Фундаменты при сейсмических воздействиях
Проектирование фундаментов при сейсмических воздействиях следует производить в соответствии с требованиями СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*».
Сейсмические воздействия на фундамент обусловлены землетрясениями, происходящими в результате тектонических разломов в земной коре. От гипоцентра во всех направлениях распространяются упругие колебания, характеризуемые сейсмическими волнами (продольными, поперечными и поверхностными). Сейсмические воздействия вызывают колебания зданий и сооружений, которые приводят к появлению в элементах надземных конструкций сил инерции. На величину последних решающее влияние оказывает интенсивность землетрясения, измеряемая балльностью.
Сейсмические воздействия, как и любые динамического характера нагрузки на основания, приводят к изменению свойств грунтов: увеличивается сжимаемость, особенно несвязных грунтов; уменьшается их предельное сопротивление сдвигу, вследствие вызванного вибрацией уменьшения трения между частицами. Импульсные воздействия средней величины могут вызвать дополнительные осадки и просадки оснований, а импульсы значительной величины – разрушение структуры грунтов, уменьшение их прочности, потерю устойчивости оснований. При определенных условиях может происходить разжижение водонасыщенных песчаных оснований, приводящее к полному исчерпыванию их несущей способности. Эти изменения строительных свойств грунтов и специфический характер взаимодействия сооружения с основанием определяют особенности проектирования фундаментов в условиях сейсмических воздействий.
В России принята 12-балльная шкала оценки силы землетрясения. Вся территория России поделена на отдельные районы по сейсмичности, но даже в пределах одного района сейсмичность может быть различной в зависимости от грунтовых условий.
Во многих районах выполнено микросейсмирование (повышение или понижение сейсмичности на 1 балл, которое санкционируется Госстроем).
Сейсмические воздействия при проектировании учитываются при интенсивности сейсмических колебаний 7, 8 и 9 баллов. При интенсивности более 9 баллов строительство возможно только по разрешению вышестоящих органов в соответствии с утвержденными требованиями.
По сейсмическим свойствам грунты разделяются на три категории:
I категория: скальные грунты всех видов (в том числе вечномерзлые и вечномерзлые оттаявшие); невыветрелые и слабовыветрелые; крупнообломочные грунты плотные маловлажные из магматических пород, содержащие до 30 % песчано-глинистого заполнителя; выветрелые и сильновыветрелые скальные и нескальные твердомерзлые (вечномерзлые) грунты при температуре – 2 0С и ниже при строительстве и эксплуатации по принципу 1 (сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии);
II категория: скальные грунты выветрелые и сильновыветрелые (в том числе, вечномерзлые, кроме отнесенных к I категории); крупно-обломочные грунты (за исключением отнесенных к I категории); пески гравелистые, крупные и средней крупности, плотные и средней плотности маловлажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем текучести IL? 0,5 при коэффициенте пористости с < 0,9 для глин и суглинков, и е < 0,7 для супесей; вечномерзлые нескальные грунты пластичномерзлые или сыпучемерзлые, а также твердомерзлые при температуре выше – 2 0С при строительстве и эксплуатации по принципу 1;
III категория: пески рыхлые независимо от влажности и крупности; пески гравелистые, крупные, средней крупности плотные и средней плотности водонасыщенные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности, влажные и водонасыщенные; глинистые грунты с показателем текучести IL> 0,5; глинистые грунты с показателем текучести IL? 0,5 при коэффициенте пористости е ? 0,9 для глин и суглинков и е ? 0,7 – для супесей; вечномерзлые нескальные грунты при строительстве и эксплуатации по принципу II (допущение оттаивания грунтов основания).
При неоднородном составе грунты площадки строительства относятся к более неблагоприятной категории грунта по сейсмическим свойствам, если в пределах 10-метровой толщи грунта (считая от планировочной отметки) слой, относящийся к этой категории, имеет суммарную толщину более 5 м.
Расчет фундаментных конструкций и их оснований выполняют на основное и особое сочетание нагрузок, причем в последнее обязательно включается сейсмическая нагрузка. Расчетную сейсмическую нагрузку получают в результате динамического расчета всего здания на колебания и прикладывают в точках расположения масс элементов конструкций.
При динамическом расчете учитывают массу отдельных элементов здания, сейсмичность района, формы собственных колебаний, особенности колебаний сооружения, тип грунтовых условий, конструктивное решение сооружения и характер допускаемых повреждений и дефектов. После получения сейсмических нагрузок на основании принципа Даламбера проводят статический расчет конструкций здания в предположении совместного действия сейсмической и статической нагрузки.
Дополнительные горизонтальные нормальные и касательные напряжения, возникающие в основании при прохождении сейсмических волн, определяют по формулам:
; , (1)
где kс– коэффициент сейсмичности (при 7 баллах kс = 0,025; при 8 баллах – 0,05 и при 9 баллах – 0,1); ? – удельный вес грунта; Сp и Сs– соответственно скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн; Т0= 0,5 – период скорости сейсмических колебаний, с.
Сейсмические инерционные нагрузки, действующие на фундамент во время землетрясения, определяют по формуле
(2)
где Gk – вес элемента сооружения, отнесенный к точке к; ?n– коэффициент, зависящий от класса сооружения (принимается в пределах 1–1,5); – коэффициент динамичности; – коэффициент, учитывающий форму колебаний.
При проектировании и строительстве в сейсмических районах глубину заложения фундаментов в грунтах I и II категорий назначают как для несейсмических районов, но не менее 1 м; грунты III категории требуют предварительного искусственного улучшения.
Фундаменты зданий и их отдельных отсеков рекомендуется закладывать на одном уровне во избежание изменения частоты собственных колебаний. В зданиях повышенной этажности следует увеличивать глубину заложения с помощью устройства дополнительных подземных этажей.
При прохождении сейсмических волн поверхность грунта может испытывать растяжение и сжатие в различных направлениях, что может вызвать подвижку фундаментов относительно друг друга, поэтому для исключения подвижки и устойчивости фундаментов рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или непрерывные фундаменты из перекрестных лент (рис. 1, а), устраиваемых в сборном или монолитном варианте. Для усиления сборных фундаментов по верху подушки укладывают арматурные сетки и устраивают перевязку блоков в углах и пересечениях, а при сейсмичности 9 баллов армируют все сопряжения стен подвалов. Фундаменты каркасных зданий допускается устанавливать на отдельные фундаменты, которые соединяются друг с другом железобетонными вставками (рис. 1,б).
Рис. 1. Схемы фундаментов в сейсмических районах
Для предотвращения подвижки здания по обрезу фундамента гидроизоляцию стен необходимо выполнять в виде цементного слоя. Применение гидроизоляции на битумной основе не разрешается.
При использовании свайных фундаментов необходима жесткая заделка свай в непрерывный ростверк для восприятия горизонтальных усилий, возникающих при землетрясениях, при этом следует стремиться опирать нижние концы свай на плотные грунты. Влияние сейсмических воздействий на работу свайных фундаментов учитывают с помощью понижающих коэффициентов условий работы, при расчете несущей способности основания по боковой поверхности и под острием сваи.
Самыми неблагоприятными основаниями являются водонасыщенные пески, способные разжижаться в условиях сейсмических воздействий и приводить к провальным осадкам зданий, поэтому их следует использовать в качестве оснований только после предварительного уплотнения вибрированием, песчаными сваями или каким-либо другим способом.
Проектирование и устройство фундаментов с учетом сейсмических воздействий гарантируют сохранность сооружения при условии, если и надземная часть здания возведена с учетом данных воздействий.
?
Виды и принципы работы сейсмоизоляторов
Сейсмоизоляциейназывается современная технология защиты сооружений от сейсмического воздействия. В ходе различных исследований была доказана эффективность данной технологии, а также ее конкурентоспособность по отношению к традиционным методам обеспечения сейсмостойкости зданий.
Специалистами разных стран, в том числе и российскими, на сегодняшний день разработано множество разнообразных сейсмоизоляционных систем (ССИ) и гасителей интенсивности колебаний.
Первое устройство сейсмоизоляции было запатентовано еще в начале XX в. в Англии. Данный метод предполагал возведение здания на так называемом свободном соединении с фундаментом. Согласно методу, между зданием и фундаментом предполагалось размещать слой очищенного песка, талька и слюды, который обеспечивал скольжение во время землетрясения, снижая таким образом воздействие сил на здание.
Примерно в то же время в Японии и США появились новые предложения по возведению в сейсмически неустойчивых районах зданий с элементами, снижающими сейсмические нагрузки на надземную часть сооружений. Чуть позднее, в 1930-х гг., появилась идея строительства зданий с использованием гибкого подвального этажа. Данный способ получил широкое распространение во многих странах мира, в том числе и в России.
Современные сейсмоизоляционные технологии основаны на использовании при строительстве зданий и сооружений специальных технических средств, позволяющих значительно снизить реакцию строительного объекта на воздействия сейсмических сил за счет их демпфирования различными способами.
К современным видам сейсмоизоляции, которые способны значительно улучшить работу сооружений под сейсмической нагрузкой благодаря демпфированию сейсмической энергии, относятся:
• свинцово-резиновая опора,
• пружинный демпфер,
• сейсмический амортизатор,
• фрикционно-маятниковая опора.
Принцип сейсмоизоляции проиллюстрирован на рисунках 2 и 3. Здание, моделируемое как абсолютно твердое тело, смещается относительно движущегося фундамента во время сейсмического воздействия за счет работы ССИ как параллелограммных механизмов. В параллелограммном механизме горизонтальные ускорения массы зависят не только от переносных инерционных сил, обусловленных движением основания, но и от действия вертикальных ускорений.
Рис.2,3. Системы сейсмоизоляции в виде параллелограммных механизмов
Системы сейсмоизоляции (ССИ) с одной степенью свободы вертикальной силы, т.е. от веса и вертикальной инерционной нагрузки. Если пренебречь влиянием вертикальных сил на движение системы, то придем к системе с одной степенью свободы.
Для модели здания в виде многомассовой консоли (рис. 4) характерно снижение усилий в конструкциях при собственных колебаниях за счет уменьшения деформаций.
Средства сейсмоизоляции, наиболее употребимые в России: свинцово-резиновая опора, пружинный демпфер, сейсмический амортизатор, фрикционно-маятниковая опора.
Кроме того, известны такие способы «гашения» сейсмической энергии, как использование гистерезисного демпфера.
Его предназначение — улучшение работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счет диссипации сейсмической энергии, проникающей в эти здания и сооружения.
Еще один способ — это использование так называемогоприподнятого основания здания(ПОЗ), который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой. Эффект приподнятого основания здания основан на следующем: в результате многократных отражений, дифракций и диссипаций сейсмических волн в процессе их распространения внутри ПОЗ передача сейсмической энергии
Рис. 4. Системы сейсмоизоляции с одной степенью свободы для модели здания в виде многомассовой консоли
Гистерезисный демпфер в надстройку (верхнюю часть здания) оказывается сильно ослабленной.
Эта цель достигается за счет соответствующего подбора строительных материалов, конструктивных размеров, а также конфигурации ПОЗ для конкретной площадки строительства.
Наиболее широкое распространение в мировой практике сейсмостойкого строительства получили следующие системы сейсмоизоляции:
• эластомерных опор;
• эластомерных опор со свинцовыми сердечниками;
• опор фрикционно-подвижного типа с плоскими горизонтальными поверхностями скольжения;
• опор фрикционно-подвижного типа со сферическими поверхностями скольжения;
• кинематических систем с качающимися опорами (как правило, из железобетона).
Эластомерные опоры
Эластомерные опоры представляют собой слоистые конструкции из поочередно уложенных друг на друга листов натуральной или искусственной резины толщиной 5-20 мм и листов металла толщиной 1,5-5 мм, как показано на рисунке 5.
Сверху и снизу устанавливают фланцевые пластины толщиной 20-40 мм. Листы резины и металла соединены между собой путем вулканизации или с помощью специальных связующих материалов. По 32 торцам эластомерных опор предусмотрены опорные стальные пластины, через которые опоры крепятся к конструкциям фундамента и верхней части здания.
Рис. 5. Конструкция эластомерной опоры:
1 — опорные пластины, прикрепляемые к субструктуре и суперструктуре; 2— листы резины;3— стальные пластины, расположенные между листами резины;4— резиновая оболочка, защищающая внутренние слои резины и металла;5 — отверстия под анкерные болты, необходимые для прикрепления опоры к субструктуре и суперструктуре.
Маятниковые опоры
Маятниковые опоры — это скользящие опоры, в которых контактные поверхности скольжения имеют сферическую форму (рис. 6, 7).
Рис. 6. Принцип действия маятниковой опоры:
а— колебания гравитационного маятника с одной точкой подвеса;б— колебания гравитационного маятника с двумя точками подвеса;в— маятниковые колебания при скольжении ползуна по сферической поверхности;г— сооружение на маятниковых опорах.
Рис. 7. Общий вид и схема поведения одномаятниковой опоры:
1— нижняя стальная плита со сферической вогнутой поверхностью, по которой происходит скольжение;2— верхняя стальная плита;3— сферический шарнирный ползун;4— точка поворота.
Существуют и другие конструкции опор, действие которых основано на иных принципах. Для внедрения их в практику сейсмостойкого строительства, кроме обосновывающих расчетов, требуются, как правило, экспериментальная проверка работоспособности и эффективности.
Таким образом, при применении систем активной сейсмозащиты уменьшаются сейсмические нагрузки на надземные конструкции зданий и сооружений, вследствие чего повышается надежность их работы при землетрясениях, снижается материалоемкость и сметная стоимость объектов строительства, расширяются области их использования, в том числе в районах с разной степенью сейсмической активности.
Сейсмоусиление
Кроме сейсмоизоляции, существует большое количество способов сейсмоусиления, применяемых для эксплуатируемых зданий и сооружений.
Традиционными способами сейсмоусиления являются:
1) увеличение сечения элементов и их соединений за счет присоединения к ним новых элементов;
2) введение дополнительных элементов (связей, ребер, диафрагм), уменьшающих расчетные длины несущих элементов конструкций и повышающих их устойчивость;
3) разгрузка конструкций за счет снятия части тяжелого оборудования или создания разгружающих консолей;
4) изменение схемы передачи нагрузки с помощью дополнительных распределительных устройств, в том числе автоматических, при управлении работой конструкции;
5) изменение закрепления концов стержней, например, шарнирного на жесткое, превращение однопролетных систем в многопролетные и т.д.;
6) устройство дублирующих элементов;
7) введение затяжек, шпренгелей, тяжей с созданием предварительного напряжения в конструкциях;
8) применение распорных устройств, снижающих расчетное усилие в сечениях элементов, а также подкосов, оттяжек, расчалок;
9) включение в совместную работу соприкасающихся элементов, например плит с балками или фермами.
Необходимость в усилении здания и сооружения в целом вызвана, как правило, недостаточной их сейсмостойкостью или серьезными повреждениями, возникшими в процессе эксплуатации, в том числе и от сейсмических воздействий.
При выборе способа усиления необходимо учитывать:
• минимальные сроки остановки действующего производства или эксплуатации зданий;
• суммарную продолжительность работ, включая возможность передачи на усиленные конструкции рабочей нагрузки;
• минимальную трудоемкость работ и квалификацию рабочей силы;
• технологичность работ по усилению с учетом требований производства (ограничения по запыленности, сварке и др.) и техники безопасности;
• максимальное использование имеющихся в наличии материалов, изделий, механизмов; экономию средств и основных материальных ресурсов (стали, цемента и др.);
• надежность и долговечность решений по усилению с учетом условий объекта и среды: агрессивности, пожароопасности, сейсмоопасности.
В последнее время, особенно применительно к ликвидации последствий землетрясений, выдвинуты различные предложения, направленные на определение минимального уровня затрат на усиление зданий и сооружений при обеспечении достаточной их надежности. В работах Л. В. Канторовича, В. И. Кейлис-Борока, И. Л. Нерсесова, Я. М. Айзенберга, В. А. Ржевского, А. И. Мартемьяно- ва, А. И. Неймана и других в качестве основного критерия был принят уровень минимизации целевой функции полных затрат на антисейсмическое усиление и восстановление поврежденных зданий. Появились и другие предложения, в частности по величине остаточных деформаций и их взаимосвязи с относительными затратами на ремонтно-восстановительные работы.
