4.2 Землетрясения и сейсмостойкие здания в Казахстане
По поверьям древних Азиатов, Земля покоится на рогах огромного быка. Когда он устает ее нести, то начинает перебрасывать с одного рога на другой – от этого она и трясется. В сибирских сказаниях быка заменяет лось, в Японии – рыба, в Индии – слон, а у некоторых народов – дракон и т.д. Катастрофические землетрясения происходят и в наши дни. Все это говорит о том, что многие процессы, происходящие в глубине Земли, где землетрясения зарождаются, пока еще недостаточно изучены.
Южная и юго-восточная части территории республики относятся к районам, подверженным тектоническим землетрясениям. Протяженность сейсмоопасных районов с запада на восток составляют около 2000км. при средней ширине 150 км.. В пределах этой территории известны сильнейшие землетрясения, вошедшие в число мировых катастроф.
На этой территории расположены Алматинская, Южно- Казахстанская и Жамбыльская области, а также отдельные районы Восточно- Казахстанской области. В Западном Казахстане проявляются слабые тектонические землетрясения. Однако предполагаются, что в Атырауской и Мангистауской областях возможны землетрясения техногенного характера. Техногенные, или возбужденные, или наведенные землетрясения возникают при разработке нефтяных и газовых месторождений, при нагнетании воды в скважины и при заполнении крупных водохранилищ водой, а также при помощи мощных подземных взрывах.
По данным Агентства Республики Казахстан по чрезвычайным ситуациям опасности воздействий землетрясений подвержено около 450тысяч квадратных километров территории республики, где проживает около 6 миллионов людей. На сейсмоопасной территории расположено 27 городов и более 400 населенных пунктов. На этой территории находится около 40% промышленного потенциала республики.
На территории Алматинской области выделено несколько потенциально опасных зон. Одна из них- Кастекское - расположена в непосредственной близости от г. Алматы, в 20-30 км к юго-западу от него.
В сейсмотектоническом отношении город размещен в крайне сложных условиях. Южная часть города Алматы от речки Малая Алматинка до речки :Каргалинка (между проспектами Райимбека и Аль-Фараби отнесена к 9- бальной зоне, а территория прилавков (южнее пр. Аль-Фараби и восточнее у речки Малой Алматинки) - к 10-бальной зоне.
Территория города северное пр. Райимбека находится в 10-бальной зоне с отдельными участками, характеризующими благоприятными грунтовыми условиями - зоной 9-бальной сейсмоопасности.
В случае возникновения землетрясения с магнитудой до 7,5 в Кастекской зоне г. Алматы безвозвратные потери могут составить более 150 тыс. человек, без крова останется более 700 тыс. человек. Выход жилищного фонда по многоэтажным зданиям индивидуальной постройки составит 35 %, а по частному малоэтажному сектору более 70 %. Суммарный материальный ущерб в денежном выражении превысит 400 млр.тенге.
Развитие сейсмостойкого строительства в Казахстане неразрывно связано с развитием проектирования, научных исследований и строительства сейсмостойких зданий и сооружений в г. Алматы и Алматинской области, самом большом и сейсмоопасном регионе республики. Опыт катастрофических землетрясений в предгорьях Заилийского Алатау (1887,1889,1911 гг.) показал, что наряду со значительными разрушениями основной массы зданий и сооружений сохранились здания ,хорошо перенесшие землетрясения наивысших классов энергии.
Для описания катастрофичности землетресений вспомним 1911г.
Рождественский праздник в канун 1911г. был омрачён известием о сильном землетрясении, постигшем 22 декабря г. Верный (Алма-Ата). Землетрясение охватило огромную территорию. Город был разрушен. Было много жертв. Горные хребты были рассечены разломами, а в результате гигантского обвало возникло Сарезское озеро.
Такие же землетрясении были в Ташкенте (25.04.1966г) в Газли (1976г), в Армении (07.12.1988г), Таразе (11.05.1971г) в Сахалине и т.д.
Одним из первых в нашей стране документов, регламентировавших строительство зданий в сейсмических районах, можно считать распоряжение верненского генерал- губернатора, согласно которому допускалось строительство деревянных зданий на каменных фундаментах и в основном запрещалось строительство саманных и кирпичных зданий.
Качественно новый этап в развитии антисейсмического строительства в стране наступил в связи с переходом на широкое применение в строительстве сборного железобетона. Этот период совпал с выходом в свет новых норм на сейсмостойкое строительство (СН 8-57), в основу которых была положена динамическая теория сейсмостойкости.
Наиболее древними сейсмостойкими конструкциями являются деревянные здания с сейсмоизолирующими подушками. Например, по проектам А.П.Зенкова (1863-1936) в Алматы 1907 г. построен кафедральный собор из дерева высотой 53,3 м, который выдержал 8 балльный натиск Кеминского землетрясения 1911 г (рис.4.5). Эпицентр его находился в долине реки Большой Кемин. Брусья для кладки стен сечением 18х27 и 27х27 см. изготовляли из высушенной тяньшанской ели. Собор состоит из двух прямоугольных объемов размерами по плану 31х31 и 22х12. Стены в углах и простенках скреплены восемью сквозными вертикальными болтами. Стены с наружной и внутренней стороны оштукатурены известково - алебастровым раствором по дранке. Под нижним венцом находится изолирующий слой из тройного ряда тонких сухих досок, уложенных поперек стен. Доски осмолены и обработаны дезинфицирующим раствором. Вдоль нижнего венца устроены вентиляционные колонны с небольшими отдушинами снаружи и вытяжными трубами внутри. Здание собора стоит на плите из бутовой кладки толщиной 1м. на известковом растворе. Плита облицована гранитом, из гранита же сделан цоколь здания. Конструктивно получается так же, как у японских пагод: деревянная конструкция стоит на каменной плите, но здесь есть один очень любопытный элемент кольцевая подземная галерея, окружающая весь фундамент. Назначение этой галереи, говоря современным языком - отражать поверхностные сейсмические волны (среднеазиатский способ построения монументальных зданий). При землетрясении самым активным образом колеблется верхний слой грунтовой толщи, а в глубину эти колебания довольно быстро уменьшаются. Когда же на пути распространяющихся поверхностных волн встречаются рвы и канавы, волны отражаются от их стенок и получается, что сооружение, окруженное рвом, находится как бы в зоне затишья.
Рисунок 4.5 Система защиты фундамента Софийского кафедрального собора в Алматы: а- общий вид; б- фрагмент сейсмозащиты фундамента; 1 – гранитный цоколь; 2 – монолитная плита под собором; 3 – обходная галерея вокруг собора; 4 – воздействие сейсмических волн.
Профессором Байнатовым Ж.Б. разработано ряд оригинальных конструкций сейсмогасителей. Вот некоторые из них:
Подземный сейсмоизолирующий экран зданий. (патент РК №20744)
Сущность предложенного технического решения для защиты фундаментов зданий и сооружений от сейсмоколебаний грунта состоит в том, что изоляция фундаментной части здания от сильных амплитудных колебаний грунта в основном осуществляется при помощи экранов расположенных в толще грунта. Это достигается двумя рядами скважин, пробуренными на разных расстояниях от фундамента в шахматном порядке в плане вокруг здания, глубиной не менее полутора высоты фундамента. При этом скважины, расположенные вдоль ближней линии к фундаменту, бурят меньшей глубины по сравнению с глубиной скважин, расположенных вдоль дальней линии (рис.4.6). Причем двухрядность скважин, их шахматный порядок расположения вдоль линии, их разнообразие по глубине бурения, а также наполненность скважин упругими эластичными отработанными автопокрышками и пластиковыми бутылками, наполненными воздухом-все эти факторы обуславливают эффективное гашение сильных колебаний, распространяющихся по поверхностным грунтам земли, за счет разности плотности грунтов вокруг здания.
Рисунок 4.6 Сейсмогосящий подземный экран. а – общий вид здания в разрезе А-А; б – четвертая часть фундамента здания в плане; в – экспериментальные характеристики до (1) и после (2) установки гасителей колебаний; 1 – здание; 2 – фундамент; 3 – скважина; 4 – автопокрышка; 5 – пластиковые бутылки; 6 – железобетонная плита; 7 – обратная засыпка.
Расстояния между рядами скважин и здания подбираются исходя из частоты и периодов сейсмоколебаний, т.е. зависят от балльности сейсмических районов.
Предлогаемое устройство сейсмозащиты зданий отличается простотой для применения на практике и значительной экономичностью при эксплуатации. Одновременно решается экологическая проблема через сборку и закапывание в скважины использованных автопокрышек и пластиковые посуды, что является фактически уничтожением мусора. Кроме того научно обосновано, что под землей резина автопокрышки разлагается примерно через 150 лет, а пластиковые посуды-100 лет.
Для строительство экрана вокруг одного жилого дома с размерами в плане 60х20м необходимо пробурить 30-35 скважин, с заполнением пустоты упругими элементами и с закопаниям составляет в денежном эквиваленте не более 1 млн. тенге.
- Экономический эффект достигается за счет простоты технологии, использования бывших в употреблении автопокрышек и полного исключения выселения жильцов и производство ремонтных работ в жилых домах после усиления.
- Технический эффект достигается за счет уменьшения колебаний грунта из – за разности упругой среды грунтовой массы вокруг здания.
Повышение сейсмостойкости лестничных клеток и зданий. (патент РК №7792; №9536).
Во время землетрясения на лестничных клетках происходит большое скопление людей и их конструкции испытывают значительные перегрузки. Скоротечность и динамичность стихийного перемещения людей проводит к разрушению лестничных площадок и складированию лестничных маршей с трагическими последствиями.
Сущность предложенного способа состоит в том, что обеспечение сейсмической безопасности существующего здания осуществляется не путем дополнительного увеличения его размеров, как при традиционных способах усилия, а путем изменения его конструктивного решения: достигается тем, что в щели между лестничными маршами и поперек лестничных площадок устанавливается вертикальная сквозная трехпролетная металлическая ферма - диафрагма жесткости, состоящая из стоек, наклонных и горизонтальных распорок. Стойки среднего пролета между лестничными маршами выполняются, цельными на всю высоту здания и опираются на отдельные фундаменты. Крайние стойки второго и третьего пролетов, устанавливаются на фундамент здания, выполняются на высоту этажа и соединяются со стойками среднего пролета горизонтальными металлическими балками (рис.4.7). Указанная технология повышения безопасности людей, и надежность зданий не имеет мировых аналогов: во – первых дешевые, во – вторых, более простые и технологичные. Кроме того, во время усиления и сейсмоизоляции исключается процесс эвакуации жильцов из своих квартир и ремонтных работ. Стоимость сейсмоусиление одного подъезда 5-и этажного крупнопанельного здания составляет не более 500 тыс. тенге.
Рисунок 4.7 Превращение лестничной клетки в ядра жесткости. а – общая схема усиления; б – фрагмент усиления лестничной клетки и закрепления крайних стоек к лестничной площадке; в – усиленная лестничная клетка в плане; г – рамно – связевая расчетная схема – метод состовного стрежня; д – рамно – связевая система метод рамной аналогии.
Социально – экономический эффект достигается за счет сохранения жизни людей т.е. обеспечивается безопасность людей спускающихся по лестничной клетке в многоэтажных зданиях.
Технический эффект – повышения пространственной жесткости здания на сейсмические воздействия, достигается за счет превращения обычных лестничных клеток в ядро жесткости.
Если допустим, что жесткость (EJ,GJ,EF) усиленных лестничных клеток повышена на 100%, то за счет перераспределения деформации жесткость всего здания тоже повышается примерно на 30 - 40%.