Сейсмоизоляция сооружений

Самым старым и одним из наиболее перспективных методов активной сейсмозащиты является сейсмоизоляция. Сейсмоизоляцией называется существенное снижение сейсмического воздействия на часть сооружения, расположенную выше фундамента, путем установки каких-либо систем или элементов между этой частью сооружения и фундаментом [1].

Еще в древности в некоторых случаях строители с целью ослабить действие землетрясений на сооружения пытались изолировать здания от их основания путем устройства мягких прокладок на уровне верха фундаментов. Так, в III-VII вв. некоторые монументальные сооружения Средней Азии строились на песчаных подушках, в X—XVII вв. — на подушках из чистой глины, в цокольной части стен прокладывались мягкие камышовые прослойки. Однако, будучи спрессованными тяжелой кладкой стен и старея со временем, эти слои вряд ли надежно служили своей цели.

В начале нашего века, после землетрясений в Сан-Франциско и Токио, опять проявился интерес к специальным конструкциям подземной части зданий, способным уменьшить инерционные силы в их надземных частях. Примером этого могут служить упоминавшиеся выше предложения М. Вискордини.

Упоминание о возможности применения таких конструкций появилось и в нашей литературе после Крымских землетрясений 1927 г., где, однако, подчеркивалась практическая трудность их выполнения.

Системы с гибкой нижней частью несущей конструкции здания

В 30-х годах возникла идея сейсмоизоляции зданий с помощью устройства в зданиях первого (или подвального) гибкого этажа. Эта идея основывалась на существовавшем в то время представлении, что при всех землетрясениях сейсмическая реакция зданий с гибкой конструктивной схемой всегда меньше, чем у зданий с жесткой конструктивной схемой. Эта идея получила довольно широкое распространение, в том числе и в нашей стране, так как для своего воплощения не требовала специальных мероприятий, выходящих за границы традиционных способов строительства зданий.

Начало строительства зданий с гибким первым этажом положено в 30-х годах на Тихоокеанском побережье США, позже их стали возводить в Италии, Мексике, Югославии, СССР. При внедрении этой конструкции в практику сейсмостойкого строительства не все ее особенности и не все возможные типы землетрясений были учтены. Однако последствия ряда последующих землетрясений, а также анализ записей сильных землетрясений показали на возможность возникновения при некоторых землетрясениях весьма заметных ускорений в области периодов до 1-2 с, а иногда даже и до 4-5 с. В случае расположения зданий с первым гибким этажом с зоне таких землетрясений возможны их катастрофические разрушения, что и произошло в Каракасе в 1967 г. Большие повреждения и разрушения получили каркасные здания без заполнения в первом этаже в Агадире 1960 г., Скопле 1963 г. и Бухаресте 1977 г. Учитывая, что землетрясения с преобладанием низкочастотных колебаний достаточно редки, здания с гибким первым этажом могут использоваться как средство сейсмоизоляции, но только в сочетании с дополнительными сейсмозащитными средствами. В частности, могут быть применены динамические гасители колебаний, включающиеся или выключающиеся-св язи, включающиеся демпферы и т. п.

Расчет зданий с гибким первым этажом необходимо выполнять с учетом волнового характера сейсмического воздействия, так как возможны ситуации, когда суммарные сейсмические усилия в некоторых частях здания с гибким первым этажом могут за счет интенсивных вращательных движений даже возрасти по сравнению с обычным зданием [146].

Одним из направлений сейсмоизоляции, получившим довольно широкое распространение в Англии, Франции, США и Новой Зеландии, является использование резинометаллических опор, устанавливаемых между несущими конструкциями здания и фундамента. Первоначально такие опоры нашли широкое применение при конструировании сесмостойких опор мостов, а затем с некоторой доработкой стали применяться и для сейсмоизоляции зданий (рис. 3.2). Так, опоры системы GAPEC (Франция) имеют слоистую конструкцию и состоят из попеременно чередующихся стальных листов и неопрена [129]. Для предотвращения чрезмерной осадки зданий под нагрузкой от собственного веса опоры выполняют жесткими в вертикальной плоскости. В то же время они обладают малой жесткостью в горизонтальной плоскости (в 100 раз меньше ее жесткости в вертикальной плоскости), чтобы обеспечить возможность упругого бокового перемещения. Опоры обладают высокой прочностью при сжатии, растяжении и кручении благодаря упругим свойствам неопрена. В результате ряда принятых мер срок службы опоры, по данным авторов этой конструкции, достигает приблизительно 50 лет.

Данный тип сейсмоизолирующих опор был использован при строительстве школьного трехэтажного крупнопанельного здания размером в плане 77,5x30,5 м в г. Ламбеск (Франция) [21]. Система сейсмозащиты предусматривала устройство 152 сейсмоизоляторов.

Похожие опоры разработаны специалистами Новой Зеландии [139]. Конструктивная схема резинометаллической опоры показана на рис. 3,2, в. Опора состоит из слоев резины, разделенных тонкими металлическими пластинами. Данные опоры использованы для сейсмоизоляции четырехэтажного здания в Новой Зеландии.

В Японии в г. Ятиё фирмой "Юнитика" осуществлено строительство и испытано на вибрационные нагрузки экспериментальное здание с сейсмоизолирующими слоистыми резинометаллическими опорами [125]. Наземные конструкции здания опираются на шесть опор и на два дополнительных амортизирующих устройства с упорами. 2- июля 1983 г. здание подверглось воздействию землетрясения, при котором амплитуда колебаний грунта достигала 20 см. Внутри здания не было обнаружено никаких повреждений, предметы и инженерное оборудование не перемещались, при этом зарегистрированы значительные деформации сейсмоизолирующих опор. По мнению специалистов Японии, данные опоры снижают сейсмические ускорения в три—пять раз.

Применение резинометаллических опор предполагает значительные боковые перемещения под действием сейсмической нагрузки, что вызывает необходимость специального обеспечения коммуникаций между подземной и надземной частями здания. Другой проблемой, возникающей при использовании указанных опор, является обеспечение стабилизации здания под действием ветровых.,нагрузок. Это достигается путем использования специальных устройств, своего рода выключающихся связей, устанавливаемых в плоскости опор. При сейсмических воздействиях эти связи разрушаются и в дальнейшем должны восстанавливаться.

Учитывая хорошие сейсмоизолирующие свойства резинометаллических опор, а также имеющийся положительный опыт эксплуатации данных опор на ряде объектов в разных странах, можно предположить, что при некотором совершенствовании их конструкции они найдут достаточно широкое применение в системах сейсмоизоляции зданий. В настоящее время к существенным недостаткам этих систем следует отнести довольно высокую сложность (с точки зрения технологии строительства) изготовления таких опор, большое количество опор, необходимое под одно здание, а также повышенную чувствительность системы к низкочастотным воздействиям. Последнее требует применять такую систему сейсмоизоляции в сочетаний с другими средствами сейсмозащиты как и в случае применения зданий с первым гибким этажом.

Системы с кинематическими опорами

Как уже было сказано ранее, в 1925 г. были опубликованы предложения М. Вискордини по устройству в подземной части зданий Катковых опор или колонн со сферическими верхними и нижними опорами. С тех пор предложений об использовании опор качения как средства сейсмоизоляции зданий появилось очень много [103, 104, 107, 119], но их применение в практике сейсмостойкого строительства встречается довольно редко.

Одной из основных причин этого является недостаточная изученность поведения такого рода систем при сейсмических воздействиях, особенно при землетрясениях, имеющих доминантные периоды более 1 с. При таких землетрясениях здание с кинематическими опорами может получить значительные смещения, при которых может произойти потеря устойчивости всего здания и его полное обрушение. Таким образом, такая система сейсмойзоляции может применяться только в районах, для которых прогнозируются высокочастотные землетрясения и исключается возможность появления низкочастотных землетрясений. В остальных случаях сейсмоизоляция с кинематическими опорами может применяться только с дополнительными средствами сейсмозащиты.

В настоящее время имеется некоторый опыт практического применения таких систем в нашей стране. Так, в Севастополе в 1972 г. построено пятиэтажное крупнопанельное здание с сейсмоизолирующим поясом, состоящим из 6500 армоцементных опор в форме эллипсоидов вращения диаметром 6 см и высотой 5,8 см (рис. 3.3, а), уложенных по всей площади фундамента. Кроме того, в здании применена демпфирующая система в виде железобетонного бункера, жестко соединенного с надфундаментной частью здания и свободно опущенного в слой песка.

С целью получения данных о реальных динамических параметрах здания были проведены экспериментальные исследования [7]. Было обнаружено, что часть опор под действием веса здания разрушилась, что говорит о их неравномерном загружении или разной прочности. Кроме того, при испытаниях выяснилось, что данное конструктивное решение не привело к существенному изменению динамических характеристик здания по сравнению с аналогичными характеристиками зданий, имеющих обычные фундаменты. Проведенные дополнительные модельные исследования показали, что применение опор в форме эллипсоидов диаметром меньше 0,5 м не обеспечивает сейсмоизоляцию сооружений.

Полученные негативные результаты были учтены при проектировании двух восьмиэтажных зданий в Севастополе. В первом из них в качестве опор-эллипсоидов применены 270 железобетонных стоек высотой 41 см со сферическими поверхностями торцов (рис. 3.3, б). Нагрузка на стойки от здания передается через сплошную монолитную плиту. В здании применена система демпфирования с сухим трением.

Во втором здании применены железобетонные стойки высотой на этаж со сферическими поверхностями торцов. Так же как и для первого здания применены демпферы сухого трения.

Проведенные испытания показали, что периоды собственных колебаний зданий близки к расчетным и составляли 2,8 с для первого и 3,6 с для второго зданий [27].

К недостаткам данной системы следует отнести следующее. Изготовление стоек с сферическими торцами и специальными высокопрочными контактными поверхностями требует высокой точности, присущей скорее машиностроительному производству, чем строительной технологии, Кроме того, при наклонах стоек возникают существенные местные напряжения, для воспринятая которых требуется дополнительная арматура, что приводит к увеличению расхода стали. Все это, а также повышенная точность при монтаже приводит к существенному возрастанию трудоемкости и стоимости конструкций. Более экономичной и простой при монтаже представляется система сейсмоизоляции с кинематическими опорами конструкции Ю.Д. Черепинского (рис. 3.3,в),, примененная для четырехэтажного здания в г. Навои. Нижние основания кинематических опор, имеющие выпуклую сферическую поверхность опирания размещаются в сферических выемках опорной плиты фундамента, а верхние основания их соединяются шарнирно с колоннами посредством центрирующей шайбы.

Проведенные испытания показали, что жесткость кинематических фундаментов существенно нелинейна и колеблется от 30000 до 1000 т с/м [112]. Данное обстоятельство может положительно сказываться на адаптационных свойствах данной системы сейсмоизоляции при землетрясениях.

Системы с подвесными опорами

Идея гибкой подвески здания для снижения его сейсмической реакции была реализована в ряде проектов. В 60-х годах в Ашхабаде было построено трехэтажное здание с сейсмоизоляцией системы Ф.Д. Зеленкова, где наземные конструкции с помощью тяжей и пружин подвешивались к стенам монолитного фундамента. В отличие от других предложений такая система должна была снижать как горизонтальные, так и вертикальные колебания. Однако опыты Туркменского института сейсмостойкого строительства не подтвердили предполагаемые большие значения периодов собственных колебаний здания, указав на сравнительно большую жесткость конструкции.

Похожая конструкция была применена в Испании [126]. Фундамент этой конструкции (рис. 3.4) представляет собой бетонный колодец, к верхней плите которого подвешена на четырех наклонных преднапряженных тяжах железобетонная плита. На эту плиту установлены железобетонные'опоры, расположенные под колоннами здания и поверху объединенные железобетонным ростверком. Обе эти конструкции являются очень сложными и дорогими. Так, стоимость сейсмоизоляции системы Ф.Д. Зеленкова составила 24 % общих затрат. Кроме того, стальные пружины находятся постоянно под напряжением, здание чувствительно к любым динамическим нагрузкам. Поэтому представляется не рациональным рекомендовать сейсмоизоляцию такого типа для внедрения в сейсмостойкое строительство.

К этой же группе систем сейсмоизоляции можно отнести и здания с подвешенными этажами, получившие распространение в практике сейсмостойкого строительства за рубежом [86]. К преимуществам таких зданий относятся: увеличение доли полезной площади помещений, меньшая чувствительность к неравномерным осадкам фундаментов, уменьшение объемов работ по возведению фундаментов. Недостатки таких систем остаются теми же, что и для указанных выше конструктивных решений систем с подвесными опорами. Одним из возможных направлений улучшения, системы сейсмоизоляции с подвешенными этажами, повышения ее надежности является применение в перекрытиях узлов сухого трения [9].

Системы со скользящими опорами

Можно существенно снизить горизонтальные нагрузки, передаваемые на несущие надземные конструкции здания, если обеспечить возможность их проскальзывания относительно фундамента. Часть энергии, сообщаемая сооружению, затрачивается при этом не на преодоление сопротивления связей в конструкции, а на преодоление сил трения скольжения. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко совместно с Фрунзенским политехническим институтом выполнены исследования, а институтом "Фрунзегорпроектом" при участии ЦНИИСК и ФПИ разработан ряд проектов зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом в фундаменте.

Скользящий пояс представляет собой ряд опор с пластинами из материалов с низким коэффициентом трения скольжения. Он устраивается между несущими конструкциями здания и фундаментом или непосредственно в фундаменте, разрезая его в горизонтальной плоскости (рис. 4.1 и 4.2). В результате экспериментов в ФПИ в качестве антифрикционных прокладок выбраны пластины из фторопласта и нержавеющей стали [123]. При слабых колебаниях ускорения основания передаются на здание как при жесткой связи с фундаментом. При увеличении ускорения основания силы трения преодолеваются и здание начинает проскальзывать относительно' фундамента, что приводит к ограничению инерционных сил, возникающих в вышележащих этажах. Для ограничения взаимных горизонтальных перемещений здания и фундамента в систему сейсмоизоляции вводят упругие (резинометаллические) и жесткие (железобетонные) ограничители. Для предотвращения возможности отрыва здания от фундамента предусматриваются упругие ограничители вертикальных перемещений.

В г. Фрунзе построено несколько зданий со скользящим поясом, проведены их. натурные испытания, которые подтвердили работоспособность сейсмозащиты в виде сейсмоизолирующего скользящего пояса в фундаменте [84]. По данным Фрунзегор-проекта, применение скользящего пояса при строительстве четырех общежитий позволило уменьшить расход стали на 32 тонны и снизить сметную стоимость на 42,5 тыс. руб., т. е. примерно на 6 %. В целом при применении данной системы сейсмоизоляции для строительных площадок сейсмичностью 8 и 9 баллов обеспечивается снижение объемов антисейсмических мероприятий, расхода металла на 3-5 %, сметной стоимости строительства на 3-6% [81].

Похожая система сейсмоизоляции была применена при строительстве атомной электростанции "Koeberg" [113]. Фундамент под сооружение выполнен в виде сдвоенной железобетонной монолитной плиты размером в плане 150x90 м (рис. 3.5,а). Нижняя фундаментная плита имеет 600 столбчатых .опор размером 2x2x2 м. На каждую столбчатую опору уложено по четыре упругие подушки из неопрена размером 70x70x10 см. Эти подушки являются горизонтальным амортизатором. Над подушками расположена другая часть опоры, включающая две фрикционные пластины, способные перемещаться одна относительно другой с коэффициентом трения 0,2. Верхняя из пластин, выполненная из нержавеющей стали, связана с вышележащей конструкцией, нижняя, выполненная из бронзы с добавлением свинца, связана с упругой подушкой.

При слабом сейсмическом воздействии (ускорение порядка 0,15—0,2g) происходит простое скручивание упругой подушки без смещения фрикционных пластин (рис. 3.5, б). При возрастании ускорения (более 0,2g) скручивание подушки сопровождается взаимным смещением пластин.

Опыт проектирования и строительства описанных выше объектов показал, что данная система сейсмоизоляции может быть успешно применена для сооружений с жесткой конструктивной схемой. К достоинству данной системы можно отнести то, что она не требует создания дополнительных сложных, высокоточных узлов (сейсмоизолирующий пояс может быть легко выполнен как в заводских условиях, так и в условиях строительной площадки). При воздействиях, ниже расчетных, сооружения работают как обычные, с жесткой кинематической связью между фундаментом и вышележащими конструкциями. Система сейсмоизоляции обеспечивает наибольшее снижение сейсмических нагрузок при воздействиях, близких к максимальным расчетным.