6. Строительство в сейсмических районах.
6.1 Оценка сейсмичности строительной площадки.
В среднем на Земле в год происходит более 20 сильнейших и 100 … 120 потенциально разрушительных землетрясений. По-гречески землетрясение – seimos, т.е. сейсмические явления связаны с колебаниями земной поверхности. Около 70 % землетрясений происходит на глубине до 60 км. В некоторых районах землетрясения происходят на глубине до 300 км и более.
Сегодня, чтобы узнать, является ли материал пластичным, необходимо проверить его пределы. Вот несколько примеров материалов, уже представленных на эти тесты: - стальные конструкции: когда их конструкция хорошо сваривается, она обладает большой пластичностью; - железобетонные конструкции: риск перелома бетона ограничивает пластичность конструкций; - структуры в мазонерии, они имеют низкую пластичность, потому что с определенной силой они быстро разрушаются; - Деревянные конструкции имеют довольно низкую пластичность.
Вот график, который позволяет сравнить деформацию здания относительно сил, упругой системы и неупругой системы. С помощью этого графика можно заметить, что пластичность действует как ограничитель силы. Для перевода пластичности можно использовать коэффициент поведения.
Очагом землетрясений называют пространство, внутри которого заключены все сопровождающие землетрясения первичные деформации. Наблюдаемые на поверхности деформации и нарушения являются вторичными.
Интенсивность землетрясений оценивают в баллах. В последние годы в нашей стране используют международную шкалу MSK-64 (по начальным буквам фамилии ее создателя). Шкала MSK-64 подразделяет землетрясения на 12 баллов: I – IV баллов – слабые, V – VII баллов – сильные, VIII – XII баллов – разрушительные. Описательная часть шкалы состоит из трех разделов: 1) степень повреждения сооружений, выполненных без антисейсмических мер; 2) остаточные явления в грунтах и изменения в режиме грунтовых вод; 3) прочие признаки, включая реакции людей на землетрясения.
Инерционные силы и центр инерции
Во время землетрясения различные массы здания подвергаются неупорядоченному ускорению земли. Действительно, эти ускорения выполняются во всех направлениях. Тем не менее, массы, как правило, возвращаются в свое первоначальное положение, то есть к своему положению перед каждым движением земли. Силы, стремящиеся вернуть массу в исходное положение, являются силами инерции. Силы инерции пропорциональны ускорению грунта и массе структуры. Чем больше масса и ускорение, тем больше силы инерции. Части здания, соединенные с землей, такие как фундаменты или иногда захороненные части, следуют движениям земли в солидарности.
Мерой интенсивности землетрясения служит магнитуда – величина, пропорциональная выделенной в очаге землетрясения энергии, равной десятичному логарифму амплитуды наибольшего колебания грунта по отношению к некоторому стандартному колебанию. Шкала магнитуд (от 0 до 8,7 баллов) разработана Ч. Рихтером. Разница магнитуд на единицу соответствует различию энергии землетрясений в 30 раз. Магнитуда определяется через амплитуду m α поверхностной волны и расстоянием R до эпицентра землетрясения:
По инерции воздушные части не сразу следуют за движением земли: это приводит к важной деформации здания, которое может быть причиной его разрушения. Здания, устойчивые к землетрясениям, предназначены для слежения за движением земли целиком и не только на уровне фундаментов. Это ограничивает перерывы в зданиях. Центром инерции множества точек структуры является центр тяжести этих взвешенных точек, затронутых их соответствующей массой. Центр инерции сливается с центром тяжести. В сейсмических конструкциях центры инерции помещаются как можно ниже.
M = lg α m +1,32 lg R
Для сильных землетрясений а = 1,5; b = 11,8; для слабых а = 1,8; b = 11.
Длина разрыва на поверхности земли связана с магнитной формулой
M = 6,03 + 0,76 lg L .
Сейсмически опасные районы разделяют на зоны с одинаковым сейсмическим воздействием, составлены карты сейсмического районирования. Расчет и проектирование сооружений производят на особые сочетания нагрузок с учетом сейсмических воздействий, представляемых инструментальными записями ускорений и синтезированными акселерограммами. Для анализа поведения конструкций при сейсмических воздействиях производят статическое моделирование и оценку показателей риска.
Деформируемость и моды деформации элементов структуры
Понижая его, крутящееся движение структуры затем уменьшается. Такое поведение обусловлено силами инерции. Элементы конструкции, подчиненные одинаковым силам, не ведут себя одинаково. Таким образом, полюс - это больше, чем стена. Это связано с: - характером материалов и, следовательно, их пластичностью; - их масса, от которой зависят силы инерции; - характер связей между различными элементами структуры. Движения почвы, вызванные сейсмиками, производятся во всех направлениях, поэтому здания подвергаются силам во всех направлениях, которые порождают случайные деформации.
Последствия землетрясений оценивают по шкале Бюро МСССС (1973), согласно которой здания классифицируют по трем типам:
А – здания из рваного камня, сельские постройки;
Б – кирпичные крупноблочные дома, здания из естественного тесаного камня;
В – здания панельные, каркасные железобетонные и деревянные хорошей постройки.
Тем не менее, возможно изучить эти деформации благодаря архитектурным характеристикам. Таким образом, можно предсказать значение деформаций здания в его совокупности. Для этого необходимо изучить максимально возможное ускорение на строительной площадке и характеристики различных используемых материалов. Несколько режимов деформации настроены на благоприятные и ограниченные деформации как в плоскости конструкции, так и на ее высоте.
Приведенный ниже рисунок позволяет сравнить реакцию большого здания с горизонтальным движением и небольшим зданием. Здесь наблюдается, что периоды вибрации не совпадают. Небольшие здания движутся «в блоке», а крупные деформируются и имеют более сложные вибрации. Из приведенных ниже рисунков видно, что большие и малые конструкции не ведут себя одинаково.
Различают: легкие, умеренные и тяжелые повреждения, разрушения и обвалы.
Причиной землетрясений является следующее: земная кора толщиной 30 … 60 км расчленена на блоки разного объема и формы. Блоки (платформы) перемещаются в пространстве с разной скоростью. Это создает условия для перераспределения и периодической концентрации напряжений в граничных областях – разломах. Накопление и разрядка энергии вызывает разрыв и смещения соседних блоков, что и порождает сейсмические волны и колебания.
Чтобы понять этот принцип, были проведены лабораторные испытания. Эти испытания состоят в реконструкции восстановленных моделей зданий и искусственном создании движений на их основе. Способ деформации здания определяется формой деформации составляющих его элементов и типами соединений, а также характером вибраций грунта. Существует четыре основных способа деформации различных элементов. - Сжатие: элемент подвергается сжимающему усилию, когда он подвергается действию двух противоположных сил, которые приводят к дроблению материала. - Тяговое усилие: элемент, подвергаемый тяговой нагрузке, также подвергается действию двух противоположных сил, которые приводят к растяжению материала.
Составлены карты распределения сейсмической энергии. Для каждого района определена максимальная величина интенсивности и разработаны карты сейсмического районирования и микрорайонирования. На картах указаны не только максимальные интенсивности, но и категории повторяемости. Для первой категории – раз в 100 лет, второй – в 1000 лет, третьей – в 10 000 лет. Срок службы сооружений, в среднем, значительно меньше промежутков между землетрясениями максимальной для данного района интенсивности.
Изгиб: при изгибе верхние волокна вытягиваются, а нижние волокна сжимаются, а те, которые находятся в середине, остаются необнаруженными. Это часто бывает для консольных балок со свободным концом. Сгибание: конструкция, подверженная значительной сжимающей силе в ее продольной оси, представляет опасность воспламенения. - Сдвиг: строительный элемент подвергается вертикальной силе, когда он подвергается действию двух сил, расположенных близко друг к другу, но в противоположном направлении. Сдвиг является основной причиной переломов в зданиях.
Замкнутые линии, соединяющие землетрясения одинаковой интенсивности называют изосейстами. На территории страны имеются службы сейсмического наблюдения и инженерно-сейсмометрическая. Приборы, фиксирующие параметры колебаний, находятся в ждущем режиме. Строятся графики смещений – сейсмограммы, скоростей – велосиграммы, ускорения – акселерограммы.
Когда период колебаний земли соответствует собственному периоду колебаний здания, движение последнего усиливается; это называется резонансом. Таким образом, мы можем оценить, может ли здание быть резонансным или благодаря спектрам реакции. Спектры отклика представляют собой графики, представляющие максимум смещения, скорости или ускорения почвы в зависимости от периода. По его оценкам, можно оценить силы, которые будут действовать на здании во время сильных ударов, а также знать сопротивление и поведение различных материалов конструкции, строить здание так, чтобы оно сопротивлялось этим силам.
Сейсмическое микрорайонирование включает:
Сбор, анализ и обобщение данных предшествующих землетрясений;
Инженерно-геологические и макросейсмические исследования; инструментальные инженерно-сейсмологические и другие геофизические исследования;
Комплексную интерпретацию полученных данных; составление карты сейсмического микрорайонирования.
Эти исследования неточны, поэтому при построении здания необходимо учитывать погрешность. Зная, что собственный период колебаний увеличивается, когда массы в движении возрастают и что он уменьшается с жесткостью элементов, несущих структуру, инженеры могут разработать здание, чей собственный период колебаний как можно более удален от период колебаний почвы.
Каждый способ деформации имеет свой собственный период колебаний. Таким образом, необходимо изучить установку в резонансе всех мод деформации. Асимметричные здания передают усилия и движения между различными частями структуры, так что некоторые регионы накапливают ходатайства; поэтому ограничения сосредоточены в одной и той же точке. Эти структуры очень чувствительны к крутящимся движениям.
Точно предсказать величину и характер сейсмических воздействий невозможно. Землетрясения меньшей интенсивности возникают чаще. Они не вызывают серьезных повреждений, но являются причиной постепенного накопления дефектов, снижающих сейсмостойкость. До землетрясения в конструкциях существует напряженное состояние, вызванное действием собственного веса, полезных нагрузок, неравномерных осадок, температурных напряжений. Сейсмические нагрузки могут действовать в любом направлении, вызывая в разные моменты времени напряжения одних или разных знаков.
Цель сейсмических расчетов - определить реакцию здания на сейсмические движения. Эти расчеты относятся к области динамики структуры. Случайные движения, вызванные сейсмиками, делают сейсмические расчеты очень деликатными и сложными. Тем не менее, это только одна часть сейсмического исследования. Существует три основных метода расчета: - модальный анализ, позволяющий прогнозировать динамическое поведение структуры и составлять ее механические характеристики; - временный анализ: этот метод расчета очень сложный и сложный для реализации; - эквивалентный статический анализ, который сводит регулярное здание к его базовой структуре, чтобы упростить вычисления.
Исследования сейсмостойкости строительных материалов осуществляют в экспериментах на циклическое нагружение двух типов. При первом (мягком) выдерживают постоянными амплитуды нагрузок, а деформации меняются от цикла к циклу. При втором (жестком) нагружении оставляют постоянными амплитуды деформаций (перемещений), а меняют амплитуды напряжений.
Из сейсмических расчетов можно сделать моделирование поведения зданий, которое учитывает массы различных элементов и их жесткость. Модель представлена с использованием баров и узлов. Здания, устойчивые к землетрясениям, несомненно, являются высоконадежными средствами защиты населения от краха и других аварий, вызванных землетрясениями. Однако для построения этих структур в лучшем случае мы должны сначала оценить сейсмический риск региона, в котором мы хотим построить. Как мы уже показали, ее очень сложно оценить, поскольку она зависит от большого числа факторов.
Основными параметрами испытаний являются: число циклов, уровень нагрузки, период цикла, коэффициент асимметрии цикла.
Отношение динамического предела прочности Rd к статическому R прямолинейно уменьшается с ростом lgN (N – число циклов нагружения). Опыты показали, что чем большая работа затрачивается в первых циклах загружения, тем при меньшем числе циклов можно ожидать разрушения; чем большими возможностями пластического деформирования обладают конструкции, тем менее опасными для них оказываются отдельные перегрузки. Наличие концентраторов напряжений (отверстий, надрезов, трещин, резких изменений размеров элементов) приводит к значительному снижению пределов циклической прочности. Часто опыты проводят в режиме статических знакопеременных изменений нагрузки или перемещений. При постоянных амплитудах перемещений отмечено постепенное "размягчение" материала – снижение максимальной нагрузки, соответствующей одной и той же амплитуде изменений. При проектировании сейсмические воздействия учитывают в районах с интенсивностью 7, 8 и 9 баллов. Сейсмичность площадки строительства корректируют в зависимости от вида и состояния грунтов К первой категории относят: скальные грунты всех видов; крупнообломочные; вечномерзлые при температуре –2 °С и ниже, при строительстве и эксплуатации по принципу сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии (принцип I).
Поэтому мы невежественны или неопределенны, а вычислительные методы чрезвычайно сложны. Кроме того, результаты очень приблизительны из-за неопределенности всех факторов. Конструкции, устойчивые к землетрясениям, должны соответствовать ряду правил. Поскольку эти конструкции дороги, не все страны оснащены ими. Только районы с самым высоким риском, такие как побережье Японии, имеют много устойчивых к землетрясениям структур. Единственный способ действительно проверить свое сопротивление - это основные сейсмики, наш единственный источник опыта и оценки в реальном масштабе.
Ко второй категории относят: скальные грунты выветрелые; пески гравелистые крупные и средней крупности, плотные и средней плотности, маловлажные и влажные; глинистые грунты с показателем консистенции IL ≤ 0,5 при коэффициенте пористости е
К третьей категории относят: пески рыхлые; пески гравелистые, крупные и средней крупности, мелкие и пылеватые, не вошедшие во II категорию; вечномерзлые нескальные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу допущения оттаивания (принцип II).
Но они недостаточно часты для того, чтобы эволюция техники строительства быстро развивалась. Комплексная реализация антисейсмических зданий путем группировки многих дисциплин называется сейсмической инженерией. Это очень сложная наука из-за сотрудничества между архитекторами, инженерами и сейсмологами с разными целями и точками зрения.
Потрясенный, но не обеспокоенный, такое чувство большинства французов в связи с сильным землетрясением, сопровождаемым цунами, произошедшим в Японии 11 марта. Надо сказать, что наша страна, за исключением отделов Гваделупы и Мартиники, испытывает умеренную сейсмичность: она сохраняется по сравнению с другими странами, потому что она далека от любой зоны контакта между тектоническими плитами - триггерным событием. землетрясение. Риск не менее реальный, если мы ссылаемся на нашу историю. Большая проблема заключается в том, что невозможно предвидеть землетрясение, в отличие от других стихийных бедствий, таких как перемещения земли или наводнения.
При вынужденных колебаниях существенно изменяется напряженно-деформированное состояние конструкций в результате роста неупругих деформаций. Фибровые деформации, прогибы, трещины возрастают до 2 … 3 раз. Частота вертикальных колебаний зависит от конструктивных особенностей, уровня нагрузки, длительности ее действия и граничных условий защемления.
Единственным средством действий является снижение риска с помощью соответствующих сейсмических правил и наложение их на строительные нормы. Ущерб зданиям, не говоря уже об их крахе, на самом деле является основной причиной смерти во время землетрясения. Спустя полтора месяца после японской катастрофы, но не связанной с этим, поскольку речь шла о переносе европейских норм в наше национальное законодательство, Франция приняла новые конструктивные положения, основанные на увеличении разграничения сейсмичность, учитывать последние достижения в эволюции научного знания.
Колебания пространственной системы происходят по случайному закону. Любой фрагмент зданий представляет собой систему с бесконечно большим числом элементарных масс (бесконечно большим числом степеней свободы). Во многих случаях ее можно заменить системой с конечным числом масс, сосредоточенных в характерных точках, например, в местах расположения наибольших вертикальных нагрузок . Сосредоточенные массы можно распределить равномерно вдоль элементов системы. Простейшей системой является система с одной степенью свободы. Так, водонапорную башню упрощенно можно представить в виде защемленного в основании стержня с массой в уровне центра тяжести бака. Поперечную раму заменяют также стержнем с массой на уровне центра тяжести ригеля. Жесткость стержня равна сумме жесткостей стоек.
Является ли мой муниципалитет подверженным сейсмическому риску?
Для индивидуума обязательно требуется дополнительная стоимость для интеграции. Большой оставленный позади, старый парк, который остается уязвимым, и выходит из страховки в случае бедствия. Это первый вопрос, который следует задать перед тем, как начать строительство или продлить проект. Вся территория Франции была зонирована, что позволяет знать коммуны, которые могут подвергнуться землетрясениям. Карта сейсмической опасности недавно была переработана, в том числе за рубежом. В новой версии все еще есть пять областей сейсмичности, но они переименованы: они растут от риска, который считается очень низким, низким, средним, средним и сильным.
При расчете часто отказываются от учета затухания колебаний, т.е. запас механической энергии при колебаниях не изменяется. Такие системы называют консервативными, в отличие от реальных диссипативных, обладающих свойством рассеивать энергию. Колебания, которые происходят после устранения внешних воздействий, называют собственными.
Для высоких гибких сооружений свободные колебания могут быть учтены приблизительно:
Расчетная схема сооружения рассматривается как система с 5 – 8 сосредоточенными массами Qi;
Ординаты xi форм свободных колебаний в зависимости от тона вычисляются как для консольного стержня постоянного
В одной из точек системы k от сил Pi = Qi xi вычисляется статический прогиб;
В зависимости от тона колебаний определяется соответствующий период свободных колебаний
() Т = 2π fk / gxk .
6.2 Принципы обеспечения сейсмостойкости зданий.
Конструктивные схемы зданий, с точки зрения их реакции на сейсмические воздействия, разделяют на жесткие, гибкие, смешанного типа и массивные.
В зависимости от соотношения размеров в гибком сооружении могут проявляться деформации сдвига. Первая же форма колебаний по частоте и конфигурации соответствует изгибным деформациям, а не сдвиговым.
Жесткие сооружения имеют стены и диафрагмы в плоскости действия сейсмических нагрузок. Преобладающими являются деформации сдвига. В сооружениях смешанного типа при действии горизонтальных нагрузок несущими являются изгибаемые вертикальные элементы.
Анализ последствий землетрясений позволил разработать общие принципы проектирования сейсмостойких зданий.
1 Снижение сейсмической нагрузки. В зданиях с жесткой конструктивной схемой снижение нагрузки достигают уменьшением веса конструкций; с гибкой схемой – наилучшим сочетанием динамической жесткости с характеристиками затухания колебаний.
2 Равномерное распределение жесткостей и масс. Стены располагают симметрично относительно продольной и поперечной оси здания. Само здание должно иметь простую форму. При сложной конфигурации его разделяют антисейсмическими швами на отсеки простой формы. Антисейсмические швы выполняют путем возведения парных стен и рам.
3 Принципы монолитности и равнопрочности элементов. Стыковые соединения располагают вне зоны максимальных усилий, возникающих при землетрясениях. В зданиях обеспечивают совместную работу стен и перекрытий, ригелей и колонн.
В бескаркасных зданиях пространственная работа стен и перекрытий обеспечивается жесткими и прочными связями. В каменных зданиях устраивают антисейсмические пояса, ограничивают расстояния между параллельными стенами.
Обеспечение условий, облегчающих развитие в элементах конструкций пластических деформаций. При возможной перегрузке зданий во время землетрясения конструкции не должны разрушаться хрупко, а иметь возможность пластической работы.
Повышение податливости приводит к повышенному поглощению энергии сейсмического воздействия и затуханию колебаний.
Отметим основные требования к конструктивным решениям.
Каркасные здания. Предпочтение отдается зданиям с поперечным несущим каркасом. Во время землетрясения преимущественно разрушаются узлы каркаса. Особенно значительно повреждаются основания стоек и узлы соединений ригелей со стойками. Осуществляется строительство зданий как с железобетонным, так и металлическим каркасом. При расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов допускается применение зданий с наружными каменными стенами и внутренними рамами. Высота таких зданий не должна превышать семи метров.
Каменные здания. Несущие стены должны возводится из каменных панелей или блоков, изготавливаемых в заводских условиях с применением вибрации, либо из кладки на растворах с добавками, повышающими сцепление раствора с кирпичом.
Для строительства в сейсмических районах не допускается применять камни с крупными пустотами и тонкими стенками, кладки с засыпками.
Кладки подразделяются на две категории по сопротивляемости сейсмическим воздействиям. В основу положено значение временного сопротивления осевому растяжению по не перевязанным швам. Первая – R bt ≥ 180 кПа, вторая – R bt ≥ 120 кПа.
При расчетной сейсмичности 7 баллов допускается применение кладки при Rbt ≥ 60 кПа. В этом случае высота здания ограничивается тремя этажами, ширина простенков принимается не менее 0,9 м, а проемов – не более 2 м.
Несущие стены здания в пределах отсеков выполняют из одного материала. При использовании разных материалов устраивают рабочий шов по высоте между этими материалами и антисейсмический пояс. Ширину простенков, проемов, отношение ширины простенка к ширине проема, выступы стен в плане, вынос карнизов ограничивают предельными значениями, зависящими от расчетной сейсмичности. Если проемы должны иметь ширину, превышающую предельную, то их окаймляют железобетонной рамой.
Горизонтальные швы кладки армируют сетками, что способствует развитию пластических деформаций. Армируют сопряжения каменных стен. Для этого применяют горизонтальные сетки с площадью сечения продольной арматуры не менее 1 см 2 и длиной 1,5 м. Сетки ставят через 70 см по высоте при расчетной сейсмичности 7 – 8 баллов и через 50 см при 9 баллах.
Несущую способность каменного здания повышают вертикальным армированием кладки, включением в нее вертикальных железобетонных элементов, арматура которых связывается с антисейсмическими поясами. Железобетонные обрамления связывают с кладкой арматурными сетками, запускаемыми в кладку на 70 см.
В уровне перекрытий и покрытий каменных зданий устраиваются антисейсмические пояса по всем продольным и поперечным стенам. Они увеличивают сопротивляемость разрушению стен в углах и сопряжениях, препятствуют выпадению больших участков стен, обеспечивают пространственную работу здания, сближают периоды колебаний отдельных конструкций с разной динамической жесткостью. Железобетонные пояса обычно выполняются шириной, равной толщине стен, высотой 25 … 50 см.
Сечение арматуры определяется расчетом, но принимается не менее 4∅10A-I при расчетной сейсмичности 7–8 баллов и не менее 4∅12A-I при сейсмичности 9 баллов. Антисейсмический пояс верхнего этажа связывают анкерами с кладкой.
Растягивающие усилия между элементами перекрытий воспринимаются специальными металлическими связями, сдвигающие усилия между плитами – сцеплением раствора или бетона, которыми заполняются пазы, и бетонными шпонками. Перемычки, как правило, устраиваются на всю толщину стены и заделываются в кладку на глубину не менее 350 мм. Лестничные площадки надежно анкеруют в кладке. Специальные системы сейсмозащиты. 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 отмечены следующие направления в создании конструкций, увеличивающих сейсмозащиту зданий:
Конструкций с подвесными опорами;
Конструкций с катковыми опорами; в том числе, катковыми опорами с гидравлическим демпфером;
Конструкций с односторонними включающимися и выключающимися связями (система во время землетрясений односторонним изменением жесткости избегает попадания в резонанс на какой-либо динамической частоте сейсмического воздействия);
Конструкций с гасителем колебаний (например, гидравлические демпферы) между фундаментом и опорными частями зданий;
Конструкций с повышенными диссипативными свойствами в виде сейсмоизолирующего скользящего пояса в фундаменте;
Конструкций свайных фундаментов с высоким ростверком и повышенными диссипативными свойствами.
Конструктивные меры защиты эксплуатируемых зданий подразделяют на три группы:
Мероприятия по уменьшению перемещений и деформаций земной поверхности в пределах защищаемого здания;
Мероприятия по предотвращению повреждения конструкции;
К первой группе относятся: разделение зданий на отсеки с устройством деформационных швов; устройство компенсационных траншей вокруг здания; изоляция грунтового основания под зданием от сдвигающегося массива с помощью скважин глубокого бурения. Деформационные швы должны разделять смежные отсеки зданий по высоте, включая кровлю и, как правило, фундаменты. Компенсационные траншеи применяют для защиты зданий от горизонтальных деформаций сжатия. Их устраивают на расстоянии 1 … 3 м от здания под углом 20° к направлению действия горизонтальных деформаций земной поверхности. Траншеи отрывают на 20 см ниже подошвы фундаментов.
Ко второй группе относятся следующие: усиление фундаментов и стен железобетонными поясами; усиление опорных сечений балок и колонн, плит, панелей; увеличение площади опирания плит, балок, прогонов и ферм, узлов их сопряжения с опорными и пролетными конструкциями. Для уменьшения влияния горных выработок на колонны, столбы и стены рекомендуется устраивать гибкие связи – распорки между фундаментами в уровне их подошвы. Стены бескаркасных зданий усиливают с помощью железобетонных поясов, металлических тяжей, железобетонных и металлических шпонок. Междуоконные простенки усиливают с помощью железобетонных и металлических обойм.
К третьей группе конструктивных мер относятся различные методы исправления положения зданий:
подъем конструкций или частей зданий гидравлическими домкратами; опускание здания путем разработки слоя грунта под фундаментом;
экранирование зданий с целью изоляции от разрушительного действия землетрясений за счет неодинакового распределения сейсмических волн в различных средах; предварительное натяжение арматуры в стыках наружных стен.
Изучение динамических характеристик зданий и сооружений. Колебания зданий создаются: вибромашинами, установленными на перекрытиях, приложением статических нагрузок к зданию в уровнях перекрытий и мгновенным их сбросом, динамическими нагрузками, передаваемыми зданию через грунт. Для изучения динамических характеристик широко используется метод электромоделирования.
Приведем некоторые данные о периодах собственных колебаний зданий (табл. 7.6). Период собственных колебаний здания зависит от: размеров в плане, высоты, площади и механических свойств стен, характеристик грунтов основания, несущей конструкции сооружения и др.
Периоды собственных колебаний зданий с жесткой конструктивной схемой приближенно оценивают по эмпирическим формулам:
T=an,T=0,017H,T=0,0905−H B,T=0,3H/ Bg, (7.31)
где n – число этажей, a – коэффициент, зависящий от конструкции здания и вида основания a = 0,04 … 0,09; Н – высота здания, м; В – ширина или длина здания; g = 9,81 м/с2.
Прогнозирование землетрясений. Для уменьшения риска тяжелых последствий от выброса взрыва и пожароопасных веществ, разрушения зданий и сооружений делается прогноз землетрясений. Предложен ряд гипотез прогноза. По одной из них устанавливается зависимость времени появления разрыва земной коры от значения предельной деформации грунта 0 ε .
Скорость накопления деформаций ε & = dε(t)/ dt. По исследованиям Рикитаке (Япония) разность деформаций подчиняется гауссову распределению, а ε ≈ 0 4,7 ⋅ 10-5.
Сейсмическими называются районы, подверженные землетрясением.
Землетрясения - это колебания поверхности Земли. Они могут быть такими слабыми, что лишь детская колыбель слегка бы качнулась. Но бывают и настолько катастрофическими, что разрушают горы и стирают целые города с лица Земли. На самом деле колебания земли могут вызываться самыми различными причинами - от проезда тяжелой транспортной техники до извержения вулкана. Крупные землетрясения происходят при разрыве и перемещении горных пород в местах столкновения гигантских тектонических плит, из которых состоит земная кора.
К строительству зданий и сооружений в сейсмических районах предъявляются особые требования, изложенные в Нормах и правилах строительства в сейсмических районах.
Сейсмичность пункта строительства уточняется по картам сейсмического микрорайонирования. Сейсмическое микрорайонирование территорий строительства и населенных мест производится по материалам, характеризующим физико-механические свойства грунтов, геологические и гидрогеологические условия и рельеф местности.
Наиболее благоприятными в сейсмическом отношении грунтами являются невыветренные скальные и полускальные породы, а также плотные и маловлажные крупнообломочные грунты. Неблагоприятными грунтами являются насыщенные водой гравийные, песчаные и глинистые (макропористые), а также пластичные, текучие глинистые (не макропористые) грунты.
К неблагоприятным в сейсмическом отношении условиям строительной площадки относятся: сильно расчлененный рельеф местности (обрывистые берега, овраги, ущелья и др.); выветренность и сильная нарушенность пород физико-геологическими процессами; близкое расположение линий тектонических разрывов.
При необходимости строительства зданий и сооружений в районах оползней, осыпей, обвалов, плывунов, горных выработок и т. п. должны быть осуществлены мероприятия по обеспечению сейсмостойкости зданий и сооружений согласно, особым, проектам по инженерной подготовке площадки. Во всех случаях не следует допускать расположения строительных площадок в местах, затопляемых, заболоченных, с высоким уровнем грунтовых вод, в зонах насыпных грунтов, оползней, карстов, осыпей, обвалов и селевых потоков.
В СНиПе основные типы грунтов с точки зрения их сейсмоустойчивости делят на три категории. К первой категории относят скальные и полускальные, а также особо плотные крупноблочные породы при глубине уровня грунтовых вод не менее 15 м; ко второй категории - глины и суглинки, пески и супеси при толщине слоя менее 8 м, а также крупнообломочные грунты при толщине слоя 6-10 м; к третьей категории – глины и суглинки, пески и супеси при толщине слоя менее 4 м, а также крупнообломочные грунты при толщине слоя менее 3м.
При строительстве на грунтах первой категории расчетную-сейсмичность района строительства, определенную по картам, можно снизить на 1 балл. Грунты второй категории соответствуют нормативной балльности сейсмики, определяемой по картам. При грунтах третьей категории 6 и 7-балльную сейсмичность нужно повысить на 1 балл, а при 9-балльной нормативной сейсмичности рекомендуется подобрать другую строительную площадку с меньшей сейсмичностью.
При проектировании зданий и сооружений, предназначенных для строительства в сейсмических районах, следует применять конструктивные решения, позволяющие до минимума снижать сейсмические нагрузки. Поэтому рекомендуют применять симметричные конструктивные схемы, легкие ограждающие конструкции и такие несущие относительно обеих осей здания в плане конструкции, которые обеспечивают развитие пластических деформаций в элементах и стыках.
При проектировании здании и сооружений, возводимых в сейсмических районах, кроме расчета конструкций на обычные нагрузки (собственный вес, временные и другие нагрузки) проводятся расчеты на воздействие сейсмических сил, которые условно принимают действующими горизонтально. Сила землетрясения устанавливается по, 12-балльной шкале.
При проектировании особо ответственных здании и сооружений значения определенную обычным способом 6 и 7-балльную сейсмостойкость переводят в 8 и 9-балльную, а при 9-балльной нормативной сейсмичности расчетные сейсмические нагрузки умножают на дополнительный коэффициент 1,5.
Здания должны иметь простую форму плана (квадрат, прямоугольник, круг и т. п.). Здание сложной формы должно быть разделено на отсеки простой формы (рис.4.1). В каждом отсеке необходимо соблюдать жесткость и симметричность расположения несущих вертикальных конструкций. Предельные размеры зданий (отсеков) с разными типами несущего остова приведены в табл.4.1
Таблица 4.1
Предельные размеры зданий
| Несущие конструкции зданий | Размеры по длине (ширине), м | Высота, м (число этажей) | ||||
| 7 | 8 | 9 | 7 | 8 | 9 | |
| 1.Металлический или железобетонный каркас или стены железобетонные монолитные | По требованиям для несейсмических районов, но не более 150м. | По требованиям для несейсмических районов | ||||
| 2.Стены крупнопанельные | 80 | 80 | 60 | 45(14) | 39(12) | 39(9) |
| 3.Стены комплексной конструкции (железобетонные включения и железобетонные пояса образуют легкую каркасную систему | 80 | 80 | 60 | 23-30 (7-9) |
20-23 (6-7) |
14-17 (4-5) |
| 4.Тоже, но не образуют четкий каркас | 80 | 80 | 60 | 17-20 (5-6) |
14-17 (4-5) |
11-14 (3-4) |
| 5.Стены из вибрированных кирпичных панелей или блоков | 80 | 80 | 60 | 23 (7) | 20(6) | 14(4) |
| 6.Стены из кирпичной или каменной кладки | 80 | 80 | 60 | 14-17 (4-5) |
11-14 (3-4) |
8-11 (2-3) |
Антисейсмические швы
Антисейсмические швы (из парных стен или колонн) должны разделять здание на отсеки по всей его высоте. Ширину шва при высоте здания до 5 м принимают 30 мм. На каждые следующие 5 м высоты здания ширину антисейсмических швов увеличивают на 20 мм.
Рисунок 4.1 Схемы расположения несущих стен в зданиях, возводимых в сейсмических районах: а- неправильное расположение (входящие углы 1-4 подвергаются разрушению); б – правильное расположение стен (образующие замкнутые сейсмостойкие отсеки 5,6,7; 8 – антисейсмический шов); в- рекомендуемое симметричное расположение поперечных стен; г- нерекомендуемое несимметричное расположение поперечных стен; д- нерекомендуемое расположение стен зданий (сейсмические силы будут стремиться разрушить примыкающие стены).
Фундаменты здания
При строительстве в сейсмических районах глубину заложения фундаментов назначают не менее 1 м, причем грунты III категории требуют искусственного улучшения. Фундаменты зданий и их отдельных отсеков следует закладывать на одной глубине, а в зданиях повышенной этажности нужно предусматривать дополнительное заглубление фундаментов.
При прохождении сейсмических волн фундаменты зданий и сооружений могут испытывать подвижку относительно друг друга, поэтому рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или фундаменты из перекрестных лент (рис.4.2, в) в монолитном или сборном варианте. Для усиления сборных фундаментов обязательно устраиваются перевязка блоков в узлах и укладка дополнительных арматурных сеток. В каркасных зданиях допускается применение отдельных фундаментов, которые должны раскрепляться железобетонными вставками(рис.4.2, б).
Рисунок 4.2 Конструкции фундаментов в сейсмически oпасных paйонax а - из перекрестных лент; б - закрепление отдельно стоящих фундаментов железобетонными вставками; 1 - сварные сетки; 2 – связевые вставки.
Применение свайных фундаментов требует жесткой заделки свай в непрерывные ростверки, располагающиеся в одном уровне, причем следует опирать нижние концы свай на более плотные слои грунтов оснований. Следует отметить, что устойчивость оснований и фундаментов в сейсмически опасных районax гарантирует нормальную эксплуатацию здания только в том случае, если и вся надземная часть здания возведена с учетов сейсмических воздействий.
При свайных фундаментах следует применять забивные сваи, а не набивные. Набивные сваи без оболочек не применяют. Ростверк свайного фундамента должен быть заглублен в грунт. Для многоэтажных каркасных зданий применяют фундаменты виде перекрестных лент или сплошной плиты.
Особенности конструирования каркасных зданий
В каркасных зданиях горизонтальную сейсмическую нагрузку воспринимают каркас с жесткими узлами рам, каркас с заполнением, каркас с вертикальными связями, диафрагмами или стволами жесткости. При расчетной сейсмичности 7... 8 баллов допускают применять наружные каменные стены высотой не более 7 м.
Диафрагмы, связи и ядра жесткости должны быть непрерывными по всей высоте здания и расположены в обоих направлениях равномерно и симметрично относительно центра тяжести здания. При выборе конструктивных схем следует предусмотреть возникновение первых пластических зон в горизонтальных элементах каркаса (ригелях, перемычках и обвязочных балках).
По способу изготовления и возведения железобетонные каркасы зданий могут быть сборными, сборно-монолитными и монолитными. Жесткие узлы железобетонных рам должны быть усилены применением сварных сеток и замкнутых хомутов (рис.4.3)
Участки ригелей колонн, примыкающие к жестким узлам рам на расстоянии, равном не менее высоты их сечения, усиливают дополнительной замкнутой поперечной арматурой (хомутами) с шагом не более 100мм в рамных системах и не более 200мм в связевых системах. При расчетной сейсмичности 8 и 9 балла в шаг хомутов в колоннах рам не должен превышать b/2 где, b – наименьший размер сечения колонны. Диаметр хомутов следует принимать не менее 8мм.
В сборно-монолитном каркасе колонны и плиты перекрытий объединяют в единую конструкцию путем натяжения на бетон канатной арматуры. Ее пропускают через отверстия колонн в зазорах между крупноразмерными панелями перекрытия.
Сборные колонны многоэтажных зданий по возможности следует укрупнять на несколько этажей. Стыки колонн необходимо располагать в зонах с минимальным изгибающими моментами.
Рисунок 4.3 Сейсмоконструирование узлов. а, б - армирование узла сборной и монолитной железобетонной рамы: в - конструктивное решение стыковых соединений панелей внутренних стен крупнопанельных зданий; г- анкеровка панелей перекрытий 1 – продольная арматура; 2 - то же, поперечная; 3 - усиленный арматурный выпуск; 4- опорный столик из уголков с отверстием; 5- дополнительная продольная арматура; 6 - поперечная арматура
Особенности конструирования крупнопанельных и объемно-блочных зданий
Для зданий сейсмических районов рекомендуют принимать конструктивную схему с несущими поперечными и продольными стенами. Панели стен и перекрытий соединяют путем сварки выпусков арматуры, анкерных стержней и закладных деталей. Таким образом все элементы зданий объединяют в единую пространственную конструкцию, способную воспринимать сейсмические нагрузки. Несущую способность зданий повышают путем применения вертикальной напрягаемой арматуры.
Фундаменты применяют ленточные из монолитного железобетона. При больших нагрузках и слабых грунтах может оказаться рациональным фундамент в виде сплошной монолитной плиты.
Стеновые панели армируют пространственными каркасами. Пример конструктивного решения внутренней стеновой панели и ее стыков показан на рис.108в. Стены по всей длине и ширине здания должны быть, как правило, непрерывными.
Благодаря большой пространственной жесткости и способности перераспределять усилия, объемно-блочные здания вполне подходят для строительства в сейсмических районах. При строительстве блоки размерами на всю комнату соединяют по высоте только по углам. Однако по всем граням блоков устанавливают вертикальную арматуру. Для повышения жесткости горизонтальных стыков блоков целесообразно устраивать шпоночные связи.
Для снижения сейсмических нагрузок устраивают в зданиях так называемый первый гибкий этаж, т. е. первый этаж многоэтажных зданий выполняют каркасным. Последнее время такое решение подвергается к жесткой критике.
Особенности конструирования каменных зданий
В зданиях с несущими стенами из кирпича или каменной кладки, кроме наружных продольных стен, должно быть не менее одной внутренней продольной стены. При этом соблюдают требования по минимальной ширине простенков и максимальной ширине проемов.
Сейсмостойкость каменных стен зданий повышают арматурными сетками, вертикальными железобетонными элементами (сердечниками), предварительным напряжением кладки. В уровне перекрытий и покрытий зданий устраивают антисейсмические железобетонные пояса по всем продольным и поперечным стенам. Связь поясов с кладкой может быть усилена выпусками арматуры и железобетонными анкерами.
Антисейсмические пояса устраивают на всю ширину стены. Высота поясов должна быть не менее 150 мм. Их возводят из бетона класса не ниже B12, 5 и армируют четырьмя продольными стержнями диаметром 10 и 12 мм при расчетной сейсмичности соответственно 7, 8 и 9 баллов. Кроме того, армируют горизонтальной арматурой все угловые участки наружных стен и сопряжения внутренних стен к наружным. Аналогичное армирование применяют для стен из монолитного бетона.
Проемы большой ширины и
узкие простенки окаймляют
железобетонной рамкой
(рис.4.4). Перемычки устраивают, как
правило, на всю толщину стены и заделывают в кладку на
глубину не менее 350
мм (при ширине проема до
1,5м – не менее 250 мм).
Рисунок 4.4 Усиление граней оконных (а) и дверных (б) проемов: 1 - железобетонный сердечник; 2 - железобетонная перемычка, объединенная с обвязкой; 3 -железобетонная обвязка
Первые этажи зданий, включающие магазины и другие помещения свободной планировки (с колоннами), выполняют в железобетоне.
Здания с пролетами 18 м и более следует перекрывать металлическими фермами в сочетании с алюминиевыми панелями или профилированным стальным настилом, утепленным пенополистиролом или другими эффективными легкими материалами. Предварительно напряженные железобетонные конструкции, в которых арматура не имеет сцепления с бетоном, применять не разрешается.
Лестницы рекомендуется применять крупносборные с заделкой в кладку не менее чем на 250 мм, с анкерованием или с надежными сварными креплениями. Консольная заделка ступеней не допускается. Дверные и оконные проемы при сейсмичности 8 и 9 баллов должен иметь железобетонное обрамление.
Перегородки следует применять крупнопанельные или каркасной конструкции, причем они должны быть надежно связаны с перекрытиями и стенами или колоннами. Балконы должны выполняться в виде консольных выпусков панелей перекрытий (или надежно с ними соединяться). Вынос балконов допускается при сейсмичности 7 баллов 1,5 м, а при сейсмичности 8-9 баллов 1,25 м. Отделку помещений следует производить с использованием легких листовых материалов (сухой штукатурки, фанеры, древесноволокнистых плит и т. п.).
Покрытия одноэтажных зданий для строительства в сейсмических районах следует принимать сборно-монолитной конструкции. Многопролетные стропильные покрытия, как и многоволновые оболочки для сейсмических районов, целесообразно проектировать неразрезными с целью повышениях их жесткости и устойчивости.
Строительство жилых домов из сырцового кирпича, самана и грунтоблоков допускают лишь в сельских населенных пунктах при условии усиления стен деревянным каркасом с диагональными связями.
