Раздел 4. Специальные вопросы архитектурно-конструктивного проектирования зданий
Тема 16. Особенности конструктивных решений зданий для строительства в сейсмоопасных районах
16.1. Силовые воздействия на здания при землетрясениях.
16.2. Особенности объёмно-планировочных и конструктивных решений зданий.
16.1 Силовые воздействия на здания при землетрясениях.
В результате действия внутренних сил Земли возникают движения земной коры, которые сопровождаются упругими колебаниями, вызывающими сейсмические явления – землетрясения.
Они постоянно наблюдаются в горных районах Восточного и Западного полушария. В равнинных местах колебания земной коры или совсем не наблюдаются, или очень редки и сила их составляет 1-3 балла. Области, подверженные частым землетрясениям, называют сейсмическими.
Сила землетрясений измеряется по 12-ти балльной шкале. При силе до 5 баллов нет заметного ущерба зданиям и сооружениям 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 рельефом.
Сейсмически активные территории подразделяют на зоны, степень возможной разрушительной силы землетрясений в которых определяют в баллах. В практике строительства выделяют зоны сейсмичностью 6, 7, 8 и 9 баллов.
Меры, исключающие или смягчающие разрушительные воздействия сейсмических сил, сводятся к выбору: участков с меньшей степенью сейсмической опасности; соответствующих конструктивных схем и материалов для зданий; соответствующих объёмно-планировочных решений; конструктивных решений, обеспечивающих сейсмостойкость здания.
Под сейсмостойкостью понимают сохранность несущих конструкций, выход из строя которых угрожает обрушением здания или его частей. При этом возможны повреждения второстепенных несущих элементов, не угрожающих безопасности людей или сохранности ценного оборудования.
Землетрясения представляют собой стихийные бедствия, страшные из-за внезапности возникновения и опасные по результатам своих последствий. На территориях, которые могут быть подвержены сейсмическим воздействиям располагаются крупные промышленные центры, многочисленные города и населенные пункты. А это значит, что сильные землетрясения могут приводить к большим разрушениям и человеческим жертвам. Поэтому основная задача инженеров и градостроителей должна учитывать необходимость проектировать и создавать инфраструктуру городов, так чтобы свести к минимуму потери от землетрясений. Здания и сооружения должны быть запроектированы и построены так, что будут противостоять самым сильным колебаниям грунта и не обрушаться. Однако полная защита от повреждений нереальна, поэтому инженер всегда идет на определенный риск при строительстве зданий и сооружений в сейсмических районах. Уменьшая сейсмическую опасность необходимо делать многое при проектировании и строительстве объектов для снижения риска и, следовательно, уменьшения потерь. Минимизация риска и возможных потерь от землетрясений достигается:
· выбором для нового строительства площадок с благоприятными грунтовыми условиями и минимальной сейсмичностью;
· совершенствованием действующих или разработкой новых строительных норм и правил;
· совершенствованием действующих и разработкой новых методов расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия;
· применением рациональных объемно-планировочных и конструктивных решений, эффективных материалов и конструкций;
· проведением специальных конструктивных мероприятий по усилению и реконструкции существующей застройки, обладающей определенным дефицитом сейсмостойкости;
· обеспечением необходимого качества изготовления и монтажа конструкций;
· обеспечением готовности населения и служб спасения к землетрясениям.
Учитывая особые требования обеспечения безопасности при эксплуатации объектов в районах повышенной сейсмоактивности, при проектировании и строительстве зданий и сооружений необходимо руководствуются такими нормативными документами, как СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах», СП 31-114-2004 «Правила проектирования жилых и общественных зданий для строительства в сейсмических районах». Строительные нормы и правила предусматривают ряд обязательных конструктивных требований и ограничений, обеспечивающих сейсмостойкость зданий, возводимых в сейсмических районах. Требуемая сейсмостойкость объектов может обеспечиваться как выбором благоприятной в сейсмическом отношении площадки строительства, так и разработкой наиболее рациональных конструктивных и планировочных схем зданий и сооружений. Необходимо также предусматривать специальные конструктивные мероприятия, повышающие монолитность и прочность несущих конструкций, создающих возможность развития в конструктивных элементах и узлах пластических деформаций, значительно увеличивающих сопротивляемость сооружений действию сейсмических сил.
16.2. Особенности объёмно-планировочных и конструктивных решений зданий
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 (рис.1).
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. В каждом отсеке необходимо соблюдать жесткость и симметричность расположения несущих вертикальных конструкций (Рис.1). Предельные размеры зданий (отсеков) с разными типами несущего остова приведены в табл.1.
Рис. 1 Схема расположения стен жесткости в плане здания: а – рекомендуемая симметричная; б – нерекомендуемая ассиметричная; в – то же, с изломом внутренних стен.
Таблица 1
Предельные размеры зданий
| Несущие конструкции зданий | Размеры по длине (ширине), м | Высота, м (число этажей) | ||||
| 7 | 8 | 9 | 7 | 8 | 9 | |
| 1.Металлический или железобетонный каркас или стены железобетонные монолитные | По требованиям для несейсмических районов, но не более 150м. | По требованиям для несейсмических районов | ||||
| 2.Стены крупнопанельные | 80 | 80 | 60 | 45(14) | 39(12) | 39(9) |
| 3.Стены комплексной конструкции (железобетонные включения и железобетонные пояса образуют легкую каркасную систему | 80 | 80 | 60 | 23-30 (7-9) | 20-23 (6-7) | 14-17 (4-5) |
| 4.Тоже, но не образуют четкий каркас | 80 | 80 | 60 | 17-20 (5-6) | 14-17 (4-5) | 11-14 (3-4) |
| 5.Стены из вибрированных кирпичных панелей или блоков | 80 | 80 | 60 | 23 (7) | 20(6) | 14(4) |
| 6.Стены из кирпичной или каменной кладки | 80 | 80 | 60 | 14-17 (4-5) | 11-14 (3-4) | 8-11 (2-3) |
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.2, а). Предельные размеры зданий (отсеков) в зависимости от характера их несущих конструкций и расчетной сейсмичности принимают по нормам.
Рис.2 Схема разрезки здания со сложной конфигурацией в плане на самостоятельные отсеки: а – не рекомендуемое решение; б – рекомендуемое решение
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.
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.3, б), заменять мостовые краны и подвесной транспорт козловыми кранами или другими средствами напольного транспорта (рис.3, 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).