CC BY
63УДК 721.011.12; 699.841
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ СРЕДНЕЙ ЭТАЖНОСТИ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЗАДАННОГО УРОВНЯ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ
Е.В. Морозова, В.В. Морозов
Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, Академия строительства и архитектуры, г. Симферополь
Аннотация. Проанализированы методы реконструкции зданий средней этажности. Рассмотрены способы обеспечения заданного уровня сейсмостойкости зданий их при реконструкции. Реконструкция зданий средней этажности с применением надстроек на самостоятельных опорах с металлическим каркасом является перспективным направлением, особенно для сейсмически активных районов. Приведены результаты исследований сейсмостойкости системы «здание - надстройка" с дополнительными включающимися связями. Выполнена оценка сейсмостойкости типового пятиэтажного здания с надстройкой. Предлагается обеспечивать сейсмостойкость реконструируемого здания методом установки резинометаллических опор в месте опирания надстройки на существующее здание.
Ключевые слова: реконструкция, сейсмостойкость, надстройка, резинометаллическая опора, включающаяся
Постановка проблемы. Значительную часть жилого фонда Республики Крым составляют 4-5 этажные дома первых массовых серий постройки 50х-80х годов. Нормативный срок проведения капремонта и реконструкции этих домов исчерпывается, однако значительная часть их имеет достаточный запас прочности на воздействие обычных нагрузок, при практически полном моральном износе. Это говорит в пользу реконструкции таких домов. В ходе реконструкции таких домов необходимо решать комплекс вопросов: максимальное увеличение полезной площади при минимальном увеличении площади застройки; улучшение сантехнических условий проживания; улучшение архитектурной
выразительности фасадов; обеспечение
сейсмостойкости. Решение проблем сейсмической безопасности является одной из важнейших задач социально-экономического развития сейсмоактивных регионов. Каждая сейсмическая катастрофа уникальна по своим природным параметрам, социально-экономическим и экологическим последствиям. Уровень катастрофы зависит от многих факторов, главными из которых являются: параметры произошедшего землетрясения; степень
сейсмостойкости зданий; возможность возникновения вторичных опасных эффектов; готовность государственных органов к незамедлительным спасательным и восстановительным работам. Таким образом, в каждом конкретном случае, особенно при реконструкции речь должна идти о заданном уровне сейсмостойкости.
Анализ достижений и публикаций. Существуют различные способы реконструкции жилых домов средней этажности, начиная со сноса существующих домов, переселения жильцов и строительства нового жилья на месте снесенного, реконструкции с частичным перепланированием квартир существующего дома с утеплением ограждающих конструкций и заменой внутреннего сантехнического оборудования, заканчивая расширением корпуса основного здания за счёт выполнение пристройки к торцу дома или по его
периметру, устройства эркеров, надстройкой этажей, в том числе мансардного. При таких методах реконструкции повышение сейсмостойкости существующих зданий либо не происходит, либо дополнительная нагрузка, передаваемая на реконструируемое здание, снижает его сейсмостойкость.
Существуют интересные предложения для несейсмических районов по реконструкции малоэтажного жилого фонда методом надстройки при помощи легких конструктивных каркасных систем [1]. Суть заключается в том, что надстройка этажей производится без какой-либо догрузки существующего здания путем применения, обнимающего его и не соединенного с ним легкого стального рамного каркаса, устанавливаемого на буронабивные свайные основания, помещенные с наружных сторон дома. Такой метод позволяет получить прирост полезной площади в пределах 100-200% без увеличения площади застройки и дополнительной нагрузки на существующее здание. Реконструкция жилого фонда с применением надстроек на самостоятельных опорах с металлическим каркасом является перспективным направлением и для сейсмически активных районов. Исследования показали, что надстраиваемая часть обладает достаточной сейсмостойкостью в результате применения легких металлических конструкций для каркаса надстройки, что позволило снизить инерционную массу. Однако долго незатухающие колебания надстройки со значительными амплитудами, разница в динамических характеристиках реконструируемого здания и надстройки может значительно осложнить эксплуатацию здания после реконструкции, привести к нарушению его целостности и, в конечном счете, значительно снизить его надежность в случае воздействия сейсмических нагрузок. По конструктивной схеме надстройки любого типа представляют собой здание с гибким нижним этажом, высотой 15-18 м. Основным способом обеспечения сейсмостойкости таких зданий является введение включающихся связей [2]. Предлагается объединить здание и надстройку в единую систему методом введения горизонтальных связей между
стоиками надстройки и стеной реконструируемого, расположенных в уровне перекрытий [3].
Как отмечалось выше основная масса этих зданий имеет достаточный запас прочности на воздействие обычных нагрузок, при практически полном моральном износе. В ходе реконструкции таких зданий возможно применение надстроек, опирающихся на несущие конструкции здания, при условии обеспечения сейсмостойкости после реконструкции.
Одним из наиболее перспективных методов обеспечения заданной сейсмостойкости здания является использование резинометаллических опор (РМО) для его сейсмоизоляции. РМО - упругий элемент, состоящий из слоев полимерного материала и металла, выполненный жестким в вертикальной плоскости, и обладающий малой жесткостью в горизонтальной плоскости. Основными производителями таких опор на сегодняшний день являются Китай, Франция, Новая Зеландия. Срок службы опоры, декларируемый фирмами-производителями, достигает приблизительно 50 лет.
Первоначально такие опоры нашли широкое применение при конструировании сейсмостойких опор мостов, а затем с некоторой доработкой стали применяться и для сейсмоизоляции зданий. Обычно РМО используются для сейсмоизоляции вновь возводимых зданий и устанавливают между несущими конструкциями здания и фундаментом.
Известны примеры применения РМО при реконструкции зданий. В работе [4] описан способ повышения сейсмостойкости реконструируемого здания, являющегося объектом незавершенного строительства. Необходимость повышения
сейсмостойкости связана с изменением расчетной сейсмичности площадки строительства за время приостановки строительства и несоответствием проектных решений требованиям сейсмостойкости. Обеспечение необходимого уровня сейсмостойкости реконструируемого здания достигается за счет ряда конструктивных мероприятий, одним из которых является установка сейсмоизолирующих РМО фирмы «Shantou Vibro Tech Industrial and Development Co Ltd. (VIBRO)» в уровне подвала и отделения надземных конструкций от подземных горизонтальным антисейсмическим швом. Аналогичный метод также был использован при реконструкции Государственного
а б
концертного зала в г. Грозном [5]. Проведение перечисленных мероприятий позволило снизить нагрузки на наземные конструкции в 1,5-3 раза, тем самым уменьшив объем работ по усилению наземных конструкций.
При реконструкции существующего здания Центрального банка в г. Иркутске [6] так же были применены РМО этой же фирмы. Целью реконструкции является обеспечение сейсмостойкости здания, а также перепланировка помещений и надстройка 1-2 этажей. Необходимый уровень сейсмостойкости обеспечивается за счет установки сейсмоизолирующих резинометаллических опор под всеми стенами, столбами и колонами в уровне цокольного этажа, что обеспечило снижение сейсмичности надземной части здания на 1-2 балла по сравнению с сейсмичностью площадки строительства.
Необходимо отметить, что устройство системы сейсмоизоляции реконструируемых зданий в описанных выше конструктивных решениях требует большого количество РМО и относится к сложным работам, что значительно усложняет конструкцию реконструируемого здания и повышает трудоёмкость и стоимость реконструкции.
В Национальной академии природоохранного и курортного строительства (сейчас Академия строительства и архитектуры КФУ им. В.И. Вернадского) запатентовано конструктивное решение сейсмостойкого реконструируемого здания [7], согласно которому сейсмоизолирующие резинометаллические опоры установлены в месте опирания стоек каркаса надстройки на несущие стены существующего здания. Таким образом, реконструируемое здание содержит ограниченное количество сейсмоизолирующих РМО, которые просто устанавливаются и легко могут быть заменены в ходе эксплуатации.
Исследовательская часть и результаты. При рассмотрении варианта реконструкции с применением надстроек на самостоятельных опорах исследовалось три варианта конструктивного решения поперечных рам надстройки (рис.1), имеющих различную схему распределения масс и жесткостей по высоте. Были приняты следующие габаритные размеры надстроек: пролет 15м; отметка низа нижнего ригеля 18м; отметка верха 34-36м; количество надстраиваемых этажей 5.
в
а -
Рис. 1 - Конструктивные решения надстройка 1;б - надстройка 2;в- надстройка 3
Периоды собственных колебаний поперечных рам настроек различного конструктивного решения по первой форме находятся в пределах Т= 2-3,5 сек. Амплитуды перемещений верхних точек надстроек при сейсмическом воздействии интенсивностью 8 баллов составляют 240-340 мм. Таким образом, сейсмостойкость надстроек можно считать обеспеченной, так как максимальные перемещения не превышают допустимых в нормативных документах 1/100Ь (350мм) и периоды колебаний соответствуют минимальным значения коэффициента динамичности. Однако динамические характеристики надстроек, рассматриваемых конструктивных решений значительно отличаются от динамических характеристик реконструируемого здания.
В качестве объекта дальнейшего исследования была принята система с неоднородной верхней частью, содержащей сквозной ригель в уровне
а
А-А
йвдг агщпни; 5зжя5
верхнего этажа (рис.1в). Рассматривались два варианта конструктивного решения горизонтальных связей. Вариант 1 - жесткие горизонтальные связи (рис.2а). Надстройка и здание соединены двутавровыми балками, которые крепятся к стене реконструируемого здания болтами через закладные детали, имеющие овальные отверстия в вертикальном направлении, что позволяет исключить передачу вертикальных воздействий от настройки к зданию. Вариант 2 -упругоподатливые горизонтальные связи (рис.2б). Надстройка и здание соединены пружинами, расположенными в коробчатых направляющих. Пружины установлены с зазором, который заполнен демпфирующим материалом, по отношению к стене реконструируемого здания, что позволяет системе включаться в совместную работу не сразу, а при определенном уровне сейсмического воздействия.
Рис. 2 - Конструктивные решения горизонтальных связей б - жесткие горизонтальные связи; в - упругоподатливые горизонтальные связи
Моделирование связей надстройки и реконструируемого здания выполнено: по первому варианту конструктивного решения введением конечных элементов (КЭ) 51, моделирующих связь конечной жесткости по выбранному направлению; по второму варианту конструктивного решения введением одноузловых КЭ 261, моделирующих одностороннюю упругую связь, работающую на
сжатие с зазором. Задавались сейсмические воздействия расчетной интенсивностью 8 баллов.
Анализ результатов численного эксперимента показал изменение динамических характеристик надстройки при введении горизонтальных включающихся связей. Периоды колебаний системы по первой форме (рис.3) составляют Т=1,47 - 2,5 сек, что меньше чем у надстройки без связей (Т=3,48сек).
Рис. 3 - Периоды собст венных колебаний надст роек с различными вариант ами
горизонта льных связей
Анализировались амплитудные перемещения (рис.4) надстройки с различными вариантами горизонтальных связей. Амплитудные перемещения поперечной рамы надстройки с горизонтальными связями по варианту 1 уменьшились на 75%. В нижней части надстройки перемещения противоположны по знаку направлению колебания рамы. Амплитудные перемещения поперечных рам надстроек с горизонтальными связями по варианту 2 уменьшились на 50% с более равномерным распределением по высоте.
0.0 3.3 6.6 9.9 13.2 16.5 18.7 22.0 25.3 28.6 31.9 35.2 37.4 Отметка по высоте,м
- Рама без связей -•- Рама с горизонтальными связями вариант1
-Рама с горизонтальными связями вариант2
Рис. 4 - Амплитуды перемещений надстроек с различными вариантами горизонтальных связей
Анализировались инерционные силы в уровне перекрытий (рис.5) надстройки с различными вариантами горизонтальных связей. Инерционные силы в уровне нижних ригелей перекрытий поперечных рам настроек с введением горизонтальных связей по варианту 1 снижаются на 20%, а в уровне верхних ригелей перекрытий практически не изменяются. Для поперечной рамы настройки с введением горизонтальных связей по варианту 2 инерционные силы в уровне нижних ригелей перекрытий значительно снижаются на 80%, а в уровне верхних ригелей перекрытий увеличиваются на 40%.
25.3 28.6
Отметка по высоте, м
-Рама без связей
-Рама с горизонтальными связями вариант2
- Рама с горизонтальными связями вариант1
Рис. 5 - Инерционные силы в уровне
перекрытий надстроек с различными вариантами горизонтальных связей
При рассмотрении варианта реконструкции с опиранием надстройки на существующее здание объектом исследования является стандартная секция пятиэтажного жилого здания с продольными несущими стенами. из крупных блоков альминского камня и перекрытиями из многопустотных железобетонных плит. Габаритные размеры в осях здания в плане 12х16,4 м. Высота этажей 3м. Надстройка выполнена с тремя эксплуатируемыми жилыми этажами, что позволит увеличить полезную площадь здания на 60%. Конструктивная схема надстройки- рамный металлический каркас. Колонны I 60Ш1. Шаг колонн в продольном направлении 3 м, 3,8м, 3,6 м и в поперечном направлении 6м. Ригель I 45Б1. Исследование напряженно-деформированного состояния основных несущих конструкций и оценка сейсмостойкости здания выполнялась методом численного эксперимента с применением программного комплекса «ЛИРА-САПР 2013». Расчетная модель представлена на рис.6а. Для возможности анализа напряженно-деформированного состояния основных несущих конструкций и оценки сейсмостойкости из пространственной расчетной модели был выделен фрагмент с наиболее нагруженным узким простенком (рис.6б).
25
20
8 15
10
18.7
22.0
31.9
35.2
В ходе исследования определялся наиболее эффективного способа установки РМО. Согласно 1 варианту система сейсмоизоляции в реконструируемом здании принята в виде устройства резинометаллических опор со свинцовым сердечником китайской фирмы «Shantou Vibro Tech Industrial and Development Co Ltd. (VIBRO)» под несущими стенами в уровне фундамента. Всего устанавливается 48 опор типа GZY 400 V5A. Каждая опора рассчитана на нагрузку 400 кН. Все опоры квадратные в плане и имеют а б
одинаковые размеры: 420х420 мм и высоту 162,5 мм. Схема расположения сейсмоизолирующих опор в плане приведена на рис.7а Для установки РМО под несущими стенами реконструируемого здания предусматривается устройство непрерывного железобетонного горизонтального
антисейсмического пояса, толщиной 200 мм. РМО моделировались с помощью КЭ55 со следующими характеристиками: вертикальная жесткость
Кг=1890 кН/мм; горизонтальная жесткость Рх=Яу=1,66 кН/мм, длина - 162,5мм.
о è è © è ©
-Сейсмаопори GZY 200 V5A Рис. 7 - Схема установки РМО а - вариант 1; б - вариант 2
Согласно 2 варианту система сейсмоизоляции в реконструируемом здании принята в виде устройства резинометаллических опор со свинцовым сердечником китайской фирмы «Shantou Vibro Tech Industrial and Development Co Ltd. (VIBRO)» в месте опирания стоек каркаса надстройки на несущие стены реконструируемого здания. Всего устанавливается 18 опор типа GZY 200 V5A. Каждая опора рассчитана на нагрузку 200 кН. Все опоры квадратные в плане и имеют одинаковые размеры: 240x240 мм и высоту 115,5 мм. Схема расположения сейсмоизолирующих опор в плане приведена на рис.7б. Для установки РМО под каркасом надстройки вдоль несущих стен реконструируемого здания предусматривается устройство непрерывного железобетонного горизонтального антисейсмического пояса, толщиной 200 мм. РМО моделировались с помощью
0.726
0.102
КЭ55 со следующими характеристиками: вертикальная жесткость Яг=504 кН/мм;
горизонтальная жесткость Кх=Ку=0,69 кН/мм, длина - 115,5мм.
Оценка сейсмостойкости здания с надстройкой для предложенных способов установки РМО выполнялась на основе анализа динамических характеристик и напряженно-деформированного состояния несущих конструкций здания. На рис.8 представлены периоды собственных колебаний здания по первой форме. Как видно из диаграммы выполнение надстройки и установка РМО значительно увеличивают период собственных колебаний реконструируемого здания, что ведет к увеличению амплитуды колебаний и снижению способности к затуханию, то может быть опасным для несущих конструкций реконструируемого здания.
Здание Здание с РМО вариант РМО вариант
надстройкой 1 2
Рис. 8 - Периоды собственных колебаний по первой форме
На рис.9 представлены амплитуды перемещений в уровне перекрытий для расчетной сейсмичности 8 баллов. Необходимо отметить, что надстройка, выполняя роль гасителя колебаний, снижает перемещения реконструируемого здания, максимальные перемещения наблюдаются в уровне верхних этажей надстройки. Применение РМО приводит к значительному увеличению перемещений в месте установки последних, в
следствии их малой жесткости в горизонтальном направлении. В случае 1 варианта установки РМО абсолютные и относительные перемещения здания и надстройки увеличиваются в 10 раз. В случае 2 варианта установки РМО абсолютные и относительные перемещения концентрируются в уровне надстройки, увеличиваясь менее, чем в 2 раза.
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27
Высота, м
| —♦— Чдание —И— Здание с надстройкой —А— РМО вариант 1 —РМО вариант 2 |
Рис. 9 - Амплитуды колебаний реконструируемого здания
На рис.10 представлены инерционные силы в реконструируемого здания и надстройки в случае 1
уровне перекрытий для расчетной сейсмичности 8 варианта установки на 25%, а в случае 2 варианта
баллов. Применение РМО приводит к снижению установки на 80%. инерционных сил в уровне перекрытий
30
X
ьй
в в
в X
■ Здание с надстройкой
■ РМО вариант ^ РМО вариант 2
Рис. 10- Инерционные силы в уровне перекрытий здания и надстройки
На рис.11 представлены нормальные напряжения в наружной несущей стене реконструируемого здания. При сейсмическом воздействии интенсивностью 8 баллов наиболее опасные растягивающие напряжения в исследуемом фрагменте стены возникают в месте опирания надстройки на здание, и превышают расчетное
сопротивление растяжению кладки из крупных блоков. В случае установки РМО в исследуемом фрагменте растягивающие напряжения не возникают. При 1 варианте установки РМО наблюдается значительная концентрация сжимающих напряжений в месте опирания стены на РМО и в месте опирания надстройки на здание. При
2 варианте установки РМО напряжения в стене распределяются более равномерно, концентрация сжимающих напряжений, не превышающих
расчетное сопротивление сжатию кладки из крупных блоков, наблюдается только в месте опирания надстройки на здание.
1500
-1000
* Здание —И— Здание с надстройкой —А— РМО вариант ^ РМО вариант 2 |
Рис. 11- Нормальные напряжения в наружной несущей стене реконструируемого здания
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Реконструкция зданий средней этажности может вестись с применением как надстроек на самостоятельных опорах, так и надстроек, опирающихся на существующие конструкции реконструируемого здания. Выбор метода зависит от целей и задач реконструкции и технического состояния несущих конструкций существующего здания.
2. Обеспечение заданного уровня сейсмостойкости зданий средней этажности в процессе реконструкции требуют дополнительных технических мероприятий, которые зависят от выбранного метода реконструкции.
3. С введением включающихся связей деформативность надстроек на самостоятельных опорах снижается, что повышает способность к затуханию колебаний и повышению сейсмостойкости. Упругоподатливые связи способствуют перераспределению жесткостей в верхней и нижней части надстройки непосредственно в процессе колебания. Дальнейшие исследования планируется проводить в следующих направлениях: определение динамических характеристик надстроек с дополнительными связями различной жесткости; определение оптимального количества дополнительных связей и места их расположения; изучение изменения динамических характеристик надстроек со связями, включающимися в процессе их колебаний.
4. Эффективным способом обеспечения заданного уровня сейсмостойкости зданий, реконструируемых методом надстройки на существующие конструкции, является установка резинометаллических сейсмоизолирующих опор в
месте опирания надстройки на здание. Такой способ позволяет изменить динамические характеристики реконструируемого здания, уменьшить
инерционные силы в уровне перекрытий, снизить концентрацию напряжений в несущих стенах и, кроме этого является более простым и менее трудоемким по сравнению со способами известными ранее.
Список литературы
1. Жербин, М.М Новая концепция модернизации и надстройки существующих малоэтажных жилых зданий до любого количества этажей / М.М. Жербин, В.И. Большаков // Вктник ПДАБА. - 1998. - №2,- С. 50-51.
2. Поляков, В.С. Современные методы сейсмозащиты / В.С Поляков, Я.М. Килимник, А.В. Черкашин. - М.: Стройиздат, 1989. - 229 с.
3. Морозова, Е.В. Исследование работы системы «здание- надстройка» при сейсмических воздействиях расчетной интенсивности / Е.В. Морозова // Зб1рник наукових праць Украшського науково-дослщного та проектного шституту сталевих конструкцш iменi В.М. Шимановського / тд загальною редакщею заслуженого дiяча науки i техшки Украши, д.т.н., професора О.В. Шимановського. - К.: Вид-во «Сталь», 2009. - Вип. 3.-С. 200-209
4. Акбиев, Р.Т. Технология сейсмоусиления объектов незавершенного строительства (на примере республики Алтай) / Р.Т. Акбиев, Ю.А. Сутырин, А.В. Вайдуров // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2006. -№3. - С. 37-41.
5. Смирнов, В.И. Сейсмоусиление государственного концертного зала в г. Грозном / В.И. Смирнов, Р.Т. Акбиев, М.Ж. Чубаков // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2009. -№3.- С. 55-62.
6. Айзенберг, Я.М. Эффективные системы сейсмоизоляции. Исследование проектирование, строительство / Я.М. Айзенберг, В.И. Смирнов, С.И. Бычков, Ю.А. Сутырин // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2002. -№1. - С. 31-37.
7. Ажермачов, Г.А. Сейсмостшка буд1вля, яка реконструюеться Е04Н 9/02 / Г.А. Ажермачов, О.В. Морозова // Патент на корисну модель №56415 от 10.01.2011 МПК(2011.01).
E.V. MOROZOVA V.V. MOROZOV
THE PERSPECTIVE DIRECTIONS OF RECONSTRUCTION OF AVERAGE-STOREYS BUILDINGS WITH ENSURING THE SET SEISMIC STABILITY LEVEL
Methods of reconstruction of average-storeys buildings are analyzed. Ways of ensuring the set level of seismic stability of these buildings at reconstruction are considered. Reconstruction of average-storeys buildings with application of superstructures on independent support with metallic frame is the perspective direction, especially for seismically active areas. Results of researches of seismic stability of system "building -superstructure" with the additional joining communications are given. Assessment of seismic stability of the standard five-floor building with a superstructure is executed. It is proposes to provide seismic stability of the reconstructed building by installing rubber-metallic supports at the points of bearing ofthe superstructures on the existing building.
Keywords: reconstruction, seismic stability, superstructure, rubber-metallic support, joining communication.
