Seysmika

ЗДАНИЯ, ВОЗВОДИМЫЕ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ

Особенности сейсмических районов, Сейсмическими называют районы, в которых возможны землетрясения. В нашей стране землетрясениям подвержено более 13% территории. Сейсмические воздействия относятся к динамическим. Возникают они в период землетрясения в связи с перемещением основания зданий или сооружений, вызывая их горизонтальные и вертикальные колебания.

Рис.1. Характеристика очага землетрясения:

а) – схема распространения сейсмических волн; б) – характер колебаний точки грунта в зависимости от удаления от эпицентра.

Землетрясения, эпицентры которых находятся вблизи населенных пунктов, вызывают повреждения или разрушения недостаточно прочных построек. Поэтому при проектировании зданий и сооружений, предназначенных для возведения в сейсмически активных районах, необходимо учитывать помимо обычных нагрузок сейсмические силы.

Силы землетрясений оценивают по 12-балльной шкале и принимают по картам сейсмического районирования.

Землетрясения силой в 5 баллов и меньше не вызывают заметных повреждений в строениях и поэтому практически не учитываются. Землетрясения в 7 баллов вызывают трещины и другие повреждения в стенах каменных зданий, в 8 баллов - значительные повреждения и отдельные разрушения, в 9 баллов - сильные разрушения и обвалы зданий, если они возведены без антисейсмических мероприятий.

В районах с предполагаемыми землетрясениями в 10 баллов и более здания не возводят, так как возникающие при этом сейсмические силы обычно разрушают основания сооружений.

Степень сейсмического воздействия на здания и сооружения зависит от грунтовых условий. При строительстве на плотных и сухих грунтах сейсмическое воздействие ослабляется, на рыхлых и водонасыщенных грунтах усиливается. Особенно опасны в сейсмическом отношении участки с сильно расчлененным горным рельефам.

Сейсмическими районами в нашей стране являются республики Средней Азии, Кавказ, Крым, Горный Алтай, Прикарпатье, Прибайкалье, Чукотка, Дальний Восток, Камчатка, Сахалин.

При проектировании зданий и сооружений пользуются приведенными в табл.1 величинами расчетной сейсмичности, под которыми понимают сейсмичность территории, увеличенную или уменьшенную на один балл в зависимости от назначения, срока службы и степени опасности разрушения объекта.

Таблица 1. Расчетная сейсмичность зданий и сооружений

Характеристика зданий и сооружений	Расчетная сейсмичность при сейсмичности площадки строительства, баллы
	7	8	9
1.Здания и сооружения, за исключением указанных в п.2 и 3 настоящей таблицы	7	8	9
2.Особо ответственные здания и сооружения республиканского значения	8	9	9*
3.Одноэтажные здания с числом работающих не более 50 и не содержащие особо ценного оборудования, небольшие мастерские и т.п. здания	7**	7	8

* Здания и сооружения рассчитывают на нагрузку, соответствующую расчетной сейсмичности, умноженную на дополнительный коэффициент 1.5.

** То же, на коэффициент 0,5.

Здания и сооружения, разрушение которых не угрожает людям и ценному оборудованию (кроме зданий и сооружений, сохранность которых важна для предотвращения возможных аварий и для ликвидации последствий землетрясения), строят без учета сейсмических воздействий.

Сейсмостойкость зданий и сооружений обеспечивают: выбором благоприятной в сейсмическом отношении площадки строительства, конструктивно-планировочной схемы и материалов; соответствующим расчетом несущих и ограждающих конструкций; применением специальных конструктивных мер; особенно высоким качеством выполнения строительно-монтажных работ.

Проблема надежности и экономичности сейсмостойкого строительства особенно актуальна в настоящее время в связи с быстрым развитием промышленности в сейсмически активных южных и восточных районах, а также с возведением зданий и сооружений преимущественно из сборных элементов и конструкций.

Принципы проектирования сейсмостойких зданий и сооружений. Здания и сооружения, предназначенные для возведения в сейсмических районах, отличаются от обычных рядом особенностей в объемно-планировочном и конструктивном решениях.

При проектировании сейсмостойких зданий и сооружений необходимо обеспечивать симметричное относительно их главных осей и равномерное в плане распределение масс и жесткостей. Невыполнение этого условия может привести к несовпадению центра тяжести нагрузок с центром жесткости сооружения (этот центр определяется расположением и жесткостью рам каркаса, стен, покрытия и т. д.), что будет интенсифицировать развитие крутящих моментов в плане здания и приведет к концентрации усилий на отдельных несущих конструкциях. Здания в сейсмических районах должны иметь простое очертание в плане (круг, квадрат, прямоугольник). Не рекомендуется делать к ним пристройки и асимметрично располагать лестничные клетки. Простыми должны быть и фасады зданий - без уступов и надстроек.

Здания и сооружения большой площади застройки, а также со сложным очертанием в плане или различной высотой частей расчленяют на отсеки прямоугольной формы антисейсмическими швами (рис.1, а). Предельные размеры зданий (отсеков) в зависимости от характера их несущих конструкций и расчетной сейсмичности принимают по нормам.

Антисейсмические швы разделяют смежные отсеки по всей высоте здания; шов допускается не делать лишь в фундаменте. Устраивают такие швы постановкой парных колонн или несущих стен и, как правило, совмещают с температурными и осадочными швами.

При выборе типов зданий для строительства в сейсмических районах при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать одноэтажным. В случае устройства подвала его предусматривают под всем зданием или отсеком. При расчетной сейсмичности 9 баллов в зданиях высотой в три этажа и более выходы из лестничных клеток делают на обе стороны здания.

Основные несущие конструкции сейсмостойких зданий должны быть по возможности монолитными и однородными. Им придают не только достаточную прочность, но и равнопрочность, так как преждевременный выход из строя слабых узлов и элементов может привести к разрушению здания до исчерпания несущей способности основных конструкций. Следует стремиться к максимальному облегчению и понижению центра тяжести конструкций.

При проектировании сборных железобетонных конструкций по возможности увеличивают их размеры: укрупненные конструкции позволяют уменьшить количество стыковых мест и тем самым. Повысить сейсмостойкость зданий. Стыки должны быть надежными и простыми; располагать их следует вне зоны максимальных усилий.

Рис. 1. Конструктивные мероприятия, снижающие сейсмические воздействия на здания (планы):

а - разделение здания на отсеки антисейсмическими швами; б - перенос тяжелого оборудования в нижний этаж; в - замена мостового крана козловым (напольным); 1 - антисейсмический шов; 2 - не рекомендуемое расположение оборудования; 3 - рекомендуемое; 4- мостовой кран; 5 - козловой кран

Необходимо избегать резкой концентрации напряжений в элементах конструкций и хрупких соединений. Благодаря более высоким механическим качествам предварительно напряженные конструкции лучше противостоят повреждениям при землетрясениях.

Поскольку величина сейсмических нагрузок зависит от массы здания, для уменьшения усилий, возникающих в несущих конструкциях под воздействием сейсмических сил, следует применять более легкие конструкции.

Помимо этого желательно уменьшать высоту зданий, переносить технологические процессы, связанные с тяжелым оборудованием, с верхних на нижние этажи (рис.1, б), заменять мостовые краны и подвесной транспорт козловыми кранами или другими средствами напольного транспорта (рис.1, в). Эти меры позволяют понизить центр тяжести здания и тем самым приблизить к основанию уровень приложения равнодействующей горизонтальных сейсмических сил, что в свою очередь уменьшает значения моментов в основании и поперечных сил в верхней части здания (здание рассматривается как заделанная в грунт консоль).

Сейсмостойкие конструкции зданий и сооружений проектируют по двум конструктивным схемам: по жесткой схеме из несущих вертикальных элементов (диафрагм), работающих под действием сейсмической нагрузки преимущественно на сдвиг и обладающих малыми деформациями; по гибкой схеме из несущих вертикальных элементов, работающих под действием сейсмических толчков преимущественно на изгиб.

При выборе конструктивной схемы здания необходимо иметь в виду, что жесткая схема способствует более эффективному затуханию колебаний, а гибкая снижает сейсмическую нагрузку на здание.

В сейсмостойких каркасных промышленных зданиях применяют рамы с жесткими нижними и шарнирными верхними узлами, а также рамы со всеми жесткими узлами. Для одноэтажных зданий отдают предпочтение рамам первого типа, позволяющим применять типовые конструкции покрытия, предназначенные для обычных зданий, но, как правило, с некоторым усилением их. Кроме того, такая схема менее чувствительна к неравномерным осадкам, вызываемым сейсмическими воздействиями, и позволяет ослабить их.

Многоэтажные здания для сейсмических районов проектируют с несущим каркасом, образованным продольными и поперечными рамами преимущественно со всеми жесткими узлами. Покрытиям и перекрытиям сейсмостойких зданий придают свойства жесткой диафрагмы, обеспечивающей пространственную работу здания и распределяющей горизонтальные нагрузки между всеми вертикальными несущими конструкциями.

Конструктивные особенности сейсмостойких зданий.

Во время землетрясений фундаменты по сравнению с другими элементами здания подвергаются меньшим повреждениям. Однако надежно выполненные фундаменты - залог повышенной сейсмостойкости других конструкций зданий.

Под здания с несущими стенами предусматривают, как правило, ленточные фундаменты из крупных блоков. Сейсмостойкость таких фундаментов повышают устройством по нижней ленте (подушке) и по верху блоков армированных швов (рис.2, а). Блоки укладывают с перевязкой вертикальных швов на растворе не ниже марки 25. Армированные швы выполняют из раствора М50, в который укладывают четыре продольных стержня диаметром 8-12 мм, связанных через .30-40 см поперечными стержнями диаметром 6 мм.

В каркасных зданиях колонны устанавливают на отдельно стоящие железобетонные фундаменты стаканного типа, как и в зданиях, возводимых в несейсмических районах. В тех случаях, когда отдельные фундаменты не могут противостоять сдвигающим усилиям сейсмических нагрузок, их соединяют с соседними фундаментами распорками-связями. В качестве распорок можно использовать фундаментные балки, которые крепят к фундаментам сваркой закладных элементов (рис.2, б).

Рис. XXI-2. Фундаменты сейсмостойких зданий:

а -для зданий с несущими стенами; б - крепление фундаментных балок к фундаментам под колонны; в – фундамент на песчано-гравийной подушке; 1 – армированный; шов 2 - жирный цементный раствор; 3 - бетонный столбик; 4 - стальные закладные элементы;5 - железобетонный башмак; 6 - железобетонная обойма-оболочка; 7 - песчано-гравийная смесь

Во избежание коррозии стальных деталей места соединении покрывают бетоном. Над стыками фундаментных балок с фундаментами следует укладывать симметрично оси ряда арматурную сетку длиной 2 м из стержней диаметром 8-10 мм. Для зданий повышенной этажности фундаменты рекомендуется устраивать в виде перекрестных лент или сплошных плит.

Хорошей сейсмостойкостью обладают применяемые в Японии фундаменты из железобетонных башмаком круглой формы, установленных на уплотненную песчано-гравийную подушку; последнюю заключают

в железобетонную цилиндрическую обойму-оболочку (рис.2, в). Подушка является амортизатором, смягчающим сейсмические воздействия на здание.

Сейсмостойкие сооружения можно сооружать на свайных фундаментах – забивных железобетонных сваях - стойках. Ростверк в пределах отсека устраивают непрерывным, в одном уровне и с заглублением в грунт. В целях обеспечения хорошего сцепления стен с фундаментными балками или ленточными фундаментами гидроизоляционный слой следует выполнять из жирного цементного раствора.

Грани колонн каркаса, а также стенки стаканов фундаментов в большинстве случаев имеют шпонки, рассчитываемые на срез от растягивающих усилий. Вертикальные стальные связи между колоннами продольных рядов здания (отсека) с мостовыми кранами рекомендуется размещать в пределах подкрановых частей колонн.

Как отмечалось, снижение массы зданий способствует уменьшению сейсмических нагрузок. Поэтому стены сейсмостойких зданий целесообразно монтировать из легкобетонных, асбестоцементных и алюминиевых панелей длиной, равной шагу пристенных колонн. Нередко также выкладывают стены из кирпича и других каменных материалов.

По конструктивной схеме стены сейсмостойких каркасных зданий могут быть самонесущими - с опиранием на фундаментные балки и навесными - с опиранием на каркас.

Высота самонесущих стен при расчетной сейсмичности 7, 8 и 9 баллов не должна превышать соответственно 18, 16 и 9 м. В стенах высотой более 12,9 и 6 м при расчетной сейсмичности соответственно 7, 8 и 9 баллов предусматривают конструктивное вертикальное продольное армирование. Площадь всей продольной арматуры должна составлять не менее 0,1% площади сечения кладки.

Для обеспечения беспрепятственных деформаций каркаса между внутренней поверхностью стены и наружными гранями колонн оставляют зазор шириной не менее 20 мм, а в местах пересечения торцовых и поперечных стен с продольными устраивают вертикальные антисейсмические швы на всю высоту стены (рис.3, а).

Ширину вертикальных швов в самонесущих каменных стенах высотой до 5 м принимают не менее 30 мм, а в стенах большей высоты ее увеличивают на 20 мм на каждые 5 м высоты. В навесных панельных и каменных стенах ширину шва определяют расчетом в зависимости от величины предполагаемых перемещений смежных объемов при землетрясениях.

В навесных стенах помимо вертикальных швов предусматривают горизонтальные антисейсмические швы по всей длине стены на уровне низа каждого навесного участка, заполняемые эластичным материалом (рис.3,б). Толщину горизонтальных швов принимают равной 15 – 20 мм.

Крепления стен к элементам каркаса не должны препятствовать горизонтальным смещениям каркаса вдоль самонесущих стен или на участках между горизонтальными антисейсмическими швами при навесных стенах.

Стеновые крупноразмерные панели крепят к колоннам в четырех углах, а панели простенков - в местах примыкания к колоннам в двух верхних и нижних точках. Скрепляют панели с колоннами посредством стальных пластинок и уголков (рис.3, а).

В самонесущих каменных стенах крепления размещают по высоте здания не реже чем через 1,2 м, а над каждым креплением в горизонтальный шов кладки укладывают сварные сетки из холоднотянутой проволоки диаметром 3-5,5 м общей площадью сечения продольной арматуры не менее 1 см² (рис. 3, г). Сетки заводят не менее чем на 50 см в каждую сторону от крепления. При расчетной сейсмичности 9 баллов сетки рекомендуется укладывать по всей длине стены. Кладку стен ведут на растворе марки не ниже 25; для парапетов марка раствора должна быть не менее 50.

Рис.3. Детали стен сейсмостойких зданий:

а -вертикальный антисейсмический шов; б - крепление стеновых и оконных панелей в уровне горизонтального антисейсмического шва; в - деталь крепления стеновых панелей к колонне в уровне рядового шва; г - крепление самонесущей кирпичной стены к колонне; 1 - пакля или эластичный материал; 2 - доска 50X150 мм; .3 - сталь толщиной 8 мм; 4 - оцинкованная сталь; 5 - утеплитель; 6- горизонтальный антисейсмический шов, заполняемый эластичным материалом; 7 -стальная пластинка; 8 - цементный раствор; 9 - закладная деталь панели; 10 - крепежный уголок; 11 - сварная сетка; 12 - крепежные элементы

В зданиях с каменными стенами по всей длине стены между вертикальными антисейсмическими швами на уровне плит покрытия и верха оконных проемов устраивают антисейсмические пояса. Их выполняют из сборного или монолитного железобетона и соединяют с каркасом анкерами. Хорошо соединенные с колоннами и между собой сборные перемычки и обвязочные балки служат надежными антисейсмическими поясами. Ширина поясов, как правило, равна толщине стены, а высота не менее 150 мм. Железобетонные пояса выполняют из бетона марки не ниже 150.

Покрытия сейсмостойких зданий должны быть, возможно, более жесткими в горизонтальной плоскости. Для их монтажа применяют сборные типовые конструкции, разработанные для несейсмических районов, но при условии выполнения более прочных соединений.

В зданиях при расчетной сейсмичности 8 и 9 баллов предпочтение отдают облегченным несущим и ограждающим конструкциям покрытий (металлические фермы, стальной профилированный настил, асбестоцементные и алюминиевые листы и панели и др.). Необходимую жесткость таким покрытиям придают постановкой дополнительных связей. Применять железобетонные подстропильные конструкции в таких зданиях не рекомендуется.

Стропильные конструкции в зданиях с расчетной сейсмичностью 7 и 8 баллов соединяют с колоннами, как в несейсмических районах, но с устройством более развитой системы связей. В зданиях с расчетной сейсмичностью 9 баллон узлы опирания фермы или балок покрытия на колонны создают путем соединения опорных выносных листов (рис.4,а). Такой узел обеспечивает возможность поворота верхнего сечения колонны.

Горизонтальная сейсмическая нагрузка, действующая на плиты покрытия в продольном направлении здания (отсека), передается на продольные ряды, колонн через диск покрытия. Диск образуется замоноличиванием плит бетоном и соединением плит стальными накладками поверху или понизу (в зависимости от расчетной сейсмичности и места расположения плит).

С этой целью в продольных швах между плитами предусматривают шпонки и арматурные каркасы. Швы тщательно заполняют раствором или бетоном марки не ниже 200. Указанные детали показаны на рис. 4,б-г.

Железобетонный каркас сейсмостойких многоэтажных зданиях состоит из сборных колонн и поперечных ригелей. Продольные ригели могут быть монолитными ( П – образного сечения ) или сборными ( рис.5,а).

В зданиях с расчетной сейсмичностью 7 баллов продольную устойчивость обеспечивают постановкой стальных связей между колоннами или продольными рамами с жесткими узлами. Стыкуют колонны в зоне действия наименьших изгибающих моментов

Рис. ХХ1-5. Детали каркасов многоэтажных сейсмостойких зданий:

а - перекрытие с монолитными продольными ригелями; б - сопряжение поперечных сборных ригелей с колонной; в - сопряжение сборных поперечных и продольных ригелей с колонной; 1 продольные монолитные ригели; 2 - сборные железобетонные плиты; 3 - поперечные ригели; 4 - продольный сборный ригель; 5 – сварные сетки; 6 - хомуты; 7 - ванная сварка; 8 - бетон (на марку выше бетона стыкуемых элементов).

Междуэтажные перекрытия устраивают из сборных железобетонных элементов с образованием жесткого диска. С этой целью предусматривают следующие меры: стыки ригелей с колоннами выполняют замоноличенными со сваркой арматурных выпусков (рис. 5,б), плиты тщательно приваривают к сборным ригелям, а швы заполняют бетоном марки не ниже 200; в случае бесконсольного сопряжения сборных ригелей с колоннами помимо сварки закладных элементов в колоннах и ригелях на стыкуемых поверхностях устраивают шпонки (рис.5, в). Для зданий с расчетной сейсмичностью 9 баллов в продольных ребрах плит предусматривают пазы для образования бетонных шпонок. Марку бетона зазоров принимают на одну ступень - выше марки бетона соединяемых элементов. Например, примарке бето­на соединяемых элементов 200 марка бетона для заполнения зазоров должна быть 300.