ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ И ПОДХОДЫ

ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕЙСМОБЕЗОПАСНОСТИ.

Принципы обеспечения сейсмобезопасности по области их применения можно разделить на две большие группы. К первой мы относим градостроительные (сейсмозащита территорий), а ко второй – архитектурно-конструктивные (сейсмозащита зданий, сооружений). Не останавливаясь на первой группе, которая совершенно незаслуженно обойдена вниманием специалистов (это тема другой статьи), рассмотрим архитектурно-конструктивные принципы обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений в их историческом аспекте. Основные архитектурно-конструктивные принципы проектирования сейсмостойких зда- ний и сооружений достаточно подробно описаны как в инструктивно-нормативной литературе [1–4], так и в известных работах С.В. По- лякова, Л.Ш. Килимника и А.В. Черкашина [5], Б.А. Кирикова [6, 7], В.М.Бондаренко, Б.М. Гусе- ва и А.М. Курзанова [9], С.Б.Смирнова [10–11], А.М. Уздина [8] и др. Эти принципы базиру- ются на результатах исследований несколь- ких поколений известных ученых в области теории сейсмостойкости (М. Био, Г. Хаузнера, Н. Ньюмарка, Э. Розенблюэта, И.Л. Корчинского, И.И. Голденблата,К.С. Завриева, Н.А. Никола- енко, С.В. Полякова, Я.М. Айзенберга и др.). По мнению проф. Н.П. Абовского, эти принципы Вестник КРСУ. 2012. Том 12. № 6 71 В.С. Семенов можно было бы назвать “рациональным конструктивным формообразованием сейсмостой- ких зданий” [12]. В наиболее общем виде “фундаментальные принципы конструирования сейсмостойких зданий, лежащие в основе не только древних, но и современных антисейсмических конструктивных решений” сформулированы Б.А. Кириковым [7]. Это: 1. Принцип симметрии: веса и жесткости в конструкции должны быть распределены рав- номерно и симметрично относительно плоско- стей симметрии, проходящих через центр тяже- сти сооружения. 2. Принцип гармонии: необходимо выдер- живать пропорциональность в размерах здания, при этом длина или высота его не должны быть чрезвычайно большими. 3. Принцип антитяжести: необходимо делать сооружение как можно более легким, с центром тяжести, расположенным как можно ниже. 4. Принцип эластичности: материалы в конструкции желательно применять прочные, легкие, обладающие упругими свойствами, кон- струкции из них должны иметь однородные свойства. 5. Принцип замкнутого контура: несущие элементы конструкции должны быть связаны меж- ду собой, образуя замкнутые контуры как в верти- кальном направлении, так и в горизонтальном. 6. Принцип фундаментальности: фун- даменты сейсмостойких конструкций должны быть прочными, достаточно глубоко заложенны- ми, желательно на податливых прослойках или специальных субструкциях, заменяющих плохие грунты, для обеспечения однородности и проч- ности грунтового основания. 7. Принцип сейсмоизоляции: применять устройства, снижающие интенсивность колеба- тельных процессов, передаваемых от грунта на здание. К этому можно добавить и еще один прин- цип, о котором упоминают Б.А. Кириков и дру- гие ученые. 8. Принцип гарантированного качества выполнения СМР. Б.А. Кириков предупреждает, что к этим принципам надо относиться так же, как и к любым другим – их не обязательно пол- ностью соблюдать. Разумеется, можно строить очень высокие или несимметричные сооруже- ния, но в этом случае надо принять какие-то до- полнительные меры, чтобы обеспечить их проч- ность и устойчивость при землетрясении. Многие исследователи отмечают, что прин- ципы симметрии, гармонии, антитяжести, элас- тичности и др. в нормативной литературе почти не раскрываются. Из учебной литературы, затра- гивающей эти вопросы, можно назвать ставшую библиографической редкостью книгу К. Арноль- да и Р. Рейтермана “Архитектурное проектирова- ние сейсмостойких зданий” [13] и учебник аме- риканского специалиста А. Чарлесона (Charleson A., Seismic design for architects) [14]. Перечисленными выше принципами целе- сообразно руководствоваться как функциональ- ными посылками рационального формообразо- вания. Учитывая неопределенность и сложность сейсмической нагрузки, необходимо в первую очередь стремиться снизить уровень ее воздей- ствия на здания или сооружения [12]. Концептуальные основы проектирования сейсмостойких зданий и сооружений, базирую- щиеся на современных представлениях теории сейсмостойкости сооружений и последствиях последних разрушительных землетрясений, из- ложены в работе [9, с. 18–27]. Суть этой концепции состоит в обязатель- ном выполнении трех условий: ¾ несущие конструкции зданий и сооружений должны обладать запасом сейсмостойкости, достаточным для неоднократного воспри- ятия расчетной сейсмической нагрузки без существенных повреждений; ¾ несущие конструкции зданий и сооружений должны обладать запасом сейсмостойкости, достаточным для однократного восприя- тия сейсмической нагрузки, превышающей расчетную на один балл, без обрушения соо- ружения в целом или его отдельных частей; ¾ инженерные коммуникации должны обла- дать такой же сейсмостойкостью, как здания и сооружения. Для достижений поставленной цели расчет сооружений и коммуникаций на сейсмическую нагрузку, соответствующую сейсмичности пло- щадки, должен проводиться по второму предель- ному состоянию; расчет на нагрузку, превышаю- щую сейсмичность площадки на один балл – по первому предельному состоянию. Согласно этой концепции, при проектирова- нии особо ответственных зданий и сооружений несущие конструкции должны быть рассчитаны по второму предельному состоянию на нагрузки, превышающие расчетную сейсмичность пло- щадки на один балл и по первому предельному состоянию на нагрузки, превышающие расчет- ную сейсмичность площадки на два балла.72 Вестник КРСУ. 2012. Том 12. № 6 Строительство Поставленная авторами статьи цель соответ- ствует основным положениям СНиП 2.01.07–85* “Нагрузки и воздействия” (СП 20.13330.2011) и означает отказ от практики балансирования на грани сейсмического разрушения сооружений при недостаточности знаний о силе и характере предстоящего землетрясения и об особенностях работы сооружений под сейсмической нагрузкой. В этой же концепции сейсмическое райо- нирование и микросейсморайонирование пред- лагается проводить по двум параметрам: по ускорению и по упругому перемещению горизон- тальных сейсмических движений грунта осно- вания. На картах сейсмического районирования каждому району должны быть назначены со- ответствующие нормативные (средние) ускоре- ния и упругие перемещения сейсмических дви- жений грунта, а также диапазон их изменения в пределах района. Задача микросейсморайониро- вания – уточнение расчетных значений ускорений и упругих перемещений сейсмических движе- ний грунта в границах диапазона, установленно- го картой сейсмического районирования. Сейсмостойкость зданий и сооружений ре- комендуется рассчитывать методом бегущих волн. При этом необходимо учитывать: про- странственный нелинейный характер сейс- мической реакции сооружения, податливость и инерционные свойства грунтов основания, на- копление повреждений в узлах и элементах со- оружения вследствие деструктивной, усталост- ной, коррозионной, температурно-влажностной деградации материалов. Расчет особо ответственных зданий и со- оружений в общем случае следует произво- дить методом бегущих волн на индивидуаль- ную искусственную сейсмограмму-эталон. Сейсмограмма-эталон составляется после раз- работки расчетной модели сооружения и пред- ставляет собой последовательность участков сейсмограмм, наиболее опасных для рассчиты- ваемого сооружения. Конструктивная схема сооружения долж- на обеспечить статическую неопределимость внутренних сейсмических сил в основных несущих конструкциях. Для сейсмостойкого строительства неприемлема конструктивная схе- ма сооружения с основными статически опре- делимыми несущими связями, не обладающая в предельном состоянии способностью к пере- распределению внутренних сил в другие – “лиш- ние” связи. Конструктивная форма сооружения должна обеспечить сложный пространствен- ный характер его сейсмических колебаний. Опыт натурных испытаний указывает на труд- ность возбуждения интенсивных колебаний со- оружения, когда его отдельные точки движутся по разным направлениям. В качестве основного средства достижения поставленной цели практически все ученые ре- комендуют применять специальные конструк- тивные мероприятия, направленные на сни- жение сейсмической нагрузки. Наиболее уни- версальный и эффективный принцип снижения сейсмической нагрузки – сейсмоизоляция. При- менение этого принципа позволяет возводить в сейсмически опасных районах здания и соо- ружения более разнообразных архитектурных форм и размеров, в частности увеличить строи- тельство зданий с несимметричными конструк- тивными схемами, расширить применение кир- пичной и каменной кладки. Представитель другой точки зрения на проблемы надежной сейсмозащиты зданий и сооружений профессор С.Б. Смирнов предла- гает перейти “к качественно новой эффективной стратегии сейсмозащиты зданий”. Его стратегия содержит восемь принципов, которые “надо раз- вивать и дополнять” [10, с. 28–36]: 1. Отбор, анализ и “принятие на вооружение” всех позитивных практических приемов и кон- структивных решений по успешной сейсмозащи- те зданий, выработанных веками методом проб и ошибок, а также категорический отказ от ис- пользования тех конструкций и материалов, кото- рые всегда проявляют низкую сейсмостойкость. 2. Использование только многосвязных строительных конструкций и элементов, имею- щих максимальный запас прочности и надеж- ности при минимальной стоимости. 3. Использование только нехрупких строи- тельных материалов (в том числе армирован- ных), обладающих достаточной ударной вязко- стью, пластичностью и прочностью при сдвиге и растяжении и категорический отказ от исполь- зования хрупких и полухрупких строительных материалов. 4. Обеспечение плавности форм строитель- ных конструкций, а также исключение в них и в их элементах резких скачков жесткости, острых углов и зон концентрации напряжений. 5. Частичное или полное отсечение зданий от их подземной части за счет введения надзем- ной опорной плиты, резко повышающей много- связность здания. 6. Использование особых фундаментов, имитирующих скальное основание.Вестник КРСУ. 2012. Том 12. № 6 73 В.С. Семенов 7. Использование коробчатых железобетон- ных систем при строительстве многоэтажных зданий. 8. Отказ от сварных соединений. В своих следующих работах С.Б. Смирнов развивает концепцию ударно-волнового воздей- ствия, основывающуюся на теории волновых процессов и теории ударной прочности материа- лов. Вот его мнение: “Известно, что при земле- трясениях появлению инерционных сил всегда предшествует появление в вертикальных элемен- тах зданий волн поперечного сдвига, вызванных горизонтальными толчками, т. е. толчки и сдви- говые волны первичны, а инерционные силы вторичны. Логично было бы считать именно эти толчки и волны сдвига одной из главных причин сейсмического разрушения зданий, тем не менее, единственной общепринятой причиной сейсми- ческих разрушений сооружений до сих пор счи- таются инерционные силы” [11, с. 10–14]. Надо сказать, что эту концепцию поддер- живают не только отдельные российские уче- ные, но и киргизские специалисты-сейсмики (Б.С. Ордобаев и др.). Следует отметить, что в известных иссле- дованиях обойдена молчанием проблема сейс- мостойкого строительства в сложных грунтовых условиях, т. е. весьма распространенный случай сочетания сейсмики и сложных (в т. ч. слабых) грунтовых условий. Согласно действующим нормам, в этом случае повышается коэффициент сейсмичности и увеличивается величина сейс- мической нагрузки, т. е. используется вынуж- денный прием. Именно это направление сейсмозащиты успешно развивают в последние годы ученые Сибирского федерального университета (быв- ший КрасГАСА). Под руководством д.т.н., проф. Н.П. Абовского ими сформулирован новый под- ход к проектированию сейсмостойких зданий, на- званный авторами “конструктивной сейсмобезо- пасностью в сложных грунтовых условиях” [12]. Смысл этого подхода к проблеме сейсмобе- зопасности заключается в идее прерывания тех связей, через которые на всю систему целиком (т. е. на фундамент и верхнее строение) переда- ется внешнее динамическое воздействие, т.е. без нарушения целостности системы. При сейсми- ке – это, главным образом, тангенциальные свя- зи (трение) между основанием и фундаментом и лобовое сопротивление фундамента волново- му фронту. Для реализации данной идеи авторами пред- ложены конструкции наземных незаглубленных сплошных пространственных фундаментных платформ (ПФП) на скользящем слое, располо- женном между ПФП и основанием. Такая систе- ма в достаточной мере защищена от значитель- ных сейсмических воздействий, а объединение ПФП с верхним строением в цельную много- связную замкнутую систему еще более повыша- ет ее сейсмостойкость. Перспективность данного решения оче- видна, поскольку ПФП имеет повышенную жесткость при относительно малом расходе ма- териала, совмещает в себе ряд функций (кон- структивных и эксплуатационных), не нарушает гидрогеологический режим основания и весьма эффективна для строительства в сложных грун- товых условиях. Таким образом, главной целью конструк- тивной сейсмобезопасности являются решения, во-первых, по снижению сейсмического воздей- ствия на систему (здание+фундамент) и, во- вторых, по изолированию (демпфирование, пере- распределение и т. п.) отдельных частей здания от передавшихся на систему сейсмических воз- действий. Данный подход приобретает особое значе- ние в условиях неопределенности внешних воз- действий, например, сейсмических. При анализе существующих принципов сейсмозащиты, нельзя обойти вниманием раз- виваемую К.В. Козыревым и другими исследо- вателями концепцию резонансного воздействия, основанную на учёте интенсивности, частот- ного состава и продолжительности землетря- сения. По мнению авторов “в выпущенном и утверждённом нормативном документе России не оказалось конструктивных принципов, спо- собных решить проблему сейсмобезопасности всего фонда зданий и сооружений, поскольку существующая теория сейсмостойкости не учи- тывает главную причину разрушения зданий при сильных землетрясениях – динамику пре- обладающих частот воздействия. Вхождение в резонанс – вот что является основной причи- ной разрушения зданий и сооружений при зем- летрясениях” [15, с. 14–18; 16]. Пять принципов резонансной концепции. Принцип первый. Недопустимость вхож- дения в резонанс конструктивных систем зда- ний может быть достигнута одним из следую- щих способов: а) для заданной площадки для строительства с установленными частотами ожидаемого воздействия следует проектировать здания с периодом собственных колебаний, не входящих в резонанс с воздействием; б) в случае 74 Вестник КРСУ. 2012. Том 12. № 6 Строительство привязки разработанного ранее проекта следует размещать здание на площадках, где преобла- дающие частоты воздействия не совпадают с пе- риодами собственных колебаний зданий; в) для вывода зданий из диапазона резонансных частот следует применять системы сейсмоизоляции. Принцип второй. Использовать разрабо- танный автором концепции “Резонансный метод расчёта зданий и сооружений на сильные сейсми- ческие воздействия”; “резонансный коэффициент динамичности” в этом методе выражается урав- нением, устанавливающим зависимость между частотным составом ожидаемого воздействия и периодами собственных колебаний зданий; ука- занное уравнение даёт возможность определять резонансный коэффициент динамичности кон- кретно для любого здания с его периодом соб- ственных колебаний на площадке с ожидаемыми частотами сейсмического воздействия. При этом величина коэффициента может иметь любое зна- чение: от минимального до предрезонансного. Кроме того, уравнение позволяет построить кри- вую воздействия для конкретного здания, которая имеет диапазон от резонансных частот до частот, на которые здание не реагирует. Кривая использу- ется для выбора площадки строительства. Принцип третий. Карта микросейсморайо- нирования для резонансной теории должна опре- делять зоны с преобладающими частотами ожи- даемого воздействия и соответствующие им уско- рения сейсмических волн. Резонансной теории не требуется разграничение территории по бально- сти, т. к. основными параметрами служат преоб- ладающие частоты воздействия и соответствую- щие им ускорения на рассматриваемом участке территории. Отсюда следует вывод, что рядом стоящие здания, различающиеся по жесткостным характеристикам, следует рассчитывать на сейс- мические нагрузки, значительно отличающиеся друг от друга. В итоге определение максимальной сейсмической силы конкретизируется для каждо- го здания на любом участке территории. Принцип четвертый. При отсутствии данных по ожидаемым частотам воздействия резонансный коэффициент динамичности сле- дует принимать исходя из предположения, что период собственных колебаний здания близок к резонансной частоте. При этом следует учиты- вать, что при уменьшении жёсткости зданий рас- чётное ускорение уменьшается, а резонансный коэффициент увеличивается. На графике пере- сечение этих линий даёт наиболее рациональ- ный период собственных колебаний для зданий, подлежащих защите от резонанса. Этот период собственных колебаний равен 0,43 сек. Здесь ускорение составляет 280 см/сек2 для 9 баллов, а резонансный коэффициент – 3,5. Эти величины определены аналитическим путём и могут быть рекомендованы для использования. Принцип пятый. Определение сейсмиче- ской надёжности существующей застройки зна- чительно упрощается, а трудоёмкость снижается. При наличии карты микросейсморайонирования с указанием преобладающих частот ожидаемого воздействия достаточно определить период соб- ственных колебаний рассматриваемого здания и сравнить с преобладающими частотами на кар- те. Полностью исключается огромная работа по обследованию зданий. В заключение приведем отдельные предло- жения из работы [17], вошедшие в последнюю редакцию актуализированного СНиП “Строи- тельство в сейсмических районах” [1]. ¾ Расчеты выполняются на два уровня сейс- мических воздействий: проектное земле- трясение (ПЗ) и максимальное расчетное землетрясение (МРЗ), для которых прини- маются различные предельные состояния. Введение расчетных проверок на два уровня повышает надежность зданий, строящихся в наиболее сейсмоопасных районах. ¾ Даны указания по снижению сейсмических нагрузок путем применения сейсмоизоля- ции и других систем регулирования сейсми- ческой реакции сооружения. ¾ Существенным образом расширен раздел, посвященный конструктивным мероприя- тиям, в который включены дополнительные рекомендации по проектированию много- этажных зданий со стальным каркасом, зда- ний с несущими стенами из крупных бло- ков, бескаркасных зданий из монолитного железобетона, зданий из объемных блоков. Таким образом, анализ источников показы- вает, что в СНГ на данный момент имеются три концепции, направленные на обеспечение сейс- мобезопасности зданий и сооружений: 1. Действующая теория сейсмостойкости, которая основывается на силовой составляющей сейсмического воздействия (ускорениях сейсми- ческих волн). 2. Ударно-волновая концепция, обосновы- вающая свои предположения на преобладающем воздействии на здания и сооружения поверх- ностных S-волн. 3. Концепция резонансного воздействия, ба- зирующаяся на учёте интенсивности, частотного состава и продолжительности землетрясения.Вестник КРСУ. 2012. Том 12. № 6 75 В.С. Семенов По нашему мнению все они имеют право на жизнь и только более глубокие теоретические и экспериментальные исследования, а также анализ характера разрушений зданий в процессе проис- шедших и будущих землетрясений покажет какая из них наиболее полно отражает работу сооруже- ний и обеспечивает их сейсмобезопасность. Литература 1. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмиче- ских районах: Актуализированная редакция СНиП II-7–81*. Мин. Регион. Разв. РФ. М., 2011. 88 с. 2. СП 31-114–2004. Правила проектирования жи- лых и общественных зданий для строитель- ства в сейсмических районах. Госстрой Рос- сии. М.: ГУП ЦПП, 2005. 50 с. 3. СНиП РК 2.03-30–2006. Строительство в сейсмических районах / Ком. по делам стр-ва и жилищ.-коммун. хоз-ва М-ва индустрии и торг. РК. Алматы, 2006. 80 с. 4. СНиП КР 20-02:2009. Сейсмостойкое строи- тельство. Гос. агентство по арх. и строит. при правительстве КР. Бишкек, 2009. 102 с. 5. Поляков В.С., Килимник Л.Ш., Черкашин А.В. Современные методы сейсмозащиты зданий. М.: Стройиздат, 1989. 320 с. 6. Кириков Б.А. Древнейшие и новейшие сейсмо- стойкие конструкции. М.: Наука, 1990. 72 с. 7. Кириков Б.А. Сейсмостойкость древних соору- жений. М.: Наука, 1992. 136 с. 8. Уздин А.М., Сандович Т.А., Аль-Насер-Мохомад С.А. Основы теории сейсмостойкости и сейс- мостойкого строительства зданий и сооруже- ний. СПб.: Изд-во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1993. 176 с. 9. Бондаренко В.М., Гусев Б.М., Курзанов А.М. Концептуальные основы проектирования сейсмостойких зданий и сооружений // ПГС. 1997. № 3. 10. Смирнов С.Б. О новых принципах эффектив- ной сейсмоизоляции зданий и о реальной си- туации в этой сфере // ПГС. 1997. № 3. 11. Смирнов С.Б. Решение проблемы надежной сейсмозащиты зданий и сооружений // ПГС. 1999. № 10. 12. Конструктивная сейсмобезопасность зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях: препринт / под ред. Н.П. Абовского. Красно- ярск: Сиб. фед. ун-т, 2009. 186 с. 13. Арнольд К., Рейтерман Р. Архитектурное проектирование сейсмостойких зданий / пер. с нем. Л.Л. Пудовкиной; под ред. С.В. По- лякова, Ю.С. Волкова. М.: Стройиздат, 1987. 195 с. 14. Charleson A. Seismic design for architects. Architectural Press is an imprint of Elsevie. First edition, 2008. 296 p. 15. Козырев К.В., Парфёнов Р.М. Сейсмиче- ская безопасность в странах СНГ. Теория и практика сейсмозащиты зданий и сооруже- ний // Бюлл. строит. техники, 2008. № 10. С.14–18. 16. Козырев К.В. Новые подходы в теории сейс- мозащиты зданий. Эл. ресурс. Режим досту- па: http://seismics.is-a-chef.org/index.php/ru/ news/52-3 17. Развитие концепций и норм сейсмостойкого строительства / С.И. Полтавцев, Я.М. Айзен- берг, В.М. Горпинченко, В.А. Ильичев, В.И. Ой- зерман. Эл. ресурс. Режим доступа http:// relcom.wwwsite.ru/BST/seismos.htm