Сейсмостойкость зданий с гибким первым этажом



Решение задач, обеспечивающих целостность конструкции или минимизацию повреждений, основанных на конструктивных решениях и особых свойствах зданий, насущно необходимы в условиях активных сейсмических проявлений.

Ключевые слова: системы сейсмозащиты, сейсмоизоляция, адаптивные системы, гибкий этаж, включающиеся связи, выключающиеся связи.

Solving problems that ensure the integrity of the structure or minimize damage, based on design solutions and special properties of buildings, are urgently needed in conditions of active seismic manifestations.

Keywords: seismic protection systems, seismic isolation, adaptive systems, flexible floor, including links, disconnected links

Казахстан имеет местоположение в Евразийском сейсмоопасном поясе. Большинство территорий Казахстана склонны к воздействию сейсмических воздействий различных сил, длительности и вида. Площадь самой сейсмоопасной зоны Казахстана — 450 тыс. км. В нём накоплено много основных источников рынка, 35 % из которых находятся в жилом фонде, в этих регионах проживают около 40 % населения. Это Южная и Юго-Восточная часть Республики, в которой вероятнее всего произойдут разрушительные землетрясения — выше 8 баллов.

В современных конструктивных решениях нельзя повысить сейсмостойкость, только повысив величины сечений, прочность, вес. Конструкция может быть более прочной, но не обязательно экономически эффективной, потому что и вес, и инерционная сейсмическая нагрузка могут увеличиться еще больше. Требуются новые эффективные методы сейсмозащиты. Эти методы предусматривают изменение массы или жесткости, или демпфирования системы в зависимости от ее перемещений и скоростей. В настоящее время известно более 100 запатентованных конструкций сейсмозащиты.

Традиционные методы получили широкое распространение в различных странах, подверженных сейсмической опасности, и являются общепризнанными. Однако специальные методы сейсмозащиты во многих случаях позволяют снизить затраты на усиление и повысить надежность возводимых конструкций. В последние десятилетия в Японии, США, Новой Зеландии, странах СНГ предложены десятки различных технических решений специальной сейсмозащиты зданий и инженерных сооружений. Многие из этих предложений реализованы на практике.

Общая классификация систем сейсмозащиты, по мнению авторов [1–5], может быть представлена в виде схемы, представленной на рис. 1. В соответствии со сложившейся терминологией в теории виброзащиты будем подразделять специальную сейсмозащиту на активную (имеющую дополнительный источник энергии) и пассивную.

Рис 1. Классификация систем сейсмозащиты по принципу их работы

В данный момент существуют предложения по активной сейсмозащите, включающей дополнительные источники энергии и элементы, регулирующие работу этих источников, однако ее реализация требует значительных затрат на устройство и эксплуатацию. Это исключает возможность широкого применения активной сейсмозащиты для строительных конструкций. Методы пассивной сейсмозащиты не используют дополнительных источников энергии. Эти методы подразделяются на сейсмогашение и сейсмоизоляцию.

В системах сейсмоизоляции обеспечивается снижение механической энергии, получаемой конструкцией от основания, путем отстройки частот колебаний сооружения от преобладающих частот воздействия.

Существующие системы сейсмоизоляции на основании принятой выше классификации подразделяются на две группы:

— адаптивные

— стационарные

В адаптивных системах динамические характеристики сооружения необратимо меняются в процессе землетрясения, «приспосабливаясь» к сейсмическому воздействию. Особенности работы такой сейсмоизоляции детально исследованы в работах Я. М. Айзенберга. В стационарных системах динамические характеристики сохраняются в процессе землетрясения.

Причем стационарные системы могут иметь или не иметь возвращающую силу, действующую на сейсмоизолированные части сооружения. Приведем некоторые конструктивные примеры, иллюстрирующие принцип работы систем сейсмоизоляции.

Наиболее типичным приемом устройства сейсмоизоляции при наличии возвращающей силы являются здания с гибким нижним этажом. Эффективность гибкого нижнего этажа достигается, в основном, в зданиях и сооружениях, имеющих жесткую конструктивную схему верхних надземных этажей. При этом конструктивное исполнение может осуществляться различным образом. Например гибкий этаж может быть выполнен в виде каркасных стоек, упругих опор, свай и т. п. Один из возможных вариантов конструктивного исполнения гибкого этажа представлен на рис. 2. Конструкция состоит из гибких опор, выполненных из пакета упругих стержней небольшого диаметра, размещенных между надземной и подземной частями здания.

Рис 2. Один из возможных вариантов конструктивного исполнения гибкого этажа

В другом конструктивном решении гибким элементом может быть сваи. Исследования показали, что за счет дополнительного рассеивания энергии на поверхностях контакта шарниров с ростверком и свай с грунтом увеличиваются диссипативные свойства сооружения по сравнению с другими конструкциями гибкого нижнего этажа. В таких фундаментах в верхней зоне практически снимаются изгибающие моменты, а в нижней части ввиду того, что она заделана в грунт, получается более равномерное распределение напряжений на большей длине свай и большая их деформативность. Следует отметить, что высокий свайный ростверк широко используется в районах вечной мерзлоты для сохранения мерзлого состояния основания. В том случае, если вечная мерзлота сочетается с высокой сейсмичностью, конструкции высокого свайного ростверка могут также выполнять функции гибкого нижнего этажа.

Несмотря на достаточно простую реализацию гибкого нижнего этажа, анализ поведения зданий подобного типа при землетрясениях показывает, что не всегда здания с первым каркасным этажом благополучно переносят сейсмические воздействия. Например, при землетрясении в 1963 г. в Скопле на рис.3 показано шестиэтажное здание с так называемым гибким первым этажом, получившее повреждение нижнего каркасного этажа [11].

Рис 3. Землетресение в Скопле, 1963г. [11, рис. 1.2]

Как видно на рисунке, колонны первого этажа получили перекос примерно до 10–15° и большие остаточные деформации в местах концентрации максимальных моментов, вызываемых сейсмической нагрузкой. По-видимому, значительный рост эксцентриситетов вследствие накопленных остаточных деформаций в колоннах и концентрация напряжений в их верхних и нижних узлах привели к раздроблению бетона нижнего опорного узла и выпучиванию арматуры стоек при сжатии [11]. Поэтому для повышения сейсмостойкости таких зданий в последующем было принято решение вводить дополнительные энергопоглощающие элементы, ограничивающие эти смещения.

А также при землетрясении в Агадире в 1960 году было разрушено здание Торговой палаты (рис.4) [11]. Как указывается в работе Полякова С. В. [12] здания возведенные в Агадире, не были рассчитаны на восприятие сейсмических нагрузок, а большинство из них не проектировалось на восприятие и ветровых нагрузок. Эти обстоятельства отразились на динамическом поведении этого здания и послужили одной из главных причин его полного разрушения.

Рис 4. 8-этажное здание Торговой палаты с пониженной жесткостью первого каркасного этажа г. Агадир, 1960г. (до и после землетрясения) [11, рис. 1.1]

Одним из возможных путей сохранения колонн нижнего этажа, а значит и здания в целом, является применение резервных жестких вертикальных элементов в нижнем этаже, выключающихся (разрушающихся) в процессе нарастаний амплитуд колебаний сооружения при некоторых сейсмических воздействиях [8]. Выключение резервных связей вызывает перестройку внутренней структуры системы, изменение ее динамических характеристик и увеличивает надежность здания при различных сейсмических воздействиях. Устройство выключающихся элементов несложно с точки зрения строительной технологии, не требуются какие-либо приспособления, не свойственные обычным строительным конструкциям. Кроме того, применение системы выключающихся связей, предотвращая или уменьшая повреждения других конструкций сооружения при землетрясениях, намного снижает стоимость восстановительных работ после землетрясений. Стоимость же восстановления самих выключающихся резервных элементов незначительна.

Применяются конструктивные решения для выключенных связей двух видов. Одним из них являются жёсткие панели связи, представленные на рис. 5a, которые представляют принципиальную схему работы выключенной связи этого вида. Конструкция выключающихся связей другого вида (рис. 5б) включает в себя и выключающийся элемент связи [3].

Рис 5. Здания с выключающимися связями в нижних каркасных этажах: а — разрушающиеся панели-связи; б — специальные выключающиеся элементы

В разрушающихся панели-связях в нижней части здания между несущими стойками нижнего этажа установлены связевые панели, отключающиеся при интенсивных сейсмических воздействиях, когда в спектре воздействия преобладают периоды, равные или близкие к периоду свободных колебаний сооружения. После отключения панелей частота свободных колебаний падает, период колебаний увеличивается, происходит снижение сейсмической нагрузки. При низкочастотном воздействии период собственных колебаний здания со связевыми панелями значительно ниже величин преобладающих периодов колебаний грунта, поэтому резонансные явления проявляются слабо и связевые панели не разрушаются. Конструктивный пример этой системы сейсмоизоляции представлен на рис.6.

Рис 6. Пример конструктивного решения зданий с выключающимися связями

В Ашхабаде по улице Свободы была построена мечеть из глиняного кирпича в 1911 году на прочном растворе известка в лучших традициях среднеазиатской архитектуры. [10]. Это мечеть состояло из центрального 9-гранового барабана, высотой 33 м от основания к вершине купола, и еще двух значительно менее низких, концентрически располагаемых барабанов, с арочным перекрытиям, являвшихся пристройкой. Конструкция была очень жесткой, что даже видно на рис 7. Т. е. собственное время колебания было маленьким, видимо, тот же самый маленький период преобладания был в близком землетрясении, поэтому конструкции при землетрясениях работали в режиме резонаса, ей грозило разрушение в 1948 году. Объеденение центра и окружающих его частей в одно целое придало всей стройке чрезвычайное жесткое основание.

Рис 7. Результат разрушения здания из жесткой стали гибкими.

У боковой пристройки срезались опоры, здесь передача движений от фундамента на здание шла только через трение [1]. У неё уцелели все опоры, их срезать было сложно, они очень прочные. В здании были разрушены стены над первым и вторым ярусами оконных проемов. При разрушении они образовали трещины под углом 45 градусов к горизонту. Жёсткое положение центральной части храма резко снизилось за счет того, что связи были отключены, роли которых играли надоконные арки. Центральное строение уцелело, поскольку купол опирался не на жесткие, а гибкие конструкции.

Применение выключающихся связей наиболее эффективно в том случае, когда уверенно прогнозируется частотный состав ожидаемого сейсмического воздействия. В качестве недостатков необходимо отметить, что после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо их восстановление, что не всегда практически осуществимо. Кроме того, как известно, в некоторых случаях в процессе землетрясения в его заключительной стадии происходит снижение преобладающей частоты воздействия. Вследствие этого возможно возникновение вторичного резонанса и потеря несущей способности конструкций здания. В этом случае требуется применение конструктивных мероприятий, что приводит к дополнительным затратам на строительство.

Кроме выключающих связей можно применять систему сейсмозащиты зданий с включающими связями. Включающиеся связи включаются в работу лишь при землетрясении, когда перемещения конструкции достигают определенных, наперед заданных значений. Эти системы представляют собой класс нелинейных динамических систем с жёсткими характеристиками. В отличии от систем с выключающимися связями, системы с включающимися связями не разрушают связи, и восстановить их после землетрясений не нужно (рис. 8) [3; 10].

Рис 8. Сейсмозащита здания с помощью включающихся связей, представляющих собой: а — упоры-ограничители; б — упругие связи; в — провисающие растяжки; г — жёсткие панели (для многоэтажных зданий)

Здание с включающимися связями проектируется так, чтобы оно имело низкую частоту собственных колебаний. При землетрясении в случае возникновения значительных перемещений основных несущих конструкций здания происходит включение связей, что приводит к существенному изменению жесткости системы и к увеличению «мгновенной» частоты собственных колебаний здания, в результате чего здание «уходит» от опасного для него резонансного режима колебаний.

Преимущество системы с включающимися связями — это то, что она работает с полной нагрузкой лишь при землетрясениях, имеющих значительные ускорения на низких частотах, а такие землетрясения бывают довольно редко. При достаточно часто возникающих высокочастотных землетрясениях система с включающимися связями сохраняет все преимущества систем с сейсмоизоляцией. К недостатку системы с включающимися связями следует отнести возможность возникновения значительных усилий в конструкциях включающихся связей.

Выводы

Обычные мероприятия по сейсмозащите зданий и сооружений сводятся в основном к повышению несущей способности элементов и конструкций. Такая сейсмозащита осуществляется в соответствии со строительными нормами «Строительство в сейсмических районах» [6]. При этом выполняемые мероприятия не снижают сейсмических нагрузок на здания и сооружения, а только их учитывают.

В настоящей статье были аналитически рассмотрены современные методы сейсмоизоляции зданий и сооружений. Многие из представленных моделей требуют дальнейших корректировок в расчетах и проектировании, теоретических и практических испытаний [7]. Так, при проектировании зданий, оснащенных сейсмоизоляцией, необходимо, помимо спектрального расчета, выполнять прямой динамический расчет с использованием инструментально зарегистрированных акселерограмм, что, в свою очередь, повышает требования к сейсмологическим прогнозам для площадки строительства.

Расчеты, выполненные Я. М. Айзенбергом [4], показали, что относительные горизонтальные сейсмические перемещения перекрытий в сейсмоизолированных зданиях существенно ниже, чем в неизолированных зданиях. Соответственно, повреждения при сильных землетрясениях в сейсмоизолированных зданиях значительно ниже, чем зданий неизолированных. Существенно ниже экономические потери. Применение сейсмических демпферов усиливает положительные эффекты.

Таким образом, применение сейсмоизоляции при правильном проектировании может значительно повысить такие характеристики как:

— надежность зданий;

— сохранность и надежность оборудования;

— экономические показатели зданий;

— отсутствие необходимости восстановительных работ после сильных землетрясений;

— комфорт для жителей.

Литература:

1. Кусаинов А. А., Абаканов Т. Основы инженерной сейсмологии и сейсмостойкого строительства
2. Уздин А. М. и др. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. СПб, 1993. 176 с.
3. Айзенберг Я. М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов. М.: Стройиздат, 1976. 232 с.
4. Айзенберг Я. М. Сейсмоизоляция высоких зданий // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. № 4, 2007. С. 41–43.
5. Смирнов В. И., Никитина Е. А. Демпфирование как элемент сейсмозащиты зданий. / / Сейсмостойкое строительство безопасность сооружений. 2007, № 4.
6. СП РК 2.03–30–2017 «Строительство в сейсмических районах»
7. Авидон Г. Э., Карлина Е. А. Особенности колебаний зданий с сейсмоизолирующими фундаментами А. М. Курзанова и Ю. Д. Черепинского // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. № 1, 2008. С. 42–44.
8. Айзенберг Я. М. Сейсмоизоляция и адаптивные системы сейсмозащиты. М.: Наука, 1983. 48 с.
9. Оразымбетов Н. О., Сердюков М. М., Шанини С. А. Ашхабадское землетрясение 1948 года. — М., Гостройиздат, 1960. — 308с.
10. Поляков С. В., Килимник Л. Ш., Черпашин А. В. Современные методы сейсмозащиты зданий. — М., Стройиздат, 1989. — 319с.
11. Турсумуратов М. Сейсмостойкость зданий с первым гибким этажом. — Алма-Ата: Казахстан, 1981.
12. Поляков С. В., Сейсмостойкие конструкций зданий. М., 1969.