Исследование нового конструктивного решения фундаментов на скользящем слое

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

УДК 624.15

Н.П. Абовский, И.С. Инжутов, С.В. Деордиев, В.И. Палагушкин, В.Г. Сибгатулин*, И.Р. Худобердин

ФГАОУ ВПО «СФУ», *НП «ЭЦРОПР»

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО КОНСТРУКТИВНОГО РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ НА СКОЛЬЗЯЩЕМ СЛОЕ

Впервые разработана и предложена система оперативного автоматического управления внешней сейсмозащитой здания (сооружения) в виде автоматического выключателя аварийного уровня сейсмического воздействия.

Обоснован вывод о том, что актуальными направлениями развития в данный период следует считать конструктивные разработки, включая в первую очередь способы сейсмоза-щиты, особенно внешнюю сейсмозащиту.

Ключевые слова: землетрясение, сейсмическое воздействие, здание, сооружение, фундаментная платформа, сейсмозащита, скользящий слой, система управления сейсмозащитой.

1. Цели и задачи исследования. Обобщая работы по теории и практике сейсмостойкого строительства, проследим логику исследований, которая приводит к выводу о необходимости системной организации исследований для эффективного перспективного развития сейсмостойкого строительства, так как существующее состояние характеризуется проблемными просчетами, среди которых:

несоответствие нормативной теории спектрального метода расчета реальной физической природе сейсмического воздействия (неучет первого толчка и т.д.);

разрыв между геодинамической информацией в баллах и ее воспроизведение и использование в строительном проектировании;

пренебрежение характеристиками реальных фундаментов, которые существенно влияют на сейсмостойкость верхнего строения, отсутствие разработок сейсмостойких фундаментов;

парадоксы, возникающие при стремлении «уточнить» нормативную теорию в случае сложных грунтовых условий;

практическое отсутствие разработок и применения внешних сейсмозащитных устройств и систем автоматического управления сейсмобезопасностью зданий (сооружений) и др.

Таким образом, путем актуализации и модернизации действующих норм нельзя обеспечить перспективное развитие, необходимы более глубокие (коренные) изменения.

2. Фундаментный парадокс. В теории и практике фундаментостроения обнаружился парадокс: традиционно фундаменты рассчитываются на нагрузку «сверху вниз», в то время как сейсмическое воздействие имеет противоположное направление.

Фундаменты под здания должны в случае сейсмики выполнить противоположную функцию, на которую они не рассчитаны. И если в прямой задаче стремятся добиться более плавной, равномерной работы фундамента и здания, то в противоположной задаче, вероятно, имеет место неравномерность передачи воздействий от фундамента на части здания с негативными последствиями (разрушения).

Практика проектирования в соответствии с нормативным положением, к сожалению, не использует указанную противоположную постановку, а ориентирована на создание фундамента по прямой задаче и пренебрежение свойствами конкретного типа фундамента в расчетах на сейсмичность.

Фундамент, работающий и запроектированный от действия нагрузок сверху вниз, не может быть эффективным при действии нагрузки (сейсмики) совершенно другого вида — снизу вверх. Традиционные расчеты снизу вверх не планируются и не осуществляются.

Теория и возможность таких расчетов и этот факт в научной литературе даже не обсуждался, а в нормативах замалчивается.

Таким образом, традиционная практика в сейсмическом строительстве фактически, как правило, использует фундаменты, которые не предназначены для эффективной работы верхнего строения. Таковы парадоксальные факты и соответствующие последствия.

Напрашивается вывод о том, что если новая конструкция фундамента смягчает или ограничивает такие сдвиговые воздействия, то и характер деформирования (или разрушения) верхнего строения будет другим. Здесь заложена идея сейсмозащиты, которая может быть реализована, например, в виде сплошной фундаментной плиты на скользящем слое [1].

3. Разработка методов конструктивной безопасности. Недостатки (слабость) нормативной теории негативно отражаются на развитии способов конструктивной сейсмобезопасности, которые по инженерному замыслу опираются на реальную картину сейсмического воздействия, а нормативная теория ей не соответствует. Видимо по этой причине ряд конструктивных принципов и рекомендаций, не вытекающих непосредственно из нормативной теории, в действующих нормах не отражен.

Для обеспечения конструктивной безопасности целесообразно использовать следующие принципы:

принцип пространственного формообразования, нацеливающий на выбор такой пространственной формы, которая наиболее приспособлена для восприятия (сопротивления) внешним воздействиям;

многосвязности, в сочетании с пространственным формообразованием обеспечивающей условия пространственного перераспределения внешних воздействий так, что при нарушении отдельных связей системы происходит включение в работу смежных элементов (т. е. нарушение отдельных связей не приводит к глобальному разрушению);

системного подхода к конструированию верхнего строения совместно с фундаментной частью с учетом внешних воздействий и грунтовых условий как единой цельной системы — принцип замкнутого здания;

создания конструкций, малочувствительных к негативным внешним воздействиям, включая неравномерные осадки и просадки основания (принцип ПФП);

управляемости (регулируемости, адаптации) конструкций, основанный на создании конструкций как управляемых систем. С этой целью используются принципы преобразования части энергии внешних воздействий и перераспределения энергии деформирования конструкции («зло» превратить в «добро»), принцип динамического противодействия и др.;

«смягчения» негативных внешних воздействий путем применения буферных, защитных, демпфирующих и других традиционных устройств.

Использование данных принципов в системной совокупности ориентировано [1, 2]:

на воздействие на причины, порождающие опасность, с целью снижения негативных воздействий, полного или частичного их предотвращения; создание управляемых конструкций (активные подходы);

использование специальных безопасных конструктивных форм, для которых опасность внешних негативных воздействий снижена (пассивный подход).

Укажем, что применение достаточных размеров ПФП на скользящем слое успешно выполняет обе эти функции (обладает большей распределительной способностью от вертикальных нагрузок и снижением передачи горизонтальных смещений от основания на ПФП с верхним строением), не требуя устройства искусственного основания (утрамбовки, сваи и т.п.) и большой дополнительной «подушки» [3].

Компьютерное и физическое лабораторное моделирование показало, что устройство скользящего слоя под сплошной фундаментной платформой может служить внешним расчетным сейсмозащитным барьером, выше уровня которого на здание не передается расчетное сейсмическое воздействие (например, не выше 5 баллов).

4. Обоснование эффективности внешней сейсмозащиты. Скользящий слой под фундаментной платформой. Методы сейсмозащиты представлены в действующих нормах весьма ограниченно: внешняя сейсмозащита не предусматривается, а применение сейсмоизоляции внутри здания необоснованно ограничено требованием размещать ее «выше фундамента». Способы внешней сейсмозащиты имеют древнейшие корни и сейчас получают современное развитие в виде фундаментных платформ на скользящем слое [3].

Отметим, что устройства демпфирования и сейсмоизоляции получили достаточное развитие. В то же время устройства для проскальзывания, в т.ч. путем регулирования и снижения трения, разработаны недостаточно. Удалось показать на основе компьютерного моделирования, что устройство скользящего слоя (например, в виде нескольких слоев пленки) между фундаментной плитой и основанием приводит к снижению во много раз сейсмического воздействия на фундамент и верхнее строение [4].

В государственном научном планировании развития сейсмостойкого строительства в России (а есть ли оно вообще?) отсутствуют поисковые и внедренческие инновационные разработки по внешней и внутренней сейсмозащите. В практике ориентируются на дорогие зарубежные (китайские и др.) устройства, пренебрегая отечественными устройствами.

Традиционная внутренняя (выше фундамента) сейсмоизоляция в виде кинематических опор, резинометаллических демпферов снижает тангенциальные воздействия, вызывающие колебания верхнего строения (ориентировочно на 1-2 балла).

Предлагаемая внешняя (под фундаментной плитой) сейсмозащита: скользящий слой под фундаментной платформой ограничивает уровень передаваемых тангенциальных воздействий на систему (фундамент + верхнее строение) — не выше расчетного уровня.

При внешней сейсмозащите:

требуется только одна пространственная фундаментная платформа (ПФП), имеющая рациональное формообразование, обеспечивающее ее жесткость при сравнительно малом расходе бетона, т.е. снижением материалоемкости обеспечивается целостность всей системы без ее ослабления [3];

относительно малая чувствительность к неравномерным деформациям основания позволяет строить на слабых грунтах;

практически не требуется мониторинг;

повторные толчки не влияют на работоспособность ПФП на скользящем слое;

долговечность ПФП на скользящем слое соответствует «жизни» здания без его замены;

ПФП выравнивает и распределяет неравномерные сейсмические воздействия;

цельность всей системы сохраняется без каких-либо ослаблений. Многосвязность ПФП с верхним строением обеспечивает восприятие вертикальных воздействий, а скользящий слой работает как расчетный барьер против больших (превышающих трение) горизонтальных воздействий;

устройство скользящего слоя значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации;

расчетный сейсмозащитный барьер определяется с точностью знания данных о трении между ПФП и основанием, активной массой грунта и верхним строением.

Повышенное (сверх барьера) сейсмическое горизонтальное воздействие не проникает внутрь здания, и поэтому негативное взаимодействие между элементами здания не происходит. Это повышает экономичность и надежность;

ПФП на скользящем слое эффективна под разные здания (много- и малоэтажные), а также под мостовые и промышленные объекты [3].

Компьютерное моделирование скользящего слоя показало его высокую эффективность, в десятки раз превышающую традиционную сейсмоизоляцию, располагающуюся выше фундамента. Скользящий слой позволяет предотвратить наиболее опасные горизонтальные сейсмические смещения, приводящие к разрушению верхнего строения. Сформулирован критерий, определяющий возможность проскальзывания, предотвращающего повышенные сейсмические воздействия на верхнее строение:

A > km / Mg,

где А — ускорение данной массы грунта, возникающее в грунте при сейсмических воздействиях; k — коэффициент трения, возникающий между фундаментной платформой и скользящим слоем основания; m — масса верхнего строения фундамента; М — активная (присоединенная) масса грунта основания, воздействующая на верхнее строение; g — ускорение свободного падения.

Сейсмическое воздействие, создающее большее ускорение, чем определено критерием (1), на верхнее строение не передается, т.е. осуществляется сейсмозащита при помощи скользящего слоя.

Проведенные лабораторные испытания показали достаточную достоверность полученного критерия. Выполненный гипотетический пример свидетельствует о возможности практической реализации устройства скользящего слоя в реальном строительстве для повышения его сейсмостойкости [2]. Обоснована рациональность натурных испытаний, в частности, на имеющейся мощной виброплатформе в МГСУ на основе творческого содружества МГСУ и СФУ.

5. Автоматическое управление внешней сейсмозащитой здания. Впервые разработана и предложена система оперативного автоматического управления внешней сейсмозащитой здания (сооружения) в виде автоматического выключателя аварийного уровня сейсмического воздействия.

Сейсмостойкое здание замкнутого типа на пространственной фундаментной платформе со скользящим слоем, имеющей верхнюю и нижнюю плиту, скрепленные ребрами, для обеспечения оперативного управления (сейсмозащиты) оборудуется системой, состоящей:

из сейсмостанции наблюдения на удаленном расстоянии (сотни километров), вблизи очага;

проводной или беспроводной быстродействующей связи между станцией и модулем управления охраняемого здания;

модуля управления (в данном случае — управляемого запорного устройства, например, магнитного), воспринимающего аварийный сигнал с сейсмостанции;

актуаторов, реализующих управляющее решение (в данном случае напорных баллонов со смазкой скользящей жидкостью, которые впрыскивают (нагнетают) дозированную порцию смазки в скользящий слой под фундаментной платформой, снижающей трение и способствуещей проскальзыванию сейсмической волны под фундаментной платформой, не оказывая на нее силового воздействия. Актуаторы могут размещаться в полостях фундаментной платформы. Скользящий слой выполнен, например, из нескольких слоев полимерной пленки, верхние слои которой имеют небольшие, но многочисленные перфорированные отверстия, через которые смазывающая жидкость проникает внутрь между слоями и удерживается между ними, так как нижние слои — сплошные и непроницаемые. Аварийный сигнал, например, это максимальное значение ускорения, замеренное акселерометром, превышающее расчетно-допустимое для охраняемого здания.

Выводы. Обоснована целесообразность и эффективность внешних сейсмозащит-ных устройств. Впервые разработана и предложена система оперативного автоматического управления внешней сейсмозащиты.

Подана заявка на изобретение.

Разработка имеет все реальные условия для широкого применения с целью повышения сейсмобезопасности зданий и сооружений, особенно в сложных грунтовых условиях.

Примечание. Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научно-педагогические кадры инновационной России», проект 14.B37.21.0170.

Библиографический список

1. Необходимость системных исследований по сейсмостойкому строительству / Н.П. Абовский, И.С. Инжутов, С.В. Деордиев, В.И. Палагушкин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2011. № 3. С. 71—74.

2. О возможности внешних сейсмозащитных устройств / Н.П. Абовский, И.С. Инжутов, Е.А. Хорошавин, С.В. Деордиев, В.И. Палагушкин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2011. № 6. С. 38—42.

3. Пат. 2206665, 2273697, 38789, 45410, 50553, 53342, 55388, 64650, 69094, 73350, 59650. Российская Федерация / Н.П. Абовский и др.

4. Конструктивная сейсмобезопасность зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях / Н.П. Абовский, Н.И. Марчук, О.М. Максимова и др. Красноярск : Сибирский федеральный ун-т. 2009. 186 с.

Поступила в редакцию в октябре 2012 г.

Об авторах: Абовский Наум Петрович — доктор технических наук, профессор, почетный член РААСН, профессор-консультант кафедры строительных конструкций и управляемых систем, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «СФУ»), 660041, г. Красноярск, проспект Свободный, д. 82, (391)243-24-98, abnaum@yandex.ru;

Инжутов Иван Семенович — доктор технических наук, профессор, академик РАЕН, директор Инженерно-строительного института, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «СФУ»), 660041, г. Красноярск, проспект Свободный, д. 82, (391)252-78-11, ivaninzhutov@gmail.com;

Деордиев Сергей Владимирович — кандидат технических наук, доцент, член-корреспондент РАЕН, заведующий кафедрой строительных конструкций и управляемых систем, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «СФУ»), 660041, г. Красноярск, проспект Свободный, д. 82, (391)206-26-92, 240-69-16, deordievsv@yandex.ru;

Палагушкин Владимир Иванович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительных конструкций и управляемых систем, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «СФУ»), 660041, г. Красноярск, проспект Свободный, д. 82, (391)206-27-55, abnaum@yandex.ru;

Сибгатулин Виктор Газизович — заслуженный геолог РФ, директор, Некомерческое партнерство «Экологический центр рационального освоения природных ресурсов» (НП «ЭЦ РОПР»), г Красноярск, проспект Мира, д. 53, оф. 232, (391)226-31-38, runuclon@gmail.ru;

Худобердин Иван Рафаилович — инженер кафедры строительных конструкций и управляемых систем, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «СФУ»), 660041, г Красноярск, проспект Свободный, д. 82, runuclon@gmail.ru.

Для цитирования: Исследование нового конструктивного решения фундаментов на скользящем слое / Н.П. Абовский, И.С. Инжутов, С.В. Деордиев, В.И. Палагушкин, В.Г. Сибгатулин, И.Р. Худобердин // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 32—37.

N.P. Abovskiy, I.S. Inzhutov, S.V. Deordiev, V.I. Palagushkin, V.G. Sibgatulin, I.R. Khudoberdin

RESEARCH INTO A NEW STRUCTURAL SOLUTION APPLICABLE TO FOUNDATIONS RESTING ON THE SLIDING LAYER

The authors provide solutions to the relevant issue of development and construction of foundations resting on a sliding layer as a method of external seismic protection of buildings and structures. The authors have developed a system of automated operating control over the external

seismic protection of buildings (structures) that represents an automatic switch of the emergency-level seismic load. The authors have filed an application for the registration of their invention. The proposed solution has everything in place to be widely applied to improve the seismic protection of buildings and structures, especially those resting on problematic soils.

The authors provide their description of a paradox of foundations: foundations are analyzed in terms of "upside-down" loads, whereas seismic loads have an opposite direction. The authors provide their solutions to this problem.

The authors argue that methods of seismic protection incorporated into effective regulations are limited, and they do not constitute any external seismic protection methods, whereas the application of seismic isolation inside buildings is unreasonable, as it is limited by the requirement to install it "above the foundation". Presently, the above methods are being reworked into foundation platforms resting on a sliding layer. Their efficiency has been proven by a computerized model and a theoretical analysis.

The authors also provide their argumentation in favour of the conclusion that relevant seismic protection development trends are to incorporate advanced structural solutions, including methods of external seismic protection.

Key words: earthquakes, seismic load, buildings, structures, foundation platform, seismic protection, sliding layer, seismic protection control system.

References

1. Abovskiy N.P., Inzhutov I.S., Deordiev S.V., Palagushkin V.I. Neobkhodimost' sistemnykh issle-dovaniy po seysmostoykomu stroitel'stvu [A Need for Systemic Research into Seismic Construction]. Seysmostoykoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzheniy. [Seismic Construction. Safety of Structures]. 2011, no. 3, pp. 71—74.

2. Abovskiy N.P., Inzhutov I.S., Khoroshavin E.A., Deordiev S.V., Palagushkin V.I. O vozmozh-nosti vneshnikh seysmozashchitnykh ustroystv [Applicability of External Seismic Protection Devices]. Seysmostoykoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzheniy. [Seismic Construction. Safety of Structures]. 2011, no. 6, pp. 38—42.

3. N.P. Abovskiy and others. Patents 2206665, 2273697, 38789, 45410, 50553, 53342, 55388, 64650, 69094, 73350, 59650. Russian Federation.

4. Abovskiy N.P., Marchuk N.I., Maksimova O.M. and others. Konstruktivnaya seysmobezopasnost' zdaniy i sooruzheniy vslozhnykh gruntovykh usloviyakh [Seismic Safety of Constructions of Buildings and Structures in Problematic Soils]. Krasnoyarsk, SFU Publ., 2009, 186 p.

About the authors: Abovskiy Naum Petrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Honorary Member, Russian Academy of Architectural and Construction Sciences (RAACS), Consulting Professor, Department of Building Structures and Control Systems, Siberian Federal University (SFU), 82 Svobodnyy prospekt, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; abnaum@yan-dex.ru; +7(391)243-24-98;

Inzhutov Ivan Semenovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Member, Russian Academy of Natural Sciences (RAEN), Director, Institute of Civil Engineering, Siberian Federal University (SFU), 82 Svobodnyy prospekt, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; ivaninzhutov@ gmail.com; +7(391)252-78-11;

Deordiev Sergey Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Member, Russian Academy of Natural Sciences (RAEN), Chair, Department of Building Structures and Control Systems, Siberian Federal University (SFU), 82 Svobodnyy prospekt, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; deordievsv@yandex.ru, +7 (391) 206-26-92, +7(391)240-69-16;

Palagushkin Vladimir Ivanovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Building Structures and Control Systems, Siberian Federal University (SFU), 82 Svobodnyy prospekt, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; abnaum@yandex.ru, +7(391)206-27-55;

Sibgatulin Viktor Gazizovich — Distinguished Geologist of the Russian Federation, Director, Nonprofit Partnership "Ecological Centre for Rational Reclamation of Natural Resources (NP «ETs ROPR»), Office 232, 53 prospekt Mira, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; runuclon@gmail.ru; +7(391)226-31-38;

Khudoberdin Ivan Rafailovich — engineer, Department of Building Structures and Control Systems, Siberian Federal University (SFU), 82 Svobodnyy prospekt, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; runuclon@gmail.ru.

For citation: Abovskiy N.P., Inzhutov I.S., Deordiev S.V., Palagushkin V.I., Sibgatulin V.G., Khudoberdin I.R. Issledovanie novogo konstruktivnogo resheniya fundamentov na skol'zyashchem sloe [Research into a New Structural Solution Applicable to Foundations Resting on the Sliding Layer]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 32—37.