1.2 Принципи забезпечення сейсмостійкості будівель

Конструктивні схеми будівель, з точки зору їх реакції на сейсмічний вплив, поділяють на жорсткі, гнучкі, змішаного типу та масивні.

Залежно від співвідношення розмірів в гнучкому спорудженні можуть проявлятися деформації зсуву. Перша ж форма коливань за частотою і конфігурації відповідає вигинним деформаціям, а не зсувним.

Жорсткі споруди мають стіни і діафрагми в площині дії сейсмічних навантажень. Переважаючими є деформації зсуву. У спорудах змішаного типу при дії горизонтальних навантажень несучими є згинальні вертикальні елементи.

Аналіз наслідків землетрусів дозволив розробити загальні принципи проектування сейсмостійких будівель.

1. Зниження сейсмічного навантаження. У будинках з жорсткою конструктивною схемою зниження навантаження досягають зменшенням ваги конструкцій; з гнучкою схемою – найкращим поєднанням динамічної жорсткості з характеристиками загасання коливань.

2. Рівномірний розподіл жорсткостей і мас. Стіни розташовують симетрично відносно поздовжньої і поперечної осі будівлі. Сама будівля повинна мати просту форму. При складній конфігурації їх розділяють антисейсмічними швами на відсіки простої форми. Антисейсмічні шви виконують шляхом спорудження парних стін і рам.

3. Принципи монолітності і рівноміцності елементів. Стикові з’єднання розташовують поза зони максимальних зусиль, що виникають при землетрусах. У будинках забезпечують спільну роботу стін і перекриттів, ригелів і колон.

У безкаркасних будівлях просторова робота стін і перекриттів забезпечується жорсткими і міцними зв’язками. У кам’яних будівлях влаштовують антисейсмічні пояси, обмежують відстані між паралельними стінами.

4. Забезпечення умов, що полегшують розвиток в елементах конструкцій пластичних деформацій. При можливому перевантаженні будівель під час землетрусу конструкції не повинні руйнуватися крихко, а мати можливість пластичної роботи.

Підвищення податливості призводить до підвищеного поглинанню енергії сейсмічної дії і загасання коливань.

Відзначимо основні вимоги до конструктивних рішень.

Каркасні будівлі. Перевага віддається будівлям з поперечним несучим каркасом. Під час землетрусу переважно руйнуються вузли каркаса. Особливо значно пошкоджуються основи стійок і вузли з’єднань ригелів із стійками. Здійснюється будівництво будівель як з залізобетонним, так і металевим каркасом. При розрахунковій сейсмічності 7 і 8 балів допускається застосування будівель з зовнішніми кам’яними стінами і внутрішніми рамами. Висота таких будівель не повинна перевищувати семи метрів.

Кам’яні будівлі. Несучі стіни повинні зводиться з кам’яних панелей або блоків, що виготовляються в заводських умовах із застосуванням вібрації, або з кладки на розчинах з добавками, що підвищують зчеплення розчину з цеглою.

Для будівництва в сейсмічних районах не допускається застосовувати камені з великими порожнечами і тонкими стінками, кладки з засипками.

Кладки поділяються на дві категорії за опірності сейсмічним впливам. В основу покладено значення тимчасового опору осьовому розтягу по не перев’язаних швах. Перша – Rbt ≥ 180кПа, друга – Rbt ≥ 120кПа.

При розрахунковій сейсмічності 7 балів допускається застосування кладки при Rbt ≥ 60кПа. У цьому випадку висота будівлі обмежується трьома поверхами, ширина простінків приймається не менше 0,9м, а прорізів – не більше 2 м.

Несучі стіни будівлі в межах відсіків будують з одного матеріалу. При використанні різних матеріалів вбудовують робочий шов по висоті між цими матеріалами і антисейсмічний пояс. Ширину простінків, прорізів, відношення ширини простінка до ширини отвору, виступи стін в плані, винос карнизів обмежують граничними значеннями, залежними від розрахункової сейсмічності. Якщо прорізи повинні мати ширину, яка перевищує граничну, то їх облямовують залізобетонною рамою.

Горизонтальні шви кладки армують сітками. Для цього застосовують горизонтальні сітки з площею перерізу поздовжньої арматури не менше 1см² і довжиною 1,5м. Сітки ставлять через 70см за висотою при розрахунковій сейсмічності 7-8 балів і через 50см при 9 балах.

Несучу здатність кам’яної будівлі підвищують вертикальним армуванням кладки, включенням до неї вертикальних залізобетонних елементів, арматура яких зв’язується з антисейсмічними поясами. Залізобетонні обрамлення зв’язують з кладкою арматурними сітками, які запускаються в кладку на 70см.

На рівні перекриттів і покриттів кам’яних будівель влаштовуються антисейсмічні пояси за всіма поздовжніми і поперечними стінами. Вони збільшують опірність руйнування стін у кутах і сполученнях, перешкоджають випаданню великих ділянок стін, забезпечують просторову роботу будівлі, зближують періоди коливань окремих конструкцій з різною динамічною жорсткістю. Залізобетонні пояси зазвичай виконуються шириною, рівній товщині стін, висотою 25...50см.

Перетин арматури визначається розрахунком, але приймається не менше 4 ∅ 10A-I при розрахунковій сейсмічності 7-8 балів і не менше 4∅12A-I при сейсмічності 9 балів. Антисейсмічний пояс верхнього поверху зв’язують анкерами з кладкою.

Розтягуючі зусилля між елементами перекриттів сприймаються спеціальними металевими зв’язками, зсувні зусилля між плитами – зчепленням розчину або бетону, якими заповнюються пази, і бетонними шпонками. Перемички, як правило, влаштовуються на всю товщину стіни і закладаються в кладку на глибину не менше 350мм. Сходові майданчики надійно анкерують в кладці.

Спеціальні системи сейсмозахисту. У основі стін збережених пам’яток архітектури виявлені м’які прокладки (на рівні верха фундаментів) з комишитових подушок, пластичних глин та інших місцевих матеріалів. Зодчі Середньої Азії посилювали ослаблений стик сполучення фундаменту з цоколем. Товщина шва тут досягала висоти цегли.

При будівництві мавзолеїв в скелястому ґрунті котловани заповнювали пухкою землею, піском і фундамент зводили за ним. При такому рішенні зменшувалася концентрація напружень у фундаментах, а ґрунтова подушка частково гасила високочастотні коливання ґрунту при землетрусах. Застосовувалися й інші інженерні рішення, спрямовані на зниження впливів фундаментів, які коливаються при землетрусах на підземні частини будівель. Були запропоновані каткові опори, фундаменти зі сферичними кінцями.

Відзначені наступні напрямки у створенні конструкцій, які збільшують сейсмозахист будівель:

- конструкції з підвісними опорами;

- конструкції з катковими опорами; в тому числі, катковими опорами з гідравлічним демпфером;

- конструкції з односторонніми зв’язками, які включаються і виключаються (система під час землетрусів односторонньою зміною жорсткості уникає потрапляння в резонанс на якій-небудь динамічній частоті сейсмічної дії);

- конструкцій з гасителем коливань (наприклад, гідравлічні демпфери) між фундаментом і опорними частинами будівель;

- конструкції з підвищеними дисипативними властивостями у вигляді сейсмоізолюючого ковзаючого поясу у фундаменті;

- конструкції пальових фундаментів з високим ростверком і підвищеними дисипативними властивостями.

Конструктивні заходи захисту експлуатованих будівель поділяють на три групи:

- заходи щодо зменшення переміщень і деформацій земної поверхні в межах будівлі, яка захищається;

- заходи щодо запобігання пошкодження конструкції;

- рекомендації щодо виправлення положення будівлі.

До першої групи відносяться: розділення будівель на відсіки з обладнанням деформаційних швів; пристрій компенсаційних траншей навколо будівлі; ізоляція ґрунтової основи під будівлею від масиву, що зрушується за допомогою свердловин глибокого буріння. Деформаційні шви повинні розділяти суміжні відсіки будинків за висотою, включаючи покрівлю і, як правило, фундаменти. Компенсаційні траншеї застосовують для захисту будівель від горизонтальних деформацій стиснення. Їх влаштовують на відстані 1...3м від будівлі під кутом 20° до напрямку дії горизонтальних деформацій земної поверхні. Траншеї риють на 20см нижче підошви фундаментів.

До другої групи належать такі: посилення фундаментів і стін залізобетонними поясами; посилення опорних перерізів балок і колон, плит, панелей; збільшення площі обпирання плит, балок, прогонів і ферм, вузлів їх сполучення з опорними і прогоновими конструкціями. Для зменшення впливу гірничих виробок на колони, стовпи і стіни рекомендується вбудовувати гнучкі зв’язки – розпірки між фундаментами у рівні їх підошви. Стіни безкаркасних будинків підсилюють за допомогою залізобетонних поясів, металевих тяжів, залізобетонних і металевих шпонок. Міжвіконні простінки підсилюють за допомогою залізобетонних і металевих обойм.

До третьої групи конструктивних заходів відносяться різні методи виправлень положення будівель: підйом конструкцій або частин будівель гідравлічними домкратами; опускання будівлі шляхом розробки шару ґрунту під фундаментом; екранування будинків з метою ізоляції від руйнівної дії землетрусів за рахунок неоднакового розподілу сейсмічних хвиль в різних середовищах; попередній натяг арматури в стиках зовнішніх стін.

Вивчення динамічних характеристик будівель і споруд. Коливання будівель створюються: вібромашинами, встановленими на перекриттях, докладанням статичних навантажень до будівлі в рівнях перекриттів і миттєвим їх скиданням, динамічними навантаженнями, переданими будівлі через ґрунт. Для вивчення динамічних характеристик широко використовується метод електромоделювання.

Період власних коливань будівлі залежить від: розмірів у плані, висоти, площі і механічних властивостей стін, характеристик ґрунтів основи, несучої конструкції споруди та ін.

Прогнозування землетрусів. Для зменшення ризику важких наслідків від викиду вибуху і пожежонебезпечних речовин, руйнування будівель і споруд робиться прогноз землетрусів. Запропоновано ряд гіпотез прогнозів. За однією з них встановлюється залежність часу появи розриву земної кори від значення граничної деформації ґрунту.

Швидкість накопичення деформацій: ε_& = dε (t) / dt. (1.2.)

За дослідженнями Рікітаке (Японія) різниця деформацій підпорядковується гауссову розподілу, а ε ≈ 0 4,7 ⋅ 10-5.