16.08.2016
Ранее мы в основном остановились на параметрах оснований сооружений: ускорениях, скоростях перемещений, их периодах (грунтов). Основанием для любого сооружения служит определенный тип грунта (порода). Поэтому, для того, чтобы породы под зданием во время срока их эксплуатации служили как надежное основание, причем не только во время землетрясения, но и в обычное время, необходимо знание физико-механических, химических, гидрогеологических, фильтрационных свойств пород и особенностей грунтов - как несущего элемента, подвергающегося различным воздействиям. В этом подразделе мы коротко обсудим некоторые практические вопросы поведения грунтов при землетрясениях. Более подробный анализ результатов экспериментально-теоретических исследований по поведению различных грунтов при динамических воздействиях приведены в работах.
По нашему мнению, классическое определение грунта как сложного материала дано в статье Э.Фаччиоли и Д.Резендиц, где сказано: “Грунт представляет собой агрегат отдельных частиц, пустоты между которыми заполнены воздухом или водой. Следовательно, грунт - это двух- или трехфазная субстанция, напряженное состояние которой может быть полностью описано, если заданы напряжения, соответствующие каждой фазе”.
По инженерно-геологической классификации горные породы делятся (по Ф.П.Саваренскому с дополнениями В.Д.Ломтадзе) на 5 классов:
1. Скальные:
андезиты, базальты, песчаники и конгломераты с прочным цементом, известняки и доломиты плотные и прочные.
2. Полускальные:
выветрелые и сильно трещиноватые породы первой группы, вулканические туфы, туфиты и туфогенные породы, песчаники, глинистые сланцы, известняки и доломиты глинистые, мегрели, мел, кремнистые породы.
3. Рыхлые несвязанные:
пески, гравий, галечники.
4. Мягкие связанные:
глины, суглинки, суспеси, лесовые породы.
5. Породы особого состава, состояния и свойства:
пески-плывуны, песчаные илы, глинистые породы засоленные, глинистые илы, торфы, почва, гипс.
Большинство повреждений зданий и сооружений во время землетрясений связано с низкой прочностью и обрушениями грунтов, который проявляются в виде оползней, срыва пород, разжижением грунта, расслоения насыпей, потери устойчивости склонов, осадков фундаментов. Грунты оказывают то или иное сопротивление при растяжении, сжатии и сдвиге. Прочность грунта определяется в основном его сопротивлением сдвигу, так как сопротивление сжатию в редких случаях оказывается исчерпанным; а растяжению грунт в реальных условиях почти не подвергается.
Сопротивления сдвигу грунтов.
Статическое сопротивление (предел прочности) сдвигу грунтов определяется соотношением:
τ - сопротивление сдвигу, о - нормальное напряжение по плоскости разрушения, σ0 - давление поровой воды, tgφ - коэффициент внутреннего трения, φ - угол внутреннего трения, с - сцепление. В (2.142) (σ-σ0) представляет собой эффективное нормальное напряжение, определяемое структурой грунта, оно называется также трением грунта; второе слагаемое с в (2.142) называется сцеплением. Для сыпучих грунтов сцепление отсутствует, т.е. с=0, для суглеников с=0.06-0.14, для глин с=0.35-0.65кг/см2. Значение угла внутреннего трения φ зависит от условий залегания, пористости и плотности грунта. С увеличением плотности и уменьшением пористости значение φ растет: для различных илов φ = 13-16°, песчанных глин - φ = 22-27°, песков - φ = 35-40°. При τ ≤ (σ-σ0)tgφ + с сдвига (разрушения) грунта не происходит.
Основными характеристиками при динамических нагружениях являются: модуль сдвига G при малоамплитудных циклических деформациях, внутреннее поглащение, зависимость напряжение-деформация для циклических деформаций с большой амплитудой и прочность при циклической нагрузке. В грунте, подвергаемом знакопеременной сдвиговой деформации, всегда имеют место необратимые процессы независимо от уровня нагружения. Кривая напряжение-деформация после нескольких циклов принимает вид замкнутой петли, которая имеет две основных параметра: средний наклон петли определяет модуль сдвига, площадь петли - определяет внутреннее поглащение. На величину сдвига влияют коэффициент пористости, степень водонасыщения и частоты приложения нагрузок. С увеличением амплитуды сдвига у модуль сдвига G уменьшается. Установлено, что коэффициент Пуассона при динамических нагрузках не зависит от частоты и изменяется в пределах 0.25-0.35 для несвязанных грунтов и в пределах 0.4-0.5 для связанных грунтов. Для измерения сил внутреннего трения используются следующие параметры: коэффициент поглащения энергии Ω, логарифмический декремент δ и фазовый угол между силой и деформацией α. Эти параметры связаны между собой соотношениями:
Водонасыщенность приводит к почти двукратному увеличению декремента колебаний δ по сравнению грунтов с их сухим состоянием. Для сухих песков среднее значение δ при средних деформациях (γ = 10в-3) доходит до 0.2. Ввиду большой зависимости значений модуля сдвига и декремента колебания от многих факторов их целесообразно для каждого конкретного грунта определять экспериментально при помощи специально предназначенных для таких испытаний аппаратур.
Разжижение грунта.
Насыщенный водой песок при интенсивных колебаниях испытывают разжижение. Во время землетрясения верхние части таких фунтов теряют несущую способность. В результате сооружения, построенные на этих грунтах, получают осадки, а заглубленные в грунт системы инженерных сооружений разрушаются и всплывают. Прочность песка при переменных касательных напряжениях пропорциональна силе обжатия. На приповерхностной толще, где сила обжатия мала, сопротивление сдвига меньше, чем на более глубинных слоях, поэтому вероятность разжижения больше в верхних слоях. По результатам специальных опытов установлено, что мелкозернистый песок разжижается быстрее, чем крупнозернистый. Быстрее разжижается также увлажненный песок, чем сухой. По данным Окомото, экспериментально установленные предельные ускорения грунта (в галах), при которых происходит его разжижение, приведены в табл.2.22.
Экспериментальными исследованиями многих ученых показано, что чем выше обжатие песка и меньше число циклических напряжений, тем выше амплитуда повторно-переменных напряжений, которые вызывают разжижение грунта. Период колебания грунта почти не влияет на разжижение грунта.
Реакция твердых грунтов при землетрясениях аналогична реакции упругой системы при ударных воздействиях, во время которых динамический коэффициент может доходить до 40-50, а реакция мягких грунтов - продолжительным вынужденным воздействиям, при которых динамический коэффициент доходит до 5-10 раз. Поэтому при землетрясениях с малой продолжительностью ускорения на скальных участках грунтов в принципе должны быть больше чем на рыхлых участках, а при землетрясениях с большой продолжительностью, наоборот, ускорения на рыхлых участках должны быть больше.
Устойчивость откосов при землетрясении.
Основной причиной разрушения откосов при землетрясениях является увеличение интенсивности сейсмического воздействия вблизи откоса вследствие резкого изменения рельефа местности. Известны случаи возрастания ускорения верха утеса на 20-30% по сравнению с ускорениями основания. Этот эффект учитывается многими нормами по сейсмостойкому строительству, в частности, французскими и армянскими. Кроме того, на разрушение откосов влияют также снижение прочности и устойчивость грунта вследствие их колебания во время землетрясения. Расчеты по обеспечению устойчивости откоса во время землетрясения производится как при обычных условиях (без землетрясения) с дополнительным учетом горизонтальных и вертикальных инерционных нагрузок инертной массы грунта от горизонтальных и вертикальных ускорений прогнозируемого землетрясения. В отличии от других сооружений, при расчете земляных сооружений влияние вертикальной составляющей землетрясения достаточно велико.
В общем случае, при неоднородных грунтах, для проверки устойчивости откоса массив грунта расчленяется на большое число отдельных частей. Произвольно назначая расположение центра 0 и радиус круга r, после проведения поверхности скольжения массив грунта вертикальными сечениями разделяется на ряд столбцов, как это показано на рис. 2.69. На рисунке выделен один из таких столбцов abсd и для него рассматривается условие равновесия сил.
Сумма моментов внешних сил (собственный вес плюс горизонтальная и вертикальная силы инерции от землетрясения) относительно точки 0 будет:
где у - плечо силы kгW (kr - коэффициент сейсмичности в горизонтальном направлении) относительно точки 0.
Сумма моментов внутренних сил (сила внутреннего трения плюс сила сцепления) относительно точки 0 будет:
Для обеспечения устойчивости откоса, т.е. для того, чтобы массив грунта не подвергался скольжению (сдвигу), необходимо, чтобы
За величину коэффициента запаса при расчете откоса принимается минимальное значение отношения Мφ0/Мw0. Для обычных условий (при отсутствии землетрясени) в уравнениях kг и kв принимаются равными нулю.
Другой, более упрощенный вариант расчета устойчивости с учетом сейсмического воздействия заключается в том, что расчет устойчивости производится как при обычном статическом расчете, но с уменьшенным значением угла внутреннего трения φ (породы склона искусственно считаются менее прочными в зависимости от силы землетрясения). В этом случае в формулах (2.144) и (2.145) коэффициенты сейсмичности kr и kв принимается равным нулю, а значение угла φ вычисляется по формуле
где φст - реальный угол внутреннего трения породы, kг - горизонтальный коэффициент сейсмичности. Так, например, при kr=0.2 или кг=0.4 угол внутреннего трения, при упрощенном расчете устойчивости откоса с учетом сейсмического воздействия, согласно (2.147), необходимо принимать соответственно на 8° и 15.6° меньше, чем реальный φст.
Давление грунта на подпорные стены при землетрясениях.
Активное давление грунта на подпорные стены при обычных условиях (без землетрясений) определяется методом Кулона, как это показано на рис.2.70, где приняты следующие обозначения: w - вес массива грунта единичной толщины, q - нагрузка на поверхности грунта, Q=cBC - сила сцепления, R - сила трения, P - давление на стену, φ - угол внутреннего трения грунта, δг - угол трения стены, обычно принимаемый равным φ/2, BC - плоскость скольжения.
Неизвестные силы P и R и угол ψ0 определяются из уравнений статического равновесия массива грунта ABC. Мононобе, развивая идеи Кулона, разработал метод определения давления P на стену с учетом сейсмических воздействий. Эффект землетрясения учитывается путем изменения величины ускорения свободного падения g и его поворота на угол θ по формулам:
Им получены нижеприведенные выражения для активного Pa и пассивного давления Pp. При этом давление от веса грунта и от внешней нагрузки на поверхности грунта определяются раздельно.
Активное давление грунта (рис.2.71). Активное давление от собственного веса грунта на обратную сторону подпорной стены определяется по формуле
Активное давление грунта от внешней нагрузки на поверхность равно:
где W - объемный вес грунта единичной толщины (кг/см2), H - высота подпорной стены, φ - угол внутреннего трения грунта, ψ - угол наклона стены, θ0 - угол наклона поверхности грунта, ψ0 - угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью скольжения, q - интенсивность внешней погонной нагрузки (кг/см2) на наклонную поверхность, коэффициент Ca выражается формулой:
Сила Paw приложена на расстоянии 2/3 высоты подпорной стены от ее верха, а сила Paq приложена по середине высоты стены и составляют угол δт к ее поверхности.
Пассивное давление грунта
(рис.2.72). Пассивное давление грунта на обратную сторону стены от собственного веса определяется формулой:
Пассивное давление грунта от внешней нагрузки определяется формулой:
Сила Рpw приложена на расстоянии 2/3 высоты подпорной стены от ее верха, а направление перпендикулярно поверхности стены, сила pq приложена по середине высоты стены и перпендикулярно к ее поверхности. Формулы (2.150) и (2.151) показывают, что в случае вертикальной подпорной стены (δт = 0, ψ = 0)и горизонтальной поверхности грунта с повышением коэффициента сейсмичности kг, активное давление грунта возрастает, а пассивное давление - убывает. При этом, по сравнению с обычными условиями (kг=0) для kг=0.4 активное давление при φ=30° увеличивается в 2.12 раза, а пассивное -уменьшается 1.41 раза.
Давление грунта на подпорную стену определяется в обычных условиях разностью активного и пассивного давления (критическое давление). В момент начала опрокидывания стены давление грунта определяется только активным давлением на стену. И наоборот, когда сила приложена к подпорной стене с фронтальной поверхности, давление грунта может доходить до пассивного давления. Это способствует устойчивости подпорной стены в критическом состоянии.
Несущая способность грунта при землетрясениях.
Несущая способность грунта при сильных землетрясениях значительно снижается. Количественная характеристика этого снижения зависит от многих факторов и главным из них является величина ускорения грунта в горизонтальном и вертикальном направлениях. Если принимать, что землетрясение приводит к уменьшению угла внутреннего трения грунта по сравнению с обычными условиями, то можно на основании расчета несущей способности фундаментов при обычных условиях определить их несущую способность при сейсмических воздействиях. Такой способ учета влияния землетрясения на несущую способность грунта разработан в работе Ш.Окомото. Ниже приводятся окончательные выражения для определения несущей способности точечных (круглых) и ленточных фундаментов, при общем разрушении грунта от сдвига.
Для круглого фундамента с радиусом R несущая способность - Q определяется формулой:
Для ленточного фундамент с шириной нагружения В погонная несущая способность (на единицу ширины) вычисляется по формуле:
где с - удельное сцепление грунта, γ - объемный вес грунта, Df - глубина заложения фундамента. Значения безразмерных коэффициентов Nc, Nq, Nγ, Nc", Nq" и Nγ" соответственно для круглого и ленточного фундаментов в зависимости от значений ускорений грунта в горизонтальном и вертикальном направлениях kг и kв и угла внутреннего трения грунта φ приведены в табл. 2.23. В таблице через kс обозначен суммарный коэффициент сейсмичности:
Данные табл. 2.23 при kс=0 соответствуют случаю определения величины несущей способности фундаментов Q без учета влияния землетрясения.
Как показывает анализ таблицы, при увеличении коэффициента сейсмичности кс (интенсивности землетрясения), наиболее значительно несущая способность грунта снижается за счет сопротивления трения (Nγ), затем несущая способность снижается за счет заглубления фундамента (Nq) и, наконец, снижение несущей способности самое незначительное за счет сцепления (Nc).
Осадка грунта.
При сейсмическом воздействии слабоконсолидированный грунт уплотняется и подвергается осадке. Предельная величина осадки в основном зависит от амплитуды ускорения грунта. Когда горизонтальное ускорение грунта достигает 300-400см/сек2, песчаный грунт на поверхности Земли течет и его состояние сильно изменяется. Наличие сооружения на поверхности грунта (дополнительное вертикальное нагружение) сильно влияет на характер осадки в зависимости от веса сооружения и частоты колебания грунта. Для ответственных сооружений на эти вопросы можно получить конкретные ответы только путем специальных экспериментальных модельных исследований.
Напряжение в грунте от сосредоточенной силы.
От действия сосредоточенной силы на поверхности грунтового массива (рис.2.73), ограниченной горизонтальной плоскостью и имеющей большие (неограниченные) размеры в остальных направлениях, нормальные σz и касательные напряжения τxy и τzx имеют следующие значения:
Эти формулы известны как формулы Буссинеска и имеют большое практическое применение. Для сжимающих напряжений σz обычно пользуются более простой формулой:
Коэффициенты к называются коэффициентами Буссинеска. Их табличные значения для различных отношений r/z приводятся во многих ученых пособиях по механике грунтов.
В точке непосредственного приложения сосредоточенной силы сжимающие напряжения, как и следовало ожидать, достигают очень больших величин и грунт подвергается пластическим деформациям. Поэтому для некоторой полушаровой области вокруг сосредоточенной силы формулы (2.158) неприемлемы. Для получения более соответствующей действительности картины напряжения их значения вычисляются на некотором расстоянии (глубине) ниже точки приложения сосредоточенной силы. В случае равномерно распределенной внешней нагрузки для применения формул (2.159) ее можно разделить на равные участки и их рассматривать как сосредоточенные. Иными словами, равномерно распределенную нагрузку в первом приближении можно заменить эквивалентными сосредоточенными силами. Сжимающее напряжение σz в заданной точке грунта в этом случае вычисляется как сумма сжимающих напряжений от каждой сосредоточенной силы по формуле:
где n - число участков разделения равномерно распределенной внешней нагрузки, ki - коэффициент Буссинеска, определенный в зависимости от отношения ri/z для i-ого участка. Как показывает анализ различных примеров, при применении этого способа, в зависимости от длины распределенной нагрузки, погрешность вычисления σz не превышает 6%.
|
Условное наименование величины событий |
Ориентировочное соотношение величин М и I для неглубоких очагов землетрясений |
|
|---|---|---|
|
Интервал магнитуд М , по Рихтеру, единицы В ОЧАГЕ |
Интенсивность I , по шкале MSK-64 , баллы НА ПОВЕРХНОСТИ |
|
| Слабые | 2.8 - 4.3 | 3 - 6 |
| Умеренные | 4.3 - 4.8 | 6- 7 |
| Сильные | 4.8 - 6.2 | 7 - 8 |
| Очень сильные | 6.2 - 7.3 | 9 - 10 |
| Катастрофические | 7.3 - 9.0 | 11 - 12 |
ЗАТУХАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА С УДАЛЕНИЕМ ОТ ЭПИЦЕНТРА
Магнитуда землетрясения характеризует энергию сейсмических волн, излучаемых его очагом, а интенсивность сейсмических сотрясений на земной поверхности зависит как от величины эпицентрального расстояния, так и от глубины залегания очага. Приведенные кривые затухания характеризуют спадание интенсивности сейсмических сотрясений с удалением от эпицентра землетрясений разных магнитуд с "нормальной" глубиной очагов, верхняя кромка которых расположена достаточно близко к земной поверхности. Чем очаг глубже, тем слабее сейсмический эффект в эпицентре и тем медленнее затухает он с расстоянием.
// Этот эффект можно уподобить интенсивности освещенности поверхности обычным фонариком. Чем ближе он к ней, тем ярче освещенность на кратчайшем расстоянии от него, но тем быстрее она убывает с удалением от фонарика. При удалении же самого фонарика от освещаемой поверхности освещенность в центре становится тусклее, но зато этот "менее опасный полумрак" охватывает достаточно большую площадь. //
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ОЧАГИ СЦЕНАРНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
В строительной практике, наряду с вероятностными оценками сейсмической опасности, определяемыми на основе нормативных карт сейсмического районирования территории Российской Федерации – ОСР-97, нередко применяются также и детерминистские методы расчета ожидаемых сейсмических воздействий от так называемых сценарных землетрясений, независимо от того, когда они произойдут. При этом решающую роль играет адекватный выбор потенциальных очагов землетрясений, представляющих наибольшую опасность заданным площадям и конкретным строительным объектам.
Непременным условием идентификации и сейсмологической параметризации потенциальных очагов землетрясений (ПОЗ), рассматриваемых в качестве сценарных, является опора на сейсмогеодинамическую модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ), на основе которой создавался комплект официальных карт ОСР-97, имеющих федеральное значение.
При расчете теоретических (синтетических) акселерограмм и динамической реакции зданий и сооружений на сейсмические воздействия, должен учитываться целый ряд геолого-геофизических параметров ПОЗ и среды, в которой распространяются сейсмические волны (местоположение очага, его размеры и ориентация в пространстве, магнитуда, сейсмический момент, затухание сейсмических волн различной длины с расстоянием, спектральное влияние реальных грунтов и другие факторы).
Поскольку детерминистские оценки сейсмического эффекта, получаемые по сценарным землетрясениям, являются консервативными, они нередко существенно завышают величину сейсмической интенсивности, получаемую вероятностными методами. В то же время, такие экстремальные сейсмические воздействия могут оказаться чрезвычайно редкими событиями, которыми зачастую можно и пренебречь. В этой связи допускается перевод детерминистских оценок в вероятностные, соответствующие нормативным требованиям карт ОСР-97.
Объемная модель
источников землетрясений и потенциальные очаги,
представляющие наибольшую опасность для условного
города. 1 – линеаменты,
2 – домены, 3 – очаги крупных землетрясений с
магнитудой М=6.8 и более, 4 – очаги землетрясений с
М=6.7 и менее, 5 – траектории распространения
сейсмических волн от потенциальных очагов Z1 и Z2
землетрясений в сторону города. На этом
рисунке приведен пример распространения сейсмических
волн от двух потенциальных источников землетрясений
– от относительно небольшого очага Z1,
расположенного в домене непосредственно под городом,
и от наиболее крупного очага Z2, принадлежащего
линеаменту и удаленного от города на значительное
расстояние.
В первом
случае, сценарное землетрясение характеризуется
умеренной магнитудой (не более М=5.5) и небольшой
глубиной залегания очага (не более 10 км). Во втором
случае, очаг относится к линеаменту высокого ранга
(магнитуда М=7.5) и имеет достаточно большую
протяженность (около 100 км).
Очаг Z1
генерирует высокочастотный спектр излучаемых волн,
имеющих небольшую продолжительность и достаточно
большие ускорения, опасные в основном для невысоких
строений. И наоборот, низкочастотные динамические
воздействия от очага Z2, которым свойственны
относительно небольшие ускорения, по сравнению с
событием Z1, представляют значительную опасность для
высотных строительных объектов своей очень большой
продолжительностью (возможно, также большими
скоростями колебаний и смещениями грунта) при малых
величинах ускорений.
Традиционные методы и средства защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий включают большой комплекс различных мероприятий, направленных на повышение несущей способности строительных конструкций, проектирование которых осуществляется на основании выработанных отечественным и зарубежным опытом строительства норм и правил, гарантирующих сейсмостойкость зданий и сооружений в районах с сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов.
Проектирование зданий и сооружений в сейсмически опасных районах начинается с соблюдения общеполагающих принципов сейсмостойкого строительства, в соответствии с которыми все используемые строительные материалы, конструкции и конструктивные схемы должны обеспечивать наименьшее значение сейсмических нагрузок. Рекомендуется при проектировании принимать, как правило, симметричные конструктивные схемы и добиваться равномерного распределения жесткостей конструкций и масс. В зданиях и сооружениях из сборных элементов рекомендуется располагать стыки вне зоны максимальных усилий, необходимо обеспечивать однородность и монолитность конструкций за счет применения укрепленных сборных элементов.
Существенное влияние на сейсмостойкость зданий оказывает выбор объемно‑планировочных схем, их формы и габаритов. Наиболее предпочтительными формами сооружений в плане являются круг, многоугольник, квадрат и близкие им по формам очертания. Однако такие формы не всегда соответствуют требованиям планировки, поэтому чаще всего применяется прямоугольная форма с параллельно расположенными пролетами, без перепада высот смежных пролетов и без входящих углов. В случае, если возникает необходимость создания сложных форм в плане здания, то его следует разрезать по всей высоте на отдельные замкнутые отсеки простой формы. Конструктивные решения отсеков во время землетрясения должны обеспечивать независимую работу каждого из них. Достигается это устройством антисейсмических швов, которые могут быть совмещены с температурными или осадочными. Антисейсмические швы осуществляются путем установки парных стен, парных колонн или рам, а также путем возведения рамы и стены.
При высоте здания до 5 м ширина такого шва должна быт не менее 3 см. Для зданий большей высоты ширину шва увеличивают на 2 см на каждые 5 м высоты.
В многоэтажных зданиях большую роль на их сейсмостойкость оказывают конструкции междуэтажных перекрытий и покрытий, работающих как диафрагмы жесткости, обеспечивающие распределение сейсмической нагрузки между вертикальными несущими элементами. Сборные железобетонные перекрытия и покрытия зданий должны быть замоноличенными, жесткими в горизонтальной плоскости и соединенными с вертикальными несущими конструкциями.
Боковые грани панелей (плит) перекрытий и покрытий должны иметь шпоночную или рифленую поверхность. Для соединения с антисейсмическим поясом или для связи с элементами каркаса в панелях (плитах) следует предусматривать выпуски арматуры или закладные детали.
Существенное влияние на значения сейсмических нагрузок оказывает масса сооружения. Поэтому при действии сейсмических сил необходимо стремиться к максимально возможному снижению веса конструкций и полученных нагрузок.
Не несущие элементы типа перегородок и заполнений каркаса рекомендуются выполнять легкими, как правило, крупнопанельной или каркасной конструкции и соединять со стенами, колоннами, а при длине более 3 м — и с перекрытиями. В зданиях более пяти этажей не допускается применение перегородок из кирпичной кладки, выполненной вручную. Перегородки из кирпича или камня следует армировать на всю длину не реже, чем через 700 мм по высоте стержнями общим сечением в шве не менее 0,2 кв. см. Допускается выполнять перегородки подвесными с ограничителями перемещений из плоскости панелей.
Каменные здания получают при землетрясениях наибольшие повреждения по сравнению с другими типами зданий современной постройки.
Сейсмостойкость каменных зданий определяется прочностью кирпича и камня , а также зависит от прочности их сцепления с раствором. По действующим нормативным документам рекомендуется несущие кирпичные и каменные стены возводить, как правило, из кирпича или каменных панелей, блоков, изготавливаемых в заводских условиях с применением вибрации, или из кирпичной или каменной кладки на растворах со специальными добавками, повышающими сцепление раствора с кирпичом или камнем.
Для обеспечения сейсмоустойчивости важен выбор места постройки ‑ следует избегать близости к линиям сброса . Также вносятся изменения в фундамент конструкций ‑ создаются «подушки» из бетона или полимерных материалов, благодаря которым здания скользят или «плавают» во время землетрясения и не разламываются по тем линиям, где создается наибольшее напряжение.
Наиболее перспективное направление повышения сейсмоустойчивости - это сейсмоизоляция зданий . Сейсмоизоляция подразумевает отстройку частот колебаний здания от преобладающих частот воздействия. Именно это и обеспечивает снижение механической энергии, получаемой конструкцией от основания.
Специалистами России и зарубежных стран предложены разнообразные устройства систем сейсмоизоляции и гасители энергии колебаний сооружений, а также системы с использованием сплавов, запоминающих объемное состояние, и другие «интеллектуальные» системы .
В мире наблюдаются следующие тенденции: первая ‑ это применение в чистом виде сейсмоизоляции зданий, которая устраивается, как правило, в нижних этажах: резинометаллические опоры самой различной модификации, с низким и высоким демпфированием, с сердечником из свинца и без него, с применением различных материалов. Есть также фрикционные скользящие опоры маятникового типа. И те и другие опоры применяются в мире очень широко.
(Строительство (Москва), 30.03.2009)
Второе направление ‑ применение демпфирования (гашения колебаний), которое известно очень давно и постоянно совершенствуется. Для высотного строительства, как правило, используется сочетание: сейсмоизоляцию располагают в нижнем этаже, а по высоте здания устанавливают демпфирование. Сейчас производители предлагают самые различные демпферы: металлические, жидкостные, есть специальные сплавы с памятью, специальные демпфирующие стены, последние устройства хотя и относительно дорогие, но достаточно эффективные.
Материал подготовлен на основе информации открытых источников
Землетрясение - мощная разрушительная стихия, которая способна уничтожать целые города. К счастью, за последние несколько десятилетий архитекторы и инженеры разработали несколько технологий, которые гарантируют, что здания, будь то небольшие дома или небоскребы, не разрушатся, если случится землетрясение.
1. «Парящий» фундамент
Изоляция фундамента, как следует из названия, заключается в том, чтобы отделить фундамент здания от всей постройки выше фундамента. Одна из систем, работающих по такому принципу, позволяет зданию «плавать» над фундаментом на свинцово-резиновых подшипниках, в которых свинцовое ядро окружено чередующимися слоями резины и стали. Стальные пластины крепят подшипники к зданию и фундаменту и это позволяет во время землетрясения двигаться фундаменту, но не двигаться конструкции над ним.
Сегодня японские инженеры вывели эту технологию на новый уровень. Их система позволяет зданию парить на воздушной подушке. Вот как это работает. Сенсоры на здании распознают сигналы сейсмической активности. Сеть сенсоров передает сигнал воздушному компрессору, который за полсекунды нагнетает воздух между зданием и фундаментом. Подушка поднимает здание на 3 см над землей, изолируя его от толчков, которые могут его разрушить. Когда землетрясение прекращается, компрессор выключается и здание опускается на место.
2. Амортизаторы ударов
Эта технология взята из авто-индустрии. Амортизаторы уменьшают магнитуду вибраций, превращая кинетическую энергию колебаний в тепловую энергию, которая может быть рассеяна через тормозную жидкость. В строительстве инженеры устанавливают на каждом уровне здания подобные гасители колебаний, один конец которых крепится к колонне, другой к балке. Каждый гаситель состоит из поршневой головки, которая движется в цилиндре, наполненном силиконовым маслом. Во время землетрясения горизонтальное движение здания заставляет двигаться поршни, оказывая давление на масло, что преобразует механическую энергию землетрясения в тепло.
3. Маятниковая сила
Амортизация может быть разных видов. Другое решение, особенно для небоскребов, предполагает подвешивание огромной массы у вершины здания. Стальные тросы поддерживают массу, в то время как тягучие жидкие амортизаторы располагаются между массой и защищаемым зданием. Когда во время землетрясения здание раскачивается, маятниковая сила заставляет его двигаться в обратном направлении, рассеивая энергию.
Каждый такой маятник настроен точно в соответствии с естественной частотой вибрации здания, чтобы избежать эффекта резонанса. Такая система используется в небоскребе «Тайбэй 101» высотой 508 м – в центре маятника 660-тонный шар золотого цвета, подвешенный на 8 стальных тросах.
4. Заменяемые предохранители
Знаете, как работают электрические «пробки»? Инженеры пытаются внедрить подобные предохранители и в сейсмическую защиту зданий.
Электрические предохранители «вылетают», если нагрузка на сеть превышает определенные значения. Электричество отключается, и это предотвращает перегрев и пожары. Исследователи из Университета Стэнфорда и Университета Иллинойса провели исследования конструкции из стальных рам, которые являются эластичными и могут колебаться на вершине фундамента.
Но это еще не все. В дополнение исследователи предложили вертикальные кабели, которые соединяют верхушку каждой рамы с фундаментом, тем самым ограничивая колебания. А когда колебания заканчиваются, кабели могут вытянуть всю конструкцию вверх. Наконец, между рамами и у оснований колонн находятся заменяемые предохранители. Металлические зубцы предохранителей поглощают сейсмическую энергию. Если нагрузка превысит допустимую, предохранители можно легко и недорого заменить, быстро восстановив здание в его первозданном виде.
5. Колеблющееся «ядро»
Во многих современных небоскребах инженеры используют систему колеблющейся стены центрального ствола здания. Усиленный бетон проходит через центр конструкции, окружая лифтовые холлы. Однако эта технология несовершенна, и такие здания во время землетрясений могут подвергаться значительным неэластичным деформациям. Решением может стать комбинирование этой технологии с упомянутой выше изоляцией фундамента.
Стена центрального ствола здания колеблется на нижнем уровне здания, чтобы предотвратить разрушения бетона стены. Кроме того, инженеры укрепляют два нижних этажа здания сталью и устанавливают натяжную арматуру по всей высоте. В железобетонных конструкциях с натяжением арматуры на бетон стальные тросы проходят через центральный ствол здания. Они работают как резиновые ленты, которые могут быть растянуты гидродомкратами, чтобы усилить временное сопротивление разрыву центрального ствола.
6. Плащ-невидимка от землетрясений
Землетрясения создают волны, которые подразделяются на объемные и поверхностные. Первые быстро проходят в глубину Земли. Вторые двигаются более медленно через земную кору и включают подвид волн, известный как волны Рэлея, которые двигают землю в вертикальном направлении. Именно эти колебания и создают основные разрушения при землетрясениях.
Некоторые ученые полагают, что можно прервать передачу этих волн, создав «плащ-невидимку» из 100 концентрических пластиковых колец, скрытых под фундаментом здания. Такие кольца могут улавливать волны, и колебания уже не могут распространяться на здание над ними, а просто выходят с другого конца конструкции из колец. Однако не до конца изучено, что будет в таком случае со стоящими поблизости зданиями, лишенными такой защиты.
7. Сплавы с эффектом памяти формы
Пластичность материалов представляет главную задачу для инженеров, пытающихся создать сейсмоустойчивые здания. Пластичность описывает изменения, которые происходят в материале, когда к нему прикладывают силу. Если эта сила достаточно велика, форма материала может быть изменена навсегда, что повлияет на его способность правильно функционировать.
Сплавы с эффектом памяти формы, в отличие от традиционных стали и бетона, могут испытывать значительные нагрузки и все равно возвращаться к прежней форме. Эксперименты с этими сплавами уже проводятся. Один из них – никель-титан, или нитинол, который эластичнее стали на 10-30%.
8. Углеволоконная оболочка
Строить новые здания с сейсмозащитой очень важно, но не менее важно защищать от землетрясений здания уже построенные. Изоляция фундамента здесь также может помочь, но есть более простое решение, так называемая усиленная углеродным волокном пластиковая оболочка (fiber-reinforced plastic wrap, FRP). Инженеры просто оборачивают пластиковый материал вокруг опорных бетонных колонн и закачивают под давлением эпоксидную смолу между колонной и материалом. Этот процесс может быть повторен 6-8 раз. Таким способом можно укрепить даже здания, которые уже были повреждены землетрясениями. Согласно исследованиям, устойчивость конструкций при применении такого метода возрастает на 24-38%.
9. Биоматериалы
Материалы, подобные FRP и сплавам с эффектом памяти, в будущем могут стать еще более совершенными – и вдохновение для новых материалов может прийти из мира животных. Например, скромная мидия, чтобы оставаться на своем месте, выделяет липкие волокна – биссусные нити. Некоторые из них жесткие, а другие – эластичные. Когда волна ударяет в мидию, она остается на своем месте, т.к. эластичные нити поглощают волну. Исследователи подсчитали, что соотношение жестких и эластичных волокон – 80:20. Дело за малым – разработать подобный материал для применения в строительстве.
Другая идея связана с пауками. Известно, что их паутина прочнее стали, однако ученые считает, что уникальным этот материал делает динамическая реакция при значительном натяжении. Ученые обнаружили, что при растяжении отдельных нитей паутины они сначала не растягиваются, потом растягиваются, а потом опять становятся нерастягивающимися.
10. Картонные трубы
Для стран, которые не могут позволить себе дорогие сейсмозащитные технологии, у инженеров также есть разработки. Например, в Перу исследователи сделали традиционные постройки из необожженного кирпича прочнее, укрепив их пластиковой сеткой. В Индии успешно используют бамбук для усиления бетона. В Индонезии некоторые здания стоят на опорах из старых покрышек, наполненных песком или камнями.
Даже картон может стать крепким, долговечным строительным материалом. Японский архитектор Shigeru Ban построил несколько зданий, используя картонные трубы, покрытые полиуретаном. В 2013 г. он построил собор в Новой Зеландии. Для постройки понадобилось 98 картонных труб, усиленных деревянными балками. Конструкции из картона и дерева очень легкие и гнущиеся, они лучше выдерживают сейсмические нагрузки, чем бетон. А если они все-таки разрушатся, вероятность, что под обломками пострадают люди, минимальна.
Текст: Валентина Лебедева
Исключительной особенностью домов из ЛСТК является то, что они очень прочные и являются абсолютно устойчивы ко многим факторам. Перечислим их:
Разберем все указанные факторы по отдельности.
Устойчивость дома к ветровой нагрузке
Процесс строительства дома всегда начинается с монтажа каркаса ЛСТК, который составляет «скелет» всего сооружения. Еще при проектировании дома подбираются такой профиль, который может выдержать трехкратную ветровую нагрузку. Эксперименты показывают, что дома, построенные по технологии ЛСТК выдерживают даже торнадо четвертой категории. При этом, говоря слово «выдерживают» подразумевается то что, пережив такие ураганные нагрузки, геометрия здания даже не изменится. Даже при сильнейших ураганах у каркасных домов из ЛСТК не срывает крышу и не обрушаются стены.
Известный пример устойчивости сооружений к ураганам произошел в марте 2008 года в Европе. Штормовой циклон «Эмма» был знаменит тем, что скорость ветра составляла 180 километров в час и вызвал серьезные разрушения. Были разрушены многие панельные дома, сносило даже автобусы. В тоже время, коттеджный поселок, который был построен на юге Германии в австрийской провинции Тироль, и оказался в эпицентре урагана, полностью выдержал удар стихии. Ни одно здание там не было разрушено, хотя многие дома потеряли окна и водосточные системы. Всё дело было в том, что все дома в этом коттеджном поселке были построены по одной технологии с применением ЛСТК. После этого случая спрос на строительство домов в Германии, Испании и Франции по этой технологии увеличился почти втрое.
Прочность конструкции здания при землетрясениях
Панельные дома из ЛСТК также устойчивы и к землетрясениям. Такая устойчивость достигается за счет нескольких факторов. Во-первых, фундамент для дома используется винтовой, что гарантирует устойчивость конструкции даже при 12 бальном землетрясении. Во-вторых, общий вес дома достаточно легкий, если сравнивать с кирпичными или монолитными домами, что значительно снижает инерциальность здания и они не испытывают сильных нагрузок даже при серьёзных колебаниях грунта. Прочность конструкции дома из ЛСТК настолько высока, что не позволяет изменится геометрии здания при любых воздействиях стихии.
Устойчивость здания при пожаре
Современные дома, которые создаются по инновационной технологии ЛСТК обладают целым рядом достоинств. В первую очередь они экологически чистые, во-вторую – они энергосберегающие и самое главное, они полностью пожаробезопасные, поскольку при строительстве не используются материалы поддерживающие горение.
Но пожар может возникнуть в любом доме, и они случаются и в кирпичных и в монолитных домах. И тут важнейшим фактором является устойчивость здания при пожаре. Поскольку материал дома не горит, то даже при сильном пожаре не происходит обрушение здания, что положительно сказывается на работе пожарных бригад при тушении огня и эвакуации людей. Кроме того, в виду того, что все материалы экологически чистые и натуральные, то во время пожара не выделяются вредные вещества, которые могут причинить вред тем, кто оказался в непосредственной близости от огня.
В качестве примера, посмотрите видео, в конце которого проводится эксперимент как ведет себя постройка из ЛСТК и постройка построенная по технологии СИП-панелей. Этот эксперимент доказывает насколько надежней дом получается именно из стального профиля.
Устойчивость к снеговой нагрузке
Для регионов в которых выпадает большое количество осадков в зимний период времени немаловажным фактором является устойчивость зданий к снеговой нагрузке. Технология ЛСТК в этом отношении имеет самый высокий показатель надежности. Металлические конструкции способны удерживать тонны снега даже в большепролетных зданиях: ангарах, животноводческих фермах, теплицах, складов и так далее.
При этом расчёт надежности делается для всего зимнего сезона, и в предельном варианте подразумевает, что снег не будет убираться с кровли в течение всей зимы.
Усадка дома
Технология ЛСТК позволяет строить здания, которые совершенно не подвержены такому явлению, как усадка здания. Главным образом это связано с тем, что чаще всего в качестве фундамента используются винтовые сваи, которые при правильном монтаже полностью исключают возможность усадки здания в целом.
Конструкция стен и кровли в основании имеет стальной каркас, который не изменяет своей геометрии в течение времени. Допускается только возможность уменьшения линейных размеров каркаса при больших колебаниях температур. Но как правило в жилых домах уровень температура может меняться незначительно, а с электрической системой «Комфорт» и вовсе постоянной, и потому никаких изменений в доме происходить не может.
Устойчивость дома к наводнению
При проектировании домов необходимо учитывать вероятность затопления и наводнений. И этот вопрос требует достаточно серьезного подхода. Дома по технологии ЛСТК имеют преимущества перед любыми другими технологиями строительства домов. И в первую очередь опять же из-за винтового фундамента, который приподнимает здание с одной стороны и не дает сопротивления водяному потоку. Таким образом даже при сильном наводнении водяной поток не сносит здание, но обтекает его, что приводит к тому, что не происходит гидроудара.
Если же уровень воды друг поднимается выше цоколя, то дома из ЛСТК достаточно устойчивы к намоканию. Материалы после длительного контакта с водой хоть и могут потерять свой эстетический вид, но однозначно не потеряют свою устойчивость и эффективность. После просушки дома он по-прежнему будет энергосберегающим, экологически чистым и пожаробезопасным.