Корчинский - Сейсмостойкое строительство зданий

Сейсмостойкое строительство зданий. Под. ред. И. Л. Корчинского. Учеб. пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1971. 320 с. с илл.

Авт.: И. Л. Корчинский, Л, А. Бородин, А. Б.  Гроссман и др.

Книга посвящена вопросам проектирования и расчета зданий, возводимых в сейсмических  районах. В ней содержатся краткие сведения о  природе и последствиях землетрясений, излагаются основы динамической теории сейсмостойкости, приводятся краткие сведения по расчету  свободных колебаний различных систем, а также  данные о механических свойствах строительных  материалов при динамическом действии нагрузки и рассматриваются основные конструкции  наиболее распространенных типов зданий. Книга  содержит примеры определения сейсмических нагрузок на здания,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Землетрясения — это стихийные бедствия, которым подвержены многие районы земного шара. На суше  сильные землетрясения вызывают оползни и обвалы в горах, приводя к исчезновению существующих и к образованию новых озер и болот, к изменению русел рек и другим  подобным явлениям. На море землетрясения сопровождаются появлением гигантских волн, заливающих громадные  площади прибрежных земель. Понятно, что все это нередко приводило к большим разрушениям многих плодов  человеческого труда и к гибели многих людей. Поэтому с  незапамятных времен землетрясения наводили ужас на все  живые существа. В древние века никаких средств защиты от этой стихии не было. Однако люди стали замечать, что разрушались не все строения и, следовательно, можно  создать сооружения, способные противостоять  землетрясениям. Но для этого необходимо было установить, что  вызывает разрушения, какие силы в этом повинны. Разобраться в этом было очень трудно, так как  землетрясения возникают неожиданно, длятся очень короткое время и сопровождаются такими явлениями, как  колебания почвы, страшный подземный гул, наводящими  панический страх на людей.

Первая попытка создать теоретические предпосылки для расчета и проектирования сейсмостойких зданий и сооружений была сделана в прошлом столетии японским ученым Ф. Омори, предложение которого получило  название «статической теории». Появление этой теории  несомненно представляло крупный шаг вперед, но применение на практике строительства не гарантировало здания от разрушения при сильных землетрясениях.

Вскоре выяснилось, что расчет зданий на основе этой теории во многом носил формальный характер и обычно мало влиял на размеры несущих элементов. В правилах и рекомендациях по конструированию зданий, возводимых в сейсмических районах, приводились требования,  сводящиеся к набору рецептурных указаний, не связанных с расчетом, на основе которого, казалось бы, должно  вестись проектирование.

Всё это явно указывало на неполноценность  «статической теории» и требовало изыскания более совершенных методов расчета. В сознании строителей все более  созревала мысль о необходимости такого подхода к расчету  сооружений на сейсмические воздействия, который бы  учитывал динамику явления.

С введением в нормы проектирования динамического метода расчета положение изменилось и позволило создать значительно более обоснованное представление о работе конструкций при землетрясении.

Однако сложность задачи не исчерпывается только  вопросом о том, какие силы возникают в зданиях при  землетрясениях и как их определить. Чрезвычайно важным  является также и вопрос, как эти силы могут быть  восприняты несущими конструкциями, т. е. какие нагрузки для конструкций могут быть допустимыми. Отсюда вытекает практически важная проблема о несущей способности  различных материалов и конструкций при их загружении  сейсмической нагрузкой. Эта проблема имеет свою специфику, так как сейсмическая нагрузка действует  непродолжительное время, по своей интенсивности нерегулярна и  сопровождается очень значительными перегрузками. Само собой понятно, что такой вид нагрузки по своему действию на несущую способность материала и конструкции должен отличаться от тех эффектов, которые вызывают обычные статические нагружения, испытания на усталость или удар. До недавнего времени подобные вопросы возникали лишь в машиностроении, а работа строительных  конструкций под такие воздействия совсем не рассматривалась.

Новое представление о характере распределения  нагрузок в конструкциях при землетрясении и новые сведения о их несущей способности привели к значительным  изменениям конструкций. Введение в практику проектирования динамического метода расчета заставило пересмотреть эту сложную и многогранную проблему — проблему сейсмостойкого  строительства.

Не следует, однако, думать, что в области сейсмостойкого строительства все уже близится к окончательному решению и не должно подвергаться каким-либо серьезным  усовершенствованиям и изменениям. Напротив, пока на основе динамического подхода к решению задачи сделаны лишь первые шаги и сейчас уже намечаются существенные  усовершенствования расчета и проектирования, например, путем- учета влияния таких факторов, как протяженность сооружений, пластические деформации в конструкциях, перегрузки во время землетрясений и др.

Поэтому при составлении настоящей работы наряду с изложением существующих представлений о работе  конструкций на сейсмические воздействия, основанных на действующих нормативах и инструкциях, там где это  можно, мы пытались высказать также и мнения, направленные на дальнейшее развитие теории и практики создания  сейсмостойких сооружений. К сожалению, ограниченность объема работы не  позволила даже эти наиболее актуальные направления  представить в полной мере.

В СССР районы, подверженные землетрясениям,  захватывают большие пространства, распространяясь на все южные территории страны — от Камчатки и Сахалина на востоке, до Крыма и Молдавии на западе. В этих районах проживают до 30—35 млн. человек и ведется большое  гражданское и промышленное строительство. Поэтому  подготовка кадров инженеров, знакомых с принципами  сейсмостойкого строительства, имеет большое  народнохозяйственное значение.

Авторы пользуются случаем выразить глубокую  благодарность акад., засл. деятелю науки и техники Груз. ССР, проф. К. С. Завриеву, зав. кафедрой «Железобетонные  конструкции и мосты» Грузинского политехнического  института доц. Г. Н. Карцивадзе и зав. кафедрой  «Строительная механика и теория сейсмостойкости» Ташкентского политехнического института доц. Ю. Р. Лейдерману за  ценные советы и замечания, высказанные ими при подготовке рукописи к изданию.

ГЛАВА 1

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ

§ I. I. НЕКОТОРЫЕ ДАННЫЕ О ПОСЛЕДНИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ

Землетрясение — это стихийное бедствие, страшное из-за внезапности возникновения и опасное по результату своего последствия. Главная опасность землетрясения — разрушения зданий и сооружений, вызванные  колебаниями поверхности земли, и возможные человеческие жертвы.

Предотвратить землетрясение пока невозможно. Чтобы исключить опасные последствия землетрясений,  необходимо возводить такие здания, которые устояли бы при сильных колебаниях поверхности земли без серьезных повреждений.

Познакомимся с некоторыми катастрофическими и  разрушительными землетрясениями в "различных частях  земного шара (табл. I. 1). Сильнейшее землетрясение в Европе, которое  произошло 1 ноября 1755 г. в 9 час. под дном Атлантического океана на расстоянии, примерно 100 км от юго-западной границы Португалии, разрушило г. Лиссабон [I. 9]. Это землетрясение характеризуется большими разрушениями и повреждениями зданий далеко за пределами эпицентра.

В результате сотрясения морского дна возникли огромные морские сейсмические волны (цунами), достигшие берегов Англии, Франции и даже Центральной Америки. На  Лиссабон обрушилась 30-метровая волна, которая довершила разрушение. Из 20 000 домов почти 15 000 были  разрушены; почти четверть населения города погибла. На  расстоянии 1000 км от эпицентра Лиссабонское  землетрясение вызвало в ряде мест наводнения из-за возникших сейш. В Португалии и Испании наблюдались сейши с амп-литудой 3—4 м, при которых попеременно затапливались и обнажались берега и дно многих рек и озер.

12 июня 1897 г. в 17 час, 15 мин, произошло  сильнейшее землетрясение в Индийской провинции Ассам [I. 9]. Оно ощущалось на площади около 4 млн. км2, а на  территории примерно в 350 000 км2 были разрушены все  сооружения. Ускорения колебаний земли достигали почти 0,5g и вызвали трещины в грунте. Это землетрясение изменило течение рек, образовало новые водопады. Некоторые дома погрузились в мягкий грунт до крыш.

От внезапного горизонтального смещения вдоль  крупного геологического сброса Сан-Андреас 18 апреля 1906 г. в 5 час. 12 мин. произошло землетрясение в  Сан-Франциско. Наибольшие разрушения наблюдались в г. Сан-Франциско — как следствие самого землетрясения, так и возникших от него пожаров. При этом погибло 750 человек и разрушено большое количество зданий.

Мессинское землетрясения 28 декабря 1908 г возникло в 5 час. 21 мин. под дном Мессинского пролива [I 9] Это одно из наиболее разрушительных землетрясений в  Италии, сопровождавшееся поднятием и опусканием земной поверхности, в результате чего появились морские волны высотой 12—14 м, хлынувшие на город. Из-за  недостаточной прочности зданий и плохой планировки  города при падении высокие здания разрушали низкие, узкие улицы оказались заваленными слоем мусора и обломков большой толщины. Железная дорога была также  разрушена. Вовремя этого землетрясения было разрушено почти 98% домов и погибло около 100 000 человек

1 сентября 1923 г. в 12 час, в заливе Сагама в 60—80 км от Токио произошло тяжелое по своим последствиям землетрясение [I. 2]. В результате были разрушены г. Токио и крупнейший портовый город Иокагама. Трагедия  сопровождалась взрывами газовых труб, короткими  замыканиями в электросети и, как следствие, пожарами. Это  землетрясение выявило влияние свойств грунта на  интенсивность сотрясения. Рыхлые грунты колебались больше плотных. Было разрушено 1 286 261 зданий, 447 128  зданий сгорело, 268 зданий смыто морской волной (рис. I. 1).

Погибло 150 000 человек. Дно бухты Сагама значительно деформировалось вдоль тектонической линии: к северу оно поднялось примерно на 200 ж, а к югу опустилось на 100 м.

28 июня 1948 г. в 17 час. 13 мин, в 330 км северо-западней г. Токио произошло землетрясение [I. 2]. Наибольшие разрушения были на участке Фукуйской равнины площадью 312 км2, сложенной из аллювия толщиной от 90 до 300 м.

Глубина очага была порядка 15 км, ускорение почвы  достигало примерно 0,6g. Этим землетрясением разрушено 35 437 сооружений; погибло 5268 человек. Сильным  повреждениям подверглись мосты, затруднившие снабжение г. Фукуи более чем на месяц.

Следует отметить, что из 47 железобетонных зданий только два практически разрушились, а в 16 зданиях после землетрясения возникли пожары. Последствия землетрясения 29 февраля 1960 г. в  Марокко [l.13]. при котором сильно пострадал г. Агадир, еще раз показали, к чему может привести строительство зданий без учета антисейсмических требований (рис. I. 2). О характере влияния грунтовых условий на  повреждения зданий и сооружений при сейсмическом воздействии можно судить по результатам последствий землетрясения 16 июня 1964 г. японского города Ниигата П. 71. Это землетрясение возникло в 70 км северней города, расположенного на песчаных грунтах различной плотности. При этом наблюдались просадки зданий, погружение фундаментов в грунт, большие наклоны и даже опрокидывание (рис.1.3).

Из 1500  железобетонных зданий пострадало 310, из них — 2/3 наклонились как одно целое без повреждений  несущих конструкций. Основной причиной такого явления оказалась  высокая водонасыщенность пористых песков, на  которых расположен город Ниигата.

В Советском Союзе одним из самых  сильных землетрясений  явилось Ашхабадское в октябре 1948 г в 1час 12 мин. [1. 9]. Хотя это землетрясение по силе и району распространения уступает многим  катастрофическим  землетрясениям, имевшим место на Земном шаре, однако по разрушительным  последствиям его можно поставить рядом с  некоторыми из них.

Близкий к г. Ашхабаду эпицентр (25 км) обусловил большие вертикальные и горизонтальные колебания  почвы, вызвавшие разрушения столицы Туркмении. Анализ последствий Ашхабадского землетрясения  показал, что в наибольшей степени пострадали здания из сырцового кирпича, затем здания из жженого кирпича (рис. I. 4) и некоторые железобетонные здания. Тем не менее хорошее качество работ и доброкачественные строительные материалы в сочетании с правильным расчетом и конструированием обеспечили некоторым кирпичным и железобетонным зданиям достаточную сейсмостойкость.

В Ташкенте 26 апреля 1966 г. в 5 час. местного  времени произошло землетрясение с очагом под центральной частью города [1. 8]. Так как очаг землетрясения  находился на глубине около 8 км, то территория наибольшего сотрясения оказалась всего 10 км2. В результате этого землетрясения повреждено много зданий.

Подавляющее число зданий представляло собой  одноэтажные жилые постройки из глинобита и сырцового  кирпича (рис. I. 5). Некоторые повреждения получили и 4—5-этажные кирпичные здания, запроектированные с учетом современных требований сейсмостойкого строительства. Наибольшие повреждения в этих зданиях наблюдались в верхней части, убывая книзу; они не всегда были  заметны с фасада зданий и в основном проявлялись внутри них. Последствия Ташкентского землетрясения показали, что здания, запроектированные с учетом нормативных  требовании строительства в сейсмических районах, оказались в лучших условиях по сравнению со зданиями, где эти требования нарушались или же вовсе не учитывались.