Сейсмоизоляция сооружений

В городах и поселках городского типа строительство домов со стенами из сырцового кирпича, самана и грунтоблоков запрещается. В сельских населенных пунктах на площадках сейсмичностью до 8 баллов допускается строительство одноэтажных зданий из этих материалов при условии усиления стен деревянным антисептированным каркасом с диагональными связями. Жесткость стен каркасных деревянных домов должна обеспечиваться раскосами или панелями из конструктивной фанеры. Брусчатые и бревенчатые стены следует собирать на нагелях и болтах.

 

 

Сейсмоизоляция зданий и сооружений

Идея сейсмоизоляции была реализована еще в средние века. Так, при строительстве среднеазиатских минаретов в фундаменты укладывались специальные «камышовые пояса» или подушки из сыпучего материала. Однако теория сейсмоизоляции получила развитие в последние 20-25 лет. Первые работы в этой области были направлены на снижение инерционных сейсмических нагрузок путем снижения периода основного тона колебаний сооружения. Рассмотрение нормативных графиков коэффициентов динамичности, приведенных в нормах различных стран, показывает, что амплитуды спектральных кривых по мере увеличения периода собственных колебаний убывают. Это обстоятельство послужило причиной многочисленных предложений, обеспечивающих низкочастотную настройку сооружений вообще, и к применению разнообразных систем их сейсмоизоляции в особенности.

Существующие системы сейсмоизоляции на основании принятой выше классификации подразделяются на две группы:

1. стационарные 

2. адаптивные

Причем стационарные системы могут иметь или н иметь возвращающую силу, действующую на сейсмоизолированные части сооружения, Приведем некоторые конструктивные примеры, иллюстрирующие принцип работы систем сейсмоизоляции.

1. Стационарные системы сейсмоизоляции

Наиболее типичным приемом устройства сейсмоизоляции при наличии возвращающейся силы являются здания с гибким нижним этажом. Гибкий этаж может быть выполнен в виде каркасных стоек, упругих опор, свай и.т.п. Один из возможных вариантов конструктивного исполнения гибкого этажа представлен на рис. 1.  Конструкция состоит из гибких опор, выполненных их пакета упругих стержней небольшого диаметра, размещенных между надземной и подземной частями здания.                                                                                                 Рисунок 1.

 

 

 

 

Упругие опорные элементы в виде подвесок использованы в здании по проекту Ф.Д. Зеленькова в Ашхабаде. Схематичный чертеж фундамента на рис.2.

Здания на резинометаллических опорных частях получили широкое распространение за рубежом: в Японии, Англии, Франции. Исследования сооружений на резинометаллических опорах указывают на их высокую надежность, однако стоимость самих фундаментов оказывается значительной и может достигать 30% от стоимости здания. Некоторые конструктивные примеры резинометаллических опор, используемых за                                       Рисунок 2.  
рубежом, представлены на рис.3

Серьезной проблемой при проектировании сооружений на упругих опорах явилась сложность обеспечения их прочности при значительных взаимных смещениях сейсмоизолированные частей фундамента. Это послужило причиной широкого распространения кинематических опор при сооружении сейсмоизолирующих фундаментов. Здания на гравитационных кинематических опорах были построены в Севастополе, Навои, Алма-Ате,                                                                Рисунок 3. 
Петропавловске-Камчатском. Пример конструкции сейсмоизоляции гравитационного тип представлен на рис. 4; подвижные опорные части в виде эллипсоидов вращения размещены между надземной частью здания и фундаментом. Принцип действия такой конструкции состоит в том, что во время землетрясения центр тяжести опор поднимается, в результате чего образуется гравитационная восстанавливающая сила. При этом колебания здания происходят около положения равновесия, и их начальная частота и период зависят от геометрических размеров используемых опор. Необходимо отметить, что построенные фундаменты этого типа не имеют специальных демпфирующих                               Рисунок 4.      
устройств, и при длиннопериодных воздействиях  
силой более 8 баллов, согласно выполненным расчетам, возможно падение здания с опор. Это указывает на опасность фундаментов на кинематических опорах, если в них не предусмотрены дополнительные демпфирующие элементы.       

 

         Сейсмоизоляция, не обеспечивающая силы, действующей  на сейсмоизолированные части  конструкции, реализуется путем  устройства скользящего пояса. Одно  из наиболее известных технических  решений такого типа – сейсмоизолирующий  фундамент фирмы Spie Batignolle и Electricite de France.

Конструкция антисейсмической фрикционной опоры показана на рис. 5. Опора, поддерживающая верхнюю фундаментную плиту, состоит из фрикционных плит, армированной прокладки из эластомера (неопрена), нижней фундаментной плиты, бетонной стойки, опирающейся на нижнюю фундаментную плиту. Жесткость опор в вертикальном направлении примерно в 10 раз выше, чем в горизонтальном.

К настоящему времени с применением сейсмоизолирующих опор указанного типа построены здания АЭС в г. Круа (Франция) и в г. Кольберг (ЮАР).

Сейсмоизолирующий фундамент фирмы Spie Batignolle является классическим примером сейсмоизоляции с последовательным расположением упругих и депфирующих элементов. При относительно слабых воздействиях, когда горизонтальная нагрузка на опорную часть не превосходит сил трения, система работает в линейной области; при увеличении нагрузки сила трения преодолевается и происходит проскальзывание верхней фундаментальной плиты относительно нижней. При этом удается в несколько раз снизить нагрузки на оборудование и здание.

                                                                         Рисунок 5.

Несмотря на ряд достоинств сейсмоизолирующего фундамента   Spie Batignolle, рассмотренная конструкция имеет ряд недостатков. Критический анализ французского решения имеется, в нем, в частности, отмечается, что выполненные теоретические расчеты фундамента производились на высокочастотные воздействия, при этом взаимные смещения фундаментных плит не превосходили 20 см.

В качестве конструктивных недостатков фундамента следует отметить невозможность избежать неравномерного давления на опоры при строительстве на нескальных грунтах, отсутствие средств регулирования сил трения, сложность смены прокладок во время эксплуатации.

2. Адаптивные системы сейсмоизоляции

   Рассмотренные выше примеры сейсмоизоляции представляют собой системы, в которых динамические характеристики сохраняются в процессе землетрясения. Наряду с этими решениями в практике сейсмостойкого строительства получили распространение адаптивные системы. В этих системах динамические характеристики сооружения необратимо меняются в процессе землетрясения, «приспосабливаясь» к сейсмическому воздействию. Особенности работы такой сейсмоизоляции детально исследованы в работах Я.М.Айзенберга. Конструктивный пример этой системы сейсмоизоляции представлен на рис.6. В нижней части здания между несущими стойками нижнего этажа установлены связевые панели, отключающиеся при интенсивных сейсмических воздействиях, когда в спектре воздействия преобладают периоды, равные или близкие к периоду свободных колебаний сооружения. После отключения панелей частота свободных колебаний падает, период колебаний увеличивается, происходит снижение сейсмической нагрузки. При низкочастотном воздействии 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. В качестве недостатков необходимо отметить, что после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо их восстановление, что не всегда практически осуществимо. Кроме того, как известно, в некоторых случаях в процессе землетрясения в его заключительной стадии происходит снижение преобладающей частоты воздействия. Впоследствии этого возможного возникновение вторичного резонанса и потеря несущей способности конструкций здания. В этом случае требуется применение конструктивных мероприятий, что приводит к дополнительным затратам на строительство.

 

 

 

 

 

 

 

Основания и фундаменты    

Перед строительством здания или сооружения снижение интенсивности сейсмических воздействий может быть достигнуто повышением сейсмостойкости оснований. Необходимо строить на грунтах I и II категории согласно классификации СНиПа II-7-81*, т.к. чем грунт прочнее, плотнее, мало насыщен водой, тем быстрее скорость прохождения через него сейсмической волны (см. данные табл. 1). Проектирование фундаментов зданий следует выполнять в соответствии с требованиями нормативных документов по основаниям зданий сооружений и свайным фундаментам.

                Скорости распространения поперечных волн (волн сдвига) в грунте. Таблица 1

 

 

 

 

Глубину заложения фундаментов рекомендуется увеличивать путем устройства подвальных этажей. Фундаменты зданий высотой более 16 этажей на нескальных грунтах следует, как правило, принимать свайными или в виде сплошной фундаментной плиты с заглублением подошвы относительно отметки отмостки не менее чем на 3,0 м.

Фундаменты зданий, возводимых на нескальных грунтах, должны, как правило, устраиваться на одном уровне. Подвальные этажи следует предусматривать под всем зданием. При расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов допускается устройство подвала под частью здания. При этом следует располагать его симметрично относительно главных осей здания.

Для зданий выше 12 этажей устройство подвала под всем зданием обязательно. При строительстве на нескальных грунтах по верху сборных ленточных фундаментов следует укладывать слой раствора марки 100 толщиной не менее 40 мм и продольную арматуру диаметром 10 мм в количестве три и четыре стержня при сейсмичности 7 и 8 баллов соответственно. Продольные стержни должны быть соединены поперечными с шагом 300-400 мм. В случае выполнения стен подвала из сборных панелей или монолитными, конструктивно связанными с ленточными фундаментами, укладка армированного слоя раствора не требуется

В районах сейсмичностью 9 баллов ленточные фундаменты должны выполняться, как правило, монолитными. В фундаментах и стенах подвала из крупных блоков должна быть обеспечена перевязка кладки в каждом ряду, а также во всех углах и пересечениях на глубину не менее 1/3 высоты блока; фундаментные блоки следует укладывать в виде непрерывной ленты. Для заполнения швов между блоками следует применять раствор марки не ниже 50.

В зданиях при расчетной сейсмичности 9 баллов стены подвалов должны предусматриваться, как правило, монолитными или сборно-монолитными. В каждом ряду блоков в местах углов, примыканий и пересечений необходимо устанавливать арматурные сетки с заведением их на 70 см от мест пересечения стен. Горизонтальные гидроизоляционные слои в стенах зданий следует выполнять из цементного раствора.

Фундаменты и стены подвалов из бутобетона допускаются в зданиях до пяти этажей при расчетной сейсмичности 7-8 баллов. Количество бутового камня марки не ниже 200 не должно превышать 25 % общего объема фундаментов и стен, класс бетона - по расчету, но не ниже В7,5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перекрытия и покрытия

Перекрытия и покрытия следует выполнять в виде жестких горизонтальных дисков, надежно соединенных с вертикальными конструкциями здания и обеспечивающих их совместную работу при сейсмических воздействиях. Жесткость сборных железобетонных перекрытий и покрытий следует обеспечивать с помощью следующих конструктивных решений:

- устройством сварных  соединений плит между собой, элементами каркаса или стенами;

- устройством монолитных  железобетонных обвязок (антисейсмических поясов) с анкеровкой в них выпусков арматуры из плит;

- замоноличиванием швов  между элементами перекрытий.

Боковые грани панелей (плит) перекрытий и покрытий должны иметь шпоночную или рифленую поверхность. Для связи с антисейсмическим поясом, каркасом или стенами в панелях (плитах) следует предусматривать арматурные выпуски или закладные детали.

При устройстве проемов в перекрытиях для лестничных клеток и лифтовых шахт их рекомендуется располагать ближе к геометрическому центру. При этом проем не должен размыкать контур перекрытия. При ослаблении диска перекрытия проемом с размерами более 50 % ширины здания необходимо предусматривать дополнительное усиление перекрытия в смежных пролетах. Длина участка опирания плит перекрытий и покрытий на несущие конструкции принимается не менее, мм:

- на кирпичные и каменные  стены - 120;

- на стены из вибрированных  кирпичных панелей или блоков - 100;

- на железобетонные и  бетонные стены, на стальные и  железобетонные

балки (ригели), при опираний по двум сторонам - 80;

- при опираний по контуру - 60.

Опирание деревянных, металлических и железобетонных балок на каменные и бетонные стены должно быть не менее 200 мм. Опорные части балок должны быть надежно закреплены к несущим конструкциям зданий. Перекрытия в виде прогонов (балок) с вкладышами между ними должны быть усилены с помощью слоя монолитного армированного бетона класса не ниже В15 толщиной не менее 40 мм.

В двухэтажных зданиях в районах сейсмичностью 7 баллов и в одноэтажных зданиях в районах сейсмичностью 8 баллов при расстояниях между стенами не более 6 м в обоих направлениях допускается устройство деревянных перекрытий (покрытий). Балки перекрытий (покрытий) следует анкерить в антисейсмическом поясе и устраивать по ним диагональный настил.

Покрытия зданий следует проектировать из конструкций, которые максимально снижают их вес, используя, например, в металлических каркасах профилированный настил и эффективные утеплители.