В статье автор исследует варианты увеличения сейсмостойкости зданий и сооружений.
Ключевые слова: землетрясения, сейсмостойкость, системы сейсмоизоляции.
Более двадцати процентов площади территории Российской Федерации относятся к районам с сейсмической опасностью — это районы в пределах которых могут произойти землетрясения. Землетрясения могут возникнуть из-за взрыва, деятельности вулкана и т. д. Для инженеров наибольшую проблему представляют землетрясения тектонического происхождения. При проектировании в этих районах к проектированию и строительству предъявляют особые требования, которые усложняют работу как проектировщикам, так и строителям. Сложность возрастает не только из-за увеличения объемов работ, но и благодаря ужесточенным требованиях к проектированию зданий и сооружений, которые приведены в [1]. Одна из основных задач инженера при проектировании зданий и сооружения в сейсмически опасных зонах — обеспечение необходимого уровня сейсмостойкости. Соблюдение требований [1] приводит к огромным затратам, что серьезно влияет на экономическую сторону. Уменьшить расходы на строительство зданий и сооружений в сейсмоопасных регионах могут специально разработанные решения, уменьшающие воздействие сейсмических нагрузок на здание либо увеличивающие сейсмостойкость здания без увеличения экономической составляющей.
Решения по увеличению сейсмостойкости довольно разнообразны, и они становятся все экономичнее и надежнее. Самыми простыми и действенными решениями, которые оказывают немалое влияние на сейсмостойкость здания являются рекомендациям [1]. Они позволяют на самых ранних стадиях увеличить сейсмостойкость здания без серьезных затрат:
— обеспечить равномерное распределение масс, нагрузок на перекрытие и жесткостей конструкций путем разработки симметричных конструктивных и объемно-планировочных решений;
— обеспечить снижение сейсмических нагрузок путем применения наиболее подходящих материалов, конструктивных схем и конструкций, а также специальных систем по снижению сейсмического воздействия на конструкции здания, такие как сейсмоизолирующие, динамического демпфирования и других;
— принимать конструктивные решения, которые снизят риск прогрессирующего обрушения всего здания или сооружения, либо его части и даст ему живучесть при действии сейсмических нагрузок;
— стыки конструкций должны располагаться в зонах, в которых не возникают максимальные усилия;
— обеспечить однородность, монолитность и непрерывность конструкций и их стыков.
Соблюдение приведенных требований и рекомендаций [1] позволят облегчить работу над объектом на всех последующих его этапах.
Немаловажным является и подбор материала несущих конструкций. Важно, чтобы прочность материала при повторных нагрузках, выносливость, динамическая и ударная прочность и т. д. были достаточными. Развитие методов повышение сейсмостойкости здания позволяют подобрать такой материал несущих конструкций, который позволит сохранить габариты сечений конструкций здания оптимальными, но при этом повысить их сейсмостойкость. Одним из таких материалов, который применяют для восстановления несущих конструкций, является сейсмостойкий мелкозернистый бетон. Автор работы [2] проводит экспериментальные исследования физико-механических свойств мелкозернистых бетонов и его выносливости. Данный бетон с применением добавки ПАВ позволяет повысить эксплуатационные свойства, что дает возможность использовать его в качестве материала для ремонта. Также в работе [2] рассмотрены плюсы расширяющегося и безусадочного цемента. Развитие науки материалов позволяет находить наиболее эффективные материалы для несущих конструкций зданий и сооружений в сейсмически опасных зонах, что позволит увеличить сейсмостойкость здания без больших затрат.
Климат Земли меняется с невиданной ранее скоростью. Повышение средней температуры на Земле влияет не только на ее поверхность, но и на количество происходящих землетрясений и извержений вулканов. Начиная с 2017 года количество землетрясений растет экспоненциально. Контролировать природные процессы, учитывая возможности и развитие технологий человечества, можно считать невозможным, но снизить их воздействие на здания и сооружение вполне. Обеспечить снижение воздействия сейсмических нагрузок позволяют сейсмоизолирующие решения.
Современное строительство с каждым годом предоставляет новые решения по сейсмоизоляции и модернизирует старые. Данные решения позволяют снизить воздействие сейсмических нагрузок на здание и помочь в обеспечении сейсмостокойсти, и что немаловажно снизить экономические и ресурсные затраты при строительстве. Свое начало сейсмоизолирующие решения берут в начале двадцатого века, а их активное использование началось только в 70–80 годах.
На данный момент, согласно [3], существуют 4 способа активной сейсмозащиты зданий и сооружений:
— сейсмоизоляция;
— системы, которые повышают диссипацию энергии;
— адаптивные системы;
— системы, предназначенные для гашения колебаний.
Сейсмоизоляция подразумевает принцип «отсоединения» конструкций фундамента от надфундаментных. Данное решение позволяет снизить уровень собственных частот конструкций, располагаемых над фундаментом. Особенностью сейсмоизоляционных решений является их вариативность, возможность монтажа и экономичность. Данное решение является одним из самых распространенных. Наиболее распространенными принято считать следующие решения:
— кинематические;
— гибкий нулевой этаж;
— скользящие и подвесные опоры зданий.
Несмотря на вариативность решений, принцип их работы одинаков: фундамент представлен из двух частей. Первая часть фундамента устраивается непосредственно на грунт основания и над ним выполняется вторая часть, которая выполняет функцию фундамента здания. Между двумя фундаментами выполняется установка систем сейсмоизоляции, которая поглощает часть внешних колебаний.
Системы, повышающие диссипацию энергии или системы с повышенным демпфированием, представляют из себя конструкции с дополнительно введенным специальным элементом, либо не одним, для увеличения рассеивания энергии. Данный метод позволяет снизить инерционные нагрузки на здание. Наиболее известным устройством является инерционный демпфер. Это устройство предназначено для понижения амплитуды колебаний здания в тех случаях, когда собственное затухание системы происходит слишком медленно и есть риск увеличения амплитуды колебаний до опасных резонансных явлений. Такие устройства применены в небоскребе Тайбей 101, Московский Монумент Победы и т. д.
Одним из наименее востребованных решений по сейсмозащите зданий и сооружения является адаптивная система. Она представлена в виде специальных конструкций в самом здании, которые способны поменять динамические характеристики конструкций и их частоты. Адаптивные системы не позволяют собственным частотам здания или сооружения достигнуть уровня частот землетрясения, препятствуя резонансу и разрушению.
Такие здания могут быть представлены в виде выключающихся и включающихся связей.
Принцип работы связей следующий: если выключающиеся связи при землетрясении разрушаются, делая конструкцию менее жесткой, что приводи к уменьшению собственных частот здания, то включающие связи не включаются в работу здания или сооружения до тех пор, пока не начнется землетрясение и их не «призовут». Их включение происходит в определенный момент, когда перемещения конструкции доходят до заложенных значений.
Системы, предназначенные для гашения колебаний, не нашли применение в строительстве. В этих системах главную роль выполняют конструкции, в которых предусмотрено устройство гасителей. Суть системы заключается в том, что конструкция с гасителем имеет собственную частоту равную частоте внешнего воздействия. В результате чего происходит колебание только одной системы.
Проблемой этой системы является ее сложность. Масса этой системы должна быть соизмерима с массой здания, что приводит к огромным затратам, и ее настройки исходя из здания и внешних воздействий.
Системы сейсмозащиты и повышения сейсмостойкости зданий и сооружений хоть и является перспективным направлением в строительстве в сейсмически опасных районах, но их применение не решает все проблемы проектирования и возведения конструкций. Одни из главных проблем — их стоимость и внедрение. Данные системы не позволяют выдержать желаемые планировочные решения и к тому же являются трудно возводимыми, что в свою очередь повышает стоимость работ.
Данное направление при всех своих минусах является единственным эффективным решением для особо ответственных и уникальных объектов.
Литература:
- СП 14.13330.2018 — Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7–81*.
- Мажиев, Х. Н. Материалы и конструкции для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений (системный подход): специальность 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Мажиев Хасан Нажоевич; ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». — Махачкала, 2011. — 46 c. — Текст: непосредственный.
- Тарасов В. А., Барановский М. Ю., Редькин А. В., Соколов Е. А., Степанов А. С. Системы сейсмоизоляции // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016 г. № 4 (43). С. 117–140.
