Принципы обеспечения сейсмостойкости зданий.

Тема 6 Строительство в сейсмических районах.

Оценка сейсмичности строительной площадки.

 

В России свыше 26 % площади относится к сейсмоопасным зонам, где возможны сейсмические сотрясения с интенсивностью 7 и более баллов. В этих районах проживает ок. 20 млн чел.

В России же к сейсмоопасным зонам относятся Камчатка, Курилы, район Байкала, далее Алтай, Саяны и Северный Кавказ. Наиболее опасным в России из всех регионов, относящихся к сейсмоопасным зонам, является южный район Камчатки. По среднесрочному прогнозу на Камчатке в ближайшие 10 лет возможно возникновение землетрясения с магнитудой больше 7 баллов по 12 бальной системе. В сейсмоопасной зоне расположен Петропавловск.

На этой территории расположены около 3000 больших и малых городов и поселков, 100 крупных гидро- и тепловых электростанций, 5 атомных электростанций и большое количество предприятий повышенной экологической опасности.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

 

Колокольня собора св. Марка в Венеции. Первая колокольня на ее месте построена в 9 в н.э., в настоящем виде существует с 1514 г. В 1912 г. появились трещины, создали комиссию, обследовали. Комиссия пришла к выводу, что трещины старые и опасности обрушения нет. через 3 дня колокольня рухнула. Только благодаря временному закрытию доступа людей в башню никто не пострадал. Причинами падения стали землетрясения, удары молний и общий износ постройки, примечательно, что при разрушении не пострадал ни один человек, было решено восстановить башню, в точности повторив внешний вид и усилив конструкцию.

Индская или Хараппская цивилизация — одна из трёх наиболее древних цивилизаций человечества, наряду с древнеегипетской и шумерской. Из всех трёх она занимала наибольшую площадь.

Хараппская цивилизация развивалась в долине реки Инд в 3300-1300 до н. э. Наиболее значительные центры — Хараппа, Лотхал и Мохенджо-Даро. Население в годы расцвета составляло около 5 миллионов человек. В шумерских текстах Хараппская цивилизация предположительно носила название «Мелухха».

Совсем недавно была установлена причина таинственной гибели могущественной древней Хараппской цивилизации. Ее главные города Харапп и Мохенджо-Даро, раскинувшиеся в долине реки Инд, состояли из двух- и трехэтажных зданий, сложенных из кирпича, улицы были вымощены камнем, в городе был водопровод с горячей и холодной водой, прекрасная канализация. И вот, примерно в 1500 г. до н. э. гигантское землетрясение в течение нескольких минут полностью изменило характер местности и запрудило реку Инд. Были разрушены города и образовалось грязевое озеро, затопившее цветущую долину. Эта катастрофа оказалась роковой и привела к исчезновению этой удивительной цивилизации.

 

Исследования сейсмостойкости строительных материалов осуществляют в экспериментах на циклическое нагружение. 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. 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).

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 < 0,9 для глин и суглинков и е < 0,7 для супесей; вечномерзлые нескальные грунты эксплуатируемые при температуре выше –2 °С при строительстве и эксплуатации по принципу I.

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).

 

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. 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.

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 – Rbt ≥ 180 кПа, вторая – Rbt ≥ 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 см2 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.

Первыми строителями, обратившим особое внимание на сейсмостойкость капитальных построек, в частности, стен зданий, были инки и др. древние жители Перу.

Особенностями архитектуры инков является необычайно тщательная и плотная (так, что между блоками нельзя просунуть и лезвия ножа) подгонка каменных блоков (часто неправильной формы и очень различных размеров) друг к другу без использования строительных растворов [18].

Благодаря этим особенностям кладка инков не имела резонансных частот и точек концентрации напряжений, обладая дополнительной прочностьюсвода

. При землетрясениях небольшой и средней силы такая кладка оставалась практически неподвижной, а при сильных — камни «плясали» на своих местах, не теряя взаимного расположения и при окончании землетрясения укладывались в прежнем порядке.

Эти обстоятельства позволяют считать сухую кладку стен инками одним из первых в истории устройств пассивного виброконтроля зданий.

 

Отмечены следующие направления в создании конструкций, увеличивающих сейсмозащиту зданий:

• конструкций с подвесными опорами;

(Идея гибкой подвески здания для снижения его сейсмической реакции

была реализована в ряде проектов. В 60-х годах в Ашхабаде было построено трехэтажное здание с сейсмоизоляцией системы Ф.Д. Зеленкова, где наземные конструкции с помощью тяжей и пружин подвешивались к стенам, монолитного фундамента. В отличие от других предложений такая система должна была снижать как горизонтальные, так и вертикальные колебания.

Однако опыты Туркменского института сейсмостойкого строительства не подтвердили предполагаемые большие значения периодов собственных колебаний здания, указав на сравнительно большую жесткость конструкции.

Похожая конструкция была применена в Испании. Фундамент этой конструкции (рис. 3.2.4) представляет собой бетонный колодец, к верхней плите которого подвешена на четырех наклонных преднапряженных тяжах железобетонная штата. На эту плиту установлены железобетонные опоры, расположенные под колоннами здания и поверху объединенные железобетонным ростверком. Обе эти конструкции являются очень сложными и дорогими. Так, стоимость сейсмоизоляции системы Ф.Д. Зеленкова составила 24 % общих затрат. Кроме того, стальные пружины находятся постоянно под напряжением, здание чувствительно к любым динамическим нагрузкам. Поэтому представляется не рациональным рекомендовать сейсмоизоляцию такого типа для внедрения в сейсмостойкое строительство. К этой же группе систем сейсмоизоляции можно отнести и здания с подвешенными этажами, получившие распространение в практике сейсмостойкого строительства за рубежом. К преимуществам таких зданий относятся: увеличение доли полезной площади помещений, меньшая чувствительность к неравномерным осадкам фундаментов, уменьшение объемов работ по возведению фундаментов. Недостатки таких систем остаются теми же, что и для указанных выше конструктивных решений систем с подвесными опорами. Одним из возможных направлений улучшения системы сейсмоизоляции с подвешенными этажами, повышения ее надежности является применение в перекрытиях узлов сухого трения).

• конструкций с катковыми опорами; в том числе, катковыми опорами с гидравлическим демпфером;

(Предложений об использовании опор качения как средства сейсмоизоляции зданий появилось очень много, но их применение в практике сейсмостойкого строительства встречается довольно редко.

Одной из основных причин этого является недостаточная изученность поведения такого рода систем при сейсмических воздействиях, особенно при землетрясениях, имеющих доминантные периоды более 1 с. При таких землетрясениях здание с кинематическими опорами может получить значительные смещения, при которых может произойти потеря устойчивости всего здания и его полное обрушение. Таким образом, такая система сейсмоизоляции может применяться только в районах, для которых прогнозируются высокочастотные землетрясения, и исключается возможность появления низкочастотных землетрясений. В остальных случаях сейсмоизоляция с кинематическими опорами может применяться только с дополнительными средствами сейсмозащиты.

В настоящее время имеется некоторый опыт практического применения таких систем в нашей стране. Так, в Севастополе в 1972 г. построено пятиэтажное крупнопанельное здание с сейсмоизолирующим поясом, состоящим из 6500 армоцементных опор в форме эллипсоидов вращения диаметром 6 см и высотой 5,8 см (рис. 3.2.3, а), уложенных по всей площади фундамента. Кроме того, в здании применена демпфирующая система в виде железобетонного бункера, жестко соединенного с надфундаментной частью здания и свободно опущенного в слой песка.

С целью получения данных о реальных динамических параметрах здания были проведены экспериментальные исследования. Было обнаружено, что часть опор под действием веса здания разрушилась, что говорит об их неравномерном загружении или разной прочности. Кроме того, при испытаниях выяснилось, что данное конструктивное решение не привело к существенному изменению динамических характеристик здания по сравнению с аналогичными характеристиками зданий, имеющих обычные фундаменты.

Проведенные дополнительные модельные исследования показали, что применение опор в форме эллипсоидов диаметром меньше 0,5 м не обеспечивает сейсмоизоляцию сооружений.

К недостаткам данной системы следует отнести следующее. Изготовление стоек со сферическими торцами и специальными высокопрочными контактными поверхностями требует высокой точности, присущей скорее машиностроительному производству, чем строительной технологии. Кроме того, при наклонах стоек возникают существенные местные напряжения, для восприятия которых требуется дополнительная арматура, что приводит к увеличению расхода стали. Все это, а также повышенная точность при монтаже приводит к существенному возрастанию трудоемкости и стоимости 38 конструкций. Более экономичной и простой при монтаже представляет с система сейсмоизоляции с кинематическими опорами конструкции (рис. 3.2.3,в), примененная для четырехэтажного здания в г. Навои. Нижние основания кинематических опор, имеющие выпуклую сферическую поверхность опирания размещаются в сферических выемках опорной плиты фундамента, а верхние основания их соединяются шарнирно с колоннами посредством центрирующей шайбы)

 

• 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);

(Такие системы относятся к классу нестационарных динамических систем, т. е. таких систем, которые в процессе колебаний под действием динамических нагрузок могут менять свои характеристики во времени, причем эти изменения являются необратимыми. Изменения динамических характеристик системы происходят за счет разрушения выключающихся связей при достижении некоторого порогового уровня амплитуд колебания системы. В качестве выключающихся связей применяются как специальные резервные элементы, так и отдельные несущие конструкций. В качестве примера опоры с включающимися и выключающимися связями, можно привести конструкцию, являющуюся в период между землетрясениями неподвижной пространственно - жесткой, а при землетрясении - податливой. Конструкция состоит из жесткого стального разборного цилиндрического кожуха, внутри которого помещена многослойная резинометаллическая опора (рис.3.3.1). При сейсмическом воздействии запорное устройство кожуха ослабевает или разрушается (т.е. жесткие связи выключаются), верхняя часть кожуха опускается и опирается на резинометаллическую опору (т.е. в работу включается резинометаллическая опора).

 

• конструкций с гасителем колебаний (например, гидравлические демпферы) между фундаментом и опорными частями зданий;

(Наиболее простым и эффективным способом уменьшения амплитуды колебания здания при землетрясении могло бы быть использование вязких демпферов промышленного изготовления.

Демпфер состоит из цилиндрического корпуса, в который с определенным зазором помещен поршень. Демпфирующая жидкость состоит из двух компонентов, один из которых имеет большую вязкость, но малый удельный вес (например, полиметилсилоксановая жидкость), другой — малую вязкость, но больший удельный вес (вода). Рассеивание энергии происходит как при движении поршня в вертикальном направлении, так и при движении в горизонтальном. Но такие демпферы довольно дороги, и в них используется дефицитная вязкая жидкость. Кроме того, они требуют периодической проверки в процессе эксплуатации. В связи с этим в практике сейсмостойкого строительства в нашей стране они не нашли практического применения. За рубежом вязкие демпферы нашли применение в системе сейсмоизоляции, применяемой фирмой GERB (ФРГ) для реакторов атомных электростанций.

 В Японии разработана конструкция демпфера, состоящего из четырех подвижных пластин и двух круглых вращающихся дисков (рис.3.4.2). Между дисками уложены резиновые прокладки и слой материала повышенной вязкости. Демпфер устанавливается в месте пересечения диагональных связей каркасов.)

 

• конструкций с повышенными диссипативными свойствами в виде сейсмоизолирующего скользящего пояса в фундаменте;

(Сейсмоизолирующий скользящий пояс выполняется в виде ряда опор, расположенных между фундаментом здания и надземными конструкциями, как правило, в местах пересечения продольных и поперечных стен. Каждая опора имеет две пластины — из нержавеющей стали и фторопласта-4. Благодаря низкому коэффициенту трения скольжения в опорах (f = 0,05—0,1), при превышении инерционными нагрузками определенного уровня здание начинает проскальзывать относительно фундамента. С этого момента усилия от сейсмических нагрузок в элементах несущих конструкций практически не изменяются. Для обеспечения надежности зданий в системе предусмотрены упругие и жесткие ограничители горизонтальных и вертикальных перемещений. Принципиальная схема элементов сейсмоизолирующего пояса для зданий жесткой конструктивной схемы показана на рис.3.2.5.)

 

• конструкций свайных фундаментов с высоким ростверком и повышенными диссипативными свойствами.

(Основным конструктивным решением таких систем, названных свайными фундаментами, имеющих повышенную диссипацию, является свайный фундамент с высоким ростверком, сопряжение которого со сваями осуществляется шарнирно.

В целях обеспечения требуемой степени демпфирования горизонтальных сейсмических воздействий свайные фундаменты с высоким ростверком модифицированы путем введения элементов сухого трения — наклонных и горизонтальных свай (рис.3.4.3), дисковых демпферов (рис. 3.4.4) и других ограничителей колебаний (рис. 3.4.5). Демпфирование здания с жесткой конструктивной схемой па свайных фундаментах физически основано на том, что часть сейсмической энергии, передаваемой основанием, будет расходоваться на преодоление силы сухого трения в демпфере. В связи с этим доля энергии, затрачиваемая на деформацию несущих элементов здания, уменьшается. Повышение диссипации энергии происходит за счет демпфера сухого трения, энергоемкость которого практически неограниченна.)

 

Инерционный демпфер. Обычно, инерционный демпфер (Tuned Mass Damper), называемый также инерционный гаситель, который является одним из устройств для вибрационного контроля, представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой.

Для этой цели, например, инерционный демпфер небоскреба Тайбэй 101 оборудован двумя маятниковыми подвесками, на 92-ом и 88-ом этажах, весящими 660 тонн каждая.

В этом небоскрёбе находятся самые быстрые лифты в мире, поднимающиеся со скоростью 60,6 км/ч. С пятого этажа до обзорной площадки на 89-м можно доехать за 39 секунд.

Здание из стекла, стали и алюминия поддерживают 380 бетонных опор, каждая из которых уходит в землю на 80 м. Опасность обрушения при урагане или землетрясении снижает огромный 660-тонный шар-маятник, помещённый между 87 и 91 этажами. По словам инженеров, башня сможет выдержать сильные колебания в течение 2500 лет.

 

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;

• рекомендации по исправлению положения здания.

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 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 [57].


Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 878; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ