Методы сейсмозащиты с применением специальных устройств



В статье рассмотрены современные методы сейсмозащиты. Простой подход к решению вопроса сейсмоизоляции — увеличение жёсткости и армирования конструкций можно использовать для большинства зданий простой конструктивной схемы, однако, применение специальных методов позволяет снизить стоимость строительства при сохранении высокой надёжности. Кроме того, для зданий сложной конструкции, уникальных и высотных бывает практически невозможно использовать традиционный подход. Необходимы новые действенные методы сейсмозащиты. Подобные решения предполагают изменение веса и жесткости, демпфирование системы в зависимости от её перемещений и скоростей. Таким образом, использование сейсмозащиты при верном конструировании способно существенно увеличить такие показатели как: надежность зданий, безопасность, финансовые характеристики сооружения.

Ключевые слова: сейсмоизоляция, сейсмогашение, сейсмозащита, демпфирование, экономическая эффективность.

Вопрос защиты зданий и сооружений от сейсмического воздействия встал перед людьми со времени первых землетрясений в истории человечества и не утратил своей актуальности по сей день. Сегодня с развитием науки и техники, исследования в данном направлении являются особенно актуальными. Этот факт подчеркивают произошедшие в последнее время разрушительные землетрясения. Кроме того, в настоящее время происходит активное освоение сейсмически активных областей Дальнего Востока, Байкала, Краснодарского Края, Северного Кавказа [1, 2].

Поскольку сейсмические воздействия передаются на здание через его подземную часть, прежде всего, фундаменты, изоляция надземной части от подземной является самым естественным способом снижения сейсмических нагрузок на каркас. Такой способ защиты назван сейсмоизоляцией. Её применение позволяет уменьшить амплитуды колебаний системы и снизить инерционные сил в конструкциях надземной части здания.

Более 1500 лет строители отделяли сооружение от его основания, используя в качестве промежуточного слоя в уровне верха фундаментов прокладки из мягких материалов. К примеру, в III-VII вв. многие крупные постройки Средней Азии создавались на песчаных подушках. В X-XVII веках применяли подушки из чистой глины с обязательным слоем камыша в нижней части стен. Однако, несовершенная технология и низкокачественные строительные материалы приводили к недолговечности данных мероприятий и изоляция со временем переставала выполнять свою функцию.

В начале ХХ вв. произошла серия разрушительных землетрясений (Сан-Франциско, Токио). Это дало инженерам и учёным вескую причину вновь вернуться к исследованиям защиты зданий от колебаний грунта, в том числе к вопросу изоляции подземной части зданий, способной сократить инерционные силы в надземных конструкциях.

На сегодняшний день сейсмоизоляция остается важным и актуальным вопросом, об этом свидетельствует тот факт, что системы сейсмоизоляции включены в нормативную базу РФ (п. 6.17 СП 14.13330.2014). Однако, авторы не дают подробной классификации способов сейсмоизоляции, методов расчета и конструктивных решений, поэтому необходимо углубленное изучение данного вопроса по современным научным работам российских и зарубежных учёных.

Увеличением жёсткости и прочности конструкций не всегда можно добиться требуемой сейсмостойкости сооружения. Необходимо знать и грамотно использовать различные методы сейсмозащиты. В них используются различные приемы снижения инерционных сил в системе: изменение массы и жёсткости отдельных конструкций или частей здания, демпфирование системы, создание инерционных масс, колеблющихся в противофазе с каркасом и т. п. Многие решения запатентованы еще во 2-й половине XX века, но добавляется и много новых эффективных мероприятий. В настоящее время существует более 100 действующих патентов конструктивных решений сейсмоизоляции зданий и сооружений.

Повысить сейсмостойкость можно двумя способами:

1. традиционным — увеличением сечения конструкции;

2. специальным — снижением нагрузок за счет модификации динамической схемы работы здания или сооружения.

Традиционные методы применимы для основной массы сооружений, расчётный аппарат очень хорошо развит, накоплен значительный опыт строительства [3, 4]. Однако, для технически сложных и уникальных зданий данный подход часто неприменим, или даёт чрезмерно ресурсоёмкий и, соответственно, финансово неудовлетворительный результат. Специальные методы, о которых пойдёт речь ниже, применяются как для уникальных зданий (практически безальтернативно), так и для более простых, позволяя снизить затраты на строительство с одновременным увеличением надёжности возводимых зданий [5].

Существующие современные методы сейсмогашения и сейсмоизоляции с применением специальных устройств разделим на основные группы:

1. Сейсмоизолирующие системы с выключающимися связями;

2. Резинометаллические опоры по методу Ю. Д. Черепинского;

3. Системы сейсмозащиты с кинематическими опорами;

4. Метод разделения инерционных масс;

5. Метод со скользящим поясом;

6. Системы с повышенным демпфированием;

7. Динамические гасители колебаний.

1. Сейсмоизолирующие системы с выключающимися связями.

Система с выключающимися связями была разработана в ЦНИИСК им. Кучеренко. Область её применения — здания жесткой конструктивной схемы с гибким первым этажом. Идея работы такой системы — снижение жёсткости несущих конструкций гибкого этажа при землетрясении. Считается, что область применения системы с выключающимися связями — это здания с периодом собственных колебаний не более 0,5…0,7 с.

Конструктивно в состав первого этажа включают специальные элементы, повышающие жёсткость здания на стадии нормальной эксплуатации и выключающиеся из работы при достижении колебаниями определенных амплитуд. Таким образом происходит адаптация несущего остова здания к сейсмическим воздействиям [6–9].

Выключающиеся элементы могут представлять собой бетонные шпонки, сварные стальные шпонки, связевые металлические элементы и т. п., жестко закрепленные к основным несущим конструкциям в пределах гибкого этажа. Данные элементы обеспечивают жесткую связь вышележащих этажей с фундаментом до момента наступления землетрясения. Затем, при подвижках земной коры и превышении амплитудой пороговых значений, выключающийся элемент разрушается, снижая таким образом жёсткость конструкций гибкого этажа.

В местах, где вероятность землетрясения повышена, система с выключающимися связями достаточно эффективна [10, 13, 14, 15].

2. Резинометаллические опоры по методу Ю. Д. Черепинского.

Такая опора включает нижнюю и верхнюю части, образующие замкнутую камеру с промежуточной подушкой из шариков и смазки. Нижняя часть представляет собой втулку с резьбой (снижает трение, обеспечивает защиту от коррозии) и болт (создает предварительное напряжение в промежуточной подушке). Верхняя часть имеет состав из опорной плиты, направляющей обоймы и конического сердечника (снижает удельное давление на внутреннюю поверхность опоры). Жесткость верхней части обеспечена ребрами и полостью, которая заполнена бетоном. Опоры закрепляются в опорные плиты при помощи анкерных болтов. Применение опор обеспечивает защиту зданий и сооружений от сейсмических толчков [11, 12, 16, 17].

Рис. 1. Сейсмоизоляция здания с помощью резинометаллических опор: 1 — Опора, 2 — Стальная плита, 3 — Слой неопрена, 4 — Отверстия для анкерных болтов, 5 — Резина, 6 — Сталь, 7 — Свинец

3. Системы сейсмозащиты с кинематическими опорами.

Опорные кинематические фундаменты — достаточно простое с технической и технологической стороны решение, обеспечивающее, вместе с тем, высокий уровень снижения инерционных сил в конструкциях зданий.

Рис. 2. Конструктивное решение кинематического фундамента. 1 — Кинематические опоры, 2 — Опорный фундамент, 3 — Нижнее перекрытие здания, 4 — Демпферы скольжения

Опорные кинематические фундаменты создают шов скольжения между опертым на грунт фундаментом и надземной частью здания, тем самым, разделяя их перемещения в случае сейсмических воздействий. Шов создаётся при помощи опорных элементов — тел вращения определённой формы, или иначе, кинематических опор, на которые опирается надземная часть здания [18, 19]. При значительных горизонтальных подвижках грунта опорные элементы существенно уменьшают перемещения надземной части здания относительно грунта [20, 21]. Для снижения сил трения используются фторопластовые прокладки на контакте тел вращения с бетонными частями здания.

Недостаток метода: при увеличении этажности и, соответственно, массы здания появляются концентрации напряжений в области установки опор. Как следствие, больший расход материала для повышения надежности, а также при большой этажности устойчивость и прочность опор могут быть не эффективными.

Рис. 3. Кинематические опоры, используемые для сейсмоизоляции зданий: 1 — Колонна, 2 — Подлокотник, 3 — Опорная плита, 4 — Центрирующая шайба

4. Метод разделения инерционных масс

Способ подразумевает применение плоскостного подшипника в сейсмических фундаментах и включает 3 мероприятия:

1) Разделение инерционных масс (массив здания отделяется от земной коры, при помощи установки плоскостного подшипника качения в тело фундамента на уступах фундамента);

2) Установка на каждом уступе фундамента сминаемых демпферов-гасителей между опорной и подвижной частями фундамента из деформируемых материалов (обеспечение поглощения ударных воздействий инерционных горизонтальных нагрузок и относительную фиксацию здания в проектном положении);

3) Устройство сминаемых поясов по периметру зданий в уровнях подвижной части фундамента материалами обратной засыпки или особыми конструкциями из деформируемых материалов в промежутках расчетной амплитуды колебаний земной коры. Сминаемый пояс предусматривает фиксацию здания в проектном положении и поглощение энергии сейсмических колебаний [22].

Главная цель применения метода разделения инерционных масс — сохранить эксплуатационные качества и свойства конструкций и элементов зданий и сооружений после землетрясения.

Во время землетрясения здание из-за инерционности остается в покое и перекатывается на плоскостных подшипниках качения. Нижнюю часть фундамента в единое целое объединяет грунтовое основание, а жесткость верхней части фундамента обеспечивается диском перекрытия цокольной части фундамента.

Элементы качения расположены по главным осям здания, здание или сооружение остается зафиксированным в основных осях, а их перекрестное положение предусматривает вынужденное перемещение здания в горизонтальной плоскости относительно земной коры в любом направлении на 360° строго в пределах уступов фундаментов. При таком расположении элементов качения исключается кручение и срыв здания с фундаментов.

Литература:

1. Абовский, Н.П., Сибгатулин В. Г., Палагушкин В. И., Инжутов И. С., Худобердин И.Р. Сейсмика. Сейсмобезопасность. Конструктивная безопасность. Некоторые проблемные вопросы нормирования и научного обеспечения сейсмобезопасности в Красноярском крае. 2010 — с. 61.
2. Лутиков А. И., Овсюченко А.Н., Рогожин Е. А. Оценка сейсмической опасности Северного Кавказа в детальном масштабе // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2013 — № 5. с. 41–45.
3. Аксёнов Н. Б., Аушев М. В. Исследование влияния соотношения жесткостей конструктивной системы на динамические параметры многоэтажного здания в зависимости от сейсмичности площадки // Инженерный вестник Дона, 2017, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4416.
4. Аксенов В. Н., Аксенов Н. Б. Обследование и оценка технического состояния строительных конструкций. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2018. с.112.
5. Годустов И. С., Заалишвили В. Б. Сейсмоизолирующий фундамент и способ возведения здания на нём. / Заявка на выдачу патента РФ от 29.10.2007 № 2007140020/20 (043812) МПК E02D 27/34, Е04Н 9/02.
6. Годустов И. С., Заалишвили В. Б. Способ адаптации к смене типа горизонтальных нагрузок опор сейсмоизоляции. / Патент РФ. RU 2062833 CI, RU 2049890 CI, RU 2024689 С1.
7. Современные методы сейсмозащиты зданий, М.: Стройиздат, 1989. с.320.
8. Тяпин А. Г. Демпфирование в прямом и модальном методах: эффект искусственного «урезания» коэффициентов // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2012 — № 4. с. 24–26
9. Жунусов Т. Ж., Черепинский Ю. Д. д.т.н., Лапин В. А. Инструкция по проектированию зданий с использованием сейсмоизолирующих фундаментов КФ. РДС РК-07–6–98, Комитет РК. 2003 — с.19
10. Кулов А. Р., Кулов Р. П., Кулова Х. Р., Фардзинов Г. Г. Сейсмостойкое строительство. Метод опирания строительного объекта на землю // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2015 — № 2. с. 67.
11. Саргсян А. Е., Джинчвелашвили Г. А. Оценка сейсмостойкости и сейсмоустойчивости сооружений с сейсмоизолирующими опорами. // Транспортное строительство. 1998. № 11. С.19–23.
12. Абаканов М. С. Одноэтажные каркасные здания для сейсмических районов с шарнирными узлами соединения конструкций покрытия с колоннами // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2011 — № 6. с. 62
13. Абовский, Н.П., Палагушкин В. И., Лапеев М. В. Системный подход к сейсмоизоляции зданий при сложных грунтовых условиях / Жилищное строительство.2010. с. 56.
14. Аксенов В. Н., Маилян Д. Р. Работа железобетонных колонн из высокопрочного бетона // Бетон и железобетон. -2008.-№ 6. -С. 5–8.
15. Аксенов Н. Б., Маилян Д. Р., Аксенов В. Н. Расчет железобетонных конструкций по новым нормам — Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2010. — 21с.
16. Смирнов И. И., Захарова К. В. К расчету упругопластических торсионов энергопоглощающих устройств // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (Ч.2). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1312.
17. Мкртычев О. В. Мкртычев А. Э.Анализ эффективности резинометаллических опор при строительстве высотных зданий в сейсмических районах // «ВЕСТНИК НИЦ «Строительство», Выпуск № 2, 2017, с. 126–137.
18. Несветаев Г. В., Виноградова Е. В., Лопатина Ю. Ю. К вопросу выбора критериев эффективности бетонов // Научное обозрение. 2016. № 2. С. 34–41.
19. Шишков Ю. А. Сейсмоизоляция фундаментов с учетом основных причин и характера разрушений зданий при землетрясениях. «Проектирование и строительство в Сибири». — 2003.-2.-с.12–16.
20. Ушаков А. С. Методы сейсмоизоляции фундаментов сооружений// Технические науки: проблемы и перспективы: материалы Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, март 2011 г.). — СПб.: Реноме, 2011. — С. 180- 186.
21. Черепинский Ю. Д. Сейсмоизоляция зданий. Строительство на кинематических опорах (Сборник статей). — М.: Blue Apple. 2009. 47 с.
22. Макаров С. Б., Панкова Н. В., Тропкин С. Н. Как работают амортизаторы в задачах сейсмозащиты зданий. Исследование вопроса на SIMULIA ABAQUS// Сейсмостойкое строительство, безопасность сооружений. — 2017, № 4.с.36.