Сейсмозащитные устройства: актуальные проблемы сейсмобезопасности

Обобщая работы по теории и практике сейсмостойкого строительства, проследим логику исследований по данной проблеме.

Принципиальное отличие сейсмозащитного устройства от сейсмоизоляции, которая традиционно в соответствии с нормативами располагается выше фундамента, состоит в том, что сейсмоизоляция пропускает сейсмическиеие воздействия внутрь здания, снижая при этом их уровень, а сейсмозащита здания вместе с фундаментом не пропускает их внутрь системы полностью или снижает до допустимого уровня. Сейсмозащита охраняет объекты, а не окружающую их территорию.

Необходима системная организация исследований для эффективного перспективного развития сейсмостойкого строительства, так как существующее

состояние характеризуется проблемными просчетами, среди которых:

• несоответствие нормативной теории спектрального метода расчета реальной физической природе сейсмического воздействия (неучет первого толчка и т. д.);

• разрыв между геодинамической информацией в баллах и ее воспроизведением и использованием в строительном проектировании;

• пренебрежение характеристиками реальных фундаментов, которые существенно влияют на сейсмостойкость верхнего строения, отсутствие разработок сейсмостойких фундаментов;

• парадоксы, возникающие при стремлении «уточнить» нормативную теорию в случае сложных грунтовых условий;

• практическое отсутствие разработок по применению внешних сейсмозащитных устройств и систем автоматического управления сейсмобезопасностью зданий (сооружений) и др.

Таким образом, путем актуализации и модернизации действующих норм нельзя обеспечить перспективное развитие, необходимы более глубокие (коренные) изменения.

В теории и практике фундаментостроения обнаружился «фундаментальный парадокс»: традиционно фундаменты рассчитываются на нагрузку сверху вниз, в то время как сейсмическое воздействие имеет противоположное направление.

Недостатки (слабость) нормативной теории негативно отражаются на развитии способов конструктивной сейсмобезопасности, которые по инженерному замыслу должны опираться на реальную картину сейсмического воздействия, а нормативная теория ей не соответствует. Видимо, по этой причине ряд конструктивных принципов и рекомендаций, не вытекающих непосредственно из нормативной теории, в действующих нормах не отражены. Например, стремление проектировать сейсмостойкие строения посредством создания многосвязных пространственных систем замкнутого типа (вместе с фундаментом, например с плитой) в нормах отсутствует.

Методы сейсмозащиты представлены в действующих нормах весьма ограниченно: внешняя сейсмозащита не предусматривается, а применение сейсмоизоляции внутри здания не обосновано, ограничено требованием размещать ее выше фундамента. Способы обеспечения внешней сейсмостойкости имеют древнейшие корни и сейчас получают современное развитие в виде фундаментных платформ на скользящем слое.

Государственным научным планированием развития сейсмостойкого строительства в России (а есть ли оно вообще?) не предусмотрены поисковые и внедренческие инновационные разработки по внешней и внутренней сейсмозащите. В практической деятельности специалисты ориентируются на дорогие зарубежные (китайские и др.) устройства, пренебрегая отечественными разработками. Например, применение строений на фундаментной платформе со скользящим слоем, эффективность которых подтверждена теоретическим, модельным и компьютерным моделированием, не получило еще в стране должного развития, хотя все предпосылки, включая экономичность и надежность, для этого имеются.

Авторами впервые разработана и предложена система оперативного автоматического управления внешней сейсмозащитой здания (сооружения) в виде автоматического выключателя аварийного уровня сейсмического воздействия.

Таким образом, логично прийти к выводу о том, что учитывая слабость теории, актуальными направлениями развития в данный период следует считать конструктивные разработки, включая, в первую очередь, способы сейсмозащиты, особенно внешнюю сейсмозащиту.

В данной главе обращено внимание на необходимость

системного подхода к проблеме сейсмобезопасного строительства. Это такие вопросы, как: разрыв между геодинамической и строительной частями; несовершенство моделирования и методов расчета, в том числе нормативного; пренебрежение конкретным типом фундаментов как передаточной связи от основания к верхнему строению; неучет начального момента сейсмического толчка, т. е. неучет энергии толчка, который является определяющим фактором; недостаточность развития и использования внешних устройств сейсмозащиты, способных снизить передачу энергии толчка, в частности устройства скользящего слоя между основанием и плитным фундаментом; необходимость совершенствования методов микросейсморайонирования. Особое внимание обращено на разработку методов конструктивной сейсмобезопасности, способной перекрыть недостатки теории. В существующей литературе, в том числе учебной, этому вопросу уделяют недостаточное внимание.

Известна сложность и неопределенность многих вопросов сейсмобезопасности строительства, тем более необходимо обратить внимание на системность исследования.

Существует разрыв между геодинамической и строительной частями исследований. Институтом Физики Земли выполнены работы по общему сейсмическому районированию территории России и разработан комплект карт ОСР-97, на основании которых определяются геодинамические воздействия в отдельных регионах России, а строительная часть выполняется другими институтами, между которыми нет должной взаимосвязи. Суть в том, что результаты геодинамических работ не могут быть полностью использованы при осуществлении строительного проектирования и моделирования сейсмических воздействий. Геофизики определяют смещение, скорость, ускорение, переводя всё в баллы, т. е. передают строителям зашифрованную информацию. Балл является весьма обобщенной и приближенной характеристикой, которую строители стараются также весьма приближенно расшифровать в своих расчетах, но воспроизвести (смоделировать) сейсмические воздействия не могут (набираются погрешности с обеих сторон: как от геофизиков, так и от строителей). В строительных нормативах смещения вообще не учитываются (хотя смещения, особенно тангенциальные, являются наиболее опасными). В стране отсутствует единый научный орган, который координировал бы и согласовывал эти исследования.

Не вдаваясь в подробный анализ методов расчета, отметим, что нормативный метод расчета (спектральный) учитывает расчетный балл по спектру колебаний, но при этом теоретическое определение частот и форм собственных колебаний существенно отличается от реальных. В связи с этим вводится система достаточно грубых коэффициентов, компенсирующих недостатки нормативного моделирования. Многие параметры сейсмических воздействий, кроме балла, не используются. Результаты, полученные с использованием других методов расчета (волновой, по акселерограммам), существенно отличаются от полученных спектральным методом. Эти расхождения известны, но далеко не в полной мере анализируются и сопоставляются с результатами экспериментальных исследований.

Следует отметить, что стремление учесть свойства слабых грунтов (податливость) по нормативной теории вызывает ряд противоречий.

В расчетах влияние конкретных типов фундаментов совместно с основанием исследуется совершенно недостаточно, хотя известно, что поведение фундамента при сейсмических воздействиях существенно определяет поведение верхнего строения и его сейсмостойкость, т. е. расчетные схемы весьма далеки от реальности. Накладываются погрешности определения сейсмической нагрузки и упрощение расчетной схемы здания. Эти сложные вопросы достаточно известны, но в публикациях не просматривается стремление к их решениям. Много неопределенностей. Например, зная ускорение сейсмической волны, не можем сказать, какая масса грунта воздействует на фундамент здания, (т. е. рассчитать силу воздействия), что не позволяет определить прямое сейсмическое воздействие на строительную систему.