.

ОЦЕНКА СЕЙСМОУСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ РАСЧЕТНОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ

Волосухин Виктор Алексеевич – Директор Института
безопасности гидротехнических сооружений,
доктор технических наук, профессор

Дыба Владимир Петрович – Главный научный сотрудник
Института безопасности гидротехнических сооружений,
доктор технических наук, профессор

Моргунов Владимир Николаевич – Старший научный сотрудник
Института безопасности гидротехнических сооружений,
кандидат технических наук, доцент


В условиях сейсмической опасности находится значительная часть территории Российской Федерации, на которой проживает порядка 10% населения. Количество объектов, требующих выполнения мероприятий по их сейсмоусилению, по независимым экспертным оценкам, составляет до 10 тысяч объектов [1].

Произошедшие в последние годы на территории России крупные землетрясения, в том числе и в районах, традиционно не считавшихся опасными (г. Калининград, 2004 г.), либо прогнозировавшихся на меньшую балльность (10-балльное землетрясение 2006 года в Корякском автономном округе), выявили проблему дефицита сейсмостойкости многих зданий и сооружений, проектировавшихся и строившихся по старым нормативным требованиям и представляющих вследствие этого источник повышенной опасности.

Промышленные и водохозяйственные объекты, расположенные в ЮФУ и построенные на основе карты ОСР-78, по большей части не соответствуют воздействиям, предусмотренным с позиций карты ОСР-97В (рис.1). Территория Краснодарского края по сейсмичности в баллах ОСР-97 разделяется следующим образом: 34% территории – 6б, 31,5% – 7б, 33,5% – 8б, 1% – 9б. Следовательно, необходимо обеспечение сейсмобезопасности расположенных здесь гидротехнических сооружений.

По заказу ФГУ «Управление Кубаньмелиоводхоз» Институтом безопасности гидротетехнических сооружений были проведены исследовения сейсмоустойчивости зданий насосных станций №1-6, 13 Черноерковской оросительной системы в Славянском районе и насосных станций №4, 7, 12 Понуро-Калининской оросительной системы в Калининском районе Краснодарского края в связи с планируемой их реконструкцией.

OSR-78_Karta_sejsmorajonirovaniya_Krasnodarskogo_kraya

Рис. 1. Карты сейсморайонирования Краснодарского края: а – ОСР-78, б – ОСР-97В

Здания насосных станций, как правило, представляют собой блок, состоящий из подземной части и верхнего строения (рис.2). Подземная часть блока выполнена в опускном колодце радиусом 8-12 м глубиной 8-10 м из сборных железобетонных элементов, объединенных в нижней и верхней частях монолитными железобетонными плитами или в монолитном железобетоне.

Верхнее строение (машзал) каркасного типа, как правило, выполнено из сборного железобетона. Безопасность насосных станций при сейсмическом воздействии обеспечивается, прежде всего, устойчивостью надземного блока (здания с железобетонным каркасом).

Сейсмостойкость сооружений, их фундаментов и оснований оценивается расчетом по первой группе предельных состояний на особое сочетание нагрузок, которое включает сейсмическое воздействие. Существуют две главные причины разрушения надземных сооружений при землетрясениях: инерция и резонанс с сейсмическими волнами.

Konstruktivnoe_reshenie_nasosnoj_№3_Chernoerkovskoj_orositelnoj_sistemy

Рис.2. Конструктивное решение насосной №3 Черноерковской оросительной системы (разрез)

Наиболее опасными для сооружения, не находящегося в эпицентре землетрясения, являются поверхностные волны, представляющие собой смесь волн Лява и волн Релея [2]. Поверхностные волны являются длинными волнами, длина которых может измеряться сотнями метров. Поперечные размеры здания машзала станций не превышают 12 метров. Следовательно, с высокой степенью точности можно считать, что все здание находится в одной фазе волны. Это позволяет произвести интегральный, укрупненный расчет рассматриваемого сооружения.

Проведенные расчеты заключались в сравнении сейсмической нагрузки и изгибающих моментов в колоннах каркаса, им вызванных, с предельными изгибающими моментами в колоннах, зависящих от их геометрических размеров, армирования и прочности бетона. Если суммарный изгибающий момент от сейсмических нагрузок не превышает суммарного предельного изгибающего момента на колонны, то сооружение сохраняет свою устойчивость.

Сейсмические силы определялись по формулам (1) и (2) СНиП II-7-81* и зависели от категории грунта по сейсмическим свойствам, расчетной сейсмичности, веса покрытия, колонн и других конструкций, а также от временных нагрузок и других факторов.

Предельные изгибающие моменты колонн, характеризующие их несущую способность, определялись по СНиП 2.03.01-84.

При расчетах конструкций использовались упруго-пластические модели сплошной среды. При расчете здания использовалась динамическая модель, представляющая собой невесомую вертикальную одноэлементную консоль с сосредоточенной массой, принимаемой в уровне покрытия, с жесткой заделкой в основании.

Для каждого сооружения производился расчет сечений колонн в двух наиболее опасных уровнях: на уровне низа подкрановой балки; на уровне заделки колонн в фундамент.

При расчете взаимодействий сооружений с окружающей грунтовой средой следует учитывать разнообразие сейсмических воздействий, а также, что может оказаться существенным, последствия сейсмического воздействия на окружающий сооружение грунт. Сейсмическое воздействие может привести к аварии сооружения не только непосредственно, вызвав недопустимые дополнительные напряжения в момент прохождения сейсмической волны, но и в результате остаточных изменений в грунтовой среде основания сооружения. Появляющиеся в результате землетрясения разломы, трещины, оползни, осадки земной поверхности – возможные причины аварийных ситуаций в последующем.

Дополнительные напряжения в строительных конструкциях сооружения и фундамента связаны с местными перемещениями грунта. Эти перемещения появляются по причине:

— просадок макропористых грунтов в результате замачивания (просадочными свойствами обладают лессы, лессовидные супеси, суглинки, глины, маловлажные структурные пески);
— увеличения объема набухающих грунтов при замачивании и пучении пучиноопасных грунтов при отрицательных температурах;
— осадки земной поверхности, вызываемой горными выработками;
— силового воздействия оползающих грунтов.

Влияние всех рассмотренных неблагоприятных грунтовых условий на эксплуатацию сооружения усиливается сейсмической активностью.

На Юге России широко распространены макропористые грунты с пористостью n>40%. При сейсмическом воздействии такие грунты могут уплотняться, вызывая деформацию земной поверхности. Особенно опасны в этом отношении водонасыщенные пески, имеющие пористость выше критической пористости. При сейсмическом воздействии такие пески переходят в текучее состояние вследствие возрастающего гидродинамического давления, вызываемого выжимаемой из пор водой. Потеря несущей способности таких оснований сопровождается отжатием на поверхность грунтовых вод.

Одним из наиболее неустойчивых оснований является аллювий – материал, переносимый реками и покрывающий днища долин, где чаще всего и возводят гидротехнические сооружения. Известно, что для оснований, сложенных аллювием, характерен эффект поглощения слабых колебаний и усиления интенсивных, порождаемых сильными землетрясениями.

В конструкциях обследованных насосных станций отсутствовали прямые и косвенные признаки неравномерных деформаций грунтового основания (нет просевших участков поверхности в местах расположения фундаментов, отсутствуют характерные трещины в стенах здания, нет существенных отклонений железобетонных элементов каркаса от проектного положения). У большинства обследованных насосных станций роль фундамента играет монолитный ж/б блок, заглубленный на 8-14 м. Площадь подошвы составляет 400-800 м2. Ясно, что дополнительное давление на грунт, вычисляемое как разность веса сооружения и веса вынутого грунта, деленная на площадь подошвы, весьма невелика. С момента постройки насосных станций в 1980-х годах свойства грунтов оснований, безусловно, улучшились. При длительном воздействии нагрузок на грунты в процессе эксплуатации зданий уменьшается коэффициент пористости грунтов оснований, увеличивается удельное сцепление, вследствие чего упрочняется грунт и увеличивается модуль деформации грунтов.

Можно заключить, что появление дополнительной сейсмической силы, вызванной 8-балльным землетрясением, равной примерно 0,2 веса сооружения, не приведет к существенным осадкам и кренам, способным затруднить эксплуатацию сооружений.

По результатам проведенных исследований было установлено, что основные конструкции насосных станций, как правило, находятся в удовлетворительном состоянии. Расчетная сейсмичность площадки строительства с учетом современных норм повысилась на 1-2 балла. Фактически выполненные несущие строительные конструкции насосных станций позволяют эксплуатировать сооружения в современных условиях. В то же время некоторые конструктивные решения, примененные при строительстве станций, не учитывали современное повышение расчетной сейсмичности площадки и не соответствуют требованиям 3-го раздела СНиП II-7-81*:

1. В зданиях насосных станций недостаточна жесткость дисков перекрытий, выражающаяся в отсутствии антисейсмических поясов и связей между плитами покрытий (перекрытий).

2. В зданиях имеются перепады высот между машзалом и вспомогательными помещениями, отсутствует антисейсмический шов.

3. В некоторых зданиях отсутствовали вертикальные металлические связи между колоннами.

Для повышения сейсмоустойчивости зданий насосных было рекомендовано выполнить следующие мероприятия в соответствии с конструктивными решениями по серии 0.00-2.96с [3], выпуски 0-0…0-8:

1. Для обеспечения большей жесткости дисков покрытий и перекрытий в горизонтальной плоскости и совместной работы отдельных плит объединить их с помощью шпонок, тяжей или набетонки.

2. Участки стен, выступающих над покрытием (парапеты и фронтоны), усилить с использованием жестких вертикальных элементов или устройством двухсторонних растворных или железобетонных «рубашек».

3. Выполнить антисейсмический шов между машзалом и пристройкой.

4. Для увеличения жесткости здания в продольном направлении в среднем шаге колонн установить вертикальные связи, обеспечивающие геометрическую неизменяемость конструкции рамы каркаса и передачу всех горизонтальных усилий на фундаменты.

Стоимость одного и того же здания, определяемая на стадии проектирования, при строительстве в двух сейсмических районах отличается на 5-8% при разнице сейсмических воздействий в 1 балл. Усиление существующих зданий на 1 дополнительный балл сейсмического воздействия будет стоить ориентировочно вдвое дороже не считая затрат или потерь, связанных с частичной или полной приостановкой выполнения основной функции такого здания. Стоимость обеспечения сейсмобезопасности существующих объектов промышленного и водохозяйственного назначения при изменении расчетной сейсмичности безусловно можно понизить, применяя существующие конструктивные решения с учетом особенностей зданий, учитываяулучшение свойств грунтов оснований с момента постройки и используя в расчете фактические физико-механические характеристики материалов несущих конструкций, полученные по результатам обследования.

Библиографический список

1. Концепция федеральной целевой программы «Развитие систем жизнеобеспечения муниципальных образований в сейсмоопасных районах» на 2009-2017 годы». Министерство регионального развития Российской Федерации, 2008.

2. Безопасность гидротехнических сооружений и строительных объектов при сейсмических воздействиях: Учеб. пособие / В.А. Волосухин, В.П. Дыба, В.Н. Моргунов; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ); Новочерк. гос. мелиоративная академия. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – 167 с.

3. Серия 0.00-2.96с. Повышение сейсмостойкости зданий. ЦНИИПРОМЗДАНИЙ, 1998.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.