Рекомендации по проектированию сейсмостойких фундаментов объектов повышенной этажности, в том числе для уникальных высотных зданий и сооружений Шифр тр-нгпи-13 (вып. 2)

О работе конструкций подземной части
на сейсмические нагрузки

1. 
   Распространяемые в грунте колебания встречают на пути преграду в виде сплошного экрана с наклонными стенами 2 и горизонтальным днищем. Частично колебания отражаются и рассеиваются в окружающем грунте, а частично поглощаются самим экраном 2.
   

2. 
   Благодаря принятому решению сейсмические волны при землетрясениях не встречают стен подвала здания, так как наклонные откосы 12 будут выполнять роль "смещающихся поверхностей", в результате чего общая площадь боковой поверхности строительных конструкций стен подвала, воспринимающая горизонтальные сейсмические нагрузки, действующие на подвальную часть, снижается в 10-15 [1] и более раз. Но и это еще не все возможности принятых конструктивных решений по повышению сейсмостойкости и надежности.
   
3. 
   Относительно слабое сейсмическое воздействие на фундаментную плиту 8 гасится дополнительной осадкой катковых шаровых опор 6 в сжимаемом верхнем слое промежуточной подушки 5 и упругостью прокладок, а также проворачиванием или смещением этих опор на менее уплотненном участке подушки из сыпучего материала.
   
4. 
   Работа шаровых опор 6 в рассматриваемом случае отличается от работы традиционных чисто кинематических катковых опор. Шаровые опоры в виде включений в составе подушки (как несущего единого основания) будут выполнять роль шарнирных, обеспечивающих возможность поворота их на небольшой угол в одних случаях при раскачке, в других — возможность смещений при горизонтальных воздействиях.
   

5. 
   В целом предложенная конструкция обеспечивает саморегулирование нагрузок и осадок.
   
6. 
   В конкретном случае могут быть предложены для использования природные местные материалы (каменные валуны, песок), обладающие значительной долговечностью и низкой стоимостью [9]. Высокое качество работ не требуется.
   

7. 
   При использовании изложенных решений надежность объектов с каждым новым сейсмическим толчком не снижается, а наоборот может повышаться. Это объясняется тем, что в период длительной эксплуатации в районах с повышенной сейсмической активностью проявляются частые незначительные сейсмические толчки силой, например, 3-5 баллов и происходит поэтапное демпфирование и как бы «постепенное» приспособление конструкций фундамента к восприятию более сильных землетрясений силой 7-9 баллов.
   
8. 
   При более значительном сейсмическом воздействии на площадке (7-9 баллов) демпфирование фундамента обеспечивается местным смятием бетона нижнего слоя фундаментной плиты в местах опирания опор 6. Промежуточные катковые опоры 7, имеющие меньший диаметр, включаясь в работу периодически, выполняют роль мгновенно изменяемых связей, что позволяет избежать явления резонанса. Кроме того, они могут воспринимать часть вертикальных нагрузок, если осадка основных опор 6 превысит предполагаемую расчетом.
   

6. обеспечениЕ устойчивости зданий (сооружений)

1. 
   Устойчивость каркаса подземной части здания обеспечивается:
   
2. 
   наличием упора 13 с демпферными устройствами в уровне фундаментной плиты с ограничением возможности смещения ее в горизонтальном и вертикальном направлениях;
   
3. 
   устройством распорок 14 в верхней части подвала в уровне перекрытий при наличии 3-х и более этажей с аналогичными демпферными прокладками;
   
4. 
   выполнением выносных горизонтальных поясов-экранов 15 из плит, шарнирно прикрепленных к плитам перекрытий, и ограничением угла поворота их для обеспечения упора в грунте засыпки 11;
   
5. 
   наличием наклонных стен 2, 4, включающихся в работу при опрокидывании здания.
   

6. 
   При конкретном проектировании устойчивость автономного фундамента 8 (имеющего большие габариты) может быть повышена устройством дополнительных сквозных анкерных опор в плите 8 с уширениями в нижней зоне в скальном грунте и консольными уширениями и демпферами в верхней (над плитой) для гашения вертикальных колебаний.
   
7. 
   Предлагаемые решения позволяют не только значительно повысить надежность зданий и сооружений для принятых экстремальных условий, но и обеспечить максимальную их этажность, а также устойчивость.
   

7. Выводы, предложения и рекомендации

1. 
   Снижение расчетной сейсмичности района строительства на 1 балл благодаря принятым оптимальным геологическим условиям и дополнительно еще на 1-2 балла согласно комплексу строительных решений с элементами сейсмозащиты является большим достижением. Но для особо уникальных объектов, учитывая целесообразность повышения их надежности, рекомендуется принимать расчетную сейсмичность в размере 7 баллов, то есть на 2 балла менее в сравнении с исходной, условно принятой в размере 9 баллов.
   
2. 
   Указанное снижение балльности приведет к уменьшению сейсмических нагрузок не менее чем в 4 раза. В этом случае более существенными по своему значению при проектировании станут ветровые нагрузки, условно принятые для V ветрового района.
   
3. 
   Принятая сейсмозащита является универсальной, обеспечивающая защиту от различных видов сейсмических воздействий, в том числе с различных глубин и направлений их, а также по времени между толчками. В ряде случаев принятые решения сейсмозащиты дублируют друг друга, что в целом повышает надежность зданий (сооружений).
   
4. 
   Несущие конструкции подвальной части многоэтажного каркасного здания расположены на автономном фундаменте и искусственном основании (см. пункт 1.2 раздела 3), являющемся по существу буферной зоной между ними и естественными грунтами по периметру котлована.
   
5. 
   При этом разница осадок колонн каркаса подвала и коробчатого фундамента по контуру котлована практически нулевая, что повышает надежность упоров 13 и распорок 14 с демпферными устройствами.
   
6. 
   Необходимо особо подчеркнуть, что возможности повышения сейсмостойкости и надежности не определяются только изложенными решениями, так как объем рекомендаций ограничен. Возможны и другие варианты при реальном проектировании (например):
   

• 
  применение катковых шаровых опор, расположенных в круглых выемках в плане по авт.свид. СССР № 1723263, 1992 г.;
  
• 
  при необходимости повышения жесткости каркаса подземной части могут быть предусмотрены металлические портальные или крестовые связи-энергопоглотители с креплением их на фасонках кольцевого типа для обеспечения эффекта демпфирования;
  
• 
  устройство экранов в грунте по периметру котлована (на некотором удалении от стен 2) из скважин внутреннего и внешнего рядов, расположенных в шахматном порядке и заполненных сейсмопоглощающим материалом по авт.свид. СССР № 1629416, 1991 г. (данное решение использовалось НГПИ при разработке проектов по объектам отрасли в 80-х годах прошлого столетия, а также институтом Запсибнипиагропром при проектировании и усилении объектов на Алтае после землетрясения там в 2003 году) и т.д.
  

7. 
   Как ни парадоксально, но по всей вероятности наиболее сложные и труднорешаемые проблемы возникнут в надземной части высотных зданий и сооружений из-за повышенных ветровых нагрузок с учетом требований СП 20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85*). Это касается в первую очередь допустимости предельных прогибов и перемещений, а также обеспечения несущей способности и долговечности наружных ограждений из стекла.
   
8. 
   С целью снижения влияния ветровых нагрузок на здание (а также использования его в качестве телебашни) возможен в порядке компромисса альтернативный (комбинированный) вариант объемно-планировочного решения, нижняя часть которого до высоты, определяемой по расчету, представляет здание с перекрытиями и наружным ограждением. Средняя зона – снаружи открытые несущие конструкции без наружного стенового ограждения и без перекрытий с закрытым стволом и перекрытиями для обслуживания лифтов и коммуникаций во внутренней центральной зоне. Верхняя зона – технические этажи с учетом временного пребывания персонала, с перекрытиями и наружным ограждением по периметру башни. Конечно, это предложение должно быть обосновано нормативными требованиями, а также расчетами генпроектировщиком и принято заказчиком.
   
9. 
   Пользуясь изложенными рекомендациями, в принципе можно запроектировать не только высокие сейсмостойкие здания и сооружения, но и с учетом конкретных исходных данных объекты меньшей этажности с учетом различных инженерно-геологических условий и другой объемной компоновкой их надземной части.
   
10. 
    По изложенным вопросам можно обращаться к автору (тел. 8-383-221-60-01; E-mail:ngpi.nsk@mail.ru.
    

ЛИТЕРАТУРА (по разделу 3)

1. 
   «Сейсмостойкое здание или сооружение». Авторское свидетельство СССР приоритет от 18.12.89 г. (по заявке НГПИ) № 1673722, БИ№32, 1991
   
2. 
   Шишков Ю.А. Технические решения фундаментов и подвалов зданий повышенной сейсмостойкости. «Известия вузов».-1998.-10.-с.135-139
   
3. 
   Шишков Ю.А. Устройство нулевого цикла сейсмостойкого здания в слабых грунтах. «Механизация строительства».-1999.-5.-с.28-30
   
4. 
   Шишков Ю.А. Технические решения фундаментов и подвалов зданий повышенной сейсмостойкости в просадочных грунтах. (Труды III-го Центрально-Азиатского Международного Геотехнического Симпозиума «Геотехнические проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах») г.Душанбе, 2005 г., том I, с.222-225
   
5. 
   Ставницер Л.Р. Сейсмостойкость оснований и фундаментов. М., Изд-во АСВ.-2010
   
6. 
   Геотехническое обоснование высотного и подземного строительства – 14 докладов 39-ти авторов на секции 4 (Труды Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство») г.С-Петербург, 2008 г., том 4 под ред. проф. Улицкого В.М., с.467-540
   
7. 
   В.Шуллер. Конструкции высотных зданий. М., Стройиздат, 1979 (Перевод с английского к.т.н. Л.Ш.Килимника под ред. Г.А.Казиной)
   
8. 
   Шишков Ю.А. «Читая Ваш журнал» (О причинах разрушения зданий в Ленинакане во время землетрясения 7 декабря 1988 г.). «Жилищное строительство».-1996.-6.-с.26
   
9. 
   «Фундамент сейсмостойкого здания, сооружения». Патент СССР (приоритет от 13.09.90 по заявке НГПИ) № 1774976, БИ № 41, 1992
   
10. 
    Шишков Ю.А. Сейсмостойкие фундаменты на катковых опорах. «Жилищное строительство».-1997.-2.-с.10-11
    

Оглавление