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.
Рис. 3. 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
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.
Во время землетрясений фундаменты по сравнению с другими элементами здания подвергаются меньшим повреждениям. Однако надежно выполненные фундаменты - залог повышенной сейсмостойкости других конструкций зданий (рис.4-5).
Рис.4. Схема столбчатых фундаментов Рис.5. Детали антисейсмических поясов:
с антисейсмическими связями: 1- фунда- а – в несущей кирпичной стене; б – в нене-
мент под колонны; 2 – железобетонные сущей кирпичной стене, 1- хомуты диаметром
фундаментные балки 6 мм, 2 – стена, 3 – анкерные связи, 4 – про-
дольные арматурные стержни диаметром
10-12 мм, 5 – закладные детали, 6 – плита
перекрытия, 7 – антисейсмический желе-
зобетонный пояс
По способу изготовления и возведения железобетонные каркасы зданий могут быть сборными, сборно-монолитными и монолитными. Жесткие узлы железобетонных рам должны быть усилены применением сварных сеток и замкнутых хомутов (рис.6)
Участки ригелей колонн, примыкающие к жестким узлам рам на расстоянии, равном не менее высоты их сечения, усиливают дополнительной замкнутой поперечной арматурой (хомутами) с шагом не более 100мм в рамных системах и не более 200мм в связевых системах. При расчетной сейсмичности 8 и 9 балла в шаг хомутов в колоннах рам не должен превышать b/2 где, b – наименьший размер сечения колонны. Диаметр хомутов следует принимать не менее 8мм.
В сборно-монолитном каркасе колонны и плиты перекрытий объединяют в единую конструкцию путем натяжения на бетон канатной арматуры. Ее пропускают через отверстия колонн в зазорах между крупноразмерными панелями перекрытия.
Сборные колонны многоэтажных зданий по возможности следует укрупнять на несколько этажей. Стыки колонн необходимо располагать в зонах с минимальным изгибающими моментами.
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.7, 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.
Рисунок 6. Сейсмоконструирование узлов. а, б - армирование узла сборной и монолитной железобетонной рамы: в - конструктивное решение стыковых соединений панелей внутренних стен крупнопанельных зданий; г- анкеровка панелей перекрытий 1 – продольная арматура; 2 - то же, поперечная; 3 - усиленный арматурный выпуск; 4- опорный столик из уголков с отверстием; 5- дополнительная продольная арматура; 6 — поперечная арматура
В каркасных зданиях горизонтальную сейсмическую нагрузку воспринимают каркас с жесткими узлами рам, каркас с заполнением, каркас с вертикальными связями, диафрагмами или стволами жесткости. При расчетной сейсмичности 7... 8 баллов допускают применять наружные каменные стены высотой не более 7 м.
Диафрагмы, связи и ядра жесткости должны быть непрерывными по всей высоте здания и расположены в обоих направлениях равномерно и симметрично относительно центра тяжести здания. При выборе конструктивных схем следует предусмотреть возникновение первых пластических зон в горизонтальных элементах каркаса (ригелях, перемычках и обвязочных балках).
Колонны каркасных зданий 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.7, б).
г) д)
Рис. 7. Фундаменты сейсмостойких зданий: а -для зданий с несущими стенами; б - крепление фундаментных балок к фундаментам под колонны; в – фундамент на песчано-гравийной подушке; г – в виде перекрестных лент, д - закрепление отдельно стоящих фундаментов железобетонными вставками ( 1 - сварные сетки; 2 – связевые вставки.);
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 (рис.7,г) 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.7, в). Подушка является амортизатором, смягчающим сейсмические воздействия на здание.
Сейсмостойкие сооружения можно сооружать на свайных фундаментах – забивных железобетонных сваях-стойках. При свайных фундаментах следует применять забивные сваи, а не набивные. Набивные сваи без оболочек не применяют. 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.8, 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.8,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.8, 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. 8, 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.8. 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. Их возводят из бетона класса не ниже B12, 5 и армируют четырьмя продольными стержнями диаметром 10 и 12 мм при расчетной сейсмичности соответственно 7, 8 и 9 баллов. Кроме того, армируют горизонтальной арматурой все угловые участки наружных стен и сопряжения внутренних стен к наружным. Аналогичное армирование применяют для стен из монолитного бетона.
Проемы каменных стен большой ширины и узкие простенки окаймляют
железобетонной рамкой (рис.9). Перемычки устраивают, как
правило, на всю толщину стены и заделывают в кладку на
глубину не менее 350 мм (при ширине проема до 1,5м – не менее 250 мм).
Рисунок 9. Усиление граней оконных (а) и дверных (б) проемов: 1 - железобетонный сердечник; 2 - железобетонная перемычка, объединенная с обвязкой; 3 -железобетонная обвязка
Первые этажи зданий, включающие магазины и другие помещения свободной планировки (с колоннами), выполняют в железобетоне.
Здания с пролетами 18 м и более следует перекрывать металлическими фермами в сочетании с алюминиевыми панелями или профилированным стальным настилом, утепленным пенополистиролом или другими эффективными легкими материалами. Предварительно напряженные железобетонные конструкции, в которых арматура не имеет сцепления с бетоном, применять не разрешается.
Лестницы рекомендуется применять крупносборные с заделкой в кладку не менее чем на 250 мм, с анкерованием или с надежными сварными креплениями. Консольная заделка ступеней не допускается. Дверные и оконные проемы при сейсмичности 8 и 9 баллов должен иметь железобетонное обрамление.
Перегородки следует применять крупнопанельные или каркасной конструкции, причем они должны быть надежно связаны с перекрытиями и стенами или колоннами. Балконы должны выполняться в виде консольных выпусков панелей перекрытий (или надежно с ними соединяться). Вынос балконов допускается при сейсмичности 7 баллов 
1,5 м, а при сейсмичности 8-9 баллов 1,25 м. Отделку помещений следует производить с использованием легких листовых материалов (сухой штукатурки, фанеры, древесноволокнистых плит и т. п .).
Покрытия одноэтажных зданий для строительства в сейсмических районах следует принимать сборно-монолитной конструкции. Многопролетные стропильные покрытия, как и многоволновые оболочки для сейсмических районов, целесообразно проектировать неразрезными с целью повышениях их жесткости и устойчивости.
Строительство жилых домов из сырцового кирпича, самана и грунтоблоков допускают лишь в сельских населенных пунктах при условии усиления стен деревянным каркасом с диагональными связями.
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 баллов узлы опирания фермы или балок покрытия на колонны создают путем соединения опорных выносных листов (рис.10,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. 10,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.10,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. 10. 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. 10, 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.10, 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, при марке бетона соединяемых элементов 200 марка бетона для заполнения зазоров должна быть 300.
Для крупнопанельных и объемно-блочных зданий в сейсмических районов рекомендуют принимать конструктивную схему с несущими поперечными и продольными стенами. Панели стен и перекрытий соединяют путем сварки выпусков арматуры, анкерных стержней и закладных деталей. Таким образом все элементы зданий объединяют в единую пространственную конструкцию, способную воспринимать сейсмические нагрузки. Несущую способность зданий повышают путем применения вертикальной напрягаемой арматуры.
Фундаменты применяют ленточные из монолитного железобетона. При больших нагрузках и слабых грунтах может оказаться рациональным фундамент в виде сплошной монолитной плиты.
Стеновые панели армируют пространственными каркасами. Пример конструктивного решения внутренней стеновой панели и ее стыков показан на рис.6,в. Стены по всей длине и ширине здания должны быть, как правило, непрерывными.
Благодаря большой пространственной жесткости и способности перераспределять усилия, объемно-блочные здания вполне подходят для строительства в сейсмических районах. При строительстве блоки размерами на всю комнату соединяют по высоте только по углам. Однако по всем граням блоков устанавливают вертикальную арматуру. Для повышения жесткости горизонтальных стыков блоков целесообразно устраивать шпоночные связи.
Для снижения сейсмических нагрузок устраивают в зданиях так называемый первый гибкий этаж, т. е. первый этаж многоэтажных зданий выполняют каркасным. Последнее время такое решение подвергается к жесткой критике.