Сейсмостойкое строительство

Введение

Сейсмостойкое строительство, строительство, осуществляемое в районах, подверженных землетрясениям, с учётом воздействия на здания и сооружения сейсмических (инерционных) сил. Наряду с термином "С. с." получил распространение более точный термин "антисейсмическое строительство". Дополнительные требования к объектам, строящимся в сейсмических районах, устанавливаются соответствующими нормами (правилами).

Интенсивность землетрясений в разных странах оценивается по различным сейсмическим шкалам. По принятой в СССР шкале (ГОСТ 6249—52) опасными для зданий и сооружений считаются землетрясения, интенсивность которых достигает 7 баллов и более. В районах, где прогнозируемая максимальная интенсивность землетрясений (сейсмичность, сейсмическая активность) не превышает 6 баллов, проведение специальных антисейсмических мероприятий (при проектировании и строительстве), как правило, не предусматривается. Сейсмичность районов, подверженных землетрясениям, определяется по картам сейсмического районирования. Для уточнения сейсмичности площадки (участка) строительства проводятся соответствующие изыскания (см. Сейсмическое микрорайонирование). строительство в районах с сейсмичностью, превышающей 9 баллов, весьма неэкономично. Поэтому в нормах указания ограничены районами 7—9-балльной сейсмичности. Обеспечение полной сохранности зданий во время землетрясений обычно требует больших затрат на антисейсмические мероприятия, а в некоторых случаях практически неосуществимо. Учитывая, что землетрясения (особенно сильные) происходят сравнительно редко, нормами допускается возможность повреждения элементов конструкций, не представляющего угрозы для безопасности людей или сохранности ценного оборудования.

Степень сейсмического воздействия на здания (сооружения) в значительной мере зависит от грунтовых условий. Наиболее благоприятными в сейсмическом отношении считаются прочные скальные грунты. Сильно выветренные или нарушенные геологическими процессами породы, просадочные грунты, районы осыпей, плывунов, горных выработок неблагоприятны, а иногда и непригодны для устройства оснований сооружений; в тех случаях, когда строительство всё же осуществляется в таких геологических условиях, прибегают к усилению оснований и осуществляют дополнительные мероприятия по сейсмозащите сооружений. Это приводит к значительному удорожанию строительства.

Сейсмостойкость сооружения обеспечивается как выбором благоприятной в сейсмическом отношении площадки строительства, так и разработкой наиболее рациональных конструктивной и планировочной схем сооружения, специальными конструктивными мероприятиями, повышающими прочность и монолитность несущих конструкций, создающих возможность развития в конструктивных элементах и узлах пластических деформаций, значительно увеличивающих сопротивляемость сооружений действию сейсмических сил. Большое значение для повышения сейсмостойкости сооружений имеет высокое качество строительных материалов и работ.

Содержание

• 1 Сейсмическое нагружение
• 2 Сейсмическая защита
• 3 Сейсмический анализ
• 4 Экспериментальная проверка сейсмостойкости
• 5 Виброконтроль
• 5.1 Сухая кладка стен
• 5.2 Сейсмический амортизатор
• 5.3 Инерционный демпфер
• 5.4 Гистерезисный демпфер
• 5.5 Демпфирование вертикальной конфигурацией
• 5.6 Многочастотный успокоитель колебаний
• 5.7 Приподнятое основание здания
• 5.8 Свинцово-резиновая опора
• 5.9 Пружинный демпфер
• 5.10 Фрикционно-маятниковая опора
• 6 Исследование сейсмостойкости

Сейсмостойкое строительство (earthquake engineering) — это раздел гражданского строительства, который специализируется в области поведения зданий и сооружений под сейсмическим воздействием в виде сотрясений земной поверхности, потери грунтом своей несущей способности, волн цунами.

Сейсмостойкое строительство может рассматривать любой строительный объект как фортификационное сооружение, но предназначенное для обороны от специфического противника — землетрясения. В обоих случаях основной принцип проектирования общий: замедлить или ослабить возможную атаку.

20-этажный жилой дом, упавший при разрушительном землетрясении в Чили, 2010

Taipei 101, самый высокий в мире небоскрёб, оборудованный инерционным демпфером

Сейсмически прочная и массивная Пирамида Кукулькана города Чичен-Ица

Главные задачи сейсмостойкого строительства:

• Понимать, что происходит при взаимодействии строительных объектов с трясущимся основанием.

• Предвидеть последствия возможных толчков.

• Проектировать, возводить и поддерживать в надлежащем состоянии сейсмические объекты

Сейсмически прочное сооружение не обязательно должно быть громоздким и дорогим как, например, Пирамида Кукулькана в городе майя Чичен-Ица.

В настоящее время наиболее эффективным и экономически целесообразным инструментом в сейсмостойком строительстве является вибрационный контроль cейсмической нагрузки и, в частности, сейсмическая изоляция, позволяющая возводить сравнительно легкие и недорогие постройки.

Сейсмическое нагружение

Сейсмическое нагружение (seismic loading) является одним из основных понятий в сейсмостойком строительстве и теории сейсмостойкости и означает приложение колебательного возбуждения землетрясения к различным постройкам.

Величина сейсмической нагрузки в большинстве случаев зависит от:

Гараж в Нортридже после землетрясения 1994 года

Штаб-квартира ООН в Порт-о-Пренс, Гаити после землетрясения 12 января 2010 г.

• Интенсивности, продолжительности и частотных характеристик ожидаемого землетрясения
• Геологических условий площадки строительства
• Динамических параметров сооружения

Сейсмическое нагружение происходит на поверхностях контакта сооружения с грунтом , либо с соседним сооружением , либо с порождённой землетрясением гравитационной волной цунами. Оно постоянно экзаменует сейсмостойкость сооружения и иногда превышает его возможность выстоять без разрушений.

Сейсмическая защита

Наружная антисейсмическая стальная ферма спального корпуса Университета Беркли

Исходя из того, что прочность стали примерно в 10 раз выше, чем у самого качественного бетона и каменной или кирпичной кладки, понятие сейсмостойкость ассоциируется с достаточно прочной постройкой, с мощным стальным каркасом или стенами, способными выстоять расчётное землетрясение без полного разрушения и с минимальными человеческими жертвами. Примером такой постройки может служить изображенный рядом спальный корпус Университета Беркли, усиленный наружной антисейсмической стальной фермой.

Модель 18-этажного здания на сейсмопротекторе

Однако не следует навязывать зданию почти непосильную задачу — сопротивляться сокрушительному землетрясению. Лучше дать этому зданию возможность как бы парить над трясущейся землей. Провозгласить такую цель, конечно, значительно проще, чем достичь её практически.

На фото справа показана модель 18-этажного здания на виброплатформе, на котором проводятся испытания в режиме Нортриджского землетрясения, записанного недалеко от его эпицентра. Блок из четырёх сейсмопротекторов (вид сейсмической изоляции) поможет зданию резко повысить его сейсмостойкость и выдержать сотрясение.

Испытания проводились на мощной виброплатформе (12.2 м на 7.6м) одного из крупнейших в Соединенных Штатах специализированных испытательных полигонов, который принадлежит Университету Калифорния Сан-Диего и входит в национальную систему Сети Имитации Сильных Землетрясений. С помощью этой виброплатформы можно создавать и воссоздавать землетрясения любой амплитуды и частотного спектра сидя за пультом управления.

Сейсмический анализ

Сейсмический анализ или анализ сейсмостойкости является интеллектуальным инструментом в сейсмостойком строительстве, который разбивает эту сложную тему на ряд подразделов для лучшего понимания работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Трехмерная диаграмма сейсмостойкости модели здания.

Анализ сейсмостойкости основывается на принципах динамики сооружений и антисейсмического проектирования. В течение десятилетий, самым распространённым методом анализа сейсмостойкости являлся метод спектров реакции который получил свое развитие в настоящее время.

Однако спектры реакции хороши лишь для систем с одной степенью свободы. Использование пошагового интегрирования с трехмерными диаграммами сейсмостойкости оказываются более эффективным методом для систем со многими степенями свободы и со значительной нелинейностью в условиях переходного процесса кинематической раскачки.

Экспериментальная проверка сейсмостойкости

Экспериментальная проверка сейсмостойкости, или исследование сейсмостойкости, необходимо для понимания действительной работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой. Онa бывает, в основном, двух видов: полевaя (натурнaя) и на сейсмоплатформе.

Две идентичные модели здания при испытании на сейсмоплатформе до разрушения

Испытание железобетонного здания на сейсмоплатформе

Удобнее всего испытывать модель здания на сейсмоплатформе, воссоздающей сейсмические колебания — если, конечно, у вас нет времени дождаться настоящего землетрясения.

Такие лабораторные испытания проводятся на больших или меньших моделях зданий и сооружений уже в течение многих лет, однако стоимость их довольно высока. Чтобы снизить эту стоимость, рекомендуется применять Performance Factor Procedure, впервые предложенную для экспериментальной проверки эффективности сейсмической изоляции.

Виброконтроль

Виброконтроль (vibration control) является системой устройств для уменьшения сейсмической нагрузки на здания и сооружения. Все эти устройства можно классифицировать как пассивные, активные и гибридные. Ниже кратко описаны некоторые устройства и методы виброконтроля.

Сухая кладка стен

Первыми строителями, обратившим особое внимание на сейсмостойкость капитальных построек, в частности, стен зданий, были инки, древние жители Перу.

Сухая кладка стен в замке Солнца в Мачу-Пикчу, Перу

Особенностями архитектуры инков является необычайно тщательная и плотная (так, что между блоками нельзя просунуть и лезвия ножа) подгонка каменных блоков (часто неправильной формы и очень различных размеров) друг к другу без использования строительных растворов.

Благодаря этим особенностям кладка инков не имела резонансных частот и точек концентрации напряжений, обладая дополнительной прочностью свода. При землетрясениях небольшой и средней силы такая кладка оставалась практически неподвижной, а при сильных — камни «плясали» на своих местах, не теряя взаимного расположения и при окончании землетрясения укладывались в прежнем порядке.

Эти обстоятельства позволяют считать сухую кладку стен инками одним из первых в истории устройств пассивного виброконтроля зданий.

Сейсмический амортизатор

Сейсмический амортизатор: общий вид

Испытание сейсмического амортизатора в CSUN

Сейсмический амортизатор Earthquake-Protective Building Buffer — это разновидность сейсмической изоляции для защиты зданий и сооружений от потенциально разрушительных землетрясений.

Недавно сейсмические амортизаторы под именем Metallic Roller Bearings были установлены в жилом 17-этажном комплексе в г.Токио, Япония.

Инерционный демпфер

Инерционный демпфер на высотном здании Тайбэй 101

Обычно, инерционный демпфер (Tuned Mass Damper), называемый также инерционный гаситель, который является одним из устройств для вибрационного контроля, представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой.

Для этой цели, например, инерционный демпфер небоскреба Тайбэй 101 оборудован двумя маятниковыми подвесками, на 92-ом и 88-ом этажах, весящими 660 тонн каждая.

Гистерезисный демпфер

Жидкостный вязкоупругий демпфер в здании

Гистерезисный демпфер (Hysteretic damper) предназначен для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт диссипации сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Имеются, в основном, четыре группы гистерезисных демпферов, а именно:

· Жидкостный вязкоупругий демпфер

· Твердый вязкоупругий демпфер

· Металлический вязкотекучий демпфер

· Демпфер сухого трения

Каждая группа демпферов имеет свою специфику, свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при их применении.

Демпфирование вертикальной конфигурацией

Здание Transamerica Pyramid в Сан-Франциско, Калифорния

Демпфирование вертикальной конфигурацией (Building elevation control) предназначено для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт предотвращения резонансных колебаний с помощью дисперсии сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Пирамидальные постройки не перестают привлекать внимание архитекторов и инженеров также благодаря их устойчивости при ураганах и землетрясениях.

Сравнительные испытания на вибростоле: слева — обычная модель здания, справа — модель, демпфированная вертикальной конфигурацией здания.

Конический профиль здания не является обязательным для этого метода вибрационного контроля. Аналогичный эффект может быть достигнут с помощью соответствующей конфигурации таких характеристик как массы этажей и их жесткости.

Многочастотный успокоитель колебаний

Высотное здание с многочастотным успокоителем

Многочастотный успокоитель колебаний (Multi-Frequency Quieting Building System) или, сокращенно, МУК является системой устройств для вибрационного контроля, установленной на высотном здании или другом сооружении, которая колеблется с определёнными резонансными частотами данного объекта под сейсмической нагрузкой.

Каждый МУК включает в себя ряд междуэтажных диафрагм, обрамленных набором выступающих консолей с различными периодами собственных колебаний и работающих как инерционные демпферы. Использование МУК позволяет сделать здание как функциональным, так и архитектурно привлекательным.

Приподнятое основание здания

Приподнятое основание здания (Elevated building foundation) является инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Эффект Приподнятого основания здания (ПОЗ) основан на следующем. В результате многократных отражений, диффракций и диссипаций сейсмических волн в процессе их распространения внутри ПОЗ, передача сейсмической энергии в надстройку (верхнюю часть здания) оказывается сильно ослабленной.

Эта цель достигается за счёт соответствующего подбора строительных материалов, конструктивных размеров, а также конфигурации НОЗ для конкретной площадки.

Реконструкция пяты свода Приподнятого основания

Приподнятое основание здания (Elevated building foundation) является инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Эффект Приподнятого основания здания (ПОЗ) основан на следующем. В результате многократных отражений, диффракций и диссипаций сейсмических волн в процессе их распространения внутри ПОЗ, передача сейсмической энергии в надстройку (верхнюю часть здания) оказывается сильно ослабленной.

Эта цель достигается за счёт соответствующего подбора строительных материалов, конструктивных размеров, а также конфигурации НОЗ для конкретной площадки строительства.

Свинцово-резиновая опора

Вибрационное испытание свинцово-резиновой опоры

Свинцово-резиновая опора (Lead Rubber Bearing) — это сейсмическая изоляция, предназначенная для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт интенсивного демпфирования сейсмической энергии, проникающей через фундаменты в эти здания и сооружения. На фото справа показано испытание свинцово-резиновой опоры сделанной из резинового цилиндра со свинцовым сердечником.

Однако механически податливые системы, какими являются сейсмически изолированные сооружения со сравнительно низкой горизонтальной жесткостью, но со значительной так называемой демпфирующей силой, могут испытывать значительные перегрузки, вызванные при землетрясении как раз этой силой.

Пружинный демпфер

Пружинный демпфер под трехэтажным домом

Пружинный демпфер (springs-with-damper base isolator) является изолирующим устройством, подобным по замыслу свинцово-резиновой опоре. Два небольших трехэтажных дома с такими устройствами, расположенными в Санта Монике (Калифорния), были проэкзаменованы Нортриджским землетрясением в 1994 году.

Фрикционно-маятниковая опора

Фрикционно-маятниковая опора: вибро-испытание

Фрикционно-маятниковая опора (Friction Pendulum Bearing) — это сейсмическая изоляция, являющаяся инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Основные элементы фрикционно-маятниковой опоры (ФМО):

· сферически вогнутая поверхность скольжения;

· сферический ползунок;

· ограничительный цилиндр.

Исследование сейсмостойкости.

Исследование сейсмостойкости (Earthquake engineering research) включает в себя как полевые так и аналитические и лабораторные эксперименты, имеющие целью объяснение известных фактов либо пересмотр общепринятых взглядов в свете вновь открытых фактов и теоретических разработок в области сейсмостойкого строительства.]

Тем не менее, основным практическим методом получения новых знаний в этoй области до сих пор является обследование поврежденных при землетрясениях сооружений.

Встроенное сейсмоубежище.

Главные мировые исследовательские центры по сейсмостойкости и сейсмостойкому строительству приведены ниже:

• Earthquake Engineering Research Institute (EERI)
• Earthquake Engineering Research Center
• Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER)
• John A. Blume Earthquake Engineering Center
• Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering (CUREE)
• Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research (MCEER)
• Earthquake Engineering Research Projects of CSUN
• George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation
• USGS Earthquake Hazards Program
• Office of Earthquake Engineering at Caltrans
• Earthquake Engineering Research Centre of Iceland
• Earthquake Engineering New Zealand
• Canadian Research Centers and Research Groups on Earthquake Engineering
• Hyogo Earthineering Researcquake Engh Center
• Laboratory for Earthquake Engineering of NTUA
• Earthquakes and Earthquake Engineering in The Library of Congress
• International Institute of Earthquake Engineering and Seismology
• National Center for Research on Earthquake Engineering

Литература

- Руководство по проектированию сейсмостойких зданий и сооружений, т. 1—4, М., 1968—71;

- Строительные нормы и правила, ч. 2, раздел А, гл. 12.

- Строительство в сейсмических районах, М., 1970;

- Сейсмостойкое строительство зданий, М., 1971;

- Саваренский Е. Ф., Сейсмические волны, М., 1972;

- Современное состояние теории сейсмостойкости и сейсмостойкие сооружения М., 1973.