Оценка повреждаемости зданий и сооружений по результатам

Бержинский Ю.А., Павленов В.А., Ордынская А.П. и др. Оценка повреждаемости зданий и
сооружений по результатам сейсмовзрывных и вибрационных испытаний опытных объектов
/ Бержинский Ю.А., Павленов В.А., Ордынская А.П., Попова Л.П. // Геофизические исследования
в Восточной Сибири на рубеже XXI века: Сб. науч. тр.- Новосибирск: Наука. Сиб. издат.
фирма РАН, 1996. - С. 194-199.
Оценка повреждаемости зданий и сооружений по результатам сейсмовзрывных и
вибрационных испытаний опытных объектов
Бержинский Ю.А., Павленов В.А., Ордынская А.П., Попова Л.П.
Институт земной коры СО РАН
Введение. В Иркутской области в период с
1980 по 1994 гг. Институтом земной коры СО РАН
при участии ряда научно-исследовательских,
проектных и строительных организаций проведены
сейсмовзрывные и вибрационные испытания жилых
домов и общественных зданий из железобетона, а
также
инженерных
сооружений.
Объектами
испытаний служили реальные здания и их
полномасштабные натурные фрагменты высотой от
двух до десяти этажей с расчетной сейсмичностью
7-9 баллов. Основная цель испытаний заключалась в
оценке фактического уровня сейсмостойкости
зданий
массовой
застройки
и
разработке
рекомендаций
по
совершенствованию
конструктивных
решений
типовых
серий.
Результаты проведенных испытаний позволяют
также прогнозировать уровень повреждаемости
современных сейсмостойких зданий различных
типов.
Инженерный
анализ
последствий
землетрясений свидетельствует о несовпадении в
ряде
случаев
проектной
(расчетной)
сейсмостойкости зданий и фактического ее уровня в
реальной застройке. Причины этого несоответствия,
начиная с низкого качества строительства,
заниженной сейсмичности района и кончая
недостаточным
нормативным
обеспечением,
проанализированы в заключении государственной
комиссии по Спитакскому землетрясению и
прокомментированы
рядом
исследователей.
Помимо
сейсмологических,
инженерно-геологических
и
природно-климатических
особенностей
сейсмических
районов
Восточной
Сибири,
существует ряд обстоятельств, которые делают
необходимыми натурные испытания зданий и
сооружений при высоком уровне динамического
нагружения для оценки действительной надежности
объектов при сйсмических воздействиях.
„Известно, что согласно действующим СНиЦ
11-7-81 разделом "Строительство в сейсмических
районах" (9), здания рассчитываются на условные, а
не
реальные
сейсмические
нагрузки
с
использованием
линейно-упругих
расчетных
моделей (6). Если условия прочности для основных
несущих элементов под действием статически
приложенных
расчетных
сейсмических
сил
выполнены, то, согласно концепции СНиП, здание за
счет резерва несущей способности, формируемого
коэффициентом K1,
194
будет
способно
противостоять
реальному
сейсмическому
воздействию
расчетной
интенсивности. Величина, обратная коэффициенту
K1, служит мерой резерва несущей способости,
которая для зданий массовой застройки принимается
равной 1/К1 = 4, что вряд ли справедливо для всех
типов зданий независимо от их конструктивной
схемы:
панельных,
каркасных,
кирпичных,
монолитных и т.д. Кроме того, величина K1
неодинакова и для отдельных конструктивных
элементов здания, так как они "обладают" различной
степенью ответственности за переход сооружения в
предельное состояние, что делает необходимым
отказ от принципа равнопрочности, заложенного в
наши нормативные документы (1). Тем не менее для
зданий массовой застройки существует известное
соответствие между заниженными условными
сейсмическими нагрузками и неиспользуемыми при
применении
линейно-упругих
динамических
моделей резервами несущей способности зданий.
Однако указанное соответствие существует не для
всех типов зданий в одинаковой мере.
Действующая в капитальном строительстве
система пооперационного контроля позволяет
оценить в основном качество исполнения отдельных
конструктивных элементов и их соединений; что же
касается количественной оценки надежности (при
сейсмических
воздействиях)
возведенного
сооружения в целом, то достоверность ее
практически остается на проектном уровне.
Получившая широкое распространение в различных
областях
техники
система
пооперационного
контроля
качества
предполагает
проведение
всесторонних испытаний так называемых головных
образцов изделий перед запуском их в серийное
производство (ходовые испытания судов, наземного
транспорта, самолетов и т.д.). В сейсмостойком
строительстве также необходимо проведение
натурных динамических испытаний объектов
-представителей типовых серий до начала их
массового возведения. К сожалению, на практике это
правило далеко не всегда соблюдается. Так,
вибрационные испытания десятиэтажного натурного
фрагмента серии 135 были проведены в Иркутске
спустя десять лет после освоения выпуска домов
этой серии, когда в городе уже
было возведено 900 тыс. м2 жилых домов в
девятиэтажном исполнении, что составляет 10%
городского
жилищного
фонда.
Разумеется,
сейсмостойкость дома-представителя может быть
оценена и расчетно-теоретическим путем, однако
для этого необходимо располагать расчетной
динамической
моделью
здания,
адекватно
отражающей работу системы на всех этапах
нагружения вплоть до перехода ее в предельное
состояние. Эта информация может быть получена
лишь в результате испытаний натурных объектов
(или их фрагментов) при высоком уровне
динамического нагружения.
Сейсмовзрывные испытания зданий и
сооружений. Одним из наиболее эффективных
экспериментальных
методов
исследования
сейсмостойкости зданий и сооружений является
метод
сейсмовзрывных
воздействий.
Сейсмометрические измерения колебаний зданий и
сооружений при взрывных воздействиях позволяют
изучать поведение зданий и сооружений в условиях,
приближающихся к реальным. В практике
сейсмовзрывных испытаний зданий и сооружений в
условиях Восточной Сибири применялись три
различные модификации проведения взрывных
работ:
- взрывы в водной среде в искусственно созданных
или
естественных
водоемах,
не
имеющих
народнохозяйственного значения;
- взрывы группированных зарядов в скважинах
диаметром
100-150
мм,
многорядные,
линейно-рассредоточенные,
с
замедленным
взрыванием между рядами;
- взрывы направленного сейсмического действия на
испытываемый объект при использовании плоских
линейно-протяженных зарядов с односторонним
боковым воздушным промежутком.
При имитации сейсмических колебаний
заданной
интенсивности,
соответствующих
реальным
землетрясениям,
необходимо
моделировать такие параметры воздействия, как
максимальная амплитуда колебаний, их частотный
состав,
длительность
и
форма
огибающей
сейсмического процесса. Взрывы во влажных и
жидких
средах
позволяют
имитировать
сейсмическое воздействие заданной интенсивности с
наименьшими затратами и отличаются от взрывов в
грунтовых
средах
простотой
выполнения,
значительным
сокращением времени проведения
эксперимента и возможностью многократного его
повторения. Вместе с тем оценки преимущества
взрывов в воде для создания сейсмического эффекта
заданной
интенсивности
у
разных
исследователей оказываются различными.
Исследования по применению взрывов в
воде для целей сейсмического микрорайонирования
и для оценки сейсмостойкости зданий и сооружений,
проведенные Институтом земной коры СО РАН в
разные годы (4, 5), позволили сделать вывод, что
сейсмический эффект взрывов в воде в 50 раз
превосходит сейсмический эффект взрывов в горных
породах.
В 1972-1973 гг. вблизи г.Гусиноозерска
(республика Бурятия) в отработанном угольном
карьере были проведены взрывы в воде на глубине
10 м массой 100-400 кг ВВ для целей сейсмического
микрорайонирования.
Одновременно
изучался
сейсмический эффект взрывов на эпицентральных
расстояниях 25, 50, 75 и 100 м. Интенсивность их
достигала 7-9 баллов по шкале MSK-64 в
зависимости от массы зарядов.
В
1984-1985
гг.
на
Ангарском
электролизно-химическом
комбинате
были
проведены сейсмовзрывные испытания специальных
железобетонных конструкций, предназначенных для
размещения
технологического
оборудования.
Взрывы
проводились
в
искусственном
водохранилище глубиной 3 м и в отводном канале
глубиной 4 м. Целью испытаний являлось
определение
динамического
коэффициента
конструкций.
Метод имитации сейсмического воздействия
с помощью линейно-рассредоточенных взрывов в
скважинах с замедленным взрыванием между
рядами был разработан и широко примененялся на
полигоне "Ляур" под г.Душанбе (3). В Иркутской
области с помощью этого метода были поведены
испытания зданий и сооружений на сейсмостойкость
в 1986, 1987 и в 1989гг.
В с. Холмушино испытывался фрагмент
крупнопанельного общественного здания серии 135
для строительства в сейсмических районах
Иркутской области. В связи со спецификой
климатических условий Сибири, глубоким сезонным
промерзанием
грунтов
взрывные
испытания
проводились зимой 1986 г. и летом 1987 г. При
зимних и летних испытаниях фрагмента при
одинаковой массе зарядов несколько различался
частотный состав колебаний, возбуждаемых в
источнике взрывов. За счет сезонного промерзания
грунтов в зимний период и увеличения их
акустической
жесткости
частотный
состав
сейсмовзрывных волн был более обогащен
высокими частотами, чем при взрывах в летнее
время. Динамические параметры испытуемого
фрагмента также несколько различались при зимних
и летних испытаниях. За счет промерзания
основания в зимний период собствен195
ная частота колебаний фрагмента была на 10% выше,
чем в зимний период.
На предварительных этапах испытаний при
подрывах одиночных зарядов опытным путем
определялись
коэффициенты
для
расчетов
максимальной массы ВВ общего заряда, заряда в
отдельных скважинах, величины замедления между
рядами скважин и отдельными взрывными полями,
которые были расположены с разных сторон
фрагмента. При проведении зимних испытаний было
выполнено девять вспомогательных взрывов и один
основной с общей массой заряда 10.5 т ВВ. При
проведении летних испытаний общая масса
основного заряда составила 25.7 т ВВ. В результате
зимних испытаний фрагмент был подвергнут
сейсмовзрывному воздействию, имитировавшему
землетрясение интенсивностью 7 баллов, а при
летних испытаниях был достигнут сейсмический
эффект в 8 баллов по шкале MSK-64.
В 1989 г. Институт земной коры СО РАН
провел испытания двух опор железобетонных мостов
для трассы БАМ обычной и усовершенствованной
конструкции, построенных в натуральную величину,
на
9-балльное
воздействие.
Опора
новой
конструкции рамного типа состояла из четырех
железобетонных столбов длиной 15 м, диаметром 0.8
м. Сейсмическое воздействие имитировалось с
помощью короткозамедленного подрыва траншей
взрывного поля, при этом параметры воздействия
рассчитывались по специальной методике. Общая
масса заряда составила 32 т. В результате взрыва
ускорение колебаний в основании опор достигло
величины 0.4 g, а скорости колебаний 26 см/с, что
соответствует по шкале MSK-64 интенсивности
реального землетрясения в 9 баллов.
В
результате
перенесенного
экспериментальными
опорами
мостов
сейсмовзрывного воздействия собственный период
гибкой рамной опоры увеличился на 5% по
составляющей колебаний вдоль короткой оси
фрагмента; по составляющей вдоль длинной оси
фрагмента остался прежним. Собственный период
экспериментальной монолитной опоры увеличился
на 27% по составляющей колебаний вдоль короткой
оси фрагмента и на 77% - по составляющей вдоль
длинной оси фрагмента.
Способ
испытания
зданий
на
сейсмостойкость с помощью подрыва плоских
линейно-протяженных зарядов с односторонним
боковым воздушным промежутком при многорядном
заложении зарядов и с замедлением взрыва по рядам,
разработанный в ДальНИИС'е, был применен в 1992
г. в г. Ангарске Иркутской области при проведении
сейсмовзрывных испытаний
196
фрагмента пятиэтажного жилого дома серии
И-163.04. Зарядные траншеи располагались с двух
сторон фрагмента на расстояниях 10, 16 и 22 м.
Общая масса заряда составила 700 кг ВВ. Первыми
подрывались плоские заряды в дальней от фрагмента
траншее, затем, с замедлением через 1 с во второй
траншее и затем с замедлением 2 с в первой траншее.
С
помощью
этого
взрыва
имитировалось
сейсмическое воздействие, соответствующее по
интенсивности 7-балльному землетрясению по шкале
MSK-64.
Натурные
вибрационные
испытания
зданий и их фрагментов. Испытания проводились с
помощью двух комплектов вибромашины типа В-3
конструкции
ЦНИИЭП-жилища
по
шесть
вибраторов в каждом комплекте и двигателей
постоянного тока мощностью по 110 квт. При
возведении опытных объектов, предназначенных для
испытаний, особое внимание для сохранения
представительности объекта уделялось обеспечению
серийного качества монтажа, с одной стороны, и
недопустимости грубых отступлений от типового
проекта и требований технических норм на
производство работ - с другой. Перечень объектов,
на которых были проведены вибрационные
испытания, приведен в табл. 1. Как правило,
вибромашина устанавливалась на покрытии здания
или фрагмента для обеспечения максимального
эффекта при возбуждении колебаний в резонансном
режиме. Прогноз состояний опытных объектов при
сейсмических
воздействиях
по
результатам
вибрационных
испытаний
выполнялся
в
соответствии
с
методикой,
предложенной
специалистами
ЦНИИСК
им.Кучеренко
и
КазНИИССА (6).
Согласно
этой
методике,
расчетная
динамическая модель здания представлена в виде
одномассовой
нелинейной
системы,
упруго-пластические свойства которой отражают
историю вибрационного нагружения объекта. В
качестве внешнего воздействия использовалась
представительная выборка инструментальных и
синтезированных акселерограмм, спектральные
характеристики которых наиболее опасны для
исследуемых объектов.
Результаты
вибрационных
испытаний
свидетельствуют
о
том,
что
фактическая
сейсмостойкость зданий, запроектированных и
возведенных
в
соответствии
с
нормами
сейсмостойкого
строительства,
в
основном
соответствует
расчетной.
Резервы
несущей
способности для зданий массовой застройки
(коэффициент,
регулирующий
допускаемые
повреждения, K1 = 0.25) формируются нормами
таким образом, чтобы повреждения зданий не
превышали 2-й степени ("умеренные повреждения")
по шкале
Таблица 1
N Наименование объекта
п/п
Этажн Тип
Резонансная частота,
ость
здани Гц
я
начальная
конечная
Максимал
ьные
амплитуды
,
MM
Отнош.
эксперимен
тальной
нагрузки к
расч. сейсм.
1.
Фрагмент панельного дома серии
135 в Иркутске
10
Б.8
2.50 2.38
1.81 1.39
20 25
1.1 0.8
2.
Панельный жилой дом серии
И-163.02 в Ангарске
10
Б.7
1.82
1.54
2.17
1.32
27
16
1.8
2.0
3.
Жилой дом из монолитного
железобетона в Иркутске
10
Б.8
2.78 2.35
2.86 2.44
10 8
0.9 0.8
4.
Фрагмент жилого дома серии
И-163.04 в Ангарске
5
Б.7
3.09
1.50
31
4.7 2.5
5.
Фрагмент панельного дома И-163
для Байкальска
3
Б.9
4.08
1.96
30
2.1
6.
Фрагмент панельного
общественного здания серии 135
2
Б.7
4.33 8.13
3.83 7.56
21 8
3.3 6.6
7.
Фрагмент общественного здания с 3
панельными стенами и внутренним
каркасом
Б.8
3.57
2.34
9
1.2
8.
Фрагмент каркасного здания с
кирпичными перегородками
Б.8
2.04
1.43
20
1.3
9.
Жилой дом с несущими панелями, 10
усиленными по контуру элементами
каркаса.
Б.8
2.30 2.11
2
Примечания: 1. Буквенный индекс типа здания соответствует классификации шкалы MSK-64;
цифровой индекс указывает расчетную сейсмичность в баллах. 2. Данные в числителе относятся к
поперечному направлению, в знаменателе - к продольному направлению здания.
MSK-64, что в основном и подтвердилось при
тояния несущих конструкций. Причины
натурных испытаниях. Испытания позволили
этого несоответствия кроются в действующей
выявить также определенные резервы несущей
методике расчета на условные, а не реальные
способности крупнопанельных зданий. Вместе с тем
сейсмические
нагрузки
с
применением
нельзя назвать практически ни одного испытания,
линейно-упругих моделей сооружений, что не
при котором не были бы выявлены ослабленные
позволяет на стадии проектирования раскрыть
узлы или отдельные конструктивные элементы,
механизм перехода сооружения в предельное
степень повреждения которых была бы выше
состояние.
Испытания
показали,
что
для
степени повреждения здания в целом на одну - две
предотвращения
неблагоприятного
механизма
ступени: перегородки, самонесущие и поэтажно
развития предельного состояния сооружения
опертые стеновые панели из легкого бетона и их
необходимо вводить дифференцированные значения
сварные соединения. Это может привести как к
коэффициента
K1
для
различных
групп
повышенным затратам на восстановительный ремонт
конструктивных элементов, что повысит надежность
после землетрясения, так и создавать угрозу для
здания в целом.
безопасности проживающих (например, обрушение
Среди опытных объектов значительную
перегородок).
группу составляют крупнопанельные здания типа
Общий
расход
материалов
на
Б.7-Б.8 со сварными стыками, работа которых при
сейсмоусиление зданий, как правило, оказывался не
вибрационных нагрузках заметно отличалась от
только достаточным, но даже избыточным, однако
поведения панельных зданий с замоноличенными
распределение этого материала по сооружению не
стыками и зданий с несущими стенами из
вполне адекватно картине напряженного сос
монолитного железобетона. Основная причина этих
различий заключалась в недос197
Таблица 2
N Оценка степени повреждения при сейсмическом воздействии интенсивностью ( шкала MSK-64 )
п/п
7 баллов
8 баллов
9 баллов
Здание в
целом
Отдельные элементы Здание в Отдельные
целом
элементы
Здание в
целом
Отдельные элементы
1.
1
НС-панели по-этажно 2
опертые 1-2
НС-панели
по-этажно опертые
2-3
3
НС-панели по-этажно
опертые 3-4
2.
J-2
НС-панели
самонесущие 2-3
2
НС-панели
самонесущие 3-4
3.
1
Кирпичные
перегородки 2-3
2
Кирпичные
перегородки 3-4
2-3
Кирпичные
перегородки 4-5
4.
1
Панельные
перегородки 2-3
2
Панельные
перегородки 3-4
-
5.
2-3
6.
7.
1-2
1
НС-панели со
сварными стыками 2; НС с замонолич.
стыками -1
2
2
НС-панели со
сварными стыками 3; НС с замонолич.
стыками - 2
8.
Каркас 1
9.
1
Кирпичные
перегородки-3-4
-
Каркас 2 Кирпичные
перегородки - 4
2
-
НС-панели
самонесущие -3
панельные
перегородки 4-5
-
3
-
*Примечание: 1. Номер объекта соответствует перечню объектов таблицы 1. 2. НС-панели - наружные стеновые
таточной жесткости и несущей способности сварных
соединений из-за расстройства анкеровки закладных
деталей при динамических нагрузках, особенно в
стеновых панелях из неавтоклавного газозолобетона.
Повреждаемость
зданий
при
сейсмовзрывных и вибрационных испытаниях была
существенно различной, что объясняется различиями
воздействий по длительности, частотному составу и
интенсивности. Для прямого сопоставления этих
двух типов воздействий, применяемых при
экспериментальных исследованиях сейсмостойкости
зданий,
были
проведены
вибрационные
и
сейсмовзрывные испытания двух идентичных
натурных
фрагментов
крупнопанельного
общественного здания серии 135. Хотя инерционные
нагрузки, действовавшие на фрагмент при
сейсмовзрывных
испытаниях,
превышали
достигнутые при вибрационных в 7.5 раза, первый
фрагмент не получил практически никаких
повреждений (0-1 степень), тогда как повреждения
второго фрагмента после завершения вибрационных
испытаний соответствовали третьей степени по
шкале MSK-64.
198
Заключение. На основании результатов
вибрационных и сейсмовзрывных испытаний
натурных объектов составлена табл. 2 оценок
повреждаемости отдельных типов зданий при
прогнозируемых
сейсмических
воздействиях
различной интенсивности, которая будет уточняться
и
пополняться
по
мере
накопления
экспериментальных
данных.
В
дальнейшем
планируется
провести
натурные
испытания
пятиэтажного жилого дома с кирпичными несущими
стенами, двух- или трехэтажного общественного
здания со сборным железобетонным каркасом и
кирпичными
перегородками,
а
также
крупнопанельного
жилого
дома
с
учетом
физического износа его конструкций и стыковых
соединений.
Список литературы
1. Айзенберг Я.М. Управление механизмом
неупругих деформаций и повреждений конструкций
при сейсмических воздействиях // Строительная
механика и расчет сооружений. -1986. - № 1. 2.
Гольденблат И.И., Поляков С.В., Айзенберг Я.М.
Теория сейсмостойкости - наука
и инженерное дело // Строительная механика и
расчет сооружений. -1973. -№ 2. 3. Негматулаев
С.Х., Рулев Б.Г., ХаринД.А. Результаты испытаний
конструкций сейсмовзрывными волнами. Вопросы
инженерной сейсмологии, вып. 13. Наука. М. 1970г.
С. 169-187. 4. Павленов В.А., Алказ В.Г. Метод
использования взрывов // Оценка влияния грунтовых
условий на сейсмическую опасность. (Методическое
руководство
по
сейсмическому
микрорайонированию.) -М.:
Наука, 1988. -с. 86-94. 5. Павлов О.В., Павленов
В.А., Кондобаев Г.С., Новиков Ю.П. Способ
испытания сооружений на сейсмостойкость с
помощью взрывов в воде. Авторское свидетельство
№ 1561709. -1990 г. 6. Поляков СВ.,
Айзенберг Я.М., Ойзерман В.И. О проекте новой
главы СНиП II-7 Строительство в сейсмических
районах // Строительная механика и расчет
сооружений, -1979. -№ 4. 7. Поляков С.В.,
Килимник Л.Ш., Жунусов Т.Ж., Ицков И.Е.,
Никипорец Г.Л. Методика анализа результатов
вибрационных
испытаний
зданий
и
крупномасштабных моделей // Строительная
механика и расчет сооружений. -1986. -№ 2. 8.
Современное состояние теории сейсмостойкости
и сейсмостойкие сооружения. -М.: Стройиздат.
-1973. -с. 107. 9. Строительство в сейсмических
районах II СНиП 11-7-81. -М.: Стройиздат. -1982.