Опыт строительства и эксплуатации зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом. области рационального применения.
К настоящему времени накоплен определенный опыт строительства в г. Фрунзе и эксплуатации экспериментальных домов с сейсмоизолирующим скользящим поясом. Надежность функционирования здания с системой сейсмозащиты требует выполнения ряда дополнительных требований, относящихся, прежде всего, к изготовлению элементов скользящего пояса и ограничителей, точности их монтажа, эксплуатации объектов строительства. Основные указания приведены в специальных разделах "Рекомендаций" [91] и сводятся к следующему.
Лицевые поверхности пластин из нержавеющей стали и фторопласта должны быть без вмятин и царапин, иметь гладкую зеркальную поверхность. При необходимости эти поверхности следует шлифовать.
Для предотвращения поверхностей пластин от возможных повреждений во время транспортировки, складирования и в процессе производства работ на строительной площадке, рекомендуется после изготовления элементов скользящего пояса наклеить водорастворимым клеем на лицевые поверхности слой мягкой ткани, которая снимается непосредственно перед установкой этих элементов в проектное положение (остатки клея смываются).
Антикоррозийная защита элементов скользящего пояса (скользящих опор, демпферов, упоров, вертикальных амортизаторов) выполняется путем металлизации и окраски лакокрасочными составами, согласно указаниям проекта,в соответствии с требованиями главы СНиП' 2.03.11—85.
В проекте необходимо предусматривать установку непосредственно после устройства скользящего пояса съемных защитных деталей с обеих поверхностей стен (например, из уголков или полос профилированного настила). Снятие защитных деталей разрешается только после согласования проектной организацией и в присутствии ее представителя.
При производстве работ необходимо обращать внимание на точность установки в проектное положение всех элементов сейсмоизолирующего скользящего пояса. Указания по производству работ следует включать в пояснительную записку к проекту здания. Строгая горизонтальность поверхностей верхней обвязки фундамента и ростверка тщательно выверяется нивелиром и уровнем (с базой не менее 30 см). Установку всех частей скользящих опор и других элементов скользящего пояса необходимо выполнять в строгом соответствии с проектом, обеспечивая плотность примыкания по всей плоскости пластин из фторопласта и нержавеющей стали. Проверку точности установки всех деталей необходимо выполнять неоднократно в течение всего периода твердения бетонной смеси фундамента и ростверка (при монолитном решении ростверка и верхней обвязки).
Упоры располагаются в продольных и поперечных стенах, симметрично относительно осей здания, по 4—6 упоров в обоих направлениях исходя из расчетного усилия сдвига в скользящих опорах. Элементы упоров и обрамления ниш для домкратов должны быть рассчитаны и законструированы исходя из горизонтального усилия в стандартном домкрате 1000 кН для зданий высотой до пяти этажей и 2000 кН для зданий высотой до девяти этажей.
До широкого внедрения домов с сейсмозащитой в практику строительства статические испытания с помощью домкратов целесообразно выполнять для всех зданий как обязательные контрольные испытания на стадии их сдачи в эксплуатацию.
Указания по эксплуатации зданий вытекают из аналогичных требований и заключаются в тщательном контроле состояния элементов пояса, недопущении возможности доступа к ним посторонних лиц. При сдаче здания в эксплуатацию необходимо в присутствии представителя проектной организации и директора (главного инженера) ДЭЗ, принимающей здание в эксплуатацию, убедиться в соответствии состояния элементов скользящего пояса проектным требованиям и сделать, соответствующую запись в акте приемки. При обнаружении неисправностей последние должны быть устранены до сдачи дома в эксплуатацию.
Специальной проверке подлежат: состояние скользящих опор, стальных и фторопластовых пластин (очистка от строительного раствора и т. п., наличие вмятин, царапин); точность установки и крепления демпферов, вертикальных связей и амортизаторов, наличие анкеров, состояние и длина резьбы; наличие элементов ограждения ниш для крепления вертикальных связей; отсутствие посторонних предметов (строительного мусора, штукатурки и т. п.) в пространстве (зазоре) скользящего пояса и в местах примыкания ростверка к лестничным маршам, приямкам, подпорным стенкам, элементам отмостки; качественность ограждения элементов скользящего пояса съемными защитными деталями и невозможность доступа к ним посторонних лиц.
Проверка состояния элементов скользящего пояса с фиксацией всех замеченных отклонений и дефектов в журнале состояния дома производится через каждые два года комиссией ДЭЗ с привлечением представителей проектной организации, а также после каждого интенсивного землетрясения (равного или более 5 баллов).
Необходимо исключить возможность попадания штукатурки, краски и т. п. в пространство (зазор) скользящего пояса и его отдельные элементы при внутреннем и наружном ремонте конструкций дома.
Все работы по реконструкции в пределах подвала (технического подполья), установка дополнительных или перенос существующих коммуникаций и проводок могут производиться только после разрешения ДЭЗ и согласования с проектной организацией.
Периодическая окраска элементов скользящего пояса и динамического гасителя может производиться только в присутствии ответственного сотрудника ДЭЗ и представителя проектной организации. При этом необходимо принимать специальные меры для исключения возможности загрязнения фторопластовых и стальных пластин скользящих опор, а также резинометаллических демпферов и вертикальных амортизаторов.
Особо следует подчеркнуть необходимость обеспечения и реализации проектных требований по устройству специальных гибких вставок или компенсаторов при вводе всех инженерных коммуникаций из подвала (технического подполья) в помещения выше скользящего пояса, а также по недопущению устройства в пространстве (зазоре) скользящего пояса разных коммуникаций и проводок (сантехнических труб, электропроводок и др.). Нарушение этого требования может принести к трудно предсказуемым последствиям (замыканиям в электросети и пожарам, нарушению систем теплогазоснабжения, водоснабжения, выходу из строя коммуникаций связи и т. п.).
Опыт строительства домов в г. Фрунзе свидетельствует о возможности реализации отмеченных требований без особых затруднений. Так, при строительстве в 1980—1981 гг. четырех зданий общежития была разработана специальная технология возведения скользящего пояса1. После бетонирования фундамента на клиньях выставлялись опалубка и арматура верхнего ростверка. Для защиты скользящих опор и предотвращения попадания строительного мусора в пространство между верхним ростверком и фундаментом по дну опалубки укладывался за-щитный пергамент. Когда бетонирование заканчивалось и бетон набирал требуемую прочность, клинья выбивались, пергамент удалялся и верхний роствер опускался на фундамент.
В процессе изготовления деталей скользящего пояса и строительства здания строго контролировались проектные требования к изготовлению и монтажу элементов пояса. Качество лицевых поверхностей пластин из нержавеющей стали и фторопласта тщательно проверялось. В случае наличия вмятин и царапин, повреждения гладких зеркальных поверхностей, пластины подвергались шлифовке. Для предотвращения поверхностей пластин от возможных повреждений во время транспортировки, складирования и в процессе производства работ на строительной площадке после изготовления элементов скользящего пояса на лицевые поверхности водорастворимым клеем был наклеен слой мягкой ткани, которая снималась непосредственно перед установкой этих элементов в проектное положение. Проектом была также предусмотрена установка после завершения отделочных работ защитных деталей вдоль всего пояса. Соблюдение проектных требований и строгий контроль за качеством строительства со стороны руководства СМУ позволили достичь вполне удовлетворительного качества работ.
Осмотр зданий через пять лет после начала эксплуатации не выявил каких-либо повреждений скользящих опор, ограничителей, упоров и связей или других дефектов. Открытые скользящие плоскости опорных пластин из нержавеющей стали сохранили гладкую поверхность. Никаких следов коррозии не обнаружено.
Как показали результаты испытаний девятиэтажного крупнопанельного дома, благодаря достаточно высокому качественному выполнению работ подразделениями ДСК-2 Минстроя Киргизской ССР (см. п. 4.3) коэффициент трения скольжения в опорах составил 0,05-0,07, что значительно меньше расчетной величины, а конструкции здания после вибрационных испытаний с высокими уровнями нагрузок не имели никаких повреждений.
Вместе с тем, как показал опыт экспериментальных исследований, в процессе строительства возможны существенные отклонения от проектных требований (отсутствие строгой горизонтальности скользящих опор, отслоение нижних пластин от бетона ростверка и обвязки, загрязнение строительным мусором стальных опорных пластин и пространства между ростверком и обвязкой). В связи с изложенным, и в целях повышения технологичности и индустриальное™ конструкций скользящего пояса целесообразно разработать сборно-монолитные решения элементов сейсмозащиты с выполнением точных и трудоемких операций в заводских условиях. Это позволит эффективно использовать при изготовлении на ДСК опалубку многоразового применения для сборных блоков или панелей, заменяющих ростверк, и линейных блоков, из которых состоит верхняя обвязка стен подвалов. Подобное решение предусмотрено в проекте пятиэтажных домов серии 135, разработанных КБ по железобетону и ЦНИИСК им. Кучеренко (см. п. 4.1). Намечено строительство экспериментальных домов такого типа. Работы в указанном направлении в настоящее время продолжаются. От их реализации, зависит во многом эффективность широкого использования зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом в практике строительства.
Окончательные рекомендации по областям рационального применения зданий с рассматриваемой системой активной сейсмозащиты будут разработаны после проведения комплексной программы Госстроя СССР по расчетно-экспериментальному изучению зданий с разными системами сейсмозащиты в отдельных регионах страны (такие работы запланированы в Петропавловск-Камчатском, Тбилиси, Фрунзе, Ашхабаде, Северобайкальске и др.).
Вместе с тем накопленный опыт свидетельствует о возможности расширения в ближайшие годы строительства зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом. Применительно к строительству во Фрунзе и других городах Киргизской ССР, где проектными и строительными организациями накоплен первый опыт, можно рекомендовать расширить объемы строительства пяти- и девятиэтажных крупнопанельных домов серии 105: при застройке 9-балльных районов снижать расчетные сейсмические нагрузки на надземные конструкции зданий со скользящим поясом: для пятиэтажных зданий в четыре раза (что соответствует снижению расчетной сейсмичности на два балла); для девятиэтажных зданий в два раза (то же, на 1 балл); при застройке.8-балльных районов снижать расчетные сейсмические нагрузки на надземные конструкции пяти- и девятиэтажных крупнопанельных зданий со скользящим поясом в два раза; при застройке 9-балльных районов с неблагоприятными грунтовыми условиями считать возможным строительство пятиэтажных зданий со скользящим поясом, несущие конструкции которых рассчитаны на нагрузки, соответствующие 9 баллам. Необходимо разработать конструктивные решения со скользящим поясом зданий социально-бытового и культурного назначения (школ, детских садов и яслей, профтехучилищ и т. п.), возводимых в панельных конструкциях, а также зданий со стенами из монолитного железобетона, индустриальных кирпичных конструкций и др. Это обеспечит повышение техникоэкономических показателей строящихся зданий (см. гл. 7) и надежность их работы при землетрясениях.
В заключение несколько общих замечаний о перспективах и жизнеспособности решений зданий с системами активной сейсмозащиты.
Основная цель научных и инженерных поисков при разработке новых систем сейсмозащиты заключается в создании надежных конструкций, наиболее естественным и экономичным образом воспринимающих внешние (сейсмические) воздействия и сохраняющих функциональную способность зданий. Это соответствует принципу экономичности или "бережливости", характерному как для природы, так и для разумной человеческой деятельности.
В формализованной постановке теории систем, теории процессов автоматического регулирования и управления аналогичная задача сводится к созданию "целенаправленных" и "целеустремленных" систем. Сущность целенаправленного подхода в теории систем весьма лаконично сформулирована М. Месаро-вичем: "... предполагается, что известны некоторые инвариантные аспекты поведения системы, отражающие ее цель"; в этом случае "мы отдаем себе полный отчет в действиях системы, обеспечивающих достижение этой цели"2.
Применительно к задачам сейсмостойкости сооружений целенаправленность системы достигается на основе использования ее инвариантных свойств реализацией на стадии проектирования схемы конструкций, которая бы в наибольшей степени (с позиций современных представлений) способствовала рациональному и экономически выгодному распределению внутренних усилий и исключала возможность серьезных разрушений и повреждений.
В этом отношении система сейсмозащиты в виде скользящих поясов (опор, швов) обладает очевидными преимуществами перед другими известными системами активной сейсмозащиты (ближе всего к ней система с кинематическими фундаментами, где вместо трения скольжения используется трение качения).
В зданиях со скользящим поясом используется логичный и известный многим поколениям строителей принцип уменьшения связи между отдельными элементами конструкций (в современной трактовке ослабление ч кинематической связи надземных конструкций с фундаментом), и для реализации этого принципа применяются, новые конструкционные материалы. Кроме того, характеристики системы инвариантны или, по крайней мере, слабо чувствительны к параметрам сейсмических воздействий (амплитудам перемещений и ускорений грунта, частотному составу, режимам повторяемости и др.). До преодоления сил трения скольжения система работает как обычная, с жесткой кинематической связью между надземными и подземными конструкциями, а заложенные в системе преимущества, прежде всего, повышенная способность к диссипации энергии и ограничение восстанавливающих (перерезывающих) сил в уровне пояса определенным уровнем используется самым естественным образом.
В этой связи уместно отметить, что введение в строительные конструкции заведомо ослабленных элементов (электрозаклепок, бетонных призм, слабоармированных диафрагм) или узловых сопряжений противоречит традиционному принципу "не ухудшать", "не ослаблять" конструкцию и снижает надежность объектов строительства в сейсмических районах. Попытки обосновать преимущества таких систем [2, 3] их "способностью к адаптации" неубедительны по двум причинам: термин "адаптация" применительно к биологическим и механическим системам характеризует способность к реализации принципов разумности, экономичности затрат внутренних ресурсов или "бережливости" в природе;в области строительства используются понятия "приспособляемости" или "стабилизации циклических состояний" в условиях повторно-переменного деформирования, содержательное определение которых представляется для конструкций зданий более "физичным" и четким; системы с переменной внутренней структурой и особенно с кусочно-линейными и разрывными участками диаграмм типа восстанавливающая сила — перемещение обладают повышенной способностью к возбуждению внутренних резонансов и неустойчивости "в большом"; в пространстве амплитудных и частотных параметров области устойчивого функционирования таких систем весьма ограничены и возникает опасность их непредсказуемого выхода из строя (наступления неконтролируемых отказов конструкций) [52]. Изложенные соображения требуют весьма осторожного принятия решений при введении выключающихся элементов в системы конструкций зданий, строящихся в сейсмических районах.
Примечания
1. Дома построены СМУ МВД Киргизской ССР (гл. инж. М.И. Штрафуя).
2. Месарович М„ Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем, - М.: Мир, 1973. - 334 с.