Сейсмозащитные устройства: актуальные проблемы сейсмобезопасности
Шрифт:
Напрашивается вывод о том, что если новая конструкция фундамента смягчает или ограничивает такие сдвиговые воздействия, то и характер деформирования (или разрушения) верхнего строения будет другим. Здесь заложена идея сейсмозащиты, которая может быть реализована, например, в виде сплошной фундаментной плиты на скользящем слое [4].
В работе [12] приводятся сведения о разрушениях в Спитаке колонн продольного ряда при целостности поперечных колонн зданий серии 111. Но при этом не упоминается о типах фундамента. Можно высказать догадку о том, что конструкции фундаментов и их расположение повлияли на характер деформирования (разрушения) этих колонн и что при других типах фундаментов результаты были бы иными. Упомянем здесь вновь о возможности внешней сейсмоизоляции, в частности,
Необходимость активного развития методов конструктивной сейсмобезопасности зданий вместе с фундаментом, в том числе с использованием внешней сейсмоизоляции. В настоящее время активное развитие и применение методов и средств конструктивной сейсмобезопасности является объективной необходимостью, связанной с неудовлетворительным состоянием теории расчета зданий на сейсмоустойчивость и сложностями (неясностями) моделирования сейсмических воздействий.
Действующему нормативному колебательному (спектральному) методу расчета противопоставлена ударно-волновая природа концепции сейсмического воздействия. Нормативные расчеты по спектральному методу, основанному на гармонических колебаниях, содержат ряд коэффициентов, не имеющих физического смысла. Не удается воспроизвести (смоделировать) реальные сейсмические воздействия ни в расчетах, ни в инженерных испытаниях. Поэтому расчеты по нормам являются конструктивными рекомендациями и содержат ограничения, которые должны некоторым образом восполнить этот пробел.
Таким образом, методы (приемы) конструктивной сейсмобезопасности при имеющихся недостатках теории являются как бы самостоятельным направлением развития.
Но этот раздел рекомендаций по конструктивным решениям сделан как-то несистемно, не сформулированы принципы, нет связи с характеристикой сейсмических воздействий, о фундаментах «забыли», очень ограниченно представлена сейсмозащита и т. д.
Вызывает серьезное беспокойство и неудовлетворенность то, что авторы нормативного подхода и его противники как бы не слышат друг друга, а государство остается в стороне от решения столь важной для страны проблемы [11, 12].
В [13] уже указывалось на необходимость системного междисциплинарного подхода к решению проблем строительства: разобщенность работ сейсмиков и строителей, ограниченность нормативного подхода, не учитывающего типы фундаментов, пренебрежение внешней сейсмозащитой и др.
Сейсмоизоляция – один из видов конструктивной сейсмобезопасности. Однако современная традиционная сейсмоизоляция, к сожалению, не обладает высокой эффективностью. Например, резинометаллические опоры – это весьма дорогие устройства, требующие постоянного слежения за их состоянием в процессе эксплуатации, а также замены их примерно через 40 лет. При несинхронной работе хотя бы одной из многочисленных опор возникают негативные ситуации. Для установки таких опор требуется фактически двойной фундамент (например, нижняя опорная плита на основании и верхний ростверк), т. е. увеличивается материалоемкость конструкции. А главное в том, что нарушается целостность конструктивной схемы (верхнее строение + фундамент), все расчленено на части с включением упругих опор. Такова цена сейсмоизоляции.
Необходимо дальнейшее совершенствование и развитие методов конструктивной безопасности, в частности, использование внешних сейсмозащитных устройств. В статье [14] показаны возможности внешней сейсмоизоляции, в том числе преимущества использования зданий на пространственной платформе со скользящим слоем по основанию.
Отмечается, что, к сожалению, действующие нормативы вообще не предусматривают возможности устройств внешней сейсмоизоляции и для устройства сейсмоизоляции предписывают неоправданные ограничения по ее размещению (выше фундамента). Показано [13, 14], что использование пространственных фундаментных платформ на скользящем слое не нарушает целостности строительной системы и создает достаточно ясный барьер, ограничивающий передачу больших сейсмических воздействий на здание, что подтверждено компьютерным моделированием и лабораторными испытаниями. Отмечается надежность и простота данного внешнего устройства, а также снятие нормативных ограничений на несимметричность, протяженность здания и расположение масс
2.3. Сейсмостойкие фундаменты и здания замкнутого типа на вечномерзлых и слабых грунтах
Сочетание условий сейсмичности и сложных грунтовых условий характерно для многих районов Якутии, Сибири, Горного Алтая и других регионов. В работах [15–19] для слабых грунтов рекомендуется использовать плитные фундаменты. Их достоинством является возможность при сравнительно небольших толщине и глубине заложения надежно передавать значительные нагрузки на слабые грунты, выравнивая практически неизбежные при отдельных фундаментах неравномерные осадки. Сплошная плита обеспечивает и защиту от неопределенностей и неоднородности основания (естественную, неточно выявляемую обычными геологическими изысканиями, или искусственную, возникающую при протечках коммуникации, локальном промораживании или подмыве грунтовыми водами и т. д.).
Интерес к плитным фундаментам поддерживается также тем, что приведенная «в деле» стоимость 1 м3 фундаментной плиты в 2–3 раза меньше, чем у свайного фундамента [13].
Мы разделяем мнение авторов [15–20] об указанных достоинствах и эффективности плитных фундаментов, однако считаем необходимым указать на возможности их совершенствования и эффективного применения в более широких областях [21–13] в виде пространственных фундаментных платформ (рис. 1).
Рис. 1. Пространственные фундаментные платформы для строительства на слабых и вечномерзлых грунтах: а – сборная железобетонная платформа (патент на полезную модель № 38789); б – сборная сталежелезобетонная фундаментная платформа (патент на изобретение № 2206665); в – монолитная фундаментная платформа с утеплителем (патент на полезную модель № 45410)
Данные утверждения основываются на следующих положениях:
• используемые в [21–25] тонкие железобетонные сплошные плиты толщиной 35–40 см имеют относительно небольшую изгибную жесткость и поэтому в определенной мере чувствительны к неравномерным осадкам (деформациям) основания, а пространственные фундаментные платформы при том же расходе бетона обладают повышенной изгибной жесткостью (в 50–70 раз!). Это делает фундаментные платформы значительно менее чувствительными к локальным неоднородностям грунта и неравномерным осадкам. Фундаментные платформы обладают большой распределительной способностью передачи нагрузки на слабые основания и в значительно меньшей мере зависят от неточностей, экспериментально определяемых характеристик грунтов, которые особенно велики для слабых грунтов. Пространственные фундаментные платформы органично включают в себя проветриваемое подполье, а также структурно хорошо согласуются с предлагаемыми полносборными зданиями (рис. 2) и специальными сооружениями [24,25];
• благодаря большой распределительной способности и жесткости фундаментных платформ их можно располагать на поверхности грунта, сняв лишь растительный слой, существенно снижая объем земляных работ и создавая условия для производства строительных работ практически в любое время года. Сохраняются естественные свойства грунта. При устройстве фундаментных платформ, выступающих по периметру за пределы здания, можно использовать их теплозащитные свойства для снижения теплопотерь здания через фундамент и тем самым сохранить основание от промерзания, что особенно важно для пучинистых грунтов;
• межфундаментное пространство в фундаментных платформах образует вентилируемое подполье и позволяет использовать фундаментные платформы на вечномерзлых грунтах, сохраняя их несущие свойства, а также размещать в этом пространстве технологическое оборудование и коммуникации.
Пространственные фундаментные платформы могут осуществляться в сборном, монолитном или сборно-монолитных вариантах.
Все эти качества позволяют определить их как «экологически чистые конструкции», не вызывающие повреждения окружающей природы.