ФИЛОСОФИЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ - Строительство и ремонт

Проблема землетрясения

Сила сотрясения грунта в данном месте во время землетрясения может быть незначительной, умеренной и сильной. Относительно говоря, незначительное сотрясение происходит часто, умеренное – время от времени, а сильное – редко. Например, в среднем ежегодно в мире происходит около 800 землетрясений магнитудой 5,0-5,9, в то время как для диапазона магнитуд 7,0-7,9 это число составляет всего 18. Так стоит ли проектировать и строить здание, чтобы противостоять редким землетрясениям, которые могут происходить только раз в 500 лет или даже раз в 2000 лет на выбранном участке, даже если срок службы самого здания может составлять всего 50 или 100 лет? Поскольку обеспечение дополнительной сейсмостойкости зданий стоит денег, возникает противоречие: Должны ли мы отказаться от проектирования зданий с учетом последствий землетрясения? Или мы должны проектировать здания “сейсмостойкими”, чтобы не было никаких повреждений во время сильных, но редких землетрясений? Очевидно, что первый подход может привести к крупной катастрофе, а второй – слишком дорог. Следовательно, философия проектирования должна лежать где-то между этими двумя крайностями.

Здания, устойчивые к землетрясениям

Инженеры не пытаются создавать сейсмостойкие здания, которые не будут повреждены даже во время редкого, но сильного землетрясения; такие здания будут слишком прочными, а также слишком дорогими. Напротив, инженерное намерение состоит в том, чтобы сделать здания сейсмостойкими; такие здания противостоят воздействию подземных толчков, хотя они могут получить серьезные повреждения, но не разрушатся во время сильного землетрясения. Таким образом, в сейсмостойких зданиях обеспечивается безопасность людей и имущества, и тем самым предотвращается катастрофа. Это основная цель кодов сейсмического проектирования во всем мире.

Философия проектирования при землетрясениях

Философия проектирования при землетрясениях может быть обобщена следующим образом (рис. 1):

(a) При незначительных, но частых сотрясениях основные элементы здания, которые несут вертикальные и горизонтальные нагрузки, не должны быть повреждены; однако части здания, которые не несут нагрузки, могут получить повреждения, которые можно восстановить.

(b) При умеренном, но периодическом сотрясении основные элементы могут получить ремонтопригодные повреждения, в то время как другие части здания могут быть повреждены настолько, что их даже придется заменить после землетрясения; и

(c) При сильных, но редких сотрясениях основные элементы могут получить серьезные (даже непоправимые) повреждения, но здание не должно разрушиться.

Цели эффективности при землетрясениях различной интенсивности – стремление к получению незначительных повреждений, поддающихся восстановлению, при слабых сотрясениях и

предотвращение обрушения при сильном сотрясении.

Таким образом, после незначительного сотрясения здание будет полностью готово к эксплуатации в течение короткого времени, а затраты на ремонт будут небольшими. После умеренного сотрясения здание будет функционировать после завершения ремонта и укрепления поврежденных основных элементов. Но после сильного землетрясения здание может стать неработоспособным для дальнейшего использования, но будет стоять, чтобы можно было эвакуировать людей и восстановить имущество.

Последствия повреждений должны учитываться при проектировании. Например, важные здания, такие как больницы и пожарные станции, играют важную роль в деятельности после землетрясения и должны оставаться функциональными сразу после землетрясения. Эти сооружения должны получить очень незначительные повреждения и должны быть спроектированы с более высоким уровнем защиты от землетрясения. Разрушение плотин во время землетрясения может вызвать наводнение в нижнем течении реки, что само по себе может стать вторичным бедствием. Поэтому плотины (и, аналогично, атомные электростанции) должны быть рассчитаны на более высокий уровень землетрясений.

Повреждения в зданиях: Неизбежное

Проектирование зданий, способных противостоять землетрясениям, подразумевает контроль ущерба до приемлемого уровня при разумных затратах. Вопреки распространенному мнению, что любая трещина в здании после землетрясения означает, что здание небезопасно для проживания, инженеры, проектирующие сейсмостойкие здания, признают, что некоторые повреждения неизбежны. Во время землетрясений в зданиях возникают различные виды повреждений (в основном, визуализируемые через трещины; особенно это касается зданий из бетона и каменной кладки). Некоторые из этих трещин являются приемлемыми (с точки зрения их размера и расположения), в то время как другие – нет. Например, в железобетонном каркасном здании с кладкой заполняющих стен между колоннами, трещины между вертикальными колоннами и кладкой заполняющих стен допустимы, но диагональные трещины, проходящие через колонны – нет (рис. 2). В целом, квалифицированные технические специалисты знают о причинах и серьезности повреждений в сейсмостойких зданиях.

Диагональные трещины в колоннах ставят под угрозу вертикальную несущую способность зданий – неприемлемый ущерб.

Поэтому при проектировании сейсмостойких зданий необходимо обеспечить, чтобы повреждения зданий во время землетрясений были приемлемыми, а также чтобы они возникали в нужных местах и в нужном количестве. Такой подход к сейсмостойкому проектированию во многом напоминает использование электрических предохранителей в домах: чтобы защитить всю электропроводку и электроприборы в доме, вы жертвуете некоторыми небольшими частями электрической цепи, называемыми предохранителями; эти предохранители легко заменяются после перегрузки по току. Точно так же, чтобы спасти здание от обрушения, нужно позволить некоторым заранее определенным частям подвергнуться приемлемому типу и уровню повреждения.

Допустимое повреждение: Пластичность

Итак, теперь задача состоит в том, чтобы определить приемлемые формы повреждений и желательное поведение здания во время землетрясения. Для этого давайте сначала разберемся, как ведут себя различные материалы. Рассмотрим белый мел, используемый для письма на досках, и стальные булавки с твердыми головками, используемые для скрепления листов бумаги. Да… мел легко ломается!!! Напротив, стальной штифт позволяет сгибать его взад-вперед. Инженеры определяют свойство, позволяющее стальным штырям сгибаться взад-вперед на большую величину, как пластичность; мел – хрупкий материал.

Здания, устойчивые к землетрясениям, особенно их основные элементы, должны быть построены с учетом их пластичности.

Такие здания обладают способностью раскачиваться взад-вперед во время землетрясения и выдерживать воздействие землетрясения с некоторыми повреждениями, но без разрушения (рис. 3). Пластичность является одним из наиболее важных факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики здания. Таким образом, сейсмостойкое проектирование стремится заранее определить места, где происходит повреждение, а затем обеспечить хорошую детализацию в этих местах для обеспечения пластичности здания.

(a) Поведение здания во время землетрясения: две крайности – вязкое и хрупкое.

(b) Хрупкое разрушение железобетонной колонны

Вязкие и хрупкие конструкции – при сейсмическом проектировании стараются избегать конструкций последнего типа.

Читайте далее: