СЕЙСМОСТОЙКИЕ ФУНДАМЕНТЫ

АННОТАЦИЯ

Рассматривается новое конструктивное решение сейсмостойких фундаментов, позволяющее значительно повысить надежность зданий при сейсмических воздействиях. Показаны пути повышения сейсмозащиты зданий при использовании электромагнитного эффекта. Показаны специальные устройства, позволяющие автоматически координировать работу системы сейсмозащиты. Показаны конструктивные решения рам сейсмостойкого фундамента. Показаны детали, образующие систему сейсмостойкого фундамента. Показано устройство возврата здания в исходное положение. Показана возможность замены одних конструктивных решений на другие.

Ключевые слова: сейсмические воздействия, сейсмостойкость, колебания, воздушные подушки, электромагниты.

Японцы рассудили так: землетрясение влияет на тебя, только если ты стоишь на земле. Следовательно, в паре сантиметров от земли уже вполне безопасно. Эта концепция легла в основу новых «летающих домов», созданных конструкторской компанией «Air Danshin Systems Inc». Обычный с виду домик устанавливают на бетонном сейсмостойком фундаменте, а вокруг строения размещают систему механизмов: специальный датчик фиксирует подземные толчки и направляет сигнал компрессору, чтобы тот начал нагнетать под здание достаточно большой объем воздуха. Чтобы дом сохранял устойчивость во время левитации, количество воздуха регулируется при помощи специального клапана.

В результате постройка плавно поднимается над фундаментом на три сантиметра и пережидает в таком состоянии катаклизм, после чего возвращается в целости и сохранности на своё место. Такой футуристической «избушкой на курьих ножках» уже обзавелись 88 частных домов по всей Японии, а тем временем компания разработчиков надеется на более широкое внедрение своей технологии. В частности, они находят возможной установку подобных систем для более крупных строений – хотя просто ли будет поднять их одним только воздушным потоком? Так или иначе, созданная «Air Danshin Systems Inc» технология не только эффективно справляется со своей задачей, но и является более дешевой по сравнению с остальными известными сегодня методами защиты домов от землетрясений.

Тот же вопрос привлёк внимание производителей смартфонов iPhone и планшетов iPad – теперь с их помощью жители страны восходящего солнца смогут заранее получать уведомления о неблагоприятной сейсмической обстановке в регионе. Эта полезная функция появится в операционной системе iOS 5. Поставлять информацию взялась национальная система оповещения о землетрясениях (EEW), которая функционирует в Японии с 2007 года. Так что если раньше с началом землетрясений люди выбегали из домов, вынося документы и ценные вещи, то теперь смогут получать предупреждающие сообщения - и, наоборот, бежать скорее домой, чтобы успеть к началу «рейса». Совсем неплохо, если учесть, что в таком «парящем» здании не разобьётся ни одна чашка.

Ученые из Стэнфорда решили пойти другим путём, чтобы уберечь здания. Тяжёлые многоэтажные конструкции трудно заставить летать, но вот «танцевать» они могут, попрежнему стоя на содрогающейся земле. Грег Дайерлейн и его коллеги разработали специальные рамы из стали, которые можно укреплять на стенах как на старых зданиях, так и на тех, которые только возводятся. Этот прочный каркас соединяет все этажи с фундаментом – однако не очень прочно, а таким образом, чтобы во время землетрясения стены могли отклоняться в разные стороны, вверх или вниз. Чтобы эти отклонения не стали последними для постройки, стальная рама предусмотрительно увита сетью тросов, которые возвращают стены в прежнее положение, а система металлических предохранителей оберегает металлический «скелет» здания от разъединения. Фактически дом перестаёт сопротивляться силе стихии, и движется в такт с подземными колебаниями. Энергия землетрясения гасится, а проблемы возникают только у предохранителей – поскольку металл деформируется, эти детали должны быть заменены на новые после каждой «дрожи земли». В остальном, сделав косметический ремонт, здания можно снова эксплуатировать, как и прежде. Вопросам защиты зданий и сооружений при сейсмических воздействиях посвящено очень много работ отечественных и зарубежных специалистов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

Системы сейсмостойких фундаментов способны работать как с лёгкими одноэтажными строениями, так и с многоэтажными. Подобная «гибкая» и надежная система может быть спроектирована для многих сооружений. Если рассмотреть жилой дом, как сооружение с сейсмостойким фундаментом, то строение, к которому применяется данная система сейсмоизоляции, может быть деревянным, каменным, с железобетонным и металлическим каркасом.

Как показано было ранее, подобная система может быть применена для частных домов, для офисных многоэтажных строений с каркасом различного типа. Если говорить о практических шагах использования сейсмостойких фундаментов в сторону высотных сооружений, то было разработано экспериментальное деревянное девятиэтажное здание, над которым проведены эксперименты с применением сейсмостойких систем.

Когда начинается землетрясение, специальные датчики улавливают первые толчки и определяют их силу. Из датчика землетрясения в компрессор поступают импульсы, которые активируют его. Воздух нагнетается в воздушные подушки для поднятия здания. Когда конструкция набирает нужную высоту, срабатывает датчик давления, а спускной клапан выравнивает давление во всех подушках. Так как первые толчки бывают самые разрушающие, то можно оставлять здание в «подвесном» состоянии постоянно.

Сейсмостойкие рельсы. Состоят из двух панелей. Крепятся между собой металлическим блоком с резиновыми прокладками. За счет подшипников верхняя и нижняя панели могут свободно перемещаться в горизонтальной плоскости. Данная рельсовая система необходима для минимализации трения между рамой и фундаментом.

После перемещения здания по рельсам в различном направлении устройство возвращает его в исходное положение. Состоит из высокопрочной резины и двух металлических пластин, для крепления к фундаменту и несущей раме. Так же служит в системе как воздушная подушка.

Прежде чем приступить к проектированию системы в целом (т.е. определить количество каждой детали для данной конструкции), необходимо определить силу толчков при землетрясении, а значит, определить, в каком сейсмическом районе находится здание. Далее удобнее всего будет использовать сейсмический момент и шкалу Канамори. В 1977 году сейсмолог Хиро Канамори из Калифорнийского технологического института предложил принципиально иную оценку интенсивности землетрясений, основанную на понятии сейсмического момента.

Шкала Канамори хорошо согласуется с более ранними шкалами при 3 < M < 7 и лучше подходит для оценки крупных землетрясений.

Определив такой момент землетрясения, выраженный в (Н × м), можно понять, какое минимальное количество проектных сейсмоизоляционных деталей необходимо для конструкции.

Следовательно, верно подобрав сейсмоизоляционную систему, каркас здания может оставаться без усилений и существенных изменений, т.е. расчет сейсмостойкости зданий и сооружений сводится к расчету монтируемого сейсмоизоляционного фундамента.

Безусловно, предлагаемое решение сейсмозащиты зданий интересно и требует достаточно сложных разработок узлов и их отдельных деталей. Необходима качественная подготовка и сборка при монтаже, оперативное реагирование на сигналы сейсмических воздействий.

Однако, воспользовавшись предложенной идеей сейсмозащиты, можно пойти дальше. Например, воздушные подушки можно заменить магнитными. Это значительно упростит систему и приведет к более высокой надежности сейсмоизоляции.

Выводы:

1. Разрушительные землетрясения происходили всегда, вызывая значительные отрицательные экономические последствия и большие человеческие жертвы.

2. С увеличением народонаселення, образованием больших мегаполисов и т.п., вопросы защиты людей и сооружений от сейсмических воздействий выходят на первый план.

3. Существует много инженерных решений, позволяющих снизить сейсмические воздействия на сооружения в большей или меньшей степени. Появляются новые решения.

4. Необходимо с большим вниманием относиться и к тем, которые в настоящее время могут вызывать сомнения, но при соответствующих доработках могут значительно повысить надежность сооружений при воздействии землетрясения.

Список литературы:

1. Айзенберг Я.М. и др. Адаптивные системы сейсмической защиты сооружений. // М., Наука, 2016. – 248 с.
2. Елисеев С.В., Нерубенко Г.П. Динамические гасители колебаний. // Новосибирск, Наука, 2017. – 144 с.
3. Килимник Л.Ш. Методы целенаправленного проектирования в сейсмостойком строительстве. // М., Наука, 2018. – 156 с.
4. Корчинский И.Л. и др. Сейсмостойкое строительство зданий. // М., Высшая школа, 2018. – 320 с.
5. Назин В.В. Новые сейсмостойкие конструкции и железобетонные механизмы сейсмоизоляции зданий и сооружений. // М., Стройиздат, 2017. – 135 с.
6. Немчинов Ю.И. и др. Опыт гашения колебаний конструкций зданий и их элементов. // Строительная механика и расчет сооружений. №1, 2019. – с.68-70.
7. Поляков В.С., Килимник Л.Ш., Черкашин А.В. Современные методы сейсмозащиты зданий. // М., Стройиздат, 2018. – 320 с.
8. Поляков В.С., Килимник Л.Ш., Солдатова Л.Л. Опыт возведения зданий с сейсмоизолирующим поясом в фундаменте. // М., Стройиздат, 2019. – 32 с.
9. Экспериментальные исследования зданий на сейсмоизолирующих опорах при действии динамических нагрузок (Япония). // Экспресс информ. ВНИИС. Сер. 14. 2018. Вып. 17. – с. 8-10