Сейсмоустойчивые фундаменты частных домов

После знаменитого Спитакского землетрясения в Армении в 1988 году, в СССР впервые всерьез занялись разработкой сейсмостойких жилых домов. Разумеется, речь шла о многоквартирных домах, поскольку строительство частных домов было фактически под запретом. Параллельно проходило районирование страны (выделение зон) по возможным силе и характеру землетрясений.

Большая часть территории СССР ( и России) находится в относительно благополучных с точки зрения сейсмики условиях. Большие участки Европейской части России, Сибири и Дальнего Востока находятся на стабильных массивах земной коры – так называемых платформах. И здесь вероятны только очень незначительные землетрясения, силой до четырех баллов. Большинство людей подобные колебания земной поверхности просто не ощущают. Зоны повышенной сейсмической активности – это молодые горные системы. Наиболее высока такая активность на побережье и островах Тихого океана. По счастью, население этих регионов России достаточно малочисленно, но землетрясение 1995 года на Сахалине, когда полностью был разрушен небольшой город Нефтегорск – пример того, как строительные методики СССР потерпели сокрушительное фиаско при испытании землетрясением, и привели к многочисленным человеческим жертвам.

Еще один регион с повышенной сейсмической опасностью – Кавказские горы. Кавказ – горы молодые, они постепенно растут. Правда, наибольшая активность данной зоны уже позади – об этом говорят потухшие вулканы Эльбрус и Казбек. Однако, наличие горячих источников, грязевых вулканов, достаточно частые небольшие землетрясения говорят о том, что геологические процессы Кавказских гор идут в постоянном режиме.

Кавказские горы занимают значительную часть Краснодарского края, проходя через всю его территорию с северо-востока на юго-запад. Все районы, находящиеся в пределах Кавказского хребта и его многочисленных отрогов, а так же полоса Черноморского побережья относятся к потенциально опасной сейсмической зоне. По прогнозам здесь возможны землетрясения до 8-9 баллов. С севера к Кавказским горам и их предгорьям примыкает обширная равнина, занимающая большую часть края. В основании этой равнины находится жесткая кристаллическая плита, являющаяся частью большой Восточно-Европейской (или Русской) платформы. Сверху плита покрыта большим слоем так называемых осадочных пород – глин, суглинков, песков. Этот материал принесен сюда многочисленными реками за много миллионов лет. На таком основании землетрясения маловероятны, если бы не активная зона Кавказа.

Северные районы края в этой ситуации находятся в благоприятной сейсмической зоне. Здесь землетрясения могут достигать максимальных значений в 5-6 баллов. Однако территория Краснодара и прилегающие районы относятся к зоне потенциальных восьмибалльных землетрясений. Как формируется зона землетрясения в этих районах? Очень примитивно можно описать этот процесс следующим образом. Горы растут на несколько миллиметров в год. Край плиты, на которой находится ряд районов края ( в т.ч. и Краснодар), упирается в активную зону роста. И горы в процессе подъема как бы тащат ее вверх. Возникает напряжение. В определенный момент, когда напряжение становится максимальным, плита «срывается» вниз – так возникает землетрясение. ( Мы примитивно воссоздали данную модель в домашних условиях – ЗДЕСЬ) Обычно ощущается 1-2 толчка, после чего землетрясение затухает. Ощутимые толчки происходят 1-2 раза в десятилетие. Чем более регулярно происходят мелкие, неразрушительные землетрясения, тем меньше вероятность того, что случится землетрясение катастрофическое. Малые землетрясения разряжают напряжения в земной коре, не давая накопиться разрушительному потенциалу. Как часто могут возникать крупные землетрясения на территории края? Ученые прогнозируют – раз в 5000 лет. Однако, такие прогнозы очень расплывчаты, и не хочется, чтобы прогнозируемый период пришелся именно на твою жизнь.

Как же построить здание, чтобы оно могло сопротивляться разрушительным силам Земли? Для многоэтажных зданий такие технологии детально прописаны. А как же быть с частными домами? Какие технологии при их строительстве применять? Да точно такие же, как и для высотных зданий, только применительно уже к более малым размерам.

Фундамент для дома. Мы уже писали о фундаментах для частных домов ЗДЕСЬ. Фактически, все виды фундаментов для дома, выполненные по технологии, достаточно сейсмостойки. Предпочтение же нужно отдать либо плитным, либо буронабивным их типам.

Стены. Материал стен не играет решающей роли в сейсмостойкости здания. Нужно лишь помнить, что стена должна представлять собой достаточно монолитную конструкцию. Т.е. кладку стен нужно обязательно армировать в соответствии с технологическими заданиями. Особое внимание – перемычкам над проемами. Наиболее надежны монолитные перемычки из армированного бетона. Следует помнить, что края перемычек должны заходить в толщу кладки не менее, чем на 15 см. с каждой стороны проема.

Армопояса. По окончании кладки каждого этажа, заливается монолитный армированный пояс – сплошная железобетонная балка по несущим стенам. Размеры этой балки в сечении должны быть не менее 15х15 см. Такой пояс удерживает стены при землетрясении от сваливаний внутрь строения или наружу. Если у вас одно- двухэтажный этажный дом, то для создания сейсмической защиты можно обойтись только армопоясами.

Пространственный монолитный каркас. Если же вы строите частный дом выше двух этажей, рекомендуется возводить при его строительстве монолитный железобетонный каркас. Т.е. до начала работ по кладке, выводится корпус здания из монолитных колонн и перекрытий, а уж затем пустоты заполняются кладочным материалом с обязательным порядным армированием. Ряд архитекторов с целью повышения сейсмостойкости создают т.н. сейсмостойкое ядро здания. Т.е. часть здания в центре отливается сплошным монолитом, а к нему привязываются все основные конструкции. Идея неплохая, но, во-первых, дорогостоящая, а, во-вторых, с нашей точки зрения – избыточная. Хотя некоторые идут еще дальше. И проектируют полностью монолитные дома. Но это уже явный перебор.

Достаточно большую роль в сейсмической устойчивости здания играет и его форма. Вообще говоря, оптимально в этом плане строительство круглых частных домов ( и мы такой один построили, см. здесь). Но по понятным причинам строительство таких домов – эксклюзив. Из более распространенных проектов дома близкие к квадрату в плане обладают большей сейсмической стойкостью. Эркеры, нависающие элементы, балконы – сильно понижают сейсмическую стойкость сооружения и при строительстве требуют специальных решений ( а, соответственно, и затрат).

При землетрясениях колебания земной коры происходят не только вверх-вниз, но и по горизонтали. Так вот горизонтальные колебания поверхности зачастую опаснее вертикальных.

Как решение проблемы гашения горизонтальных сейсмических волн, Юрий Домбровский в своей книге «Факультет ненужных вещей» предложил окружать строение на некотором удалении рвом глубиной до основания фундамента (или глубже) и шириной не менее 1 м. Такой ров гасит горизонтальные колебания, и увеличивает сейсмостойкость здания в разы. Конечно, иметь такой ров в плане – не эстетично. Но полость может быть заполнена легким материалом (например, керамзитом), либо накрыта сверху. Стилизация под замковый ров с водой тоже подойдет.

И еще один ( не дешевый) прием повышения сейсмостойкости. Если у вас в доме запланирован бассейн, то оптимально будет расположить его по центру первого (или цокольного) этажа здания. В этом случае при землетрясении линза воды за счет встречных колебаний будет гасить сейсмические волны.

Итак, при строительстве частного дома следующие мероприятия позволят вам не бояться землетрясений:

-надежный фундамент для дома;

-армированная кладка стен;

-пространственный железобетонный каркас.

Стройте, и не бойтесь землетрясений!

Накануне 2015 г. один из клиентов заказал нам строительство частного дома с сейсмически устойчивым фундаментом. Этот фундамент для дома ему обошелся ровно на один миллион рублей дороже стандартного ленточного. Ну что же, за сейсмическую устойчивость здания нужно платить!

Источник

Фундаменты в сейсмических районах, свайные фундаменты

В статье рассказывается об особенностях строительства фундаментов в сейсмических районах, какие требования предъявляются к свайным фундаментам в зонах сейсмического воздействия.

Содержание статьи:

Сейсмические районы – это зоны, в которых продолжаются горообразовательные процессы. С инженерной точки зрения это районы с силой землетрясения 6 баллов и выше.

Каждая точка земли в таком районе испытывает последовательное воздействие волн разного вида, поэтому колебания грунта при землетрясениях носят сложный пространственный характер. Из-за этого сейсмические силы могут иметь любое направление, быть переменными по скорости и величине.

Здания и сооружения, расположенные в сейсмических районах, подвергаются воздействию особых факторов, которые приводят к появлению дополнительных усилий в конструкциях и изменению условий их работы. Поэтому для обеспечения их надежности при проектировании и строительстве нужно учитывать силу землетрясения, которую обычно оценивают по общему разрушительному эффекту. Это касается как надземных построек, так и фундаментов.

1. Расчет фундаментов в сейсмических районах

Фундаментные конструкции и их основания рассчитываются на основное и особое сочетание нагрузок. В последнее обязательно включается сейсмическая нагрузка, которую получают при динамическом расчете всего здания на колебания и прикладывают в точках расположения масс элементов конструкций.

Динамический расчет учитывает:

массу отдельных элементов здания;

формы собственных колебаний;

особенности колебания сооружения;

конструктивное решение сооружения;

характер допустимых повреждений и дефектов.

Когда сейсмические нагрузки получены, выполняется статический расчет конструкций здания в предположении совместного действия сейсмической и статической нагрузки.

Отдельные категории грунтов требуют предварительного искусственного улучшения до начала строительства. Так, водонасыщенные пески разжижаются во время землетрясения и влекут провальную осадку зданий, поэтому их нужно предварительно уплотнять вибрированием).

Глубина заложения фундамента увеличивается для зданий повышенной этажности (строительство дополнительных подземных этажей).

Из-за растяжения и сжатия грунтов во время землетрясения части фундаментных конструкций могут смещаться относительно друг друга, потому в случае с бетоном рекомендуется строительство сплошных плитных фундаментов или непрерывных фундаментов из перекрестных лент. Для свайных фундаментов, подвергающихся аналогичному воздействию, в СП 24.13330.2011 также предусмотрен ряд рекомендаций.

2. Свайные фундаменты в условиях сейсмического воздействия

При проектировании свайных фундаментов (в том числе из винтовых свай), запланированных к эксплуатации в условиях сейсмического воздействия, необходимо учитывать требования раздела 12 «Особенности проектирования свайных фундаментов в сейсмических районах» СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» к сейсмостойкому строительству.

Согласно нормативному документу:

заглубление свай при строительстве в подобных районах должно быть не менее 4 м.

ростверк под несущими стенами здания в пределах одного отсека должен быть непрерывным и расположен в одном уровне;

верхние концы свай должны быть жестко заделаны в ростверк.

Устройство безростверковых свайных оснований недопустимо.

Влияние сейсмических воздействий на работу свайных фундаментов учитывают с помощью понижающих коэффициентов условий работы.

В случае с фундаментом из винтовых свай, увеличение горизонтальных усилий при землетрясении, может быть нивелировано, если использовать модификации свай с двумя и более лопастями (подробнее «Особенности расчета многолопастных винтовых свай»).

Такие конструкции демонстрируют лучшее восприятие всех типов воздействий, благодаря рассчитанным на основании данных о грунтах расстоянию между лопастями, конфигурации, шагу и углу наклона лопастей. Моделирование винтовой сваи выполняется в системах автоматизированного проектирования, которые базируются на методе конечных элементов (МКЭ).

Источник

10 технологий, которые защищают здания от землетрясений

Землетрясение – мощная разрушительная стихия, которая способна уничтожать целые города. К счастью, за последние несколько десятилетий архитекторы и инженеры разработали несколько технологий, которые гарантируют, что здания, будь то небольшие дома или небоскребы, не разрушатся, если случится землетрясение.

1. «Парящий» фундамент

NULL
NULL

Изоляция фундамента, как следует из названия, заключается в том, чтобы отделить фундамент здания от всей постройки выше фундамента. Одна из систем, работающих по такому принципу, позволяет зданию «плавать» над фундаментом на свинцово-резиновых подшипниках, в которых свинцовое ядро окружено чередующимися слоями резины и стали. Стальные пластины крепят подшипники к зданию и фундаменту и это позволяет во время землетрясения двигаться фундаменту, но не двигаться конструкции над ним.

Сегодня японские инженеры вывели эту технологию на новый уровень. Их система позволяет зданию парить на воздушной подушке. Вот как это работает. Сенсоры на здании распознают сигналы сейсмической активности. Сеть сенсоров передает сигнал воздушному компрессору, который за полсекунды нагнетает воздух между зданием и фундаментом. Подушка поднимает здание на 3 см над землей, изолируя его от толчков, которые могут его разрушить. Когда землетрясение прекращается, компрессор выключается и здание опускается на место.

2. Амортизаторы ударов

NULL
NULL

Эта технология взята из авто-индустрии. Амортизаторы уменьшают магнитуду вибраций, превращая кинетическую энергию колебаний в тепловую энергию, которая может быть рассеяна через тормозную жидкость. В строительстве инженеры устанавливают на каждом уровне здания подобные гасители колебаний, один конец которых крепится к колонне, другой к балке. Каждый гаситель состоит из поршневой головки, которая движется в цилиндре, наполненном силиконовым маслом. Во время землетрясения горизонтальное движение здания заставляет двигаться поршни, оказывая давление на масло, что преобразует механическую энергию землетрясения в тепло.

3. Маятниковая сила

Амортизация может быть разных видов. Другое решение, особенно для небоскребов, предполагает подвешивание огромной массы у вершины здания. Стальные тросы поддерживают массу, в то время как тягучие жидкие амортизаторы располагаются между массой и защищаемым зданием. Когда во время землетрясения здание раскачивается, маятниковая сила заставляет его двигаться в обратном направлении, рассеивая энергию.

Каждый такой маятник настроен точно в соответствии с естественной частотой вибрации здания, чтобы избежать эффекта резонанса. Такая система используется в небоскребе «Тайбэй 101» высотой 508 м – в центре маятника 660-тонный шар золотого цвета, подвешенный на 8 стальных тросах.

4. Заменяемые предохранители

NULL
NULL

Знаете, как работают электрические «пробки»? Инженеры пытаются внедрить подобные предохранители и в сейсмическую защиту зданий.

Электрические предохранители «вылетают», если нагрузка на сеть превышает определенные значения. Электричество отключается, и это предотвращает перегрев и пожары. Исследователи из Университета Стэнфорда и Университета Иллинойса провели исследования конструкции из стальных рам, которые являются эластичными и могут колебаться на вершине фундамента.

Но это еще не все. В дополнение исследователи предложили вертикальные кабели, которые соединяют верхушку каждой рамы с фундаментом, тем самым ограничивая колебания. А когда колебания заканчиваются, кабели могут вытянуть всю конструкцию вверх. Наконец, между рамами и у оснований колонн находятся заменяемые предохранители. Металлические зубцы предохранителей поглощают сейсмическую энергию. Если нагрузка превысит допустимую, предохранители можно легко и недорого заменить, быстро восстановив здание в его первозданном виде.

5. Колеблющееся «ядро»

NULL
NULL

Во многих современных небоскребах инженеры используют систему колеблющейся стены центрального ствола здания. Усиленный бетон проходит через центр конструкции, окружая лифтовые холлы. Однако эта технология несовершенна, и такие здания во время землетрясений могут подвергаться значительным неэластичным деформациям. Решением может стать комбинирование этой технологии с упомянутой выше изоляцией фундамента.

Стена центрального ствола здания колеблется на нижнем уровне здания, чтобы предотвратить разрушения бетона стены. Кроме того, инженеры укрепляют два нижних этажа здания сталью и устанавливают натяжную арматуру по всей высоте. В железобетонных конструкциях с натяжением арматуры на бетон стальные тросы проходят через центральный ствол здания. Они работают как резиновые ленты, которые могут быть растянуты гидродомкратами, чтобы усилить временное сопротивление разрыву центрального ствола.

6. Плащ-невидимка от землетрясений

Землетрясения создают волны, которые подразделяются на объемные и поверхностные. Первые быстро проходят в глубину Земли. Вторые двигаются более медленно через земную кору и включают подвид волн, известный как волны Рэлея, которые двигают землю в вертикальном направлении. Именно эти колебания и создают основные разрушения при землетрясениях.

Некоторые ученые полагают, что можно прервать передачу этих волн, создав «плащ-невидимку» из 100 концентрических пластиковых колец, скрытых под фундаментом здания. Такие кольца могут улавливать волны, и колебания уже не могут распространяться на здание над ними, а просто выходят с другого конца конструкции из колец. Однако не до конца изучено, что будет в таком случае со стоящими поблизости зданиями, лишенными такой защиты.

7. Сплавы с эффектом памяти формы

NULL
NULL

Пластичность материалов представляет главную задачу для инженеров, пытающихся создать сейсмоустойчивые здания. Пластичность описывает изменения, которые происходят в материале, когда к нему прикладывают силу. Если эта сила достаточно велика, форма материала может быть изменена навсегда, что повлияет на его способность правильно функционировать.

Сплавы с эффектом памяти формы, в отличие от традиционных стали и бетона, могут испытывать значительные нагрузки и все равно возвращаться к прежней форме. Эксперименты с этими сплавами уже проводятся. Один из них – никель-титан, или нитинол, который эластичнее стали на 10-30%.

8. Углеволоконная оболочка

NULL
NULL

Строить новые здания с сейсмозащитой очень важно, но не менее важно защищать от землетрясений здания уже построенные. Изоляция фундамента здесь также может помочь, но есть более простое решение, так называемая усиленная углеродным волокном пластиковая оболочка (fiber-reinforced plastic wrap, FRP). Инженеры просто оборачивают пластиковый материал вокруг опорных бетонных колонн и закачивают под давлением эпоксидную смолу между колонной и материалом. Этот процесс может быть повторен 6-8 раз. Таким способом можно укрепить даже здания, которые уже были повреждены землетрясениями. Согласно исследованиям, устойчивость конструкций при применении такого метода возрастает на 24-38%.

9. Биоматериалы

NULL
NULL

Материалы, подобные FRP и сплавам с эффектом памяти, в будущем могут стать еще более совершенными – и вдохновение для новых материалов может прийти из мира животных. Например, скромная мидия, чтобы оставаться на своем месте, выделяет липкие волокна – биссусные нити. Некоторые из них жесткие, а другие – эластичные. Когда волна ударяет в мидию, она остается на своем месте, т.к. эластичные нити поглощают волну. Исследователи подсчитали, что соотношение жестких и эластичных волокон – 80:20. Дело за малым – разработать подобный материал для применения в строительстве.

Другая идея связана с пауками. Известно, что их паутина прочнее стали, однако ученые считает, что уникальным этот материал делает динамическая реакция при значительном натяжении. Ученые обнаружили, что при растяжении отдельных нитей паутины они сначала не растягиваются, потом растягиваются, а потом опять становятся нерастягивающимися.

10. Картонные трубы

NULL
NULL

Для стран, которые не могут позволить себе дорогие сейсмозащитные технологии, у инженеров также есть разработки. Например, в Перу исследователи сделали традиционные постройки из необожженного кирпича прочнее, укрепив их пластиковой сеткой. В Индии успешно используют бамбук для усиления бетона. В Индонезии некоторые здания стоят на опорах из старых покрышек, наполненных песком или камнями.

Даже картон может стать крепким, долговечным строительным материалом. Японский архитектор Shigeru Ban построил несколько зданий, используя картонные трубы, покрытые полиуретаном. В 2013 г. он построил собор в Новой Зеландии. Для постройки понадобилось 98 картонных труб, усиленных деревянными балками. Конструкции из картона и дерева очень легкие и гнущиеся, они лучше выдерживают сейсмические нагрузки, чем бетон. А если они все-таки разрушатся, вероятность, что под обломками пострадают люди, минимальна.

Источник

Сейсмоустойчивые фундаменты частных домов