Основные правила и принципы повышения сейсмостойкости структур в 9-балльном районе



В статье автор рассматривает правила и принципы повышения сейсмостойкости зданий и сооружений в условиях МРЗ.

Ключевые слова: сейсмология, сейсмоустойчивость, нестационарные диссипативные системы.

Повышенная энергоемкость, с проявлением сейсмоадаптивных и сейсмоизолирующих качеств, рационально комбинированных структур сейсмического сопротивления перегрузкам, обеспечивают их сохранность на воздействие различного типа катастрофических землетрясений, приводящих в прошлом к массовому обрушению объектов застройки 9-балльного региона.

Высокая гибкость довольно прочной комбинированной структуры многократно статически неопределимой ДНС (диссипативной нестационарной системы), реализующей вязкость mixed system, с большой пластичностью критических зон, с перераспределением усилий на недогруженные элементы многократно статически неопределимой конструкции приводит к сейсмоизоляции объекта заданным расчетно конструктивным уровнем. Популярны структуры из армированных трубобетонных колонн с вертикальными энергопоглощающими связями и легкими распорными перекрытиями.

Понижение сотрясаемости объекта катастрофическим землетрясением достигается взаимодополняющей работой мер активной и традиционной сейсмозащиты. При этом под мерами традиционной сейсмозащиты понимают и конструкции принципиально схожими с выше описанными. Эти меры дополняют целесообразное уплотнение и усиление основания. Передовые зарубежные фирмы проектируют современный градостроительный комплекс в 9 балльной зоне, обеспечивая повышенную конструктивную надёжностью сооружений инфраструктуры и других объектов особо ответственных за сейсмоустойчивость застройки, а также высотных зданий Сейсмический анализ поведения элементов на сейсмическую перегрузку выполняют по результатам прямых нелинейных динамических расчетов, допуская технико-экономически обоснованный объёме повреждений на случай сейсмического форс-мажора. Для Алматы это не исключаемая из расчета возможность 9-10-балльного сотрясения объектов застройки. Оценку максимального сотрясения проектируемого объекта выполняют в координатах наиболее опасных возможных землетрясений (ВОЗ) с учетом деградации прочности за расчетный срок эксплуатации. Адрес и направление S-перегрузки отражают в оптимизации структуры объекта нового строительства с заданной проектом (обеспеченной) рациональной фрикционной связью с колеблющимся грунтом, с введением, по необходимости, скользящего слоя и использованием гравитационной восстанавливающей силы. Необходимый для понижения сейсмического риска объем изысканий определяет конструктор. В задании отражается конструктивная концепция, которой реализуется рациональный компромисс ограничения как силовой, так и деформативной составляющих сейсмическая реакции. Последнее является определяющей в отношении достижения должной конструктивной надежности. «Выигрываешь в силе — проигрываешь в расстоянии»; см. PBD — метод эксплуатационных параметров, и других современные методы с алгоритмом нелинейно-нестационарного динамического расчета конструкций на кратковременную перегрузку. Для достижения приемлемого компромисса используют отстройку от резонанса последовательным рациональным изменением расчетной схемы (структуры сооружения), привлекая направленную локализацию повреждений во второстепенных элементах или заменяемых связях, защищающих устои от перегрузки вплоть до полного их выключения. Кроме того используют упоры-ограничители перекоса этажа; т. е. сейсмоизоляцию ВУС-эффектами.

Рациональное взаимодействие специальных и традиционных мер сейсмозащиты приводит к дополнительной эффективности — эмерджентному преимуществу ДНС.

Расчетное сейсмическое воздействие — это не заранее известная автором норм статическая знакопеременная нагрузка. ДНС действительно, а не тезисно, отражает выполнение требований СП РК:

— применять материалы, конструкции и конструктивные системы, обеспечивающие наименьшие значения сейсмических нагрузок на здания и сооружения;

— обеспечивать однородность, симметричность, регулярность и равномерность распределения вертикальных конструкций в плане и их непрерывность по высоте;

— обеспечивать обеспечивать распределение масс в плане и по высоте;

— обеспечивать диафрагмальное поведение междуэтажных перекрытий зданий и их реакции на сейсмические воздействия как единой конструктивной системы;

— обеспечивать близкие жесткости и сопротивляемости конструктивной системы в ее главных горизонтальных направлениях;

— применять конструктивные схемы, способные противостоять сейсмическим воздействиям в любом направлении и ограничивать крутильные колебания в плане;

— отдовать предпочтение многократно статически неопределимым конструктивным системам, обладающим избыточностью;

— предусматривать мероприятия, обеспечивающие сохранность несущих конструкций, локальное разрушение или недопустимое деформирование которых способно вызвать обрушение здания или сооружения;

— предусматривать мероприятия, обеспечивающие способность конструкций к пластическому деформированию;

— обеспечивать устойчивость и геометрическую неизменяемость конструктиных систем при развитии в их конструкциях и/или соеденениях между ними пластических деформаций;

— предусматривать мероприятия, обеспичивающие сохранность несущих конструкций, повреждения которых могут представлять угрозу для безопасности людей или потребуют больших затрат на устранение.

Обеспечением должной прочности и жесткости основания и несущей способностью конструкции, позволяющей им колебаться с относительными смещениями, приводящими к сейсмоизоляции и энергопоглощению позиционным сухим трением, создаются условия для ограничения реакции инвариантным уровнем. Расчет, выполняют с привлечением теории нелинейной сейсмооизоляции конструкций от воздействия машин с динамическими нагрузками, с идентификацией коэффициентов неупругого сопротивления в комплексной форме учитывающих амортизацию и смешанное вязкое, сухое и внутреннее трение. Конструктивная оптимизация на случай перегрузочного форс-мажора основывается на регулярности возможно большего числа образования на циклическую S-перегрузку упругопластических шарниров. Предполагается большие площади квадратной, а лучше круглой формы, здания в плане. На случай опасной низкочастотной составляющей землетрясения в структуру сейсмического сопротивления сооружения включают дополнительные диссипаторы и элементы ВУС.

Расчетные схемы, РДМ, и аппроксимация реакции объекта до приведения в ПС на ограничение ущерба при ПЗ и исключения обрушения в случае МРЗ, должны реалистично отражать распределение масс и жесткостей. пространственный характер деформирования, локализацию повреждений особенно в конструкциях типа каменных заполнений каркаса, действительную пластичность элементов и связей устоев, взаимодействие здания с основанием, и соответственно цели расчетного конструирования придание объекту свойств — сейсмоадаптивности, достигаемой, в том числе за счет организованной не стационарности внутренней структуры сейсмического сопротивления сооружения. При этом целесообразна оптимизация двойной рабочейхарактеристики каждого элемента, составляющего несущую структуру в зависимости от его ответственности — приоритета за сейсмоустойчивость повреждаемого сооружения с разделением затрат на сейсмовооружение на первичную и вторичную, если МРЗ случилось, — восстановительную часть. НКМ и ПГТЭ (нелинейная конструктивная модель и правила гистерезиса тягучих элементов) должны быть установлены для всех критическихузлов и зон , в которых нелинейные деформации могут развиться.

Анализом сопротивления элементов в расчетной ситуации с МРЗ выявляют рациональные защитные аспекты и свойства, которые следует придать (соответствующим рабочим проектированием) перенапрягаемым КЭ устоев и связям между ними — критическим зонам. При должном обосновании в структуру сопротивления сооружения включают комплекс мер СДС эффективно взаимодействующих с традиционной сейсмозащитой, ограждающих устои от перегрузки, инвариантно ограничивающие реакции, что достигается, например, рациональной совокупностью направленной локализации повреждений, сейсмоизоляции фторопластовой парой с сухим позиционным и квадратичным вязким трением, с гравитационной восстанавливающей силой, и, по необходимости, — с ДГК и элементами ВУС.

Достижение одновременно и надежности и экономичности здания предполагает достаточную полноту исходных данных и предпроектной работы позволяющих выбрать для объекта приемлемую прогрессивную конструктивную концепцию, а в последующем — повысить эффективность решений путем поэтапного вариантного проектирования. При этом:

1. Оценку сейсмической опасности площадки, при учете микросеймозонирования по расстоянию от ВОЗ, топографии, вероятного излома (преломления и наложения) S-волн, удлинения эффективного времени МРЗ с энергопоглощением от очага до площадки и обогащением амплитудно-частотного состава, следует выполнять во взаимодействии с динамическими свойствами самого объекта и мерами укрепления основания. Объем данных инженерно-сейсмологических изысканий должен соответствовать расширенному (в связи с отсутствием до сих пор карты МСЗ Алматы) техническому заданию Конструктора, составленному с отражением концепции проекта и возможностью повысить эффективность по п.2. Концептуально при известном направлении от площадки до наиболее опасного ВОЗ сооружение ориентируют наибольшим сейсмическим сопротивлением к фронту S-воздействия, например, для Алматы — это направление от гор
2. Весьма рациональны меры, снижающие перемещения и деформации земной поверхности, имея ввиду рабочий проект усиления основания, исключающий чрезмерную деформативность активной зоны и развитие сейсмического резонанса — обеспечение большого различия в частотах воздействия и собственных колебаний объекта.
3. Наряду с повышением статической неопределенности конструкции, её критическим зонам надо придавать большую мощность развития пластической деформации, вязкость и ремонтопригодность,, обеспечивая опережение образования ригельных упругопластических механизмов стоечным, с энергетической защитой устоев направленной локализацией повреждений в заменяемых резервных связях, и, по необходимости, вводить в структуру энергопоглощающие ремонтные связи. Развитие трещин в бетоне останавливают соответствующим армированием. Упругопластический шарнир моделируют группой эквивалентных нелинейных коротких сжато-изогнутых элементовпостоянной кривизны (постоянной деформации) , отражающих распределению пластичность этой опорной критической зоны.
4. Обеспечивая динамическую устойчивость минимизируют массу и жесткость ее связи с основанием, применяя (для исключения завышения себестоимости мер сейсмозащиты) рациональную комбинацию прочных mixed & dual system, с вязко-пластичными связями между устоями. (Сегодня популярна структура из армированных трубобетонные колонны с частым шагом по контуру здания с легким покрытием реализующим разгрузку арочным распором и введенными в структуру энергопоглотителями.
5. Для исключения необходимого усиления поврежденных опорных критических зон ригелей с перекрытиями в их пролетном армировании учитывают возросший изгиб от падения жесткости защемления. Также учитывают передачу изгиба системы ригелей с мелкоштучным кладочным заполнением каркаса через которое нагрузка на ригеля передаётся непосредственно на фундаментную балку, входящую в общую структуру сейсмического сопротивления, деформативность которой определяется объемом накопления локальных разрушений хрупкого заполнения, обрушение которого исключается заключением в армоцементную рубашку. В этом случае увеличение армирования не потребуется и после ПЗ достаточна только затирка трещин. Что же касается вероятности МРЗ и расчета на него ДНС, то такие хрупкие жесткие второстепенные элементы, локализирующие повреждения, с рассеиванием энергии сотрясения позиционным трением по обжатым трещинам, должны быть отражены алгоритмом расчета соответственно их энергопоглощению перегрузке и временной защите устоев от нарастания сейсмического резонанса согласно отдаляют режим резонанса для устоев основной несущей структуры сооружения.
6. В успешном достижении эффективности нелинейной виброизоляции проектируемых объектов за счет преимуществ комплекса рациональных конструктивных мер и СДС, повышающего сейсмостойкость конструкций без удорожания строительства, помимо выше обозначенного, нужна идентификация зависимостей в алгоритме расчета ДНС. Надо признать, что действительную эффективность СДС можно оценить лишь анализом последствий катастрофических землетрясений.
7. Для практически бесзатратного понижения сейсмического риска надо обеспечить высокое качество проектных решений и строительства (с должным управлением качеством, организацией и контролем производства работ).

Повышение до требуемого сейсмостойкого качества объектов нового строительства предполагает, помимо выше оговоренного оптимума активных и пассивных мер, внедрение преимуществ новых материалов и высоких технологий, а также совершенствование методов расчетного конструирования сейсмостойкости. Для 9-балльного района нужна оптимальная (в отношении технико-экономической эффективности) комбинация сейсмоизоляции и сейсмоадаптации, дополненная относительно мало затратными диссипаторами и ВУС-эффектами. В таком комплексном подходе к снижению сейсмического риска в 9–10-бальных подзонах в первую очередь нуждаются городская инженерная инфраструктура и особо ответственные здания, а также — застройка пассивных разломов и мест близких к ВОЗ.

Литература:

1. Жунусов Т. Ж. Основы сейсмостойкости сооружений — Алматы: Рауан, 1990–270 с.;
2. Бубнович Э. В. Особенности проектирования зданий в сейсмических районах. Учебное пособие– Алматы: КазНТУ им. К. И. Сатпаева, 2012;
3. Айзенберг Я. М. Фундамент зданий, возводимых в сейсмических районах.;
4. Медведев С. В., Карапетян Б. К., Быховский В. А. Сейсмические воздействия на здания и сооружения. Руководство по проектированию сейсмостойких зданий и сооружений, Т.1. —М.: Стройиздат, 1968. — 192 с.;
5. Поляков В. С., Килимник Л. Ш., Черкашин А. В. Современные методы сейсмозащиты зданий — М.: «Стройиздат», 1989–320 с.;