Строительство зданий в сейсмических районах
Сейсмическими называют районы, в которых возможны землетрясения. Сейсмические воздействия относятся к динамическим. Силы землетрясения оцениваются по 12-ти бальной шкале и принимают по картам сейсмического районирования.
Землетрясения силой до 6 баллов не вызывают заметных повреждений в строениях и поэтому практически не учитываются, предъявляя повышенные требования к качеству монтажа. 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. При землетрясениях в 10 баллов строить экономически не целесообразно.
Степень сейсмического воздействия зависит от грунтовых условий. При строительстве на плотных и сухих грунтах сейсмические воздействия ослабевают, а на рыхлых и водонасыщенных грунтах – усиливаются. Неблагоприятны участки с расчлененным рельефом (овраги, обрывистые берега и т.д.).
Сейсмостойкость здания обеспечивается:
· Выбором благоприятной в сейсмическом отношение площадки строительства, конструктивно-планировочной схемы и материалами;
· Применение специальных конструктивных мероприятий;
· Соответствующим расчетом несущих и ограждающих конструкций; особенно высоким качеством выполнения строительно-монтажных работ.
Принципы проектирования сейсмостойких зданий и сооружений:
1. при выборе объемно-планировочных и конструктивных решений необходимо обеспечивать симметричное относительно их главных осей и равномерное в плане распределение масс и жесткостей. Несоблюдение этого условия может привести к интенсивному развитию крутящихся моментов в плане здания и приведение к концентрации усилий на отдельных несущих конструкциях.
2. здание в плане рекомендуется простое очертание (круг, квадрат, прямоугольник). Не рекомендуется возводить пристройки и ассиметрично располагать лестничные клетки.
3. здание большое по площади и со сложным очертанием расчленяют на отдельные блоки с антисейсмическими деформационными швами.
4. основные несущие конструкции должны быть монолитными и однородные. Им придают равнопрочность, так как преждевременный выход из строя слабых узлов и элементов может привести к разрушению здания до исчерпания несущей способности основных конструкций.
5. при проектирования сборных элементов по возможности укрупняют их, тем самым уменьшая количество стыков. Стыки располагают вне зоны максимальных усилий.
6. поскольку величина сейсмических нагрузок зависит от веса здания, стремятся уменьшить вес здания и полезных нагрузок.
Сейсмостойкие здания и сооружения проектируют по:
o жесткой конструктивной схеме из несущих вертикальных элементов (диафрагм), работающих под действием сейсмической нагрузки преимущественно на сдвиг и обладающих малыми деформациями. Способствует затуханию колебаний;
o по гибкой конструктивной схеме из несущих вертикальных элементов, работающих под действием сейсмических толчков преимущественно на изгиб. Снижает сейсмическую нагрузку на здание.
Конструктивные особенности сейсмостойких зданий:
В зданиях с несущими стенами предусматривают ленточные фундаменты, по подушке фундамента и по обрезу устраивают армированные пояса, выполненные укладкой 4 продольных стержней диаметром 8-12 м. связанные через 30-40 см поперечными стержнями диаметром 6 мм.
В каркасных зданиях колонны устанавливают на отдельно стоящие фундаменты стаканного типа, фундаментные балками служат распорками- связями, которые крепят к фундаментам сваркой закладных деталей. Фундаментные балки укладывают в обоих направлениях. Над стыками фундаментных балок укладывают симметрично оси ряда арматурную сетку длиной 2 м из стержней диаметром 8-10мм.
Для зданий повышенной этажности рекомендуют устраивать фундаменты в виде перекрестных лент или сплошных плит.
Хорошей сейсмостойкостью обладают фундаменты круглой формы, которые укладываются на песчано-гравийную подушку, заключенную в цилиндрическую обойму- оболочку. Подушка является амортизатором.
Для сейсмостойких зданий можно применять и свайные фундаменты. Ростверк в пределах отсека устраивают непрерывным, нижним, в одном уровне.
Наружные стены каркасных зданий также устраивают навесными или самонесущими.
При этом при превышение высоты стены 12,9 и 6 соответственно предусматривают конструктивное вертикальное продольное армирование. Процент армирования не менее 0,1%.
Для обеспечения деформаций между колонной и стеной устраивают зазор 20 мм, в местах пересечения поперечных и продольных стен устраивают вертикальные антисейсмические швы на всю высоту стены.
В навесных стенах помимо вертикальных швов предусматривают горизонтальные антисейсмические швы по всей длине стены на уровне низа каждого навесного участка, заполняемые эластичным материалом.
Каменные стены армируют сварными сетками. В каменных зданиях на уровне плит покрытия и верха оконных проемов устраивают антисейсмические пояса. Их выполняют из сборного или монолитного ж/бетона и соединяют с каркасом анкерами. Ширина поясов равна толщине стены, высота не менее 150 мм.
Для восприятия горизонтальных сейсмических нагрузок стыки между плитами армируется каркасом и бетонируется.
Бетонируются стыки ригеля с колонной, плит перекрытия с ригелем с сваркой выпусков арматуры.
9.1.1.Объемно-планировочные решения промышленных зданий
На практике наиболее часто встречаются одноэтажные полносборные промышленные здания площадью 3. 20 тыс. м2. Они могут быть бескрановыми или оборудованными мостовыми электрическими кранами. Пролеты зданий составляют 12, 18, 24 и 30 м, шаг колонн 6 и 12 м, высота зданий от 8,4 до 18 м. Масса сборных элементов составляет от 2,5 до 33 т. Здания характеризуются однотипными ячейками, конструкциями и большими размерами в продольном и поперечном направлениях.
Основные достоинства одноэтажных промышленных зданий — относительная дешевизна, возможность применять разреженную сетку колонн и передавать нагрузки от технологического оборудования непосредственно на грунт. Такие здания обычно строят прямоугольного очертания в плане, без перепадов высот, с пролетами в одном направлении.
Разработаны универсальные объемно-планировочные и конструктивные решения зданий, которые позволяют применять индустриальные методы монтажа. Установлено ограниченное число взаимосочетаний параметров зданий или габаритных схем. Размеры пролетов связаны с определенными высотой и шагом колонн, надкрановыми габаритами. Все элементы каркаса, ограждения и покрытия одноэтажных зданий кратны номинальным размерам укрупненных модулей: планировочного — 6 м, высотного — 1,2 м.
Строительство в сейсмических районах России. Антисейсмические швы.
Строительство в сейсмических районах России. Антисейсмические швы.
Россия в целом характеризуется умеренной сейсмичностью. Исключение составляют регионы Северного Кавказа, юга Сибири и Дальнего Востока.
В европейской части России высокой сейсмичностью характеризуется Северный Кавказ, в Сибири – Алтай, Саяны, Байкал и Забайкалье, на Дальнем Востоке – Курило-Камчатский регион и остров Сахалин.
Треть всех землетрясений России приходится на Камчатку.
Строительство сейсмостойкого здания обходится дороже аналогичного по площади, высоте и планировке здания.
Проектированию сейсмостойких зданий имеет свою специфику.
При проектировании и строительстве жилых и общественных зданий и сооружений их следует разделять антисейсмическими швами в случаях, если:
— здание или сооружение имеет сложную форму в плане;
— смежные участки здания или сооружения имеют перепады высоты 5 м и более, а также существенные отличия друг от друга по жесткости и (или) массе.
Допускается устройство антисейсмических швов между высокой частью и 1-2-этажными пристраиваемыми частями зданий путем шарнирного опирания перекрытия пристройки на консоль высокой части. Глубина опирания должна быть не менее суммы взаимных перемещений и минимальной глубины опирания с обязательным устройством аварийных связей.
Для случаев, когда устройство осадочного шва не требуется, допускается не устраивать антисейсмические швы между зданием и стилобатом при расчетном обосновании совместности их работы и выполнении соответствующих конструктивных мероприятий.
Не допускается устройство антисейсмических швов внутри помещений, которые предназначены для постоянного проживания или длительного нахождения МГН.
В одноэтажных зданиях высотой до 10 м при расчетной сейсмичности 7 баллов антисейсмические швы допускается не устраивать.
Антисейсмические швы должны разделять здания или сооружения по всей высоте. Допускается не устраивать шов в фундаменте, за исключением случаев, когда антисейсмический шов совпадает с осадочным.
В случае превышения расстояний между антисейсмическими швами сверх установленных расчет сооружений следует выполнять с учетом волнового характера сейсмического воздействия, неоднородности и неравномерности сейсмического воздействия в плане сооружения по методикам, согласованным в установленном порядке.
Антисейсмические швы следует выполнять путем возведения парных стен или рам, либо рам и стен.
Ширину антисейсмического шва следует назначать по результатам расчетов, при этом ширина шва на каждом рассматриваемом уровне должна быть не менее суммы амплитуд колебаний смежных отсеков здания.
При высоте здания или сооружения до 5 м ширина такого шва должна быть не менее 30 мм. Ширину антисейсмического шва здания или сооружения большей высоты следует увеличивать на 20 мм на каждые 5 м высоты.
Конструкции примыкания отсеков здания или сооружения в зоне антисейсмических швов, в том числе по фасадам и в местах переходов между отсеками, не должны препятствовать их взаимным горизонтальным перемещениям.
Конструкция перехода между отсеками здания может быть выполнена в виде двух консолей из сопрягающихся блоков с устройством расчетного шва между концами консолей или переходов, надежно соединенных с элементами одного из смежных отсеков. Конструкцией их опирания на элементы другого отсека должны быть обеспечено взаимное расчетное смещение элементов и исключена возможность их обрушения и соударения при сейсмическом воздействии.
Переход через антисейсмический шов не должен быть единственным путем эвакуации из зданий или сооружений.
Лестничные площадки, располагаемые в уровне междуэтажных перекрытий, должны надежно связываться с антисейсмическими поясами или непосредственно с перекрытиями.
По всей длине стены в уровне плит покрытия и верха оконных проемов должны устраиваться антисейсмические пояса, соединенные с каркасом здания.
В зданиях с несущими стенами высотой два этажа и более кроме наружных продольных стен должно быть не менее одной внутренней несущей продольной стены.
В уровне перекрытий и покрытий, выполненных из сборных железобетонных элементов, по всем стенам без пропусков и разрывов должны устраиваться антисейсмические пояса из монолитного железобетона с непрерывным армированием. В зданиях с монолитными железобетонными перекрытиями, заделанными по контуру в стены, антисейсмические пояса в уровне этих перекрытий допускается не устраивать.
Плиты перекры тий (покрытий) должны соединяться с антисейсмическими поясами посредством анкеровки выпусков арматуры или сваркой закладных деталей.
Антисейсмические пояса верхнего этажа должны быть связаны с кладкой вертикальными выпусками арматуры.
Антисейсмический пояс (с опорным участком перекрытия) должен устраиваться, как правило, на всю ширину стены; в наружных стенах толщиной 500 мм и более ширина пояса может быть меньше на 100—150 мм.
Высота пояса должна быть не менее толщины плиты перекрытия, класс бетона — не ниже В15. Продольную арматуру антисейсмического пояса устанавливают по расчету, но не менее четырех стержней диаметром 10 мм при сейсмичности 7—8 баллов и не менее четырех стержней диаметром 12 мм — при 9 баллах.
Армирование кладки следует осуществлять сетками в горизонтальных швах и вертикальными отдельными стержнями или каркасами, размещаемыми в теле кладки или в штукатурных слоях. Вертикальная арматура должна быть непрерывной и соединяться с антисейсмическими поясами. Соединение вертикальной арматуры внахлест без сварки не допускается. При размещении вертикальной арматуры в штукатурных слоях она должна быть связана с кладкой хомутами, расположенными в горизонтальных швах кладки.
Вертикальные железобетонные включения (сердечники) должны устраиваться открытыми не менее чем с одной стороны и соединяться с антисейсмическими поясами.
Продольная арматура вертикальных обрамлений простенков должна быть надежно соединена с горизонтальным армированием хомутами, уложенными в горизонтальных швах кладки.
Блоки должны соединяться между собой сваркой закладных деталей или выпусков арматуры. Вертикальная арматура по торцам простеночных блоков, в том числе на глухих участках стен, должна быть соединена с выпусками арматуры из фундамента, вертикальной арматурой выше- и нижележащих простеночных блоков, в том числе блоков смежных этажей, и заанкерена в антисейсмическом поясе перекрытия верхнего этажа.
Запрещается уменьшать ширину антисейсмических швов, указанную в проекте.
Антисейсмические швы необходимо освобождать от опалубки и строительного мусора. Запрещается заделывать антисейсмические швы кирпичом, раствором, пиломатериалами и др. При необходимости антисейсмические швы можно закрывать фартуками или заклеивать гибкими материалами.
Современный подход к сейсмическому строительству
Современные технологии, разработанные специально для сейсмического строительства, рассчитаны уменьшить воздействие активности землетрясения в два, три, а в некоторых случаях и в большее количество раз. Они диктуют застройщикам закладывать повышенную прочность конструкции для объектов высокой степени ответственности еще на этапе проектирования. Таким образом, к обычным расчетам добавляется дополнительный коэффициент надежности, который повышает сейсмостойкость сооружения.
1. Особо прочные материалы.
Главным материалом, обеспечивающим наибольшую безопасность в сейсмическом строительстве, является металл. Он не хрупкий, достаточно пластичный и хорошо переносит сейсмическую нагрузку. Во время землетрясения он может искорежиться и «поплыть», но, тем не менее, сооружение, созданное из этого материала, не рассыплется и не погребет под собой людей. Поэтому очень часто в современных зданиях, построенных в зонах сейсмической активности, можно наблюдать стальные каркасы. Они податливы и позволяют строению хорошо воспринимать воздействие землетрясений.
Вместо обычного бетона в сейсмическом строительстве используется специальный торкрет – сухая бетонная смесь с добавлением в нее химических добавок и полимерных волокон. Такое сочетание придает торкрету повышенную прочность по сравнению с обычным бетоном.
Бетон, армированный металлом, то есть железобетон, также хорошо зарекомендовал себя в сейсмостроительстве. А вот кирпич – не подходящий материал в сейсмоактивных районах. Даже при возведении внутренних перегородок предпочтение отдается гипсокартону. В отличие от кирпича, он легкий, а значит, в случае обрушения конструкции принесет меньше травм. Если кирпич и присутствует во внутренней отделке здания, то для безопасности кирпичную кладку «запаковывают» в металлическую сетку. Так во время землетрясения она не рассыплется на мелкие сегменты и не завалит собою людей.
2. Способность амортизировать и изолировать.
Наряду с особой прочностью, для строений в зонах сейсмической активности предусмотрена определенная степень подвижности и способность амортизировать. Благодаря этим характеристикам сооружение не жестко стоит на земле, а приобретает определенную свободу движения, что позволяет поглощать землетрясения и противостоять обрушениям.
Отличным примером различных инновационных приемов в строительстве являются олимпийские объекты в опасном по сейсмическим меркам городе Сочи. Ледовый дворец «Большой» построен на массивном бетонном фундаменте, толщина которого равна 120 см. Но он не монолитный, а разделен на сегменты, как пирог на куски. Благодаря такому строительному подходу, спортивное сооружение сможет поглотить сейсмические колебания Земли.
Еще одним удачным примером сейсмического строительства в Сочи является Российский международный олимпийский университет. При строительстве этого семидесятиметрового здания был использовал метод сейсмической изоляции сооружений. Технически этот метод представляет собой набор средств, благодаря которым достигается высокая податливость конструкции и способность основания и самого здания смещаться относительно друг друга.
Здание университета построено на резиново-металлических амортизационных опорах, задача которых изолировать каркас сооружения от фундамента, тем самым смягчать все внутренние подвижки в случае сейсмического колебания. А остаточные качения, с которыми не справились опоры-амортизаторы, погасят изоляционные или, как их еще называют, деформационные швы. Изоляционные швы представляют собой эдакие щели в несколько сантиметров, которые специально предусмотрены между отдельными секциями единого сооружения. Благодаря этим деформационным швам олимпийский университет может раскачиваться, но при этом не будут повреждаться соседствующие друг с другом сегменты сооружения, собранного в единый комплекс.
3. Жесткость конструкции.
Несмотря на все амортизационные характеристики, чтобы не разлететься на куски во время сейсмической активности Земли, здание должно обладать определенными нормами жесткости. Эта функция возложена на ядра жесткости, которые обычно выполнены в виде колонн. Эти вертикальные ядра жесткости закреплены на основании здания и несут на себе весь его каркас. Кроме того, для дополнительного усиления конструкции сами ядра жесткости соединены друг с другом железобетонными балками. На них жестко крепят мощные металлические стропильные фермы, которые удерживают фасад и крышу. С другой стороны фермы установлены на деформационные опоры, которые позволяют им в случае сейсмического удара сдвигаться до нескольких сантиметров. Таким образом, в сейсмостроительстве достигается баланс между жесткостью конструкции и ее амортизационными возможностями.
4. Особый подход к коммуникациям.
Наряду с безопасностью и целостностью несущих конструкций здания, в сейсмическом строительстве уделяют достаточное внимание коммуникационным системам как внутри, так и снаружи сооружений. Например, трубы защищают от повреждений и разрушений во время землетрясения. Чтобы трубопроводы могли поглощать сейсмическую нагрузку, их оснащают резиновыми изоляционными вставками. В дополнение к этому трубы, расположенные под землей, ограждают от сейсмического воздействия специальной амортизационной обсыпкой. Она представляет собой перлитовую или керамзитовую смесь, либо же крупный песок.
5. Мониторинг сейсмической опасности.
В современных сейсмостойких зданиях предусмотрена автоматическая система мониторинга, состоящая из специальных деформационных датчиков, которые следят за состоянием целостности помещений. Эти электронные датчики представляют собой установленные на неподвижных металлических конструкциях приборы со световозвращающими элементами, на которые наводятся лазерные лучи. Если луч сдвигается относительно своего световозвращающего элемента хоть на мизерное расстояние, система безопасности незамедлительно отреагирует на это.
За состоянием основания здания следят специальные вибродатчики — акселерометры. Одним из примеров бытового использования акселерометра может стать мобильное устройство, которое при падении улавливает ускорение и отключается, таким образом, защищая его от внутренних поломок и сбоев. В сейсмостойком строительстве такие датчики деформации реагируют на любые подвижки. Они крепятся к фундаменту рядом со стенами, чтобы соприкасаться с ними, но быть относительно их неподвижными. Система акселерометров следит за движением фундаментной плиты, и в случае опасности показания приборов незамедлительно попадают в руки отряда быстрого реагирования. Кроме того, не дожидаясь приезда спасателей, умная система безопасности позаботится и о находящихся внутри здания людях. Тут же сработает аварийный узел и отключится подача высокого напряжения тока.
6. Сейсмостойкие транспортные артерии.
Откосы и стены вдоль открытых участков дорог укрепляют по особой технологии – анкерами, стянутыми в единое целое с помощью глубоко погруженных в грунт железобетонных свай. Так образуется сверхпрочная стена, удерживающая неустойчивые горные породы даже при землетрясении в девять баллов.
Автомобильные тоннели представляют собой толстую железобетонную трубу. Она не цельная, а собрана из монолитных длинных труб, между которыми есть деформационные швы, призванные поглощать сейсмические колебания земли. На случай аварии в тоннелях предусмотрены дополнительные эвакуационные тоннели, сбойки, которые построены вдоль всей подземной дороги через каждые двести метров. По сбойкам люди смогут безопасно выйти.
Эстакады и мосты в сейсмостроительстве должны обладать повышенной устойчивостью. Они держатся на густо армированных фундаментах-сваях. Повышенная устойчивость таких свай достигается благодаря тому, что загоняют их на глубину свыше тридцати метров, вплоть до твердых горных пластов. Поверх этого мощного фундамента кладут ростверк, на который устанавливается опора, удерживающая балочные пролеты трассы. Между каждым пролетом есть деформационные швы. К тому же сам балочный пролет установлен на ростверке с применением амортизирующих демпферов и резинометаллических опор. Таким образом, сейсмостойкие пролеты так называемых «пляшущих» мостов могут перемещаться до тридцати сантиметров. Но при этом демпферы помогают удерживаться этим пролетам на своей оси.
Ученые-сейсмологи вместе с инженерами ищут свежие идеи для усовершенствования уже имеющихся технологий в сейсмическом строительстве и ежегодно внедряют самые эффективные из своих замыслов в новые проекты. Сейсмостойкие здания и сооружения в каждом поколении становится все более безопасными, они эффективно противостоят землетрясениям и другим угрозам, связанным с сейсмической активностью Земли.