37Подходы к строительству в сейсмически активных зонах
Павленко Павел Владиславович
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительной механики, ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта» (МИИТ), [email protected]
Около 25% территории России относятся к категории сейсмоопасных. Сейсмические регионы включают более 1700 тыс. кв. км территории, а это примерно 10 % общей площади. В них проявляются землетрясения, имеющие интенсивность 6-9 баллов по 12-ти балльной шкале Б1М^-98, используемой в европейских странах. В большинстве случаев это курортные или туристические территории, которые расположены в приморских и горных районах страны. Как известно, такие зоны пользуются большим спросом среди застройщиков, поэтому имеют высокую стоимость и ограниченные размеры строительной площадки. Из-за этого возникает необходимость увеличивать количество этажей и искать максимально приемлемые конструктивные решения. С введением в действие новых норм проектирования «Строительство в сейсмических районах России» значительно расширились сейсмоопасные территории с общим увеличением их расчетной сейсмичности и произошло включение в сейсмоопасных 6-ти бальных территорий, поэтому возникла проблема обеспечения или повышения сейсмостойкости существующих зданий. Для сравнения и выбора рационального варианта расположения конструкций повышения сейсмостойкости зданий предложена упрощенная методика оценки общего эффекта от их устройства и на ее основе определен наиболее рациональный вариант для существующего исследуемого здания.
Ключевые слова: сейсмические зоны, исследование, переоборудование, строительство.
В сейсмоопасных регионах располагается большое количество жилого фонда. При этом особую группу составляют 4-5-этажные дома первых массовых серий и объектов незавершенного строительства жилищно-гражданского назначения, которые построены без учета антисейсмических мероприятий или по заниженным требованиям их сейсмостойкости.
Поэтому, в условиях острого дефицита земли городских территорий и ее подорожания, такие объекты представляют также интерес с точки зрения повышения их этажности при реконструкции.
Проектирование и строительство сейсмостойких зданий и сооружений обязательно при освоении новых территорий, где есть риск возникновения землетрясения. Тем не менее, большое количество объектов жилищного фонда в сейсмоопасных регионах не соответствуют действующим нормативам строительства и требованиям безопасности в связи с увеличением расчетной сейсмичности и физическим износом. Поэтому, как уже отмечалось, сегодня актуальной задачей для инженеров - строителей является реконструкция существующей застройки с целью минимизации риска разрушения зданий во время землетрясений.
Согласно [3], требования восстановления, усиления и реконструкции распространяются на здания и сооружения:
а) получившие повреждения во время землетрясения;
б) построены без соответствующих антисейсмических мер или при их недостаточности, а также в случаях изменения расчетной сейсмичности территории;
в) которые реконструируются.
Восстановление, усиление и реконструкция зданий или сооружений выполняется:
а) для переоборудования с целью частичного или полного изменения объемно-планировочного решения или функционального назначения;
б) для повышения сейсмостойкости или приведение в соответствие с требованиями действующих норм;
в) при повышении эксплуатационных нагрузок на несущие элементы здания или сооружения;
г) при окончании нормативного срока эксплуатации.
В настоящее время существуют традиционные и специальные методы повышения сейсмостойкости зданий [1-4]. Анализ мирового и отечественного опыта использования различных методов по повышению сейсмостойкости существующих зданий показал, что наиболее эффективными являются традиционные методы (устройство монолитных железобетонных поясов, диафрагм жесткости, железобетонных и металлических обойм, дополнительных связевыми конструкций и тому подобное).
Традиционные методы повышения сейсмостойкости зданий, по некоторым оценкам, могут быть не такими эффективными как специальные методы (активные и пассивные), однако традиционные методы сейсмозащиты зданий является более изученным, простым и технологическими при реконструкции существующих зданий.
Общим недостатком практически всех специальных методов защиты от колебаний является их недостаточное изучение и сложность прогнозирования поведения при действии сейсмических нагрузок. Многим специальным методам также характерны сложность при проектировании и высокие затраты на устройство.
Некоторые способы требуют дополнительных средств на их содержание. Большинство методов этой группы направлены на уменьшение сейсмических воздействий при новом строительстве на уровне фундамент-надземная конструкция, что резко снижает технологичность их использования при реконструкции существующих зданий.
Исходные данные для расчетов (размеры здания, высота этажей, сечения конструктивных элементов и характеристики материалов конструкций и их армирования) приняты на основе результатов инструментального обследования конструкций здания [5]. На момент обследования возведение здания не завершено. Выполнен монолитный железобетонный каркас, отдельные стены и перегородки, установлены фасадные системы. Сетка колонн каркаса нерегулярная (5,8 в поперечном направления; 8,0 и 4,0 м - в продольном).
Балки перекрытия расположены в поперечном и продольном направлениях здания. Пространственная жесткость обеспечивается монолитными железобетонными колоннами сечением 400х400 мм и ригелями сечением 400х360ф) мм совместно с дисками монолитного железобетонного перекрытия толщиной 160 мм. Класс бетона конструкций каркаса и перекрытия С16/20, армирование конструкций каркаса арматурой класса А400С, плита перекрытия, армированная арматурой А500С.
Фундаменты - монолитная железобетонная плита толщиной 1000 мм, армированная пространственными каркасами с рабочей арматурой в верхней зоне с 18 А400С, в нижней зоне с 16 А400С с шагом 200 х 200 мм, класс бетона с16 / 20.
При реконструкции предполагаемого здания предусматривается надстройка мансардного этажа с бассейном. По результатам проверочных расчетов [1] установлено, что основание и фундаменты имеют запасы прочности для восприятия дополнительной нагрузки от надстройки.
Сейсмичность площадки - 8 баллов, класс последствий отказа здания - СС2.
Исследовалось напряженно-деформированное состояние конструкций здания после его реконструкции для нормальных условий эксплуатации и при действии сейсмической нагрузки с учетом дополнительной нагрузки на конструкции каркаса от надстройки и на перекрытия от бассейна. Расчеты статических и динамических нагрузок выполнялись с использованием программного комплекса SCAD [4].
Расчетная модель здания представляет собой монолитный каркас, с размерами в плане 32 м и 11,6 м, четырьмя этажами высотой 3,3 м каждый с общей высотой здания 13,2 м.
Нагрузки и воздействия на конструкции здания принимались согласно норм [1], прочностные характеристики материалов принимались по результатам обследования здания, характеристическое значение веса строительных конструкций определялось по фактическим размерам и удельному весу материалов по результатам обследования здания. Расчеты выполнены с соблюдением требований норм [2, 3, 6].
Для анализа влияния реконструкции на напряженно-деформированное состояние конструкций существующего здания выполнены расчеты, в которых к исходной расчетной модели, прилагались усилия от веса бассейна и конструкций мансардного этажа.
Для расчетов на динамические нагрузки проанализировано 68 форм собственных колебаний каркаса здания с периодами колебаний 0,75 сек. - 0,072 сек. и выявлении наиболее влиятельны на напряженно деформированное состояние конструкций.
В результате анализа напряженно деформированного состояния конструкций здания сравнивались прогибы и перемещения элементов конструкций и здания в целом, напряжение и усилие в сечениях элементов получены при расчете на статические и динамические нагрузки с их предельными значениями допустимыми нормами проектирования [1].
Анализ полученных результатов показал, что: при статическом расчете:
- перемещение узлов рам находятся в пределах допустимых нормами значений, как для существующего здания, так и при ее надстройке;
- прогибы элементов перекрытия не превышают нормативные значения, как для существующего здания, так и при ее надстройке, за исключением перекрытия третьего этажа здания - прогибы на 18,5% больше допустимые нормами на участке действия дополнительной нагрузки от бассейна;
- усилия в сечениях колонн каркаса выше несущую способность сечений, фактическое армирование колонн существующего здания на 3% меньше расчетное значение, а при надстройки мансардного этажа с бассейном армирования на 33% меньше за расчетное значение; при динамическом расчете:
- пространственные деформации каркаса здания находятся в пределах допустимых значений, как для существующего здания, так и при ее надстройке;
- усилия в сечениях колонн каркаса выше несущую способность сечений, фактическое армирование колонн существующего здания на 63% меньше расчетное значение, а при надстройки мансардного этажа с бассейном - армирование на 72% меньше расчетное значение;
Полученные результаты анализа напряженно-деформированного состояния конструкций здания свидетельствуют о необходимости усиления колонн каркаса здания в местах дополнительной нагрузки от надстройки мансардного этажа и перекрытия третьего этажа на участке устройству бассейна с одновременным выполнением мероприятий по повышению сейсмостойкости здания в целом.
Повышение сейсмостойкости существующего здания
Распределение жесткостей в плане существующего здания носит нерегулярный характер. Для определения эффективного варианта повышения сейсмостойкости здания при его реконструкции исследовалось напряженно-деформированное состояние элементов каркаса на динамические нагрузки для нерегулярной и регулярной схем расположения колонн в плане здания.
Для сравнительного анализа эффективности повышения сейсмостойкости здания однотипными конструкциями (вязевыми панелями) исследовались расчетные модели (нерегулярная и регулярная схемы расположения колонн в плане здания) с различным вариантами расположения связевыми панелей, расположенных попарно на разных расстояниях от центра тяжести здания в продольном, поперечном или в обоих направлениях [2]
Повышение сейсмостойкости здания в целом обеспечивается установкой дополнительных элементов жесткости в продольном и поперечном направлениях одновременно, что усложняет задачу выбора рационального варианта размещения элементов повышения сейсмостойкости в плане здания, поскольку нужно учесть неравномерность распределения жесткостей сразу в двух направлениях одновременно.
Сейсмическое нагрузки рассматривается как сумма сейсмических действий в продольном и поперечном направлении здания, поэтому логично предположить, что эффект применения определенной комбинации размещения связевыми панелей в плане здания будет зависеть от эффективности их расположения для каждого отдельно взятого направления (упрощенный расчет) [3].
Для обоснования этой гипотезы на основе анализа результатов напряженно-деформированного состояния элементов каркаса с различными комбинациями расположения связевыми панелей в продольном и поперечном направлениях в плане здания (исследовано 10 вариантов) определен эффект от их устройства и выполнено сравнение с теоретическим значением эффекта. Найденный суммарный эффект соответствует среднему арифметическому эффектам в продольном и поперечном направлениях с максимальной абсолютной погрешностью относительно теоретического 16%.
Анализ эффекта вариантов размещения связевыми панелей в плане здания вдоль продольных осей для регулярной и нерегулярной конструктивных схем показывает, что для рассматриваемых вариантов наблюдается тенденция уменьшения эффективности от устройства связевыми панелей по мере удаления связевыми панелей от центра тяжести здания [4].
При этом разница эффекта между крайними положениями связевыми панелей для здания колонн значительно больше (в среднем 8,3%), чем для здания с нерегулярной схеме (в среднем 3%) за исключением варианта расположения связевыми панелей по крайним продольным осям на расстоянии 6 м от центра тяжести здания между осями 7-8 и 9-10). Снижение эффекта составляет 14,3%, при коэффициенте эффективности (-0,532), что обусловлено неравномерным распределением жесткостей в плане здания [3].
Размещение вязевых панелей вдоль поперечных осей здания, показывает снижение эффекта в зависимости от их количества в пределах одного шага колонн. В большинстве вариантов расположения связевыми панелей относительно центра тяжести здания, наблюдается характер увеличения эффекта с увеличением количества связей в поперечном сечении здания и его уменьшение по мере удаления связевыми панелей от центра тяжести здания.
Коэффициенты эффективности для одной, двух и трех пар связевыми панелей в поперечном направлении с увеличением расстояния от центра тяжести здания соответственно имеют значения: -0,720; -0,367; и -0,234 - для регулярной схемы и -0,059, -0,392, -0,087 - для нерегулярной схемы, что свидетельствует о снижении эффекта их устройства в поперечном сечении здания по мере удаления от центра тяжести здания (отрицательное значение).
Из этого следует, что при разработке проектов повышения сейсмостойкости существующих зданий необходимо стремиться к расположение дополнительных элементов жесткости ближе к центру тяжести здания и избегать их крайних положений и при возможности, принимать меры по улучшению регулярности конструктивной схемы [7].
Максимальная величина погрешности определения общего эффекта по упрощенной методике и по результатам расчетов модели здания при вариантах расположения связевыми панелей вдвоем направлениях одновременно, составляет 6,4%, что, возможно считать допустимым для использования предложенной методики сравнения и выбора вариантов повышения сейсмостойкости каркасных зданий из монолитного железобетона [6].
То есть, общий эффект устройства конструкций повышения сейсмостойкости зданий может быть определен по упрощенной методике как среднее арифметическое между эффектами от устройства дополнительных элементов жесткости отдельно в продольном и в поперечном направлениях осей здания.
Для выбранного в качестве объекта исследования, здания наиболее рациональным вариантом является вариант с расположением связевыми панелей в поперечном направлении на расстоянии 8 м от центра тяжести здания (оси 7 и 10) и на расстоянии 2 м (между осями 8 и 9) - в продольном направлении по крайним осям колонн каркаса. Общий эффект от их устройства имеет максимальное значение и составляет 132,3% [9].
Для повышения сейсмостойкости существующих зданий при их реконструкции наиболее изученным, простым и технологичными являются традиционные методы.
Для объекта исследования установлено, что по сравнению со статическим расчетом, при расчете на сейсмические нагрузки 63% колонн каркаса не соответствуют требованиям прочности для существующей каркаса и на 72% - при условии увеличения нагрузки при реконструкции [8].
Исследовано напряженно-деформированное состояние элементов каркаса здания для различных вариантов повышения сейсмостойкости здания путем устройства дополнительных связевыми панелей жесткости.
По результатам исследований выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния конструкций каркаса существующего здания при действии сейсмической нагрузки в зависимости от места расположения связевыми панелей жесткости в плане относительно центра тяжести здания, определено необходимое армирования конструкций каркаса для обеспечения нормативных требований сейсмозащиты здания и выполнен анализ эффективности вариантов в сравнении с исходной расчетной модели здания [10].
Анализ эффективности вариантов размещения связевыми панелей в плане здания показал, что при разработке проектов повышения сейсмостойкости существующих зданий необходимо стремиться к расположение дополнительных элементов жесткости ближе к центру тяжести здания и избегать их крайних положений и при возможности, принимать меры по улучшению регулярности конструктивной схемы [11].
Для сравнения и выбора рационального варианта расположения конструкций повышения сейсмостойкости зданий предложена упрощенная методика оценки общего эффекта от их устройства и на ее основе определен наиболее рациональный вариант для существующего исследуемого здания [12].
Целью дальнейших исследований является исследование и анализ напряженно-деформированного состояния конструкций многоэтажного жилого здания с различными конструктивными схемами при изменении сейсмической нагрузки и оценка влияния изменения сейсмичности площадки на конструктивные и экономические параметры мероприятий сейсмозащиту здания.
Литература
1. Арутюнян А.Р. Современные методы сейсмоизоляции зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. - 2010. - № 3. - С. 56-60.
2. Гончаренко Д.Ф. Возведение многоэтажных каркасно-монолитных зданий: монография // К.:Ф + С, 2013. - 128 с.
3. Джинчвелашвили Г.А. Перспективы развития систем сейсмоизоляции современных зданий и сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2009. - №6. - С.27-31.
4. Кахаров З.В., Хамроев А.Ю. Современные технологии свайного фундаменто-строения // Инновационные научные исследования. 2022. № 10(22). С. 32-39.
5. Копылов Н. П., Хасанов И. Р. Пожарная обстановка в городской застройке при землетрясениях // Технологии гражданской безопасности. 2018. Т. 15. № 1. С. 54-57.
6. Коршунов А.Н. Проектная «Универсальная система крупопанельного домостроения» для строительства в Москве. Панельные дома могут быть как социальным, так и элитным жильем // Жилищное строительство. 2017. № 5. С. 11-15.
7. Кривцов Ю. В., Бубис А. А., Ладыгина И. Р., Макаревич А. А. Пожарная безопасность зданий и сооружений при сейсмических событиях // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2017. № 3. С. 44-51.
8. Николаев С.В. Архитектурно-градостроительная система панельно-каркасного домостроения // Жилищное строительство. 2016. № 3. С.15-25.
9. Овсянников С.Н., Семенюк П.Н., Овсянников А.Н., Околичный В.Н. Объемно-планировочные, конструктивные и инженерные решения каркасной универсальной полносборной архитектурно-строительной системы // Жилищное строительство. 2017. № 6 . С. 11-19
10.Савин С.Ю., Федорова Н.В., Емельянов С.Г. Анализ живучести сборно-монолитных каркасов многоэтажных зданий из железобетонных панельно-рамных элементов при аварийных воздействиях, вызванных потерей устойчивости одной из колонн // Жилищное строительство. 2018. № 12. С.3-7.
11.Смирнов В.И. Сейсмоизоляция — современная антисейсмическая защита зданий в России. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2013. -№4. - С.44-46.
12.Тихонов И.Н., Блажко В.П., Тихонов Г.И., Казарян В.А., Краковский М.Б., Цыба О.О. Инновационные решения для эффективного армирования железобетонных конструкций // Жилищное строительство. 2018. № 8. С. 3-10.
Approaches to construction in seismically active zones Pavlenko P.V.
Russian University of Transport
About 25% of Russia's territory is classified as earthquake-prone. Seismic regions include more than 1,700 thousand square kilometers of territory, which is about 10% of the total area. They manifest earthquakes with an intensity of 6-9 points on the 12-point EMS-98 scale used in European countries. In most cases, these are resort or tourist areas that are located in the coastal and mountainous regions of the country. As you know, such zones are in great demand among developers, therefore they have a high cost and a limited size of the construction site. Because of this, there is a need to increase the number of floors and look for the most acceptable design solutions. With the introduction of the new design standards "Construction in seismic regions of Russia", earthquake-prone territories have significantly expanded with a general increase in their estimated seismicity and the inclusion of 6-point territories in earthquake-prone areas has occurred, therefore, the problem of ensuring or increasing the seismic resistance of existing buildings has arisen.
Keywords: seismic zones, research, conversion, construction. References
1. Arutyunyan A.R. Modern methods of seismic isolation of buildings and structures. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. - 2010. - No.
3. -S. 56-60.
2. Goncharenko D.F. Erection of multi-storey frame-monolithic buildings: monograph // K.: F + S, 2013. - 128 p.
3. Jinchvelashvili G.A. Prospects for the development of seismic isolation systems for modern buildings and structures // Seismic-
resistant construction. Building safety. - 2009. - No. 6. - P.27-31.
4. Kakharov Z.V., Khamroev A.Yu. Modern technologies of pile foundation construction // Innovative scientific research. 2022. No.
10(22). C. 32-39.
5. Kopylov N. P., Khasanov I. R. Fire situation in urban development during earthquakes // Civil Security Technologies. 2018. V.
15. No. 1. S. 54-57.
6. Korshunov A.N. Project "Universal system of large-panel housing construction" for construction in Moscow. Panel houses can
be both social and elite housing // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2017. No. 5. S. 11-15.
7. Krivtsov Yu. V., Bubis A. A., Ladygina I. R., Makarevich A. A. Fire safety of buildings and structures during seismic events.
Building safety. 2017. No. 3. S. 44-51.
8. Nikolaev S.V. Architectural and urban planning system of panel-frame housing construction // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2016.
No. 3. P.15-25.
9. Ovsyannikov S.N., Semenyuk P.N., Ovsyannikov A.N., Okolichny V.N. Space-planning, constructive and engineering solutions
for a frame universal prefabricated architectural and construction system // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2017. No. 6. pp. 11-19
10. Savin S.Yu., Fedorova N.V., Emelyanov S.G. Analysis of the survivability of prefabricated-monolithic frames of multi-storey buildings from reinforced concrete panel-frame elements under emergency impacts caused by the loss of stability of one of the columns // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2018. No. 12. P.3-7.
11. Smirnov V.I. Seismic isolation is a modern anti-seismic protection of buildings in Russia. // Seismic construction. Building safety.
- 2013. - No. 4. - C.44-46.
12. Tikhonov I.N., Blazhko V.P., Tikhonov G.I., Kazaryan V.A., Krakovsky M.B., Tsyba O.O. Innovative solutions for effective reinforcement of reinforced concrete structures // Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2018. No. 8. S. 3-10.
