CC BY
49
УДК 699.841
Т. А. Белаш, И. Б. Нудьга, А. Д. Яковлев
ЦУНАМИЗАЩИТА ЗДАНИЙ В СЕЙСМООПАСНЫХ РАЙОНАХ
Дата поступления: 30.08.2018 Решение о публикации: 17.10.2018
Аннотация
Цель: Выбрать наиболее оптимальный с точки зрения надежности, экономичности и простоты реализации подход по повышению цунамизащиты зданий, а также предложить новое средство цунамизащиты и определить область его применимости. Методы: Были проанализированы существующие подходы по защите зданий от волн цунами, а также обобщены рекомендации по цу-намистойкому строительству. Результаты: Исходя из мирового опыта и рекомендаций по цу-намистойкому строительству, наиболее простым средством защиты зданий от цунами является организация свободного пространства под самим зданием. Также описан вариант цунамизащиты зданий, в котором малоэтажные здания располагаются на автомобильной эстакаде, за счет чего и создается свободное пространство под зданием. Выполненные расчетные исследования предложенного варианта показали возможность его использования в условиях 9-балльной сейсмической активности и при волнах цунами до 11 м. Практическая значимость: Строительство зданий на автомобильной эстакаде снизит число жертв при сильных цунами.
Ключевые слова: Цунами, цунамистойкость, цунамизащита, здания, автомобильная эстакада.
Tat'iana A. Belash, D. Eng. Sci., professor, department chair, belashta@mail.ru; Igor' B. Nud'ga, Cand. Eng. Sci., nudga.igor@mail.ru; * Anton D. Iakovlev, postgraduate student, anton.yakovlev.94@ mail.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) TSUNAMI PROTECTION OF BUILDINGS IN EARTHQUAKE-PRONE AREAS
Summary
Objective: To select the best possible approach to increasing tsunami protection of buildings from the point of view of safety, economic efficiency, and simplicity of implementation, as well as propose a new means of tsunami protection and determine the potential sphere of its application. Methods: Existing approaches to protection of buildings from tsunami waves were analysed, and recommendations concerning tsunami-resistant construction methods were summarized. Results: International experience and recommendations on tsunami-resistant construction methods suggest that the simplest method for protection of buildings from tsunami is organisation of empty space underneath the building itself. Additionally, a method of tsunami protection is described, in which low-rise buildings are placed on top of a motorway flyover which creates free space underneath. Calculated analysis of this proposed option indicated that it would be usable under conditions of earthquake activity with magnitude of up to nine and tsunami waves of up to 11 metres in height. Practical importance: Construction of buildings on top of a motorway flyover will reduce the number of victims of strong tsunamis.
Keywords: Tsunami, tsunami resistance, tsunami protection, buildings, motor flyover.
Значительная часть территории Российской Федерации подвержена различным опасным стихийным бедствиям - землетрясениям, наводнениям, оползням, цунами и др. В этих
районах проживают тысячи людей, ведется активное промышленное и гражданское строительство. Поэтому обеспечение безопасности проживания на таких территориях и обеспече-
ние безаварийной работы объектов различного назначения представляет сложную инженерную задачу.
Ситуация значительно осложняется, если территории подвержены не только действию одного какого-то воздействия, но и сопровождаются сопутствующими разрушительными явлениями и оказывают глубокое психологическое и социально-экономическое влияние на людей. К таким воздействиям относятся цунами в сейсмоопасных районах страны.
Настоящая статья посвящена поиску надежных и экономичных решений, которые могли бы успешно обеспечить достаточную цу-намизащиту зданий в сейсмоопасных районах.
На первом этапе был выполнен анализ существующих решений, предлагаемых для обеспечения цунамизащиты зданий. В практике цунамизащиты сложились следующие подходы:
• устройство берегозащитных сооружений;
• строительство цунамистойких зданий.
Самым распространенным средством защиты побережья от волн цунами являются берегозащитные мероприятия. Многие исследователи [1-5] к таким мероприятиям относят посадку деревьев вдоль берега, строительство земляного вала или специальных берегозащитных сооружений типа стен, волноломов, молов и дамб. Причем тип и размеры берегозащитного сооружения должны напрямую зависеть от цунамирайонирования территории. Так, Ю. Л. Воробьев [1] и сотрудники «Камчатского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» [3] счи-
тают, что при слабых цунами можно использовать посадки леса на берегах, по возможности рекомендуется сажать сосны.
Данное решение наиболее простое и при этом достаточно эффективное, так как при прохождении волны сквозь лесопосадку происходит гашение ее энергии, задерживаются плавающие в воде обломки, а также уменьшается дальность затопления территории. Однако при сильных волнах лесопосадки малоэффективны, а в некоторых случаях даже опасны, так как волны цунами, обладающие большой энергией, способны сломать деревья, а получившиеся обломки бывшего берегозащитного сооружения нанесут дополнительный урон. По такой же причине не рекомендуется возводить волноломы или дамбы из свободно-лежащего камня, который также «выбивается» сильной волной.
В районах с возможным возникновением сильных цунами могут быть использованы неразмываемые берегозащитные сооружения (рис. 1) [1]. Они должны иметь достаточно большую высоту, чтобы исключить переливание волны цунами через сооружение, а также требуют значительных материальных затрат на устройство прочной стенки, которая необходима, для того чтобы исключить разрушение сооружения в результате удара волны и приносимого ею мусора, обломков, водных судов и т. д.
Существуют различные предложения по повышению цунамизащиты. К ним относится цунамигаситель, разработанный Н. В. Ясако-вым [6] и представленный на рис. 2. Нижний поток волны цунами разгоняется с помощью
Рис. 1. Профиль берегозащитного сооружения
дифлекторов (например, пакета труб), после чего разворачивается навстречу основному верхнему потоку. В результате столкновения двух потоков происходит гашение энергии волны цунами, вследствие чего уменьшаются ее скорость и амплитуда.
Для получения необходимой эффективности от использования данного метода следует установить предлагаемую конструкцию вдоль всей длины защищаемого побережья, что, по-видимому, трудно осуществимо, так как нужна ровная поверхность на определенной глубине. Также подобного рода подводные сооружения могут стать препятствиями для судов.
В работах Ю. Л. Воробьева [1], Т. К. Зло-бина [5], Дж. Гира и Х. Шаха [7] приведены некоторые рекомендации по строительству зданий в цунамиопасных районах, среди которых главной рекомендацией является обеспечение прочности здания при действии ударной нагрузки от волны цунами. Само здание по возможности следует располагать перпендикулярно береговой линии, в этом случае площадь, подверженная удару, меньше, а прочность здания выше. Для уменьшения площади воздействия цунами также рекомендуется делать нижний этаж более «открытым», позволяя волне проходить здание насквозь. Фундамен-
ты и основание здания следует проектировать с защитой от просадки в результате насыщения грунта водой, а ключевые элементы инфраструктуры здания (аварийные генераторы, лифтовые моторные отсеки и др.) располагать на незатапливаемых этажах.
Идея свободного первого этажа широко распространена в цунамиопасных регионах. Она заключается в строительстве здания, имеющего высокий нежилой первый этаж, на котором располагается автомобильная парковка с лестнично-лифтовым узлом. При таком исполнении волна цунами пройдет через первый этаж «насквозь», не задевая вышележащие жилые этажи. В данном случае волна цунами оказывает давление не на все здание, а только на колонны первого этажа. Общий вид и план первого этажа такого здания представлены на рис. 3.
Эта же идея получила развитие в других решениях. Например, А. Д. Елисеев [8] и В. М. Соболев [9] предложили варианты защиты зданий от подтопления, однако они могут быть использованы и в качестве цуна-мистойкого здания только в районах с низкой цунамиопасностью. Оба решения объединяет одна идея: здание изначально находится близко к земле, но в случае подтопления территории (или возможного возникновения цунами)
Рис. 2. Подводный цунамигаситель
места
Рис. 3. Общий вид (а) и план первого этажа (б) здания с открытым первым этажом
оно приподнимается с помощью различных механизмов (рис. 4).
Следует заметить, что такие здания требуется устанавливать на достаточной высоте либо в районах с невысокой цунамиопасно-стью, так как максимальная безопасная высота волны равна высоте нижнего этажа.
Еще одно решение, которое может быть применимо в цунамиопасных районах, было предложено С. И. Рубинштейном [10]. Оно представляет собой конструкцию поселения, расположенного на полых железобетонных сваях, внутри которых размещены элементы транспортной инфраструктуры вертикального перемещения и коммуникационные системы. Эти сваи одной частью встроены в земную поверхность или в несущий слой дна водной поверхности и другой частью возвышаются
над уровнем земной или водной поверхности, в результате чего образуется пространство между такими поверхностями и нижним уровнем зданий. Технический результат данного решения заключается в увеличении плотности застройки при сохранении природного ландшафта под этой застройкой. Свободное пространство под зданиями способствует повышению цунамистойкости зданий. Вид представленного решения иллюстрирует рис. 5.
По-видимому, для его реализации потребуются значительные материальные затраты.
Идея приподнять здания над уровнем земли была использована и японским архитектором Киитиро Сако, который после сильного землетрясения и цунами в Японии 11 марта 2011 г. предложил свой проект обеспечения безопас-
Рис. 5. Конструкция поселения, приподнятого над уровнем поверхности
ности населения «Tohoku Sky Village» [11]. Общий вид проекта представлен на рис. 6.
Как из него видно, проект представляет собой небольшое поселение со всей необходимой инфраструктурой. Все поселение приподнято над землей на 10-20 м, что обеспечивает безопасность как жителей, так и зданий. Главный недостаток проекта - высокая стоимость.
Анализ рассмотренных решений показал, что они могут быть неодинаковы и достаточно эффективны, однако с точки зрения реализации и стоимости наиболее простым является организация свободного пространства, которое может быть достигнуто различным образом.
Именно эту идею предлагается использовать для реализации цунамизащиты небольших малоэтажных зданий, расположенных вдоль побережья [12]. Свободное простран-
ство под зданиями организуется путем установки их на автомобильную эстакаду.
Мостовые конструкции для размещения построек применялись еще в глубокой древности, когда на мостах располагали торговые лавки, жилые дома и другие здания.
Использование полетных конструкций для размещения небольших жилых объектов может быть вполне эффективным. Схему предполагаемого решения иллюстрирует рис. 7. Для оценки возможности реализации такого решения были проведены исследования, которые состояли из оценки сейсмического воздействия и влияния волны цунами. Расчет проводился с помощью спектральной методики, представленной в СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» [13].
Определение воздействия цунами на здание производилось по методике, приведенной
Рис. 6. Проект «Tohoku Sky Village»: а - изометрический вид нескольких поселений; б - изометрический вид одного поселения;
в - вид сбоку одного поселения
Рис. 7. Схема размещения малоэтажных зданий на эстакаде
Расчетный уровень
Жилое здание
Автомобильная эстакада
Рис. 8. Эпюра давления волнового потока на вертикальные конструкции эстакады
в РД 31.33.07-86 «Руководство по расчету воздействия волн цунами на портовые сооружения, акватории и территории. Рекомендации для проектирования» [14]. По данному документу можно установить нагрузку от волн цунами различной высоты, которая действует на здание, находящееся на побережье на различном расстоянии от уреза воды.
Эпюра давления волнового потока на вертикальное берегозащитное сооружение, расположенное выше уреза воды, представлена на рис. 8. В данном исследовании расчет производился на волну цунами высотой, равной расстоянию от уровня земли до низа первого этажа здания, что составляет 11 м.
Нагрузка Р 1 от волн цунами определяется по формуле
P = 1,5-p.g-п ,
(1)
в которой р - плотность воды, равная 10 3 кг/м3; g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2; п - возвышение поверхности воды на спокойном уровне в случае, если сооружение расположено выше уреза воды:
п
1 --
h
- x
гип ,100
h
(2)
где \ - уклон берегового откоса, принимаем, что I = 0,01; кгш - средняя величина максимального подъема уровня воды при накате цунами, считаем, что кгш 100 = 4,3 м; х - расстояние от уреза воды до здания, х = 250 м; кх -максимальная волна воды на урезе, кх =11 м.
Исходные параметры для формулы (2) взяты для Южно-Курильска - населенного пункта на Курильских островах.
Тогда, подставив принятые значения в уравнения (1) и (2), находим для волны цунами
Рис. 9. Эпюры максимальных продольных сил (а) и изгибающих моментов (б) в элементах
от максимальной волны цунами
С
П =
1 0,01 V 4,3
•250
•11 = 4,6 м,
P = 1,5-103 • 9,81-4,6 = 67,7 кПа.
Данная нагрузка была задана в расчетную схему в ПК SCAD 21.1. В результате расчета такой схемы на цунами высотой 11 м получились максимальные продольные силы и изгибающие моменты, эпюры которых изображены на рис. 9.
Полученный результат показывает, что наиболее опасным является сечение нижних стоек эстакады. Это сечение проверено в программе «Кристалл», и коэффициент использования материала составил 0,986. Стоит отметить, что при расчете данной схемы на 9-балльную сейсмическую нагрузку он был равен 0,998 [15].
В ходе проведенного исследования получены следующие результаты:
1) выполнен обзор существующих решений и возможных средств защиты от волн цунами, на основании которого рассмотрена цунамизащита, заключающаяся в установке малоэтажных зданий на конструкцию автомобильной эстакады;
2) установлено, что предложенная система цунамизащиты способна сопротивляться воздействию землетрясения в 9 баллов и волне цунами высотой до 11 м.
Библиографический список
1. Воробьев Ю. Л. Цунами : предупреждение и защита / Ю. Л. Воробьев, В. А. Акимов, Ю. И. Соколов. - М. : Изд-во МЧС России, 2006. -264 с.
2. Попов М. А. Защита от стихийных бедствий / М. А. Попов. - М. : Изд-во МГУП, 2014. - 128 с.
3. Информация центра цунами. - URL : http:// kammeteo.ru/gms_interest3.html (дата обращения : 28.05.2017).
4. Шульгин В. Н. Инженерная защита населения и территории в чрезвычайных ситуациях мирного и военного времени / В. Н. Шульгин. - М. : Изд-во «Академический Проект», 2010. - 688 с.
5. Злобин Т. К. Природные катастрофы в литосфере Сахалино-Курильского региона и меры безопасности / Т. К. Злобин. - Южно-Сахалинск : Изд-во СахГУ, 2000. - 132 с.
6. Патент № 2524814 Российская Федерация, МПК Е02 В 3/04. Цунамигаситель / Н. В. Ясаков. - Заявл. 05.02.2013 г.; опубл. 10.08.2014 г. -Бюл. № 22.
7. Гир Дж. Зыбкая твердь : Что такое землетрясение и как к нему подготовиться / Дж. Гир, Х. Шах ; пер. с англ. Н. В. Шебалина. - М. : Мир, 1988. - 182 с.
8. Патент № 2376418 Российская Федерация, МПК E02D 27/32. Опора противостихийной конструкции здания / А. Д. Елисеев. - Заявл. 27.03.2008 г. ; опубл. 20.12.2009 г. - Бюл. № 35.
9. Патент № 2410511 Российская Федерация, МПК E04H 9/14. Всплывающий во время наводнения дом / В. М. Соболев. - Заявл. 23.01.2009 г. ; опубл. 27.01.2011 г. - Бюл. № 21.
10. Патент № 2485266 Российская Федерация, МПК E 04 H 1/00. Конструкция поселения / С. И. Рубинштейн. - Заявл. 23.01.2012 г. ; опубл. 20.06.2013 г. - Бюл. № 17.
11. Спасительные острова над землёй. - URL : http://www.chaskor.ru/article/spasitelnye_ostrova_nad_ zemlej_26876 (дата обращения : 28.06.2018).
12. Белаш Т. А. Предложение по цунамизащи-те зданий / Т. А. Белаш, И. Б. Нудьга, А. Д. Яковлев // Инновационный альбом Российской Академии архитектуры и строительных наук. - 2018. -Вып. 2017-1. - С. 25.
13. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. - Введ. 06.01.2014 г. - М. : Минстрой России, 2014. - 126 с.
14. РД 31.33.07-86. Руководство по расчету воздействия волн цунами на портовые сооружения, акватории и территории. Рекомендации для проектирования. - Введ. 01.10.1986 г. - М. : СоюзМор-НИИПроект, 1986. - 53 с.
15. Белаш Т. А. Сейсмостойкость цунамистой-ких жилых зданий / Т. А. Белаш, А. Д. Яковлев // Инженер.-строит. журн. - 2018. - № 4(80). -С. 95-103.
References
1. Vorob'ev Yu. L., Akimov V. A. & Sokolov Yu. I.
Tsunami: preduprezhdenie i zashchita [Tsunami: warning and protection]. Moscow, MChS Rossii Publ., 2006, 264 p. (In Russian)
2. Popov M. A. Zashchita ot stikhiinykh bedstvii [Protection from natural disasters]. Moscow, MGUP Publ., 2014, 128 p. (In Russian)
3. Informatsiia tsentra tsunami [Tsunami centre information]. URL: http://kammeteo.ru/gms_interest3. html (accessed: 28.05, 2017) (In Russian)
4. Shul'gin V. N. Inzhenernaia zashchita nasele-niia i territorii v chrezvychainykh situatsiiakh mirno-go i voennogo vremeni [Engineering protection of the population and the territory in emergency situations in peace and wartime]. Moscow, Akademicheskii Proekt Publ., 2010, 688 p. (In Russian)
5. Zlobin T. K. Prirodnye katastrofy v litosfere Sakhalino-Kurilskogo regiona i mery bezopasnosti [Natural disasters in the lithosphere of the Sakhalin and Kurils region and safety measures]. Yuzhno-Sakhalinsk, SakhGU Publ., 2000, 132 p. (In Russian)
6. Iasakov N. V. Patent no. 2524814 Russian Federation, IPC E02B 3/04. Tsunami-gasitel [Tsunami damper}. Declared 05.02.2013; published 10.08.2014. Bulletin no. 22. (In Russian)
7. Gir G. & Shakh Kh. Zybkaia tverd: Chto takoe zemletriasenie i kak k nemupodgotovitsia [Terra Non Firma. Understanding and Preparing for Earthquakes]. Tr. by N. V. Shebalin. Moscow, Mir Publ., 1988, 182 p. (In Russian)
8. Eliseev A. D. Patent no. 2376418 Russian Federation, IPC E02D 27/32. Opora protivostikhiinoi konstruktsii zdaniia [Supporting structure of element-resistant building design]. Declared 27.03.2008; published 20.12.2009. Bulletin no. 35. (In Russian)
9. Sobolev V. M. Patent no. 2410511 Russian Federation, IPC E04H 9/14. Vsplyvaiushchii vo vremia navodneniia dom [House which resurfaces during flood]. Declared 23.01.2009; published 27.01.2011. Bulletin no. 21. (In Russian)
10. Rubinshtein S. I. Patent no. 2485266 Russian Federation, IPC E04H 1/00. Konstruktsiia posele-niia [Construction design of a settlement]. Declared 23.01.2012; published 20.06.2013. Bulletin no. 17. (In Russian)
11. Spasitelnye ostrova nad zemlei [Saving islands above land]. URL: http://www.chaskor.ru/arti-cle/spasitelnye_ostrova_nad_zemlej_26876 (accessed: 28.06.2018). (In Russian)
12. Belash T.A., Nud'ga I. B. & Iakovlev A. D. Pred-lozhenie po tsunamizashchite zdanii [A proposal on tsunami protection of buildings]. Innovatsionnyi albom Rossiiskoi akademii arkhitektury i stroitelnykh nauk [Innovative album of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences], 2018, vol. 2017-1, p. 25 (In Russian)
13. Construction rules 14.13330.2014. Stroitelstvo v seismichnykh raionakh [Construction in earthquake zones]. Introduced 06.01.2014. Moscow, Minstroi Rossii Publ., 2014, 126 p. (In Russian)
14. Controlling document 31.33.07-86. Rukovod-stvo po raschetu vozdeistviia voln tsunami na portovye
sooruzheniia, akvatorii i territorii [Calculation manual for tsunami wave impact on port structures, water areas and territories]. Design recommendations. Introduced 01.10.1986. Moscow, SoiuzMorNIIProekt Publ., 1986, 53 p. (In Russian)
15. Belash T. A. & Iakovlev A. D. Seismostoikost tsunamistoikikh zhilykh zdanii [Earthquake resistance of tsunami-resistant residential buildings]. Inzhener-no-stroitelnyi zhurnal [Eng.-constr. Journal], 2018, no. 4 (80), pp. 95-103. (In Russian)
БЕЛАШ Татьяна Александровна - д-р техн. наук, профессор, заведующая кафедрой, Ье1а8^а@ mai1.ru; НУДЬГА Игорь Борисович - канд. техн. наук, nudga.igor@mai1.ru; *ЯКОВЛЕВ Антон Дмитриевич - аспирант, anton.yakov1ev.94@mai1.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
