60Классифицирование систем и методов защиты зданий и сооружений в сейсмически активных районах
Захаров Сергей Александрович
студент, ИАиС ВолгГТУ [email protected]
Дроздов Вячеслав Вячеславович
к.т.н., доцент, ИАиС ВолгГТУ [email protected]
Калиновский Сергей Андреевич
к.т.н., доцент, ИАиС ВолгГТУ [email protected]
Воробьева Анна Дмитриевна
студент, ИАиС ВолгГТУ [email protected]
Классификация методов защиты зданий и сооружений в сейсмически опасных зонах является особенно актуальной. Помимо стандартного увеличения надежности конструкции путем повышенной несущей способности возможно и применение комбинированных методов. Поиск и создание основной классификации, а также рассмотрение методов и систем защиты зданий в сейсмически активных районах поможет оптимизировать подбор необходимой системы. Комплексный анализ основных, существующих и применяемых на практике систем защиты зданий в сейсмически активных районах, а также схемы классификации, позволит открыть путь к совершенствованию комбинированных методов защиты зданий и сооружений в сейсмически активных районах В данной работе рассмотрены существующие подходы при проектировании зданий и сооружений в сейсмически опасных зонах, выявлены недостатки методик и даны рекомендации, которые приведут к решениям по вопросам оптимизации проектирования и строительства зданий в сейсмически опасных зонах, а именно, визуальной наглядности, при выборе конкретного подхода, с целью минимизации возможных затрат на стадии проектирования и эксплуатации.
Ключевые слова: сейсмоопасные районы, сейсмический риск, сейсмическая активность, землятрясение, сейсмостойкость конструкции, информационное моделирование сейсмозащиты, оптимальная конструктивная модель, методы сейсмической защиты, активная сейсмозащита, пассивная сейсмозащита.
Споры, касающиеся выявления оптимального метода защиты зданий при проектировании и дальнейшем строительстве зданий и сооружений в сейсмически опасных районах за последние десятилетия постоянно продолжаются, примером тому могут быть анализ и результаты, к которым пришли авторы ряда работ [1-3].
На основании анализа существующей литературы по вопросам сейсмической безопасности, можно сделать вывод о том, что реализация различных подходов в проектировании строительных объектов в сейсмически опасных зонах фрагментарна. Каждый конкретный случай нужно рассматривать исходя из принадлежащих непосредственно объекту проектирования данных, инженерно-геологических и климатических характеристик, а также, в соответствии с его назначением. В действительности, вариантность проработки решений сводится, как правило, к решению следующих задач: сравнение и выбор наилучшего вари-анта проектирования средств сеймозащиты, сравнение и выбор оптимальной конструктивной модели и строительных материалов. Без-условно при этом, во главу угла ставится вопрос об экономической целесообразности. Однако, немало важно подтверждать и актуализировать имеющиеся в архивах земельных ведомств данные, ведь, как известно из карт общего сейсмического районирования территорий Российской Федерации, показано, что количество регионов с высокими сейсмическими рисками значительно увеличилось по сравнению с предыдущими данными, которые представлены в работах [4,5]. Так, например, в г. Нефтегорск в 1995 г. произошло землетрясение, оцененное экспертами интенсивностью в 9-10 баллов. В целом, около четверти территории Российской Федерации относятся к категории сей-смоопасных. На более чем 1 млн. 700 тыс. кв. км этой территории, (что составляет 10 % общей площади), регулярно проявляются землетрясения, интенсивностью 6-9 бал-лов согласно используемой в европейских странах 12-ти балльной шкале EMS-98 [6,7]. В большинстве случаев сейсмоопасными территориями, являются те, которые расположены в приморских и горных районах страны. На этих территориях расположены популярные куротно-тури-стические зоны. Именно такие зоны представляют наибольший интерес для застройщиков, в связи с чем обладают высокой стоимостью и ограниченными размерами строительных площадок. Поэтому необходимость увеличения количества этажей и вместе с тем поиска макси-мально приемлемых конструктивных решений постоянно возрастает [8]. С введением в действие новых норм проектирования
О *
О X
о
3 *
8)
с т ■и о
5
т о а г
о т
09 8)
(О
сч
0
сч *
01
«Строительство в сейсмических районах России» значительно расширились территории, отнесённые к сейсмоопасным. Новые территории представлены по про-гнозу их расчетной сейсмичности. Произведено включение в сейсмоопасные 6-ти бальных территорий, так как землятрясения такой интенсивности способны приносить ущерб ряду существующих зданий, построенных без применения методов сей-смозащиты. В 70-е годы при застройке данные территории не считались сейсмически активными и возможность землетрясений не учитывалась при строительстве зданий. Таким образом признана и выведена на новый уровень проблема обеспечения или повышения сейсмостойкости существующих зданий [9].
Аналогичные ситуации, касающиеся заниженных и неучтенных оценок сейсмической активности, можно наблюдать в Японии, Китае, Греции и других странах. 6 февраля 2023 г. впервые зарегистрировано землетрясение в г. Газиантепе и Кахраманма-раше в Турции, имевшее по оценкам специалистов интенсивностью 8-8,2 баллов, непосредственно после которого было зафиксировано более 300 афтер-шоков радиусом в 300 км от эпицентра.
Безусловно, здания, построенные в те времена, когда ныне указанные как сейсмоопасные не являлись таковыми по нормативам, не могут считаться сейсмостойкими и требуют проведения повторной экспертизы, учитывая не только текущую ситуацию района строительства, но и в том числе соблюдение правил эксплуатации.
Исходя из вышеизложенного, мы можем прийти к выводу, что сейсмическая опасность является особенно важной проблемой для строительной отрасли. Именно ввиду этого, множество ученых каждый год пытаются разработать более надежные и качественные методики защиты сооружений, а также систематизировать методы и способы сей-смозащиты.
Следует отметить, что количество альтернатив вариаций сейсмо-защиты стандартного объекта при полном переборе возможных вариантов конструктивных решений может исчисляться сотнями и даже тысячами. Конечно же сформировать тысячи альтернативных вариантов реализации строительного процесса просто не представляется возможным без применения компьютерных технологий проектирования зданий и сооружений и реализованных в их рамках алгоритмов вариантной про-работки решений. Таким образом важной задачей, которую следует поставить при информационном моделировании строительных объектов, является подбор вариантов конструктивных решений, связанных с применением различных методов сейсмозащиты в различных природно-климатических и инженерно-геологических условиях, с учётом плотно-сти существующей застройки и других факторов.
Проектирование зданий и сооружений в сейсмически активных зонах в обязательном порядке предполагает соответствие не только нормативным актам, нормам и рекомендациям, но зависит и от текущей действительной обстановки в районе предполагаемого строительства, по этой причине ниже
приводится классификация и основная сущность сейсмических опасностей на этапе проектирования и эксплуатации зданий, применяемых для решения задач проектирования.
Землетрясения происходят чаще всего не прогнозируемо. В целом, любое землетрясение можно охарактеризовать, как повышение колебаний земной коры, в связи с тектоническими процессами, относительно локализован-ной местности, в очаге которого возникают упругие волны, распространяющиеся с высокой скоростью по всей площади зоны [10]. Понимание данных процессов важно для строительной отрасли не только при проектировании специальных сооружений, но также и обычных жилых и общественных зданий, ведь, ввиду увеличения застройки, приходится планировать строительство и в зонах сейсмической активности в том числе.
Обычно, сейсмическая активность распределяется по бальной системе амплитуд, где землетрясения от 1 до 6 баллов допускают возможность проектирования зданий без сейсмозащитных конструкций, однако, как было изложено выше, были выявлены случаи, когда сейсмическая активность резко повышается с течением времени, эти процессы и анализ данных описали авторы в работах [1-3]. Начиная с 6-бальных землетрясений в зданиях и сооружениях отмечаются повышенные продольные и поперечные точечные кратковременные нагрузки, превышающие несущую способность стандартных несущих конструкций, что приводит к значительным повреждениям, особенно в зданиях типа А и Б. В таблице 1 приведен анализ воздействия землетрясений на людей и окружение, в соответствии с данными проведенного опроса.
Таблица 1
Местоположение участников Характеристики влияния землетрясений на участников Характеристика окружения
6 баллов
Открытое пространство Повышенный шум Едва уловимые покачивания
1-3 этажи зданий Шум, ощущение импульсов, сложность передвижения. Вибрация элементов интерьера, перегородок, дверей, окон
7 баллов
Открытое пространство Шум, ощущение импульсов, видимые вибрации грунта. Смещение и разрушение фасадных элементов зданий
1-3 этажи зданий Шум, ощущение импульсов, видимые вибрации полов и стен. Повреждение элементов покрытий, образование трещин
8 баллов
Открытое пространство Шум, ощущение импульсов, разрушение поверхностного слоя грунта, невозможность поддерживать равновесие. Разрушение незакрепленных фасадных элементов, обрушение балконных плит
1-3 этажи зданий Сильный шум, видимые сильные колебания стен и полов Образование трещин, разрушение проемов
Существующие методы, применяемые в математическом имитационном моделировании основываются на методе «квадратов» и позволяют спрогнозировать экстремумы амплитуд, однако, опасность, для сложной конструктивной системы несут не только максимальные, но и малые колебания, которые могут повлечь за собой смещение элементов основных несущих конструкций и потерю их устойчивости.
Сейсмостойкость зданий обеспечивается путем выбора оптимальной в сейсмическом отношении зоны строительства объекта, конструктивно-планировочной системы и используемых материалов, результатами произведенных расчетов несущих и ограждающих конструкций, применением методик по принятию специальных конструктивных мер с целью повышения сейсмостойкости конструкций здания, а также детально выверенным планом строительно-монтажных работ.
Основной проблемой строительства объектов, расположенных в сейсмически активных районах, является проблема обеспечения надежности конструкций, согласно которой существует целый ряд методов сейсмозащиты зданий. Преимущественно, данные методы связаны с элементами сборных железобетонных и металлических конструкций.
В современных конструктивных решениях повышение сейсмостойкости используя только варианты изменения геометрических характеристик и материалов конструкций не представляется возможным, так как помимо повышения надежности и сейсмостойкости конструкции необходимо учитывать оптимальное соотношение и с экономической стороной. На данный период, как говорилось ранее, существует более 1000 различных моделей сейсмической защиты зданий. Многие из этих моделей требуют дальнейших корректировок и исследований в области конструирования, расчётного обоснования и практических испытаний [11,12] К традиционным методам сейсмической защиты относят корректировку объемно-планировочных решений и специальные конструктивные решения.
В рамках разработки объёмно-планировочных решений при проектировании сейсмостойких зданий стараются обеспечить симметричное расположение основных осей системы, а также плавное и равномерное распределение жесткостей и масс. Это позволяет повысить прочностные характеристики объекта, минимизировать крутящие моменты в здании при возникновении сейсмической активности путем максимального сближения центра тяжести всей конструктивной системы с центром тяжести возникающих нагрузок на здание. На рис. 1 приводится пример объемно-планировочного решения точечного жилого многоквартирного дома, расположенного в сейсмоактивной зоне.
Что касается конструктивных решений, то при необходимости проектирования зданий сложной формы, когда симметрично расположить основные оси системы затруднительно, осуществляется разделение зданий на отдельные простые блоки, таким образом необходимо учесть, на этапе проектирования, антисейсмические швы. Пример их схемы приведен на рис. 2.
Рис. 1 - Схема здания с симметричным расположением основных осей и несущих конструкций
Рис. 2. - Схема здания сложной формы с устройством антисейсмических швов
Не мало важно учесть, что, согласно рекомендациям, антисейсмические швы должны разделять здание целиков, то есть, от планировочной отметки до самой высокой отметки здания. Конструкция стыка швов должна учитывать возможность взаимных горизонтальных перемещений в случае повышенной сейсмической активности.
В классификации по конструктивным решениям, здания, помимо разделения на антисейсмические отсеки должны учитывать схему, где конструкции позволят ускорить затухание колебаний.
В существующей классификации сейсмозащиты по конструктивным решениям существуют две схемы. Первая, называемая «Жесткой», где вертикальные элементы при значительных сейсмических нагрузках, но уязвимой к нагрузкам на сдвиг. Вторая, называемая «Гибкой», подразумевает работу конструкций при значительных сейсмических нагрузках на изгиб.
При проектировании и расчете фундамента руководствуются повышением сейсмостойкости в элементе подошвы. Так, при использовании ленточного фундамента, увеличивают ширину подошвы, с целью минимизации сдвиговых усилий и изгибающих моментов. Также, для повышения надежности, устраиваются дополнительные армопояса по ниж-
О *
о
X
о 3
5 *
и
с т ■и о
5 Т
Ф
а т
о
Т
а
8)
о см
а
ней и верхней площадке блоков. Для защиты от коррозии укрепляющих стальных элементов места соединения заделывают бетоном.
Не мало важно отметить, что при разрушительных землетрясениях, традиционные методы сей-смозащиты оказываются неэффективными.
В связи с трудностями прогнозирования землетрясений в целом и влияния их на элементы здания в частности, начали разрабатываться нетрадиционные методы сейсмической защиты зданий. Такие методы подразделяются на такие их группы, как активная и пассивная сейсмозащита. Основная цель любых методов заключается в снижении затрат на усиление конструкций здания, а также повышения надежности, устойчивости и прочности конструкций здания, предполагаемого к строительству в сейсмически активных зонах.
Активные способы сейсмозащиты представляют собой использование энергии и элементов, регулирующих ее подачу. К основным преимуществам данного способа относят возможность корректирования колебательных процессов от сейсмических активностей и ветровых усилий. Истоки данного направления относят к этапу начала строительства высотных зданий в сейсмически активных районах, где были впервые использованы специальные активные способы сейсмозащиты.
Существуют методы полуактивной сейсмозащиты, они подразумевают нахождения мощного источника энергии, который в случае возникновения сейсмической активности включает различные системы пассивной защиты, в которых в свою очередь источник энергии приводит к активации тех или иных связей, к примеру, расстыковка стопорного приспособления в кинематической опоре или же активируется, при возникновении сейсмической активности электрохимических связей в демпферах, которые позволяют повысить коэффициент поглощения в демпферах.
Также, возможно использование упругих связей в системах сейсмоизоляции. Данный метод обеспечивает самовосстановление конструкций после сейсмических воздействий на основе пневматических сил.
В работах [13,14] авторами были рассмотрены различные методы организации сейсмической защиты зданий и сооружений, проанализировав данные, можно прийти к выводу, что существующие методы организации защиты зданий не отвечает на вопросы, необходимые для проектирования, а именно:
1. Невозможность точного прогнозирования.
2. Наличие существенного различия исследуемых методик друг от друга
3. Отсутствие визуального понимания зависимости методик сейсмозащиты.
В качестве решения данных проблем предлагается обобщить их и про-извести классификацию существующих методик защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий в составе блок-схемы, которая отображена на рис.3.
Рис. 3. - Блок-схема состава информационной модели при планировании строительства
В рамках реализации пассивных методов сейсмической защиты проек-тируются такие конструктивные системы, в которых при проявлении сейсмической активности сохраняются динамические воздействия. Подобные системы называют системами сейсмогашения. Их особенность состоит в том, что в процессе сейсмической активности характеристики здания изменяются, приспосабливаясь к воздействию, однако обратный эффект восстановления отсутствует. Ввиду наличия высоко и низкочастотных колебаний резонансные явления не проявляются, в связи с чем связи конструкции не подвергаются разрушению. К основным недостаткам применения данного метода можно отнести невосстанавливаемость конструкций, а также, наличие возможности полной потери несущей способности при многократных повторениях землетрясений, в связи с чем, данный метод можно отнести к энерго- и экономически затратным.
Подводя итог, можно сделать вывод, что у каждой группы методов сей-смозащиты есть свои достоинства и недостатки. Их проявление зависит от ряда факторов - инженерно-геологических условий, природно климатических факторов и.т.д. При рассмотрении и оптимизации систем основной классификации стоит учитывать, что здания, предполагаемые к проектированию в зонах сейсмической активности, должны быть усилены путем повышения несущих способностей элементов конструкций, однако с учётом экономического аспекта при принятии конструктивных решений. Это является открытым полем для поиска новых решений оптимизации сейсмозащиты, в частности, с учетом характеристик надежности, прочности и сейсмостойкости, по отношению к экономической целесообразности ее реализации. Таких решений уже множество, поэтому основная проблема на сегодняшний день - проблема выбора наиболее оптимального из них для того или иного объекта. Решение этой проблемы состоит в создании программных продуктов, позволяющих осуществить выбор варианта посредством информационного моделирования здания или сооружения.
Литература
1. Выскребенцева М.А., Куен В.Л. Методы сей-смогашения и сейсмоизоляции с применением специальных устройств // Инженерный вестник Дона. 2019, №1 (52). URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_101_Vyscrebentseva_ N.pdf_06278444c0.pdf
2. Арутюнян А.Р. Современные методы сейсмоизоляции зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. 2010, №3. DOI: 10.18720/MCE.13.1
3. Альберт Ю.У., Долгая А.А., Иванова Т.В., Нестерова О.П., Уздин А.М., Гуань Ю., Ивашинцов Д.А., Воронков О.К., Штильман В.Б., Шульман С.Г., Храпков А.А. Расчетное сейсмическое воздействие для сооружения с динамическим гасителем колебаний // Инженерно-строительный журнал. 2017, №8 (76). Doi: 10.18720/MCE.76.9
4. Ахматов М.А. О новых тенденциях в сейсмостойком строительстве // Известия Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В. М. Кокова. 2014, №2 (4). С. 44 - 46.
5. Халелова А. К. Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений // Молодой ученый. 2020, № 46 (336). С. 40-44.
6. EMS-98: European Macroseismic Scale 1998, (Editor G. Grünthal). Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, Vol. 15, Conseil de l'Europe, Luxembourg, 1998, 99 pp.
7. Grünthal, G., Mayer-Rosa, D.&Lenhardt, W. A.: Abschätzung der Erdbebengefährdung für die D-A-CH-Staaten - Deutschland, Österreich, Schweiz. Bautechnik, 10, 1998, 753—767.
8. Аксёнов Н.Б., Аушев М.В. Исследование влияния соотношения жесткостей конструктивной системы на динамические параметры многоэтажного здания в зависимости от сейсмичности площадки // Инженерный вестник Дона, 2017, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4416.
9. Павленко В.В. Подходы к строительству в сейсмически активных зонах. Экономика строительства. 2023, №2. С. 108 - 114.
10. Муселемов Х.М., Устарханов О.М., Юсупов А.К. Статистический анализ акселерограмм реальных сильных землетрясений // Вестник ДГТУ. Технические науки. 2017, №4. С. 170 - 183.
11. Mailyan D., Aksenov V., Aksenov N. Energy-efficient reinforced concrete columns made of concrete, grade B90...B140 // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018, Vol. 692. pp. 536-542.
12. Polskoy P.P., Mailyan D.R., Dedukh D.A., Georgiev S.V. Design of reinforced concrete beams in a case of a change of cross section of composite strengthening reinforcement // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016, Vol. 12. № 2. pp. 17671786.
13. Дроздов В.В. Сейсмическая надежность зданий повышенной этажности. Волгоград: ВолгГТУ, 2022. 180 с.
14. Абакаров А.Д., Зайнулабидова Х.Р. Сейсмическая реакция нелинейной системы сейсмозащиты с кинематическими опорами // Вестник ДГТУ. Технические науки. 2018, №3. С. 134 - 144. D0I:10.21822/2073-6185-2018-45-3-134-144.
Classification of systems and methods for protecting buildings and
structures in seismically active areas Zakharov S.A., Drozdov V.V., Kalinovsky S.A., Vorobieva A.D.
VolgGTU
The classification of methods for protecting buildings and structures in seismically hazardous areas is especially relevant. In addition to the standard increase in structural reliability through increased bearing capacity, it is also possible to use combined methods. Finding and creating a basic classification, as well as considering methods and systems for protecting buildings in seismically active areas, will help optimize the selection of the necessary system. A comprehensive analysis of the main, existing and practical systems for protecting buildings in seismically active areas, as well as classification schemes, will open the way to improving the combined methods of protecting buildings and structures in seismically active areas. This paper considers existing approaches to the design of buildings and structures in seismically hazardous areas, the shortcomings of the methods were identified and recommendations were given that will lead to decisions on optimizing the design and construction of buildings in seismically hazardous areas, namely, visual clarity, when choosing a specific approach, in order to minimize possible costs at the design and operation stages.
Keywords: seismic areas, seismic risk, seismic activity, earthquake, seismic resistance of a structure, seismic protection information modeling, optimal design model, seismic protection methods, active seismic protection, passive seismic protection. References
1. Vyskrebenceva M.A., Kuen V.L. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019, №1 (52). URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_101_Vyscrebentseva_N.pdf_06278444c0.pdf
2. Arutyunyan A.R. Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal 2010, №3. DOI: 10.18720/MCE.13.1
3. Al'bert YU.U., Dolgaya A.A., Ivanova T.V., Nesterova O.P., Uzdin A.M., Guan' YU., Ivashincov D.A., Voronkov O.K., SHtil'man V.B., SHul'man S.G., Hrapkov A.A. Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. 2017, №8 (76). Doi: 10.18720/MCE.76.9
4. Izvestiya Kabardino-Balkarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta im. V.M. Kokova. 2014, №2 (4). pp. 44 - 46.
5. Halelova A.K. Molodoj uchenyj. 2020, № 46 (336). pp. 40 - 44.
6. EMS-98: European Macroseismic Scale 1998, (Editor G. Grünthal). Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie, Vol. 15, Conseil de l'Europe, Luxembourg, 1998, 99 pp.
7. Grünthal G., Mayer-Rosa, D.&Lenhardt W.A.: Abschätzung der Erdbebengefährdung für die D-A-CH-Staaten - Deutschland, Österreich, Schweiz. Bautechnik, 10, 1998, pp. 753 - 767.
8. Aksyonov N.B., Aushev M.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4416.
9. Pavlenko V.V. Ekonomika stroitel'stva. 2023, №2. pp. 108 - 114.
10. Muselemov H.M., Ustarhanov O.M., YUsupov A.K. Vestnik DGTU. Tekhnicheskie nauki. 2017, №4. pp. 170 - 183.
11. Mailyan D., Aksenov V., Aksenov N. Energy-efficient reinforced concrete columns made of concrete, grade B90...B140 // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018, Vol. 692. pp. 536-542.
12. Polskoy P.P., Mailyan D.R., Dedukh D.A., Georgiev S.V. Design of reinforced concrete beams in a case of a change of cross section of composite strengthening reinforcement // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016, Vol. 12. № 2. pp. 1767-1786.
13. Drozdov V.V. Sejsmicheskaya nadezhnost' zdanij povyshennoj etazhnosti [Seismic reliability of high-rise buildings]. Volgograd: VolgGTU, 2022. - 180 p.
14. Abakarov A.D., Zajnulabidova H.R. Vestnik DGTU. Tekhnicheskie nauki. 2018, №3. pp. 134 - 144. DOI:10.21822/2073-6185-2018-45-3-134-144.
О *
о
X
о s
s *
и
с т ■и о s
т
ф
а т
о т
m
8)
