МЕТОДЫ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В СЕЙСМООПАСНЫХ РЕГИОНАХ

В мире происходит большое количество землетрясений, и, задаваясь вопросом, как часто они случаются на той или иной    территории, важно в первую очередь ознакомиться с картами зон сейсмической и вулканической активности. А именно стоит обращать внимание на геологические разломы, которые периодически и вызывают серьезные сейсмические события: чем ближе регион находится к разлому, тем больше вероятность возникновения подземных толчков. 

В процессе эксплуатации здания подвергаются различным нагрузкам. Процесс сейсмических воздействий относится к динамическим. Возникают они во время землетрясения в связи с перемещением фундаментов зданий или сооружений, вызывая их горизонтальные и вертикальные колебания, которые необходимо учитывать при их расчете. Разрушительные последствия землетрясений зависят от расположения эпицентра: чем ближе к населенным пунктам и чем меньше глубина, тем больше повреждения. Недостаточно прочные постройки больше подвержены динамическим нагрузкам, поэтому при проектировании зданий и сооружений, предназначенных для возведения в сейсмически опасных районах, помимо обычных нагрузок необходимо учитывать сейсмические силы и обращаться к современным способам строительства.

В данной работе приведены некоторые виды конструкций и строительных материалов, положительно влияющих на поведение зданий при сейсмических нагрузках:

1. Связевой или рамне-связевой каркас. Шарнирно присоединенные к пространственной конструкции ригели рамне-связевого каркаса повышают сейсмостойкость строений. Связевая конструкция представляет собой вертикальную диафрагму жесткости, состоящую из колонн, ригелей и связей - диагональных элементов. Такой вид конструкций препятствует наступлению полного разрушения, за счет компенсационных соединений или включающихся связей.

Рисунок 1. Схема расположения связевых конструкций - вертикальных диафрагм жесткости

2. Для одновременного снижения материалоемкости и повышения надежности зданий при строительстве в районах с повышенной сейсмической активностью авторами Северо-Кавказского горно-металлургического института разработаны так называемые «амортизаторы фундамента». Инновация заключается в том, что фундамент состоит из платформы и опорной плиты, между которыми расположены пружинные амортизаторы. При этом на верхних этажах устанавливают вертикальные опоры, связанные вантами, на которые базируют перекрытия.

Рисунок 2. Конструктивная схема фундамента

3. К числу сейсмостойких каркасных зданий относятся конструктивные системы с подвешенными этажами. Здания висячей конструкции характеризуются мощной опорной основой, центральным ядром жесткости, выполненным из монолитного железобетона, к которому шарнирно прикрепляются промежуточные элементы с подвесками и перекрытиями. Нагрузки равномерно передаются на фундамент через подвесные элементы, что обеспечивает повышенную устойчивость здания в целом.

Рисунок 3. Схематичный разрез здания с подвешенными этажами

4. Демпфирующие элементы – дополнительные устройства, предотвращающие внешние деформационные колебания. В настоящее время имеется множество различных разработок.

Например, устройство с полыми шаровидными элементами, заполненными демпфирующей жидкостью. Демпфирующие тела расположены радиально-симметрично и закреплены на одной центральной опоре, представленной в виде шаровидного корпуса. Любые толчки, воздействующие на корпус, будут демпфироваться одинаково, за счет чего и обеспечивается сейсмоустойчивость здания.

В других случаях опорную часть здания изготавливают в виде многослойного строения, между частями которого помещается резиновая прокладка или же пружинный демпфер, являющийся изолирующим устройством. Наличие свинцового сердечника, выполняющего функцию рассеивания напряжений, усиливает резино-свинцовую опору, что положительно влияет на устойчивость конструкции.

5. Использование новых строительных материалов – «эластичный» бетон. Материал создан с помощью полимеров, которые входят в состав смеси, именно они и отвечают за эластичность, обеспечивают способность бетона. Он способен выдерживать нагрузки и восстанавливаться под воздействием окружающей среды. По прочности его можно сравнить с металлом. Подобный состав из армированных крошечных волокон обладает уменьшенным количеством пустот, что является одной из причин разрушения. Материал обладает высоким уровнем сцепки, что помогает сохранить единство бетона и увеличить срок эксплуатации.

6. Динамический гаситель колебаний. Это колебательная часть устройства, и ее резонанс должен быть подавлен. Динамические гасители колебаний, в основном, применяют для виброзащиты специальных сооружений: высотных конструкций, висячих мостов и переходов и металлических каркасных зданий. При этом снижение уровня колебаний сопровождается уменьшением динамических напряжений и увеличением долговечности гибких стальных сооружений.

Динамический гаситель колебаний представляет собой бетонный блок, установленный на перекрытии сооружения с помощью опорных элементов и пружин, которые соединяют блок с сооружением.   

Рисунок 4. Схема динамических гасителей колебаний

пружинного (а), маятникового (б), и комбинированного (в) типов

1-скользящая опора, 2-промежуточная опора.

Рисунок 5. Схема динамического гасителя колебаний

7. Движующиеся опоры или метод сейсмоизоляции. Устройства изоляции устанавливаются под зданием, чтобы изолировать их от землетрясений. Разработка многослойных резиновых подшипников позволила использовать метод сейсмоизоляции. Резиновый подшипник состоит из нескольких слоев тонких резиновых листов и армирующих стальных пластин с низкой горизонтальной жесткостью. В методе сейсмоизоляции энергопоглощающие устройства необходимо устанавливать вместе с многослойными резиновыми опорами для уменьшения деформации опор при землетрясениях.

Рисунок 6. Схема сейсмического воздействия на здание с сейсмоизолирующими опорами (2),

с жестким основанием (1)

8. Метод «винтовых свай». Технология была разработана ирландским инженером Александром Митчеллом. Этот способ необходим для устройства фундамента в зонах с повышенной сейсмоопасности. В настоящее время винтовые сваи широко применяются в различных зданиях и сооружениях.

Помимо винтовых свай, для усиления оснований используют такие типы свай как: обычные буроинъекционные сваи; буроинъекционные сваи на специальном цементе; буронабивные сваи; сваи Страуса; щебеночные сваи.

Рисунок 7. Схема винтовых свай

В связи с вышеизложенным, цель работы состоит в систематизации и обобщении опыта современного строительства зданий повышенной сейсмостойкости, что является весьма актуальной практической задачей. В работе представлены и проанализированы существующие на сегодняшний момент основные принципы строительства зданий для сейсмоопасных районов, определены конструктивные особенности, рассмотрены способы гашения динамических внешних нагрузок.