Принципы проектирования сейсмостойких зданий и сооружений.

При выборе объемно-планировочного и конструктивного решения зд. и сооруж. необходимо обеспечивать, симметричное относитель­но их главных осей и равномерное в плане распределение масс и жестокостей. Невыполнение этого условия может привести к несовпадению цент­ра тяжести нагрузок с центром жесткости сооружения (центр жесткости определяется расположением и жесткостью рам каркаса, стен, покрытия и т. д.), что будет интенсифицировать развитие крутящих моментов в плане здания и приведет к концентрации усилий на отдельных несущих конструкциях.

Здания в сейсмических районах должны иметь простое очертание в плане (круг, квадрат, прямоугольник). Не рекомендуется возводить пристройки и асимметрично располагать лестничные клетки. Простыми должны быть и фасады зданий — без уступов и надстроек.

Зд. и сооруж. большой площади застройки, а также со слож­ным очертанием в плане или различной высотой частей расчленяют на отсеки прямоугольной формы антисейсмическими швами.

Антисейсмические швы разделяют смежные отсеки по всей высоте здания; шов допускается не делать лишь в фундаменте. Устраивают та­кие швы постановкой парных колонн или несущих стен и как правило, совмещают с температурными и осадочными швами.

При выборе типа здания д/строит-ва в сейсмических районах при прочих равных условиях предпочтение следует отдавать одноэтаж­ным зданиям. Основные несущие конструкции сейсмостойких зданий должны быть по возможности монолитными и однородными. Им придают не только достаточную прочность, но и равнопрочность, т.к. преждевременный выход из строя слабых узлов и элементов может привести к разрушению здания до исчерпания несущей способности основных конструкций. Сле­дует стремиться к максимальному облегчению и понижению центра тя­жести конструкций.

При проектировании сборных ж.б. конструкций по воз­можности увеличивают размеры эл-тов: укрупненные конструкции позволяют уменьшить кол-во стыковых мест и тем самым повысить сейсмостойкость зданий. Стыки должны быть надежными и простыми; располагать их следует вне зоны максимальных усилий. Поскольку величина сейсмических нагрузок зависит от веса здания, с целью уменьшения возникающих в несущих конструкциях усилий под воздействием сейсмических сил следует стремиться к снижению веса зданий и полезных нагрузок, перенесению технологических процессов, связанных с тяжелым оборудованием, с верхних на нижние этажи. Эти меры позволяют понизить центр тяжести здания и тем самым приблизить к основанию уровень приложения равнодействую­щей горизонтальных сейсмических сил, что в свою очередь уменьшает величины моментов в основании и поперечных сил в верхней части зда­ния (здание рассматривается как заделанная в грунт консоль).

Сейсмостойкие конструкции зданий и сооружений проектируют:

- по жесткой конструктивной схеме из несущих вертикальных, элемен­тов (диафрагм), работающих под действием сейсмической нагрузки преимущественно на сдвиг и обладающих малыми деформациями;

- по гибкой конструктивной схеме из несущих вертикальных элемен­тов, работающих под действием сейсмических толчков преимущественно на изгиб.

Выбирая конструктивную схему здания, необходимо иметь в виду, что жесткая схема способствует более эффективному затуханию колеба­ний, а гибкая снижает сейсмическую нагрузку на здание.

В сейсмостойких каркасных промышленных зданиях применяют ра­мы с жесткими нижними и шарнирными верхними узлами, а также рамы со всеми жесткими узлами.

Д/одноэтажных зданий отдают предпочтение рамам первого типа, позволяющим применять типовые конструкции покрытия, предназначен­ные д/обычных зданий, но, как правило, с некоторым усилением их. Кроме того, такая схема менее чувствительна к неравномерным осадкам, вызываемым сейсмическими воздействиями. Многоэтажные здания д/сейсмических районов проектируют с не­сущим каркасом, образованным продольными и поперечными рамами преимущественно со всеми жесткими узлами.

Покрытиям и перекрытиям сейсмостойких зданий придают св-ва жесткой диафрагмы, обеспечивающей пространственную работу здания и распределяющей горизонтальные нагрузки м/у всеми вертикальны­ми несущими конструкциями.

Конструктивные особенности сейсмостойких зданий.

В зданиях с несущими стенами предусматривают, как правило, лен­точные фундаменты из крупных блоков. Сейсмостойкость таких фунда­ментов повышают устройством по нижней ленте (подушке) и по верху блоков армированных швов. В каркасных зданиях колонны устанавливают на отдельно стоящие ж.б. фундаменты стаканного типа, в тех случаях, когда отдельные фундаменты не могут воспринимать сдвигающих усилий от сейсмических нагрузок, их соединяют с соседними фундаментами распорками-связями. В качестве распорок-связей можно использовать фундаментные балки, которые крепят к фундаментам сваркой закладных элементов. Д/зданий повышенной этажности фундаменты рекомендуется устраивать в виде перекрестных лент или сплошных плит.

Д/сейсмостойких сооружений можно применять свайные фунда­менты — забивные ж.б. сваи-стойки. В целях обеспечения хорошего сцепления стен с фундаментными балками или ленточными фундаментами гидроизоляционный слой сле­дует выполнять из жирного цементного раствора.

Грани колонн каркаса, а также стенки стаканов фундаментов в боль­шинстве случаев имеют шпонки, рассчитываемые на срез от растягиваю­щих усилий. Стены сейсмостойких зданий целесооб­разно монтировать из легкобетонных, асбестоцементных и алюминиевых, панелей длиной. Д/обеспечения беспрепятственных деформаций каркаса м/у внутренней поверхностью стены и наружными гранями колонн оставляют зазор шириной не менее 20 мм, а в местах пересечения торцовых и попе­речных стен с продольными устраивают вертикальные антисейсмические швы на всю высоту стены.

В навесных стенах помимо вертикальных швов предусматривают горизонтальные антисейсмические швы по всей длине стены на уровне низа каждого навесного участка, заполняемые эластичным мат-лом. Крепления стен к эл-там каркаса не должны препятствовать горизонтальным смещениям каркаса вдоль самонесущих стен или на участках м/у горизонтальными антисейсмическими швами при навес­ных стенах.

Покрытия сейсмостойких зданий должны быть возможно более жест­кими в горизонтальной плоскости. Д/их монтажа применяют сборные типовые конструкции, разработанные д/несейсмических районов, но при условии выполнения более прочных соединений.

Горизонтальная сейсмическая нагрузка, действующая на плиты по­крытия в продольном направлении здания (отсека), передается на про­дольные ряды колонн ч/з диск покрытия. Диск образуется замоноличиванием плит бетоном и соединением плит стальными накладками: поверху или понизу (в зависимости от расчетной сейсмичности и места расположения плит).

Особенности объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и два метода строительства в условиях вечной мерзлоты.

Методы строит-ва на вечномерзлых грунтах. Вечномерзлые грунты, обладая достаточной несущ. способностью в мерзлом состоянии, утрачивают ее при оттаивании и в таком виде становятся непригодными в качестве оснований. Долговечность зд. и сооруж. обеспечивают путем создания надежного основа­ния, исключающего появление недопустимых деформаций. На монолитных скальных и им подобных породах, не меняющих ме­ханических св-в при изменении температуры с отрицат-ной на по­лож-ную, зд. возводят на Крайнем Севере без учета вечномерзлого состояния грунтов. В зависимости от природных условий и особенностей построек при­нимают один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания:

принцип I — грунты основания используют в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации зд. или сооруж.;

принцип II — грунты основания используют в оттаивающем и отта­явшем состоянии.

При проектир-нии зд. и сооруж. по I принципу д/сохра­нения грунтов основания в мерзлом состоянии и обеспечения их расчет­ного теплового режима предусматривают холодное подполье или холод­ный весь первый этаж, охлаждающие каналы или трубы в основании пола, а также термоизолирующие слои под постройками. Более простой и надежный способ сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии — устройство холодного подполья, вен­тилируемого в течение всего года. Холодные подполья подразделяют на открытые и закрытые. Первые вентилируются ч/з зазор м/у фунд-тной балкой и поверх-стью грунта, вторые — ч/з продухи в цоколе или вытяжные трубы. Способ вентилирования подполья принимают с учетом снегозаносимости района и средне зимних скоростей ветра. Режим вентилирования должен обеспечивать расчетные температу­ры в основании зд. или сооруж., не допуская в то же время из­лишнего охлаждения подполья.

Рис.1. Способы сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии: а — здание с открытым подпольем; б — здание с охлаждающими трубами;

Д/сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии вместо хо­лодного подполья иногда устраивают в зд. холодный первый этаж. При этом среднегодовая температура в холодном (неотапливае­мом) помещ. д.б. не ниже 0°. Д/определения несущ. способности основания и обеспечения устойчивости пола в помещ. выявляют расчетные температуры в ос­новании и глубину сезонного оттаивания грунта под зд.. Этот спо­соб применяют и в строит-ве одноэтажных неотапливаемых зд.. Под зд. и сооруж., имеющими большие пролеты, или с большими нагрузками на пол первого этажа, а также когда по техно­логическим условиям недопустимы холодные подполья д/сохранения грунта в мерзлом состоянии, применяют охлаждающие каналы или трубы. Каналы или трубы укладывают в основа­нии пола в зоне летнего оттаивания подсыпки, состоящей из крупнообло­мочных или песчаных грунтов. Подсыпку предусматривают под всем зд., и по ее поверх-ти устраивают полы.

Когда охлаждающий зимний наружный воздух не обеспечивает сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии, а допускать оттаивание неэкономично, предусматривают искусственное ох­лаждение грунтов основания с помощью аммиачных или фреоновых хо­лодильных машин.

При строит-ве зд. и сооруж. по II принципу в качестве основания используют грунты в оттаивающем и оттаявшем состоянии. Постепенное оттаивание вечномерзлых грунтов в процес­се строит-ва и эксплуатации построек допускается в случаях, когда деформации оттаивающего основания не превышают предельных значений. В противном случае применяют предварительное искус­ственное оттаивание вечномерзлого грунта до возведения зд. и сооруж.; при этом вечномерзлые грунты в оттаявшей зоне частично уплотняются.

К мероприятиям, улучшающим св-ва основания при строит-ве по II принципу, относится также замена льдонасыщенных грунтов талыми песчаными или крупнообломочными грунтами.

Объемно-планировочные решения зданий. При проектир-нии зданий д/северных районов предпочтение отдают многоэтажным зд. сблокированного типа с простым объемно-планировочным решением. Такие здания, имея меньшую площадь застройки, позволяют сократить кол-во фун­д-тов, облегчают со­хранение грунта в мерзлом состоянии. Многоэтажные зд. особенно целесообразны при ограниченных по площади участках с благоприятными мерзлотно-грунтовыми условия­ми, в районах с большими снеговыми нагрузками и интенсивной снегозависимостью, при жесткой конструктивной схеме. Одноэтажные зд. северных районов в целях уменьшения кол-ва фунд-тов следует проектировать с укрупненной сеткой колонн. Одноэтажные зд. целесообразно возводить при податливой конструктивной схеме. Помещ. с «мокрыми» технологическими процессами не следует размещать у наружных стен зд., и, наоборот, помещ., в кот., расположены производства со значительными выделениями тепла, а так­же вредных выбросов (пыли, дыма, газа и копоти), рекомендуется раз­мещать у наружной стены с подветренной стороны зд.. Печи и агре­гаты, выделяющие тепло, необходимо сооружать на перекрытиях или на отдельных не связанных с несущими констр-циями фунд-тах. При строит-ве объектов по II принципу высоту помещ., про­емов ворот и дверей, расстояния по высоте м/у оборудованием и кон­стр-циями зд. назначают с запасами, обеспечивающими возмож­ность нормальной работы в процессе осадок констр-ий и сохраняющими требуемые габариты после окончания осадок. В зд., проектируемых по I принципу строит-ва, не рекомен­дуется устраивать подвалы и цокольные этажи, подземные каналы и га­лереи. Если же последние нужны по условиям технологии производст­ва, предусматривают надежную гидро- и теплоизоляцию вечномерзлых грунтов основания. Покрытия зд. должны иметь простой профиль, без выступающих и западающих участков, кот. вызывают завихрения снеговетровых потоков и отложение снега. При устройстве в зд. световых и аэрационных фонарей необ­ходимо предусматривать меры, препятствующие заносу их снегом, об­мерзанию остекления и переохлаждению помещений, а также позволяю­щие беспрепятственно регулировать (открывать и закрывать) фрамуги при сильной пурге. Входы в отапливаемые зд. оборудуют двойными тамбурами, а въезды — тепловыми воздушными завесами и шлюзами-тамбурами. Фасады зд. не должны иметь ниш, поясков и др. эл-тов, задерживающих снег и влагу. Архитектурно-худож-ный облик зд.: яркие и сочные цвета окраски фасадов и интерье­ров компенсируют северянам унылое природное окружение.

Конструктивные решения зданий. Зд. и сооруж. д/северных районов проектируют с макси­м-ной степенью сборности. Д/них применяют конструк-ные эл-ты высокой заводской готовности с надежными и простыми в мон­таже соединениями, позволяющими строить объекты круглогодично и в условиях низких температур. При строит-ве зд. по I принципу их констр-ции проекти­руют без учета осадочных деформаций основания. Когда же зд. стро­ят по II принципу, возможны 2 случая: деформации основания в от­таивающем и оттаявшем состоянии не превышают предельных величин; деформации основания могут превышать предельные величины. В первом случае конструк-ную схему зд. выбирают без учета особенностей строит-ва в северных районах, во втором приспосаб­ливают констр-цию зд. к восприятию повышенных деформаций и обеспечивают устойчивость, прочность и эксплуатационную надежность зд.. Д/обеспечения устойчивости, прочности и эксплуатационной на­дежности зд. применяют:

- жесткую конструктивную схему, при кот. констр-ции зд. не могут иметь взаимных перемещений (зд. оседает равномерно);

- податливую конструк-ную схему, при кот. возможно взаимное перемещение шарнирно связанных м/у собой констр-ций без нару­шения их устойчивости и прочности, а также эксплуатационной пригод­ности зд..

Зд. и сооруж., возводимые по II принципу, разделяют оса­дочными швами на отсеки. В зд. с податливой конструк-ной схемой следует применять констр-ции с минимально допустимыми жесткостями на изгиб и сдвиг в вертик-ной плоскости; устраивать перекрытия и покрытия в виде жестких горизонтальных диафрагм, связанных с продольными и попереч­ными стенами и колоннами; назначать площади опирания и крепления констр-ций из условия обеспечения прочности при неравномерной осад­ке постройки; применять конструк-ные схемы зд. с колоннами, жестко заделанными в фунд-ты и шарнирно соединен­ными с покрытиями.

Основными типами фунд-тов д/зд., возводимых по I прин­ципу, являются свайные и сборные столбчатые. Д/них рекомендует­ся применять ж.б. сваи сплошного (квадратного и прямо­угольного) сечения или трубчатые, металлические сваи трубчатого и профилированного прокатного сечения. Многоэтажные зд. небольших размеров в плане допускается возводить на ленточных и сплошных плитных фунд-тах, укладывае­мых на подсыпках из дренирующего мат-ла (песка, гравия и т.п.). При строит-ве по II принципу д/зд. предусматривают лен­точные, сплошные плитные и столбчатые фунд-ты, а также сваи-стойки и глубокие опоры. На фунд-тах в виде лент и сплошных плит возводят зд. с жесткой конструк-ной схемой, а на столбчатых фун­д-тах — зд. с податливой конструк-ной схемой. Зд. с большими нагрузками при глубоком залегании скальных крупнообломочных или песчаных грунтов возводят на сваях-стойках, сваях с уширенной пятой или сваях-оболочках.

Ограждающие констр-ии стен и покрытий рекомендуется устраи­вать из облегченных панелей. Наиболее эффективны в данном случае утепленные панели с обшивкой из алюминиевых, стальных, пластмассо­вых и асбестоцементных листов. В качестве утеплителя используют стекловойлок, пенопласта и др. пористые мат-лы. Эти панели, обладая хорошими теплофизическими и прочностными качествами, име­ют небольшой вес (легче ж.б. панелей в 5—20 раз). Д/ограждений применяют также ж.б. панели. Климатические условия Крайнего Севера затрудняют устройство рулонных кровель. Процесс наклейки кровельного ковра здесь особенно целесообразно переносить в заводские условия, как это предусмотрено, например в кровельной панели. Потребность в естественном освещении промыш-ных зд., воз­водимых в северных районах, особенно на Крайнем Севере, чрезвычайно велика. Хорошая естественная освещенность помещ. в период сплош­ного светлого полярного дня частично компенсирует отсутствие ее в пе­риод продолжит-ной полярной ночи. В целях уменьшения снегоотложений на кровле зд. применять фонарные надстройки нецелесообразно. Хорошие светотехнические пока­затели в условиях северных районов имеют мало выступающие над кровлей зенитные фонари.

 Весьма перспективными д/районов Севера можно считать зд. и сооруж. пневматической констр-ии. В них особенно удобно раз­мещать временные производственные и складские помещ., гаражи и т.п. Пневматические оболочки целесообразны также д/перекрытия заводских дворов. Благодаря легкости пневматических зд., компакт­ности в свернутом виде, быстроте возведения они особенно целесообраз­ны д/малодоступных (в том числе и северных) районов.