CC BY
24Высотное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.042.7:699.841
Т.А. БЕЛАШ, д-р техн. наук (belashta@mail.ru)
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9)
Использование сейсмоизолирующих устройств в зданиях с наличием подземных пространств
Современное развитие мегаполисов невозможно без освоения и развития подземных пространств, которые могут использоваться для хранения автомобилей, для размещения транспортных узлов, инженерных коммуникаций и других целей. При этом многие города попадают в зоны с высокой сейсмической активностью, оказывающей существенное влияние на поведение зданий с наличием подземных пространств. Одним из средств повышения сейсмостойкости таких, строительных объектов является введение между надземными и подземными конструкциями сейсмоизолирующих опор. Результаты исследования влияния этих элементов на сейсмостойкость зданий доказывают эффективность такой сейсмозащиты. Использование опор позволяет снизить сейсмические нагрузки в два раза и более.
Ключевые слова: здания с наличием подземных пространств, сейсмические воздействия, сейсмоизолирующие опоры.
T.A. BELASH, Doctor of Sciences (Engineering) (belashta@mail.ru) Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University (9, Moskovsky Avenue, 190031, Saint-Petersburg, Russian Federation)
The Use of Seismic Isolating Devices in Buildings with Underground Spaces
The present development of megapolises is impossible without development of underground spaces which can be used for auto-parking, location of transport hubs, engineering communications and other purposes. At that, many cities are situated in the zones of high seismic activity which significantly influence on the behavior of buildings with underground spaces. One of the measures to increase the seismic resistance of such building objects is introduction of seismic isolation supports between aboveground and underground structures. Results of the study of the impact of such elements on the seismic resistance of buildings prove the efficiency of such seismic protection. The use of these supports makes it possible to reduce seismic loads by two and more times.
Keywords: buildings with underground spaces, seismic effects, seismic isolation supports.
Высокая концентрация транспорта в условиях уплотненной городской застройки приводит к поиску новых способов решения градостроительных задач, одним из которых является освоение подземных пространств. В настоящее время доля подземных сооружений в развитых странах достигает достаточно высокого уровня, она составляет около четверти от общей площади возводимых объектов. Освоение подземных пространств позволяет решить многие градостроительные проблемы, такие как хранение непрерывно возрастающего парка легковых автомобилей, использование подземных пространств для компактного размещения зданий и сооружений различного назначения, размещение транспортных коммуникаций, инженерных сетей и т. п. Учитывая, что значительная часть территории РФ находится в зоне повышенной сейсмичности, возникает необходимость оценки влияния наличия развитых подземных пространств на общую сейсмостойкость зданий. Статистика последствий землетрясений показывает, что практически каждое сильное землетрясение сопровождается повреждением объектов, расположенных под землей, несмотря на то, что они в меньшей степени страдают от сейсмических воздействий. Тем не менее их влияние на общую сейсмостойкость надземных конструкций может быть весьма существенным. Примером такого влияния может служить падение гражданского здания в результате землетрясения в Шанхае 2009 г. (Стихийные бедствия в 2009 году // The Bester [Электронный ресурс]. URL: http://thebester.ru/blog/happends/6578.html. Дата обра-
14| -
щения 29.06.2016). После этого землетрясения на землю упал почти построенный 13-этажный дом (рис. 1).
Здание при падении осталось практически целым. Причинами обрушения явились слабые грунты и наличие подземной парковки. В другом примере (20 самых разрушительных землетрясений // День-онлайн [Электронный ресурс]. URL: http://dayonline.ru/incidents/photo/20-samyh-razrushitelnyh-zemletryaseniy-v-istorii-42064#image=37. Дата обращения 29.06.2016), представленном на рис. 2, обрушение вышележащих конструкций произошло в результате повреждения строительных конструкций в подземной части
Рис. 1. Обвал многоэтажного дома «Лотус-Риверсайд» в результате землетрясения в Шанхае
122016
Научно-технический и производственный журнал
High-rise construction
Ш '
Рис. 2. Примеры разрушения конструкций (землетрясение в Мексике 19 сентября 1985 г.)
Узел 1
\Х
.........I I . ,
Ж/б плита перекрытия 1-го этажа
Ж/б ригель надземной части, Ь1=400 мм
Ж/б плита перекрытия подземного этажа
Ж/б ригель подземной части здания, Ь1=500 мм
Рис. 5. Разрез здания в месте установки опор: а — фрагмент разреза здания; б — узел сопряжения опор с конструкциями
Рис. 3. Пример установки различного числа резинометаллических опор
Рис. 4. Конструктивные схемы здания: а — здание с подземным гаражом; б — здание без гаража
Рис. 6. Расчетные модели: а — здание без подземного паркинга; б — здание с подземным паркингом
здания, которая по своим конструктивным и жесткостным характеристикам существенно отличалось от надземных конструкций.
Пути повышения сейсмостойкости зданий, как известно, могут быть различными. В современном строительстве все большее распространение получает применение специальных средств сейсмозащиты в виде систем сейсмо-изоляции, которые эффективно используются в различных зданиях и сооружениях. Под системами сейсмоизоляции обычно понимают системы уменьшения энергии, передаваемой сооружению в процессе сейсмических колебаний, посредством установки в некотором уровне элементов повышенной податливости, приводящих к отстройке спектра сооружения от спектра воздействия в длиннопериодную область. В мире построено достаточно большое количество зданий с использованием этих систем защиты, в том числе и в зданиях с наличием подземного пространства. Такие здания построены в Японии, Китае, России, Армении и во многих других странах. На рис. 3 представлен пример рас-
122016
15
а
а
Высотное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
Грунты, слагающие массив
Рис. 7. Результаты расчета: здание без сейсмозащиты — слева; здание с защитой — справа
положения сейсмоизолирующих опор между подземной и надземной частями здания, разработанного армянскими специалистами [1].
Несмотря на достаточно большое количество конструктивных предложений по реализации систем сейсмо-изоляции, применение этих систем в зданиях с наличием развитых подземных пространств с учетом особенностей проявления сейсмических воздействий и характера грунтовых условий требует проведения дальнейших исследований.
Рассмотрим жилое здание с наличием двухэтажной парковки в сейсмическом районе. Оценка степени влияния наличия подземного пространства на сейсмостойкость здания производилась для сравнения на здании без парковки. Конструктивное решение надземной части представлено монолитным каркасом рамного типа. Колонны железобетонные, прямоугольного сечения 300x300 мм. Шаг колонн в продольном направлении принят 3 м, в поперечном - 3 и 6 м. Плиты перекрытия монолитные. Подземная часть здания выполнена в виде монолитной железобетонной плиты толщиной 800 мм с вертикальными монолитными стенами и колоннами прямоугольного сечения 350x350 мм. Перекрытия представляют собой также монолитные железобетонные плиты (рис. 4).
В проекте в качестве сейсмоизоляции приняты известные сейсмоизолирующие опоры фирмы FIP industrial. Это многослойные резинометаллические опоры. Опорные устройства характеризуются низкой горизонтальной жесткостью, высокой вертикальной жесткостью и высокой демпфирующей способностью. В исследовании рассматривались различные упругие характеристики резинометалли-ческих опор. Фрагмент разреза здания в месте установки опор представлен на рис. 5.
Расчетное исследование выполнялось с использованием программного комплекса «Autodesk Robot Structural Analysis». Расчетные модели рассматриваемых зданий представлены на рис. 6.
Описание грунтовых условий представлено в таблице. Взаимодействие заглубленной конструкции с грунтом осуществлялось с помощью коэффициента постели. Рас-
№ п/п Наименование грунтов Примерная мощность, м Объемный вес, кг/м3
1 Насыпной грунт 1-4,5 1870
2 Глина желто-бурая плотная, полутвердая до тугопластической 1,5-3 2100
3 Песок крупный и средней крупности загленизированный 0-0,5 1825
4 Галечник средних фракций с единичными мелкими валунами и песчано-глинистым заполнителем 2-7 1950
5 Глина аллювиальная, аргиллитовая, слоистая, трещиноватая 0-4 1087
6 Аргиллит серый слоистый, пониженной прочности до малопрочного, участками трещиноватый с прослойками песчаника 8-14 2170
чет коэффициента постели был выполнен в программном комплексе отдельно для горизонтальной фундаментной плиты и вертикальных стен гаража. Расчеты выполнялись с использованием спектрального метода и динамического метода с применением записей ускорений грунта при землетрясениях, представленных набором синтезированных акселерограмм. Сила землетрясения изменялась от 7 до 9 баллов. Некоторые результаты расчета представлены на рис. 7.
Показанный рисунок иллюстрирует эпюры усилий, возникающих в колоннах по одной из осей здания. Анализ результатов показывает, что в здании до установки сейс-моизолирующих опор (эпюра слева) наблюдается резкий скачок в месте сопряжения подземной и надземной частей. После установки сейсмоизолирующих опор усилия в этом месте значительно снижаются [2].
В результате выполненных исследований было установлено:
• наличие подземной парковки изменяет напряженно-деформированное состояние объекта, которое при сейсмическом воздействии приводит к увеличению усилий в элементах более чем в два раза;
• использование систем сейсмоизоляции в виде податливых опор между надземной и подземной частями представляет собой эффективное средство сейсмозащиты, при этом происходит снижение сейсмической нагрузки в два раза и более;
• эффективность сейсмозащиты может быть достигнута при различных видах опорных элементов;
• грунтовые условия несущественно влияют на эффективность работы систем сейсмоизоляции, что подтверждают данные, полученные другими авторами [3].
Список литературы
References
2.
3.
Melkumyan M. New Solutions in Seismic Isolation. Yerevan: LUSABATS, 2011. 264 p.
Белаш Т.А., Яковлев Л.А. Исследование сейсмостойкости зданий с подземными парковками // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2012. № 3. С. 42-43.
Смирнов В.И. Современные методы сейсмозащиты сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2013. № 4. С. 41-54.
Melkumyan M. New Solutions in Seismic Isolation. Yerevan: LUSABATS, 2011. 264 p.
Belash T.A., Yakovlev L.A. The study of seismic stability of buildings with underground parking. Seismostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost sooruzhenii. 2012. No. 3, pp. 42-43. (In Russian).
Smirnov V.I. Modern methods of seismic structures. Seismostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost sooruzhenii. 2013. No. 4, pp. 41-54. (In Russian).
16
122016
