CC BY
1474
6
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
УДК 721.011.1 Т. А. Белаш
ОСОБЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СЕЙСМОСТОЙКИХ ЗДАНИЙ
Рассмотрены основные особенности строительства и эксплуатации зданий в сейсмических районах. Основное внимание уделено вопросам их усиления. Дан перечень основных положений по эксплуатации зданий и сооружений в районах активных сейсмических воздействий.
строительство, усиление, эксплуатация зданий и сооружений, сейсмически активные районы.
Введение
Сейсмостойкость зданий во многом зависит не только от правильно выбранных проектных решений, но и от правильно выполняемого производства работ и эксплуатации. Кроме того, большое значение имеют вопросы, связанные с усилением конструкций в случае изменения сейсмостойкости или после землетрясения. Рассмотрены основные особенности строительства и эксплуатации зданий в сейсмических районах с учетом усиления строительных конструкций.
Качество строительства играет принципиальную роль при обеспечении сейсмостойкости зданий и сооружений. Там, где качество строительства соблюдалось, ущерб от землетрясений был ограничен даже в случаях, когда строительство не удовлетворяло современным нормам и рекомендациям. Наоборот, в случаях низкого качества строительства имели место многочисленные обрушения зданий и массовая гибель людей.
Приведем несколько примеров.
В Мессине (Италия) преобладала стихийная застройка территории зданиями из местных материалов. Вопросы качества строительства не рассматривались. Мессинское землетрясение 1931 года разрушило большую часть города и унесло около 100 000 жизней. Академик Мушкетов, анализируя последствия землетрясения, отмечал, что странно не то, что разрушения столь велики, а то, что что-то еще уцелело.
Во время спитакского землетрясения в Армении были разрушены тысячи зданий, погибло около 35 000 человек. Качество строительства, без-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительствЗ
условно, сыграло важнейшую роль в тяжести последствий. Из панелей разрушившихся зданий арматуру можно было вытащить руками, т. е. при изготовлении панелей явно нарушались технология и дозировка цемента. При массовых разрушениях некоторые частные дома, построенные без соблюдения всех норм сейсмостойкого строительства, но при высоком качестве бетонных работ, удовлетворительно перенесли землетрясение.
1 Способы антисейсмического усиления эксплуатируемых зданий
Повышение сейсмостойкости эксплуатируемых зданий и сооружений включает усиление подземной (оснований и фундаментов) и надземной частей.
Усиление оснований и фундаментов обычно необходимо для жестких массивных сооружений, построенных на слабых грунтах или грунтах, подверженных тиксотропным явлениям. При усилении грунтовых оснований нагрузки на здание, как правило, возрастают. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке проекта усиления. На практике возможны два способа усиления оснований: химическое и механическое.
Химическое усиление грунтов предусматривает закрепление их путем цементации, силикатизации, битумизации и т. п. При неудовлетворительном состоянии материала фундаментов (выщелачивание кладки, трещины и пр.) возможно его химическое усиление. Для проведения химического усиления грунта или тела фундамента пробуривают отверстия диаметром 2-4 см с шагом 0,5-1 м. В отверстие вводится инъектор, через который под
давлением нагнетают закрепляющий раствор. Обычно усиление массива происходит в радиусе 0,6-1,2 м вокруг инъектора так, чтобы обеспечить сплошной массив усиленного грунта под фундаментом (рис. 1).
Многие здания и сооружения приходится строить не только в сейсмических условиях, но и в условиях просадочных грунтов, которые также оказывают существенное влияние на сейсмостойкость здания. Для усиления грунтового основания используется жаропрочные трубы нагнетается воздух, нагретый до высокой температуры. При нагреве лессовые
Рис. 1. Схема силикатизации основания под фундаментом: 1 - инъектор; 2 - фундамент;
3 - укрепленная зона
термический метод. При этом в грунт через
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
8
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
грунты начинают терять просадочные свойства, а при температуре более 700° приобретают высокие прочностные свойства. Схема термического укрепления грунта показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема термического укрепления грунта:
1 - сооружение (труба); 2 - фундамент; 3 - скважина для обжига;
4 - зона термического укрепления грунта; 5 - кювет для отвода сточных вод;
6 - водозащитная обваловка; 7 - навес
Механическое усиление грунтов предусматривает погружение в основание свай. Поскольку забивка и вибропогружение свай могут привести к повреждению здания, обычно используются буронабивные, буроинъекционные или задавливаемые в грунт сваи. В зависимости от размещения свай усиление основания может быть прямым или косвенным.
При прямом усилении сваи располагаются непосредственно под фундаментом. С этой целью отверстия под сваю могут просверливаться сквозь существующий фундамент. Для этого используют буронабивные сваи малых диаметров 8-12 см.
При косвенном усилении сваи размещаются по периметру здания, препятствуя образованию в грунте поверхностей скольжения.
Возможно также размещение свай вне пределов фундамента, но соединение их с фундаментом с помощью мощных ранд балок. Схемы возможного размещения свай показаны на рис. 3.
Для усиления оснований возможно использование различных типов свай:
• обычные буроинъекционные сваи, как правило, с предварительным размещением в скважине арматурного каркаса;
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительств®
• буроинъекционные сваи на специальном цементе, вступающем с грунтом в химическую реакцию; такие сваи при взаимодействии с грунтом образуют уплотненные зоны грунтобетона под фундаментом, повышая несущую способность фундамента (рис. 3, г);
Рис. 3. Современные методы сейсмоусиления фундаментов: а - цементизация существующих фундаментов; б - задавливаемые сваи; в, г - набивные сваи; д - буроинъекционные сваи; е - метод «струи»;
1 - инъектор; 2 - усиливаемый фундамент; 3 - наддомкратная балка; 4 - домкрат;
5 - залавливаемый элемент; 6 - свайный ростверк; 7 - набивная свая;
8 - рандбалка; 9 - буроинъекционная свая; 10 - буровой агрегат; 11 - конструкция усиления (грунтоцементная колонна); 12 - буронабивная свая; 13 - монолитная
железобетонная балка
• буронабивные сваи, для изготовления которых в грунте устраиваются скважины диаметром до 40 см, с одновременным погружением в скважину обсадной трубы или заполнения скважины глинистым раствором, в скважину устанавливают арматурный каркас и заполняют ее пластичной бетонной смесью;
• сваи Страуса, отличающиеся от буронабивных тем, что свая не имеет арматурного каркаса, а бетон в сваю подается порциями с одновременным процессом его трамбовки и извлечения обсадной трубы; боковая поверхность сваи становится при этом гофрированной, что должно повышать ее несущую способность;
• щебеночные сваи, в которых скважина заполняется трамбованным щебнем; такие сваи, с одной стороны, уплотняют грунт основания, с дру-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
10
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
гой - препятствуют разжижению грунта основания, так как при возникновении процессов разжижения свободная вода уходит внутрь щебеночных свай;
• задавливаемые и винтовые сваи, изготавливаемые заранее и погружаемые в грунт задавливанием или завинчиванием без передачи на здание интенсивных динамических нагрузок.
Усиление фундаментов может выполняться с усилением основания, как рассмотрено выше, а также отдельно путем развития существующих или устройством дополнительных фундаментов, увеличивающих площадь опирания (см. рис. 3).
Усиление зданий возможно с изменением динамической схемы и без изменения динамической схемы сооружения.
Усиление сооружений с изменением их динамической схемы (специальное) включает сейсмогашение и сейсмоизоляцию.
Сейсмогашение предусматривает установку демпферов и динамических гасителей колебаний.
Сейсмоизоляция - весьма эффективное средство усиления эксплуатируемых зданий. Эффективное использование сейсмоизоляции возможно для промышленных зданий, несущих тяжелое оборудование (изоляция оборудования), резервуары с жидкостью (изоляция жидкости воздушными завесами) и т. п. Для обычных зданий устройство сейсмоизоляции предусматривает отделение здания от фундамента, установку здания на временные опоры, введение между зданием и фундаментом сейсмоизолирующих опор, перестановку здания с временных на сейсмоизолирующие опоры.
Традиционные методы усиления (без изменения динамической схемы здания) могут включать:
• сейсмоусиление отдельных несущих элементов зданий (стен, простенков, колонн и т. д.);
• усиление узлов между элементами зданий (узлов железобетонных рам, узлов пересечений и сопряжений стен и т. п.);
• объединение элементов здания в единую систему с целью распределения нагрузки между всеми несущими элементами.
Комплекс антисейсмических мероприятий должен обеспечить сейсмостойкость сооружения в соответствии с общими требованиями к работе сооружения при сейсмических воздействиях, рассмотренных выше. При этом необходимо обеспечить максимальное использование существующих конструкций и их совместную работу в сооружении во время землетрясения.
При сейсмоусилении отдельных несущих элементов применяют:
• торкрет-бетонирование по металлической сетке;
• аппликацию;
• инъектирование кладки;
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительства
• железобетонные обоймы;
• предварительное напряжение элементов, как правило, с помощью металлоконструкций.
Усиление связей осуществляется путем развития сечений конструктивных элементов связи и добавлением соединительных элементов (болтов, сварных швов и т. п.). Усиление связей можно рассматривать как один из путей объединения элементов здания в единую систему.
Объединение элементов зданий в единую систему может выполняться:
• устройством жестких монолитных сейсмопоясов;
• устройством преднапряженных металлических окаймляющих поясов;
• обжатием элементов преднапряженной арматурой;
• устройством окаймляющего рамного железобетонного каркаса, в частности устройством контрфорсов;
• устройством новых и усилением существующих стыковых соединений.
Для усиления перечисленными способами используют преднапряженные и обычные конструкции. До последнего времени к преднапряженным конструкциям относились с некоторой осторожностью в силу возможности их хрупкого разрушения при экстремальных нагрузках. Следует отметить, что такое разрушение преднапряженных конструкций исключается при надлежащем подборе марки стали и высоком качестве изготовления пред-напрягаемых элементов.
Ниже рассмотрены некоторые примеры антисейсмического усиления зданий.
Торкрет-бетонирование по металлической сетке применяют при усилении стен крупнопанельных, крупноблочных и каменных зданий. На поверхность стены, предварительно покрытой металлической сеткой, наносят торкрет-бетон.
Обжатие напрягаемыми тяжами используют для сейсмоусиления каменных, мелкоблочных и крупноблочных зданий. Этот метод сейсмоусиления заключается в следующем. Горизонтальный напрягаемый пояс в уровне каждого этажа обтягивают круглой сталью (для двухэтажных зданий) или металлическими швеллерами (в пятиэтажных зданиях).
Натяжение осуществляется муфтами и болтовыми соединениями. Варианты натяжения поясов представлены на рис. 4.
Наружный металлический каркас устраивают при сейсмоусилении несущих и ненесущих наружных каменных и бетонных стен. С точки зрения ряда специалистов, этот способ не очень эффективен, хотя он довольно широко распространен при усилении стен, разрушенных в результате землетрясений и других аварий.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
12
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
а)
I-I
Труба ГОСТ 3262-55
Гайка
п
А [■4
Костыль
/02ОТ~42О
350
б)
Рис. 4. Варианты натяжения поясов при сейсмоусилении каменных и блочных зданий: а - муфтами; б - болтовыми соединениями
Этот способ заключается в том, что поврежденные стены заключают в наружный металлический каркас из прокатных элементов, сваренных между собой.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительств
С помощью предварительно напряженных тяжей обычно восстанавливают связь между элементами в зданиях из крупных бетонных блоков. Суть этого способа заключается в том, что тяжи крепятся к напрягаемому горизонтальному металлическому поясу. Пояс выполняют из швеллера и прикрепляют на болтах к перемычечному блоку. Установка горизонтального напрягаемого пояса к нему осуществляется тяжами крепления стен перпендикулярного направления.
Повышение сейсмостойкости здания происходит благодаря увеличению сил трения между панелями. Наиболее сложной частью реализации предлагаемой системы является обеспечение точности расположения отверстия в стеновых панелях. Отклонение положения тросов от оси панели, кроме обжатия, приведет к ее изгибу и ухудшит сейсмостойкость сооружения.
Металлическими и железобетонными шпонками обычно восстанавливают связи между элементами крупноблочных и крупнопанельных зданий. Они, как правило, устраиваются не более двух по высоте стыка на этаж. Эти шпонки способны воспринимать сдвигающие и растягивающие усилия.
Для восстановления пространственной жесткости зданий из крупных блоков применяют сборные железобетонные рамы. Поперечные П-образные рамы охватывают крупноблочные здания с наружных сторон. В продольном направлении рамы связаны между собой монолитными или сборно-монолитными железобетонными ригелями по коньку и карнизам кровли. Наиболее эффективный вариант такого рода усиления - обустройство старых панельных зданий балконами. Причем стенами балконов являются жесткие железобетонные рамы, имеющие отдельный фундамент и объединенные поверху в уровне крыши, а пол балкона выступает в роли ригеля рам. Сложность здесь состоит в обеспечении совместности работы рам и основного здания.
Другой крайний случай - постройка монолитного железобетонного «саркофага», объемлющего защищаемое здание. При этом сейсмическая нагрузка должна восприниматься «саркофагом». Получается, что защищаемое здание оказывается внутри «саркофага». В таком варианте требования к совместности работы здания и усиления особенно важны. Если в процессе производства работ здание будет повреждено, а совместная работа не будет обеспечена, то сейсмоусиление может стать настоящим саркофагом для разрушенного здания.
Для сейсмоусиления каркасных многоэтажных зданий могут быть использованы предварительно напряженные подвески. Пример подобного решения представлен на рис. 5.
Очень часто при сейсмоусилении каркасных зданий возникает необходимость усиления колонн. Пример такого конструктивного решения представлен на рис. 6.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
14
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
Рис. 5. Сейсмоусиление каркасного здания с помощью предварительно напряженных подвесок: 1 - колонна; 2 - ригель; 3 - анкерное устройство; 4 - тяж; 5 - натяжная муфта
а)
б)
в)
/
2
3
Рис. 6. Сейсмоусиление каркасных зданий усилением железобетонных колонн: а - металлическая обойма; б - двусторонняя распорка в период монтажа; в - распорка в напряженном состоянии;
1 - усиливаемая железобетонная колонна; 2 - планки; 3 - уголки обоймы;
4 - упоры для обоймы; 5 - пластина; 6 - тяжи
На практике варианты антисейсмического усиления эксплуатируемых зданий и сооружений применяются, естественно, как по отдельности, так и в совокупности рассмотренных выше конструктивных решений.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
Транспортное, промышленное и гражданское строительствб
3 Особенности технического обслуживания и ремонта зданий и сооружений в сейсмоопасных районах
Содержание зданий и сооружений, расположенных в сейсмических районах, в период между землетрясениями должно соответствовать их содержанию в обычных условиях.
Обнаруженные во время очередных осмотров зданий отдельные трещины в кладке стен, коррозия закладных деталей, если они не представляют непосредственной угрозы дальнейшего повреждения конструкций, должны быть зафиксированы и учтены при планировании ремонта.
Трещины в колоннах и ригелях каркаса, смещение настилов, трещины в простенках, нарушение стыков и т. п. устраняются по специальным проектам и требуют немедленного ремонта.
Прочность и надежность несущих конструкций зданий и сооружений, которые эксплуатируются в течение длительного времени, необходимо определять и оценивать после инженерного обследования этих конструкций с использованием измерительных приборов и лабораторных методов исследований. В результате обследования составляется акт общего осмотра и дается заключение о состоянии несущих конструкций и их соответствии проектным назначениям, делаются выводы относительно общей сейсмостойкости здания.
При производстве ремонтных работ в зданиях следует устраивать заделку кирпичной кладки ниш, борозд, проемов в стенах на растворе марки 50 с устройством штрабы по контуру для связи с действующей кладкой. Стыки сборных конструкций, в которых обнаружена коррозия стальных связей, следует расчистить, покрыть защитным составом и заделать прочным цементным раствором или бетоном.
В зданиях не допускается заделывать трещины в строительных конструкциях, не удостоверившись, в каком состоянии они находятся. Не допускается заделывать наглухо антисейсмические швы. В железобетонных элементах нельзя обнажать арматуру, если это не вызвано необходимостью усиления конструкций.
Организация по обслуживанию зданий и сооружений во время землетрясения после сильных толчков должна выполнять такие работы, как отключение линий тепло-, водо-, электроснабжения, предупреждение возможности пожара; в случае необходимости следует организовать ликвидацию его очагов, выявить наиболее разрушенные здания и коммуникации и приступить к ликвидации последствий землетрясения.
После землетрясения производятся внеочередные осмотры здания, его оборудования, коммуникаций. Обнаруженные повреждения и деформации должны быть подробно изучены и отражены в акте с указанием размеров трещин. На опасных зонах необходимо поставить маяки. В здания, признанные аварийными, вход людей должен быть воспрещен.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
16
Транспортное, промышленное и гражданское строительство
Здания, подлежащие восстановлению, перед разработкой проекта восстановительных работ должны обследоваться проектной организацией.
При выполнении работ по фундаментам, устройству антисейсмических поясов, заделке стыков, кладке стен, по замоноличиванию перекрытий должны обязательно составляться акты на скрытые работы, в которых подтверждается качество выполнения работ и их соответствие нормам проектирования и строительства в сейсмических районах. Акты должны составляться непосредственно после завершения работ по каждой конструкции в отдельности.
В период очередного осмотра зданий необходимо уточнить сейсмичность территории или населенного пункта по государственным нормам. Здания, сейсмичность которых окажется недостаточной, должны быть усилены при очередном капитальном ремонте по специальному проекту.
Заключение
1. Для районов сейсмической активности, кроме вопросов проектирования и строительства, большое значение имеют вопросы эксплуатации сейсмостойких зданий и сооружений.
2. При эксплуатации необходимо постоянно осуществлять контроль за основаниями и фундаментами, за состоянием несущих строительных конструкций.
3. В случае изменения сейсмичности территории в сторону ее увеличения необходимо предусмотреть комплекс мероприятий по восстановлению эксплуатационных качеств сейсмостойких зданий. Для этого могут быть использованы традиционные и нетрадиционные подходы усиления (сейсмоизоляция и сейсмогашение).
4. После землетрясения все строительные объекты должны быть осмотрены, обнаруженные повреждения и деформации подробно изучены, затем должен быть разработан проект всех восстановительных работ.
5. Выбор методов усиления осуществляется на основе техникоэкономического анализа с учетом всех нормативных требований, предъявляемых к сейсмостойким зданиям и сооружениям.
Библиографический список
1. Железнодорожные здания для районов с особыми природно-климатическими условиями и техногенными воздействиями / Т. А. Белаш, А. М. Уздин. - М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. - 370 с. - ISBN 978-5-89035-427-3.
2. Сейсмостойкое строительство / О. Н. Елисеев, А. М. Уздин. - СПб. : ПВВИСУ, 1997. - 371 с.
Статья поступила в редакцию 21.10.2008;
представлена к публикации членом редколлегии Л. С. Блажко.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/4
