Активная сейсмозащита зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом

Особенности системы активной сейсмозащиты и конструктивные решения зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом.

Сейсмоизолирующий скользящий пояс выполняется в виде; ряда опор, расположенных между фундаментом здания и надземными конструкциями, как правило, в местах пересечения продольных и поперечных стен. Каждая опора имеет две пластины — из нержавеющей стали и фторопласта-4, выпускаемого по ГОСТ 10007-80Е. Благодаря низкому коэффициенту трения скольжения в опорах (f = 0,05—0,1), при превышении инерционными нагрузками определенного уровня здание начинает проскальзывать относительно фундамента. С этого момента усилия от сейсмических нагрузок в элементах несущих конструкций практически не изменяются. Для обеспечения надежности зданий в системе предусмотрены упругие и жесткие ограничители горизонтальных и вертикальных перемещений. Принципиальная схема элементов сейсмоизолирующего пояса для зданий жесткой конструктивной схемы показана на рис. 4.1. Такое решение было предложено сотрудниками Фрунзенского политехнического института В.П. Чуднецовым и Л.Л. Солдатовой (авторское свидетельство № 746045, БИ, 1980, № 25), а затем получило развитие в совместных исследованиях ЦНИИСК им. Кучеренко, ФПИ и Фрунзегорпроекта [80, 81].

Предложения по использованию элементов с сухим трением выдвигались разными специалистами. [5, 59, 61, 67]. В.П. Чуднецовым разработаны решения по устройству скользящих опор в мостах. В зарубежной практике сейсмостойкого строительства для этой цели используют неопрен, тефлон и другие пластики [123, 137]. Для создания упругоскользящих опор под оборудование Армянской АЭС применяется трехслойный наирит (резиновая сборка, армированная алюминиевыми пластинами) [61]. Освоение отечественной промышленностью выпуска фторопластов дозволяет по-новому конструктивно решать элементы скользящего пояса и обеспечить высокую надежность его работы.

Выбор фторопласта-4 в качестве одного из материалов скользящей пары обусловлен его специфическими характеристиками [25]: плотность 2,12-2,28 г/см³, предел прочности на сжатие 12 МПа, предел прочности на растяжение 14-25 МПа, модуль упругости при сжатий 700 МПа, относительное удлинение при разрыве 250—500%.

Фторопласт нетеплопроводен, сохраняет работоспособность в интервале температур от -269 до +260°С, не поглощает воду, химически стоек к кислотам, щелочам и органическим растворителям, не горит, стоек к воздействию грибков и бактерий, отлично подвергается механической обработке, обладает высоким электрическим сопротивлением, практически не стареет. Коэффицинт трения по стали 0,04-0,08 (в некоторых парах до 0,02).

Фторопласт выпускается промышленностью в широком ассортименте. Пластины толщиной 4—6 мм, которые используются для экспериментальных зданий, стоят 4—5 руб/кг (расход фторопласта на трех-пятиэтажные здания не превышает 12-26 кг, а на девятиэтажные крупнопанельные дома с общей приведенной площадью 3,0 тыс. м - 140-160 кг).

Размеры скользящей опоры определяются расчетом при давлении на фторопласт не более 8 МПа. Размеры пластин из фторопласта обычно принимают 20x20 или 25x25 см для пятиэтажных зданий и 40x40 см - для девятизтажных зданий, а пластин из нержавеющей стали толщиной 2 мм на 20-30 см больше. Каждая пластина прикрепляется к стальным закладным деталям (плитам), которые замоноличиваются в ростверке и в верхней обвязке стен фундамента (подвала или технического подполья). Допускается расположение сверху как пластин из фторопласта, так и пластин из нержавеющей стали. Шаг опор — не более 3,6 м.

В настоящее время для строительства зданий рекомендуются опоры совмещенного типа (рис. 4.2), в которых в пределах одного устройства размещаются сами опоры, упругие и жесткие ограничители перемещений. Скользящие опоры, типа показанного на рис. 4.2, а, можно применять для зданий высотой до пяти этажей включительно. Скользящая опора по рис. 4.2, б выполняется с наклонными участками нижней пластины, с переменным углом наклона (3° и 6°). Такая конструкция позволяет упростить устройство скользящего пояса, снизить трудоемкость его изготовления, а при сборно-монолитном варианте решения ростверка и верхней обвязки перенести весь процесс изготовления элементов пояса в заводские условия. Кроме того, благодаря наклонным участкам нижней пластины и возникновению при надвижке опоры на эти участки гравитационной восстанавливающей силы, создаются благоприятные условия для уменьшения амплитуд колебаний надземных конструкций относительно фундамента и возвращения здания в исходное положение после окончания землетрясения. Скользящая опора указанной конструкции может быть рекомендована для всех зданий, но особенно эффективно ее применение для зданий высотой более пяти этажей. Скользящие опоры рассчитываются на основное и особое сочетание нагрузок (см. п. 4.4).

Для обеспечения возможности регулирования положения плит скользящего пояса, а также осмотра и замены плит в процессе эксплуатации в ряде случаев в зданиях предусматриваются регулирующие устройства с применением высокопрочных болтов (рис. 4.3).

Вместо нержавеющей стали можно использовать оцинкованную сталь толщиной 1—1,2 мм по ГОСТ 14918—80 (для I класса покрытия) при условии выполнения мероприятий, обеспечивающих сохранность защитных слоев.

Упругие ограничители горизонтальных перемещений (демпферы) предназначены для смятения соударений опор и жестких упоров. Ограничители располагаются вблизи скользящих опор вдоль всех продольных и поперечных наружных и внутренних стен и должны устанавливаться с зазором ? = 1,5-3 см для зданий высотой до пяти этажей и Д = 4—5 см — для зданий высотой до девяти этажей включительно. Упругие ограничители выполняются в виде параллелепипедов из резины марок НО 68-1, 2959, 1847, 7НО-68-1, ИРП 1347-1 с наклеенными на поперечные вертикальные грани стальными пластинами (рис. 4.4). Конструкция упругих ограничителей должна предусматривать возможность их свободной посадки в гнезда, например, на мастике или гипсе, и в случае необходимости, осмотра и замены.

Жесткие ограничители горизонтальных перемещений (упоры) предназначены для ограничения горизонтальных подвижек надземных конструкций, которые по результатам исследований рекомендуется принимать а = 7—8 см для зданий высотой не более пяти этажей и а = 10—12 см - для девятиэтажных зданий.

Для обеспечения свободного пространства между горизонтальными поверхностями упоров и ростверком вертикальные зазоры в свету следует принимать не менее 3,5 см.

Упругие ограничители вертикальных перемещений (вертикальные связи и амортизаторы) предназначены для обеспечения устойчивости сейсмоизолируемого здания от опрокидывания и гашения вертикальных колебаний. Они располагаются вдоль всех наружных стен, симметрично относительно осей здания.

Сечения вертикальных связей определяются расчетом (см. п. 4.4) из условия недопущения отрыва надземной части здания от стен фундамента. Вертикальная связь может выполняться в виде стержней арматуры (диаметром 30—42 мм) или пучков семипрядевых канатов К-7 (диаметром 9—15 мм). Одним концом вертикальные связи заанкериваются в бетоне ростверка, другим - в верхней обвязке. Вертикальные связи (рис. 4.5) пропускаются через стальную гильзу с внутренним диаметром d = 2а, забетонированную в верхней обвязке, и в отверстие вертикального амортизатора и крепятся с помощью жесткого анкера (для вертикальных связей из стержней арматуры) или специального гильзостержневого анкера (для связей из пучков каната).

Конструкция вертикального амортизатора (рис. 4.6) аналогична конструкции демпфера. В нем предусматривается отверстие для пропуска вертикальной связи.

Для изучения работоспособности и эффективности рассмотренной системы активной сейсмозащиты в 1978-1985 гг. были выполнены: экспериментальные исследования моделей зданий на сейсмоплатформе ФПИ с изучением различных пар материалов для скользящих опор, упругих ограничителей из пружинной стали (см. п. 4.2); экспериментальное исследование на сейсмоплатформе ЦНИИСК им. Кучеренко модели девятиэтажного объемно-блочного здания с сейсмоизолирующим скользящим поясом; проектно-конструкторские разработки во Фрунзегор-проектё нескольких типов зданий высотой три-пят и девять этажей и выполнены рабочие чертежи экспериментальных домов; осуществлено строительство в г. Фрунзе четырех трехэтажных зданий общежития с разработкой специальной технологии возведения скользящего пояса (СМУ МВД Киргизской ССР), одного пятиэтажного и одного девятиэтажного крупнопанельных домов серии 105 (ДСК-2 Министерства строительства Киргизской ССР); комплексные натурные статические и вибрационные испытания трех экспериментальных домов в г. Фрунзе (ЦНИИСК им. Кучеренко, Казахской ПромстройНИИпроект, ФПИ); расчетные исследования в ЦНИИСК им. Кучеренко и ФПИ динамических моделей зданий при гармонических и реальных сейсмических воздействиях, заданных акселерограммами сильных землетрясений; технико-экономические расчеты эффективности применения зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом (см. гл. 7).

На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию '(расчету и конструированию), изготовлению, монтажу и эксплуатации экспериментальных домов [91].

Первые здания в г. Фрунзе были построены по ул. Месороша на площадке с сейсмичностью 9 баллов и неблагоприятными грунтовыми условиями. Каждый из четырех корпусов общежития имеет размеры в плане 13,8x40,8 м. Высота этажа равна 3 м. Фундамент здания предусмотрен в виде монолитных железобетонных перекрестных лент таврового сечения, высотой 2,3 м из бетона класса В15 с арматурой класса А-Ш. Ширина подошвы фундаментных лент продольного направления равна 1,8 м, поперечного - 1,2 м, ширина стенки лент - 0,4 м.

Ростверк представляет собой систему монолитных железобетонных перекрестных балок сечением 40x50 см из бетона класса В22,5 с арматурой класса A-III. Стены здания комплексной конструкции запроектированы из кирпича M100. на растворе М-75. Они усилены монолитными вертикальными и горизонтальными железобетонными включениями и сетчатым армированием в швах в соответствии с требованиями для кладки II категории по сейсмостойкости. В уровне перекрытия каждого этажа предусмотрены монолитные железобетонные пояса и обвязки.

Сейсмоизолирующий скользящий пояс расположен между фундаментом здания и ростверком. Конструктивными элементами пояса являются скользящие опоры, упругие ограничители горизонтальных перемещений, горизонтальные железобетонные упоры и вертикальные связи (рис. 4.7). Ширина пояса в свету принята равной 70 мм.

Скользящие опоры (рис. 4.8) размещены равномерно по всему периметру несущих стен, их общее количество 40 штук. Скольжение в опоре должно происходить между фторопластовой пластиной и пластиной из нержавеющей стали. Пластина из фторопласта-4 с размерами 250x250x4 мм прикреплена к закладным деталям ростверка. Пластина из шлифованной нержавеющей стали прикреплена к закладным деталям фундамента.

Между фундаментом и ростверком установлено 24 упругих ограничителя горизонтальных перемещений. Упругие ограничители выполнены в виде резиновых амортизаторов, по торцам которых приклеены металлические пластины толщиной 12 мм. Ограничители вставлены в специальные ниши в фундаменте и ростверке с зазором по 15 мм с каждой стороны в рабочем направлении (рис. 4.9).

Жесткие горизонтальные упоры (рис. 4.10) выполнены в виде армированных выступов из ростверка и фундамента, между которыми с каждой стороны имеется зазор по 12 см. Железобетонные горизонтальные упоры не позволяют зданию "соскользнуть" с фундамента при больших смещениях ростверка относительно фундамента в случае выхода из строя упругих ограничителей горизонтальных перемещений. В продольном и поперечном направлениях здания имеется 16 горизонтальных упоров (см. рис. 4.7).

Вертикальные связи (ограничители вертикальных перемещений) представляют собой анкеры А-I Ц диаметром 36 A-III, забетонированные в фундамент (рис. 4.11). В ростверке они пропускаются через гильзу с толщиной стенки 5 мм и через резиновый амортизатор крепятся к ростверку в специальных нишах стен. Между ростверком и фундаментом установлены 24 вертикальные связи. Они предназначены для того, чтобы предотвратить отрыв здания от фундамента при сейсмическом воздействии.

Сейсмические нагрузки не надземные конструкции зданий были определены по СНиП II-A.12-69* при К_с = 0,075 (8,5 балла). Конструктивные антисейсмические мероприятия" предусмотрены в соответствии с требованиями норм для расчетной сейсмичности 9 баллов.

С учетом накопленного опыта проектирования и строительства экспериментальных зданий (см. п.4.6) Фрунзегорпроектом в содружестве с ЦНИИСК им. Кучеренко были разработаны также проекты пятиэтажных крупнопанельных домов на основе серии 105 и домов со стенами из монолитного железобетона, трехэтажного здания ветлечебницы, девятиэтажного крупнопанельного дома серии 105, оснащенного двумя системами сейсмозащиты — сейсмоизолирующим скользящим поясом и динамическими гасителями колебаний (см.гл. 6).

На рис. 4.12 показаны план и разрез экспериментального пятиэтажного крупнопанельного дома № 78 серии 105 в микрорайоне Аламедин, а также детали скользящего пояса. Основные отличия принятого решения от зданий общежития заключаются в применении пластин фторопласта толщиной 3 мм, сборно-монолитном решении стен подвала и технического подполья, более рациональной схеме деталей скользящего пояса, конструктивном решении упругих ограничителей горизонтальных и вертикальных перемещений. При этом обеспечивается лучший доступ к элементам пояса и возможность их осмотра и профилактического ремонта, предотвращается "залипание" на строительном растворе резинометаллических амортизаторов, облегчается их замена.

Сейсмоизолирующий скользящий пояс состоит из 27 скользящих опор, 18 упругих и 18 жестких ограничителей горизонтальных перемещений, 36 ограничителей вертикальных перемещений. Здание имеет размеры в плане 10,8x26,1, несущие конструкции выполнены в виде девяти поперечных стен, расположенных с шагом 2,7 и 3,6 и трех продольных стен по Типовому проекту № 105-010с, разработанному институтом "Киргизгипрострой".

Фундаменты и стены подвала (технического подполья) -сборно-монолитные из бетонных блоков с включением монолитных участков. По верху бетонных блоков предусмотрена монолитная железобетонная обвязка сечением 400x300 мм. Железобетонный ростверк запроектирован монолитным, сечением 400x500 мм. Элементы скользящего пояса (кроме вертикальных связей) расположены в пространстве высотой 120 мм между обвязкой и ростверком.

Сейсмичность площадки строительства — 9 баллов. В связи с отсутствием опыта применения в домах с сейсмоизолирующим поясом сборных фундаментов и стен подвала было признано целесообразным применить для надземных конструкций типовое решение для 9-балльной расчетной сейсмичности, т. е. снижать для экспериментального дома сейсмические нагрузки и объем конструктивных антисейсмических мероприятий. Такой подход обусловлен необходимостью тщательной экспериментальной проверки новых конструктивных решений сейсмостойких зданий до их широкого внедрения в практику строительства.

Аналогичные рассмотренным выше проектные решения были разработаны институтом "Иркутскгражданпроект" для строительства в Иркутске четырехэтажных домов с несущими стенами из кирпичной кладки. Сейсмичность района строительства — 8 баллов, расчетные и конструктивные мероприятия приняты в соответствии с требованиями главы СНиП II-7-81 для расчетной сейсмичности зданий 7 баллов.

Фрунзегорпроектом совместно с ЦНИИСК им. Кучеренко и НИИОСП им. Герсеванова в 1982—1983 гг. был разработан проект первого экспериментального девятйэтажного крупнопанельного дома серии 105 с применением комбинированной системы сейсмозащиты для строительства по ул. Иваницына в г. Фрунзе. В качестве несущих конструкций надземной части приняты конструкции дома с расчетной сейсмичностью 8 баллов по Типовому проекту № III-105-7с на 54 квартиры, с приведенной общей площадью около 3,0 тыс. м², разработанному институтом "Киргизгипрострой".

Сейсмоизолирующий скользящий пояс состоит из 63 скользящих опор с пластинами из нержавеющей стали толщиной 2 мм и фторопласта-4 толщиной 4 мм, 28 и 42 упругих резинометаллических ограничителей одностороннего действия соответственно в поперечном и продольном направлениях, 40 вертикальных связей из арматуры диаметром 36 мм. Скользящие опоры приняты совмещенными с ограничителями горизонтальных перемещений (см. рис. 4.2, б).

Размер здания в плане 39,6x10,8 м, высота 29,7 м. Конструктивные схемы показаны на рис. 4.13 и 4.14.

Фундаменты и стены подвала выполнены из монолитного железобетона В10, глубина заложения фундаментов 3,5 м. Сечение верхней монолитной обвязки 600x300 мм, ростверка 400х500 мм, класс бетона В22,5.

Элементы скользящего пояса (кроме вертикальных связей) расположены в пространстве между; верхней обвязкой и ростверком, отметка низа опорной пластины — 0,87 м, кроме опор около входов на лестничные клетки между осями 4—5 и 10—11. Коэффициент трения скольжения на стадии проектирования, как и для всех других экспериментальных домов, принят f_тр = 0,1.

Аналогичные конструктивные решения с участием ЦНИИСК разработаны Иркутскгражданпроектом (девятиэтажный крупнопанельный дом серии И-163 для строительства в 8-балльном районе Иркутска), ТбилЗНИИЭП (девятиэтажные крупнопанельные дома серии 127 с обычными и предварительно-напряженными стенами для строительства в 7-балльном районе Тбилиси), КрымНИИпроектом (девятиэтажный крупнопанельный дом серии 84 для строительства в 7-балльном районе г. Феодосия).

Камчатскгражданпроектом в содружестве с ЦНИИСК им. Кучеренко и КазпромстройНИИпроектом разработана проектно-сметная документация по 10 блок-секциям домов для строительства в 9-балльном районе Петропавловска-Камчатского. Три из десяти блок-секций выполнены со скользящим поясом — шестиэтажный крупнопанельный дом серии 138, восьмиэтажный крупнопанельный дом серии 138 (с комбинированной системой сейсмозащиты, см. гл. 6) и пятиэтажный крупноблочный дом серии 1-306. В рамках Комплексной программы Госстроя СССР реализуется подготовка к строительству группы зданий в микрорайоне Северо-Восток Петропавловска-Камчатского с поледующим проведением комплекса натурных испытаний домов при статических импульсивных и вибрационных воздействиях.

Конструкция скользящего пояса пятиэтажного крупноблочного дома аналогична системе сейсмозащиты для пятиэтажного крупнопанельного дома в г. Фрунзе. При проектировании шести- и восьмиэтажных экспериментальных крупнопанельных домов конструкция скользящего пояса была модифицирована. С целью максимального использования типовых изделий цокольного этажа пояс размещается на отметке 2,300, фундаменты выполняются сборно-монолитными, а пластины из нержавеющей стали располагаются сверху (рис. 4.15—4.17). При этом исключается возможность скопления воды и мусора в пределах опорных пластин. Для экспериментальной проверки предусмотрена установка нескольких опор с регулировочными устройствами в виде высокопрочных болтов (см. рис. 4.3). Для обеспечения свободного проскальзывания конструкций здания выше скользящего пояса по периметру опытных объектов устраивается либо подпорная стенка с заполнением пространства между ее внутренней гранью и наружной поверхностью стен подвала керамзитобетоном или гранулированным шлаком, либо предусматривается обратная засыпка теми же материалами без подпорной стенки. Изменена конструкция упоров для установки статических домкратов при испытаниях дома и его возвращения в исходное положение после испытаний и землетрясений (см. п. 4.6).

Благодаря использованным модифицированным решениям скользящего пояса удалось повысить технико-экономическую эффективность системы сейсмозащиты (см. гл. 7).

В 1985 г. КБ по железобетону им. А.А. Якушева Госстроя РСФСР совместно с ЦНИИСК им. Кучеренко разработали другое конструктивное решение системы сейсмозащиты. Экспериментальные пятиэтажные крупнопанельные жилые дома на основе типовой серии 135 отличаются размещением скользящего шва на отметке -1,71, в пределах технического подполья (рис. 4.18 и 4.19). При этом в максимальной степени используются типовые цокольные панели, а изготовление их выполняется на ДСК с одновременным креплением пластин их фторопласта. Поступающие на монтаж цокольные панели устанавливаются на опорные стальные пластины, забетонированные в монолитном железобетонном поясе по верху сборных фундаментных блоков. Соединение цокольных панелей между собой осуществляется с помощью шпонок, как принято в типовом проекте серии 135. Все остальные надземные конструкции зданий используются без каких-либо изменений. Такое сборно-монолитное решение элементов скользящего шва позволяет унифицировать проектные решения изделий для районов с разной сейсмичностью и добиться существенного повышения эффективности от использования системы активной сейсмозащиты (экономия расхода стали до 15%), исключает необходимость переналадки оборудования на ДСК и заводах ЖБИ.

В разработанных проектах домов серий 135—0142с/1 и 135—0163с/1 предусмотрено снижение сейсмических нагрузок и соответственно конструктивных антисейсмических мероприятий на 1 балл при строительстве домов в 8-балльных районах (т. е. применение типовых конструкций по проекту для 7-балльной расчетной сейсмичности) и применение минимального объема конструктивных мероприятий при строительстве домов в 7-балльных районах (модификация проектного решения для несейсмических районов).

Аналогичные приведенным выше решения скользящего пояса перспективны для использования в зданиях с жесткой конструктивной схемой социально-бытового назначения (школы, детские сады, ясли, аптеки, сберкассы, магазины), в административных зданиях, зданиях промышленного и сельскохозяйственного назначения, складских сооружениях и др.

Накапливаемый опыт проектирования и строительства экспериментальных домов позволит в ближайшие годы уточнить области их рационального и эффективного применения.

Что касается каркасных зданий, то опыт расчетных и экспериментальных исследований, выполненных в ЦНИИпромзданий и КазПСНИИП свидетельствует о целесообразности применения скользящих опор с наклонными поверхностями контактирующих поверхностей (типа "конверт"). Строительство и натурные испытания экспериментальных объектов позволят дополнительно изучить особенности кинематических параметров деформирования и колебаний надземных конструкций, влияние пониженной жесткости перекрытий и другие факторы, а также определить область рационального применения системы сейсмозащиты.

Подобную цель преследуют работы ЦНИИСК им. Кучеренко, ТбилЗНИИЭП и ЦНИИЭП учебных зданий по созданию и оценке эффективности скользящих опор в каркасно-панельных домах системы ИМС (с последующим натяжением безригельных перекрытий - см. гл. 2). В этом случае повышенная жесткость пред-напряженного перекрытия над подвалом и жесткость бортовых элементов создает благоприятную возможность для постановки скользящих опор непосредственно под перекрытием в пределах подвала. Предложенная конструкция скользящей опоры¹ характеризуется одновременным включением в работу всех групп упругих ограничителей горизонтальных и вертикальных перемещений, пластической работой упоров и гашением как горизонтальных, так и вертикальных колебаний зданий.

Примечания

1. Исследования проведены инж. В.А. Агаджановым под руководством автора настоящей главы.