СЕЙСМОСТОЙКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

Аннотация: Изучены методы строительства сейсмостойких зданий, применяемые в разных странах мира. Изложены принципы их действия, а также преимущества и недостатки.

Ключевые слова: сейсмостойкое строительство, адаптивные системы, сейсмогашение, многочастотный успокоитель колебаний, демпфирование, динамический гаситель колебаний, подвижный и амортизирующий фундамент, сейсмостойкие блоки.

Проектирование и строительство сейсмостойких зданий, особенно повышенной этажности, как показывает практика, представляет собой весьма сложную, но все же решаемую инженерную задачу.

Большое число людей живет в сейсмически активных районах как по всему миру (Индонезия, Филиппины, Японские острова, Чили, Побережье Калифорнии), так и в России (о. Сахалин, Камчатка, Курильские острова, Кавказ). Поэтому во избежание многочисленных жертв при землетрясениях необходимо применять антисейсмические меры при строительстве. Особенно это касается фундаментов [1, с. 20].

В данной статье рассмотрены методы строительства сейсмостойких зданий, применяемые в разных странах мира.

Адаптивные системы. В практике сейсмостойкого строительства получили распространение адаптивные системы. В этих системах динамические характеристики сооружения необратимо меняются в процессе землетрясения, «приспосабливаясь» к сейсмическому воздействию.

Идея: в процессе землетрясения изменять динамические характеристики конструкции так, чтобы в результате собственные частоты здания «ушли» из опасного резонансного диапазона.

Этого можно достигнуть двумя способами: посредством выключающихся связей; посредством включающихся связей.

Первый тип связей – это специально предусмотренные «слабые» конструктивные элементы здания, предназначенные для разрушения при землетрясении, что уменьшает жесткость здания и, соответственно, собственные частоты колебания сооружения (устройство «слабых» растворных проливок на границе между верхом фундамента и кладкой стен).

Второй тип связей в нормальной обстановке не участвует в работе конструкции, а включается только в процессе землетрясения при определенной величине перемещений: установленные с зазором ограничители; провисающие растяжки и т.п.

Характер соединения таких связей обеспечивает их определенную подвижность в ненагруженном состоянии, а при сейсмическом воздействии они способны воспринимать часть нагрузки.

В нижней части здания между несущими стойками нижнего этажа установлены связевые панели, отключающиеся при интенсивных сейсмических воздействиях. После отключения панелей частота свободных колебаний падает, период колебаний увеличивается, происходит снижение сейсмической нагрузки, т.к период собственных колебаний здания со связевыми панелями значительно ниже величин преобладающих периодов колебаний грунта, поэтому резонансные явления проявляются слабо и связевые панели не разрушаются.

Применение выключающихся связей наиболее эффективно в том случае, когда уверенно прогнозируется частотный состав ожидаемого сейсмического воздействия.

Недостатки: после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо их восстановление, что не всегда практически осуществимо; в некоторых случаях в процессе землетрясения в его заключительной стадии происходит снижение преобладающей частоты воздействия. Возможно возникновение вторичного резонанса и потеря несущей способности конструкций здания. В этом случае требуется применение конструктивных мероприятий, что приводит к дополнительным затратам на строительство.

Сейсмогашение. Системы с повышенным демпфированием. Идея: введение в конструкцию здания специальных устройств, повышающих рассеяние энергии, что приводит к уменьшению сейсмических ускорений системы. Пример: тип кладки из чередующихся слоев кирпича и камня является средством распределения и гашения нагрузок горизонтальных сейсмических волн.

Демпфирование характеризуется переводом энергии колебаний системы в другой вид энергии.

Использование демпфирующих устройств имеет ряд особенностей:

– появление остаточных деформаций и изменение взаимоположения элементов сооружения, требующих восстановления исходного положения после землетрясения;

– нелинейный характер работы системы, существенно затрудняющий расчет конструкций.

Многочастотный успокоитель колебаний или, сокращенно, МУК является системой устройств для вибрационного контроля, установленной на высотном здании или другом сооружении, которая колеблется с определёнными резонансными частотами данного объекта под сейсмической нагрузкой.

Каждый МУК включает в себя ряд междуэтажных диафрагм, обрамленных набором выступающих консолей с различными периодами собственных колебаний. Использование МУК позволяет сделать здание как функциональным, так и архитектурно привлекательным.

Приподнятое основание здания. Эффект Приподнятого основания здания (ПОЗ) основан на следующем. В результате многократных отражений, дифракций и рассеиваний сейсмических волн в процессе их распространения внутри ПОЗ, передача сейсмической энергии в надстройку (верхнюю часть здания) оказывается сильно ослабленной. Эта цель достигается за счёт соответствующего подбора строительных материалов, конструктивных размеров, а также конфигурации ПОЗ для конкретной площадки строительства .

Демпфирование вертикальной конфигурацией предназначено для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт предотвращения резонансных колебаний с помощью дисперсии сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения.

Конический профиль здания не является обязательным для этого метода вибрационного контроля. Аналогичный эффект может быть достигнут с помощью соответствующей конфигурации таких характеристик как массы этажей и их жесткости [1, с. 22].

Пружинный демпфер является изолирующим устройством, подобным по замыслу свинцово-резиновой опоре. Два небольших трехэтажных дома с такими устройствами, расположенными в Санта-Монике (Калифорния), были проэкзаменованы Нортриджским землетрясением в 1994 году. Анализ результатов показал, что реальная стойкость зданий оказалась в несколько раз хуже прогнозируемых.

Гистерезисный демпфер предназначен для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт рассеивания сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Имеются, в основном, четыре группы гистерезисных демпферов, а именно: жидкостный вязкоупругий демпфер; твердый вязкоупругий демпфер; металлический вязкотекучий демпфер; демпфер сухого трения.

Каждая группа демпферов имеет свою специфику, свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при их применении.

Динамические гасители колебаний (ГК). Для уменьшения инерционных сил, возникающих в сооружениях при землетрясениях, используют системы с повышенными характеристиками затухания. Эти системы особенно эффективны для конструкций башенного типа.

При использовании динамических гасителей необходимо осуществлять регулирование масс элементов системы и жесткости связей между ними. Такая настройка системы осложняется широким спектром характеристик сейсмических воздействий и различным поведением конструкций при сейсмическом воздействии. В зависимости от конструктивного выполнения упругих связей динамические гасители делятся на три группы: пружинные; маятниковые; комбинированные.

Инерционный гаситель представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой.

Для этой цели, например, инерционный демпфер небоскреба Тайбэй 101 оборудован двумя маятниковыми подвесками, на 92-ом и 88-ом этажах, весящими 660 тонн каждая.

Недостаток этого технического решения заключается в сложности систем и больших материальных затратах на их содержани.

Фрикционно-маятниковая опора. Фрикционно-маятниковая опора – это сейсмическая изоляция, являющаяся одним из инструментов вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве.

Состоит из следующих основных элементов : сферически вогнутая поверхность скольжения; сферический ползунок; ограничительный цилиндр.

Подвижные и амортизирующие фундаменты. Монолитные незаглубленные плавающие фундаменты (плитные, ленточные) на песчаной обезвоженной подушке являются, пожалуй, наиболее перспективным решением для дачных бань в тех местностях, где есть возможность завоза песка и готового бетона заводского изготовления. Они наименее трудоемки, надежны, долговечны. Такая фундаментная плита будет служить «всю жизнь», а при аварийных ситуациях легко ремонтируется и усиливается.

Отметим новые направления совершенствования плитных фундаментов – использование утепляющих и амортизирующих слоев, позволяющих повысить надежность фундаментов и снизить толщину фундаментных плит. Прогресс утепления фундаментов был достигнут в первую очередь за счет применения листового экструзионного (экструдированного) пенополистирола.

Амортизирующие слои изготавливаются из отработавших свой ресурс (лысых) покрышек автомобильных колес (автошин). Эта тенденция пришла к нам из США

Подвижный фундамент использует способность песка перемещаться под зданием, не передавая фундаменту полностью горизонтальных движений грунта. Такой фундамент позволяет сохранить здание на пучинистых, подвижных грунтах и при небольших землетрясениях .

Таким образом, применение сейсмоизоляции и сеймогашения 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.

Под руководством директора института, вице-президента восточно-европейской секции международной академии наук, доктора геолого-минералогических наук профессора Эльчина Халилова разработана сейсмостойкая конструкция здания нового поколения, которая наряду со своей эффективностью также обладает невысокой стоимостью, которая делает её доступной для небогатых застройщиков.

В других типах сейсмостойких конструкций имеются жесткие элементы, которые подвержены изгибу или смещению. В новой конструкции каждая точка здания может быть подвержена изгибу или смещению без повреждения и разрушения. В то же время после прохождения сейсмической волны здание способно восстанавливать первоначальную форму.

Конструкция состоит из блоков, которые соединяются между собой с помощью выпуклых элементов в верхней части. Они вставляются в пазы, расположенные в нижней части блоков на подобие конструктора «LEGO». Но из «LEGO» получается жесткая конструкция.

В блоках Халилова четко просчитаны все геометрические размеры и углы элементов. Все расчеты проверены экспериментально. Если изменить соотношение размеров блоков или изменить углы, то блоки перестанут работать. В местах соединения блоки смазываются особым демпфирующим веществом, которое не позволяет им разрушиться при больших динамических нагрузках и играет роль амортизатора, благодаря чему здание возвращается в первоначальное положение. Каждое соединение сесмостойких блоков – шарнир. Таким образом, здание состоит из множества шарниров. Наиболее важной особенностью соединения блоков является возможность ограниченного поворота боков и смещения их друг относительно друга во всех плоскостях.

При строительстве зданий предполагается крепление стен из сейсмостойких блоков к фундаменту при помощи стальных штырей, выходящих из него и пронизывающих блоки через отверстия в них на расстояние трех-пяти рядов кладки в зависимости от размеров здания и расчетной сейсмичности площадки. С перекрытиями блоки связаны с помощью таких же стальных стержней, которые, пронизывая перекрытие, связаны своей нижней частью с верхними рядами блоков предыдущего этажа, а верхней – с нижними рядами блоков следующего этажа.

При испытаниях на сейсмостенде были сооружены две кладки высотой 2,6 м. одинаковой конфигурации. Первая – из сейсмостойких блоков, вторая – из обычного камня на растворе с использованием цемента марки М400. При амплитуде колебаний в 7,5-8 баллов кладка из обычного камня разрушилась и опрокинулась на сейсмостойкую, которая не разрушилась даже при таком сильном динамическом воздействии. Это грандиозный успех разработчиков сейсмостойких строительных блоков.

Приведенные в статье методы сейсмозащиты являются универсальными, обеспечивающими защиту от различных видов сейсмических воздействий, в том числе с различных глубин и направлений их, а также по времени между толчками.