Текст книги "Сейсмозащитные устройства: актуальные проблемы сейсмобезопасности"

Н. П. Абовский, И. С. Инжутов, В. Г. Сибгатулин, С. В. Деордиев, В. И. Палагушкин, Е. А. Хорошавин, И. Р. Худобердин, А. А. Дуров
Сейсмозащитные устройства: актуальные проблемы сейсмобезопасности

Введение

Обобщая работы по теории и практике сейсмостойкого строительства, проследим логику исследований по данной проблеме.

Принципиальное отличие сейсмозащитного устройства от сейсмоизоляции, которая традиционно в соответствии с нормативами располагается выше фундамента, состоит в том, что сейсмоизоляция пропускает сейсмическиеие воздействия внутрь здания, снижая при этом их уровень, а сейсмозащита здания вместе с фундаментом не пропускает их внутрь системы полностью или снижает до допустимого уровня. Сейсмозащита охраняет объекты, а не окружающую их территорию.

Необходима системная организация исследований для эффективного перспективного развития сейсмостойкого строительства, так как существующее состояние характеризуется проблемными просчетами, среди которых:

• несоответствие нормативной теории спектрального метода расчета реальной физической природе сейсмического воздействия (неучет первого толчка и т. д.);

• разрыв между геодинамической информацией в баллах и ее воспроизведением и использованием в строительном проектировании;

• пренебрежение характеристиками реальных фундаментов, которые существенно влияют на сейсмостойкость верхнего строения, отсутствие разработок сейсмостойких фундаментов;

• парадоксы, возникающие при стремлении «уточнить» нормативную теорию в случае сложных грунтовых условий;

• практическое отсутствие разработок по применению внешних сейсмозащитных устройств и систем автоматического управления сейсмобезопасностью зданий (сооружений) и др.

Таким образом, путем актуализации и модернизации действующих норм нельзя обеспечить перспективное развитие, необходимы более глубокие (коренные) изменения.

В теории и практике фундаментостроения обнаружился «фундаментальный парадокс»: традиционно фундаменты рассчитываются на нагрузку сверху вниз, в то время как сейсмическое воздействие имеет противоположное направление.

Недостатки (слабость) нормативной теории негативно отражаются на развитии способов конструктивной сейсмобезопасности, которые по инженерному замыслу должны опираться на реальную картину сейсмического воздействия, а нормативная теория ей не соответствует. Видимо, по этой причине ряд конструктивных принципов и рекомендаций, не вытекающих непосредственно из нормативной теории, в действующих нормах не отражены. Например, стремление проектировать сейсмостойкие строения посредством создания многосвязных пространственных систем замкнутого типа (вместе с фундаментом, например с плитой) в нормах отсутствует.

Методы сейсмозащиты представлены в действующих нормах весьма ограниченно: внешняя сейсмозащита не предусматривается, а применение сейсмоизоляции внутри здания не обосновано, ограничено требованием размещать ее выше фундамента. Способы обеспечения внешней сейсмостойкости имеют древнейшие корни и сейчас получают современное развитие в виде фундаментных платформ на скользящем слое.

Государственным научным планированием развития сейсмостойкого строительства в России (а есть ли оно вообще?) не предусмотрены поисковые и внедренческие инновационные разработки по внешней и внутренней сейсмозащите. В практической деятельности специалисты ориентируются на дорогие зарубежные (китайские и др.) устройства, пренебрегая отечественными разработками. Например, применение строений на фундаментной платформе со скользящим слоем, эффективность которых подтверждена теоретическим, модельным и компьютерным моделированием, не получило еще в стране должного развития, хотя все предпосылки, включая экономичность и надежность, для этого имеются.

Авторами впервые разработана и предложена система оперативного автоматического управления внешней сейсмозащитой здания (сооружения) в виде автоматического выключателя аварийного уровня сейсмического воздействия.

Таким образом, логично прийти к выводу о том, что учитывая слабость теории, актуальными направлениями развития в данный период следует считать конструктивные разработки, включая, в первую очередь, способы сейсмозащиты, особенно внешнюю сейсмозащиту.

Глава 1. О необходимости системного подхода к организации исследований по сейсмобезопасности строительства

В данной главе обращено внимание на необходимость системного подхода к проблеме сейсмобезопасного строительства. Это такие вопросы, как: разрыв между геодинамической и строительной частями; несовершенство моделирования и методов расчета, в том числе нормативного; пренебрежение конкретным типом фундаментов как передаточной связи от основания к верхнему строению; неучет начального момента сейсмического толчка, т. е. неучет энергии толчка, который является определяющим фактором; недостаточность развития и использования внешних устройств сейсмозащиты, способных снизить передачу энергии толчка, в частности устройства скользящего слоя между основанием и плитным фундаментом; необходимость совершенствования методов микросейсморайонирования. Особое внимание обращено на разработку методов конструктивной сейсмобезопасности, способной перекрыть недостатки теории. В существующей литературе, в том числе учебной, этому вопросу уделяют недостаточное внимание.

Известна сложность и неопределенность многих вопросов сейсмобезопасности строительства, тем более необходимо обратить внимание на системность исследования.

Существует разрыв между геодинамической и строительной частями исследований. Институтом Физики Земли выполнены работы по общему сейсмическому районированию территории России и разработан комплект карт ОСР-97, на основании которых определяются геодинамические воздействия в отдельных регионах России, а строительная часть выполняется другими институтами, между которыми нет должной взаимосвязи. Суть в том, что результаты геодинамических работ не могут быть полностью использованы при осуществлении строительного проектирования и моделирования сейсмических воздействий. Геофизики определяют смещение, скорость, ускорение, переводя всё в баллы, т. е. передают строителям зашифрованную информацию. Балл является весьма обобщенной и приближенной характеристикой, которую строители стараются также весьма приближенно расшифровать в своих расчетах, но воспроизвести (смоделировать) сейсмические воздействия не могут (набираются погрешности с обеих сторон: как от геофизиков, так и от строителей). В строительных нормативах смещения вообще не учитываются (хотя смещения, особенно тангенциальные, являются наиболее опасными). В стране отсутствует единый научный орган, который координировал бы и согласовывал эти исследования.

Не вдаваясь в подробный анализ методов расчета, отметим, что нормативный метод расчета (спектральный) учитывает расчетный балл по спектру колебаний, но при этом теоретическое определение частот и форм собственных колебаний существенно отличается от реальных. В связи с этим вводится система достаточно грубых коэффициентов, компенсирующих недостатки нормативного моделирования. Многие параметры сейсмических воздействий, кроме балла, не используются. Результаты, полученные с использованием других методов расчета (волновой, по акселерограммам), существенно отличаются от полученных спектральным методом. Эти расхождения известны, но далеко не в полной мере анализируются и сопоставляются с результатами экспериментальных исследований.

Следует отметить, что стремление учесть свойства слабых грунтов (податливость) по нормативной теории вызывает ряд противоречий.

В расчетах влияние конкретных типов фундаментов совместно с основанием исследуется совершенно недостаточно, хотя известно, что поведение фундамента при сейсмических воздействиях существенно определяет поведение верхнего строения и его сейсмостойкость, т. е. расчетные схемы весьма далеки от реальности. Накладываются погрешности определения сейсмической нагрузки и упрощение расчетной схемы здания. Эти сложные вопросы достаточно известны, но в публикациях не просматривается стремление к их решениям. Много неопределенностей. Например, зная ускорение сейсмической волны, не можем сказать, какая масса грунта воздействует на фундамент здания, (т. е. рассчитать силу воздействия), что не позволяет определить прямое сейсмическое воздействие на строительную систему.

В натурных экспериментальных исследованиях воспроизвести сейсмическое воздействие не удается. При сильных землетрясениях (Кобе, 1995 г. и др.) зафиксированы «срезы» колонн, что не должно происходить при колебательном разрушении конструкций. Вероятно, этот эффект связан с распространением ударной волны от сейсмического очага. Этот эффект описан в литературе и объясняется как «специфический сдвиговой пластический шарнир» [4, 5].

В новые нормативные материалы впервые включаются методы сейсмоизоляции. Однако влияние сейсмоизоляции в имеющихся публикациях рассматривается вне зависимости от фундамента и допускается размещение сейсмоизоляции выше фундамента, т. е. предполагается расчленение системы на две части: фундамент и верхнее строение. В нормативах и технической литературе недостаточно освещена внешняя сейсмозащита зданий и строительных систем, в том числе волногашение, проскальзывание сейсмической волны под фундаментной плитой, использование защитных траншей с мягким заполнителем и др., не допускающих или снижающих сейсмическое воздействие на всю строительную систему. В отличие от традиционной сейсмоизоляции, располагаемой внутри здания, внешняя сейсмозащита не допускает (или снижает) сейсмическое воздействие внутрь здания. Отметим, что в имеющейся литературе классификации сейсмоизоляции внешняя сейсмозащита не предусмотрена и в новых нормативах отсутствует [2].

Известные в литературе сопоставления и анализ сейсмических колебаний грунта и верхнего строения проводятся почему-то без учета конкретной конструкции фундамента, а также свойств основания. При этом начальный момент сейсмического воздействия (толчок, удар) не принимается во внимание. Тем не менее именно после этого толчка возникают колебания, энергия этого толчка неполностью (частично) через фундамент передается на верхнее строение. Именно здесь в этот момент и происходит рассеивание энергии возмущения и наличие внешнего защитного сейсмического устройства, снижающего передачу толчка, может быть наиболее эффективно.

Заметим, что в нормативных материалах возможность устройства подобной внешней сейсмозащиты не предусмотрена, а традиционные методы расчета не учитывают этот начальный толчок.

Понятно, что характер колебаний основания и верхнего строения различны и определяются жесткостными характеристиками каждого из них, но имеет большое влияние и передаточная связь (фундамент), роль которой(го) не выявлена. По-видимому, характер колебаний верхнего строения определяется суперпозицией вынужденных и собственных колебаний. Несомненно, что большое влияние имеет энергетическая проводимость или непроводимость фундаментом сейсмического толчка (например, при устройстве скользящего слоя между фундаментной плитой и основанием).

Учитывая сложность и недостатки, указанные выше, особое место следует уделить развитию методов конструктивной сейсмобезо-пасности [1]. Использование искусства инженерного конструирования, не поддающееся формализации, содержит в себе огромные резервы создания надежных конструкций и способно перекрыть недостатки теоретических расчетов и неточность определения сейсмической нагрузки.

Целесообразно вспомнить исторический опыт строительства древнейших конструкций, дошедших до наших дней, выдержавших многие испытания. Большое внимание в этих сейсмостойких конструкциях уделено устройству основания и фундамента, в целом создающих малую чувствительность к негативным сейсмическим воздействиям. К сожалению, в нашей стране даже в специальных журналах устройству фундаментов и их расчету на сейсмические воздействия уделяется мало внимания. Также мало внимания уделено способам усиления сейсмостойкости существующих зданий, хотя действующая Федеральная целевая программа по повышению сейсмостойкости зданий нацелена на решение именно вопросов сейсмоусиления существующих зданий. Разработка рационального усиления сейсмостойкости существующих зданий является актуальной задачей сегодняшнего дня. Здесь требуются, как правило, нестандартные решения, которые плохо освещены в литературе и недоступны многим проектировщикам.

Также мало внимания уделяется исследованию и анализу сейсмостойкости специальных конструкций (магистральных трубопроводов, отдельных надземных резервуаров, мостов и др.). Результаты мониторинга автоматического учета и регулирования колебаний и сейсмичности недостаточно освещены в литературе, и неизвестно, кем они обобщаются.

Огромное значение имеет подготовка и переподготовка научных и инженерных кадров для обеспечения сейсмобезопасности строительства. К сожалению, во многих университетах эта работа не налажена. Это в первую очередь касается учебных планов и учебных пособий, которые, как правило, стремятся подчинить обучение существующей системе нормативно-правового регулирования.

Совершенно недостаточно освещаются и разрабатываются методы конструктивной сейсмобезопасности. Отметим, что в традиционных учебниках по конструкциям из разных материалов даже отсутствует раздел по формообразованию сейсмостойких конструкций. Думаем, что это серьезный недостаток в организации обучения методам сейсмостойкого строительства, так как при нынешних недостатках развития теории и методов расчета именно рациональное конструктивное формообразование позволяет обеспечить сейсмобезопасность.

О геодинамических погрешностях. Отметим только вопросы сейсмического микрорайонирования, т. е. определение сейсмической опасности локальной площадки.

Сейсмическое микрорайонирование проводится, как правило, до строительства объекта, т. е. не учитывается его влияние (в том числе уплотнение грунта, добавленная жесткость основания и т. д.). Корректировки после строительства не вносятся и не могут быть учтены, так как проект реализован.

Вероятно, сейсмическое микрорайонирование не должно быть одноразовым только до строительства. Целесообразно сопровождать мониторингами эксплуатацию здания и не ограничиваться только показателями наземных датчиков, отражать состояние всего сооружения, для чего использовать стационарные следящие устройства хотя бы для ответственных сооружений. Необходимо дополнить нормативные материалы указанием необходимости такого мониторинга для ответственных объектов.

Воспринимает ли традиционная сейсмоизоляция энергию сейсмотолчка или учитываются только его последующие колебания?

Нельзя игнорировать тот факт, что развитие многих городов, в том числе и Красноярска, не базируется на картах сейсмического микрорайонирования, хотя это и предусмотрено Градостроительным кодексом РФ [3]. А ведь без определения сейсмичности строительной площадки нельзя принять надежные конструктивные решения для строительства и реконструкции зданий. Имеющиеся в СНИПе разрешительные допущения по этому поводу весьма негативны.

В заключение считаем необходимым отметить большое значение журнала «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений», который в определенной мере позволяет сосредоточить внимание на этих вопросах и координировать работы отдельных групп исследователей в стране, но, видимо, этого совершенно недостаточно для решения такой сложной проблемы, учитывая слабость теории, методов расчета и необходимость их развития.

Глава 2. О роли фундаментов в сейсмостойком строительстве

2.1. К вопросу о системном рассмотрении системы «здание – фундамент – основание»

Отметим, что недооценка роли фундамента в сейсмостойком строительстве была указана нами при обсуждении актуализированного проекта норм и в ряде статей, но наши предложения, к сожалению, не были учтены в новой редакции норм, хотя фамилия одного из авторов включена в список их разработчиков. Возможное объяснение кроется в том, что нормативный спектральный метод эти изменения учесть не может. Требуются коренные изменения.

Дальнейший анализ показал, что традиционное проектирование фундаментов в условиях сейсмичности противоречит физической картине сейсмического воздействия снизу вверх. Эта проблема привела авторов к выводу о том, что слабость нормативной теории расчета на сейсмостойкость в настоящее время можно преодолевать, активно развивая конструктивные методы, которые опираются на действительную картину сопротивления сейсмике. И действительно, предлагаемые конструктивные методы исходят, как правило, не из теории спектрального метода, а из здравого инженерного смысла и практики.

Отметим, что выбор типа фундамента (как и других конструктивных решений) продолжает оставаться в области инженерного искусства и поиска (удачного и менее удачного). Примером этому может служить разработка грузинских авторов и ее обсуждение.

О роли фундамента. Приведем высказывание Б.А. Кирикова: «Действие сейсмической волны на здание начинается с фундамента, и в зависимости от того, как повел себя фундамент, определяется поведение всего здания». В нормах не обнаружены какие-либо рекомендации по применению фундаментов того или иного типа и оценка их влияния на сейсмостойкость здания. Получается, что тип используемого фундамента не имеет значения? С этим нельзя согласиться. Тем более, если стремится учесть деформативность основания.

Действительно, в СНиПе [47, п. 2.4] прописано, что при расчете на горизонтальные воздействия допускается использовать упрощенную модель сооружения в виде жесткозащемленной консоли, т. е. пренебрегать типом фундамента и деформативностью основания, а вертикальную составляющую перемещений фундамента необходимо учитывать при расчетах оснований и фундаментов [47, п. 2.6]. Получается, что сейсмостойкость здания определяется без учета типа его фундамента и свойств основания. Такой подход в ряде случаев ошибочен. Например, большепролетное здание на локальных опорах или сплошной фундаментной плите, объединяющей эти опоры, обладает различной сейсмостойкостью. Возможное взаимное горизонтальное смещение локальных опор может привести к аварийности здания, чего нет при сплошной фундаментной плите.

Таким образом, несистемность подхода к цельной системе «здание – фундамент – основание» существенно сужает спектр конструктивных решений по обеспечению сейсмобезопасности, снижает возможность повышения сейсмобезопасности с помощью конструктивных решений (конструктивная сейсмобезопасность).

О дефиците сейсмостойкости. Проект норм оперирует понятием «дефицит сейсмостойкости», под которым понимается разность между расчетной сейсмичностью площадки и начальной сейсмостойкостью здания. Казалось бы, что это понятие вносит некоторую ясность, если бы определения начальной сейсмостойкости здания и расчетной сейсмостойкости площадки не страдали отмеченными ниже недостатками. Причина кроется в неоправданном нарушении системного подхода при рассмотрении системы «здание – фундамент – основание». При этом не учитываются возможные защитные (в виде экранов в грунте) мероприятия, которые могут изменить сейсмичность площадки, создавая защитную «тень» для здания.

Действительно, начальная сейсмостойкость здания, как можно понять из СНиПа [47], определяется на основе расчетно-динамической модели (РДМ), в том числе по спектральному методу расчета. При этом для здания не учитывается конкретный тип фундамента и реальная податливость основания, а используется идеализированное абсолютное защемление. Поэтому такая оценка дефицита сейсмостойкости может быть более достоверна для грунтов прочных (I категории), но может оказаться ошибочной для слабых грунтов, т. е. для наиболее опасных случаев. Это понятно, так как учет податливости прочных грунтов вносит небольшие поправки в расчет, а для слабых грунтов это расхождение весьма существенное. Использование в нормативном расчете для слабых грунтов повышение балльности и увеличение коэффициента сейсмичности в 2 и 4 раза для площадок с повышенной сейсмичностью отражает «точность» моделирования и не избавляет от возможных ошибок. Кроме того, расчетная сейсмичность площадки, как правило, не учитывает наличия защитных и сейсмоизоляционных устройств на площадке, снижающих величину сейсмического воздействия на здание [47, п. 1.3].

Преодолеть понятие «дефицит сейсмостойкости» можно только, во-первых, на основе системного расчета «здание – фундамент – основание» и, во-вторых, путем улучшения модели сейсмического воздействия и его передачи на здание. Первая причина преодолима в определенной мере с помощью современных компьютерных программ. Вторая зависит от уровня развития теории. Причина не только в сложности проблемы, но и в нестыковке (несистемности) исследований, проводимых отдельно сейсмологами и отдельно строителями.

Таким образом, полезность использования дефицита сейсмостойкости как нормативного термина весьма ограниченная.

Учитывая уровень развития теории сейсмостойкого строительства, целесообразно расширить и усилить раздел мероприятий по конструктивной безопасности (или, как их называет проф. Я.М. Айзенберг, концептуальное проектирование). Концептуальное проектирование нацелено на учет при проектировании упругопластических деформаций и допустимых локальных повреждений в здании. Следует, однако, в первую очередь ориентироваться на такие конструктивные решения, которые позволяют снизить передачу сейсмических воздействий на фундамент и все сооружение, а также создавать конструкции, малочувствительные к негативным воздействиям [1–4]. Такая ориентация в проекте норм, к сожалению, отсутствует, хотя разработки имеются [47, п. 4]. Такое направление лучше укладывается в понятие конструктивной безопасности [7].

О применении спектрального метода расчета. Стремление уточнить РДМ за счет учета податливости основания при использовании нормативного спектрального метода расчета наталкивается на противоречие. Действительно, учет податливости основания, который, казалось бы, должен способствовать совершенствованию нормативной расчетной модели, приводит к противоречивым результатам в случае слабых грунтов, как это показано в [10]. Периоды колебаний зданий на слабых грунтах больше, чем при жестком основании, коэффициенты сейсмичности β уменьшаются, и в итоге снижаются величины сейсмических воздействий на здание. И получается, что учет податливости слабого грунта снижает расчетные усилия в элементах здания, т. е. происходит снижение сейсмостойкости здания вопреки стремлению [47] повысить расчетные сейсмические воздействия при расчете зданий на слабых грунтах.

Причина кроется, по-видимому, в том, что спектральный метод расчета априори был ориентирован на замену конкретного типа фундамента и податливости основания жестким закреплением опор. Это существенно отражается на определении собственных частот и других форм колебаний здания, на использовании которых построен спектральный метод. Видимо, поэтому в ряде работ предлагается использовать экспериментальные данные о периодах колебаний разных зданий вместо теоретических.

Отметим, что в некоторых работах рекомендуется для расчетов по спектральному методу использовать не только первые, но и многие другие частоты и формы колебаний, надеясь на улучшение достоверности расчета на сейсмостойкость. При этом забывают о более грубых допущениях этого метода, перекрывающих другие неточности (в частности, податливость основания).

Другим примером ограниченности применения спектрального метода может служить попытка учесть влияние защитных устройств на площадке, например, траншей, на снижение сейсмических воздействий на здание. Отметим, что наши попытки системного расчета «здание – фундамент – основание» оказались бесплодными. Спектральный метод дает некоторую схему распределения сейсмических воздействий на элементы здания, все остальное учитывается набором коэффициентов. Требовать от метода больше, чем то, что в него заложено, нельзя.

Целесообразно в СНиПе указать на назначение и возможности расчетных методов, чтобы избежать ошибок в их применении даже при благородном стремлении улучшить результаты исходя из традиционных соображений.

Об эффекте применения пространственных фундаментных платформ на скользящем слое [6–8]. Проект норм содержит указания об учете крутильных сейсмических воздействий на здание, абстрагируясь при этом от типа фундамента здания, т. е. не учитывая конкретную связь между источником возмущения (основанием) и зданием. В ряде случаев это приводит к ошибке. Если эти связи упругие или скользящие с низким коэффициентом трения, например, если здание соединено со сплошной пространственной фундаментной платформой на скользящем слое [6–8], то крутильные воздействия от основания на верхнее строение не передаются полностью или их влияние существенно снижено. В связи с этим следует отметить, что строительство зданий и сооружений на сплошных пространственных фундаментных платформах (ПФП) на скользящем слое, расположенном между ПФП и основанием, не укладывается в проект данных норм, хотя это снимает ряд ограничений формообразования, предписанных для традиционных решений, и создает улучшенные возможности для сейсмостойкого строительства.

Действительно, известно (в проекте норм и литературе), что важнейший из общепризнанных принципов сейсмостойкого строительства состоит в том, что «объемно-планировочные и конструктивные решения зданий и сооружений должны удовлетворять условиям симметрии и равномерного распределения жесткостей и масс. Предпочтение следует отдать конструктивным системам с малым шагом несущих элементов, меньшим количеством проемов, их малыми размерами и симметричным расположением. Здания сложной, неправильной формы при землетрясениях подвергаются дополнительным крутильным воздействиям, что резко увеличивает их повреждаемость» [9].

Можно утверждать, что данный принцип справедлив при традиционных фундаментах под здания (сооружения), при которых на фундамент и верхнее строение передаются горизонтальные смещения основания от сейсмических воздействий. Это особенно чувствительно для большепролетных зданий и зданий большой протяженности в плане на отдельных, не связанных между собой фундаментах, плотно соединенных с основанием. Иная ситуация имеет место при сплошных фундаментных платформах (ПФП) на скользящем слое. Здесь, во-первых, работает эффект существенного снижения передачи на фундамент больших горизонтальных сейсмических смещений, а во-вторых, более равномерно распределяются эти воздействия на все здание [1–4]. При этом, например, снижается или вовсе не возникает опасность крутильных деформаций.

Таким образом, применение ПФП на скользящем слое дает большую свободу объемно-планировочному и конструктивному формообразованию зданий и сооружений, т. е. расширяются возможности строительства и повышается его сейсмобезопасность.

Несоблюдение в проекте норм системного проектирования «здание – фундамент – основание», а также неучет конкретных типов фундаментов, сейсмоизоляции и защитных устройств может привести к недоразумениям, которые ставят новые эффективные научно-технические разработки вне этих норм и не способствуют их внедрению. В этой связи целесообразно перенести в предисловие к нормам (из пояснительной записки) оценку нынешнего, к сожалению, положения: существующие методы расчетов на сейсмические воздействия не в полной мере обеспечивают надежное определение напряженно-деформированного состояния элементов конструкций здания, и некоторые инженерные решения вообще принимаются не по расчету, а по конструктивным соображениям.

Для обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений должна активно работать инженерная мысль!