Современные аспекты проектирования и возведения многоэтажных каркасных зданий в сейсмических районах



Представлен анализ современного состояния проектирования и строительства высотных сейсмостойких каркасных зданий. Рассмотрены основные требования и рекомендации к проектам, применение которых гарантирует повышенную устойчивость строений в условиях землетрясений. Описаны широко используемые, а также перспективные инновационные решения и патенты несущих конструкций, связующих элементов, современных материалов, обеспечивающих повышение сейсмостойкости строений каркасного типа. Проанализированы проекты с подвесными конструкциями и методы, позволяющие гасить динамические колебания каркасных зданий.

Ключевые слова: сейсмостойкость, каркасные здания, подвесные конструкции, фундамент, ядро жесткости, демпфер, напряжения, гасители колебаний.

Введение.

Глобальное изменение климата и возрастающая сейсмическая активность Земли предъявляют повышенные требования к обеспечению надежности строящихся зданий и сооружений повышенной этажности. Сейсмографические данные свидетельствуют о том, что количество и магнитуда землетрясений на Земле возрастают. Только за первую половину 2022 года зафиксировано 4 землетрясения магнитудой семь баллов и выше, в 75 случаях магнитуда составляла от 6 до 7 баллов, и в 10333 случаях — до 5. В связи с этим при проектировании зданий, возводимых в сейсмоопасных районах, рекомендовано придерживаться основных критериев и постулатов, сформулированных в нормативных документах [1]. Разработаны требования, исполнение которых обеспечивает надежность и устойчивость зданий в условиях внешних воздействий:–это фундаментальность, принцип симметрии, жесткости и эластичности конструкции, равномерности распределения вертикальных и горизонтальных нагрузок, наличия замкнутого контура, сейсмоизоляции, совместимости и надежности отдельных узлов между собой, однородности свойств выбранных материалов [2].

Современное каркасное строительство в большой степени отвечает данным требованиям. Каркасное строительство имеет многовековую историю. При этом стоит отметить, что еще в 16 веке европейцы строили дома, используя в качестве основы деревянные брусья [3]. Впоследствии технология каркасного строительства совершенствовалась, появились новые материалы, которые отличались повышенной механической и коррозионной стойкостью, сопротивлением к различным погодным условиям и внешним нагрузкам.

Революционным решением повышения качества и долговечности строений каркасного типа явилось использование в ХХ-м веке железа, стали и железобетона. Широкое распространение получила каркасно-панельная технология возведения зданий. Помимо высокой прочности, надежности, сокращения трудозатрат, а также сроков возведения зданий, новые материалы позволили обеспечить жителей дешевым жильем. Одним из недостатков явилась некая стандартизация построек. Проектирование и расчет конструкций проводились, главным образом, по предельным характеристикам материалов, что, однако, не гарантировало надежность строения при воздействии нагрузок, вызванных землетрясением [4]. Как показала практика, каркасно-панельные конструкции в большинстве своем не выдерживали сейсмических нагрузок. При землетрясении наблюдались разрушения, зарождение и распространение которых происходило в местах стыков и соединений элементов.

Применение стальных конструкций позволило повысить устойчивость зданий за счет пластичности, «податливости» материала. До настоящего времени каркасные одноэтажные и малоэтажные здания строят, главным образом, с использованием комбинации железобетона и металла [5]. Для снижения риска катастрофических последствий и повышения сейсмонадежности были введены более жесткие нормы проектирования. Согласно этим нормам предлагалось дополнительно применять усиливающие устойчивость зданий стены-диафрагмы и строго ограничивать высоту сооружений (не более 5 этажей) [6,7].

Стремительный рост населения в городах, вызванный интенсивным процессом урбанизации, поставили перед градостроителями задачу повышения высотности зданий при одновременном усилении сейсмостойкости. Наблюдалось постоянное совершенствование технологии возведения зданий, разрабатывались совершенно новые, уникальные методики. В проектах каркас современных зданий состоит из комплекса несущих элементов: колонн, балок, ригелей, объединенных дисками перекрытий и прочными связующими [7]. В настоящее время предлагается довольно много различных способов повышения сейсмостойкости зданий каркасного типа. Совершенствуются характер и вид соединений элементов. При рамном типе каркаса соединения несущих элементов выполняются довольно жесткими. Это снижает устойчивость здания внешним динамическим нагрузкам при землетрясении. Применение связевого или рамне-связевого каркаса, в которых крепления подвижны, повышает сейсмостойкость строений. В рамне-связевом каркасе основа здания воспринимает исключительно вертикальные нагрузки, горизонтальные же усилия перераспределяются на элементы связи. Такая технология, помимо повышенной сейсмостойкости, позволяет достаточно мобильно изменять конструкцию строения и возводить здания повышенной этажности. За счет использования новых материалов и современных связующих в проекты закладывается повышенная прочность конструкции, что позволяет гасить нагрузки, вызываемые землетрясением. Одним из перспективных методов повышения сейсмостойкости зданий является применение динамических гасителей колебаний (дгк), назначение которых заключается в снижении амплитуды колебаний здания [8,9]. В зависимости от конструкции ДГК принимают внешние нагрузки на себя, создавая противодействие внешним силам, либо снижение колебаний осуществляется за счет собственных колебаний этого устройства.

Однако, ДГК зачастую способны снижать внешние колебания лишь определенной частоты, что уменьшает их универсальность и эффективность.

Практика показывает, что возведение каркасных высотных зданий в сейсмоопасных районах имеет свою специфику и требует творческого подхода в каждом конкретном случае.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы явились систематизация и обобщение опыта современного строительства высотных каркасных зданий повышенной сейсмостойкости, что является весьма актуальной практической задачей.

В работе приводятся и анализируются существующие на сегодняшний момент основные принципы строительства каркасных зданий для районов, испытывающих землетрясения, определены конструктивные особенности зданий повышенной этажности и зданий с подвешенными конструкциями, рассматриваются способы гашения динамических внешних нагрузок.

Типы каркасных сооружений и современные методы повышения сейсмостойкости

Проектирование и строительство зданий в сейсмоопасных районах представляет собой сложную задачу и требует учитывать существующий опыт возведения каркасных сооружений. В настоящее время распространены рамно-ствольные, ствольные и оболочковые (коробчатые) типы каркасов [9]. Для успешного выполнения проекта необходимо придерживаться разработанных к настоящему времени рекомендаций и соблюдать комплекс основных положений, представленных международной организацией СТВИН (Советом по высотным зданиям и городской среде обитания) [10]. В частности, следует применять в качестве каркасной основы достаточно жесткие конструкции. Каркасная схема должна иметь устойчивый фундамент, характеризоваться симметрией, а отдельные отсеки при смещении не должны изменять конструкцию, ее положение. Сопряжения между различными связующими элементами должны быть жесткими, но при этом обеспечивать податливость, свободу перемещения. Хороший эффект в этом плане дают шарнирные сопряжения ригелей и балок с колоннами [11,12]. Проблема сейсмоустойчивости каркасных зданий повышенной этажности решается в настоящее время несколькими путями. Совершенствуется конструкция здания, изменяется конфигурация и строение фундамента, используются и внедряются новые, более прочные и легкие материалы, вносятся в конструкцию различные демпфирующие и амортизирующие приспособления, дополнительные элементы, способные снизить действие колебательных нагрузок и одновременно усилить жесткость и надежность строения.

При землетрясении наибольшую угрозу представляют собой колебательные процессы, происходящие в горизонтальной поверхности грунта. Наблюдения показали, что при землетрясении наибольшие повреждения в многоэтажных каркасных зданиях возникают в подвальных и цокольных этажах, где располагаются гаражи, магазины, склады с большим пространством, не имеющим капитальных внутренних перегородок [13]. Для таких конструкций рекомендуется дополнительно укреплять фундамент болтами и металлическими крепежными соединениями [14]. Стальные конструкции, эффективно снижают негативное влияние колебаний почвы. Землетрясения, произошедшие в Сан-Франциско в 1906 г. силой 8,3 балла и Токио в 1923 г. показали, что благодаря применению стальных конструкций здания оказались способными выдержать большие внешние нагрузки. В Сан-Франциско огромная сила землетрясения разрушила почти все особняки на Ноб-Хилл за исключением особняка Джеймса С. Флуда, при строительстве которого применялись стальные конструкции. В Токио было разрушено свыше 300 тысяч зданий, устоял только отель «Империал», возведенный знаменитым архитектором Франком Ллойдом Райтом, где также использовались металлические элементы [15].

В настоящее время для повышения сейсмостойкости высотных каркасных зданий разработано довольно много различных усовершенствований. Оригинальный способ повышения сейсмостойкости предложен авторами работы [16]. Он заключается в установке вокруг здания системы из пяти скважин, выполненных из специального материала, способного отражать сейсмические волны и гасить колебания почвы. Авторами [17] для повышения устойчивости здания предлагается в зонах расположения силовых панелей и плит дополнительно устанавливать, так называемый «пространственный кинематический шарнир». По мнению разработчиков, в результате сопротивляемость постройки внешним нагрузкам повышается на 10–15 %. В работе [18] усиление сейсмостойкости каркасного здания осуществляется за счет применения сложного фундамента, состоящего из двух элементов, между которыми имеется зазор. В основе фундамента располагается ступенчатый столб и боковые плиты-подошвы, опирающиеся на ступеньки. Соединение со столбом выполняется посредством шарниров и наклонных телескопических распорок. Балки-распорки помещаются в каналах-зазорах, что дает возможность перемещаться составным элементам при значительных колебаниях почвы. Конструкция содержит три или более опорных шара, расположенных в поперечном и продольном направлениях, которые гасят напряжения любой ориентации.

В работе [19] повышение устойчивости зданий осуществляется благодаря использованию сейсмоизолирующей вставки в фундамент. Вставка выполняется в виде железобетонных шаров, расположенных в песчаной среде, между вертикальными поверхностями плиты и грунтом обратной засыпки. Для одновременного снижения материалоемкости и повышения надежности зданий при строительстве в высокосейсмичных районах авторами Северо-Кавказского горно-металлургического института разработаны так называемые амортизаторы фундамента [20]. Новшество изобретения заключается в том, что амортизаторы устанавливаются между опорной плитой и платформой. При этом верхние этажи снабжаются металлическими винтами, закрепленными в вертикальных опорах, на которые опирается перекрытие.

Применение кинематических опор в многоэтажных сейсмостойких зданиях также используется для снижения влияния внешних нагрузок. Гашение напряжений происходит за счет наличия в элементах верхней обвязки борозд, а в элементах нижней обвязки — стоек с ребрами жесткости. В патенте [21] предложено ребра жесткости выполнять с закругленными гранями переменной кривизны, что усиливает эффект стойкости конструкции при воздействии деформации кручением. В патенте [22] представлена конструкция опоры, которая состоит из двух частей различной конфигурации. Одна из них имеет плоскую поверхность, другая выполнена в виде полусферы с радиусом, превышающим радиус ядра жесткости. Шары в количестве не менее трех располагаются между частями опоры. Равномерное расположение частей опоры по всей площади фундамента приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся на один шар, оказывается минимальной. Шары и опорные поверхности изготовлены из материалов плотной структуры (сталь, камень, бетон, железобетон), что обеспечивает ограниченное перемещение здания при землетрясениях.

Таким образом, анализ инновационных современных разработок строительства зданий свидетельствует о том, что использование технологий каркасного и каркасно-блочного типа с применением дополнительных усиливающих устойчивость элементов актуально и высокоперспективно.

Проектирование сейсмостойких зданий с подвесными конструкциями

К числу оригинальных методов проектирования каркасных зданий следует отнести конструктивные системы с подвешенными этажами [23,24]. Авторами многоэтажных зданий с подвесными перекрытиями, так называемыми, «висячими конструкциями», явились Клейн, братья Раш и Фуллер, которые предложили новую технологию еще в начале прошлого столетия. Однако лишь в последнее время этот вид конструкций применяется довольно широко. Здания висячей конструкции характеризуются мощной опорной основой, ядром жесткости, к которому прикрепляются промежуточные элементы с подвесками и перекрытиями. Нагрузки на фундамент передаются через подвесные элементы, что обеспечивает повышенную устойчивость здания в целом.

Проекты подвесных зданий с одним устойчивым ядром жесткости чаще всего имеют основание в форме квадрата, внутри которого помещается полый ствол, выполненный из монолитного железобетона. Внутри полого ствола располагают лифты, лестничные марши и другие вспомогательные конструкции. Обеспечение повышенной сейсмостойкости осуществляется за счет скользящей опалубки [25]. В работе [26] при проектировании здания с железобетонным ядром и подвесными этажами предлагается в качестве несущей фермы использовать оголовок с консолями. Конструкция состоит из жестко соединенных домкратными рамами секций, на которых со стороны, прилегающей к стенам ядра жесткости, закреплены опалубочные щиты, что значительно укрепляет жесткость конструкции и повышает сейсмостойкость.

Проекты, использующие стоечно-балочные опоры, содержат в основе два или более ствола. Они, как правило, оригинальны и могут принимать крестообразную, или трехлучевую форму. Определенное признание в градостроительстве получили здания с несущим поперечным каркасом, а также с каркасом, имеющим вертикальные связи и диафрагмы, являющиеся ядрами жесткости. Усиление жесткости каркасов с несъемной опалубкой осуществляется за счет трубобетонных колонн, снабженных арматурными выпусками [27]. Впервые такую конструкцию применил в середине 60-х годов ХХ века архитектор Fazlur Khan при строительстве многоквартирного дома в Чикаго. В основе каркаса здания была заложена так называемая «несущая труба» [28]. Оригинальной особенностью конструкции явилось использование Х-образных креплений, помещенных на наружной поверхности трубы. В результате боковые нагрузки снизились за счет перераспределения на наружные колонны. По этой технологии возведены здания Sears Tower, John Hancock, Word Trade Center. Однако, стабильная устойчивость зданий сохранялась лишь при условии увеличения площади основания с повышением этажности. Несмотря на то, что трубобетонные конструкции зарекомендовали себя достаточно хорошо, отсутствие расчетов, учитывающих действие сжимающих нагрузок и необходимость увеличения площади основания при повышении этажности, сдерживают широкое внедрение данной технологии в строительство.

Известно применение различного типа конструкций подвесных систем, когда бетонные колонны располагаются под углом к центру опоры. Связующими элементами являются кабели, натянутые между колоннами, которые удерживают конструкцию крыши и наружной стены [29]. Внутри такой конструкции видимых препятствий и дополнительных опор нет. Примером здания с подвесной стальной конструкцией служит небоскреб HSBC в Гонконге (архитектор Норман Фостер). Оригинальность конструкционного решения заключается в переносе несущих конструкций в торцевую и фасадную части строения. При высоте 183 метра (44 этажа) здание достаточно устойчиво и способно выдержать землетрясение до 8 баллов.

Определенный интерес представляет разработанная сравнительно недавно инновационная система “Hexa Grid”, в которой конфигурация основания здания имеет форму, напоминающую соты [30]. Такая конструкция основы позволяет расположить связующие элементы в двух направлениях по отношению к жесткому ядру: диагональном и горизонтальном. В результате внутри здания создается более равномерное перераспределение нагрузок. Как оказалось, сотовая структура каркаса особенно эффективна в условиях действия сил различного направления. При этом использование внутренних элементов облегченной конструкции из материалов с низким удельным весом снижает вероятность возникновения эффекта скручивания, что дает возможность проектировать здания экзотической, изогнутой формы.

Проекты строений каркасного объемно-блочного типа в качестве основы используют продольные стены. Поперечные балки, несущие подвески, перекрытия и лестничные марши в них располагаются перпендикулярно наружной стене здания. Поскольку внешние нагрузки сосредотачиваются на стенах блоков, то возникает необходимость дополнительного их усиления. В настоящее время в стеновых блоках используют бетон повышенной прочности. При строительстве в сейсмоопасном районе хорошо зарекомендовал себя бетон торкрет, который в своем составе содержит добавки химических смесей или различных упрочняющих волокон [31]. Известно применение мелкозернистого, фибробетона. Использование в высотных каркасных сооружениях фибробетона обеспечивает сохранность и целостность сооружения при статических, динамических и ударных нагрузках. В состав фибробетона может входить армирующий материал в виде стальной арматуры, стекловолокна, полипропилена, базальтового волокна или других природных и техногенных компонентов различной структуры и дисперсности [32]. Однако, применение фибробетона сопровождается усложнением технологии и стоимости строительства. Известно [33], что при строительстве башни Майор (Torre Mayor, Мехико), на возведение только верхней части ее было потрачено 21200 тонн металла и бетона. Помимо этого в стальное крепление было встроено около 98 демпферов-амортизаторов для стабилизации фундамента. В результате здание оказалось довольно дорогим сооружением.

Большое применение получают бетоны модифицированные высокодисперсными нанодобавками. В результате протекания внутрисистемных активных взаимодействий компонентов смеси между собой обычные бетоны приобретают более высокие механические и физико-химические свойства. В работе [34] установлено повышение морозостойкости, долговечности и прочности нанобетона. Авторами [35] разработан наномодифицированный бетон, который благодаря наличию добавки нанокремнезема повышает прочность на сжатие в 1,77 раза и одновременно снижает водопоглощение его на 8,3 %. Известна разработка самовосстанавливающегося бетона, который способен выдерживать колоссальные нагрузки и внешние негативные погодные воздействия ветра, ливней, перепада температуры [36]. Бетон способен самостоятельно «залечивать» образовавшиеся при эксплуатации трещины, дефекты. Авторы [37] при закладке фундамента предлагают использовать модифицированный мелкозернистый бетон. В его состав вводится минеральная добавка, состоящая из смеси глиноземного цемента, микрокремнезема и тонкомолотого бетонного лома. Это не только снижает стоимость бетона, но и повышает его эксплуатационные характеристики: долговечность и надежность.

Примером успешного применения технологии возведения высотного здания (56 м) с подвешенными этажами является новый центр в г. Поважска-Бистрица (северо-западная Словакия). Каркасом здания двухсекционное ядро со стенами толщиной 50 см. На его вершине размещен стальной оголовок, который передает на стены ядра внешние нагрузки. Оголовок уложен на слоистые неопреновые опоры, размещенные в четырех углах ядра, что обеспечивает повышенную устойчивость и сейсмостойкость здания [38].

Для повышения сейсмостойкости зданий во многих случаях используются различные дополнительные устройства, гасящие внешние деформационные колебания. Имеется работа, направленная на изобретение демпфирующего устройства, которое сглаживает нагрузки на здание при нежелательных внешних воздействиях [39]. Устройство содержит полые шаровидные корпусные изделия, заполненные демпфирующей жидкостью. Шары закрепляются на одной, общей опоре, которая располагается в центре. Возможность вращательного перемещения шаров относительно друг друга обеспечивает протекание демпфирующих процессов во многих направлениях, что существенно повышает сейсмоустойчивость здания при разнонаправленных нагрузках. В работе [40] предложено изготавливать опорную часть здания в виде многослойного строения, между пластинами которого помещается резиновая прокладка. Наличие свинцового сердечника, выполняющего функцию рассеивания напряжений, усиливает резино-металлическую опору, что оказывает положительное влияние на устойчивость конструкции.

Известна разработка здания с подвесными конструкциями, каркас которого представляет собой двухконсольные фермы, связанные между собой и с центральным стволом. С целью повышения сейсмостойкости здания, конструкция дополнена амортизаторами, размещенными в местах крепления подвесок к двухконсольным фермам и в местах опоры их на ствол [41].

В конструкции здания с подвесными этажами и железобетонным ядром предлагается [42] в качестве опалубки использовать оголовок. Оголовок состоит из жестко соединенных домкратными рамами секций, на которых со стороны, прилегающей к ядру жесткости, закреплены опалубочные щиты, укрепляющие жесткость конструкции.

Известна разработка проекта сейсмостойкого здания с повешенными этажами, в котором основу составляет центральное ядро жесткости с пространственной консольной фермой. Перекрытие верхнего этажа подвешивается к пространственной консольной ферме, а перекрытия остальных этажей — последовательно друг за другом. Между ядром жесткости и перекрытиями оставляется зазор, который позволяет перекрытиям беспрепятственно совершать горизонтальные колебания при землетрясении, что повышает надежность и сейсмостойкость здания [43].

В проекте [44] конструкция здания подвесного типа, кроме опорных стволов, двухконсольных ферм, содержит подвесные части, прикрепленные к фермам. Связные конструкции включают в себя упругие элементы и корректоры жесткости. Упругие элементы сов м естно с корректорами жесткости реализуют режим квазинулевой жесткости, обеспечивающий низкую собственную частоту вертикальных колебаний подвесной части здания. В горизонтальной плоскости сейсмоизоляция обеспечивается тросами, изогнутыми в виде полуколец и прикрепленных к опорному стволу. Использование в устройствах упругой связи тросовых элементов позволяет уменьшить колебания подвесной части здания в области резонансных частот за счет повышенного демпфирования в тросах, что снижает негативное влияние сейсмического воздействия.

К недостаткам проектов высотных каркасных зданий с подвешенными этажами следует отнести сложный монтаж строения, который, как правило, начинается с установки на вершине жесткого ядра консольного оголовка. Плиты перекрытий возводятся последовательно сверху вниз. Подвесная конструкция поддерживается тросами, прикрепленными к балкам или фермам. Стены и крыша закрепляются центральной колонной и тросами [45].

Таким образом, литературные данные и практический опыт строительства зданий с подвесными конструкциями свидетельствуют об определенных преимуществах и недостатках проектов, что, тем не менее, определяет широкое распространение их в современном градостроительстве.

Особенности применения динамических гасителей колебаний для повышения сейсмостойкости высотных зданий

К числу эффективных способов повышения сейсмостойкости высотных зданий относится применение в конструкциях динамических гасителей колебаний (ДГК). Считается, что ДГК является одним из наиболее перспективных средств пассивной защиты сооружений, предназначенные для гашения резонансных вынужденных колебаний. По конструктивным особенностям ДГК подразделяются на пружинные, маятниковые и комбинированные, в том числе комбинированные с демпфирующими устройствами. Основное назначение конструкций является снижение инерционных усилий. При воздействии внешней энергии на здание ДГК производит колебания с собственной амплитудой, в результате чего уменьшается интенсивность стороннего воздействия. Простейший вариант ДГК представляет собой основную жесткую массу, опирающуюся на стальную пружину, способную гасить моноколебания определенной частоты [46].

Благодаря работам B. С. Полякова, Н. А. Пикулева, Л. М. Резникова, М. Я. Волоцкого, С. И. Шейниной, Э. Е. Хачияна и других разработчиков ДГК в сочетании с демпферными и буферными конструкциями получили довольно широкое практическое применение в высотном строительстве [47].

Известен гаситель колебаний, который в основе своей содержит маятник, выполняющий роль инерционной массы [48]. Инерционная масса дополнена буферными устройствами. Маятник прикрепляется к сооружению подвесками с шарнирами. При возникновении внешних колебаний маятник начинает двигаться в противофазе внешним усилиям, что снижает амплитуду колебаний здания при землетрясении.

В работе [49] несмотря на то, что ДГК предназначен для высотных сооружений типа башен, матч, мостов, предложенная конструкция представляет интерес для строительства высотных зданий, поскольку позволяет снижать влияние внешних колебаний. ДГК состоит из основной инерционной массы в виде маятника, который шарнирно соединяется с гасителем колебаний пружинного типа и демпфирующим устройством. Гаситель колебаний упирается в опорную пластину и имеет возможность поступательно перемещаться, сжимая или ослабляя пружину, изменяя тем самым частоту настройки гасителя колебаний.

Примером ДГК высотного здания является разработка, предложенная авторами работы [50]. Динамический гаситель колебаний, в качестве основной массы включает плиту, на которой закрепляются консольные маятники с грузами определенной массы (0,3–0,6 % от массы сооружения). Устройство устанавливается на сооружении и соединяется с ним посредством упругих связей и демпфирующих устройств. Эффективность гашения достигается тем, что масса гасителя колебаний выполняется в виде жестко прикрепленного к верхнему перекрытию полушария. Наличие скользящей прокладки между плитой со сферической выемкой и ДГК, оказывает стабилизирующее влияние. В комплексе упругие связи и демпфирующие элементы способствуют уменьшению колебаний сооружения при землетрясении.

К числу перспективных ДГК относятся системы, в которых формы опорных конструкций видоизменяются и дополнительно вносятся упругие элементы. В патенте [51] в качестве основной массы ДГК предлагается использовать бетонный блок усложненной конфигурации, установленный на перекрытии сооружения посредством опорных элементов и пружин. Бетонный блок состоит из плиты и отдельных блоков в виде шаров различной массы, соединенных в единую систему. На перекрытии устанавливаются демпферы сухого трения, которые увеличивают величину затухания колебаний. Наличие шаров различной массы и демпферов позволяет гасить колебания в широком диапазоне частот.

В отличие от предыдущей конструкции в работе [52] предлагается основную массу выполнять подвижной, соединенной с сооружением посредством горизонтальных пружин, являющихся демпферами вязкого трения. Масса имеет форму кольца, которое устанавливается на вертикальных роликовых опорах. Пружины располагаются диаметрально массе. При сейсмических воздействиях происходит ускоренное движение соединительных узлов сооружения. Пружины при этом работают на деформацию растяжение-сжатие. Уменьшение амплитуды колебаний сооружения обуславливается силой упругости пружин, направленных противоположно возмущающим воздействиям. Наличие демпферов вязкого трения обеспечивает дополнительное рассеивание энергии.

В работе [53] гаситель колебаний закрепляется на упругих вертикальных элементах посредством опорной рамы. Сама инерционная система имеет вид контейнера, в который засыпается сухой компонент. Контейнер устанавливается на стержнях, способных перемещаться по высоте и фиксироваться на определенном уровне. Вертикальные стержни содержат дополнительные массивные элементы. Наличие широкого спектра демпфирующих массивных тел позволяет конструкции активно снижать внешние колебания любой частоты, что при землетрясении чрезвычайно актуально. В настоящее время ДГК подобной конструкции установлены и эффективно работают по всему миру на таких сооружениях, как башни и мачты в Германии, Австралии, США. При этом контейнер может быть заполнен любым сухим веществом или даже водой.

В патенте [54] для гашения колебаний конструкция ДГК содержит массу из нескольких маятников, соединенных с основой подвесками. Оригинальность решения заключается в том, что одна из масс располагается выше точек крепления, остальные — ниже. В качестве демпфирующих устройств применяются плоские упругие кольца, жестко соединенные со сквозным центральным пазом массы. Элементы, соединяющие внешние и внутренние кольца имеют линии изгиба и крепятся посредством точечной сварки к основе. Полости, образованные кольцами, заполняются упруго демпфирующим сетчатым элементом (полиуретаном, эластомером), создавая подвижный каркас. Данное изобретение обеспечивает высокую демпфирующую способность ДГК.

Следует отметить, что разработка и монтаж ДГК довольно сложны в изготовлении и требуют определенных материальных затрат, Успешная работа конструкции зависит от точности расчета и диапазона частоты колебаний здания, что зачастую невозможно реально оценить при землетрясении и, как следствие, предполагает проведение дополнительной настройки гасителя колебаний [55] Задача для проектов многоэтажных зданий усложняется расчетами повышенной жесткости перекрытий. Для решения проблемы в специальном техническом этаже строения рекомендуется закладывать датчики амплитуды колебаний. Современное оборудование позволяет подстраивать динамические характеристики гасителя колебаний в эксплуатации. Демпферы, которыми снабжают конструкции ДГК, служат дополнительными устройствами, усиливающими диссипативные явления. Как показывает практика, применение демпферов вязкого трения предпочтительно, несмотря на повышенную стоимость по сравнению с демпферами сухого трения [56]. В качестве современного примера демпфера можно обратить внимание на конструкцию башни «Тай-Бей-101» (Тайвань), в которой функцию поглотителя внешней энергии выполняет огромный висящий позолоченный шар-маятник весом 728 тонн. Колебания маятника компенсируют отклонения здания, вызванные внешними воздействиями, что повышает сейсмостойкость строения [57].

Анализ представленных работ свидетельствует о том, что задача повышения сейсмостойкости высотных зданий остается чрезвычайно актуальной и может решаться различными путями, в том числе с применением конструкций ДГК в сочетании с демпфирующими устройствами.

Заключение

Систематизация литературных данных позволяет заключить, что возведение каркасных конструкций в сейсмоопасных районах имеет ряд особенностей, которые заключаются в создании устойчивой каркасной основы, снабженной вертикальными связями, диафрагмами и ядрами жесткости, что позволяет существенно снижать влияние колебаний почвы при землетрясении. Показано, что разработка проектов каркасных зданий позволяет возводить здания с большими пролетами, которые расширяют назначение зданий от жилых комплексов до элитных офисов и бизнес-центров. Особое внимание при проектировании высотных каркасных зданий рекомендуется уделять соблюдению основных общепринятых требований. Как отмечают архитекторы, благодаря использованию в качестве связующих элементов современных высокопрочных материалов позволяет не только обеспечить экономию стоимости здания при строительстве, но и повысить надежность и долговечность его эксплуатационных характеристик. Как показано в настоящем обзоре, применение подвесных систем характеризуется разнообразием геометрических форм, конструкцией и материалами. При этом проекты зданий с подвешенными этажами наряду с определенными достоинствами, содержат ряд недостатков, к числу которых относятся сложность монтажа, необходимость создания развитой и усиленной конструкции фундамента, поскольку на него приходятся основные горизонтальные нагрузки. Кроме того, существующая вероятность перемещения элементов конструкции между стволом и подвешенными этажами усложняет технологические расчеты ввиду многообразия действующих нагрузок при колебаниях почвы. В последнее время получили применение проекты с каркасно-блочной и монолитной схемой строительства. Многочисленные разработки свидетельствуют о том, что применение современных материалов (армированных пластмасс, ячеистого бетона, фибробетона, нанобетона, пенопласта, стекловолокон и т. п.), обладающих высокими конструктивными свойствами, открывает новые возможности повышения прочности и сейсмостойкости зданий. Практика показывает, что в настоящее время стремительно разрабатываются и совершенствуются способы и методы повышения сейсмоустойчивости высотных зданий за счет применения гасителей колебаний. К числу перспективных разработок относятся динамические гасители колебаний, которые в сочетании с различными демпфирующими устройствами обеспечивают прочность, устойчивость и долговечность строений. Применение ДГК требует проведения многостороннего мониторинга состояния почвы, природных условий и выбора конструкции сооружения. В настоящее время для уменьшения величины деформации и снижения амплитуды колебаний высотных сооружений при землетрясениях инженерами предлагаются неординарные архитектурно-планировочные и конструктивные решения. Каркасные супервысотные здания, возведенные в различных точках Земли, сочетают в себе оригинальность и эстетичность исполнения, выдерживают значительные землетрясения, что доказывает перспективность их строительства в мегагородах.

Литература:

1. ГОСТ 27751–88 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования.
2. Назарова Ш. Ш. Некоторые принципы нормирования многоуровневого проектирования сооружения с заданными параметрами предельных состояний. // Научно-технический журнал «Вестник гражданских инженеров».– 2020, 6(83).– С. 104–116.
3. Мушинский А. Н., Зимин С. С. Строительство быстровозводимых зданий и сооружений.//Ж. Строительство уникальных зданий и сооружений (ISSN 2304–6295).–2015, № 4 (31). — С. 182–193.
4. Марчук Н. И., Тимофеева В. А., Игнатикова Н. Н. Расчет многоэтажного здания на сейсмические воздействия // Новая наука: опыт, традиции, инновации.– 2017, Т. 2., № 4.– С. 199–201.
5. Патент РФ 2 646 410 Ковалев С. А., Темпель В. Н. Панельное здание. Опубл. 05.03.2018, — Бюл.№ 7.
6. Курабаев А. С., Абаканов М. М. Экспериментальные исследования многоэтажных жилых домов при динамических воздействиях и сравнение расчетных предпосылок.// Вестник КазГАСА, Строительные конструкции и материалы.– 2020.– С.146–156.
7. Соснин А. В. О параметрах диафрагм жесткости железобетонных каркасных зданий для строительства в сейсмических районах //Ж. Жилищное строительство.– 2016, № 4.– С. 17–26.
8. Коренев Б. Г., Резников Л. М. Динамические гасители колебаний. Теория и технические приложения. М.: Наука, 1988. — 304 с.
9. Айзенберг Я. М. Сейсмостойкие многоэтажные здания с железобетонным каркасом. // М.: Москва. Изд. Ассоциация строительных вузов.– 2012.– 264с.
10. Philip Nikandrov. Upward Spiral: The Story of the Evolution Tower // CTBUH Journal. 2016. Issue 3.– РР. 11–19.
11. Katz P., Robertson L. Case Study: Shanghai World Financial Center. //CTBUH Journal. 2008.– Issue 2. — РР. 10–14.
12. Материалы CTBUH. «Бесполезная» высота современных небоскребов // Высотные здания. — 2013, № 5. — С. 38–39.
13. Sev A. Integrating Architecture and Structural Form in Tall Steel Building Design // CTBUH Journal.– 2001, Issue 2.– РР. 23–31.
14. Арутунян А. Р. Современные методы сейсмоизоляции зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. — 2010, № 3.– С.56–60.
15. Arleninov P. D., Krylov S. B. Sovremennoe sostoyanie nelinejnyh raschetov zhelezobetonnyh konstrukcij // Sejsmostojkoe stroitel’stvo Bezopasnost’ sooruzhenij.–2017, № 3.– PР.50–54.
16. Выскребенцева М. А. Методы сейсмогашения и сейсмоизоляции с применением специальных устройств // Инженерный вестник Дона. — 2019, № 1. — С. 23–53.
17. Патент РФ 2 693 100 Купов Р. П. Сейсмостойкое каркасное здание./ Опубл. 07.01. 2019.– Бюл. № 19.
18. Пред. Патент РК 8678 Сушенцев В. Д. Сейсмостойкий фундамент здания./ Опубл. 15.03.2000.
19. Патент РФ 2 412 311 Кулов Р. П., Кулов А. Р. Конструкция перекрытия. Опубликовано 26.11. 2011.– Бюл.№ 5.
20. Патент РФ 2256749 Юсупов А. К., Юсупов Р. А. Опубликовано 20.07.2005.– Бюл.№ 20.
21. Патент РФ 2714422 Хегай О. Н., Хегай А. О., Хегай М. О., Хегай Т. С. Опора сейсмостойкого здания сооружения. Опубл. 08.10.2019.– Бюл.№ 28.
22. Патент РФ 2494205 Франц Старший (DE), Дезире (DE), Петер (DE). Демпфирующее устройство. Опубл. 27.08.2013.– Бюл. № 27.
23. А. С. РФ № 791871 Чануквадзе. Г.Ш., Марджанишвили М. А., Микабадзе Ю. Г. Многоэтажное сейсмостойкое здание с подвешенными этажами. Опубл. 30.12.1980.– Бюл. № 48.
24. Белаш Т. А.,Рыбаков П. Л. Здания с подвесными конструкциями в сейсмических районах // Инженерно-строительный журнал. — 2016, № 5 (65).– С.17–26.
25. Патент РФ 2495212 Свинцов А. П., Николенко Ю. В., Мешков В.В, Щесняк К. Е. Скользящая опалубка. Опубл. 10.10.2013.
26. А. С. РФ № 362120 Киселев И. К., Мушнин Н. А. Несущий оголовок для здания с железобетонным ядром жесткости и подвесными этажами. Опубл. 12.11.1973.– Бюл. № 2.
27. Дуванова И. А. Трубобетонные колонны в строительстве высотных зданий и сооружений //Ж. Строительство уникальных зданий и сооружений.– 2014, № 6 (21).– С. 89–93.
28. Колесников, А. И. Анализ истории высотного строительства в мире // Молодой ученый. — 2020, № 6 (296). — С. 61–65.
29. Баранов А. О. Конструктивные решения высотных зданий //перевод с англ. Изд. Alfabuild.– 2018, 3(5).– С. 33–51.
30. Peyman A. Beehive (Hexagrid), New Innovated Structural System for Tall Buildings.// International Journal of High-Rise Buildings. — 2016, Vol.5,No. 4.– РР. 251–262.
31. Патент РФ 2658076 Тарасов А. С. Состав бетонной смеси для получения высокопрочного торкрет — бетона мокрым способом. Опубл. 06.19. 2018.
32. Патент РФ 2 641 813 Скоркин М. Е. Высокопрочный мелкозернистый бетон. Опубл. 2018.01.22.– Бюл. № 2.
33. Хилл Джон Как построен небоскреб. // Изд Манн, Иванов и Фербер (Серия МИФ) 978–5-001–400–6.– 2020.– С.194–203.
34. Стройматериалы. Энциклопедия строителя! Что такое нанобетон и его роль в современном строительстве.//М.:Москва.– 2019.– 315с.
35. Патент РФ 2 559 269 Прудков Е. Н., Гордеева А. Н., Закуражнов М. С. Наномодифицированный бетон и способ его получения. Опубл. 10.08.2015.– Бюл. № 22.

36. Патент РФ 2 679 322 Самоуплотняющийся бетон. Федюк Р. С., Козлов П. Г., Кудряшов С. Р. Опубл 07.02.2019.– Бюл. № 4.

37. Патент РФ 2 738 882 Лесовик В. С., Толстой А. Д., Лесовик Р. В., Ахмед Ахмед Анис Ахмед. Высокопрочный мелкозернистый бетон на основе композиционного вяжущего с использованием техногенного материала. Опубл. 17.12.2020.– Бюл. № 35.
38. Мкртычев О. В., Дорожинский В. Б., Сидоров Д. С. Исследование сейсмостойкости железобетонных зданий различных конструктивных схем. //Вестник МГСУ.– 2015.– С.66–75.
39. Омаров Х. М. Оптимальные параметры систем активной сейсмозащиты сооружений с резинометаллическими опорами. // Изд.Респ. Дагестан.: Махачкала.– 2018.– 210 с.
40. Шефер Ю. В., Ордобаев Б. С., Романенко С. В. Концепция малоэтажного сейсмоустойчивого энергоэффективного строительства. //Томский политехн.университет., Бишкек [E-mail: yuri@shefer.ru] 27.11.2012.– С.1–4.
41. А. С. РФ № 477227 Корчинский И. Л., Грилль А. А., Чернявский И. З., Попов И. В. и др. Подвесное здание. Опубл. 10.10.75.– Бюл. № 26.
42. А. С. РФ № 362120 Киселев И. К., Мушнин Н. А. Несущий оголовок для здания с железобетонным ядром жесткости и подвесными этажами. Опубл. 12.11.1973.– Бюл. № 2.
43. А. С. РФ № 175448 Пеньковский Г. Ф., Севастьянов В. В., Ершов А. В. Сейсмостойкое здание с подвешенными этажами. Опубл. 12.05.2017.– Бюл. № 2.
44. Патент РФ 2 186 183 Остроменский П. И., Болотов А. С., Кажарский В. В., Ларионов А. Э., Моргаев Д. Е. Сейсмостойкое здание подвесного типа. Опубл. 27.07.2002.
45. Azizov T. Calculation of a Multi-Storey Bulding With Suspended Floors. // Sciences of Europe.– 2021, № 70.– PР.63–72.
46. Патрикеев А. В. Оценка эффективности механического гасителя колебаний высотного сооружения в процессе эксплуатации.//Международный научно-исследовательский журнал. Екатеринбург.– 2020, № 9.– С.23–27.
47. Коренев Б. Г., Резников Л. М. Динамические гасители колебаний. Теория и практические приложения. М.: Наука.– 1988.– 304с.
48. А. С. РФ 1063959. Новиков В. Т.,Остроумов Б. В., Дворников В. С., Ваганов И. П., Кузетов Д. А. и др. Динамический гаситель колебаний. Опубл. 30.12.1983.– Бюл. № 48.
49. Патент РФ 125221 Остроумов Б. В., Остроумов С. Б. Динамический гаситель колебаний. Опубл. 2013–02–27.
50. A. С. РФ 1211399. Безруков Ю. И., Дроздюк В. Н.. Динамический гаситель колебаний. Опубл.14.03.86. — Бюл. № 6.
51. Патент РФ 14593 Белаш Т. А., Бенин А. В., Богданова Г. А., Елизаров С. В., Иванова Ж. В. Динамический гаситель колебаний зданий и сооружений. Опубл. 08.10. 2000.
52. Патент РФ 111864 Шейн А. И., Земцова О. Г. Динамический гаситель колебаний зданий и сооружений. Опубл. 12.27. 2011.
53. А. С. РФ 595467 Немчинов Ю. И., Артеменко Е. А., Клецко Л. Р. Динамический гаситель колебаний сооружения. Опубл. 28.02.78.– Бюл. № 8.
54. Патент РФ 2471937 Кочетов О. С.,Стареева М. О. Динамический гаситель колебаний опубл. 10.01.2013.
55. Рашидов Т. Р., Кузнецов С. В., Мардонов Б. М., Мирзаев И. Прикладные задачи сейсмодинамики сооружений. Изд. «Navro’z». Ташкент.– 2019.– 268 с.
56. Арутунян А. Р. Современные методы сейсмоизоляции зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. — 2010, № 3.– С.56–60.
57. Лисейкин А. В., Селезнев В. С., Брыксин А. А. Результаты исследования здания с резинометаллической сейсмоизоляцией методом стоячих волн (на примере здания гражданского строительства национального университета Тайваня. Г. Тайбэй). //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.– 2017, № 2.– С. 53–59.