Сейсмозащитные устройства: актуальные проблемы сейсмобезопасности
Шрифт:
Дальнейший анализ показал, что традиционное проектирование фундаментов в условиях сейсмичности противоречит физической картине сейсмического воздействия снизу вверх. Эта проблема привела авторов к выводу о том, что слабость нормативной теории расчета на сейсмостойкость в настоящее время можно преодолевать, активно развивая конструктивные методы, которые опираются на действительную картину сопротивления сейсмике. И действительно, предлагаемые конструктивные методы исходят, как правило, не из теории спектрального метода, а из здравого инженерного смысла и практики.
Отметим, что выбор типа фундамента (как и других конструктивных решений) продолжает оставаться в области инженерного искусства и поиска (удачного и менее
О роли фундамента. Приведем высказывание Б.А. Кирикова: «Действие сейсмической волны на здание начинается с фундамента, и в зависимости от того, как повел себя фундамент, определяется поведение всего здания». В нормах не обнаружены какие-либо рекомендации по применению фундаментов того или иного типа и оценка их влияния на сейсмостойкость здания. Получается, что тип используемого фундамента не имеет значения? С этим нельзя согласиться. Тем более, если стремится учесть деформативность основания.
Действительно, в СНиПе [47, п. 2.4] прописано, что при расчете на горизонтальные воздействия допускается использовать упрощенную модель сооружения в виде жесткозащемленной консоли, т. е. пренебрегать типом фундамента и деформативностью основания, а вертикальную составляющую перемещений фундамента необходимо учитывать при расчетах оснований и фундаментов [47, п. 2.6]. Получается, что сейсмостойкость здания определяется без учета типа его фундамента и свойств основания. Такой подход в ряде случаев ошибочен. Например, большепролетное здание на локальных опорах или сплошной фундаментной плите, объединяющей эти опоры, обладает различной сейсмостойкостью. Возможное взаимное горизонтальное смещение локальных опор может привести к аварийности здания, чего нет при сплошной фундаментной плите.
Таким образом, несистемность подхода к цельной системе «здание – фундамент – основание» существенно сужает спектр конструктивных решений по обеспечению сейсмобезопасности, снижает возможность повышения сейсмобезопасности с помощью конструктивных решений (конструктивная сейсмобезопасность).
О дефиците сейсмостойкости. Проект норм оперирует понятием «дефицит сейсмостойкости», под которым понимается разность между расчетной сейсмичностью площадки и начальной сейсмостойкостью здания. Казалось бы, что это понятие вносит некоторую ясность, если бы определения начальной сейсмостойкости здания и расчетной сейсмостойкости площадки не страдали отмеченными ниже недостатками. Причина кроется в неоправданном нарушении системного подхода при рассмотрении системы «здание – фундамент – основание». При этом не учитываются возможные защитные (в виде экранов в грунте) мероприятия, которые могут изменить сейсмичность площадки, создавая защитную «тень» для здания.
Действительно, начальная сейсмостойкость здания, как можно понять из СНиПа [47], определяется на основе расчетно-динамической модели (РДМ), в том числе по спектральному методу расчета. При этом для здания не учитывается конкретный тип фундамента и реальная податливость основания, а используется идеализированное абсолютное защемление. Поэтому такая оценка дефицита сейсмостойкости может быть более достоверна для грунтов прочных (I категории), но может оказаться ошибочной для слабых грунтов, т. е. для наиболее опасных случаев. Это понятно, так как учет податливости прочных грунтов вносит небольшие поправки в расчет, а для слабых грунтов это расхождение весьма существенное. Использование в нормативном расчете для слабых грунтов повышение балльности и увеличение коэффициента сейсмичности в 2 и 4 раза для площадок с повышенной сейсмичностью отражает «точность» моделирования и не избавляет от возможных ошибок. Кроме того, расчетная сейсмичность площадки, как правило, не учитывает наличия защитных
Преодолеть понятие «дефицит сейсмостойкости» можно только, во-первых, на основе системного расчета «здание – фундамент – основание» и, во-вторых, путем улучшения модели сейсмического воздействия и его передачи на здание. Первая причина преодолима в определенной мере с помощью современных компьютерных программ. Вторая зависит от уровня развития теории. Причина не только в сложности проблемы, но и в нестыковке (несистемности) исследований, проводимых отдельно сейсмологами и отдельно строителями.
Таким образом, полезность использования дефицита сейсмостойкости как нормативного термина весьма ограниченная.
Учитывая уровень развития теории сейсмостойкого строительства, целесообразно расширить и усилить раздел мероприятий по конструктивной безопасности (или, как их называет проф. Я.М. Айзенберг, концептуальное проектирование). Концептуальное проектирование нацелено на учет при проектировании упругопластических деформаций и допустимых локальных повреждений в здании. Следует, однако, в первую очередь ориентироваться на такие конструктивные решения, которые позволяют снизить передачу сейсмических воздействий на фундамент и все сооружение, а также создавать конструкции, малочувствительные к негативным воздействиям [1–4]. Такая ориентация в проекте норм, к сожалению, отсутствует, хотя разработки имеются [47, п. 4]. Такое направление лучше укладывается в понятие конструктивной безопасности [7].
О применении спектрального метода расчета. Стремление уточнить РДМ за счет учета податливости основания при использовании нормативного спектрального метода расчета наталкивается на противоречие. Действительно, учет податливости основания, который, казалось бы, должен способствовать совершенствованию нормативной расчетной модели, приводит к противоречивым результатам в случае слабых грунтов, как это показано в [10]. Периоды колебаний зданий на слабых грунтах больше, чем при жестком основании, коэффициенты сейсмичности уменьшаются, и в итоге снижаются величины сейсмических воздействий на здание. И получается, что учет податливости слабого грунта снижает расчетные усилия в элементах здания, т. е. происходит снижение сейсмостойкости здания вопреки стремлению [47] повысить расчетные сейсмические воздействия при расчете зданий на слабых грунтах.
Причина кроется, по-видимому, в том, что спектральный метод расчета априори был ориентирован на замену конкретного типа фундамента и податливости основания жестким закреплением опор. Это существенно отражается на определении собственных частот и других форм колебаний здания, на использовании которых построен спектральный метод. Видимо, поэтому в ряде работ предлагается использовать экспериментальные данные о периодах колебаний разных зданий вместо теоретических.
Отметим, что в некоторых работах рекомендуется для расчетов по спектральному методу использовать не только первые, но и многие другие частоты и формы колебаний, надеясь на улучшение достоверности расчета на сейсмостойкость. При этом забывают о более грубых допущениях этого метода, перекрывающих другие неточности (в частности, податливость основания).
Другим примером ограниченности применения спектрального метода может служить попытка учесть влияние защитных устройств на площадке, например, траншей, на снижение сейсмических воздействий на здание. Отметим, что наши попытки системного расчета «здание – фундамент – основание» оказались бесплодными. Спектральный метод дает некоторую схему распределения сейсмических воздействий на элементы здания, все остальное учитывается набором коэффициентов. Требовать от метода больше, чем то, что в него заложено, нельзя.