Методы сейсмоизоляции фундаментов сооружений

В современных конструктивных решениях нельзя повысить сейсмостойкость, только повысив величины сечений, прочность, вес. Конструкция может быть более прочной, но не обязательно экономически эффективной, потому что и вес, и инерционная сейсмическая нагрузка могут увеличиться еще больше. Требуются новые эффективные методы сейсмозащиты. Подобные решения подразумевают изменение массы и жесткости, демпфирование системы в зависимости от ее перемещений и скоростей. На сегодняшний день известно более 100 запатентованных конструкций сейсмоизоляции зданий и сооружений.

Во время землетрясений конструкции фундаментов повреждаются редко. Несмотря на это, значение фундаментов в обеспечении сейсмостойкости зданий велико. Фундаменты первыми воспринимают сейсмические толчки и передают их в верхние части здания. Система «грунт-фундамент» воздействует на изменение динамических свойств здания, что соответственно изменяет величину действующих на него сейсмических нагрузок.

В основании стен сохранившихся памятников архитектуры обнаружены мягкие прокладки (на уровне верха фундаментов) из камышитовых подушек, пластических глин и других местных материалов. Зодчие Средней Азии усиливали ослабленный стык сопряжения фундамента с цоколем. Толщина шва здесь достигала высоты кирпича.

При строительстве мавзолеев в скалистом грунте котлованы заполняли рыхлой землей, песком и фундамент возводили по ним. При таком решении уменьшалась концентрация напряжений в фундаментах, а грунтовая подушка частично гасила высокочастотные колебания грунта при землетрясениях.

Применялись и другие инженерные решения, направленные на снижение воздействий колеблющихся при землетрясениях фундаментах на подземные части зданий. Были предложены катковые опоры, фундаменты со сферическими концами.

В этой статье будут рассмотрены виды пассивной сейсмозащиты фундаментов зданий. Их классификация, по мнению авторов [6,7,8], может быть представлена в виде схемы, представленной на рисунке 1.

Рис. 1. Классификация систем пассивной сейсмозащиты фундаментов по принципу их работы

В системах сейсмогашения, включающих демпферы и динамические гасители, механическая энергия колеблющейся конструкции переходит в другие виды энергии, что приводит к демпфированию колебаний, или перераспределяется от защищаемой конструкции к гасителю.

В системах сейсмоизоляции обеспечивается снижение механической энергии, получаемой конструкцией от основания, путем отстройки частот колебаний сооружения от преобладающих частот воздействия. Различают адаптивные и стационарные системы сейсмоизоляции. В адаптивных системах динамические характеристики сооружения необратимо меняются в процессе землетрясения, «приспосабливаясь» к сейсмическому воздействию. В стационарных системах динамические характеристики сохраняются в процессе землетрясения.

С позиции принятой классификации ниже приводится обзор методов сейсмозащиты фундаментов сооружений, выполненный на базе зарубежного и отечественного опыта сейсмостойкого строительства.

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

-адаптивные;

-стационарные.

Приведем некоторые конструктивные примеры, иллюстрирующие принцип работы систем сейсмоизоляции.

Стационарные системы сейсмоизоляции фундаментов

Типичным приемом устройства сейсмоизоляции при наличии возвращающей 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 рисунке. Конструкция состоит из гибких опор, выполненных из пакета упругих стержней небольшого диаметра, размещенных между надземной и подземной частями здания.

Рис. 2. Здание с гибким нижним этажом

Здания на резинометаллических и резинопластиковых опорах сжатия получили широкое распространение за рубежом. В настоящее время используется несколько типов резинометаллических упругих, опор сжатия: французский, новозеландский, американский и итальянский вариант опор. Для предотвращения чрезмерной осадки зданий под нагрузкой от собственного веса, опоры выполняются жёсткими в вертикальной и податливыми в горизонтальной плоскости. Благодаря упругим свойствам резины, резинометаллические опоры обладают высокой прочностью при сжатии, растяжении и кручении. Однако стоимость самих фундаментов оказывается значительной и может достигать 30% от стоимости здания. И наряду с этим, резинометаллические и резинопластиковые опоры сжатия обладают малой временной надежностью[1,2,3]. Некоторые конструктивные примеры резинометаллических опор, представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Антисейсмическая опора

Серьезной проблемой при проектировании сооружений на упругих опорах явилась сложность обеспечения их прочности при значительных взаимных смещениях сейсмоизолированных частей фундамента. Это послужило причиной широкого распространения кинематических опор при сооружении сейсмоизолирующих фундаментов. 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 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 возвращающей 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 рисунке 4. 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.

Сейсмоизолирующий фундамент фирмы Spie Batignolle является классическим примером сейсмоизоляции с последовательным расположением упругих и демпфирирующих 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 фундаментной плиты относительно нижней. При этом удается в несколько раз снизить нагрузки на оборудование и здание.

Рис. 4. Сейсмоизолирующий фундамент фирмы Spie Batignolle

Несмотря на ряд достоинств сейсмоизолирующего фундамента Spie Batignolle, рассмотренная конструкция имеет ряд недостатков. Критический анализ французского решения имеется, в нем, в частности, отмечается, 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.

Следует отметить, что традиционные сейсмоизолирующие устройства, в том числе и сейсмоизолирующие опоры, имеют существенный общий недостаток: они расчленяют цельную систему «здание-фундамент» на отдельные части, что приводит к ослаблению системы в угоду сейсмоизоляции определенной части этой системы. При этом возникают взаимные смещения между изолированной и неизолированной частями, а для ограничения этих взаимных смещений устанавливают демпферы, рассеивающие энергию сейсмического воздействия.

Рассмотрим сооружения, которые совместно с фундаментом образовывают единую цельную пространственную многосвязную систему, которая даже при отделении от основания сохраняет геометрическую неизменяемость. Устройство сейсмоизоляции должно относиться ко всей этой цельной системе, а не к отдельной ее части.

Примером такого конструктивного решения может быть здание (сооружение), объединенное со сплошной пространственной фундаментной платформой, между которой и выроненным основанием имеется скользящий слой, снижающий трение. При этом мощная сейсмическая волна проскальзывает под платформой, т.е. существенно снижается уровень больших горизонтальных сейсмических воздействий (в том числе несимметричных, крутильных и т.п.) на платформу и тем самым на верхнее строение. Цельность и многосвязность зданий с фундаментом позволяют воспринимать и вертикальные толчки. При этом возможные горизонтальные смещения будут иметь место не между отдельными частями зданий (т.е. не нарушается цельность), а между системой («здание-фундамент») и основанием. Небольшие (порядка нескольких сантиметров) смещения могут быть допустимы при планировке территорий, а для ограничения больших смещений будут установлены упоры (демпферы, возвратные устройства и т.п.) [4].

Таким образом, скользящий слой образует сейсмоизолирующее защитное устройство, не нарушающее целостность системы «здание-фундамент». Следует указать на другие возможные виды защитных сейсмоизолирующих (экранных) устройств, находящихся вне пределов системы «здание-фундамент», например, устройство траншей (рвов) поперек динамического воздействия.

Сопротивление свайных фундаментов сейсмическим воздействиям, их высокая несущая способность во время землетрясений, а также позитивное влияние свай на динамические характеристики сооружений бесспорно. Поэтому свайные фундаменты являются целесообразным инженерным решением фундирования здания.

Эффективно применение свайных фундаментов в условиях слабых грунтов в сейсмических регионах, особенно радикального успеха можно достичь при полной прорезке сваями слабых, сильно сжимаемых слоев основания и опирании их острия в несущий слой грунта Ӏ категории сейсмичности. Что касается свайных фундаментов со сваями, погруженными в грунт ӀӀ категории, то прежде всего должно быть решено являются ли сваями-стойками забивные сваи, какова их несущая способность.

С целью снижения сейсмического воздействия фундаментов на верхнее строение сооружения предлагались различного рода изоляторы, амортизаторы и т.д. Наиболее рациональным инженерным решением, разработанным в конце прошлого столетия как зарубежными (Чили) так и советскими (Россия, Молдова) специалистами являются свайные фундаменты с промежуточной «подушкой» из инертных материалов. Отличительной особенностью таких фундаментах является отсутствие жесткой связи между ростверком и сваями. По верху свай, забитых в грунт ӀӀӀ категории по сейсмическим свойствам, отсыпается и уплотняется песчано-гравелистая «подушка» , по которой укладывается железобетонная конструкция, подобная обыкновенному ростверку и рассчитывается как балка на упругом основании.

В свайном фундаменте с промежуточной подушкой резко снижается передача на верхнее строение горизонтальной (сейсмической) нагрузки, которая распределяется (рассеивается) по подушке[5].

1. Стена здания;

2. ЖБ ростверк;

3. Песчаная «подушка»;

4. Слабый грунт;

5. Наголовник сваи;

6. Забитая свая.

Рис. 5. Свайный фундамент с промежуточной «подушкой»

Адаптивные системы сейсмоизоляции фундаментов

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. Конструктивный пример этой системы сейсмоизоляции представлен на рисунке 6.

Рис. 6. Пример конструктивного решения зданий с выключающимися связями

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 свободных колебаний здания со связевыми панелями значительно ниже величин преобладающих периодов 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. В следствии этого возможно возникновение вторичного резонанса и потеря несущей способности конструкций здания. В этом случае требуется применение конструктивных мероприятий, что приводит к дополнительным затратам на строительство.

Выводы

В настоящей статье были аналитически рассмотрены современные методы сейсмоизоляции фундаментов зданий и сооружений. Многие из представленных моделей требуют дальнейших корректировок в расчетах и проектировании, теоретических и практических испытаний[9].

Расчеты, выполненные Я.М. Айзенбергом [8], показали, что относительные горизонтальные сейсмические перемещения перекрытий в сейсмоизолированных зданиях существенно ниже, чем в неизолированных зданиях. Соответственно, повреждения при сильных землетрясениях в сейсмоизолированных зданиях значительно ниже, чем зданий неизолированных.

Меры по сейсмозащите позволяют значительно снизить экономические потери. При правильном проектировании системы сейсмогашения и сейсмоизоляции фундаментов и здания в целом способны повысить надежность сооружения, сохранность оборудования, комфорт для жителей, а также самое главное — отсутствие необходимости восстановительных работ после сильных землетрясений.

Литература:

1. Поляков С.В., Килимник Л.Ш., Черкашин А.В. Современные методы сейсмозащиты зданий. – М.:Стройиздат, 1989. -320с.

2. Берковская Д.А. Мероприятия по антисейсмической защите конструкций зданий (Франция). // Строительство и архитектура Серия 14.1977. Вып.9, с. 10-12.

3. Тыркина О.В. Конструктивные решения и методы расчета зданий на сейсмоизолирующих опорах из хлорпренового каучука (Франция). // Сейсмостойкое строительство. Реф. сб. Сер.14. – М.: ВНИИИС, 1985. Вып.14, с.1-8.

4. Абовский Н.П., Енджиевский Л.В., Наделяев В.Д. Новые конструктивные решения для сейсмостойкого строительства в особых грунтовых условиях. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2004, №3, с.30-32.

5. Баркан Д.Д., Межевой Г.Н. Исследование работы свайных фундаментов с промежуточной подушкой в сейсмических районах. / Сб.трудов НИИОСП им. Герсеванова. Вып. 67, - М.: Стройиздат, 1976.

6. Уздин А.М. и др. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. СПб, 1993. 176с.

7. Айзенберг Я.М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов. М.: Стройиздат, 1976. 232с.

8. Айзенберг Я.М. Сейсмоизоляция высоких зданий // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №4, 2007. С. 41-43.

9. Авидон Г.Э., Карлина Е.А. Особенности колебаний зданий зданий с сейсмоизолирующими фундаментами А.М. Курзанова и Ю.Д. Черпинского // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №1, 2008. С. 42-44.