Повреждения зданий с железобетонным и стальным каркасом при землетрясениях

Анализ повреждений зданий и сооружений с железобетонными и стальными несущими и ограждающими конструкциями при сильных землетрясениях посвящено большое число работ, например [8, 17, 28—30, 50, 53, 54, 76—79, 82]. При землетрясениях последних десятилетий в зону интенсивных сейсмических воздействий наряду со старыми попадает все большее число современных зданий, запроектированных и построенных с учетом требований норм по сейсмостойкому строительству.

При инженерных оценках макросейсмического эффекта землетрясений все чаще приходится рассматривать современные индустриальные конструкции, анализировать реальные схемы их деформирования, характер повреждений и разрушений, соответствие расчетных предпосылок действительной картине поведения при интенсивных воздействиях. На основании анализа последствий сильных землетрясений, произошедших на территории СССР (Дагестанских 1970 и 1975 гг., Сары - Камыш-ского 1970 г., Джамбулского 1971 г., Газлийских 1976 и 1984 гг., Баткено - Исфаринского 1977 г., Карпатского 1977 г., Кайраккумского 1985 г.), а также землетрясений на территории зарубежных стран рассматриваются основные группы факторов, определяющих степень и характер повреждения железобетонных и стальных конструкций, их пригодность к дальнейшей эксплуатации (ремонту, восстановлению или усилению).

Опыт последних землетрясений свидетельствует в целом о достаточно высокой способности железобетонных и стальных конструкций каркасных зданий сопротивляться интенсивным сейсмическим воздействиям и обеспечивать безопасность людей и сохранность материальных ценностей. Соблюдение требований норм по сейсмостойкому строительству и качественное выполнение строительно-монтажных работ является гарантией отсутствия сильных повреждений зданий при землетрясениях, сохранения ими эксплуатационной способности. Вместе с тем- нередки случаи значительных повреждений и разрушений каркасных сооружений из-за недостаточной прочности элементов и их соединений, и, что особенно важно, малой способности к развитию интенсивных деформаций (перемещений). Последнее обстоятельство существенно влияет на предельные состояния сооружений в целом и часто определяется податливостью конструкций. Она характеризуется способностью выдерживать знакопеременные циклы значительных деформаций за пределами упругости без существенного снижения несущей способности. Податливость несущих железобетонных и стальных конструкций при землетрясениях в большой степени определяет сохранность элементов заполнения и ограждения, второстепенных конструкций, внутреннего инженерного и встроенного технологического оборудования и коммуникаций. Часто наблюдаемые разрушения самонесущих кирпичных стен каркасных зданий являются следствием недостаточной прочности и податливости основных и ограждающих конструкций и элементов их сопряжений.

Необходимая степень податливости железобетонных конструкций должна обеспечиваться выбором марок бетона и арматуры, степени продольного и поперечного армирования, а также соответствующей компоновкой и конструированием элементов. По существу, речь идет о необходимости предотвращения возможности хрупкого разрушения.

Основные типы повреждений и разрушений железобетонных конструкций при землетрясениях обычно связывают с характером возникающих усилий и деформаций [30].

Разрушения и повреждения при изгибе и внецентренном сжатии наиболее часто наблюдаются в колоннах, ригелях, элементах обвязок и узловых сопряжениях каркасных зданий, в отдельно стоящих конструкциях, стенах-диафрагмах и плитах перекрытий при изгибе из плоскости. В зависимости от степени повреждения образуются и раскрываются трещины в бетоне, оголяется арматура, отслаивается и выкрашивается бетон, выпучиваются отдельные стержни продольной арматуры, отрывается поперечная арматура. При этом, как правило, резко падает жесткость и прочность конструкций происходит, так называемая деградация характеристик элементов. При наличии больших вертикальных сжимающих усилий, чередующихся с растягивающими, например в крайних колоннах, вблизи сопряжений с ригелями, наблюдается раздавливание или раздробление бетона с выпучиванием продольной арматуры.

Разрушения и повреждения от преобладающего влияния поперечных сдвигающих сил при изгибе характерны для широких или невысоких колонн каркасов, отдельных защемленных по концам стоек и простенков, широких обвязочных балок. Такие повреждения, приводящие к хрупким разрушениям по наклонным сечениям, появлению и раскрытию сквозных наклонных трещин, выкрашиванию и раздроблению бетона, часто наблюдались при землетрясениях в Сан-Фернандо 1971 г., Токачи -Оки 1968 г., Кайраккуме 1985 г. Их проявление подтверждает актуальность повышения требований глав СНиПа 11-7-81 и 2.02.01-83 по обеспечению прочности конструкций по наклонным сечениям.

В отдельных стенах-диафрагмах, ядрах жесткости, лифтовых шахтах, как и в крупнопанельных домах, большие сдвигающие нагрузки вызывают в первую очередь появление контурных трещин -в местах сопряжений или примыканий конструкций, сдвиги по горизонтальным и вертикальным стыкам, а затем приводят к диагональным трещинам в глухих стенах и наклонным из углов оконных и дверных проемов, особенно в перемычках над ними.

Разрушения и повреждения от скалывания проявляются в виде вертикальных трещин в опорных (граневых) сечениях балок и панелей покрытия и междуэтажных перекрытий (рис. 2.1).

Разрушения и повреждения от кручения зданий наблюдаются в угловых вертикальных несущих элементах — колоннах, стенах-диафрагмах, ядрах жесткости в виде сетки произвольно ориентированных наклонных трещин.

Разрушения и повреждения от выдергивания арматуры, в том числе закладных деталей сборных конструкций, имеют место в конструкциях каркасов зданий и элементах стенового ограждения.

Описанные типы повреждений и разрушений конструкций в чистом виде наблюдаются редко и, как правило, проявляются в самых разнообразных сочетаниях. Основная часть разрушений и повреждений вызвана расстройством стыковых соединений стержневых элементов и панелей зданий, интенсивными деформациями закладных деталей, обрушениями поддерживаемых конструкций из-за малой площади их опирания, разрушениями от соударения смежных отсеков зданий. При землетрясении в Дагестане, Газли, Бухаре, Кайраккуме, Кишиневе наблюдались случаи расслоения монолитных железобетонных конструкций вдоль швов бетонирования или на участках замоноличивания, выполненных с нарушением технологических требований (рис. 2.2).

В целом степени повреждения зданий и показатели поврежденности железобетонных несущих конструкций [82] определяются сейсмотектоническими особенностями землетрясения и геологическими условиями площадки строительства, свойствами грунтов, спектральным составом, интенсивностью, продолжительностью, повторяемостью воздействий, объемно-планировочным и конструктивным решениями здания или сооружения, степенью антисейсмического усиления и качеством его выполнения, а также особенностями компоновки и конструирования элементов (степень насыщения арматурой и ее распределение по объему, толщина защитного слоя бетона, пластические свойства бетона и арматуры и т. п.) и их сопряжений.

Результаты многих обследований зданий свидетельствовали о существенном влиянии грунтово-геологических условий на степень и характер повреждения конструкций. В ряде районов, где интенсивность колебаний не превышала 4—5 баллов, предварительные неравномерные осадки оснований были причиной весьма интенсивных деформаций и повреждений. По-видимому, назрела необходимость при расчете на сейсмические воздействия зданий, строящихся в районах с потенциально возможными просадками оснований, учитывать вероятность совместного проявления обоих факторов.

Следует отметить, что в зданиях с одинаковыми конструктивными схемами при различных сейсмотектонических характеристиках землетрясений наблюдались повреждения, разные по характеру, по степени и возможности дальнейшего использования несущих конструкций. Так, импульсивный характер и небольшая продолжительность Баткено-Исфаринского землетрясения и преобладающее влияние вертикальных колебаний вызвали едва заметные' горизонтальные трещины в консольных железобетонных конструкциях (памятники, постаменты под оборудование). При сравнительно продолжительном Карпатском землетрясении в аналогичных конструкциях наблюдались трещины до 0,5—2 мм, с шагом 20-30 см по высоте. Аналогичные трещины вдоль стыковых соединений панелей были отмечены при обследовании крупнопанельных зданий.

К характерным типам повреждений многоэтажных зданий со-стальным каркасом относятся [29]: интенсивные остаточные деформации каркасов; потеря местной устойчивости колонн, элементов ферм, башен связей и др.; разрушения конструкций и их сопряжений от малоцикловой усталости в условиях интенсивных повторных знакопеременных деформаций; обрушения и повреждения заполнения каркасов зданий; падение ограждающих конструкций, повреждение сопряжений несущих конструкций и ограждения; повреждение коммуникаций, инженерного и встроенного технологического оборудования; опустошительные пожары.

Характерным примером повреждений зданий небольшой высоты (два-три этажа) является повреждение конструкций двух зданий инженерной и химической школ Университета в г. Консепсьон во время землетрясения в Чили 21 и 22 мая 1960 г. [45]. Здание инженерной школы - трехэтажное, с шагом стальных колонн 7,65 ми диагональными связями в двух пролетах, расположенными симметрично относительно поперечной оси (рис. 2.3). Колонны прямоугольного сечения образованы изогнутыми в виде швеллера листами со сваркой вдоль кромок полок; балки и прогоны, несущие железобетонные плиты перекрытий и покрытия, - аналогичной конструкции. Первый этаж был выполнен открытым для движения людей, а на втором и третьем устроено сплошное ленточное остекление. Здание химической школы длиной около 70 м имело аналогичное конструктивное решение.

Первый' сейсмический толчок утром 21 мая 1960 г. привел к разрушению всех связей в обоих зданиях, и второе сейсмическое воздействие 22 мая каркасы воспринимали без связей.

Разрушения связей произошли по сварному шву и имели хрупкий характер. Об интенсивности воздействия 22 мая свидетельствует вытяжка всех анкерных болтов на 5—6 мм, разбитые стекла, повреждения лестниц и наружных навесных стен. Оторвавшаяся часть диагональной связи прочертила на нижней полке горизонтальной балки след длиной 12 см, что характеризует амплитуды колебаний первого этажа относительно фундамента порядка 6 см. После землетрясения 22 мая здания усилили диагональными связями такой же формы в уровне всех трех этажей.

Проведенный расчетный анализ работы каркаса инженерной школы при действии трех видов сейсмических воздействий показал, что добавление связей не всегда повышает несущую и деформационную способность каркаса. Так, включение связей в уровне первого этажа приводит к перемещению зон пластического деформирования ко второму этажу. Добавление связей в верхних этажах еще более снижает изгибные деформации колонн, но тогда критической становится нагрузка на связи. По мнению американских специалистов, в каждом конкретном случае проектировать подобные здания, со связями необходимо в зависимости от спектрального состава предполагаемого воздействия, так как увеличение жесткости при высокочастотном воздействии приводит к снижению надежности конструкций со связями. При землетрясении с длиннопериодными колебаниями некачественная приварка связей является причиной их отрыва на первой стадии воздействия, и эффективность связей резко снижается.

В Кишиневе во время Карпатского землетрясения 1977 г. интенсивность воздействия составляла около 6 баллов, с некоторым превышением для отдельных районов. В городе отмечены незначительные повреждения каркасных зданий со стальными несущими конструкциями. Лишь в трехэтажной школе № 2 со стальным каркасом и стеновым заполнением из блоков пильного известняка стены и перегородки получили интенсивные повреждения в виде наклонных трещин, особенно в направлении преобладающего сейсмического воздействия (с ЮЗ на СВ). Во многих четырех-пяти этажных зданиях в г. Кишиневе, отмечены следы таранящего действия перекрытий на стены (особенно в местах примыкания лестничных площадок и при несовпадении уровней смежных участков перекрытий, рис. 2.4). Сильно пострадали конструкции старого здания школы от взаимных соударений с переходом в новую каркасную часть здания.

Для многоэтажных зданий четко прослеживаются: большая устойчивость к сейсмическим воздействиям по сравнению со зданиями небольшой высоты; зависимость степени повреждения конструкций от преобладающего периода сейсмических колебаний, а также типа оснований и фундаментов; связь между степенью повреждения конструкций стек и их способностью участвовать совместно с каркасом в воспринятой сейсмических нагрузок и деформироваться вместе с ним.

Первое обстоятельство обусловлено повышенным вниманием к проектированию и строительству высотных зданий, проведением поэтапных натурных исследований с корректировкой конструктивного решения, повышенным контролем качества работ, что в совокупности обеспечивает требуемую степень несущей и деформационной способности сооружений. Самым наглядным примером является 43-этажная башня Латино Американо, построенная в г. Мехико в 1955 г. и успешно выдержавшая пять сильных землетрясений, в том числе самые интенсивные 28 июля 1957 г. и 19 сентября 1985 г. Согласно полученным при землетрясении 1957 г. акселерограммам, преобладающий период колебаний грунта составлял около 2,5 с, т. е. находился в интервале между периодами колебаний здания по первой и второй формам (3,66 и 1,54 с).

Во время землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г. из десяти зданий со стальным каркасом и кирпичным заполнением высотой от 10 до 16 этажей ни одно не разрушилось. В Чили в 1960 г. возведенное до десятого этажа многоэтажное здание со стальным каркасом серьезных повреждений не получило. В г. Мехико многие многоэтажные здания успешно выдержали землетрясения 1957, 1960 и 1962 г. Из 27 зданий со стальным или монолитным железобетонным каркасом с жесткой арматурой высотой от 10 до 43 этажей во время землетрясения 1957 г. лишь одно здание с частичным стальным каркасом, находившееся в стадии строительства, обрушилось. Несколько колонн 13-этажного здания Каса Латино оказались перенапряженными из-за больших вертикальных нагрузок.

При землетрясении Канто, 1923 г., в Токио из 16 зданий со стальным каркасом высотой четыре-семь этажей шесть зданий с железобетонными стенами имели незначительные повреждения, а. остальные с заполнением каркасов кирпичной кладкой получили повреждения заполнения перегородок лифтовых шахт.

Ценные данные были получены при изучении последствий землетрясения на Аляске 27 марта 1964 г. (М = 8,2—8,6, интенсивность 11—12 по модифицированной шкале Меркалли, преобладающий период порядка 0,5 с), так как основные здания гг. Анкоридж, Сыоварде, Вальдеж и Кодиак были построены в соответствии с современными тенденциями и требованиями Единого строительного кода США.

Здание отеля "Вествард" высотой в 15 этажей со стальным каркасом к моменту землетрясения не было закончено, но получило большие разрушения из-за соударения с соседними зданиями. 'В другом здании со стальным каркасом и массивными стволами вокруг лифтов и лестничных клеток отмечены значительные повреждения, особенно около жестких шахт. Шестиэтажное здание "Кордова" внешне пострадало очень сильно, но существенные разрушения несущих конструкций были ограничены колоннами, из которых одна, угловая, укоротилась на 150 мм из-за потери устойчивости при повторных циклах нагружения. Это было обусловлено длительностью воздействия (по некоторым оценкам, до 7 мин) и жестким присоединением стен к колоннам, что привело к передаче на них значительно большей, чем по расчету, нагрузки.

Один из уроков этого землетрясения заключается в том, что жесткие элементы в гибких зданиях являются очагами разрушений и их следует избегать. Это подтверждают также результаты изучения последствий землетрясений в Ниигата (Япония) в июне 1964 г., когда сильно пострадали здания со стальным каркасом и гибким первым этажом, в Бухаресте и Кишиневе после Карпатского землетрясения 4 марта 1977 г.

Анализ последствий многих землетрясений свидетельствует также о большом материальном ущербе, причиняемом инженерным коммуникациям, внутреннему оборудованию и сетям при повреждениях и интенсивных деформациях несущих конструкций. Особенно часто получают повреждения оборудование и ограждающие их конструкции в котельных, что приводит в ряде случаев к длительным перерывам в теплоснабжении школ, детских садов, больниц и других зданий. Поэтому изучению параметров колебаний встроенного оборудования при землетрясениях и обеспечению их сейсмостойкости в последние годы уделяется повышенное внимание.

Результаты анализа последствий землетрясений позволяют сделать следующие выводы: а) здания со стальными несущими конструкциями, как правило, обладают высокой степенью сейсмостойкости; требования современных норм к их проектированию достаточно эффективны; б) при выборе рациональных конструктивных решений следует учитывать сейсмотектонические особенности возможных очагов землетрясений и характер проявления сейсмических воздействий для конкретной площадки строительства (амплитуды колебаний, частотный состав, продолжительность, повторяемость и т. п.); в) необходимо обращать внимание на более четкое соблюдение принятых при проектировании расчетных схем, принципа непосредственной передачи усилий на фундаменты, распределения сейсмических нагрузок между несущими конструкциями, надежное и качественное выполнение узловых сопряжений несущих конструкций между собой и с элементами ограждения; изменения схем при реконструкции, расширении и т. п. должны обосновываться расчетом; г) степень повреждения зданий во многом определяется способностью конструкций заполнения и ограждения воспринимать сейсмические нагрузки совместно с каркасом и деформироваться с ним; в связи с частыми повреждениями и обрушениями самонесущих кирпичных стен, а также панелей стенового ограждения следует скорректировать некоторые требования СНиП по их проектированию и креплению к каркасу; для высотных зданий более экономичными являются решения, при которых обеспечивается совместная работа наружных стен со стальным каркасом; д) следует избегать включения в схемы гибких стальных каркасов отдельных жестких элементов, так как они являются очагами интенсивных повреждений и разрушений.

Анализ работы зданий со стальным каркасом позволил выявить характерные типы и степени повреждения конструкций, разработать предложения по совершенствованию описательной части сейсмической шкалы и методики инженерного анализа последствий землетрясений¹. Проверочные расчеты отдельных объектов позволили уточнить действительный характер колебаний конструкций при землетрясении и с этих позиций оценить рекомендации по назначению параметров расчетных предельных состояний стальных каркасов [29].

Таким образом, при оценке интенсивность землетрясений по степени повреждения конструкций современных зданий (с антисейсмическими мероприятиями и без них), а также при анализе эффективности антисейсмических мероприятий следует учитывать все факторы, включая специфические особенности землетрясений.

Анализ последствий землетрясений в Газли 1984 г. и Кайраккуме 1985 г. подтвердил необходимость развития "Методики инженерного анализа последствий землетрясений" и совершенствования методов количественной оценки повреждений конструкций [82]. Предложенные количественные характеристики позволяют более обоснованно устанавливать в нормативных документах параметры физических и расчетных предельных состояний, оценивать, какого состояния достигли конструкции после конкретного землетрясения, а также проводить оценки интенсивности проявления сейсмического воздействия на строительной площадке. С помощью количественных характеристик можно проводить сопоставительный анализ работы зданий с различными объемно-планировочными и конструктивными решениями, выявлять резервы несущей способности конструкций и разрабатывать предложения по корректировке нормативных требований.

Количественные характеристики повреждений позволяют прогнозировать состояние конструкций зданий на основе натурных и модельных испытаний и последующего расчетного анализа [83]. Наконец, количественные характеристики являются основой для принятия решений при ремонте, восстановлении, усилении или сносе поврежденных объектов [54] как после землетрясений, так и при разработке мероприятий по реконструкции и техническому переоснащению действующих предприятий. Такой подход реализован, в частности, при подготовке республиканского нормативного документа для Алма-Аты по восстановлению и усилению промышленных и некоторых типов жилых зданий (совместные разработки Казахского Промстрой-НИИпроекта и ЦНИИСК им. Кучеренко).