CC BY
43--------- ЦПШЦЫПЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 69.03;534.074:624.139
Н.П. АБОВСКИЙ, д-р. техн. наук, В.И. ПАЛАГУШКИН, канд. техн. наук, М.В. ЛАПЕЕВ, студент (abnaum@yandex.ru), Институт градостроительства, управления и региональной экономики Сибирского федерального университета (Красноярск)
с» с» с»
Системный подход к сейсмоизоляции здании при сложных грунтовых условиях
Показано, что сейсмостойкость зданий при строительстве в сложных грунтовых условиях имеет ряд особенностей. Традиционные системы сейсмоизоляции применяются без связи со свойствами слабых грунтов и типом фундаментов и не учитывают этих особенностей. Предложены новые эффективные конструктивные решения, удовлетворяющие требованиям повышения сейсмостойкости и строительства в сложных грунтовых условиях.
Ключевые слова: сейсмоизоляция, сейсмостойкость, пространственная фундаментная платформа, скользящий слой.
Сейсмоизоляции как эффективному способу повышения сейсмобезопасности зданий уделяется все больше внимания. В последнее время обзору развития сейсмоизоляции посвящен ряд работ [1-3], в которых традиционно сейсмоизоляция рассматривается без должной связи с типом фундаментов и грунтовыми условиями. Проблема сейсмоизоляции зданий при строительстве в сложных грунтовых условиях имеет свою специфику и требует системного подхода, которому посвящена данная статья.
Традиционный подход в сейсмоизоляции основан, как правило, на размещении сейсмоизоляционных устройств различного типа выше фундамента.
Системы сейсмоизоляции [1-3] представляют собой средства снижения сейсмического воздействия на часть сооружения, расположенную выше фундамента, при этом сейсмоза-щита не рассматривается как элемент формообразования всей системы основание-здание-фундамент. Тем самым целостная система ослабляется, расчленяясь на части, хотя для обычных условий (при отсутствии сейсмики) такое расчленение не нужно и снижает эффективность конструкции. При таком традиционном подходе также не рассматриваются типы и устройства фундаментов, естественные свойства слабых грунтов; не учитываются и не используются слабые свойства грунтов, которые как правило, преодолеваются уплотнением, заменой грунта или устройством свайного поля.
Отметим, что анализ и оценка эффективности сейсмо-изолированных зданий, построенных в Японии [4], почему-то делаются без связи с типом фундаментов зданий и свойствами грунтов. В то же время для обеспечения эффективной работы сейсмоизоляции, установленной на фундаменте, требования к фундаменту должны быть такими, чтобы обеспечить эффективность работы сейсмоизоля-ции, т. е. колебания и смещения фундамента не должны создавать неблагоприятных условий для ее работы.
К традиционным типам сейсмоизоляции относятся ре-зинометаллические упругие элементы, скользящие пояса, кинематические опоры и др., устанавливаемые выше фундамента.
Сейсмоизолирующие устройства на шаровых и других качающихся опорах располагаются между двумя фундаментными плитами. При этом жесткость этих плит должна быть достаточно большая, так как происходит передача фактически сосредоточенных усилий. Эти условия усугубляются в случае слабых просадочных и других грунтовых условий. Таким образом, использование сейсмоизолирую-щих устройств такого типа при строительстве в сложных грунтовых условиях малоэффективно. Предпочтение надо отдать такому типу фундамента, который вмещал бы свойства сейсмоизоляции и в то же время обеспечивал работу на слабых грунтах. Примером такого конструктивного решения является пространственная фундаментная платформа на скользящем слое [5-11].
В 1993 г. была предложена схема классификации сейсмозащиты [12], но в ней, так же как в недавних обзорах современных способов сейсмоизоляции [1-3], даже не упоминаются способы внешней сейсмозащиты от сейсмических воздействий всей системы (фундамент + здание). Пренебрегать эффективным направлением развития способов внешней сейсмозащиты нельзя.
Несмотря на значительные успехи, традиционная сейсмозащита существенно удорожает строительство, достаточно сложна, защищает не от всех видов сейсмических воздействий (несимметричных, крутильных, вертикальных и т. д.) и часто не срабатывает при повторных сейсмических воздействиях.
Постановка вопроса о применении традиционной сейсмоизоляции для зданий на слабых грунтах содержит внутреннее противоречие. Действительно, традиционная сейсмоизоляция основана на ослаблении связей между фундаментом и верхним строением (путем установки, например, шаровых или качающихся опор между фундаментом и верхним строением), т. е. приводит к нарушению целостности и ослаблению системы «фундамент + верхнее строение». Строительство на слабых грунтах нуждается, наоборот, в сохранении и укреплении целостности системы с применением специальных фундаментов. К тому же
-----мшпшццдь
СТРОИТЕЛЬСТВО
сейсмические воздействия - это опасный, но временный фактор, а слабые грунты - это постоянное условие. В работах [1-3] сейсмоизоляция рассматривается без непосредственной связи с типом фундамента и грунтовыми условиями, что не соответствует системному подходу.
Системный подход позволяет преодолевать указанное противоречие, рассматривая сейсмоизоляцию (сейсмоза-щиту) как составную часть цельной системы «фундамент + верхнее строение». Совмещая функции и выбирая специальный тип фундамента, который объединяется с верхним строением в систему замкнутого многосвязного типа, а главное, выносит сейсмоизоляцию (сейсмозащиту) за пределы цельной системы без ее расчленения (ослабления), т. е. располагает ее, например, между фундаментом и основанием. Такое расположение сейсмозащиты в отличие от традиционной не пропускает сильные сейсмические воздействия внутрь системы, создавая пути ее обхода, например проскальзывание мощной сейсмической волны под фундаментной плитой. Отметим, что если пропускать сейсмическое воздействие внутрь системы (от фундамента к верхнему строению), то происходит передача усилий от одних элементов к другим и необходимо обеспечить прочность и надежность каждого из этих элементов. Целесообразнее не пропускать сейсмическое воздействие внутрь системы, сохраняя ее целостность. В качестве примера реализации данного подхода разработаны и запатентованы пространственные фундаментные платформы (ПФП) на скользящем слое, расположенном между ПФП и основанием, которые эффективны для сейсмостойкого строительства на слабых грунтах [5-11].
Недостатки традиционных подходов состоят главным образом не только в применении мероприятий, преодолевающих негативные свойства слабых грунтов, но и в использовании различных сейсмоизолирующих устройств, которые располагаются, как правило, выше фундамента, что приводит к некоторому нарушению целостности системы (фундамент + верхнее строение), т. е. к ее ослаблению.
Альтернативный системный подход состоит в применении конструкций, малочувствительных к негативным проявлениям слабых грунтов, причем снабженных защитными устройствами, которые снижают (полностью или частично) передачу сейсмических воздействий от грунта на фундамент и тем самым на всю систему в целом при сохранении и использовании естественных свойств слабых грунтов. Примером такого формообразования могут служить применение пространственных фундаментных платформ, расположенных на скользящем слое (между платформой и основанием), и создание зданий замкнутого типа, объединенных с такой фундаментной платформой в единую цельную многосвязную пространственную систему [5-11]. Такой подход устраняет традиционные ограничения на формообразование зданий в виде обязательной симметричности, протяженности, расположения масс, повышенной чувствительности к крутильным и несимметричным сейсмическим воздействиям и т. д. Мощная сейсмическая волна, преодолевая трение, проскальзывает под такой платформой. В этом случае происходит отделение здания не от фундамента, а от основания, которое служит источником сейсмического возбуждения.
Одним из примеров эффективных вариантов такого подхода является применение пространственных фундаментных платформ (ПФП) на скользящем слое, объединен-
ных с верхним строением в здание замкнутого типа. Скользящий слой под ПФП препятствует возникновению больших горизонтальных сейсмических воздействий за счет снижения тангенциальных (сдвиговых) связей между ПФП и основанием.
Устройство эффективно как при наличии, так и при отсутствии сейсмики, защищая от неравномерных деформаций грунтов и практически от полного спектра сейсмических воздействий и повторяемости. Относительная легкость и в то же время жесткость фундаментной платформы благодаря ее пространственной форме обеспечивают большую распределительную способность и малое давление на слабое основание, что позволяет использовать его естественные, хоть и слабые несущие свойства.
Нетрадиционное защитное устройство является неотъемлемым элементом системы «здание + фундамент», которая конструируется как пространственное многосвязное здание замкнутого типа.
Отметим, что это положение (гипотеза) имеет исторические корни и получило поддержку в статье С.Б. Смирнова [13]: «Для защиты сдвиговых импульсов необходимо исключить горизонтальные удары грунта по фундаментам. Для этого здание надо поставить на мощную фундаментную плиту, лежащую поверх грунта на сваях, которые препятствуют ее вдавливанию в грунт. При этом здание должно быть устойчивым к опрокидыванию за счет ограниченной высоты и достаточно большой ширины и длины».
Следует отметить, что разработанные пространственные фундаментные платформы благодаря большой жесткости обладают большой распределительной способностью и оказывают малое давление на основание даже при строительстве на слабых грунтах. ПФП малочувствительны к неравномерным деформациям грунтов, включая локальные просадки. Опыт исследования и проектирования ПФП показал, что использования свай под ПФП не требуется. Мощная сейсмическая волна проскальзывает под ПФП на скользящем слое. Опасность несимметричных крутильных и других сейсмических воздействий снижена. Устойчивость здания может быть обеспечена за счет размеров пространственных фундаментальных платформ.
Следует отметить, что пренебрежение типом фундамента при традиционном подходе является наследием действующего СНиП-11-7-81* «Строительство в сейсмических районах» и обсуждаемого его нового проекта, а также спектрального метода расчета. В действительности поведение фундамента во многом определяет сейсмостойкость верхнего строения. Например, здание на ленточных фундаментах ведет себя не так, как здание на сплошной фундаментной платформе, особенно при несимметричных сейсмических воздействиях. Такая фундаментная платформа может не только укрепить целостность верхнего строения, но и укрепить слабый грунт, например с помощью «стены в грунте», присоединенной к платформе [5]. Целесообразно фундаментную платформу делать не толстой и тяжелой, а благодаря пространственному формообразованию, например из двух слоев, скрепленных перекрестной системой ребер, более легкой, но достаточно жесткой [5-11].
Действующие нормативы категорически ограничивают возможность сейсмического строительства в сложных грунтовых условиях. Однако три четверти территории страны характеризуются сложными грунтовыми условиями. Но-
44
7'2010
--------- ЦПШЦЫПЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
вый подход позволяет расширить область возможностей
сейсмостойкого строительства и его эффективность.
Список литературы
1. Фахриддинов В.А., Кондратьев А.Т., Кулдашев У.Ф. Развитие систем активной сейсмозащиты зданий и сооружений // Жилищное строительство. 2009. № 8. С. 36-39.
2. Смирнов В.И. Предложения по системам с сейсмоизо-ляцией для включения в нормы проектирования // Сейсмостойкое строительство Безопасность сооружений. 2008. № 2. С. 14-16.
3. Джинчвелашвили А.В., Колесников В.Б. Заалишви-ли И.С., Годустов Г.Я. Перспективы развития систем сейсмоизоляции современных зданий и сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2009. № 6. С. 27-32.
4. Смирнов С.Б. Анализ надежности сейсмоизолирован-ных зданий при разрушительных землетрясениях в Японии // Жилищное строительство. 2009. № 5. С. 24-32.
5. Пат. 64650 РФ. Пространственная фундаментная платформа под здания и сооружения для строительства на слабых, просадочных грунтах и в сейсмических зонах / Абовский Н.П., Андреев Н.П., Сиделов В.А., Сапка-лов В.И. Опубл. 10.07.2007. Бюл. № 19.
6. Пат. 2273697 РФ. Пространственная фундаментная платформа, объединенная с резервуаром в замкнутую систему, для строительства на слабых вечномерзлых, пучинис-тых грунтах и в сейсмических зонах (варианты) / Абов-ский Н.П., Абовская С.Н., Поповский Б.В., Майстрен-ко Г.Ф., Сапкалов В.И. 0публ.10.04.2006. Бюл. № 10.
7. Пат. 45410 РФ. Монолитная пространственная фундаментная платформа / Абовский Н.П., Сиделев В.А., Сап-калов В.И. Опубл. 8.10.2005. Бюл. № 34.
8. Пат. 64650 РФ. Пространственная фундаментная платформа под здания и сооружения для строительства на слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах / Абовский Н.П., Андреев Н.П., Сиде-лев В.А., Сапкалов В.И. Опубл. 10.07.07. Бюл. № 19.
9. Пат. 2374394 РФ. Пространственная фундаментная платформа на скользящем слое / Абовский Н.П., Максимова О.М., МарчукН.И. Опубл. 27.11.2009. Бюл. № 33.
10. Пат. 69094 РФ. Пространственная железобетонная платформа в сборном и сборно-монолитном вариантах под малоэтажное строительство в сложных грунтовых условиях и сейсмики / Абовский Н.П., Сиделев В.А., Желтов В.И., Сапкалов В.И., Корнеевец Е.С., Мутови-на Е.А. Опубл.12.12.2007. Бюл. № 34.
11. Пат. 38789 РФ. Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности / Абовский Н.П., Абовская С.Н., Матю-шенко В.А., Сапкалов В.И., Морозов С.В., Пишути-на Г.В., Темерова А.С. Опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19.
12. Уздин А.М., Сандович Т.А., Аль-Насед-Мохомад Самих Амин. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. СПб: Изд-во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1993. С. 176.
13. Смирнов С.Б. Сейсмический срез здания - результат отдачи толщи грунта, сдвигаемой глубинными сейсмическими волнами // Жилищное строительство. 2009. № 9. С. 32-34.
