Введение
Модификация существующих конструкций для повышения их сейсмостойкости
Сейсмическое усиление – это модификация существующих конструкций для повышения их устойчивости к сейсмической активности, колебаниям грунта или разрушению грунта в результате землетрясений. Благодаря углубленному пониманию сейсмических нагрузок на сооружения и недавнему опыту крупных землетрясений вблизи городских центров, необходимость сейсмического усиления общепризнана. До внедрения современных сейсмических норм в конце 1960-х годов в развитых странах (США, Япония и т.д.) и в конце 1970-х годов во многих других регионах мира (Турция, Китай и т.д.), многие сооружения проектировались без достаточной детализации и армирования для обеспечения сейсмостойкости. В связи с надвигающейся проблемой были проведены многочисленные исследования. По всему миру опубликованы современные технические руководства по сейсмической оценке, усилению и реконструкции, такие как ASCE SEI 41 и руководства Новозеландского общества сейсмоинженерии (NZSEE). Эти нормы должны регулярно обновляться; например, землетрясение в Нортридже в 1994 году выявило хрупкость сварных стальных каркасов. Методы усиления, описанные здесь, также применимы к другим природным опасностям, таким как тропические циклоны, торнадо и сильные ветры во время гроз. В то время как современная практика сейсмического усиления в основном направлена на структурные улучшения для снижения сейсмической опасности при эксплуатации сооружений, не менее важно снижать риски и потери, связанные с неструктурными элементами. Важно помнить, что не существует абсолютно сейсмостойких конструкций, хотя сейсмические характеристики могут быть значительно улучшены за счет правильного первоначального проектирования или последующих модификаций.
Стратегии
В последние несколько десятилетий были разработаны стратегии сейсмической модернизации (или реабилитации) в связи с введением новых сейсмических норм и доступностью передовых материалов (например, волокноусиленных полимеров (FRP), фибробетона и высокопрочной стали). Увеличение общей несущей способности (укрепление) обычно достигается добавлением диафрагм жесткости или новых несущих стен. Снижение сейсмических воздействий посредством дополнительной демпфирующей системы и/или использования систем сейсмоизоляции. Увеличение локальной несущей способности конструктивных элементов. Эта стратегия учитывает заложенный запас прочности существующих конструкций и, следовательно, предполагает более экономичный подход к выборочному повышению локальной несущей способности (деформативности/пластичности, прочности или жесткости) отдельных конструктивных элементов. Выборочная модернизация с частичным ослаблением. Это неинтуитивная стратегия, направленная на изменение механизма пластического обрушения конструкции, с учетом ее заложенного запаса прочности. Применение скользящих соединений, например в проходных мостах, для компенсации дополнительных перемещений между сейсмически независимыми конструкциями. Установка сейсмических фрикционных демпферов для одновременного увеличения демпфирования и регулируемого приращения жесткости. В последнее время изучаются более комплексные подходы к модернизации зданий, включая комбинированную сейсмическую и энергоэффективную модернизацию. Такие комбинированные стратегии направлены на снижение затрат за счет одновременного проведения мероприятий по энергоэффективности и сейсмоусилению, что позволяет улучшить сейсмические и теплотехнические характеристики зданий.
Цели эффективности
В прошлом сейсмическое усиление применялось главным образом для обеспечения общественной безопасности, а инженерные решения ограничивались экономическими и политическими соображениями. Однако с развитием инженерного проектирования зданий на основе заданных характеристик при землетрясениях (PBEE) постепенно признаются несколько уровней целевых показателей:
Только общественная безопасность. Цель состоит в защите человеческой жизни, обеспечении того, чтобы конструкция не обрушилась на находящихся внутри или прохожих, и возможности безопасной эвакуации. При сильных сейсмических воздействиях конструкция может быть признана полностью экономически нерентабельной, требуя сноса и замены. Сохранение несущей способности конструкции. Цель состоит в том, чтобы конструкция, оставаясь безопасной для эвакуации, могла потребовать существенного ремонта (но не замены), прежде чем она станет пригодной для использования или безопасной для эксплуатации. Как правило, это самый низкий уровень усиления, применяемый к мостам. Функциональность конструкции. Основная несущая конструкция не повреждена, и конструкция сохраняет свою функциональность по основному назначению. Это высокий уровень усиления, который гарантирует, что любые необходимые ремонтные работы будут носить лишь "косметический" характер – например, незначительные трещины в штукатурке, гипсокартоне и штукатурном слое. Это минимально допустимый уровень усиления для больниц. Конструкция не повреждена. Этот уровень усиления предпочтителен для исторических зданий и сооружений, имеющих высокую культурную ценность.
Внешнее послепротяжение
Использование внешнего постнатяжения для новых конструктивных систем получило развитие в последнее десятилетие. В рамках программы PRESS (Precast Seismic Structural Systems) – крупномасштабной совместной исследовательской программы США и Японии – использовались нескрепленные высокопрочные стальные канаты постнатяжения для создания сейсмостойкой системы, обладающей способностью к самоцентрированию. Экспериментально протестировано применение той же концепции для сейсмического усиления, в частности, для сейсмического усиления мостов в Калифорнии в рамках исследовательского проекта Caltrans, а также для сейсмического усиления железобетонных рам без достаточной пластичности. Предварительное напряжение может повысить несущую способность конструктивных элементов, таких как балки, колонны и узлы «балка-колонна». Внешнее предварительное напряжение используется для усиления конструкций, работающих под постоянными и временными нагрузками, с 1970-х годов.
Базовые изоляторы
Базовая изоляция – это комплекс конструктивных элементов здания, предназначенный для существенного отсоединения конструкции здания от колебаний грунта, что обеспечивает сохранность его целостности и повышает сейсмостойкость. Эта технология сейсмостойкого строительства, являющаяся разновидностью управления сейсмическими колебаниями, может применяться как при проектировании новых зданий, так и при сейсмоусилении существующих конструкций. Как правило, вокруг здания производятся земляные работы и здание отделяется от фундамента. Стальные или железобетонные балки заменяют соединения с фундаментом, а под ними изолирующие опоры, или сейсмоизоляторы, устанавливаются на место удаленного грунта. Базовая изоляция ограничивает передачу колебаний грунта зданию, одновременно обеспечивая его правильное положение относительно фундамента. Требуется тщательное внимание к деталям в местах соприкосновения здания с землей, особенно в зонах входов, лестниц и рамп, для обеспечения достаточной относительной подвижности этих конструктивных элементов.
Дополнительные амортизаторы
Дополнительные демпферы поглощают энергию движения и преобразуют ее в тепло, тем самым снижая резонансные колебания в конструкциях, жестко связанных с землей. Помимо увеличения способности конструкции к рассеиванию энергии, дополнительная демпфирующая система может уменьшить величину перемещений и ускорений внутри конструкции. В некоторых случаях опасность повреждений возникает не от самого первоначального толчка, а от периодических резонансных колебаний конструкции, вызванных повторными сейсмическими воздействиями. Фактически, дополнительные демпферы работают по принципу амортизаторов, используемых в автомобильных подвесках.
Тюнинг масс-адгенаторов
Настроенные маятниковые демпферы (ТМД) используют подвижные массы, установленные на пружинах или иных упругих элементах. Обычно они применяются для снижения ветровых колебаний в очень высоких и лёгких зданиях. Аналогичные конструкции могут использоваться для повышения сейсмостойкости восьми- и десятиэтажных зданий, склонных к разрушительным резонансам, возникающим при землетрясениях.
Слон для слива
Слос-танк – это большой контейнер с жидкостью низкой вязкости (обычно водой), который может быть размещен в местах конструкции, подверженных значительным боковым колебаниям, например, на крыше, и настроен для подавления локальных резонансных динамических колебаний. Во время сейсмического (или ветрового) воздействия жидкость в резервуаре будет перемещаться из стороны в сторону, при этом движение жидкости обычно направляется и контролируется внутренними перегородками – элементами, предотвращающими возникновение резонанса самого резервуара с конструкцией, см. Динамику колебаний жидкости. Общая динамическая реакция конструкции снижается как за счет противодействия массы, так и за счет рассеивания энергии или демпфирования колебаний, возникающих при преобразовании кинетической энергии жидкости в тепло перегородками. Как правило, повышение температуры в системе незначительно и отводится окружающим воздухом естественным образом. One Rincon Hill в Сан-Франциско – небоскреб с резервуаром для сланца на крыше, разработанный главным образом для уменьшения амплитуды боковых колебаний, вызванных ветром. Слос-танк является пассивным демпфером колебаний массы. Для эффективной работы масса жидкости обычно составляет от 1% до 5% от массы, колебаниям которой она противодействует, и для этого часто требуется значительный объем жидкости. В некоторых случаях такие системы могут использоваться в качестве резервуаров для аварийного водоснабжения, предназначенных для пожаротушения.
Система активного управления
Очень высокие здания ("небоскребы"), построенные с использованием современных легких материалов, могут раскачиваться, вызывая дискомфорт (но не представляя опасности) при определенных ветровых условиях. Решением этой проблемы является размещение на одном из верхних этажей большой массы, ограниченной в движении, но способной перемещаться в пределах определенного диапазона, и установленной на системе опор, например, воздушной подушке или гидравлической подушке. Гидравлические поршни, приводимые в действие электрическими насосами и аккумуляторами, активно управляются для компенсации ветровых нагрузок и естественных резонансов. При правильной конструкции они также могут эффективно контролировать чрезмерные колебания – как при подаче питания, так и без него – во время землетрясения. В целом, современные высотные здания со стальным каркасом менее подвержены опасным колебаниям, чем здания средней этажности (восемь-десять этажей), поскольку собственный период колебаний высокого и массивного здания больше, чем длительность толчков, вызванных землетрясением, составляющая примерно одну секунду.
Адхосные добавления структурной поддержки/укрепления
Наиболее распространенным способом сейсмоусиления зданий с небольшим количеством этажей является повышение прочности существующей конструкции для сопротивления сейсмическим нагрузкам. Усиление может ограничиваться укреплением соединений между существующими элементами здания или включать добавление основных несущих элементов, таких как стены или каркасы, особенно на нижних этажах. Распространенные меры сейсмоусиления для зданий из неармированной кладки в западных штатах США включают установку стальных каркасов, возведение железобетонных стен и, в некоторых случаях, применение сейсмоизоляции фундамента.
Соединения между зданиями и их дополнениями
Часто пристройки к зданиям не имеют прочного соединения с существующим зданием, а просто располагаются рядом с ним, с незначительной связностью в отношении напольных покрытий, облицовки и кровли. В результате пристройка может иметь отличный от исходного здания собственный период колебаний, что может привести к их легкому разъединению. Относительное смещение между ними приведет к столкновению, вызывающему серьезные структурные повреждения. Сейсмическое усиление либо жестко свяжет оба компонента здания, чтобы они вели себя как единое целое, либо будет использовать демпферы для рассеивания энергии, возникающей при относительном смещении, с учетом этого смещения, например, путем увеличения зазоров и устройства скользящих мостов между секциями.
Внешние бетонные колонны
Исторические здания, построенные из неармированной кладки, могут содержать важные с культурной точки зрения внутренние детали или росписи, которые не следует повреждать. В этом случае решением может быть добавление ряда стальных, железобетонных или предварительно напряженных бетонных колонн снаружи здания. Необходимо тщательно продумать соединения с другими конструктивными элементами, такими как фундаменты, опорные плиты и стропильные фермы.
Вставные режущие резьбы
На фото показано наружное поперечное армирование обычного железобетонного здания общежития. В данном случае, колонны здания обладали достаточной несущей способностью по вертикали, а нижние этажи – достаточной устойчивостью к сдвигу, что позволило ограничиться минимальным количеством поперечного армирования для обеспечения сейсмостойкости здания в этом районе, расположенном вблизи разлома Хейварда.
Массивная внешняя структура
В других обстоятельствах требуется значительно большее усиление. В конструкции, показанной справа — парковка над магазинами — расположение, детализация и окраска армирования становятся сами по себе архитектурным элементом декора.
Неудача в работе с мягкими историями
Этот режим обрушения известен как обрушение по "мягкому этажу". Во многих зданиях первый этаж предназначен для иных целей, чем верхние этажи. Невысокие жилые дома могут быть построены над паркингом с большими проемами с одной стороны. В отелях первый этаж может быть высоким, чтобы обеспечить просторный вход или бальные залы. В офисных зданиях на первом этаже могут располагаться магазины с непрерывными витринами. Традиционное сейсмостойкое проектирование предполагает, что нижние этажи здания прочнее верхних; если это не так – если нижний этаж менее прочен, чем верхняя часть здания – конструкция будет вести себя при землетрясении непредсказуемо. С применением современных методов проектирования можно учитывать слабость нижнего этажа. Несколько подобных обрушений в одном крупном жилом комплексе привели к большинству жертв во время землетрясения в Нортридже 1994 года. Как правило, при обнаружении такой проблемы слабый этаж укрепляют, делая его прочнее верхних этажей, путем добавления стен жесткости или рамных систем. Рамные системы, состоящие из перевернутых П-образных элементов, полезны для сохранения доступа к паркингу на нижнем этаже, в то время как более экономичным решением может быть использование стен жесткости или ферм в нескольких местах, что частично снижает эффективность использования пространства для парковки автомобилей, но позволяет использовать его для других нужд хранения.
Соединения между балками и колоннами
Соединения балок с колоннами являются распространенной конструктивной слабостью при сейсмическом усилении. До введения современных сейсмических норм в начале 1970-х годов, соединения балок с колоннами обычно не проектировались или проектировались недостаточно. Лабораторные испытания подтвердили сейсмическую уязвимость этих плохо детализированных и недостаточно спроектированных соединений. Разрушение соединений балок с колоннами может привести к катастрофическому обрушению каркасного здания, что часто наблюдалось при недавних землетрясениях.
Для железобетонных соединений балок с колоннами – за последние 20 лет было предложено и испытано множество решений по усилению. В принципе, вышеупомянутые стратегии сейсмического усиления могут быть применены к железобетонным соединениям. Оболочки из бетона или стали были популярным методом усиления до появления композитных материалов, таких как углепластик, армированный полимером (FRP). Композитные материалы, такие как углепластик и арамидный FRP, были широко протестированы для использования при сейсмическом усилении с некоторым успехом. Один из новых методов включает селективное ослабление балки и добавление внешнего преднапряжения к соединению для достижения пластического шарнира в балке, что более предпочтительно с точки зрения сейсмостойкого проектирования. Широко распространенные разрушения сварных швов в соединениях балок и колонн стальных зданий низкой и средней этажности во время землетрясения в Нортридже в 1994 году, например, показали конструктивные недостатки этих "современно спроектированных" сварных соединений, устойчивых к изгибающим моментам, построенных после 1970-х годов. Последующий исследовательский проект SAC задокументировал, протестировал и предложил несколько решений по усилению этих сварных стальных соединений, устойчивых к изгибающим моментам. Для этих сварных соединений были разработаны различные решения по усилению, такие как а) усиление сварного шва и б) добавление стального утолщения или фланца в форме "собачьей кости". После землетрясения в Нортридже было обнаружено, что ряд стальных каркасных зданий подверглись хрупкому разрушению соединений балок с колоннами. Обнаружение этих неожиданных хрупких разрушений в узлах конструкций вызвало обеспокоенность у инженеров и строительной отрасли. Начиная с 1960-х годов, инженеры стали рассматривать здания со стальными сварными каркасами как одни из наиболее пластичных систем, предусмотренных строительными нормами. Многие инженеры полагали, что стальные каркасные здания практически неуязвимы к сейсмическим повреждениям и считали, что в случае повреждений они будут ограничены пластической деформацией элементов и соединений. Наблюдения за повреждениями зданий во время землетрясения в Нортридже в 1994 году показали, что вопреки предполагаемому поведению, во многих случаях хрупкие разрушения начинались в соединениях при очень низких уровнях пластической деформации. В сентябре 1994 года совместное предприятие SAC, AISC, AISI и NIST совместно провели международный семинар в Лос-Анджелесе для координации усилий различных участников и создания основы для систематического исследования и решения проблемы. В сентябре 1995 года совместное предприятие SAC заключило контрактное соглашение с FEMA на проведение второй фазы проекта SAC Steel. В рамках Фазы II SAC продолжил свое углубленное изучение характеристик стальных каркасов и соединений различных конфигураций, с конечной целью разработки сейсмических норм проектирования для стальных конструкций. В результате этих исследований теперь известно, что типичная деталь соединения, устойчивого к изгибающим моментам, используемая в стальных каркасных конструкциях до землетрясения в Нортридже в 1994 году, имела ряд особенностей, которые делали ее по своей сути восприимчивой к хрупкому разрушению.
Неисправность сдвига в диафрагме пола
Полы в деревянных зданиях обычно строятся на относительно глубоких пролетах из дерева, называемых балками, покрытыми диагональной деревянной доской или фанерой для создания черновой основы, на которую укладывается чистовое напольное покрытие. Во многих конструкциях все балки выровнены в одном направлении. Чтобы предотвратить опрокидывание балок, на каждом конце устанавливаются подпорки, а для дополнительной жесткости между балками в одной или нескольких точках их пролета могут быть установлены подпорки или диагональные деревянные или металлические распорки. По внешнему краю обычно используется одинарная глубина подпорок и обводная балка по периметру. Если подпорки или крепление недостаточны, каждая балка может быть положена плашмя под действием сдвигающих сил, приложенных к зданию. В этом положении они теряют большую часть своей первоначальной прочности, и конструкция может разрушиться еще сильнее. В рамках усиления конструкции подпорки могут быть удвоены, особенно по внешним краям здания. Может быть целесообразно добавить дополнительные гвозди между нижней обвязкой периметральной стены, установленной на диафрагме пола, хотя для этого потребуется вскрыть нижнюю обвязку, удалив внутреннюю штукатурку или наружную облицовку. Поскольку нижняя обвязка может быть довольно старой и сухой, а для крепления требуются крупные гвозди, может потребоваться предварительно просверлить отверстие в старой древесине, чтобы избежать растрескивания. Когда стена вскрывается для этих целей, также может быть целесообразно привязать вертикальные элементы стены к фундаменту с помощью специальных соединителей и болтов, заклеенных эпоксидной смолой в отверстия, просверленные в фундаменте.
Сдвиги фундамента и отказ "колебательной стены"
Одно- или двухэтажные деревянные дома, построенные на ленточном или плитном фундаменте, относительно безопасны во время землетрясения, но во многих постройках, возведенных до 1950 года, обвязочная доска, расположенная между бетонным фундаментом и перекрытием (для ленточного фундамента) или каркасом стены (для плитного фундамента), может быть недостаточно надежно закреплена. Кроме того, старые крепления (без достаточной антикоррозийной обработки) могли подвергнуться коррозии и потерять прочность. Боковой толчок может привести к смещению здания с фундамента или плиты. Часто такие здания, особенно на умеренном склоне, возводятся на платформе, соединенной с ленточным фундаментом посредством низких стен, называемых "подпорными стенками" или "подъёмными стенками". Сама эта низкая конструкция может разрушиться из-за сдвига или ослабления соединений в углах, что приведет к диагональному смещению здания и обрушению подпорных стен. Вероятность разрушения подъёмных стенок можно снизить, обеспечив надежное усиление углов от сдвига и прочное соединение сдвиговых панелей друг с другом через угловые стойки. Для этого требуется фанера структурного качества, часто обработанная для защиты от гниения. Такая фанера изготавливается без внутренних незаполненных сучков и состоит из большего количества более тонких слоев, чем обычная фанера. В новых зданиях, спроектированных для сейсмостойкости, обычно используется OSB (ориентированно-стружечная плита), иногда с металлическими соединителями между панелями и с прочно прикрепленным штукатурным покрытием для повышения ее эффективности. Во многих современных типовых домах, особенно построенных на пучинистых (глинистых) грунтах, здание возводится на единой и относительно толстой монолитной плите, удерживаемой в целостности высокопрочными стержнями, которые натягиваются после затвердевания плиты. Это преднапряжение создает в бетоне сжатие – состояние, при котором он обладает высокой прочностью на изгиб и не трескается при неблагоприятных грунтовых условиях.
Многочисленные пирсы в мелких ямах
Некоторые старые и недорогие конструкции возвышаются на конических бетонных сваях, установленных в неглубокие котлованы – метод, часто используемый для крепления наружных террас к существующим зданиям. Это встречается в условиях влажной почвы, особенно в тропическом климате, так как это обеспечивает сухое, вентилируемое пространство под домом, а также в районах вечной мерзлоты (замороженной почвы) на севере, поскольку это предотвращает дестабилизацию грунта теплом от здания. Во время землетрясения сваи могут опрокинуться, что приведет к обрушению здания. Эту проблему можно решить, используя глубокие буровые скважины для заливки монолитных железобетонных свай, которые затем надежно крепятся к перекрытию в углах здания. Другой способ – добавить достаточное количество диагональных связей или секции бетонных сдвиговых стен между сваями.
Разрыв колонны из железобетона
Армированные бетонные колонны обычно содержат вертикальные арматурные стержни большого диаметра, расположенные кольцом и окруженные более тонкими обручами из арматурных стержней. Анализ разрушений, вызванных землетрясениями, показал, что слабость заключалась не в вертикальных стержнях, а в недостаточной прочности и количестве обручей. Как только целостность обручей нарушается, вертикальная арматура может изгибаться наружу, создавая напряжение в центральной бетонной колонне. Бетон затем просто рассыпается на мелкие фрагменты, больше не удерживаемый окружающей арматурой. В новом строительстве используется большее количество конструкций, подобных обручам. Один из простых способов усиления – окружить колонну оболочкой из стальных плит, сформированных и сваренных в единый цилиндр. Пространство между оболочкой и колонной затем заполняется бетоном, процесс, называемый инъектированием. Если условия грунта или конструкции требуют дополнительных модификаций, рядом с основанием колонны могут быть забиты дополнительные сваи, а бетонные подушки, соединяющие сваи с колонной, изготавливаются на уровне земли или ниже. В приведенном примере для достижения достаточной сейсмостойкости в ожидаемых условиях не потребовалось усиление всех колонн. (Это место находится примерно в миле от зоны разлома Хейвард.)
Разрыв стен из железобетона
Бетонные стены часто используются в местах перехода между насыпью дороги и эстакадами. Стена служит как для удержания грунта, что позволяет использовать меньшие пролеты, так и для передачи нагрузки от пролета непосредственно вниз на фундаменты в неразрыхлённом грунте. Если эти стены недостаточно прочны, они могут обрушиться под воздействием сейсмических колебаний. Один из способов усиления заключается в бурении множества отверстий в поверхности стены и закреплении в каждом отверстии коротких L-образных отрезков арматуры с помощью эпоксидного клея. Затем к этим новым элементам крепится дополнительная вертикальная и горизонтальная арматура, устанавливается опалубка и заливается дополнительный слой бетона. Данное усиление может быть совмещено с устройством дополнительных фундаментов в котлованах, а также с установкой дополнительных опорных элементов и анкеров для удержания пролета на боковых стенах.
Повреждение каменных стен (наполнители)
В каменных конструкциях кирпичные здания укреплялись покрытиями из стекловолокна и соответствующей смолой (эпоксидной или полиэстеровой). На нижних этажах эти покрытия могут наноситься на всю открытую поверхность, а на верхних – ограничиваться узкими полосами вокруг оконных и дверных проемов. Такое усиление обеспечивает прочность на растяжение, повышая сопротивление стены изгибу со стороны нанесения покрытия. Для эффективной защиты всего здания требуется всесторонний анализ и инженерные расчеты для определения оптимальных участков для усиления. В железобетонных зданиях каменные заполнительные стены рассматриваются как не несущие элементы, однако их повреждение может привести к значительным затратам на ремонт и изменению поведения конструкции, вплоть до обрушения «мягкого этажа» или разрушения узлов сопряжения колонн и балок. Локальное разрушение панелей заполнения, вызванное деформациями как в плоскости, так и вне плоскости, а также их сочетанием, может привести к резкому снижению несущей способности и, как следствие, к глобальному хрупкому разрушению конструкции. Даже при землетрясениях невысокой интенсивности повреждение заполнительных стен может повлечь за собой значительные экономические потери и человеческие жертвы. Для предотвращения повреждений и разрушения заполнительных стен типичные стратегии усиления направлены на повышение их прочности и обеспечение надежного соединения с каркасом здания. Примеры методов усиления каменных заполнительных стен включают сталефибробетонные штукатурки, специальные цементные композиты, тонкослойные волокноармированные полимеры (FRP) и, в последнее время, текстильно-армированные растворы (TRM).
Подъемник
Когда влажная или плохоуплотненная аллювиальная почва образует структуру, подобную "пляжу", примыкая к нижележащему плотному грунту, сейсмические волны, проходящие через аллювий, могут усиливаться, подобно тому, как водяные волны усиливаются на наклонном пляже. В таких особых условиях были зафиксированы вертикальные ускорения, достигающие двухкратной силы тяжести. Если здание не надежно закреплено за хорошо заглубленный фундамент, оно может быть вырвано из фундамента (или вместе с ним) и поднято в воздух, обычно с серьезными повреждениями при падении. Даже при надежном фундаменте, верхние части здания, такие как верхние этажи или крыша, а также пристроенные элементы, такие как навесы и веранды, могут отделиться от основной конструкции. Современные нормы сейсмостойкого строительства предусматривают обеспечение прочных вертикальных связей между всеми элементами здания – от нетронутого или уплотненного грунта до фундамента, обвязочной балки, вертикальных стоек, верхней обвязки, через каждый этаж и до конструкции крыши. Над фундаментом и обвязочной балкой соединения обычно выполняются с помощью стальных полос или штампованных листов, прибитых к деревянным элементам специальными закаленными гвоздями с высоким сопротивлением сдвигу, а также тяжелых угловых штамповок, закрепленных сквозными болтами с большими шайбами для предотвращения выдергивания. В существующих конструкциях, где между обвязочной балкой и фундаментом недостаточно болтов (или их надежность вызывает сомнения из-за возможной коррозии), могут быть установлены специальные зажимные пластины, каждая из которых крепится к фундаменту с помощью анкерных болтов, вставленных в отверстия, просверленные в видимой бетонной поверхности. Другие элементы затем должны быть закреплены к обвязочной балке дополнительными крепежными деталями.
Почва
Одной из самых сложных задач при реконструкции является предотвращение повреждений, вызванных деформацией грунта. Деформация грунта может произойти на склоне, в результате обрушения склона или оползня, или на ровной поверхности из-за разжижения водонасыщенного песка и/или ила. Как правило, необходимо забивать глубокие сваи в устойчивый грунт (обычно твердый ил или песок) или в нижележащую скальную породу, либо стабилизировать сам склон. Для зданий, построенных на старых оползнях, целесообразность реконструкции может быть ограничена экономическими факторами, поскольку стабилизация крупного, глубокого оползня непрактична. Вероятность оползня или деформации грунта также может зависеть от сезонных факторов, поскольку грунт может быть более стабильным в начале влажного сезона, чем в начале сухого сезона. Такой "двухсезонный" средиземноморский климат характерен для всей Калифорнии. В некоторых случаях лучшее, что можно сделать, – это уменьшить приток поверхностного стока с более высоких, стабильных участков, собирая и отводя его по каналам или трубам, а также осушить воду, просочившуюся непосредственно и из подземных источников, с помощью горизонтальных перфорированных труб. В Калифорнии есть множество мест, где обширные застройки возведены на древних оползнях, которые не проявляли активности в историческое время, но которые (при насыщении водой и воздействии землетрясения) имеют высокую вероятность массового смещения, унося целые жилые районы в новые места. Хотя самые современные конструкции домов (прочно связанные с монолитными бетонными фундаментными плитами, усиленными предварительно напряженными арматурными тросами) могут пережить такое смещение практически без повреждений, здание больше не будет находиться в своем первоначальном положении.
Трубы и кабели: риски
Трубы, по которым поступает природный газ и пропан, часто оказываются особенно опасными во время и после землетрясений. Если здание смещается с фундамента или разрушается из-за обрушения не несущей стены, трубы из ковкого чугуна, транспортирующие газ внутри конструкции, могут быть повреждены, как правило, в местах резьбовых соединений. Газ может продолжать поступать к регулятору давления из магистральных линий высокого давления и, следовательно, продолжать течь в значительном объеме; он может быть воспламенен близлежащим источником, например, горящей пилотной горелкой или искрящимся электрическим соединением. Существует два основных способа автоматической блокировки потока газа после землетрясения, устанавливаемых на стороне низкого давления регулятора и обычно после газового счетчика. На краю отверстия может быть установлен металлический шар в клетке. При сейсмических толчках шар перекатывается в отверстие, герметизируя его и прекращая подачу газа. Шар можно вернуть в исходное положение с помощью внешнего магнита. Это устройство реагирует только на колебания грунта. Для перекрытия клапана может использоваться устройство, чувствительное к расходу, которое закрывает клапан при превышении установленного порога (по принципу работы электрического автоматического выключателя). Это устройство работает независимо от сейсмических колебаний, но не реагирует на незначительные утечки, которые могут возникнуть в результате землетрясения. Кажется, что наиболее надежной конфигурацией будет последовательное использование обоих этих устройств.
Туннели
Если туннель не пересекает разлом, склонный к смещению, то главной опасностью для туннелей является оползень, перекрывающий вход. Для защиты входа может быть установлено дополнительное сооружение для отвода падающих масс (аналогично тому, как отводят снежные лавины), либо склон над туннелем может быть укреплен. Если ожидается падение лишь небольших или средних по размеру камней и глыб, весь склон может быть покрыт металлической сеткой, закрепленной на склоне металлическими стержнями. Это также распространенный метод укрепления откосов дорог при соответствующих условиях.
Подводные трубы
Безопасность подводных туннелей сильно зависит от грунтовых условий, в которых был проложен туннель, используемых материалов и армирования, а также от максимальной расчетной магнитуды ожидаемого землетрясения и других факторов, часть из которых может оставаться неизвестной при современном уровне знаний.
Трубка BART
Труба BART (Bay Area Rapid Transit) представляет особый интерес с точки зрения конструкции, сейсмической безопасности, экономики и политики. Эта труба была построена на дне залива Сан-Франциско с использованием инновационного метода. Вместо прокладывания с помощью щита через мягкий ил, труба строилась на суше секциями. Каждая секция состояла из двух внутренних туннелей круглого сечения, центрального туннеля прямоугольного сечения и внешнего овального кожуха, охватывающего все три внутренних туннеля. Пространство между ними заполнялось бетоном. На дне залива вырыли траншею и подготовили ровное основание из щебня для установки секций трубы. Затем секции транспортировали и затопили, после чего соединили с ранее установленными секциями болтовыми соединениями. Сверху на трубу насыпали балласт для удержания. После завершения строительства перехода от Сан-Франциско до Оклендa были установлены пути и электрооборудование. Прогнозируемая реакция трубы во время сильного землетрясения сравнивалась с поведением (сваренного) спагетти в желе. Чтобы избежать перенапряжения трубы из-за разной подвижки на концах, в сан-францисском терминале, под зданием Ferry Building, был предусмотрен скользящий компенсационный стык. Инженеры строительного консорциума PBTB (Parsons Brinckerhoff Tudor Bechtel) использовали наилучшие оценки сейсмических воздействий, доступные на тот момент, которые, как теперь известно, были недостаточными с учетом современных методов вычислительного анализа и геотехнических знаний. Неожиданная осадка трубы уменьшила допустимый диапазон подвижки стыка без риска разрушения. В результате компенсационный стык был спроектирован слишком коротким, чтобы гарантировать устойчивость трубы при возможных (и даже вероятных) сильных землетрясениях в регионе. Для устранения этого недостатка необходимо удлинить компенсационный стык, чтобы обеспечить дополнительную подвижку – модификация, которая, как ожидается, будет дорогостоящей и сложной в техническом и логистическом плане. Другие работы по модернизации трубы BART включают виброуплотнение балласта для предотвращения его разжижения, которые уже завершены. (В случае разрушения балласта существует опасность подъема отдельных участков трубы со дна, что может привести к разрушению секционных соединений.)
Мостная модернизация
Мосты подвержены нескольким типам разрушений.
Растяжные качалки
Многие короткие пролеты моста статически закреплены с одного конца и установлены на качалки с другого. Качалки обеспечивают вертикальную и поперечную поддержку, позволяя пролету расширяться и сжиматься при изменении температуры. Изменение длины пролета компенсируется зазором в дорожном полотне с помощью гребневых компенсационных швов. При сильных сейсмических воздействиях качалки могут соскочить с опор или быть смещены за пределы расчетных значений, что приведет к смещению моста с его опорной точки, а затем к его деформации или полному разрушению. Движение можно ограничить, добавив пластичные или высокопрочные стальные ограничители, которые трением закрепляются к балкам и предназначены для скольжения при экстремальных нагрузках, одновременно ограничивая перемещение относительно анкеров.
Жесткость палубы
Подвесные мосты могут реагировать на землетрясения боковым движением, превышающим расчетное при воздействии порывов ветра. Такое движение может вызвать разрушение дорожного покрытия, повреждение опор, пластическую деформацию или обрыв элементов конструкции. Для снижения этих рисков могут быть установлены устройства, такие как гидравлические демпферы или защемленные скользящие соединения, а также добавлена дополнительная диагональная армирующая конструкция.
Решетчатые балки, балки и связки
Решетчатые балки состоят из двух тавровых балок, соединенных крестообразной решеткой из плоской полосы или уголка. Их можно значительно усилить, заменив открытую решетку пластинчатыми элементами. Обычно это делается одновременно с заменой горячей клепки на болты.
Горячие ниты
Многие старые конструкции изготавливались путем вставки раскаленных докрасна заклепок в предварительно просверленные отверстия; мягкие заклепки затем обжимались с помощью пневматического молотка с одной стороны и подкладки с головки. По мере медленного остывания они оставались в отпущенном (мягком) состоянии, в то время как пластина, прошедшая горячую прокатку и закалку при изготовлении, оставалась относительно твердой. Под экстремальными нагрузками твердые пластины могут срезать мягкие заклепки, что приводит к разрушению соединения. Решением является выжигание каждой заклепки кислородной горелкой. Затем отверстие подготавливается до точного диаметра с помощью развертки. Вставляется специальный установочный болт, состоящий из головки, стержня, соответствующего развернутому отверстию, и резьбового конца, который фиксируется гайкой, а затем затягивается ключом. Поскольку болт изготовлен из подходящего высокопрочного сплава и также подвергнут термической обработке, он не подвержен ни пластическому сдвигу, характерному для горячих заклепок, ни хрупкому разрушению обычных болтов. Любое частичное разрушение будет происходить за счет пластической деформации металла, закрепленного болтом; при правильном проектировании любое такое разрушение не должно быть катастрофическим.
Заполнение и переход
Высокие дороги обычно строятся на участках возвышенной земляной насыпи, соединенных с мостоподобными секциями, часто поддерживаемыми вертикальными колоннами. Если грунт подмывается в месте опоры моста, мост может отсоединиться от остальной части дороги и обрушиться. Для устранения этой проблемы добавляют дополнительное армирование к любой опорной стене или устраивают глубокие кессоны по обеим сторонам от края опоры и соединяют их поддерживающей балкой под мостом. Другой вид разрушения происходит, когда насыпь на обоих концах смещается (из-за резонансных эффектов) большими массами в противоположных направлениях. Если для эстакады недостаточно надежного основания, она может упасть. Для повышения устойчивости можно добавить дополнительные основания и гибкие распорки для крепления эстакады к фундаментам с одного или обоих концов. Распорки могут крепиться к балкам не жестко, а с помощью зажимов. При умеренных нагрузках они центрируют эстакаду в проеме, снижая вероятность ее соскальзывания с основания. Способность жестких концов скользить, а не ломаться, предотвратит полное обрушение конструкции в случае потери контакта с фундаментами.
Виадуки
Большие участки дорожного полотна могут полностью состоять из виадуков – участков, не имеющих соединения с землей, кроме как через вертикальные колонны. При использовании бетонных колонн критически важна их детализация. Типичным видом разрушения является опрокидывание ряда колонн из-за разрушения соединения с грунтом или недостаточной спиральной обвязки арматурой. Оба этих вида разрушений были зафиксированы во время Великого землетрясения в Кобе (Япония) в 1995 году, когда целый виадук, центрально опирающийся на ряд крупных колонн, обрушился на один бок. Укрепление таких колонн производится путем разработки грунта до основания, забивки дополнительных свай и устройства нового, большего основания, надежно соединенного с арматурой вдоль или внутри колонны. Колоны с недостаточной спиральной обвязкой, склонные к разрушению по окружности и последующему образованию шарнира в месте разрушения, могут быть полностью заключены в кругую или эллиптическую оболочку из сварных стальных листов с последующим заполнением пространства раствором (инъектированием). Иногда разрушения виадуков происходят в местах соединений между элементами. Это наблюдалось при разрушении эстакады Сайпресс в Окленде (Калифорния) во время землетрясения Лома-Приета. Эта эстакада представляла собой двухъярусную конструкцию, при этом верхняя часть колонн была недостаточно прочно соединена с нижней частью, поддерживающей нижний ярус, что привело к обрушению верхнего пролета на нижний. Слабые соединения подобного типа требуют дополнительного внешнего усиления – либо с помощью внешних стальных элементов, либо с помощью сплошной железобетонной рубашки, часто с использованием коротких анкеров, которые приклеиваются (эпоксидным клеем) в многочисленные просверленные отверстия. Затем эти анкеры соединяются с дополнительной обвязкой, устанавливаются внешние опалубки (временные или постоянные) и пространство заполняется дополнительным бетоном. Крупные связанные конструкции, подобные эстакаде Сайпресс, также должны быть тщательно проанализированы в целом с использованием динамического компьютерного моделирования.
Ремонт жилых помещений
Боковые силы вызывают большую часть разрушений при землетрясениях. Крепление нижней обвязки к фундаменту и обшивка стен подвала фанерой – это несколько базовых методов усиления, которые домовладельцы могут применять к деревянным жилым домам для снижения последствий сейсмической активности. Город Сан-Леандро разработал рекомендации по выполнению этих работ, которые изложены в следующей брошюре. Повышение осведомленности и личная инициатива имеют решающее значение для усиления и сохранения существующего жилищного фонда, и такие усилия, как предпринимаемые Ассоциацией правительств района залива, играют важную роль в предоставлении информационных ресурсов сообществам, находящимся в сейсмически активных зонах.
Деревянная рама
Большинство домов в Северной Америке имеют деревянный каркас. Дерево – один из лучших материалов для строительства в сейсмоопасных районах, поскольку оно легкое и более гибкое, чем каменная кладка. С ним легко работать, и оно дешевле стали, камня или бетона. В старых домах наиболее существенными слабостями являются соединение между деревянными стенами и фундаментом, а также относительно слабые "подвальные стены" (подвальные стены – это короткие деревянные стены, которые поднимаются от верхней части фундамента до уровня пола первого этажа в домах с приподнятым полом). Добавление соединений от основания деревянного каркаса к фундаменту почти всегда является важной частью сейсмоусиления. Усиление подвальных стен для сопротивления боковым нагрузкам необходимо в домах с подвальными стенами; усиление обычно выполняется фанерой. Ориентированно-стружечная плита (OSB) демонстрирует менее стабильные результаты, чем фанера, и не является предпочтительным выбором проектировщиков и монтажников, занимающихся сейсмоусилением. Методы сейсмоусиления старых деревянных каркасных конструкций могут включать следующие и другие, не описанные здесь. Нижние обвязочные брусья стен (обычно называемые "подошвенниками" или "фундаментными брусьями" в Северной Америке) крепятся к сплошному фундаменту или фиксируются жесткими металлическими крепежными элементами, прикрепленными к фундаменту, для сопротивления боковым нагрузкам. Подвальные стены усиливаются фанерой. Выбранные вертикальные элементы (обычно стойки на концах панелей фанерной обшивки) соединяются с фундаментом. Эти соединения предназначены для предотвращения раскачивания усиленных стен вверх и вниз при воздействии попеременных сил в верхней части усиленных стен, а не для предотвращения "отрыва" стены или дома от фундамента (что почти никогда не происходит). В двухэтажных зданиях, использующих "каркасную систему этажами" (иногда называемую строительством в "западном" стиле, где стены последовательно возводятся на верхнюю плите нижнего этажа, в отличие от "восточной" или "баллонной" системы), верхние стены соединяются с нижними стенами с помощью растягивающих элементов. В некоторых случаях соединения могут быть продолжены вертикально, чтобы обеспечить удержание определенных элементов крыши. Подобное усиление обычно обходится очень дорого по сравнению с полученным приростом прочности. Вертикальные стойки крепятся к балкам или другим элементам, которые они поддерживают. Это особенно важно, если потеря опоры приведет к обрушению части здания. Соединения между стойками и балками не могут выдерживать значительные боковые нагрузки; гораздо важнее усилить периметр здания (усилить подвальные стены и укрепить соединения между деревянным каркасом и фундаментом), чем усиливать соединения между стойками и балками. Деревянный каркас эффективен в сочетании с каменной кладкой, если конструкция спроектирована правильно. В Турции традиционные дома (багдади) строятся с использованием этой технологии. В Сальвадоре для строительства жилых домов используются дерево и бамбук.
Армированная и неармированная кладка
Во многих частях развивающихся стран, таких как Пакистан, Иран и Китай, неармированная или, в некоторых случаях, армированная кладка является преобладающей формой конструкций для сельских домов и жилых помещений. Кладка также была распространенной формой строительства в начале 20-го века, что означает, что значительное количество этих находящихся в зоне риска каменных сооружений может представлять значительную историческую ценность. Особенно опасны неармированные каменные стены. Такие конструкции зачастую целесообразнее заменить, чем укреплять, но если стены являются основными несущими элементами в сооружениях небольшого размера, их можно надлежащим образом усилить. Особенно важно, чтобы балки перекрытий и потолка были надежно закреплены к стенам. Можно добавить дополнительные вертикальные опоры из стали или железобетона. В западных Соединенных Штатах то, что часто принимают за каменную кладку, на самом деле является кирпичной или каменной облицовкой. Современные строительные нормы определяют необходимое количество анкеров – металлических полос, закрепленных к вертикальным несущим элементам. Эти полосы входят в швы кладки, надежно соединяя облицовку с основной конструкцией. В старых зданиях эта фиксация может быть недостаточной для обеспечения сейсмостойкости. Слабо закрепленная облицовка внутри дома (иногда используется для облицовки камина от пола до потолка) может быть особенно опасна для жильцов. Старые каменные дымоходы также представляют опасность, если они имеют значительное вертикальное продолжение над крышей. Они подвержены разрушению у линии кровли и могут обрушиться в дом целым куском. При усилении можно добавить дополнительные опоры, однако укрепление существующего каменного дымохода в соответствии с современными стандартами проектирования обходится очень дорого. Лучше всего просто удалить верхнюю часть дымохода и заменить ее более легкими материалами: специальной металлической трубой вместо керамической и деревянной конструкцией вместо каменной кладки. Это можно гармонично сочетать с существующей кирпичной кладкой, используя очень тонкую облицовку (похожую на плитку, но с видом кирпича).