Проблема проектирования и строительства зданий и сооружений в сейсмически активных районах получает большое развитие в наше время. Особое место занимает вопрос обеспечения прочности, устойчивости, жесткости и безопасности зданий и сооружений, подвергаемых такому типу особых нагрузок.
Даже небольшое землетрясение всего в 3–5 баллов может в считанные минуты нанести зданию или сооружению непоправимый ущерб, который повлечет их лавинообразное обрушение и приведет к гибели людей. Поэтому перед проектировщиками и строителями стоит вопрос о том, как сделать так, чтобы здание не только не разрушилось во время данного стихийного бедствия, но и выстояв, получило повреждения, не превышающие своего предельного значения, даже при больших толчках, чем в 3–5 баллов.
Способность здания или сооружения противостоять сейсмическим воздействиям называют сейсмостойкостью. Для достижения необходимой сейсмостойкости зданий, строящихся в сейсмических районах, необходимо учитывать, что на конструкции действуют не только обычные нагрузки, но и горизонтальные пульсирующие, возникающие во время землетрясения. Эти нагрузки носят циклический характер и могут действовать в различных направлениях.
Нормы рекомендуют в целях упрощения расчетов рассматривать только действие горизонтальных сейсмических сил, направленных вдоль осей симметрии, соответствующих наибольшей и наименьшей жесткости здания. Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений достигается осуществлением градостроительных, объемно-планировочных и конструктивных мероприятий.
При решении вопросов планировки населенных мест в сейсмических районах рекомендуется территорию зонировать с расчленением незастраиваемыми пространствами (зеленые насаждения, площади, каналы). Это требование носит в основном противопожарный характер, т. е. ограничивает распространение возможных пожаров. Кроме того, нормы предусматривают возможное увеличение (на 15...20 %) ширины улиц и разрывов между зданиями. [4,5]
Антисейсмические швы применяют в зданиях с несущими стенами постановкой двойных стен, а в каркасных зданиях — постановкой двойных рам. Ширина швов должна обеспечивать свободное горизонтальное смещение элементов. В фундаментах, если только они не являются одновременно осадочными, швы можно не делать.
Фундаменты здания или его отсеков, как правило, необходимо закладывать на одном уровне. Под несущие каменные стены надо применять ленточные фундаменты. При устройстве свайных фундаментов следует отдавать предпочтение сваям-стойкам. В зданиях каркасного типа фундаменты под колонны делают железобетонными, монолитными или сборными, связывая их между собой фундаментными балками
Устойчивость и пространственная жесткость зданий с несущими каменными стенами обеспечиваются их соответствующим расположением и усилением их антисейсмическими поясами, которые устраивают по всей протяженности наружных и внутренних стен на уровне перекрытий всех этажей, включая перекрытие над подвалом.
Такие пояса выполняют из монолитного или сборного железобетона или металла (для каменных стен). Монолитные пояса должны иметь непрерывное армирование, а сборные пояса должны быть соединены в жесткую горизонтальную раму сваркой закладных деталей или замоноличиванием выпусков арматуры.
Антисейсмические пояса должны иметь ширину, как правило, равную толщине стены. При толщине стены более 500 мм пояса могут быть на 120 мм меньше ширины. Высота пояса чаще всего принимается более 150 мм.
В каменных зданиях в пределах отсека конструктивные решения элементов и материалы для них необходимо принимать одинаковыми, а простенки и проемы — одной ширины. В местах примыкания стен укладывают арматурные сетки.
Высота этажей зданий с несущими каменными стенами не должна превышать 6, 5 и 4 м при сейсмичности соответственно 7, 8 и 9 баллов. Отношение высоты этажа к толщине стены должно быть не более 1:12. [4]
Узлы железобетонных каркасов необходимо усиливать путем установки арматурных сеток или замкнутой поперечной арматуры.
В качестве ограждающих конструкций каркасных зданий рекомендуется применять легкие навесные панели. Если же стены каркасных зданий кирпичные, то их связывают со стойками арматурными выпусками длиной не менее 70 см, располагаемыми через 50 см по высоте.
Для крупнопанельных зданий преимущество имеют схемы с продольными и поперечными несущими стенами. При этом должна быть обеспечена совместная их работа с конструкциями перекрытий. Расстояния между поперечными стенами не должны превышать 6,5 м [4].
Для достижения более низкого расположения центра масс поперечника здания в покрытиях производственных и общественных зданий (для районов с сейсмичностью 8 и 9 баллов) при пролетах 18 м и более рекомендуется применять металлические фермы и облегченные ограждающие конструкции покрытий. В качестве утеплителя используют эффективные материалы (пенополистирол, стекловату и др.) [4].
Перекрытия и покрытия должны представлять собой жесткий горизонтальный диск, который получают путем анкеровки панелей и заливки швов между ними цементным раствором, устройства монолитных обвязок с соединением панелей перекрытия, а также устройств связей в виде шпонок, выпусков петель и анкеров между панелями и элементами каркаса.
Необходимо предусматривать также мероприятия по упрочнению лестниц, перегородок и других конструктивных элементов.
Кладка печей и дымовых труб должна быть укреплена металлическим каркасом и заключаться в кожух из кровельной стали. Для деревянных зданий (бревенчатых и брусчатых) жесткость углов обычно обеспечивают постановкой связей или рубкой стен с остатком.
На протяжении тысячелетий древесина является одним из самых распространенных строительных материалов. Даже сегодня, когда человечество изобрело бесчисленное множество искусственных стройматериалов и новых строительных технологий — дерево остается одним из наиболее конкурентоспособных материалов для строительства. Каркас деревянного дома, построенного по фахверковой технологии, собирается по сотовому принципу и представляет очень прочное и жесткое (но в тоже время упругое и эластичное сооружение). Сейсмостойкость каркасного дома составляет 9 баллов по шкале Рихтера. Во время сильных землетрясений в Японии только каркасные дома практически не подвергаются разрушениям, поэтому около 75 % японцев предпочитают жить именно в таких домах.
В каркасных деревянных зданиях предусматривают устройство дополнительных элементов жесткости в плоскости стен (раскосы, косая обшивка) и перекрытий (диагональный настил черного пола). Стены должны быть надежно заанкерены с фундаментом.
Существуют различные способы самоизоляции зданий и сооружений [1]. Они делятся на активные и пассивные. В работе Ч. Сятин разработано сейсмоизолирующее устройство со скользящим поясом с элементами фторопласта в конструкции фундамента [2]. В результате всех произведенных расчетов и моделирования работы данной системы при амплитуде 9 баллов Сятин получил, что:
1) Прогибы плит для разных этажей составили не более 25 мм, что не превышает допустимых значений l/200=30 мм;
2) Прогиб верха здания составляет 50 мм, что также находится в пределах нормы H/1000=75 мм;
3) Значительно снизились перемещения по направлению X и по направлению Y для разных форм колебания. В результате сейсмоизоляции периоды колебаний увеличиваются, то есть собственные частоты падают, происходит снижение сейсмической нагрузки;
4) В элементах конструкций происходит снижение нормальных напряжений в среднем на 25–30 %;
5) Благодаря сейсмоизоляции снижается расход арматуры.
В работах Я. М. Айзенберга [3] используются адаптивные системы, которые позволяют «приспосабливаться» к сейсмическому воздействию. В результате устройства такой системы связевые панели, установленные между несущими стойками нижнего этажа, при интенсивных колебаниях выключаются из работы. Следовательно, частота свободных колебаний падает, период увеличивается, что приводит к снижению сейсмической нагрузки и связевые панели не разрушаются. К тому же происходит снижение относительных горизонтальных перемещений.
На кафедре строительные конструкции Пензенского государственного университета архитектуры и строительства приметаются программные комплексы [6–12], позволяющие в том числе моделировать поведение несущих конструкций зданий и сооружений при воздействии сейсмических воздействий. На данный момент подготовлен эксперимент по определению частоты собственных колебаний конструкций перехода, методика испытаний и результаты будут опубликованы в следующих номерах.
Литература:
1. Ушаков А. С. Методы самоизоляции фундаментов сооружений [Текст] / А. С. Ушаков // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, март 2011 г.). — СПб.: Реноме, 2011. — С. 180–186.
2. Чень Сятин. Диссертация на соискание квалификации «магистр техники и технологии» по направлению «Строительство». Cейсмоизолированное здание со скользящим фторопластным поясом. Санкт-Петербург 2011.
3. Айзенберг Я. М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов. М.: Стройиздат, 1976. 232с.
4. СП 14.13330.2011 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7–81*
5. С. А. Саидий. Как построить сейсмостойкий дом. / С. А. Саидий и др.// Электронная версия издания размещена на сайте ПРООН — www.undp.uz/publications
6. Арискин М. В. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений на вклеенных шайбах [Текст] / М. В. Арискин [и др.] // Молодой ученый. — 2013. — № 2. — С. 27–31.
7. Арискин М. В. Исследование напряженно-деформированного состояния деревянных гнутоклееных рам [Текст] / М. В. Арискин, Д. В. Гуляев, И. Ю. Агеева // Молодой ученый. — 2013. — № 3. — С. 16–19.
8. Арискин М. В. Исследование напряженно-деформированного состояния гнутых карнизных узлов рам [Текст] / М. В. Арискин, Д. В. Гуляев, И. Ю. Агеева // Молодой ученый. — 2013. — № 3. — С. 19–25.
9. Арискин М. В. Методика построения конечно-элементной модели [Текст] / М. В. Арискин, Е. В. Родина, Д. В. Гуляев // Молодой ученый. — 2013. — № 9. — С. 34–36.
10. Арискин М. В. Исследования напряженно-деформированного состояния деревянных соединений [Текст] / М. В. Арискин, Е. В. Пыж // Молодой ученый. — 2013. — № 11. — С. 65–68.
11. Арискин М. В. Сопряжение пластинчатых элементов по шарнирной схеме [Текст] / М. В. Арискин, Е. С. Кислякова // Молодой ученый. — 2014. — № 2. — С. 101–104.
12. Арискин М. В. Анализ НДС в деревянных конструкциях [Текст] / М. В. Арискин, Н. Е. Дмитриева, И. Н. Гарькин // Молодой ученый. — 2015. — № 7. — С. 85–88.
