Современные методы сейсмозащиты зданий [1–3] позволяют совершенствовать их конструктивные схемы
д.т.н. А.М. Курзанов, профессор (Российский Университет дружбы народов)
к.т.н. А.В. Грановский,
З.И. Доттуев, инженер
Т.М. Хасанов, инженер (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко)
Современные методы сейсмозащиты зданий [1–3] позволяют совершенствовать их конструктивные схемы, повышать
этажность и, одновременно, применяя сейсмостойкие конструкции фасадных систем, придавать зданию внешнюю индивидуальность, за счет отказа от типовой архитектуры фасадов высоток (да и не только высоток).
Большой объем экспериментальных и теоретических исследований, а также наличие нормативной базы в области сейсмозащиты зданий создают условия, при которых правильное проектирование и качественное строительство позволяют регулировать сейсмическую реакцию сооружений и гарантировать требуемую степень их защиты при землетрясениях.
И если обеспечение сейсмостойкости несущих конструкций здания в целом регламентируется действующими на сегодняшний день нормативами, вопросы эксплуатационной надежности фасадных систем зданий, возводимых в сейсмических районах России, остаются открытыми из-за недостаточного объема исследований как в части несущих подконструкций фасадных систем, так и анкерного крепежа, используемого для крепления фасадной системы к несущим элементам здания. Реклама: расчет вентилируемого фасада .
В соответствии с Федеральным законом «О техническом регулировании» любая новая строительная продукция (в том числе и фасадные системы), разрабатываемая и передаваемая в массовое производство, подлежит обязательной оценке и подтверждению на соответствие требованиям безопасности. Важным этапом оценки сейсмической безопасности фасадной системы являются ее испытания на специальных вибростендах, виброплатформах или при помощи специальных вибромашин с целью оценки ее сейсмостойкости и идентификации расчетной модели комплекса «фасадная система — здание». Результаты испытаний позволяют определить механические характеристики конструктивных элементов фасадной системы и системы в целом. Необходимость проведения испытаний обусловлена тем, что сейсмическая реакция фасадной системы здания при землетрясении существенно зависит от ее собственных динамических характеристик (периодов и форм собственных колебаний, параметра затухания и др.), расчетные методы оценки которых требуют экспериментальной проверки.
В практике лабораторных испытаний фасадных систем роль стены здания, к которой крепится фасадная система, играет, как правило, плоская или пространственная стальная рама.
Возбуждение колебаний рамы может осуществляться разными способами:
• при помощи вибромашины, установленной наверху рамы;
• при помощи виброплатформы, на которую устанавливается рама;
• при помощи взрывных или ударных воздействий на раму со стороны ее основания.
В Центре исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко используется каждый из названных выше способов возбуждения колебаний экспериментальных моделей.
При использовании первого способа возбуждение колебаний испытательного стенда осуществляется при помощи вибромашины инерционного действия типа ВИД-12 (ВИД-50), работающей в диапазоне частот от 0,4 до 25 Гц при величине инерционной силы, развиваемой машиной (ВИД-12) от 0,8 тс до 20 тс. На рис. 1 показан общий вид вибромашины ВИД-12. Методика испытаний первым способом применена в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко при испытании фасадных систем «ДИАТ» и «MAVent» [4]. На рис. 2 а, б приведены схема испытательного стенда с вибромашиной ВИД-12 (рис. 2а) и непосредственно экспериментальная модель с установленной на ней вибромашиной ВИД-12.
Недостаток первого способа испытаний — существенно неравномерная по высоте рамы инерционная нагрузка на конструктивные элементы фасадной системы. Инерционная нагрузка практически равна нулю в основании рамы, неподвижно опертой на ее фундамент. При этом значительные инерционные нагрузки на элементы фасадной системы, прикрепленные к верхней части рамы, создают значительную неравномерность распределения внутренних сил и деформаций в конструкции фасадной системы размером «на стену».
При использовании второго способа возбуждение колебаний пространственной рамы осуществляется при помощи виброплатформы. В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко для этой цели используется виброплатформа инерционного действия ВП-100. Виброплатформа ВП‑100 позволяет создать инерционные нагрузки на элементы фасадной системы в диапазоне частот от 0 до 20 Гц при амплитуде колебаний платформы в горизонтальной плоскости от 0 до 30 мм. На рис.3 показан общий вид виброплатформы с установленной на ней пространственной рамой, с закрепленной на ней фасадной системой марки «Ронсон 200». Управление виброплатформой осуществляется при помощи пульта, работающего в ручном и автоматическом режимах (рис. 4).
Недостатком виброплатформы ВП‑100 является малая величина амплитуды перемещений платформы. Но за счет расчетного сочетания амплитудно-частотных параметров колебания виброплатформы в процессе испытаний достигается необходимый уровень ускорений и соответствующий им уровень балльности воздействия. Ручное управление позволяет возбудить резонансные колебания конструкции фасадной системы.
Неспособность виброплатформы к горизонтальным колебаниям с амплитудой перемещения более 30 мм для испытания сейсмостойкости поэтажных конструкций фасадных систем практического значения не имеет. При оценке сейсмостойкости фасадных систем за рубежом используются многокомпонентные виброплатформы, способные возбудить линейные и угловые колебания объекта испытания в трехмерном пространстве (рис. 5).
Третий способ — возбуждение горизонтальных колебаний рамы с прикрепленной к ней фасадной системой ударным или взрывным воздействием на горизонтальное упруго-подвижное основание под рамой с последующими затухающими колебаниями основания и рамы.
В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко разработан и подготовлен испытательный стенд* (рис. 6), реализующий два способа динамического нагружения фасадной системы:
• колебания платформы-маятника, на которой установлена рама с фасадной системой, возбуждаются вибромашиной ВИД-12, установленной на консоли платформы в уровне основания рамы;
• горизонтальный удар по платформе-маятнику в уровне основания рамы.
Следует отметить, что возбуждение колебаний при помощи взрывных или ударных воздействий с последующими затухающими колебаниями рамы позволяет получить большие начальные значения амплитуд перемещения и ускорения платформы, идентифицировать параметры первой собственной формы линейных и нелинейных колебаний фасадной системы, которые могут иметь место при расчетных сейсмических воздействиях.
Ниже приведены основные результаты испытаний фасадной системы «Ронсон-200» на виброплатформе ВП‑100.
Навесная фасадная система «Ронсон-200», разработанная специалистами компании «Ронсон-системы», представляет собой конструкцию, выполненную из оцинкованной стали с полимерным покрытием и состоящую из вертикальных и горизонтальных направляющих, закрепленных на кронштейнах. При испытании кронштейны устанавливались с шагом по высоте испытательного стенда 330 см (рис. 7).
Система «Ронсон-200» предназначена и рассчитана на крепления кронштейнов только в торцы плит перекрытий, то есть без промежуточных кронштейнов. Это особенно важно для зданий, возводимых в сейсмоопасных регионах, где высока вероятность появления первых трещин и разрушений в кладке стенового заполнения несущего каркаса здания.
При проведении испытаний фасадной системы на виброплатформе регистрация и измерение сигналов от датчиков осуществлялись измерительно-вычислительным комплексом MIC-036. Комплекс укомплектован ноутбуком со специализированным пакетом прикладных программ и периферийным устройством для автоматизированного процесса обработки сигналов и документирования результатов обработки.
Для измерения ускорений, частот колебаний, а также динамических перемещений использовались однокомпонентные датчики — акселерометры АТ 1105-10 (рис. 8), расположенные в местах, где по результатам расчета ожидалось развитие максимальных ускорений.
Для контроля амплитудно-частотных параметров колебания виброплатформы один из акселерометров был установлен непосредственно на виброплатформе, вблизи источника загружения. Одновременно с этим при помощи механического самописца контролировались данные показаний указанного акселерометра.
Полученные в результате предварительно проведенных расчетов динамические характеристики фасадной системы были положены в основу назначения режимов ее вибрационного нагружения (различные амплитудно-частотные режимы колебаний виброплатформы).
По данным вибрационных испытаний построены амплитудно-частотные характеристики испытанного фрагмента фасадной системы, представляющие зависимость ее амплитуды колебаний от частоты гармонического воздействия. Установлены места и характер повреждений элементов конструкций фасадной системы.
Анализ результатов натурных динамических испытаний фасадной системы «Ронсон-200» показал, что в процессе испытаний ускорение виброплатформы, по данным акселерометра, установленного на ней, колебалось от 92 до 1687 см/с2. Частоты колебания системы изменялись в интервале от 2,9 до 18 Гц. Амплитуды колебаний системы изменялись от 0,02 до 15,0 мм. При этом ускорение в разных точках фасадной системы колебалось от 0,87 до 4428 см/с2.
Анализ результатов экспериментальных исследований позволяет констатировать, что система «Ронсон-200» может использоваться при устройстве навесного вентилируемого фасада на зданиях, запроектированных в соответствии с требованием СНиП II-7-81*
* Стенд разработан и изготовлен в Центре исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, авторы: д.т.н. А.М. Курзанов, к.т.н. А.В. Грановский и ведущий научный сотрудник В.К. Бышенко
«Строительство в сейсмических районах» в регионах с сейсмичностью 7–9 баллов по шкале MSK-64.
В заключение следует отметить, что сейсмостойкость фасадной системы не должна рассматриваться в отрыве от сейсмостойкости ее основы — стены здания. На круглом столе, организованном редакцией журнала «Технологии строительства» в декабре 2008 года по тематике «Ячеистобетонные и пустотные стеновые материалы в многоэтажном строительстве», исполнительный директор НО «Ассоциация «Наружные фасадные системы» М.Г. Александрия высказал следующее «Все мы прекрасно понимаем, что системы (фасадные системы — от автора) с креплением в перекрытии обладают целым рядом преимуществ и, прежде всего, позволяют уйти от проблемы крепежа к стене, которая просто физически не может нести, что, в принципе, не многим отличается от ситуации, когда ее вообще нет. Понимают ли это заказчики, инвесторы и проектировщики?». И если для строительства в обычных условиях это заявление спорно, то для зданий, возводимых в сейсмических зонах, оно справедливо для стенового заполнения каркаса здания, и о нем следует помнить при оценке сейсмостойкости фасадной системы, закрепленной в несущие стены из каменной кладки. Кроме того, как отметил на том же круглом столе генеральный директор компании «Ронсон групп» С.В. Архангельский, «…мы живем в стране, где ни в коем случае нельзя исключать роль человеческого фактора» и где «для промежуточных креплений фасадной системы в стены из легких бетонов необходимо применять дорогостоящие химические анкеры. В результате этого любая, даже самая дешевая фасадная система уходит совершенно в другой ценовой диапазон». Трудно с этим не согласиться.
Используемая литература
1. А.М. Курзанов, С.Ю. Семёнов. Натурные динамические
испытания строящегося многоэтажного
сейсмоизолированного монолитного дома в г. Сочи. Ж. «ПГС», №3/2005.
2. М.А. Дашевский, Д. Гладков, В. Мошорин. Защита от транспортной вибрации. Ж. «Высотные здания» №5/2008, с. 92–97.
3. В.И. Смирнов. Диссипация энергии землетрясений.
Ж. «Высотные здания» №5/2008, с. 98–103.
4. Я.М. Айзенберг, Р.Т. Акбиев, В.И. Смирнов. Динамические испытания и сейсмостойкость навесных фасадных систем. Ж. «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений» №1, 2008, с. 13–15.
Технологии строительства 1(63)/2009
