). Дата обращения: 24 февраля 2011. Архивировано 4 марта 2011 года.
26. PGA intensity map  (неопр.). Geonet. GNS Science. Дата обращения: 24 февраля 2011. Архивировано 31 мая 2012 года.
27. New Zealand Earthquake Report – Feb 22 2011 at 12:51 pm (NZDT)  (неопр.). Geonet. GNS Science (22 февраля 2011). Дата обращения: 24 февраля 2011. Архивировано 25 февраля 2011 года.
28. Archived copy of USGS Shakemap usc0002ksa  (неопр.). Дата обращения: 8 сентября 2017. Архивировано 4 марта 2016 года.
29. CESMD Internet Data Report  (неопр.). www.strongmotioncenter.org. Дата обращения: 23 декабря 2022. Архивировано 21 декабря 2022 года.
30. Carter, Hamish (2011-02-24). "Technically it's just an aftershock". New Zealand Herald. APN Holdings. Архивировано 15 января 2012. Дата обращения: 24 февраля 2011.
31. M 7.1, Darfield (Canterbury), September 4, 2010  (неопр.). GeoNet. GNS Science. Дата обращения: 7 марта 2011. Архивировано 2 марта 2011 года.
32. 2022年3月16日福島県沖の地震の評価（令和4年3月17日） (яп.). jishin.go.jp. Headquarters for Earthquake Research Promotion. Дата обращения: 20 марта 2022. Архивировано 21 марта 2022 года.
33. Cloud, Hudson, 1975.
34. Katsuhiko, Ishibashi (2001-08-11). "Why Worry? Japan's Nuclear Plants at Grave Risk From Quake Damage". Japan Focus. Asia Pacific Journal. Архивировано 14 апреля 2011. Дата обращения: 15 марта 2011.
35. Oguz C. Celik; Mauricio Morales. EERI PERW 2021 – Part 1: Aegean Sea Earthquake  (неопр.). slc.eeri.org. Earthquake Engineering Research Institute. Дата обращения: 12 октября 2021. Архивировано из оригинала 27 июня 2022 года.
36. Источник (PDF) (Report). Архивировано (PDF) 17 октября 2022. Дата обращения: 19 января 2023.
37. "The Mw7.2 15 October 2013 Bohol, Philippines Earthquake" (PDF). Emi-megacities.org. Архивировано из оригинала (PDF) 13 октября 2022. Дата обращения: 19 января 2023.
38. Jun 13 2011 – Large earthquakes strike south-east of Christchurch  (неопр.). Geonet. GNS Science (13 июня 2011). Дата обращения: 14 июня 2011. Архивировано 14 июня 2011 года.
39. PGA intensity map  (неопр.). Geonet. GNS Science. Дата обращения: 14 июня 2011. Архивировано 20 марта 2012 года.
40. Numerous landslides reported on Raoul Island after strong earthquakes  (неопр.). www.geoengineer.org. Дата обращения: 19 января 2023. Архивировано 3 октября 2022 года.
41. Qu, Zhe (2022). "Rapid report of seismic damage to buildings in the 2022 M6.8 Luding earthquake, China". Earthquake Research Advances. 3. doi:10.1016/j.eqrea.2022.100180. Архивировано 2 февраля 2023. Дата обращения: 19 января 2023.
42. Clough, G. W. The geotechnical aspects // Practical lessons from the Loma Prieta earthquake / G. W. Clough, J. R. Martin, J. L. II Chameau. — National Academies Press, 1994. — P. 29–46. — ISBN 978-0309050302.
43. Informe Tecnico Terremoto Cauquenes 27 de Febrero de 2010 Actualizado 27 de Mayo 2010  (неопр.). Дата обращения: 19 января 2023. Архивировано 10 сентября 2021 года.
44. Archived copy of USGS Magnitude 7 and Greater Earthquakes in 2010  (неопр.). Дата обращения: 12 июля 2010. Архивировано 13 мая 2010 года.
45. Subsecretaría del Interior de Chile (31 January 2011). "Informe final de fallecidos y desaparecidos por comuna"  (неопр.). Дата обращения: 11 ноября 2021. Архивировано из оригинала 14 ноября 2012 года.
46. Anastasiadis A. N. The Athens (Greece) Earthquake of September 7, 1999: Preliminary Report on Strong Motion Data and Structural Response  (неопр.). Institute of Engineering Seismology and Earthquake Engineering. MCEER. Дата обращения: 22 марта 2011. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года.
47. Report on Doublet Earthquakes of November 14th, 2021 – Finn, Hormozgan Province  (неопр.). emsc-csem.org. Дата обращения: 20 апреля 2022. Архивировано 23 ноября 2021 года.
48. 中央氣象局地震測報中心 第111號有感地震報告 (кит.) (19 сентября 2022). Дата обращения: 18 сентября 2022. Архивировано 22 сентября 2022 года.
49. Earthquake Mw 6.3 in Iran on February 22nd, 2005 at 02:25 UTC  (неопр.). European-Mediterranean Seismological Centre. Дата обращения: 7 марта 2011. Архивировано 21 июля 2011 года.
50. Lin, Rong-Gong (2011-02-26). "New Zealand quake raises questions about L.A. buildings". Los Angeles Times. Архивировано 3 марта 2011. Дата обращения: 27 февраля 2011.
51. Earthquakes with 50,000 or More Deaths  (неопр.). Дата обращения: 10 ноября 2021. Архивировано 5 июня 2013 года. U.S. Geological Survey, Earthquakes with 50,000 or More Deaths
52. Haiti Earthquake (14 August 2021) Preliminary Event Briefing  (неопр.). Caribbean Catastrophe Risk Insurance Facility Segregated Portfolio Company. Дата обращения: 19 января 2023. Архивировано 4 ноября 2022 года.
53. Brady, A. Gerald. An investigation of the Miyagi-ken-oki, Japan, earthquake of June 12, 1978. — National Bureau of Standards, 1980. — P. 123.
54. https://www.researchgate.net/publication/326009944 {{citation}}: |title= пропущен или пуст (справка)
55. Large quake off the coast of Christchurch  (неопр.). info.geonet.org.nz. Дата обращения: 18 февраля 2016. Архивировано 17 февраля 2016 года.
56. Méndez, Rafael (2011-05-13). "Los terremotos paradójicos | España | EL PAÍS". El País. Архивировано 27 июля 2023. Дата обращения: 2022-01-14.
57. Elnashai et al., 2006.

Литература

• Cloud, W. K.; Hudson, D. E. San Fernando, California, earthquake of 9 February 1971 // Strong motion data from the San Fernando, California, earthquake of February 9, 1971 // Bulletin 196. — California Division of Mines and Geology, 1975. — P. 273–303.
• Elnashai, A. S.; Jig Kim, S.; Jin Yun, G.; Sidarta, D. The Yogyakarta Earthquake of May 27, 2006 // MAE Center Report No. 07-02  (неопр.). University of Illinois at Urbana–Champaign. Mid-America Earthquake Center, Newmark Civil Engineering Lab (2006).