CC BY
18Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Underground construction
УДК 699.841
Т.А. БЕЛАШ, д-р техн. наук, Д.А. СЕРГЕЕВ, инженер (iamfrookt@gmail.com)
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9)
Реализация принципа сейсмоизоляции в зданиях на вечномерзлых грунтах
В статье рассматриваются способы строительства сейсмостойких зданий в условиях вечной мерзлоты. Одним из способов является устройство высокого свайного ростверка в качестве известного принципа сейсмоизоляции. Произведен расчетный анализ возможности использования высокого свайного ростверка как сейсмоизоляции здания. При высокой сейсмичности площадки строительства требуется ввод дополнительного демпфирования в систему сейсмоизоляции. Приведены авторские предложения конструкций сейсмостойких фундаментов на основе высокого свайного ростверка.
Ключевые слова: сейсмостойкость, вечная мерзлота, высокий свайный ростверк, демпфирование.
T.A. BELASH, Doctor of Sciences (Engineering), D.A. SERGEEV, Engineer(iamfrookt@gmailxom) Saint Petersburg State Transport University of the Emperor Alexander I (9 Moscovsky Avenue, 190031, St. Petersburg, Russian Federation)
Implementation of Principle of Seismic Isolation in Buildings on Permafrost Soils
Methods for construction of earthquake resistance buildings under the conditions of permafrost are considered in the article. A high pilework is one of widespread seismic isolation methods used today. The high seismicity of the construction site requires additional damping of the seismic isolation system. The author's designs of earthquake resistant foundations on the basis of overground pilework are presented.
Keywords: earthquake resistance, permafrost, high pilework, damping.
Наиболее сложными вопросами при возведении строительных объектов различного назначения являются сочетание особых условий строительства, например наличие вечной мерзлоты, высокой сейсмической активности, низких температур и т. п. Обеспечение надежности зданий и сооружений в таких условиях представляет собой сложную инженерную задачу, решение которой может осуществляться с использованием тех или иных подходов. В настоящее время накоплен определенный опыт и знания в решении этих проблем.
Впервые с этими вопросами пришлось столкнуться строителям при возведении Байкало-Амурской магистрали. Для этого региона разработаны специальные нормативные документы, в которых были даны рекомендации по выбору объемно-планировочных и конструктивных решений зданий с учетом особенностей проявления вечной мерзлоты во время сейсмических воздействий (Рекомендации по объемно-планировочным и конструктивным решениям зданий транспортного назначения в условиях вечномерзлых грунтов и сейсмики на БАМе. ВНИИ транспортного строительства. М.: ЦНИИС, 1975. 44 с.; Рекомендации по проектированию и устройству ленточных и столбчатых фундаментов зданий транспортного назначения в условиях веч-номерзлых грунтов и сейсмики. ВНИИ транспортного строительства. Москва: ЦНИИСМинтрансстроя, 1975. 63 с.). Согласно принятым рекомендациям в условиях совместного проявления вечной мерзлоты и сейсмики использование вечномерзлых грунтов в качестве основания зданий может осуществляться:
- по принципу I - грунты основания используют в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации здания;
1-2'2016 ^^^^^^^^^^^^^
- по принципу II - грунты основания используют в оттаивающем и оттаявшем состоянии.
Выбор принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий рекомендуется производить в соответствии с существующими нормативными требованиями и при соответствующем технико-экономическом обосновании. Согласно действующим нормативным документам для сейсмических районов с расчетной сейсмичностью 7, 8, 9 баллов следует предусматривать использование вечномерзлых грунтов в качестве основания, как правило, по принципу I - этот принцип, согласно настоящей нормативной документации «СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88», «СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП N-7-81*», является наиболее предпочтительным, так как его применение приводит к снижению сейсмичности площадки (Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах. НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1980. С. 303).
При строительстве зданий на вечномерзлых грунтах, используемых по принципу I, конструкции фундаментов могут быть решены различным способом, например из отдельных стоек: столбчатые, рамные, свайные и т. д. Возможно также применение ленточных фундаментов. Анализ существующих конструкций фундаментов показывает, что именно использование отдельных стоек дает возможность реализации известного в сейсмостойком строительстве принципа сейсмоизоляции, который заключается в том, что путем введения элементов повышенной податливости между основа- 47
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
>
Длина сваи, м
5
Рис. 1. Графики зависимости коэффициента армирования и периода колебаний здания от длины сваи при расчетной сейсмичности 7баллов без дополнительного демпфирования
■е-■е-
1,6 1,5 1,4
1,2
1
0,8 0,6 0,4 0,2
5
6
7
8 9
10 11 12
А
Ж
-
-, J /
/
/
8 Длина сваи, м
\
\
ч
N ч
N
Рис. 2. Графики зависимости коэффициента армирования и периода колебаний здания от длины сваи при расчетной сейсмичности 8 баллов без дополнительного демпфирования
2
нием и надземными частями здания в процессе сейсмических колебаний происходит отстройка частот колебаний здания от преобладающих частот воздействия, вследствие чего происходит снижение механической энергии колебаний. Сейсмоизоляция может быть выполнена стационарной или адаптивной, примеры ее реализации представлены в различной литературе, например для районов вечной мерзлоты и сейсмики в [1-2].
Среди существующих решений по реализации «гибкой» нижней части, используемой для реализации эффекта амортизации горизонтального сейсмического воздействия в зданиях на вечномерзлых грунтах по принципу I, конструкция свайного фундамента является наиболее предпочтительной, так как она позволяет одновременно решить вопросы, связанные как с необходимой несущей способностью, так и с обеспечением его достаточной податливости.
Для оценки возможности использования свайного фундамента с высоким свайным ростверком в качестве сейс-моизоляции произведены различные расчетные исследования, некоторые результаты которых представлены ниже.
Исследование выполнялось на примере крупнопанельного здания с жесткой конструктивной системой, которое возводится в районах вечной мерзлоты по принципу I - сохранением мерзлоты. Фундамент представлен в виде свай с высоким ростверком. Элементы свайного фундамента рассматриваются в качестве элементов податливой связи между основанием и надземной частью здания, что позволяет реализовать принципы сейсмоизоляции. Известно, что согласно рекомендациям эффективность сейсмо-изоляции может быть достигнута только при настройке сейсмоизоляции, соответствующей периоду собственных колебаний здания на податливых опорах, равной Т = 1,5-2 с. В
Длина сваи, м
4
Рис. 3. Графики зависимости коэффициента армирования и периода колебаний здания от длины сваи при расчетной сейсмичности 8 баллов с дополнительным демпфированием
расчетном исследовании рассматривалась задача о длине свободной части сваи и конструктивном ее исполнении, что-
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
бы добиться необходимого эффекта сейсмоизоляции, в результате которого можно снизить определенный уровень сейсмических нагрузок на здание. При этом расчетная длина свай варьировалась от 2,5 до
8 м. Исследование выполнялось на примере типовых конструкций железобетонных свай прямоугольного сечения с размерами 40x40 см, с армированием А500, класс бетона принимался В40. Расчетная схема была принята в виде одномассной системы. При этом движение здания рассматривалось как жесткое целое на податливых опорах с шарнирным закреплением в верхней части и жесткой заделкой в нижней части. Масса здания, приходящаяся на одну сваю, составила 45 т. В материале свай рассеивание энергии принималось 3,5% от критического. Расчетное исследование выполнялось по спектральной методике при расчетной сейсмичности 7, 8,
9 баллов. При этом расчеты выполнялось как без дополнительного демпфирования, так и с ведением параллельно с сейсмои-золирующими элементами (сваями) дополнительных энергопоглощающих элементов. Учет демпфирования осуществляется путем введения в расчеты коэффициента затухания K^ = 0,7. Такое демпфирование обеспечивают различные энергопоглоща-ющие устройства, например гистерезис-ного типа. Некоторые результаты расчета представлены на рис. 1-3.
С учетом выполненных расчетных исследований авторами разработаны предложения по реализации принципа сейсмоизоляции, где использована конструкция свайного фундамента с высоким ростверком (рис. 4-5), с введением элементов дополнительного демпфирования [3-4].
Конструкция фундамента на рис. 4 включает ростверк 1, сваи 2, оболочку 3, установленную в грунт и выступающую над поверхностью грунта, упругий ограничитель 4, помещенный в оболочку. Свая установлена относительно упругого ограничителя и оболочки с зазором 5; на поверхности грунта установлен пригруз, выполненный из железобетонной плиты 6 на песчано-гравийной подушке 7. При слабых землетрясениях, когда ускорение основания не превосходит расчетного предела, определяемого предельным сопротивлением сыпучего слоя, здание воспринимает инерционные нагрузки по обычной схеме. При этом в работе системы защиты сваи почти не участвуют, поскольку инерционные нагрузки воспринимаются плитой на сыпучей подушке. Как только ускорение основания превосходит заданный предел, происходит сдвиг плит по сыпучему материалу и в работу вступают сваи, играющие роль сейс-моизоляции. Плита, двигаясь в песчано-гравийной среде, обеспечивает необходимый уровень поглощения энергии, а за счет гибкости свайного фундамента с наружной обо-
Рис. 4. Сейсмостойкий свайный фундамент (вариант 1)
3
1 I
10
1
3 7
Рис. 5. Сейсмостойкий свайный фундамент (вариант 2)
лочкой удается существенно добиться снижения инерционных нагрузок на здание.
В другой конструкции свайного фундамента, представленной на рис. 5 и состоящей из верхней 1 и нижней 2 плит, свай 3, для повышения эффективности гашения сейсмических колебаний вводится массивный блок 4, установленный на сыпучий материал 5, который размещен в углублении нижней плиты 2. Верхняя плита 1 выполнена с прямоугольным углублением 6. Нижняя плита 2 выполнена в виде стакана и установлена на слое фрикционного материала из песчано-гравийной смеси 7, расположенной на грунтовом основании. Массивный блок 4 выполнен в виде цилиндра со ступенчатым увеличением диаметра в верхней части и с прямоугольным углублением 8, расположенным сим-
1-2'2016
49
5
2
3
2
9
8
6
4
5
2
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
метрично относительно углубления 6 в верхней плите 1. В углубление 8 устанавливается подпружиненный упор 9, а массивный блок 4 соединяется с верхней плитой 1 с помощью шарнирных связей 10.
При сейсмическом воздействии за счет гибкости свай 3 происходит перемещение верхней плиты 1; перемещения передаются через шарнирные связи 11 массивному блоку 4. Массивный блок 4, перемещаясь по основанию из фрикционного материала 5, создает трущуюся пару, которая за счет сил сухого трения приводит к гашению колебаний.
При увеличении амплитуды колебаний верхней плиты 1 и достижения ею определенного значения массивный блок 4 начинает упираться в стенки нижней плиты 2, выполненной в виде стакана, за счет этого нижняя плита 2 начинает перемещаться по слою фрикционного материала 7, создавая вторую трущуюся пару. Такое решение позволяет существенно повысить эффективность гашения сейсмических колебаний.
Регулировка сил сухого трения происходит за счет подбора параметров фрикционного материала, а также с помощью установленного в углублении 6 в верхней плите 1 подпружиненного упора 10, который прижимает массивный блок 4 к нижней плите 2.
На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Использование свайного фундамента с высоким свайным ростверком в качестве элементов сейсмоизоля-ции является вполне возможным вариантом сейсмозащи-ты, но это решение зависит от конструкции и длины свободной части свай, а также от сейсмичности площадки строительства.
2. При сейсмичности 7 баллов использование свай с высоким свайным ростверком в качестве элементов податливой связи может осуществляться с использованием типовых железобетонных свай, например размером 40x40 и с длиной свободной части от 6,7 до 8 м, без дополнительного демпфирования, с коэффициентом армирования от 3,4 до 4,2%.
3. При сейсмичности 8 и 9 баллов использование типовых свай в обычном их исполнении, без введения в систему сейсмозащиты дополнительного демпфирования становится невозможным (на рис. 2 зона допустимых процентов армирования резко ограничена при возможной длине свай около 2 м).
4. Введение в систему защиты дополнительно к свайному фундаменту с высоким ростверком демпфирующих элементов, выполненных, например, по предложениям авторов, является наиболее предпочтительным, при этом длина свай колеблется от 6,6 до 8 м с коэффициентом армирования в пределах допустимых значений (менее 6%). Возможно также другое конструктивное исполнение свай, например замена железобетонных свай на трубчатые.
Список литературы
1. Белаш Т.А., Уздин А.М. Железнодорожные здания для
районов с особыми природно-климатическими условиями и техногенными воздействиями. 2007. М.: ГОУ УМЦ
ЖДТ. 372 с.
2. Харитонов В.А. Сейсмостойкое строительство на вечно-
мерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1980. 80 с. 3. Пат. 702958 СССР, МПК E 02 D 5/22. Свайный фундамент для зданий, сооружений, возводимых на вечно-мерзлых грунтах / Уздин А.М., Савинов О.А., Сахарова В.В., Сандович Т.А. Заявл. 01.08.77. 7. Патент на полезную модель № 143428 МПК Е 04 Н 9/02, Е 02 D 27/34. Фундамент сейсмостойкого здания / Белаш Т.А., Нудьга И.Б., Сергеев Д.А. Заявл. 10.02.2014. Опубл. 20.072014. Бюл. № 20.
References
1. Belash T.A., Uzdin A.M. Railway buildings for areas with special climatic conditions and technogenic influences [Zheleznodorozhnye zdaniya dlya raionov s osobymi prirodno-klimaticheskimi usloviyami i tekhnogennymi vozdeistviyami]. 2007. М.: GOU UMC GDT. 372 p. (In Russian).
2. Kharitonov V.A. Aseismic construction on permafrost soil [Seismostoikoe stroitel'stvo na vechnomerzlykh gruntakh]. M.: Stroyizdat. 1980. 80 p. (In Russian).
3. Patent USSR 702958. Svainyi fundament dlya zdanii, sooruzhenii, vozvodimykh na vechnomerzlykh gruntakh [The pile base for the buildings, constructions built on permafrost soil]. Uzdin A.M., Savinov O.A., Sakharova V.V., Sandovich T.A. Declared 01.08.1977. (In Russian).
4. Patent RF 143428. Fundament seismostoikogo zdaniya. [Base of the aseismic building]. Belash T.A., Nud'ga I.B., Sergeev D.A. Declared 10.02.14. Published 20.072014. Bulletin № 20. (In Russian).
CrHUIkrit CTA1 L УЧАС.1 НИЦйМ Bf£ lABKrli
•Alrtft'dl ■ _|| I RTl IWfM^AM Ы |'«lf"iAni U ."*■*'т нм ■■■■■ III т ■ ["■" nj
