В статье рассматриваются принципы работы систем сейсмоизоляции и перечень требований к таким системам.
Ключевые слова: сейсмостойкость, сейсмоизоляция, системы сейсмоизоляции.
Объем проектирования и строительства зданий и сооружений в сейсмически опасных районах с каждым годом только возрастает, в результате чего требуется усовершенствование имеющихся и создание новых способов, методов и средств обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений в этих регионах. Несмотря на то, что данное направление инженерии с каждым годом шагает вперед, она все еще остается глобальной проблемой и ее решение усложняется рядом факторов, таких как объем и стоимость работ, жесткие конструктивные требования к конструкциям зданий и сооружений, и требования к выполнению поверочных расчетов. Вышеперечисленные нюансы при проектировании зданий и сооружений хоть и являются жесткими и оправданными, они все же вызывают ряд вопросов, что ставит под сомнение рациональность и актуальность некоторых требований.
Соблюдение требований [1] делают работы по проектированию и строительству достаточно трудоемкими и ресурсозатратными. Особенности проектирования и строительства задний и сооружений в сейсмически опасных зонах привели инженеров к разработке более экономичных и не менее действенных решений. Одним из таких решений является сейсмоизоляция зданий и сооружений.
Сейсмоизоляция зданий и сооружений представляет собой ряд мероприятий, снижающих воздействие сейсмического влияния на конструкции здания и сооружения. Если традиционные решения были основаны на повышении несущей способности конструкций благодаря увеличению их размеров и прочностных характеристик, то решения по сейсмоизоляции направлены на ослабление связи конструкций здания с основанием, что приводило бы к снижению воздействия сейсмических явлений, требуемой сейсмостойкости и трудоемкости работ.
Разрабатываемые решения по сейсмоизоляции должны быть экономически выгодными. Одна из задач конструкций сейсмоизоляции — оптимизация стоимости строительства здания с соблюдением его сейсмостойкости.
Достичь необходимого эффекта от сейсмоизоляции можно при применении данных решений в уровне сопряжения с основанием. Следовательно, все будущие разработанные решения будут связаны с конструкциями фундаментов зданий и сооружений.
Самым первым используемым решением был «гибкий этаж». В 30-х годах прошлого века данное решение позволяло возводить здания в районах с сейсмическим воздействием на здания и сооружения небольшой интенсивности и пользовалось популярностью во всем мире, так как не требовало специальных мероприятий по возведению.
Идея «гибкого этажа» заключалась в том, что реакция здания с более гибкой конструктивной схемой на сейсмическое воздействие ниже, чем у здания с жесткой конструктивной схемой.
Согласно [2] одним из направлений «гибкого этажа» является резинометаллическая опора, которая устраивается между фундаментом и конструкциями здания. Опора имеет слоистую структуру и состоит из попеременно чередующихся стальных листов и неопрена. Вопрос с чрезмерной осадкой решается путем выполнения ее жесткой в вертикальной плоскости. А для ее подвижности в боковом направлении — уменьшают жесткость в горизонтальной плоскости. Данные опоры должны обладать достаточной прочностью на сжатие, растяжение и кручение. Это обеспечивается путем введения в тело опоры слоев неопрена.
Резинометаллические опоры необходимо располагать строго под колоннами надземной части либо в местах пересечения несущих стен. Сами опоры могут быть выполнены на отдельных фундаментах, при отсутствии подземного этажа.
Развитием данных опор являлось решение по заложению в них поглотителя колебаний в виде цилиндрического свинцового сердечника.
В инженерном обществе закрепилось мнение, что данное решение является самым экономичным в списке сейсмоизолирующих.
Одним из первых решений, принятых для массового применения на территории постсоветского пространства, согласно [3], — кинематические фундаменты.
Конструкция кинематического фундамента выполнена в виде подвижного элемента. Пята фундамента выполнена сферической, которая опирается на плоскую плиту или твердое основание. Подвижность в горизонтальной плоскости обеспечивается за счет шарнирного соединения с надфундаментной частью в виде связующего анкера и плоской стальной пластины.
Данное решение по соединению конструкций фундаментов с надфундаментными позволяет ограничить перемещения, так как анкер увеличивает сопротивление повороту кинематического фундамента.
Горизонтальную жесткость кинематического фундамента определяет гравитационная сила, которая удерживает фундамент в состоянии равновесия. Сама сила зависит от веса надфундаментной части, высоты фундамента и радиуса кривизны пяты. В свою очередь габариты самого фундамента зависят от действующих нагрузок, характеристик материалов и сейсмического воздействия.
Проведенные исследования кинематического фундамента на территории бывшего Советсткого Союза говорят о правильности решения и направления мысли инженеров. Данный фундамент позволяет значительно снизить интенсивность сейсмического воздействия на здание и уменьшить расходы ресурсов на определенные типы зданий, что требует уточнения.
Авторы работы [4] Куловы предлагают следующее решение сейсмоизоляции здания. Фундаментная плита разделяется на две части: нижняя и верхняя. Между плитами выполняются конструктивный зазор и ячейки. В ячейках располагаются металлические шары. Находясь в этих ячейках, шары имеют возможность свободно прокатываться в любом направлении горизонтальной плоскости, что позволяет устранить сейсмические воздействия на здание. Основанию буквально не за что «зацепиться».
Выше рассмотрена лишь малая часть имеющихся на данный момент решений по сейсмоизоляции зданий и сооружений, но они ясно и детально показывают на какие вопросы должны отвечать разрабатываемые решения. Основополагающими вопросами при разработке решения являются эффективность метода, возможность расчета, экономичность и возможность восстановления после повреждения. Необходимо соблюдать баланс между указанными характеристиками.
В настоящее время, из-за развития динамики землетрясений, имеющиеся нормативные требования и конструктивные решения требуют детальной проработки. На данный момент разработано свыше тысячи сейсмоизолирующих решений, которые удовлетворяют многим требованиям, что позволяет подобрать оптимальные решения по конструктивным решениям и трудоемкости при строительстве. Несмотря на количество решений, лишь небольшое количество может похвастаться учетом хотя бы 75 % из вышеперечисленных требований.
Для совершенствования имеющихся решений необходимо проведение исследований и испытаний.
Литература:
- СП 14.13330.2018 — Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7–81*.
- Чигринская Л. С. Сейсмостойкость зданий и сооружений. Учебное пособие для студентов специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и 270105 «Городское строительство и хозяйство». Изд-во АГТА. 2009. 34 стр.
- Черепинский Ю. Д. Сейсмоизоляция зданий. Строительство на кинематических фундаментах. Изд-во «Blue Apple», Москва, 2009 г. 7–13 стр.
- Кулов Р. П., Кулов А. Р. Сейсмостойкое здание: патент на изобретение 2428550 РФ; заявитель и патентообладатель Северо-Кавказский горно-металлургический институт. Опубл. 2011.
