Экспериментально-аналитическая оценка ресурса сейсмостойкости исторических зданий

требований сейсмостойкости и энергоэффективности объекта в целом.

Чего стоит ожидать в создавшейся ситуации?

Очередного проявления сейсмической активности или незамедлительного принятия противоаварийных страхующих мероприятий в отношении серии 1-335 с неполным каркасом (только в г. Иркутске таких зданий около 180)?

Определенную надежду в лабиринтах государственно-ремонтного законодательства дает «Свод правил 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. СНИП-11-7-81*» [2], где согласно разделу 6.19 «Восстановление и усиление конструкций» можно прочитать:

- п. 6.19.3. В случаях, когда выполнение конструктивных требований норм в полном объеме невозможно, или их выполнение приводит к экономической нецелесообразности усиления, допускается реализация обоснованных расчетом технических решений усиления здания при неполном соответствии требованиям правил с их согласованием в установленном порядке;

- п. 6.19.6. Решения о восстановлении или усилении зданий должны принимать с учетом их физического и морального износа, назначения и социально-экономической целесообразности мероприятий по восстановлению или усилению.

Полная достоверная статистика отсутствует, но вероятно, не менее 1000 домов КПД Иркутской области серии 1-335 со стеновыми панелями из «проблемного» газобетона достигли и перешагнули «пенсионный» возраст и ждут принятия решения об их дальнейшей судьбе.

Проведенные исследования показывают, что проблема с жилыми зданиями серии 1-335 является комплексной и многоаспектной. Отсутствие комплекса мер по своевременному устранению дефектов зданий данной серии может привести к значительным социальным последствиям. Для решения проблемы с жилыми домами серии 1 -335 необходима разработка и принятие областной государственной долгосрочной целевой инвестиционно-строительной программы.

Статья поступила 23.10.2015 г.

Библиографический список

1. Градостроительный кодекс Российской Федерации от 29.12.2004 № 190-ФЗ (ред. от 13.07.2015) (с изм. и доп., вступ. в силу с 19.10.2015) [Электронный ресурс]. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_51040/ (02.11.2015).

2. Свод правил 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. СНИП-11-7-81* [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200111003 (02.11.2015).

3. Левченко Е.А., Воробчук В.А. Получение эффективного строительного материала с использованием местного сырья // Вестник ИрГТУ. 2015. № 5 (100). С. 94-98.

4. Матвеева М.В. Генезис управленческих концепций управления расширенным воспроизводством // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2014. № 6 (11). С. 30-39.

5. Матвеева М.В. Развитие инновационных подходов к оптимизации структуры инвестиционной стоимости проектов в жилищном строительстве // WORD Press. Прага, 2014. 196 с.

6. Матвеева М.В. Целевая фокусировка как инструмент реализации национальных приоритетов развития: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 276 с.

7. Матвеева М.В., Копельчук С.Ю. Активизация потенциала государственных инновационных программ // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2014. № 5 (10). С. 36-43.

8. Петров А.В., Атаманов А.А., Петунин А.Г. Иркутские «хрущевки»: прошлое, настоящее, будущее // Вестник строителей Байкальского региона. 2014. № 4. С. 24-31.

9. Статистический ежегодник: краткий справочник Иркутской области. Иркутск: Иркутскстат, 2014. 60 с.

УДК 624.012.45

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕСУРСА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ИСТОРИЧЕСКИХ ЗДАНИЙ

.2

© А.С. Чесноков1, Б.И. Пинус

1ООО «Профи-Град», 664047, Россия, г. Иркутск, ул. Александра Невского, 58. 2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Разработаны расчетно-динамические модели (РДМ) для оценки сейсмостойкости каменных зданий исторической застройки (КЗИЗ). Экспериментально методами микродинамической диагностики подтверждена тождественность предложенной расчетно-динамической модели действительной реакции здания на инерционные воздействия. Установлен дефицит сейсмостойкости каменных зданий исторической застройки, который в Прибайкалье составляет 1,5-3,0 балла. Предложены методы усиления.

Ключевые слова: сейсмостойкость; исторические здания; расчетно-динамические модели; оценка сейсмостойкости.

1Чесноков Аркадий Сергеевич, инженер, директор, тел.: 89500603990, e-mail: profi-grad@mail.ru Chesnokov Arkadii, Engineer, Director, tel.: 89500603990, e-mail: profi-grad@mail.ru

2Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций, тел.: (3952) 405467, e-mail: pinus@istu.edu.

Pinus Boris, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Building Structures, tel.: (3952) 405467, e-mail: pinus@istu.irk.ru

EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL EVALUATION OF HISTORIC BUILDING SEISMIC STABILITY RESOURCE A.S. Chesnokov, B.I. Pinus

"Profi-Grad" LLC,

58 Alexandra Nevskogo St., Irkutsk, 664047, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Analytical and dynamic models (ADM) are developed to estimate the earthquake resistance of historic stone buildings. The identity of the proposed analytical and dynamic model of the actual reaction of a building on inertial effects is proved by the experimental methods of microdynamic diagnosis. It is determined that there is the deficit of earthquake resistance in historic stone buildings, which reaches 1.5-3.0 points in the Baikal region. Reinforcement methods are proposed. Keywords: seismic resistance; historical buildings; analytical and dynamic models; evaluation of seismic resistance.

Постановка вопроса. «Технический регламент безопасности зданий и сооружений» требует обеспечения их безопасности в течение всего срока эксплуатации [1]. Для объектов, эксплуатируемых в сейсмически активных районах, это требование тождественно сохранению (поддержанию) установленного уровня сейсмостойкости.

Согласно нормативной классификации под сейсмостойкостью объекта подразумевается (в наиболее обобщенном виде) его способность выполнять проектные функции после землетрясений расчетной интенсивности. Учитывая уникальность зданий анализируемой категории, указанное требование предопределяет необходимость обеспечения их полной сохраняемости [2].

Цель исследования. Разработка комплексного подхода к оценке ресурса сейсмостойкости каменных зданий исторической застройки.

Обоснование методики исследования. Все

наиболее часто реализуемые на практике методы оценки сейсмостойкости могут быть систематизированы как формализованные качественные (экспертные), расчетно-аналитические и экспериментальные (вибродинамические). Первые из них характеризуются неизбежной субъективностью экспертов и, как следствие, ограниченной достоверностью заключений. Расчетно-аналитические методы, основанные на использовании нормативных расчетно-динамических моделей (РДМ), предполагают одновременное выполнение принципиальных условий (обеспечение пространственного характера работы здания, симметричность распределения масс и жесткостей, устройство антисейсмических швов, армирование и др.). Их отсутствие в зданиях исторической застройки предполагает определенную коррекцию аналитических прогнозов.

Что касается вибрационных испытаний, то они позволяют оценивать сейсмостойкость сооружения по его динамическим параметрам и, учитывая уникальность объектов, могут быть использованы только в «щадящем» режиме (удары «мягким грузом», фоновые инерционные воздействия, «мгновенные удары» и т.п.). В подобных испытаниях реакция массивных объектов не всегда тождественна их поведению в ожидаемых реальных условиях землетрясений.

В силу отмеченного выше для зданий исторического наследия предпочтительнее использовать комплексный подход, сочетающий процедуры технического мониторинга, экспериментальную проверку кон-

структивных параметров материалов несущих конструкций, коррекцию РДМ, учитывающую специфику объемно-планировочных (ОПР) и строительно-конструктивных решений (СКР) КЗИЗ. Достоверность получаемых результатов подтверждена выборочной экспериментальной проверкой группы зданий КЗИЗ «щадящими» вибрационными воздействиями. Установление динамических параметров зданий производилось:

- методом регистрации собственных колебаний по наличию резонансных пиков с помощью автономной сейсмической станции «Байкал-7НР» в комплекте с пьезоакселерометрами А1638 [3];

- методом фиксации фоновых микроколебаний от «мягкого удара» зданий дальномерным лазерным виброметром РБУ-150, позволяющим осуществлять измерение вибраций и перемещений в диапазонах частот 0-25 кГц [4].

Обсуждение результатов исследования. Апробация разработанного системного подхода проведена для трех реальных объектов КЗИЗ, характеризующихся наиболее часто встречающимися (характерными) ОПР и СКР: двухэтажные здания с усложненной конфигурацией в плане, несущими наружными (420-1500 мм) и внутренними (140-440 мм) кирпичными стенами, деревянными бревенчатыми перекрытиями (пролетом до 7,2 м), бутовыми фундаментами (толщиной 5001700 мм) и часто расположенными (шаг 2,5-4,5 м) перегородками из кирпича и половника.

Численное моделирование выполнено с использованием скорректированных РДМ, основанных на рекомендациях актуализированной версии СП 14.13330.2011 [2], и формированием жесткостных и прочностных характеристик конечных элементов по статистически обоснованным данным испытаний материалов каменных кладок. При этом моментная сейсмическая нагрузка по направлению обобщенных координат, соответствующая /'-ой форме колебаний и приложенная в точке к модели, определялась как

= к0к\Бык ,

или

= т^АклРг к^пк ,

где все обозначения приняты по СП 14.13330.2011.

Для монументальных зданий значение коэффициента к0 принято равным 2, а ^=1.

Динамические расчеты выполнены с использованием программного комплекса «Лира-САПР» и объективных данных визуально-инструментального мониторинга технического состояния. В качестве исходных параметров конструктивных свойств приняты экспериментальные данные прочности и деформативности кирпичной и бутовой кладок уровня их 95-процентной обеспеченности [5].

Результаты численного моделирования представлены в табл. 1.

Достоверность аналитических расчетов была проверена путем проведения для рассматриваемых объектов вибродинамических испытаний по вышеуказанным методикам. Измерения колебаний осуществлялись при фоновых инерционных воздействиях с замерами перемещений, скорости и ускорений в трех плос-

костях на каждом уровне: основание, подвал, первый и второй этажи (рис. 1, 2).

Учитывая случайный и разнонаправленный характер фоновых воздействий, анализ регистрируемых параметров велся с использованием их среднеквад-ратических значений, а векторное результирующее значение определялось по общепринятой процедуре:

X ('и Чх2'+ '/(0у+ 'М,

где X, (0ху2 - вектор /'-го параметра виброреакции здания; хI (О - его проекции на соответствующие координатные оси.

Частота Период колебаний

Объект в заданном направлении, Гц в заданном направлении, с

продольное поперечное продольное поперечное

1 3,982 4,032 0,251 0,248

2 9,052 8,941 0,110 0,112

3 5,260 5,350 0,190 0,187

Таблица 1

Расчетные значения динамических параметров зданий-представителей

Рис. 2. Спектры виброускорений на различных уровнях здания: 1 - уровень подвала; 2 - уровень первого этажа; 3 - уровень второго этажа

В качестве типичных в табл. 2 представлены результаты измерений виброреакции одного из объектов, являющихся базовыми исходными данными для спектрально-корреляционной обработки данных с помощью стандартных преобразований Фурье [6].

Экспериментальные значения частоты и периода колебаний зданий - представителей КЗИЗ, приведены в табл. 3.

Используя данные технического мониторинга и предложенные актуализированные модели, итерационным методом установлено, что фактический ресурс сейсмостойкости объектов КЗИЗ составляет 6,0-6,5 баллов по шкале, представленной в действующих нормативных документах. Следовательно, дефицит их сейсмостойкости в условиях Прибайкалья составляет 1,5-3,0 балла даже при отсутствии внешних повреждений и неисправностей. Он объясним не только объективным физическим износом каменных конструкций. Повышенная сейсмоуязвимость обусловлена в основном существующим строительно-конструктивным решением, отличающимся большой массивностью при сравнительно ограниченной пространственной жесткости, обеспечивающей перераспределение динамических усилий между несущими элементами. Кроме того, сказывается отсутствие антисейсмических конструктивных мер - сейсмопоясов, армирования, узловых усилений и т.п.

Учитывая уникальность рассматриваемых объектов, их усиление до уровня необходимой сейсмостойкости сопряжено с определенными историческими архитектурно-строительными ограничениями. При этом большинство предлагаемых решений каменных зданий направлено на устранение локальных повреждений, дефектов и неисправностей. В частности, это

Вполне приемлемые совпадения расчетных и экспериментально установленных значений частот и периодов колебаний позволяют считать принятые РДМ достаточно адекватными действительной реакции объектов на инерционные динамические воздействия. Метод последовательных приближений позволяет установить фактический ресурс сейсмостойкости зданий КЗИЗ без проведения вибрационных испытаний.

Таблица 3

достигается фрагментарной заменой поврежденных участков кладок, инъецированием трещин, устройством бетонных аппликаций, обойм и других местных усилений. Однако важный вопрос обеспечения общей пространственной устойчивости и совместности работы всех конструктивных элементов принципиально не решается.

Анализ всех имеющихся решений [7, 8] дает возможность считать предпочтительными для КЗИЗ методы, позволяющие увеличить пространственную жесткость за счет включения в работу на возможные сейсмические воздействия перегородок, столбов и стен с одно- и двухсторонним их усилением торкретированием по арматурным сеткам. При необходимости может производиться фрагментарная замена участков деревянных перекрытий на железобетонные. Разработанные РДМ позволяют методами численного моделирования определять необходимый объем работ по усилению с учетом установленного дефицита ресурса сейсмостойкости. Эффективность предлагаемых решений проверяется поверочными испытаниями с контролем динамических параметров. В частности, для указанных ранее зданий -представителей КЗИЗ усиление выполнено путем одностороннего торкретирования несущих наружных стен и объемного торкретирования перегородок. Причем принятое узловое

Таблица 2

Параметры колебания здания при фоновых воздействиях_

Параметры колебаний Уровень замеров Среднеквадратичные значения по осям

ох оу oz oxyz

Перемещение, Бст, мкм Подвал 0,16 0,16 0,18 0,29

1-й этаж 0,33 0,17 0,30 0,48

2-й этаж 0,41 0,16 0,27 0,51

Скорость, Ба, мкм/с Подвал 1,76 1,76 2,10 3,26

1-й этаж 5,41 1,99 9,15 10,82

2-й этаж 5,16 3,04 11,18 12,68

2 Ускорение, Лст, мм/с Подвал 0,14 0,26 0,14 0,33

1-й этаж 0,68 0,82 0,77 1,32

2-й этаж 1,11 1,63 1,09 2,25

Фактические (экспериментальные) динамические характеристики зданий

Частота Период колебаний Различие опытных и расчетных значений периода колебаний, %

Объект в заданном направлении, Гц в заданном направлении, с

продольное поперечное продольное поперечное продольное поперечное

1 4,272 4,395 0,234 0,228 7,26 8,77

2 9,750 9,875 0,103 0,101 6,80 10,90

3 5,600 5,740 0,179 0,174 6,15 7,47

Таблица 4

Динамические параметры колебаний КЗИЗ (на примере объектов г. Иркутска)_

Наименование объекта Направление воздействия Частота и период колебаний

до усиления после усиления

/0, Гц To, с /01, Гц T01, с

Здание-памятник по ул. Лапина, 8 продольное 5,26 0,190 13,3 0,075

поперечное 5,35 0,187 14,5 0,069

Усадьба Аксенова продольное 4,639 0,216 6,25 0,16

поперечное 5,493 0,182 7,41 0,135

Жилой дом по ул. Урицкого продольное 4,028 0,248 5,85 0,171

поперечное 4,517 0,221 6,329 0,158

армирование предусматривает включение всех перегородок на горизонтальные динамические воздействия.

Эффективность разработанного и реализованного усиления подтверждена данными вибрационных испытаний с регистрацией резонансных пиков (табл. 4).

Сопоставительный анализ динамических характеристик наглядно подтверждает увеличение ресурса сейсмостойкости рассматриваемой застройки.

В заключение сформулируем следующие выводы:

1. Каменные здания исторической застройки имеют дефицит ресурса сейсмостойкости, оцениваемый в 1,5-3,0 балла по действующей шкале интенсивности землетрясений.

2. Актуализированные нормативные расчетно-динамические модели позволяют определить объем необходимых конструктивных мер усиления каменных зданий исторической застройки до уровня необходимой сейсмостойкости.

Статья поступила 14.08.2015 г.

Библиографический список

1. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений: федер. закон РФ от 30.12.2009 г. № 384-ФЗ (ред. от 02.07.2013).

2. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах: актуализированная редакция СНиП 11-7-81*. М.: Минре-гионразвития РФ, 2011. 29 с.

3. Бержинская Л.П. Надежность региональных типов зданий при сейсмических воздействиях (на примере Прибайкалья): дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01. Иркутск, 2006. 125 с.

4. ГОСТ Р 54859-2011. Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний. М.: Стандартинформ, 2012.

5. Чесноков А.С. Пинус Б.И. Конструктивные свойства каменных кладок зданий исторической застройки // Вестник ИрГТУ. 2015. № 3 (98). С. 162-165.

6. Бендат Д., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312 с.

7. Мартемьянов А.И., Ширин В.В. Способы восстановления зданий и сооружений, поврежденных землетрясением. М.: Госстройиздат, 1962. 284 с.

8. Камейко В.А. Состояние и основные направления исследования прочности каменных конструкций. М.: Стройиздат, 1978. 134 с.