КОНФИГУРАЦИЯ

Ответ следующий: архитектор создает и видоизменяет форму здания, т.е. разрабатывает его архитектурное решение, его конфигурацию, которая обычно определяется размерами и формой здания в плане.

Здесь под конфигурацией здания понимается также проектное положение и тип конструктивных и основных неконструктивных элементов сооружения, которые могут оказывать влияние на работу всего сооружения в условиях воздействия сейсмической нагрузки (рис. 10.6.1). Это элементы стенового заполнения, колонны, перекрытия, лифтовые шахты и лестничные клетки, а также внутренние перегородки и наружные стеновые элементы - сплошные или с проемами. Такая расширенная номенклатура необходима для лучшего понимания сложной взаимосвязи работающих элементов конструкции при землетрясении. Поэтому принятое здесь понятие конфигурации выходит за рамки понятия формы здания, которое ограничено общими контурами или функциональным характером здания.

Определяя конфигурацию здания, архитектор оказывает непосредственное влияние на выбор системы несущих элементов конструкции. При этом часто выход из строя отдельных конструктивных деталей, приводящий к серьезным повреждениям или потере устойчивости всего здания, может предопределяться его конфигурацией. Другими словами, неудачная конфигурация здания (как в целом, так и в сочетании отдельных объектов) при воздействии сейсмических нагрузок может привести к перегрузке некоторых конструктивных элементов или узлов и их разрушению. Говоря о значимости конфигурации здания, не имеется в виду умаление роли инженерного проектирования и технологий производства строительных работ; то и другое взаимосвязанные процессы одинаковой важности, обеспечивающие надежность и эффективность эксплуатации здания и сооружения. Поэтому за проектирование сейсмостойких конструкций в равной степени отвечают как инженер, так и архитектор.

Во время землетрясения сейсмическое воздействие поражает все здание, не делая различия в тех элементах, которые разработаны инженером и которые созданы архитектором. Форма здания, симметричное расположение его элементов и генеральный план должны создаваться на стадии концептуального проектирования. Это не менее важно, чем точное определение усилий в соответствии с предлагаемыми строительными нормами.

Расчет на сейсмостойкость не единственный фактор, определяющий форму здания. Если проектирование начинается с выбора неудачной конфигурации здания или сооружения, то все, что в состоянии сделать хороший инженер - это по возможности улучшить первоначальное непродуманное решение. И, наоборот, при выборе удачной конфигурации здания и эффективной системе элементов каркаса даже неквалифицированный инженер не сможет испортить окончательного варианта работы здания в условиях сейсмических нагрузок.

Проблема архитектора сводится к тому, следует ли проектировать здание исходя из требований функционального, социального и эстетического характера и затем эксплуатировать его в условиях полученной конструктивной надежности, или процесс проектирования для сейсмических районов должен изначально включать рассмотрение вопросов повышенной устойчивости и общей целостности здания, которые определяют параметры объемов, симметричность, массу элементов, модульную систему и другие факторы, оказывающие влияние на сейсмостойкость конструкций. При принятии второго пути не ясно, как архитекторы, инженеры и другие причастные лица могут создать общие концепции проектирования зданий и сооружений с учетом воздействия явления, которое повторяется в своей наиболее разрушительной форме через значительные периоды времени, в течение которых многие из принятых расчетных параметров могут измениться.

Рис 10.4.2. Изображение понятия "конструкции нерегулярной формы и рамные каркасы":

I - здания неправильной конфигурации в плане: а - Т-образный план; б - L-образный план; в - U-образный план; г - крестообразный план; д - другие сложные формы плана; е - уступы; ж - башни; з - разные уровни этажей; и - необычно высокий первый этаж; к - необычно низкий первый этаж; л - однородное архитектурно-планировочное решение снаружи, но неравномерное распределение массы, или наоборот;

II - здания с резким изменением несущей способности при горизонтальных нагрузках; а - гибкие нижние уровни; б - большие проемы в вертикальных диафрагмах; в - прерывистость колонн; г - прерывистость балок; д - отверстия в горизонтальных диафрагмах;

III - здания с резким изменением горизонтальной жесткости: а - диафрагмы в одних этажах рамные каркасы - в других; б - несоосность вертикальных несущих элементов;в - резкие изменения размеров элементов; г - большая неравномерность распределения массы по высоте;

IV - необычные или новые элементы конструкций: а - вантовые конструкции; б -оболочки; в - фермы, расположенные в зигзагообразном порядке; г - здания на склонах.

Отсюда следует два важных вывода:

1. Для некоторых районов земного шара требуется пересмотр некоторых определяющих критериев, принятых за основу процесса проектирования сейсмостойких конструкций, в результате чего влияние редкого, но возможного сейсмического воздействия можно будет учитывать наряду с другими расчетными параметрами.

2. Решения, принимаемые в отношении конструктивных особенностей зданий, должны быть простыми с возможностью многократного повторения; элементы конструкций должны обладать максимальной, симметрией, прямолинейностью и неразрезностью.

Размеры зданий.Во время землетрясения в г. Анкоридж, 1964, небольшие дома, расположенные в районе оползней, в результате воздействия сильных толчков переместились на несколько метров в различных направлениях, но благодаря небольшой массе и размеру не были существенно повреждены, хотя их конструкция проектировалась без расчета на воздействие сейсмических нагрузок. Для малых зданий с деревянным каркасом влияние конфигурации на работу при сейсмическом воздействии может быть невелико. Причина в том, что малый дом с деревянным каркасом имеет небольшую массу, и возникающие ней силы инерции будут также небольшими. Кроме того, в таких домах размеры пролетов малы относительно площади пола; прилагаемая к конструкциям здания нагрузка распределяется среди большого количества стеновых элементов, а в случае необходимости, объемы ремонта будут невелики.

При сравнении конструкций зданий различных размеров выяснилось, что нарушение общих принципов и основ разработки объемно-планировочного решения неизменно вызывает существенное увеличение стоимости, а по мере роста воздействующих нагрузок работа конструкций ухудшается по сравнению с эквивалентным зданием с лучшей конфигурацией. При увеличении абсолютного размера сооружения количество возможных альтернатив его конструктивного решения уменьшается. Мост пролетом в 90 м можно построить в виде балочной, арочной, висячей конструкции и со сквозными фермами; а мост пролетом в 900 м может быть только подвесным. Нельзя изменить габариты сооружения и размер элементов и сохранить при этом прежнюю работу конструкции.

Высота здания.На первый взгляд увеличение высоты здания может показаться эквивалентным увеличению пролета консольной балки. Но это не так. С увеличением высоты здания обычно растет и значение периода собственных колебаний здания, а изменение периода колебаний означает изменение (в верхнем или нижнем уровне) ответных реакций здания и величины соответствующих усилий. Обычно землетрясения вызывают интенсивные перемещения грунта с высоким ускорением и периодом основных колебаний не более 0,5 с. Следовательно, здание высотой более 20 этажей с основным периодом колебаний более 1 с будет испытывать меньшее ускорение массы, чем здание высотой в 5-10 этажей с периодом колебаний 0,5 с.

Период собственных колебаний зданий является функцией не только высоты, но также гибкости, высоты этажей, типа конструктивной системы, используемого строительного материала, распределения масс. Поэтому изменение размера здания может одновременно вызвать изменение периодов собственных колебаний, что соответственно способствует увеличению или уменьшению величин сейсмических нагрузок.

Горизонтальные размеры.Кроме опрокидывающих усилий, возрастающих с увеличением высоты зданий и сооружений, при действии землетрясения отрицательно сказываются слишком большие размеры плана. Если план велик, даже если он симметричен и имеет простую форму, здание как единое целое не всегда может оказывать сопротивление воздействию сейсмических волн. При определении сейсмических воздействий обычно исходят из предположения, что сооружение колеблется как система, у которой на одном и том же уровне в любой момент времени все точки плана находятся в одинаковой фазе по перемещениям, скорости и ускорениям при их одинаковой амплитуде. В действительности, прохождение сейсмических волн не мгновенно, а происходит с определенной конечной скоростью, зависящей от плотности грунта и характеристик конструкции, различные участки основания по длине здания колеблются асинхронно с разными величинами ускорений, что вызывает в здании дополнительные продольные усилия сжатия-растяжения и горизонтального сдвига. При прочих равных других условиях эти усилия будут тем более существенны, чем большей будет длина сооружения.

Геометрические пропорции.При проектировании сейсмостойких конструкций геометрическая пропорция здания важнее его абсолютных размеров. Для зданий повышенной этажности гибкость здания имеет большее значение, чем просто высота. Чем больше гибкость, тем пагубнее воздействие опрокидывающего момента во время землетрясения и больше вызываемые им усилия в конструкциях наружных колонн; в особенности отрицательное влияние на работу здания оказывают усилия сжатия, возникающие при действии опрокидывающей нагрузки. Специалисты предлагают принять величину гибкости для зданий не более 4. Так как требования внутренней архитектурно-планировочной структуры административных зданий предусматривают ширину здания в плане около 16-18 м, то ограничение гибкости величиной 4 допускает возможность осуществления строительства приблизительно 20-этажных зданий, что характерно для большинства проектов обычного функционального назначения. Поэтому указанное требование в этих случаях соблюдается автоматически. Вопреки зрительным впечатлениям американские небоскребы не всегда имеют высокую гибкость. Сравнительные гибкости некоторых многоэтажных зданий составляют: для здания Пирелли Билдинг - 7:1, Центра международной торговли - 6,8 : 1, здания Сиерс - 6,4 : 1, здание Эмпайр Стейт Билдинг - 5 : 1, здания Ю. С. Стил Билдинг - 3,6 : 1.

Рис. 10.4.3. Симметрия в плане: а – симметрия относительно двух или более осей;

б - симметрия относительно одной оси; в - отсутствие симметрии

Симметрия.Здание или сооружение считается симметричным относительно двух осей в плане, если его геометрические параметры идентичны с каждой стороны рассматриваемой оси. Симметричность здания может быть по одной оси (рис. 12.4.3). Конструктивная симметрия означает совпадение местоположения центра тяжести и центра жесткостей.

Симметрия относительно вертикальной оси имеет меньшее значение для динамики здания или сооружения, чем симметрия плана. Фактически с точки зрения абсолютных динамических свойств здания оно не может быть абсолютно симметричным, так как с одной стороны в месте опирания на грунт оно неподвижно, а с другой стороны - свободно.

Единственное указание, включенное во все нормативные документы по этому вопросу, заключается в выдерживании симметрии форм, асимметричность способствует возникновению эксцентриситета между центром тяжести и центром жесткости, в результате чего появляется кручение. Кручение может также возникнуть и по другим причинам, например, при неравномерном распределении массы в сооружении, симметричном в плане; однако асимметричность решения плана почти всегда ведет к кручению. Кроме того, несимметричность конструкций часто приводит к концентрации напряжений. Концентрация напряжений возникает у надрезов входящих углов зданий. Но решение плана здания с входящими углами не обязательно должно быть асимметричным (здание крестообразное в плане может иметь симметричную форму).

Отсюда вывод: для уменьшения концентрации напряжений одной симметричности не достаточно; при решении планов здания необходимо соблюдать другое требование - простоту конфигурации (конфигурация выпуклого типа).

Рис. 10.4.4. Планы зданий

Но «степень» выпуклости может быть разной (рис. 10.4.4). При слишком коротких крыльях зданий (план слева) указанная конфигурация стремится к аппроксимации простой симметричной формы квадрата. При слишком большой длине крыльев (план справа) входящие углы способствуют концентрации значительных напряжений и возникновению кручения. Поэтому при выборе в качестве критерия проектирования параметров надежности и экономичности рекомендуют использовать такие симметричные формы здания, которые не подвергаются воздействию кручения.

Симметрия определяется не только решением плана всего здания, но и отдельными элементами и узлами, создаваемыми в процессе проектирования и строительства. Изучение работы конструкций зданий в период предшествующих землетрясений указывает на сравнительно высокую их чувствительность к небольшим изменениям симметричности плана. В особенности это относится к конструктивным решениям, предусматривающим использование несущих диафрагм и стволов (ядер жесткости). Иногда основные конструктивные элементы, такие, как ядра жесткости, имеют несимметричное размещение в общей симметричной конфигурации здания. В этом случае можно применить термин "псевдосимметрия", который подчеркивает, что в понятие симметрии вкладывается не только симметрия геометрически формы плана и расположения наружных элементов, но и внутренняя компоновка несущих и ненесущих элементов конструкций зданий и сооружений. С другой стороны, для здания с несимметричным решением плана конструктивная система может быть спроектирована таким образом, что его динамическая реакция соответствует симметричному расположению элементов, а возможность появления кручения сведена до минимума. И если несимметричный план здания нельзя изменить на симметричный, то именно такое решение и должно применяться (рис. 10.4.5).

	Рис.10.4.5. Асимметричные конфигурации, которые фактически являются симметричными:а - ненесущее заполнение; б - антисейсмические разделительные швы
	Рис. 10.4.6. Планы зданий с различным насыщением конструктивными элементами		Рис. 10.4.7. Конструкция перевернутого маятника

Распределение и концентрация усилий.Из двух симметричных без входящих углов и с одинаковыми размерами планов (рис. 10.4.6) при условии использования одинаковых материалов, элементов конструкций и качества строительства - правый наиболее подходит для сейсмостойких зданий и сооружений. Он предусматривает большее количество колонн и стыковых соединений колонн с балками, которые наиболее равномерно распределяют прилагаемую нагрузку; кроме того, пролеты балок оказываются значительно короче, а несущие элементы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. В условиях воздействия реальной сейсмической нагрузки возможны различные варианты разрушения элементов конструкций; однако при правильном распределении нагрузки на несущие элементы обеспечивается равномерная работа всего здания. Если из большого количества несущих элементов один начинает разрушаться, то требуемое сопротивление прилагаемым нагрузкам по-прежнему оказывают оставшиеся элементы. Поэтому конфигурации зданий, при которых происходит концентрация сейсмических нагрузок, вызывающая последовательное накопление значительных усилий в постепенно уменьшающемся количестве несущих элементов конструкции, применять нецелесообразно. Характерным примером последних типов сооружений является конструкция резервуара для хранения воды (рис. 10.4.7), представляющая собой перевернутый маятник, в котором 100% прилагаемой поперечной и вертикальной нагрузки приходится на один несущий элемент. Здесь путь перемещения нагрузки один.

Конструктивные решения (плотность плана).Размер и количество несущих элементов в зданиях и сооружениях, построенных в предыдущие века, значительно превышают те, которые предусматриваются в современных архитектурно-планировочных решениях. Постоянное совершенствование основ конструктивного расчета, эстетические требования способствуют продолжению разработок по уменьшению размеров и количества несущих элементов. В зданиях повышенной этажности с большой гибкостью наблюдаются колебания, соответствующие более высоким тонам, и при этом максимальные усилия могут возникнуть там, где их появление казалось бы не очевидно, поскольку обычно наиболее значительные нагрузки при землетрясении действуют на уровне основания грунта. Конструкции нижнего этажа воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие в верхних уровнях. В то же время эстетические требования, предъявляемые к нижнему этажу, определяют максимальное освобождение планировочного пространства. В качестве хорошо известных примеров такого решения плана первого этажа следует привести следующие: консольно нависающая коробка здания, здание со свободным первым этажом (опирающееся на стойки), жилой дом или гостиница с просторным помещением гаража в нижнем этаже (с колоннами, расположенными на большом расстоянии друг от друга) и т.д.

Рис. 10.4.8. Конструктивная плотность плана на уровне грунта: а - собор св. Петра, Рим, 1506-1625, 25%; б - храм Хонсу, Карнак, 1198 до н. э., 50%; в - Парфенон, Афины, 447-432 г. до н. э., 20%; г - церковь св. Софии, Стамбул, 532-537, 20%; д - Пантеон, Рим, 120-124 г. 20%; е - здание Сиерс Билдинг, Чикаго, 1974, 2%; ж - современное здание повышенной этажности, 1975, 0,2%; з - зданий Монаднок Билдинг, Чикаго 1889-1891, 15%; и - собор в Шартре, 1194-1260, 15%; к - Тадж Махал, Агра, 1630-1653, 50%

Конструктивные решения таких зданий не отвечают требованиям оптимальной сейсмостойкости конфигурации, которая требует иметь в нижнем ярусе здания мощные вертикальные несущие элементы для восприятия сейсмических нагрузок. Критерии эстетического восприятия, таким образом, входят в противоречие с требованиями сейсмостойкого проектирования.

Интересной статистической оценкой конструктивно-планировочного решения нижнего этажа является плотность конструктивной схемы (плана), определяемая отношением полной площади вертикальных несущих элементов (колонн, стен, связей жесткости) к полной площади пола. В типовом современном здании величина этого отношения является минимальной для рамных каркасов даже с учетом огнезащиты колонн, если конструкции выполнены в металле. Например, типовое 10- или 20-этажное здание с несущим металлическим или железобетонным рамным каркасом контактирует с поверхностью грунта своими колоннами по площади, равной 1% или менее от площади перекрытия; в случае комбинированной конструкции со связевым каркасом площадь несущих элементов на уровне грунта составит не более 2%. Для многоэтажных административных зданий, конструкции которых включают большое количество стен-диафрагм, это отношение не превышает 3%. Плотность конструктивного плана оснований зданий, построенных в предшествующие столетия, существенно отличается от современной: так, например, для 16-этажного здания Монаднок Билдинг, стены которого выполнены из кирпича толщиной 1,83 м, это отношение равно 15% (рис. 10.4.8).

Специалисты, работающие в области реконструкции зданий, пострадавшихво время землетрясений, знают о том, что старые здания имеют большую прочность и в большинстве случаев остаются почти неповрежденными после воздействия сейсмических нагрузок. Основной фактор, обеспечивающий требуемую сейсмостойкость старых зданий относится, как правило, к ихархитектурно-планировочному решению (конфигурации). Основной объем строительного материалав таком здании находится в нижней части, а конструкции верхних ярусов обеспечивают наиболее рациональные траектории передачи нагрузки. Простые конструктивно логичные конфигурации часто способствуют сохранности во время землетрясений таких зданий, которые по прогнозам должны были бы разрушиться.

Понятием, аналогичным плотности конструктивной схемы, является количественный показатель протяженности стен здания (т.е. связь между длиной стен зданий каркасной системы и объемом повреждений от землетрясения). Выявлено:

- при объеме проемов в наружных стенах свыше 40% возникали повреждения стен;

- в каркасных конструкциях с небольшим количеством стен, воспринимающих сейсмическую нагрузку, объем повреждений зависит от количества стен (в самих стенах возникает много трещин от сдвига, но в колоннах и балках каркаса были только незначительные трещины).