книги из ГПНТБ / Вопросы сейсмостойкого строительства [сборник статей]

Ю. В. ИЗМАЙЛОВ, П. Г. ШИБКО

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ э т а ж н о с т и ЗДАНИЙ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

Увеличение плотности застройки в городах, рациональное использование курортных зон и территорий со сложным рель­ ефом, стремление свести к минимуму площади сельскохо­ зяйственных угодий, отчуждаемых под застройку, современ­ ные градостроительные требования и другие факторы обусло­ вили тенденцию к увеличению этажности зданий. Отчетливо ощущается эта тенденция и в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью.

В настоящее время пока нет обоснованной методики вы­ бора оптимального этажного состава застройки городов. Во многих случаях эта задача решается без надлежащего тех­ нико-экономического обоснования, зачастую на основе дан­ ных, полученных для других городов, т. е. без учета мест­ ных условий. Между тем, именно специфика местных усло­ вий является фактором, в конечном счете определяющим це­ лесообразность возведения зданий повышенной этажности з данном районе.

В большинстве городов пока еще преобладает строитель­ ство зданий высотой до 5 этажей. Известно, что повышение этажности сверх этого предела сопровождается ростом за­ трат на инженерное оборудование здания, увеличением рас­ хода материалов и — как следствие — повышением стоимо­ сти 1 м2 жилой и полезной площади. Этот факт часто при­ водится в качестве неопровержимого доказательства неце­ лесообразности строительства зданий повышенной этажно­ сти. Такой подход к решению одной из наиболее важных задач современного градостроительства является односто­ ронним и поверхностным, поскольку строительство зданий повышенной этажности обеспечивает экономию средств, за­ трачиваемых на строительство объектов обслуживания, транспортных линий и дорог, инженерную подготовку терри­ торий, на снос существующих строений либо компенсацию

ущерба в случае изъятия сельскохозяйственных угодий. Ин­ тенсивный рост городов во многих районах ведет к нерацио­ нальному использованию плодородных земель. Решая вопрос об отчуждении сельскохозяйственных угодий под застройку, следует помнить, что 1 га пахотной земли ежегодно дает сельхозпродукции на 500—600 руб. [25]. Возможность тер­ риториального развития многих городов уже сегодня весьма

перспектив его развития на основе сравнения вариантов за­ стройки зданиями обычной и повышенной этажности. Если при этом результат суммирования удорожания и удешевле­ ния строительства за счет повышения этажности окажется в пользу последнего показателя, то экономия средств при воз­ ведении зданий повышенной этажности будет возрастать пропорционально их удельному весу в общем объеме строи­ тельства [8]. Заметим, что удорожание застройки за счет повышения ее этажности определяется сравнительно неслож­ ными расчетами, в то время как для оценки удешевления требуется выполнить довольно емкие проектные изыскания с использованием разнообразной информации. Трудоемкость этой работы усугубляется отсутствием обоснованной и уза­ коненной методики ее выполнения. В результате расчет уде­ шевления строительства зачастую выполняется недостаточно' полноценно и, как правило, в ущерб искомому показателю. Несмотря на это, изучение практики планировки некоторых крупных городов дает основание утверждать, что наметив­ шаяся тенденция к увеличению удельного веса зданий повы­ шенной этажности в районах сосредоточения сейсмостойкого строительства является не данью моде, а диктуется насущ­ ной жизненной необходимостью.

В этой связи задачу проектирования и возведения сейс­ мостойких зданий повышенной этажности, характеризую­ щихся высокими технико-экономическими показателями, сле­ дует отнести к числу важнейших, стоящих перед специалис­ тами сейсмостойкого строительства.

Резервы увеличения экономической целесообразности возведения таких зданий кроются в совершенствовании их конструктивно-планировочных и технологических решений. В этом отношении здания, строящиеся в сейсмических районах,, пожалуй, можно отнести к числу наиболее показательных..

Не претендуя на должную полноту рассмотрения досто­ инств и недостатков различных ко1Нструктивно-технологиче-

34

ских решений сейсмостойких зданий повышенной этажности, мы приводим лишь некоторые данные, которые необходимо учитывать при выборе наиболее перспективных из этих ре­ шений и дальнейшем их совершенствовании. Поскольку од­ ним из наиболее убедительных критериев сейсмостойкости зданий является их поведение при землетрясениях, считаем целесообразным основное внимание уделить анализу именно этих данных.

определяется типом опалубки: скользящей либо переставной При применении скользящей опалубки, приводимой в дви­ жение системой домкратов, вначале возводятся стены на всю высоту, а затем монтируются сборные перекрытия [6]. Та­ кой способ наиболее приемлем для зданий башенного типа.

Применение переставной опалубки размером на комнату (в основном для протяженных в плане зданий) позволяет достичь еще большей пространственной жесткости монолит­ ных зданий, т. к. в этом случае внутренние стены, перегород­ ки и перекрытия бетонируются одновременно.

По экономическим показателям здания из монолитного

.железобетона конкурируют с крупнопанельными и каркасно­ панельными [19].

В строительной практике Молдавии был разработан и применен способ возведения монолитных зданий в перестав­ ной секционной опалубке. После бетонирования стен, пере­ крытия очередной комнаты и достижения бетоном необходи­ мой прочности секции опалубки извлекаются через проем в перекрытии. Этот прием позволяет удачно решать сопряже­ ния наружных и внутренних стен. Технико-экономические по­ казатели таких зданий более высокие, чем крупнопанельных и каркасно-панельных (табл. 1).

Испытание на высокую сейсмостойкость здания из мо­ нолитного железобетона выдержали во время землетрясения 1964 г. в г. Ниигата.

Наряду с отмеченными достоинствами существующие ‘•способы возведения монолитных зданий имеют и недостатки, к числу которых в первую очередь относятся трудности бето­ нирования при отрицательных температурах, сложность про­ кладки инженерных сетей, в ряде случаев — громоздкая конструкция опалубки и др. Преодоление этих трудностей позволит расширить строительство монолитных зданий в -сейсмических районах.

35

Крупнопанельные и объемно-блочные здания

Высокая индустриальность крупнопанельного домострое­ ния обусловила его повсеместное распространение в СССР, включая сейсмические районы. Во многих зарубежных стра­ нах строят преимущественно крупнопанельные здания повы­ шенной этажности (табл. 2).

Помимо высокого уровня индустриальности, основным до­ стоинством крупнопанельных зданий является значительно меньший их вес по сравнению с каменными и крупноблоч­ ными (табл. 3). Снижение веса крупнопанельных зданий мо­ жет быть достигнуто за счет применения легких конструк­ тивных бетонов для внутренних стен и перекрытий. По дан­ ным Ю. М. Родина [19], собственный вес эксперименталь­ ного 9-этажного дома серии 1-464Д из керамзитобетона ни­ же веса типового дома-аналога на 3000 тонн.

Частое расположение поперечных несущих стен, высокое качество панелей заводского изготовления и налаженная технология их монтажа наряду со сравнительно небольшим весом крупнопанельных зданий дают основание считать их достаточно сейсмостойкими. Это мнение подтверждается ре­ зультатами динамических испытаний зданий этого типа, их моделей и фрагментов, а также стыков панелей.

37

По данным ЦНИИСК и Казахского ПромстройНИИпроекта, во время недавних землетрясений в Дагестане и г. Джамбуле пятиэтажные крупнопанельные здания оказа­ лись в зонах 7-балльного сейсмического воздействия и не по­ лучили практически повреждений в отличие от кирпичных зданий, расположенных поблизости.

В последние годы в нашей стране и за рубежом все боль­ шее распространение получает строительство зданий высотой до 20 и более этажей из объемных блоков [13]. По данным ЦНИИЭПжилища, объемно-блочные дома на существующем уровне их строительства экономически равноценны крупно­ панельным, а суммарные затраты труда по объемно-блочным домам (завод + стройплощадка) ниже на 15%. Анализ су­ ществующих решений зданий этого типа указывает на нали­ чие резервов повышения эффективности их строительства, особенно на территориях, подверженных сейсмическому воз­ действию, и с просадочными грунтами [1].

Каркасные здания

Каркасные здания принято считать наиболее сейсмостой­ кими. Об этом свидетельствует их поведение во время силь­ ных землетрясений. Не случайно при строительстве в сейс­ мических районах зданий повышенной этажности предпочте­ ние обычно отдается каркасному решению.

Каркасные здания могут быть выполнены по рамной, связевой и рамно-связевой схемам в продольном и поперечном направлениях. Чисто рамные каркасные схемы в строитель­ ной практике встречаются сравнительно редко. Ограждаю­ щие элементы, перегородки, лестничные клетки, лифтовые шахты и другие конструкции весьма существенно влияют на работу рамных систем, увеличивая их жесткость [14, 16, 20]. Рамным схемам свойственны такие недостатки, как отсут­ ствие возможности полной унификации сборных стоек и ри­ гелей и определенные трудности, возникающие при выполне­ нии жестких узлов соединения этих элементов [12].

Чисто связевые схемы с передачей всей горизонтальной нагрузки на диафрагмы либо ядра жесткости также не полу­ чили широкого распространения в связи с их неэкономич­ ностью.

Рамно-связевые схемы имеют существенные преимущества перед рамными и связевыми [4, 12].

Известно, что снижение жесткости каркасных зданий со­ провождается уменьшением расчетной сейсмической нагруз­ ки. В этой связи некоторое распространение получило строительство каркасных зданий с нижними гибкими эта­ жами [2, 17]. Однако поведение таких зданий во время зем­

36

летрясений заставляет проявлять осторожность при исполь­ зовании этого решения [18, 21].

Обширный материал о работе при сейсмическом воздей­ ствии каркасных зданий с различными конструктивными схемами дало землетрясение 1967 г. в г. Каракасе (Вене­ суэла). Этот город был основан в 1567 г. в долине реют Рио Гуайра, окаймленной горами высотой до 2400 м. В тече­ ние 2—3 последних десятилетий этот, один из старейших го­ родов Американского континента претерпел бурное разви­ тие. В 1926 г. население Каракаса составляло всего 135 тыс. человек, в 1950 — 500 тыс., а в 1967 — около 2 миллио­ нов. В массовом строительстве высотных административ­ ных и жилых зданий преобладали здания с железобетонным каркасом.

Для строительства в Каракасе наиболее характерны сле­ дующие особенности [26, 27]:

1.Почти повсеместное сравнительно высокое качество строительных работ.

2.Восприятие горизонтальных нагрузок в зданиях пре­ дусматривалось обычно железобетонными рамами. Здания с

диафрагмами жесткости встречались довольно редко.

3.Во многих зданиях ячейки каркаса были заполнены кладкой из кирпича либо пустотелых керамических блоков. Заполнение выполнялось как ненесущее и в расчетах проч­ ности и жесткости не учитывалось.

4.По высоте зданий колонны выполнялись переменного сечения. Проектная цилиндрическая прочность бетона нахо­ дилась в пределах 200—300 кг/см2. В качестве арматуры в старых зданиях использовались гладкие стержни из рядо­ вых сортов стали, а в новых зданиях — стержни периодиче­ ского профиля.

Многоэтажные жилые дома проектировались с попереч­ ными железобетонными рамами, на ригели которых опира­ лись перекрытия из замоноличенных бетоном пустотелых ке­

рамических блоков. По верху блоков проходит железобе­ тонная плита толщиной около 5 см. Строительная высота перекрытий находилась в пределах 20—35 см. Шаг рам

впоперечном направлении составлял 3,6—4,5 м.

5.Первые этажи ряда зданий были выполнены совер­ шенно без диафрагм жесткости. Этим обеспечивалась воз­ можность использования их для стоянки машин, размеще­ ния торговых предприятий и т. п. В таких зданиях колонны каркаса были единственными элементами, воспринимавши­ ми горизонтальную сейсмическую нагрузку (типичный при­

мер осуществления идеи «гибкого этаж а»).

6. При проектировании зданий широко использовались Германские нормы и Калифорнийский код.

По приблизительной оценке эпицентр землетрясения на-

39

ходилен в 20 милях от Каракаса. Инструментальные записи землетрясения отсутствуют. Судя по косвенным данным (ис­ кажение магнитных записей радио и телепередач), сильные толчки наблюдались в течение 15—20 сек. при общей про­ должительности землетрясения около 50 сек. Специалистами Американского института бетона землетрясение в Каракасе оценивается как умеренное [26]. По количеству выделенной энергии оно в 1000 раз слабее землетрясения, имевшего место на Аляске в марте 1964 г. Однако при умеренной силе Каракаского землетрясения нанесенный им ущерб оказался значительным.

Прежде чем перейти к анализу последствий этого земле­ трясения, заметим, что Каракас расположен на слабых аллю­ виальных отложениях. Этот факт в сочетании со сравнитель­ но большим удалением от города очага землетрясения по­ зволяет предположить длиннопериодный характер колебаний грунтов в Каракасе и, как следствие, — вероятность резо­ нансных явлений в многоэтажных зданиях.

По мнению комиссии Ассоциации Портландцемента, опи­ сываемое землетрясение явилось серьезным испытанием для 7000 зданий Каракаса с несущими конструкциями из желе­ зобетона. В результате землетрясения около 180 зданий бы­ ли признаны опасными для работы и проживания. Примерно 20% из них имели серьезные повреждения несущих кон­ струкций, в остальных пострадали в основном перегородки и низкопрочное заполнение каркаса.

В Каракасе наиболее сильные разрушения зданий наблю­ дались в восточных районах Альтамира и Лос Палое Грандес, расположенных в месте глубокого вреза долины Рио Гуайра с толщей аллювиальных отложений порядка 330 м. Именно здесь были полностью разрушены четыре здания высотой 10— 12 этажей. В других районах города мощность аллювиальных отложений значительно меньше. Неоднород­ ность геологического строения городской территории была подчеркнута локальными сосредоточениями значительных повреждений в зданиях, построенных на неблагоприятных в сейсмическом отношении площадках, и имевших большое сходство по конструктивным решениям и использованным материалам со зданиями в остальных районах города.

В 11-этажном здании Мэншн Чараима, построенном на морском побережье в районе Макуто, полностью обрушились четыре верхние этажа при полной сохранности семи нижних.

При землетрясении в Каракасе были выявлены следую­ щие повреждения зданий:

1. разрушение колонн (особенно угловых) в нижних эта жах высотных каркасных зданий, обусловленное недостаточ­ ным вертикальным и поперечным армированием. Во многих

40

случаях при завышенном расстоянии между хомутами на­ блюдалось выпучивание рабочих стержней.

В ригелях были отмечены трещины, вызванные кручени­ ем и действием перерезывающих сил.

2. Повреждение колонн «гибких» этажей. Резкое измене­ ние жесткости на стыке верхней части здания с колоннами «гибкого» этажа крайне неблагоприятно сказалось на работе этих колонн при действии сейсмических сил.

При землетрясении в Скопле (1963 г.) в зданиях с «гиб­ кими» этажами наблюдались смещения жесткой верхней части относительно нижнего яруса колонн за счет развития

вних необратимых деформаций [21, 23].

3.Растрескивание и хрупкое разрушение ненесущего за ­ полнения из пустотелых керамических камней.

Наличие такого заполнения вызвало повышение жестко­ сти зданий и увеличение сейсмических нагрузок. Низкая прочность заполнения обусловила его массовое разрушение при сейсмическом воздействии. Аналогичные примеры наблю­ дались при землетрясении в Мехико (1957 г.).

Наилучшим образом вели себя при землетрясении в Ка­ ракасе здания с прочными диафрагмами жесткости. В под­ тверждение можно привести тот факт, что 17-этажное зда­ ние Пласа-1 с таким конструктивным решением не получило никаких повреждений, в то время как расположенное вбли­ зи него 10-этажное каркасное здание Сан-Хозе полностью разрушилось.

12 зданий, содержавших значительное количество преднапряженных элементов и расположенных в различных районах Каракаса, повреждены Не были.

Таким образом:

1.Гибкие рамные каркасы многоэтажных зданий не га­ рантируют сохранность зданий при землетрясениях, особенно

сдлиннопериодной активной частью спектра колебаний.

2.Каркасные здания с диафрагмами и ядрами жесткости

продемонстрировали довольно высокую сейсмостойкость при разрушительных землетрясениях в Скопле, Анкоридже, Ка­ ракасе и др.

3. Ненесущее сравнительно тяжелое, но низкопрочное за­ полнение оказывает отрицательное влияние на работу рам­ ных каркасов при сейсмическом воздействии, поскольку вы­ зывает рост сейсмической нагрузки на здание без существен­ ного увеличения его несущей способности.

Последний из выводов, относящийся к каркасным зда­ ниям с заполнением в виде кладки, заставляет более подроб­ но остановиться на рассмотрении работы таких зданий, ко­ торые принято называть каркасно-каменными.

41

Каркасно-каменные здания

Каркасно-каменные здания относятся к группе каркас­ ных систем, у которых ячейки каркаса заполнены кладкой из полнотелого искусственного либо природного камня, как

(обычно сборными) характеризуется сравнительно низкими величинами. Зачастую этот контакт осуществляется далеко не по всей площади сопряжения заполнения и каркаса. На практике между кладкой и низом каждого ригеля обычно остается щель, ширина которой доходит до 5 см. Снаружи она заделывается щебнем и раствором, внутренняя же по­ лость остается пустой. Наличие таких щелей является зако­ номерным следствием не нуждающихся в пояснениях труд­ ностей, с которыми приходится сталкиваться каменщику каждый раз при завершении кладки заполнения очередной ячейки каркаса. Трудности эти возрастают по мере увеличе­ ния размеров и веса камней, используемых для кладки. Не случайно в СНиП П-А. 12-69 содержится требование о не­ обходимости «...предусматривать мероприятия, обеспечиваю­ щие плотное примыкание заполнения к верхнему ригелю»

(п. 3. 23).

Отсутствие контакта между кладкой и нижними плоско­ стями ригелей приводит к тому, что вся вертикальная на­ грузка, включая и собственный вес кладки, воспринимается только каркасом здания, а заполнение играет роль ограж­

между кладкой и элементами каркаса. Первый из них сво­ дится к возможности выпадения заполнения при действии горизонтальных сил перпендикулярно его плоскости. Именно этим обстоятельством продиктовано требование СНиП о не­

42