«Камчатгражданпроект, 683003,  г.  Петропавловск-Камчатский,

ул. Ленинградская, 118.

 Аннотация. Крутильные воздействия при землетрясениях подтверждаются повреждением или обрушением торцевых стен. В строительные нормы требования по учету кручения зданий введены в 1981 г. При Спитакском землетрясении 1988 года (Армения) разрушилось много 9 этажных каркасно-панельных зданий. Характер их разрушения  показал большие деформации стен и перекрытий от кручения. Пространственный расчет существующего пятиэтажного здания в г. Петропавловске-Камчатском подтвердил увеличение сейсмической нагрузки на торцевую раму, которая почти в 2 раза превысила нагрузку на среднюю раму.

 Давно замечено, что после серьезного землетрясения чаще и сильнее повреждаются, а иногда и обрываются торцевые стены. В каменных зданиях особенно чувствительны к разрушениям верхние менее пригруженные крайние углы здания, являющиеся элементами торцевых стен. При этом, чем длиннее здание, тем эти повреждения проявляются в большей степени. Такие разрушения характерны как для несимметричных, так и для симметричных зданий, как для жестких, так и для гибких зданий. Все это указывает на наличие крутильных воздействий при землетрясении.

Исследователи, в частности С. В. Поляков [1] еще в 1969 г. писал: «При определении сейсмических воздействий обычно исходят из предположения, что сооружение колеблется как система, у которой на одном и том же уровне в любой момент времени все точки плана находятся в одинаковой фазе по перемещениям, скорости и ускорениям при одинаковой амплитуде. В действительности в связи с тем, что прохождение сейсмических волн не мгновенно, а происходит с определенной конечной скоростью, зависящей от плотности и характеристик грунта, различные участки основания по длине здания колеблются синхронно с различными величинами ускорений, что вызывает в здании дополнительные продольные усилия сжатия-растяжения и горизонтального сдвига. В случае, если длина здания достигает величин, соизмеримых с длиной сейсмической волны, крутящий момент, возникающий в плане здания в связи с действием инерционных сил, может достичь очень больших величин».

Сказано лаконично и понятно для строителей. Сейсмологи здесь могли бы развить теорию «немгновенного» подхода волн к зданию и положению их друг на друга в связи с разноудаленностью здания от протяженности и направления очаговой зоны. В пересеченной, горной местности, как например, на Камчатке, особую роль играют интерференция (сложение-вычитание) и дифракция (огибание) волн, проявляющиеся из-за чередования рельефа из гор, равнин и впадин.

Вместе с тем,  до недавнего времени строительные нормы игнорировали кручение от сейсмических волн и боролись с ним исключительно уменьшением габаритов здания, за счет разбивки длинных зданий деформационными швами на блоки длиной не более 60 м.

Первые требования по учету кручения зданий появились в строительных нормах в 1981 г. [2]. Там предлагалось кручение учитывать косвенным путем, т. е. при помощи смещения инерционных масс в здании на условный эксцентрисктет,  равный 0.02 L, где L-длина здания. При этом считалось, что такой расчет необходимо делать для зданий длиной 30 м и более. Это увеличивало нагрузку на более удаленные от центра рамы и стены, в том числе торцовые, порядка на 10-15%, но и это был шаг вперед.

После Спитакского землетрясения 1988 года, когда разрушилось очень много 9- этажных каркасно-панельных зданий, характер разрушения которых показал очень большие деформации стен и перекрытий от кручения (несмотря на то, что все здания были более-менее симметричными, так как были типовыми), в строительные нормы с 1995 года было внесено изменение от увеличений в 5 раз условного эксцентриситета масс, который стал теперь равным 0.1 L.

Однако и этот эксцентриситет полагалось учитывать только для зданий длиной, равной и более 30 м. Чтобы проанализировать, что дает учет такого эксцентриситета, автор статьи сделал пространственный расчет существующего пятиэтажного здания терапевтического корпуса областной больницы в г. Петропавловске-Камчатском [4]. Здание запроектировано институтом «Камчатгражданпроект» в 1980 г. по региональной каркасно-панельной серии КПСМ. Длина здания 72 м, ширина 15 м, высота этажей 2.8 м. Шаг колонн в поперечном направлении 6+3+6 м, в продольном 6 м. Таким образом здание состоит из 13 поперечных рам, отстоящих друг от друга на расстоянии 6 м. Каркас имеет жесткие ригели в обоих направлениях и навесные шлакобетонные стеновые панели. Какие-либо диафрагмы жесткости и связи существуют. Колонны жестко заделаны в фундаменты, перекрытия выполнены из сборных железобетонных плит, замоноличенных в каждой ячейке рам 6х6 м, так что диски перекрытия можно считать жесткими в горизонтальной плоскости.

Расчет здания произведен на 9 баллов. Результаты расчета приведены в таблице 1.

 Таблица 1.

 Как видно, на крайнюю торцевую раму приходится сейсмическая нагрузка, почти в 2 раза превышающая нагрузку на среднюю раму. На предпоследнюю раму нагрузка больше соответственно в 1.8 раза.

Для примера приведена сейсмическая нагрузка на отдельно стоящую плоскую раму, которая значительно ниже нагрузок, полученных в пространственном расчете с кручением. Далее, если вспомнить из физики, что при вращении возникают центробежные силы, пропорциональные квадрату скорости вращения и растяжению до центра вращения, то становится также ясным, почему отрываются торцевые стены и разрушаются наиболее удаленные от центра вращения и менее пригруженные верхние углы торцевых стен.

Поэтому в проекте разрабатываемых в настоящее время международных строительных нормах для стран СНГ [5] предложена новая, динамическая модель сейсмического воздействия, задаваемая осредненно грунтовому массиву, на котором расположено здание, двумя параметрами: вектором ускорения поступательного движения и вектором углового ускорения вращения (ротации). При этом интенсивность угловых ускорений ротации задается различной в зависимости от грунтовых условий: соответственно 2х10^-2; 6х10^-2 и 9х10^-2 для грунтов I, II и III категории по сейсмическим свойствам. Кроме того, учет кручения начинается не с 30-метровых и более длинных зданий, как предписывают действующие нормы России, а учитывается у зданий любой длины.

Нам представляется, что такая методика расчета и проектирования будет лучше отвечать реальной модели сейсмического воздействия. Однако, она находит значительное противодействие у проектировщиков, поскольку усложняет расчеты и, самое главное, не разработана в типовых стандартных программах для ЭВМ типа “Lira” b “SCAD”, которыми наиболее широко пользуются в инженерной практике.

В настоящее время существует единственная лицензированная программа в России, разработанная фирмой “Еврософт” совместно с ЦНИИСКом имени Кучеренко В. А., называемая “Stark” и “MicroFe”, которую необходимо покупать и довольно долго осваивать. Но мы надеемся, что рано или поздно это необходимо будет сделать, чтобы правильно учитывать в зданиях кручение.

 ЛИТЕРАТУРА

1.      Поляков С. В. Сеймостойкие конструкции зданий. М.: Высшая школа. 1969. С.148.

2.      СНиП II-7-81. Строительство в сейсмических районах. М. 1982.

3.      СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах, Изменение № 3. Минстрой России от 26 июля 1995.

4.      Отчет НИР. В рамках программы «Сейсмозащита» /57/ по государственному контракту №ПТ4-МНТ/ГК-01-П от 10.01.2000. 2 этап. Обследование эталонных объектов гражданских зданий (по программе ДальНИИС). Книга 1. ДальНИИС. Камчатский филиал по сейсмостойкому строительству. Петоропавловск-Камчатский. 2000. С.96-100.

5.      Международные строительные нормы СНГ. Строительство в сейсмических районах (проект) 2002 г. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2002. № 3. С.42-44.