автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Надежность региональных типов зданий при сейсмических воздействиях

На правах рукописи

Бержинская Лидия Петровна

НАДЕЖНОСТЬ РЕГИОНАЛЬНЫХ ТИПОВ ЗДАНИЙ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ( НА ПРИМЕРЕ ПРИБАЙКАЛЬЯ)

Специальность 05.23.01 —Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ - 2006

Г С.

Работа выполнена в сийской академии наук

Институте земной коры Сибирского отделения Рос-

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Пинус Борис Израилевич

(г. Иркутск)

доктор технических наук, профессор

Айзенберг Яков Моисеевич

(г. Москва)

Ведущая организация:

кандидат технических наук, Баранников Владимир Георгиевич (г, Улан-Удэ)

ОАО «Иркутский Промстройпроект»

Защита состоится «10» 07.2006г. в 10 — час. на заседании диссертационного совета Д 212 039.01 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 «в», зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан « 02 » 06. 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент Урханова Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. По своим экономическим, социальным и экологическим последствиям землетрясения занимают ведущее место среди природных катастроф. Дальнейшая урбанизация городских поселений, усложнение их инженерной инфраструктуры, уточнение сейсмической опасности, как правило, в сторону ее повышения, физический и сейсмический износ конструкций зданий - все это с неизбежностью приводит к дефициту сейсмостойкости застройки. Ни одна самая развитая страна не в состоянии довести свой строительный фонд до уровня современных требований норм сейсмостойкого строительства. Сейсмический риск является неизбежным спутником нашей цивилизации и требует адекватного реагирования. Федеральная целевая программа «Сейсмобезопасность территории России на период 2002-2010 гг.» в числе первоочередных задач предусматривает усиление зданий, имеющих дефицит сейсмостойкости и паспортизацию существующего строительного фонда. В силу экономических причин первая задача, по существу, сводится к усилению отдельных наиболее ответственных зданий (школ, больниц, детских учреждений и др.), тогда как вторая задача - паспортизация жилищного фонда выходит на передний план. С введением карт ОСР-97 работы по паспортизации существующего жилищного фонда в Прибайкалье приобретают особую остроту. Настоящее исследование в свете направлений Федеральной целевой программы, направлено на решение этой проблемы для территории Прибайкалья. Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в разработке и экспериментально-аналитическом обосновании системного подхода к оценке надежности жилищного фонда региона с учетом социально-экономического риска при прогнозируемых картами ОСР-97 сейсмических воздействиях. Для ее достижения'.

- выполнен анализ структуры жилой застройки городов и населенных мест в сейсмических районах;

- расширена опорная сеть зданий-представителей за счет включения в нее дополнительных населенных пунктов (Шелехов, Байкальск, Слюдянка, Култук);

- проведен анализ результатов вибрационных испытаний двенадцати опытных объектов, представляющих различные типы зданий массовой застройки, для оценки фактической их сейсмостойкости;

- проведена комплексная паспортизация зданий с учетом данных экспериментальных исследований и мониторинга их технического состояния;

- обоснована необходимость и намечены пути перехода ог описательных способов оценки повреждаемости зданий к количественным методам;

- дан вероятностный прогноз повреждаемости зданий и относительной величины социально-экономического ущерба в результате реализации одного из сценариев сейсмических событий в регионе.

Научную новизну исследований составляют:

1. Комплексная методика паспортизации зданий в сейсмических районах, базирующаяся на результатах экспериментальных исследований фактической сейсмостойкости региональных типов зданий при высоком уровне динамического нагружения.

2. Анализ механизма перехода здания в предельное состояние, проведенный по результатам полномасштабного натурного эксперимента, с оценкой роли отдельных групп конструктивных элементов в этом процессе.

3. Экспериментальное подтверждение значений коэффициентов допускаемых повреждений для отдельных групп конструктивных элементов здания.

4. Использование обобщенного показателя, отражающего количественный уровень повреждения железобетонных элементов в условиях плоского напряженного состояния, на основе методов фрактальной геометрии.

Практическая значимость работы состоит в:

1. Проведении работ по паспортизации жилого фонда населенных пунктов, включая мониторинг технического состояния зданий-представителей с оценкой динамики их физического износа и долговечности.

2. Обобщении результатов натурных вибрационных испытаний региональных типов зданий массовой застройки.

3. Виедрегаи в строительство сейсмостойких крупнопанельных жилых домов (серий 135с, И-163.02, И-163.04) и каркасных зданий (серии 1.120с) с техническими решениями, усовершенствованными по результатам испытаний.

4. Получении информации прогнозного характера о последствиях реальных сейсмических событий в регионе, используемой органами ГО и ЧС при разработке превенгив-ных мероприятий на случай зем летрясения.

Защищаемые положения.

1. Необходимым условием обеспечения сейсмобезопасности является проведение комплексной паспортизации зданий, включающей оценку фактического уровня сейсмостойкости опытных объектов с помощью вибрационных испытаний, создание опорной сети зданий-представителей на территории населешгого пункта, мониторинг технического состояния зданий с учетом физического износа их конструкций

2. Действующая методика расчета зданий на условные сейсмические нагрузки в общем обеспечивает нормируемую сейсмостойкость сооружения, однако она требует уточнения в распределении усилий между отдельным и группам и конструктивных элементов в зависимости от роли последних в переходе сооружения в предельное состояние.

3. Установлено соответствие между степенями повреждений железобетонных конструкций, принятыми в классификации сейсмической шкалы, и значениями фрактальной размерности поля трещин на различных этапах нагружегага.

4. Дана количественная оценка уязвимости жилищного фонда региона, включающего Прибайкалье, Забайкалье и сопредельные территории, с применением комплексной методики паспортизации зданий и стандартных моделей сейсмического риска.

Личное участие.

1. Принимала непосредственное участие в восьми испытаниях опытных объектов и их натурных фрагментов, а также в испытаниях конструкции «штепсельного» стыка колош! в заводских условиях. Основная роль автора работы при испытаниях - исследование поведения конструкций при высоком динамическом нагружешш, исследование процесса трещинообразования в конструкциях, с последующей обработкой и анализом материалов; видео и фотофиксация повреждений и деформаций. Компьютерное моделирование отдельных этапов нагружения опытного объекта.

2. Сбор материалов и анализ существующих методик паспортизации в сейсмических районах.

3. Участие в инженерно-технических обследованиях зданий.

4. Участие в макросейсмическом обследовании последствий землетрясений 1995г., 1999г. (в районах Южного и Северного Байкала), 2001г.

5. Сбор и обработка данных о структуре застройкиг.г. Шелехова, Слюдянки, Байкальска для создания опорной сети з да ний-предстаителеЙ, составленных на основании результатов макросейемического обследования реальных сейсмических событий. Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на: международной конференции во Владивостоке (1997); научно- практических конференциях при ИрПУ в Иркутске (1997, 1998, 2000); Российских конференциях по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию в Сочи (1999, 2003, 2005); международных научных конференциях при ИЗК СО РАН в Иркутске (2000, 2001, 2002, 2004, 2005); общероссийском совещании в Улан-Удэ (2001); II Всероссийской конференции в Красноярске (2001); научной конференции, посвященной 50-летию ВСГТУ в Улан-Удэ (2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 125 страниц, включая 23 рисунка и 20 таблиц Список литературы насчитывает 122 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Б.И. Пинусу, к.ф.-м.н. Н.И. Фроловой за всестороннюю поддержку и ценные советы при выполнении настоящей работы, а также искреннюю признательность заведующему лабораторией, к.г.- м.н. Ю.А. Бержинскому и моим коллегам по Институту земной коры.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, обоснована научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Отмечена приоритетность задач по паспортизации жилищного фонда в федеральной программе «Сейсмобезопасность территории России на период 2002-2010 гг.».

Глава 1. Анализ существующих методик паспортизации зданий и сооружений в сейсмических районах Паспортизации зданий является первоочередным этапом работ по обеспечению необходимого и экономически целесообразного уровня сейсмобезопасности эксплуатируемых строительных объектов в условиях морального, физического и сейсмического износа сооружений, изменения сейсмической опасности и норм проектирования и строительства в сейсмических районах. Паспортизации зданий в сейсмических районах преследуют две основные цели: (а) сравнительная оценка фактической сейсмостойкости зданий с расчетной сейсмичностью территории (оценка дефицита сейсмостойкости); (б) выявление наиболее сейсмо-опасных объектов, требующих первоочередного усиления, изменения назначения или сноса здания (сейсмический мониторинг за состоянием строительного фонда). Важной задачей является также оценка уязвимости (vulnerebility) зданий или вероятной степени их повреждений при сейсмических воздействиях различной интенсивности, которая используется при расчетах сейсмического риска. Известно, что достоверность расчетов зависит не столько от выбранной модели сейсмического риска, сколько от полноты и надежности результатов паспортизации зданий, которая является одним из звеньев методической цепочки: сейсмическая опасность —паспортизация—уязвимость—сейсмический риск.

Вопросы паспортизации зданий, влияния физического и сейсмического износа конструкций зданий и экономической эффективности сейсмостойкого строительства рассматривались в работах отечественных и зарубежных исследователей. Среди них следует отметить C.B. Медведева, В.И. Кейлис-Борока, И.Л. Нерсесова, A.M. Яглома, C.B. Полякова, А.Г. Назарова, Н.В. Шебалина, В.Т. Рассказовского, И.Ф. Ципенюка, Т.Ж. Жунусова, Е.Г. Бучацко-го, И.Е. Ицкова, C.B. Павлыка, Я.М. Айзенберга, А.И. Мартемьянова, В.А. Харитонова, Г.Л. Коффа, A.B. Николаева, Н.И. Фролову, М.А. Клячко, Б.И. Пинуса, Ю.А. Бержинского, Н.В. Рашутину, В.Г. Баранникова, Э.В. Демина, А.Б. Панова, А. Корнелла, Д. Грандори, Э. Вити-елло, К. Пи стер а, С. Кислякова, К. Оливейра, И. Идрисс.

Существующие методики паспортизации условно можно разделить на три группы: методы экспертных оценок, расчетно-аналитические методы и методы технической диагностики [Бержинская и др.. 2003, 2005]. Их анализ показал, что наряду с достоинствами, существующие методики паспортизации обладают и рядом недостатков. При использовании метода экспертных оценок степень статистической согласованности экспертных оценок и их доверительные интервалы остаются неопределенными. Хотя этот метод, по мнению С.Н. Савина [Савин и др., 1998] является наиболее дешевым и самым распространенным при сплошной оценке фактической сейсмостойкости зданий, он дает весьма высокую погрешность. Расчетно-аналитические методы, ориентированные на СНиП, несут отпечаток противоречий, присущих нормативным расчетным процедурам (условные расчетные нагрузки, использование линейно-упругих моделей). Их достоинством является учет фактических физико-механических характеристик материала конструкций. Важным преимуществом метода является возможность учета физического износа конструкций здания, однако он отличается значительной трудоемкостью и требует больших затрат времени. Методы технической диагностики позволяют выявить и локализовать аномалию динамической структуры сооружения, однако не могут установить ее причину, вскрыть соответствующие дефекты конструктивных

элементов и узлов их соединения. Кроме того, анализ динамической структуры сооружения проводится примикродинамичсском уровне воздействия, при котором конструкции и их соединения заведомо работают в упругой стадии, что не позволяет учесть влияние конструкционной и физической нелинейности на оценку сейсмостойкостиздания.

В силу этого, методические проблемы паспортшации сводятся к двум основным вопросам: Во-первых, каков критерий при оценке сейсмостойкости обследуемого здания: (а) экспертная опенка, отражающая степень соответствия объекта конструктивным требованиям СНиП; (б) расчетно-аналигическая оценка сейсмостойкости, соответствующая условным сейсмическим нагрузкам СПиП; (в) результаты технической диагностики здания. Во-вторых, каков уровень воздействия, при котором исследуется динамическая структура сооружения: микродинамический уровень при упругой стадии работы конструкций или уровень нагруже-ния, соответствующий работе кошпрукций здагаш за пределом упругости.

Отметил, что единой общепринятой методики паспортизации, тем более узаконенной на уровне стандарта, не существует. В силу этого, совершенствование методов обследования зданий для оценки их фактической сейсмостойкости, в т.ч. с учетом фшического износа конструкций, является актуальной задачей.

Важным методическим инструментом при проведении паспортизации является классификация зданий по уровню их сейсмостойкости (табл.1). Согласно сейсмической шкале М5К-64 здания подразделяются на три типа: А, Б и В без антисейсмических мероприятий. Это противоречит сложившейся структуре городской застройки в регионе, в которой доля сейсмостойких зданий составляет более половины. Шкала ММ5К-92, сохраняя типы зданий МЖ.-64 (А, Б и В), вводи в классификацию сейсмостойкие здания типов С7, С8 и С9. Региональная шкала сейсмической интенсивности РШСИ р1ермап и др., 2003] включает 5 классов зданий по уровню их сейсмостойкости в порядке примерно линейного их убывания С9, С8, С7, С6 и С5, причем, три последние класса соответствуют типам В, Б и А шкалы М8К-64 [Бержинский, 1999]. Т.о. в шкале РШСИ исключено деление зданий на две категории: здания без антисейсмических мероприятий и сейсмостойкие здания. ____Таблица 1

Классификация зданий по уровню сейсмостойкости

МЖ-64 А Б В

ММ5К-92 А1 А2 Б С7 С8 С9

РШСИ С5 С6 С7 С8 С9

ЕМ 5-98 А В С О Е Р

Глава 2. Системный подход к проблеме паспортшации зданий в сейсмических районах

С учетом анализа существующих методик разработана комплексная методика паспортизации жилищного фонда в сейсмических районах на основе системного подхода к проблеме. Методика нашла применение при проведении паспортшации зданий на территории Прибайкалья. Основные ее положения сводятся к следующему (Бержинская и др.. 2003, 2005):

1. Экспериментальные исследования сейсмостойкости региональных типов зданий при высоком уровне динамического нагружения, сопоставимом по величине с инерционными нагрузками при реальных сейсмических воздействиях (20-25 объектов на регион). Указанный уровень динамического нагружения достигается путем проведения натурных вибрационных и сейсмовзрывных испытаний, испытаний знакопеременной статической нагрузкой с помощью гидравлических домкратов идр.

2. Создание опорной сети зданий-представителей (эталонных зданий), включающей наиболее распространенные конструктивные типы зданий, размещение которых па территории населенного пункта согласуется с характерными икженерно-геологипсскши компиексами и картами сейсмического микрорайонировагам (для Иркутской области 500-600 объектов).

Паспортизация жилищного фонда по площадям, нижняя граница детальности которой, соответствует не отдельному объекту, а микрорайошюму уровню, с усреднением оцгнкиуязвшости застройки.

Опенка надежности зданий с учетам физического шноса его конструкций.

Оценка фактической сейсмостойкости региональных типов зданий при высоком уровне динамического погружения. В Иркутской области с 1980 по 2004 годы ИЗК СО РЛН при участии ряда научно-исследовательских организаций (ЦНИИСК, ЦНИИЭП жилища, КазНИИССА, ДальНИИС) проведены вибрационные и сейсмовзрывные испытания 12 опытных объектов (табл.2). В их числе жилые дома и общественные здания из железобетона или их полномасштабные фрагменты высотой от 2 до 10 этажей, с массой от 400 до 11000 тонн и расчетной сейсмичностью 7-9 баллов. Согласно классификации шкал ММ5К-92 и РШСИ опытные здания соответствуют типам С7, С8, и С9. Основная нрль исследований заключалась в оценке фактического уровня сейсмостойкости зданий массовой застройки и разработке рекомендаций по совершенствованию их технических решений.

Таблица 2

№ п/п Наименование объекта этажность Тип здания ММБК-92 Резонаисшя частота, Гц Амплитуды на покрытии, мм Отношение «сйс»

начальная конечная

1* Фрагмент панельного дома серии 135с 10 С8 2.50 2.38 1.81 1.39 20 25 1.1 0.8

2* Панельный жилой дом серии И-163.02 10 С7 1.82 1.54 2.17 1.32 27 16 1.8 2.0

3* Жилой дом из монолитного железобетона 10 С8 2.78 2.35 2.86 2.44 10 8 0.9 0.8

4* Фрагмент панельного дома серии И-163.04 5 С7 3.09 1.50 31 4.7 2.5

5* Фрагмент панельного дома серии И-163.04 3 С9 4.08 1.96 30 2.1

6 Фрагмент панельного общественного здания серии 135с 2 С7 4.33 8.13 3.83 7.56 21 8 3.3 6.6

7 Фрагмент здания с панельными стенами и неполным каркасом 3 С8 3.57 2.34 9 1.2

8 Фрагмент железобетонного каркаса серии ИИС-60 с перегородками 2 С8 2.04 1.43 20 1.3

9 Дом с несущими панелями, усиленный по контуру элементами каркаса 10 С8 2.30 2.11 - - -

10* Жилой дом с безригельным каркасом серии 1-120с 9 С8 2.50 2.63 1.47 1.72 18 19 0.8 1.3

11* Фрагмент безригельного каркаса серии 1-120с 3 С8 4.55 5.00 2.27 2.08 31 50 4.8 6.0

12* Фрагмент деревянного каркасно-щигового дома 2 С8 7.30 5.52 7 5.9

Примечание: 1-я строка — поперечное направление; 2-я - продольное направление;

* отмечены номера объектов, в испытаниях которых автор работы принимал непосредственное участие.

Результаты проведенных испытаний позволили также прогнозировать уровень повреждаемости современных зданий при сейсмических воздействиях различной интенсивности ^Бержипский. Попова и др.. 1997; Бержипский, Бержинская и др.. 2001].

Вибрационные испытания проводились с помощью вибромашин типа В-2 иВ-3 конструкции ЦНИИЭП жилища. Электроприводом служили двигатели постоянного тока мощностью 60-120 квт. Регистрация колебаний осуществлялась цифровыми 12- и 32- канальными сейсмостанциями «Байкал». Как правило, вибромашина устанавливалась на покрытии здания или фрагмента, в некоторых случаях - на фундамент ной плоте.

Метода физического моделирования предполагают: а) создание модели опытного объекта; б) обеспечение связей с внешней средой (соблюдение граничных условий); в) м оде-лирование внешнего воздействия. При вибрационных испытаниях удастся, как правило, обеспечить выполнение первых двух условий. Что касается третьего условия, то оно не может быть реализовано в принципе. Однотонное гарм оническое нагружение существенно отличается по спектральному составу от сейсмического воздействия, в силу чего с помощью вибращюнной машины невозможно моделировать реальное землетрясение. Поэтому необходимо применение специальной методики, сущность которой заключается в переходе от физического эксперимент к математическому моделированию, где в качестве внешнего воздействия используются инструментальные или синтезированные акселерограммы реальных землетрясений, масштабированные соответствующим образом. Физико-механические характеристики расчетной динамической модели здания, зарегистрированные при высоком уровне динамического воздействия, принимаются по результатам натурных вибрационных испытаний [Бержипский, Попова и др., 1996; Бержипский, Бержинская и др., 2005].

Подобная методика, разработанная ЦНИИСК и КазНИИССА, применялась при оценке сейсмостойкости зданий по результатам вибрационных испытаний. Расчетная динамическая модель здания представлена в виде одномассовой нелинейной нестационарной системы, упругопластические свойства которой отражают историю вибрациошюго нагружения объекта. В качестве внешнего воздействия использовалась представительная выборка инструментальных акселерограмм (табл.3).

Таблица 3

№ п/п Наименование Дата Максимальное ускоре-

акселерограммы землетрясения ние грунта, м/с2

1 Лома-Приета 1989г. 2.55

2 Северная Калифорния 1985г. 0.87

3 Газ ли 1976г. 0.98

4 Холлистср 1961г. 1.89

5 Лос-Авджелес 1971г. 1.79

Результаты вибрационных испытаний показывают, что фактическая сейсмостойкость зданий, запроектированных и возведенных в соответствии с нормами сей;мсстойкого строительства, в основном соответствует расчетной. Резервы несущей способности для зданий массовой застройки формируются нормами так то образом, чтобы повреждения зданий не превышали 2-й степени («умеренные повреждения») по шкале М5К-64, что в основном и подтвердилось при натурных испытаниях. Испытания выявили также определенные резервы несущей способности крупнопанельных зданий. Вместе с тем, не было практически ни одного испытания, при котором не были бы отмечены ослабленные узлы или отдельные конструктивные элементы, степень повреждения которых была бы выше степени повреждения здания в пелом на одну-две ступени: перегородки, самонесущие и поэтажно опертые стеновые панели из легкого бетона и их сварные соединения. Это может привести к повышенным затратам на восстановительный ремонт здания после землетрясения и создает угрозу дня безопасности проживающих [Бержипский, Попова и др. 1996]. Общий расход материалов на сейемоусиление зданий, как правило, оказывался не только достаточным, но даже шбыточ-ным, однако распределение этого материала по сооружению не вполне адекватно картине

напряженною состояния несущих конструкций. Причины этого несоответствия кроются в действующей методике расчета на условные, а не реальные сейсмические нагрузки с применением линейно-упругих моделей сооружений, что не позволяет на стадии проектирования вскрыть механизм перехода сооружения в предельное состояние. Испытания подтвердили, что для предотвращения неблагоприятного механизма перехода здания в предельное состояние, помино единого нормативного коэффициента допускаемых повреждений для здания в целом К/, необходимо вводить дифференцированные значения указанного коэффициента/Су* для различных групп конструктивных элементов, обладающих различной ответственностью за переход сооружения в предельное состояние [Аюенберг, 1986; Берлинский, 1988; Жуну-совидр., 1990].

Экспериментальное исследование механизма перехода фрагмента безригельного каркаса в предельное состояние. Проф. Айзенберг ЯМ. (1986) предложил разделить все конструктивные элементы на три типа, назначив различные значения коэффициентов к уровню их несущей способности. Для наиболее ответственных элементов, в которых повреждения развиваются в первую очередь, предложено двукратное повышение несущей способности (иг = 2); для элементов, в которых повреждения развиваются во вторую очередь, сохраняется нормативный уровень ее (m = 1). Несущую способность элементов, которые остаются упругими и неповрежденными после образования полного пластического механизма в сооружении, предложено уменьшить на 25 % (m = 0.75). Для данной конструктивной схемы (¿0=0.25) эти коэффициенты формируют значения Ki* соответственно равными 0.50, 0.25 и 0.185 для трех групп элементов. Таким образом, речь идет о введении дифференцированных значений коэффициента допускаемых повреждений К/* для разных групп элементов в зависимости от их роли в механизме перехода сооружения в предельное состояние. Фактически это означает отказ от принципа равнопрочности конструктивных элементов в пользу процедуры управления механизмом перехода сооружения в предельное состояние на стадии его проектирования.

Исследования проводились па 3-этажном фрагменте безригельного каркаса серии 1.120с (№11 табл.2), который подвергался четырем этапам нагружения: I и III —й этапы — воздействие вибромашины, установленной на фундаментной плите и на покрытии фрагмента соответственно, II —й этап — нагружение 100 тонными домкратами, передающими горизонтальные усилия на фрагмент, IV -й этап содержал два вида воздействия - нагружение 200 тонными домкратам и воздействие вибромашины, установленной на покрытии фрагмента. Результаты испытаний 3-этажного фрагмента позволили экспериментально исследовать механизм перехода сооружения в предельное состояние, под которым понимают последовательность образования локальных разрушений и зон развития иеупругих деформаций.

На IV этапе нагружения, при кагором фрагмент находился в состоянии близком к предельному, все конструктивные элементы по степени повреждения разделились на три группы (табл.4), различаясь между собой примерно im одну ступень. Для определения дифференцированных значений коэффициента допускаемых повреждений по результатам эксперимента для различных конструктивных элементов и узлов их соединений были зафиксированы периода резонансных колебаний 7/ и соответствующие им уровни инерциошюй нагрузки на фрагмент St, при которых локальные повреждения достигали или превышали 3-ю степень повреждений по шкале MMSK-92. Этот критерий достаточно объективно отражает снижение несущей способности элементов (узлов соединений) при вибрационном нагруже-нии фрагмента.

Степени повреждения конструктивных элементов

Таблица 4

Конструктивные элементы и узлы их соединения

I

В-3 на фунд. плите(попер, и прод. напр.)

Этапы нагружения

II

ДГ-100

III

В-3 на покрытии (попер. напр.)

ДГ-200

В-3 на покрытии (прод. напр.)

Замонол. ПП

1

Плиты ПП

1

>2

Колонны К

Диафрагмы жесткости ДЖ

поперечные

2-3

продольные

Закл. детали ДЖ и ДЖ-К

поперечные

1-2

>2

Шпонки в ДЖ

продольные

>2

поперечные

>2

продольные

2-3

Заделка К

2-3

Штеп. стыки К

Сварка в ДЖ

Дифференцированные значения коэффициентов допускаемых повреждений для отдельных элементов (узлов соединений) определялись по формулам:

К 1* = т * К/ (1), где

ж = 1 + (5„„ - SJ/S max > (2)

1 < т < 2 ; S тах - максимальная инерционная нагрузка на фрагмент; К/ - коэффициент допускаемых повреждений для фрагмента в целом.

Таблица 5

Дифференцированные значения коэффициента

Р*1М»НСНЫЯ колабаиий Т..

Группы Значения коэффициентов К/*

элемен- Айзен- КазНИИССА эксперим.

тов берг ИЗК значения

1 0.50 0.75-0.375 0.44-0.28

2 0.25 0.25 0.27

3 0.185 0.25 0.25

Рис.1. График зависимости инерционной нагрузки от периода резонансных колебаний

Первое слагаемое формулы (2) обеспечивает минимальный уровень сейсмоусиления конструктивного элемента, который не может быть ниже нормируемого значения для здания в целом. Второе слагаемое определяет дополнительный уровень сейсмоусиления фрагмента (рис.1), который не превышает удвоенного значения /0, что согласуется с рекомендациями Я.М. Айзенберга (т - 2). Наибольшее экспериментальное значение А"/* =0.44 (табл.5) относится к конструкции стыка колонн «штепсельного» типа. При его вычислении использованы результаты прочностных испытаний образцов колонн с данным типом стыка [Отчет ИЗК СО РАН-ИрГТУ, 2005].

Сопоставляя полученные экспериментальные оценки К/* с рекомендуемыми значениям и следует учитывать два обстоятельства, Во-первых, повышенную живучесть конструктивной системы с предварительным напряжением железобетонных элементов, которая обеспечила пространственную устойчивость и неизменяемость системы на всех этапах нагруже-ния. Во-вторых, анализ сейсмостойкости фрагмента по результатам испытаний показал, что достигнутый уровень динамического цагружешш эквивалентен воздействию реального сейсмического воздействия интенсивностью 8.5 баллов, тогда как фрагмент был рассчитан и запроектирован на 8 баллов.

Создание опорной сети зданий-представителей. Второй составной частью комплексной паспортизации в сейсмических районах является созданий опорной сети зданий-представителей региональных типов. Опорная сеть зданий-представигелей отражает структуру застройки населенного пункта и служит для:

1. Оценки макросейсм ического эффекта землетрясений различной интенсивности.

2. Мониторинга за изменением параметров технического состоят« зданий.

3. Уточнения карт сейсмического микрорайонирования путем сопоставления реакции

зданий одинаковых типов на различных грунтовых комплексах.

В период 1992-1995гт. с псина листам и ИЗК СО РАН была создана опорная сеть для г.г. Иркутска и Ангарска. База данных 1асчигывает соответственно 160 и 100 зданий-представигелей. На каждое здание сославшей технический паспорт. В нем отражены: общие сведения (серия типового проекта, год постройки, размеры здапия), основные показатели (общая площадь, строительный объем и т.д.); инженерно-геологические и сейсмологические условия площадки; объемно-планировочные и конструктивные решения, а также результаты визуального обследования и инструментальных измерений динамических характеристик, с фиксацией пе реже одного раза в пять лет. Это позволяет вести мониторинг за состоянием зданий в процессе эксплуатации. Детальное обследование проводится после землетрясений интенсивностью 6 баллов и более. Для Иркутска база данных опорной сети содержит цифровую и графическую информацию в электронном виде, которая может пополняться и в дальнейшем служить основой для проведения сплошной паспортизации. Автор работы принимает участие по совершенствованию и расширению существующей опорной сети: для Иркутска - до 200 зданий, Ангарска — до 130, а также по созданию опорной сети для Шелехова - 80, Слюдянки - 25 и Байкальска - 40 зданий. Это позволит охватить застройку территорий в сейсмических зонах с интенсивностью от 9 до 7 баллов.

Анализ динам ичсских характеристик 160 зданий-представителей опорной сети Иркутска, полученных с помощью инструментальных наблюдений показал, что зависимость периода основного тона колебаний Т от высоты здания /г (количества этажей о) носит линей-111.1 й характер (табл.6) и описывается формулам и вида:

Т = оЛ + р (Т"ап+Ь) (3), где а, Д а и Ь-эмпирические коэффициенты, Т - период основного тона колебаний, сек

Таблица 6

_Зависимость периода основного тона колебаний от высоты зданий_

Типы зданий Поперечное направление Продольное направление

Крупнопанельные Т=0,0148П +0,0422 Т=0,0166Н -0,0016

Каркасно-панельные Т-0,0176Н +0,0498 Т=0,0163Н +0,0679

Кирпичные ТЧ),0105Н -10,0771 Т=0,0106Н+0,0775

Получена оценка соотношения жесткостей зданий в поперечном и продольном направлении. Жесткость крупнопанельных зданий оказалась больше в поперечном направлении по сравнению с продольным на 25%, что объясняется особенностями конструктивного решения. В поперечном направлении панельного здания в основном работают стены из тяжелого бетона, тогда как в форм ироваиии жесткости здания в продольном направлении з иа-чигелен вклад наружных стен из легкого бетона, уступающего по своим физико-механическим характеристикам тяжелому бетону. Для каркасно-панельных зданий ссютно-

шснис жесткостей оказалось обратным (15%), что обусловлено работой поперечных рам и диафрагм жесткости на изгиб и сдвиг, тогда как в продольном направлении рам ные и рам но-связевые каркасы работают преимущественно на сдвиг. Жесткости кирпичных зданий в поперечном и продольном направлении совпали. Результаты, полученные автором работы, согласуются с работами в этой области отечественных (Карцивадзе, 1968; Мамаева и др, 1981; Обозов и др, 2006] и зарубежных исследователей [Кармон, Кано, 1975].

Комплексная методика паспортизации зданий также включает детальное инженерно-техническое обследование отдельных объектов. В качестве примера приведем; 5-этажпые жилые дома серий 135с и 1-464 АС в г. Иркутске, а также 5-этажный жилой дом сер™ 1-335 АС в р.п. Новая Брянь (Республика Бурятия). Отмечено значительное влияние качества монтажа панельных конструкций и степени физического износа па величину остаточной сейсмостойкости этих объектов. Кроме того, при обследовании на всех объектах были проведены инструментальные измерения основных динамических характеристик, что позволило вести мониторинг за состоянием несущих конструкций этих домов.

В качестве примера приведем сопоставительную оценку результатов инструментальных измерений динамических характеристик двух 5-этажных крупнопанельных жилых домов серии 135с и 1464АС в г. Иркутске (табл. 7), что позволило установить значение параметров их деформированного состояния. При этом в качестве аналогов приняты характеристики аналогичных неповрежденных зданий.

Известно, что для зданий, в которых повреждения распределяются по всему объекту достаточно равномерно, параметр деформированного состояния Л/ с точностью до 5-10% можно оценивать по соотношению квадратов их периодов основного тона колебаний, т.е. по существу по соотношению обобщенных жесткостей системы: Л* = 7"/ / Ту (4).

На основании опытных данных в работе ¡Килимник, Ицков, 1986] предложена следующая зависимость между параметрами несущей способностиX' и параметрами деформированного состояния: х/= (2-1 Л,/. (5)

Таблшв 7

Динамические характеристики 5-этажных крупнопанельных жилых домов_

Параметры Серии 135с в м -не Универс игетский г. Иркутска Серии М64АС на б. Рябикова г. Иркутска

попер, направ. прод. направ. попер, направ. прод. направ.

Период колебаний поврежденного дома, 71, сек 0.284 0.278 0.256 0.286

Период колебаний неповрежденного дома (аналогах Ту, сек 0.195 0.231 0.238 0.254

Параметр деформированного состояния 1—Т{ / Г/ 2.12 1.44 1.16 1.27

Обобщенная жесткость в % от начальной (аналога) 47 69 86 79

Параметр несущей способности х< 2.3 1.7 1.3 1.5

Оценка надежности зданий с учетам физического износа их конструкций.

Ряд авторов [Авиром, 1971; Бойко, 1975] считают, что интенсивность износа в течение всего срока службы здания является величиной постоянной. При таком допущении закон сохранения здания во времени V выражается формулой вида:

v = <?" (6),

где р-эмпирический коэффициент. Для зданий с каменными несущими стенами рекомендуется принимать 0.0037 (Ройтман, 1987].

Физический юное !•',„ в долях единицы в этом случае равен

(7).

Одной из характеристик обобщенной несущей способности сейсмостойких зданий являются математическое ожидание степени повреждений т: (У, которая зависит от времени

эксплуатации и уровня физического износа его конструкций. Я.М. Айзенберг [1985] эту зависимость характеризует соотношением:

= (8), где тх (р„) — значение математического ожидания степени повреждения здания в зависимост и от уровня его сейсмоусиления ря без учета физического шноса, т.е. при /=0; к — коэффициент износа, определяемый опытным путем. Известна также иная формула зависимости математического ожидания т% (I) от уровня физического шноса, в которой срок эксплуатации в явном виде не входит [Отчет о НИР «Оценка сейсмической опасности...», 1992]:

™,(') = т1(л)х[1/(1-йА'/10<>)] (9). где а —эмпирический коэффициент, величину которого рекомендуется принимать а = 0.725; К — процент физического шноса. Обе формулы приводят примерно к одинаковым результатам. За время нормируемого срока службы несменяемых конструкций - 120 лет для II группы капитальности и 150 лет для I группы - тх (I) возрастает примерно в 2 раза. Это согласуется с рекомендациями понимать под физической долговечностью зданий такой срок его службы, за который несущая способность основных конструкций снижается прим ерно вдвое по сравнению с первоначальной [Ройтман, 1987].

Описанная методика использована для оценки надежности 5-этажного жилого дома серии 1-335КС, построенного в 1975 году (Иркутск, Ново-Ленино). Основой для этой оценки послужили работы по экспериментальному исследованию технического состояния стен из газозолобетопа с учетом их физического износа после 30 лет эксплуатации [Огчет о НИР «Оценка технического состояния...», 2005]. Экспериментальные данные, получегшые при обследовании жилого дома серии 1-335КС после 30 лет эксплуатации, позволяют оценить величину Fm=0.2, т.е. на уровне К = 20%. Этот показатель совпадает с данными БТИ, что дает значение эмпирического коэффициента q> =0.0074. Тогда, приведенная выше формула приобретает вид: v = е~" т1л' (10).

Рассчитанный с ее помощью процент физического износа в зависимости от срока службы здания t оказался равным: при <=0 лет, К — 0%; <=30 лет, К = 20%; г=60 лет, К = 36%; и f=90 лет, К = 49%, что согласуется с данными наблюдений [Ройтман, 1987]. Начальный уровень сейсмостойкости жилого дома принят равным расчетной сейсмичности площадки строительства 7 баллов.

При построении физической модели надежности, здание было разбито на три группы элементов: (а) наружные стены из газозолобетопа; (б) полный каркас (пристенные колоты) с диафрагмами жесткости из железобетона; (в) железобетонные плиты перекрытий. Принятая физическая модель надежности адекватна объему экспериментальных данных, полученных при обследовании. Отмети«, что заложенная при разработке типового проекта серии 1-335КС концепция основана на идее раздельного восприятия нагрузок: вертикальных - железобетонным каркасом; горизонтальных, в т.ч. сейсмических нагрузок, -наружным и стенам и из газозолобетопа и железобетонным и диафрагмам и жесткости.

Расчетный анализ показал, что число отказов системы по сравнению с нынешним состоянием здания (¿=30 лет) возрастает при 7-(8-) балльном ссйсмичсском воздействии (рис.2), после 60 лет эксплуатации в 2.7 (2.4) раза, после 90 лет-в 6.3 (5.1) раза (табл. 8). Если принять допустимую надежность даже на весьма не строгом уровне 0.9, то здание не будет отвечать требованиям надежности после 70 лет эксплуатации при 7-балльном и после 40 лет при 8-балльном землетрясении (рис.3). Дефицит сейсмостойкости составляет соответственно при 7- и 8- балльных воздействиях: после 30 лет эксплуатации 0.5 и 1.5 балла, после 60лет-1.0и 1.5 балла, после 90 лет-более чем 1.0 и 2.0 баллов.

Рис.2. График зависимости числа отказов жилого дома серии 1-335КС от продолжительности эксплуатации

? 1

§ 0,95

— 7е ал л с В I

X

баг -•V

Si

-1—,

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Продолж итвльность эксплуатации t, лет

Рис.3. График зависимости надежности жилого дома серии 1-335КС от продолжительности эксплуатации

Описанная физическая модель надежности и полученные результаты относятся к жилым домам серии 1-335КС с полным каркасом и наружным и стенам и из газозолобетона.

Таблица 8

Продол- Интенсив- Про- Вероятная Средняя Число Надеж Дефицит

житель- ность зем - цент степень степень отказов ность сейсмо-

ность экс- летрясения, фш. из- поврежде- повреж- на 1000 стойкости

плуатации I баллов носа 1ШЯ, дения, случаев в баллах

/, лет К в % тх(!) dep.

0 7 • 0 1.4 1.0 7 0.993 0

8 0 2.0 1.6 29 0.971 0.5

30 7 20 1.7 1.3 26 0.974 0.5

8 20 2.3 1.9 77 0.923 1.5

60 7 36 1.95 1.55 70 0.930 1.0

8 36 2.65 2.25 187 0.813 1.5

90 7 49 2.2 1.8 163 0.837 > 1.0

8 49 3.05 2.65 391 0.609 >2.0

При всей простоте данной физической модели надежности следует отметить, что прогноз долговечности и дефицита сейсмостойкости домов первых панельных серий со стенами из газозолобетона, основанный не на визуальных оценках, а на экспериментальных данных, получен для сейсмических районов Восточной Сибири впервые.

Таким образом, разработана и внедрена комплексная методика паспортизации жилищного фонда в сейсмических районах на основе системного подхода к данной проблеме, детально описаны составляющие методики:

Глава 3. Совершенствование технических решений сейсмостойких зданий

на основе результатов натурных испытаний опытных объектов Результаты вибрационных испытаний послужили технической основой для совершенствования технических решений отдельных региональных типов серий. Разработанные рекомендации содержат как общие положения (сейсмичность площадки строительства, количество этажей^ так и корректировку отдельных конструктивных решений. Так при испытаниях фрагмеига 10-этажного жилого дома серии 135с был выявлен ряд конструктивных недостатков, которые могли привести к увеличенному объему повреждений при землетрясении. К ним относятся: нечеткая передача горизонтальных усилий на наружные стеновые панели в продольном направлении, высокая податливость и недостаточная несущая способность закладных деталей вертикальных стыков внутренних стен. С учетом устранения этих

недостатков допускалось строительство жилых домов высотой 9 этажей при 8 баллах и 10 этажей при 7 баллах.

Проведенные исследования сейсмостойкости 3-этажного фрагмента серии И-163.04 свидетельствуют о возможности строительства на площадках с сейсмичностью 9 баллов крупнопанельных жилых домов этой серии высотой до 4-х этажей включительно. Однако при этом необходимо переработать конструкцию узлов крепления перегородок и обеспечить надежную анкеровку закладных деталей в наружных стеновых панелях из газозолобетона.

Результаты испытаний жилого дома серии И-163.02 позволили возводить блок-секции в 10-этажном варианте в районах с сейсмичностью не только 7 баллов, но и 8 баллов. В течение 1996-2005 годов разработаны и внедрены в строительство усовершенствованные проекты блок-секций серии И-163.02/94 с улучшенными архитешурно-планировочными и конструктивными решениями. Введение трехслойных железобетонных панелей для наружных стен взамен малопрочных однослойных из газозолобетона повысило надежность всей конструктивной системы жилых домов серии И-163.02/94. Разработка и внедрение угловой блок-секции повысило градостроительную маневренность серии. Модернизированные блок-секции характеризуются разнообразным набором типов квартир, вариабельностью планировки, существенно улучшен их архитектурный облик. Фактически на базе типовой серии И-163.02 создано новое поколение крупнопанельных жилых домов, выгодно отличающихся от традиционной панельной застройки [Бержинская и др. 2004].

Внедрению трехслойных стеновых панелей на дискретных связях предшествовали прочностные испытания панелей на сдвиг железобетонных слоев. Расчетная разрушающая нагрузка на трехслойную панель была определена методом предельного равновесия и методом конечных элементов. Испытания показали, что прочность панели из тяжелого бетона в 3 раза выше прочности аналогичной панели из газозолобетона. Железобетонные слои трехслойной стеновой панели, соединенные дискретными связями, работают совместно вплоть до разрушения. Максимальная сдвигающая сила на одну дискретную связь составила 20 кН.

Жесткость 10-этажной блок-секции с трехслойнами наружными стенами в 1.7 раза превысила жесткость блок-секции с газозолобетонными стенами. Их соотношение было вычислено на основании инструментальных измерений периодов основного тона колебаний. Увеличение массы здания, установленное расчетным путем, составило 2-3%. Т.к. период основного тона колебаний блок-секции не превысил 0.4 с, то можно считать, что расчетная сейсмическая нагрузка на здание осталась прежней. Увеличение относительной доли наружных стен трехслойной конструкции в общей жесткости блок-секции в продольном направлении привело к перераспределению сейсмической нагрузки на элементы здания, вызвав ее увеличение для наружных стен. При газозолобетонных стенах продольная внутренняя стена из тяжелого бетона воспринимала 40% сейсмической нагрузки, на наружные стены из газозолобетона приходилось по 20%. Еще 20% сейсмической нагрузки воспринималось перегородками жесткости и короткими диафрагмами из тяжелого бетона. При трехслойных наружных стенах на каждую из трех продольных стен приходится примерно по 30% суммарной сейсмической нагрузки. Величина этого перераспределения лимитируется податливостью и несущей способностью узлов соединений на сварке закладных деталей, связывающих продольные наружные стены с поперечными стенами и плитами перекрытия. Для количественной оценки перераспределения сейсмической нагрузки были проведены расчеты при различных значениях податливости сварных соединений трехслойных стеновых панелей в интервале от 10"4 до 104 от рекомендуемой ВСН 32-77 величины (рис.4). Анализ полученных результатов показал, что в этой зависимости четко прослеживаются три зоны (рис.4а): зона высокой податливости связей сдвига с практически нулевыми значениями усилий в них в интервале от 10"4 до 10"1; зона интенсивного роста усилий сдвига в связях при уменьшении их податливости в интервале от 10"1 до 10 и зона нечувствительности достигнутых максимальных усилий сдвига в связях от дальнейшего уменьшения их податливости (связи стали практически абсолютно жесткими) в интервале от 102 до 104.

Рис .4. Графики зависимости:

а -максимального усиления от логарифма жесткости связи;

б - максимального усиления от относительного смешения

Подобная зависимость была получена сотрудниками ЦНИИЭП жилища совместно с югославскими специалистами при вибрационных испытаниях крупнопанельного жилого дома со сварными соединениями элементов (1990). Трехслойные стеновые панели прошли также натурные теплофизическиг исследования, которые подтвердили их соответствие повышенным норм ативным требованиям.

К настоящему времени по проектам модернизированной серии И-163.02/94 возведено около 50 тыс. кя.м. обшей площади. Резервы, свойственные панельной системе, позволяют довести высоту жилых домов до 16 этажей при 7- 8 баллах, что соответствует тенденции повышения этажности крупнопанельных зданий [«МНС СНГ, Строительство в сейсмических районах (проект) 2002г].

Таким образом, глава 3 содержит результаты агализа, связанного с оценкой перераспределения усилий от сейсмической нагрузки при замене мало прочных наружных стен то газозолобетона на трехслойные железобетонные. Установлено, что величина этого перераспределения лимитируется податливостью узлов соединений на сварке закладных деталей, связывающих наружные стены с поперечными степами и плитами перекрытия. Освещен опыт модернизации крупнопанельных жилых домов на базе типовой серии И-163.02, с учетом вибрационных испытаний, для застройки городов Иркутской области.

Глава 4. Оценка степени повреждения зданий

Традиционно оценка степени повреждения зданий выполняется в соответствии с сейсмической шкалой, ориентированной на методику описательного характера, с использованием метода экспертных оценок. Известны попытки использования количественных методов при опенке степени повреждений зданий [Мартемьянов, 1982]. Однако при этом основное внимание уделяется алгоритмизации процедуры, а не поиску физически содержательного обобщающего параметра. Применение обобщенного количественного показателя позволило бы избежать субъективизма, свойственного описательным методикам. В настоящей работе предложено использование одного из методов фрактальной геометрии для оценки процесса развития трещин при воздействии нагрузок типа сейсмических (вибрационных и знакопеременных статических) на реальные конструктивные элементы [Бержинский, Бержинская и др., 2005]. В основу фрактального подхода положено представление о том, что одномерные (линии) и двумерные образования (поверхности), являются частям и трехмерного пространства, у которых один или два характерных размера очень малы, т.е. линия как бы приобретает «ширину». Привычными являются случаи целочисленной топологической размерности £>=1 для линии, 0=2 для гладких поверхностей и £>=3 для объем ных тел. Однако, в природе существуют объекты (множества), для которых размерность является не далой, а дробной, называемой фрактальной. Дробная размерность и свойство самоподобия (скейлинг) являются фундаментальными признакамифракгального объекта (процесса).

Исследование характера и степени повреждений 24-х железобетонных диафрагм жесткости проводилось при различных этапах нагружения 3-этажного фрагмента безригельного каркаса (№11, табл. 2). На I -м этапе в диафрагмах жесткости появились отдельные непротяженные трещины, что соответствует 1-й степени повреждения - «легкие» по шкале ММЖ,-

92. II и III этапы привели к интенсивному образованию трещин 2-й степе™ - «умеренным» повреждениям. На IV этапе повреждения соответствовали 3-й степени - «тяжелым», а повреждения узлов соединения элементов - 3-й и 4-й степени по шкале MMSK.-92 (табл.4).

Был применен метод подсчета клеток. На диафрагмы до испытаний была нанесена квадратная сетка с клетками 72*72 см. Далее уже на цифровом фото рабочее поле диафрагмы покрывалось сеткой с размером клеток г от 72 до 4,5 см и количеством клеток N от 20 до 5120. При подсчете количества клеток учитывались только те, в которых трещина пересекала хотя бы одну сторону квадрата (рис.5). На каждом этапе нагружения проведено по 5 итераций.

'ис. 5. Схема расположения трещин на диафрагм ах жесткости 3-этажа после IV этапа нагружения

Фрактальная размерность D поля трещин диафрагмы определялась по углу наклона графика в двойном логарифмическом масштабе (рис.6): D = lim (laJV)/(lnjJ (11).

Применение кластерного анализа к типичной задаче о классификации с заданным числом классов привело к естественному «расслоению» экспериментальных данных на три непересекающиеся подмножества - 3 степснн повреждений. В графическом виде результаты классификации фиксировались на децлрограмме.

Рис. б. График зависимости фрактальной размерности £> от уровня нагружения для диафрагм жесткости 3 -этажа

Проведен также анализ напряженно-деформированного состояния диафрагм жесткости с вычислением нормальных их и ау и главных растягивающих напряжений а„1т. Распределение по полю диафрагмы клеток, для которых етт: превысили нормативную прочность бетона на растяжение Льи, оказалось аналогичным распределению клеток с трещинами, включенными в подсчет числа N при вычислешш фрактальной размерности О (рис.7аХ что подтверждает корректность принятой модели напряженно-деформированному состоянию рассматриваемых элементов (диафрагм жесткости).

Работа плоского железобетонного элемента может быть описана трилинейной диаграммой деформирования в координатах «сата - перемещение» (рис.7б), каждому участку которой соответствует одна из перечисленных в таблице 9 стадий работы конструктивного элемента: упругой, упруго-хрупкой и упруго-пластической, характеризуемых соответствующими фрактальными величинами. Величина фрактальной размерности ноля трещин с

95%-й обеспеченностью принята в качестве обобщенного параметра, отражающего процесс накопления повреждений на различных стадиях нагружения.

Схема трещннообразоваяяя (неупругая система)

М(М)

Схема главных растягивающих напряжений по МКЭ (линейно-упругая система)

Диаграмма деформвровавжя гкетеэойетпвяоп» мп»|Т1алое кого наяравмнярго состовяяя

Рис.7, а) Распределение клеток с трещинами по полю диафрагмы (фрактальный анализ) и конечных элементов при расчете главных растягивающих напряжений при условии аша > Лг,т;

б) Кусочно-линейная диаграмма деформирования диафрагмы с фрактальными размерностью, соответствующей линейным участкам диаграммы (стадиям работы элемента)

____ __Таблица 9

Этапы нагружения Фрактальная размерность О поля трещин диафрагм жесткости Обобщенная жесткость фрагмента Стадия работы конструктивного элемента Степень повреждения по шкале ММ Ж-92

I 1.01-1.11 (±0.04) 1.00 упругая 1

II 1.12-1.25 (±0.02) 0.37 упруго-хрупкая 2

III 1.26-1.37 (±0.02) 0.35 упруго-хрупкая 2

IV >1.38 (±0.03) 0.13 упруго-пластическая 3

Полученные результатов можно свести к следующему: (а) установлена фрактальная природа образования поля трещин реального конструктивного элемента при плоском напряженном состоянии под воздействием нагрузок типа сейсмических; (б) получено значение фрактальной размерности, характеризующее степень подобия различных иерархических уровней нагружения элемента; (в) предложены интервальные значения обобщенного количественного показателя в виде фрактальной размерности, позволяющей разграничить 1,2 и 3-ю степени от 4-й степени повреждений - «частичного обрушения», при котором условия безопасности людей, согласно шкале ММ5К-92, не обеспечиваются; ГБержинская 2005].

Таким образом, в главе 4 проанализированы способы оценки повреждений зданий. Наряду с методикой описательного характера, которая используется в сейсмических шкалах, рассмотрены вопросы перехода к количествешвлм способам оцепки повреждений зданий. На примере конструкций 3-этажного фрагмента безригельного каркаса продемонстрирована возможность применения методов фрактальной геометрии для описания процесса трещино-образования в конструкциях здания. Установлена фрактальная природа образования поля трещин реального конструктивного элемента. Получено значение фрактальной размерности для различных уровней нагружения элемента. Предложены интервальные значения обобщенного количественного показателя в виде фрактальной размерности для четырех степеней повреждений. Впервые фрактальный метод применен для оценки процесса накопления повреждений не на лабораторных образцах, а на реальных конструктивных элементах.

Глава 5. Оценка сейсмического риска и уязвимости жилищного фонда Прибайкалья Для Байкальской сейсмической зоны и района Южного Прибайкалья С.И. Голенецким составлен каталог сильных землетрясений, который позволил провести расчеты повторяемости, (сотрясаемости) для этой территории [Голенецкий, 1981]. Общее количество ощутимых землетрясений, отмеченных на территории Иркутска с 1725 года, составляет более 500. Из них: два землетрясения, приближающихся по интенсивности к 8 баллам по шкале М$К-64;

пять землетрясений интенсивностью 7 баллов и семь землетрясений интенсивностью 6-7 баллов. Повторяемость 8-балльных землетрясений для г. Иркутска оценивается как один раз в 150-200 лет, а 7-балльных - одно землетрясение в 50 лет.

В понятие сейсмического риска разными исследователями вкладывается различный смысл: вероятность наступления в регионе землетрясений определенной интенсивности за определенный отрезок времени; вероятность не превышения заданного уровня сейсмической реакции сооружения; вероятность повреждения или разрушения сооружения и др. Различают также сейсмический риске экономической и неэкономической ответственностью

Сейсм ический риск для зданий Ils определяется как Rs=I!* V(i) (12), где

H-повторяемость землетрясений опредслсшюй интенсивности, имеющая размерность 1/год; V(I) — уязвимость здания различных типов. Зависимость величины ущерба от интенсивности сейсмического воздействия I называется функцией уязвимости. В общем виде алгоритм оценки сейсмического риска может быть представлен в виде структурной формулы: сейсмический риск = уязвимость зданий х повторяемость землетрясений Сейсмический риск здесь имеет размерность [1/год]. Показатель экономического риска может быть получен в стоимостном выражении, для чего величину относительного риска нужно ум ножигь на балансовую стоим ость з даний.

При выборе модели сейсмического риска автором проанализированы работы отечественных и зарубежных исследователей в этой области, работа C.B. Медведева [1962], посвященная вопросам экономической оценки эффективности сейсмостойкого строительства; модель сейсмического риска, разработанная в ИФЗ AII СССР [Ксйлис-Борок и др., 1962]; проблемы «инженерного риска» в работах И.И. Гольденблата [1973, 1975]; подробный анализ моделей сейсмического риска в работах Я.М. Айзенберга [1989, 2005]; модель Уиггинса («принцип сбалансированного риска» [1972]), модель Грандори [1982] и модель ЦНИИСК [Айзенберг-Нейман, 1973, 1989].

Отметим также работы M А. Клячко [2002, 2003,2004], в которых проблема сейсмического риска связана с ключевым понятием уязвимости застройки. Под уязвимостью объекта риска понимается свойство сооружения терять свои качественные или количественные показатели надежности и безопасности вследствие какого-либо воздействия. ГЬалтация сценариев риска и выбор наилучшей стратегии действий по уменьшению прогнозного ущерба отражены в работах [Кофф, 1996,1997,2000; Кофф, Баранников, 1995, 1997,2000].

Для расчета возможных последствий сейсмического воздействия на территории Прибайкалья была выбрана модель сейсмического риска общепринятая в руководствах ООН, описанная в трудах международных и европейских конференций по сейсмостойкому строительству и инженерной сейсмологии и используемая Сейсмологическим пешром ИГЭ РАН (г. Москва) Модель региона охватывает территорию Прибайкалья и Забайкалья. Был выбран один из самых жестких сценариев развития событий на основе модели сейсмического риска. Результаты исследоватшй позволяют оценить последствия сейсмического воздействия наиболее опасной для Иркутска зоны ВОЗ- Восточно-Саянской (Главный Саянский разлом ) с маг-нигудойМ-8 и средним расстоянием 137 км [Бержинский, Бержинская и др., 2002, 2003]. На основе матрицы вероятных повреждений построена таблица математических ожиданий интенсивности при различных степенях повреждений зданий, разных по уровню сейсмостойкости классов. Результаты комплексной паспортизации послужили исходными данными для расчета.

Жилшцныйфовдг. Иркутска оценивается в 14 млн кв.м. общей площади. Кирпичные здания составляют 46%, крупнопанельные - 28%, каркасда-папельные - 10%, на прочие конструктивные типы приходится 16% городского фонда. Аварийный жилищный фонд города -примерно 5%. Анализ сейсмостойкости зданий согласно классификации MMSK.-92 показал, что доля сейсмостойких зданий (классы С7-С8) в жилищном фонде города достигает 70%. Последствия прогнозируемого землетрясения при принятых исходных данных и выбранной модели сейсмического риска отражены на рис.8 и 9:

г. Иркутск Регион

Население, тысяч человек 600 5 400

Общие потери, тысяч человек 15.9-42.6 265-530

Безвозвратные потери, тысяч человек 4.9 - 11.3 85 - 174

Санитарные потери,тысяч человек 11.0-31.3 180-356

Доля зданий, получивших повреждения 68% 51%

Доля разрушений и обвалов зданий 8% 13%

Численность оставшихся без крова, тысяч человек 123-130 934-1023

Относительный материальный ущерб 0.18 0.20

Рис.8. Схема генерального плана г. Иркутска с выделением участков застройки с различной уязвимостью

Рис.9. Схематическая карта региона с условными обозначениями средней степени уязвимости застройки населенных пунктов

Аналогичные работы по оценке сейсмического риска проведены для г. Ангарска. Полвека город застраивался как 7-балльная территория, однако после введения карт ОСР-97 (2000 г.) сейсмичность территории была повышена до 8 баллов. В результате жилищный фонд города автоматически получил приращение дефицита сейсмостойкости в 1 балл.

При оценке макросейсмического эффекта реальных сейсмических событий в Прибайкалье и Забайкалье была использована опорная сеть зданий-представителей при обследовании последствий Тункинского землетрясения (30.06.1995г.); Южно-Байкальского землетрясения (26.06.1999г.); Средне-Байкальского землетрясения (10.10.2001г.). При обследовании проводилось как визуальное обследование, так и анкетирование населения. После Тункинского землетрясения 1995г. в Иркутске было опрошено свыше 300 жителей домов, входящих в опорную сеть, а после Южно-Байкальского землетрясения по городу было собрано и обработано свыше 1400 анкет. Использование опорной сети зданий-представителей позволило вести направленный поиск макросейсмической информации и сократило длительность проведения обследования. Основные результаты обследования последствий землетрясений опубликованы в работах [Бержинский, Бсржннская и др., 1999, Голенецкий, Бержинская и др., 2000, 2001].

Таким образом, в главе 5 рассмотрены вопросы, имеющие практическое значение для обеспечения сейсмобезопасности территории Прибайкалья. Проанализированы существующие модели сейсмического риска. На основании данных паспортизации жилищного фонда и с учетом одного из самых жестких сценариев развития сейсмических событий составлен прогноз вероятных последствий землетрясения в крупных городах Прибайкалья и всего региона.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Эксплуатация жилищного фонда в сейсмических районах Прибайкалья сопряжена с высокой степенью социально-экономического риска при прогнозируемых картами ОСР-97 сейсмических воздействиях. Для управления сейсмическим риском на основе системного подхода разработана и внедрена комплексная методика оценки надежности существующего жилищного фонда в Прибайкалье, которая включает:

- использование региональной опорной сети зданий-представителей как логического каркаса системы паспортизации жилищного фонда;

мониторинг технического состояния здании с применением инструментальных методов контроля процессов физического износа их конструкций и оснований; экспериментальные исследования «эталонных» зданий-прсдставигелей массовых ссрий при высоком уровне динамического нагружсния, а также статические испытания отдельных конструктивных элементов;

- моделирование последствий землетрясений с использованием моделей сейсмического риска и данных паспортизации жилищного фонда на территории Прибайкалья.

2. Экспериментально-аналитические исследования показали, что фактическая сейсмостойкость современных зданий, запроектировашилх и возведенных в соответствии с нормами сейсмостойкого строительства, в основном соответствует расчетной. Повреждетшя зданий при испытаниях не превышали 2-й степени по шкале М8К-64, однако на каждом объекте были выявлены отдельные конструктивные элементы и узлы их соединения, степень повреждения которых была выше степени повреждения здания в целом та одну - две стунсни.

3. Исследован механизм перехода сооружения в предельное состояние на полномасштабном фрагменте безригельного каркаса. Экспериментально установлены дифференцированные значения коэффициентов допускаемых повреждений для отдельных конструктивных элементов. На примере реального объекта показана предпочтительность введения дифференцированных значений коэффициента допускаемых повреждений (т.е. отказ от принципа рав-нопрочности элементов) по сравнению с повышением значений этого коэффициента для здания в целом.

4. Результаты натурных испытаний позволили усовершенствовать технические решения зданий массовой застройки. крупною не льны х - серий 135с иИ-163.04, каркасных - серии 1.120с. На примере 9-10-этажных жилых домов серии И-163.02 показаны возможности модернизации крупнопанельной серии с доведением ее качественных показателей до уровня соврем енных требований.

5. Исследованы вопросы надежности и долговечности жилых домов первых массовых серий с учетом физического износа их конструкций, в том числе наружных стен из газозоло-бетона. Проведен анализ экспериментальных данных, полученных в последнее время, и сделан прогноз снижения уровня сейсмостойкости и долговечностижилых домов серии 1-335КС в зависимости от сроков их дальнейшей эксплуатации.

6. Предложен обобщенный количественный показатель в виде фракгалыюй размерности поля трещин, отражающий уровень повреждения железобетонных конструкций при нагрузках типа сейсмических. Установлена закономерность между фрактальной размерностью поля трещин железобетонного элемента в условиях плоского напряженного состояния и степеням и повреждений, принятымив классификации сейсмической шкалы.

7. Получены оценки сейсмического риска и уязвимости жилищного фонда наиболее крупных населенных пунктов Прибайкалья и региона в соответствии с картами ОСР-97. Использован один из наиболее жестких сцепариев развития сейсмических событий с магшггу-дой М=8 и эпицентром в зоне Главного Саянского разлома. Намечены основные пути повышения сейсмобезопасноетитерригории Прибайкалья с учетом региональных особешюстей.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Бержинский ГО.А., Павленов В.А., Ордынская А.П., Попова Л.П. Оценка надежности жилищного фонда при сейсмических воздействиях по результатам инженерного анализа некоторых строительных аварий / Сб. тр. первой науч.-практ. конф. Иркутск, ИГ-ТУ, 1997г. С.148-152.

2. Бержинский Ю.А., Попова Л.П. Анализ соотношения между средней степенью повреждения и уровнем инерционной нагрузки при вибрационных испытаниях опытных объектов / Труды междунар. науч.-практ. конф. Иркутск, ИрГТУ, 1998г. С.94-97.

3. Бержинский Ю.А., Ордынская А.П., Бержинская Л.П.. Бывальцев Д.В., Павленов В.А., Черных Е.Н., Чечельницкий В.В., Фризер Г.А. Инженерное обследование последствий землетрясений 1999 года на Байкале / Сб. науч. тр. Иркутск, ИрГТУ, 2000г. С.142-147.

4. Бержинская Л.П.. Иванькина Л.И., Ордынская А.П. Обеспечение сейсмостойкости крупнопанельного здания со сварными стыками при замене однослойных газозолобе-топных стен на трехслойные железобетонные / «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений». №5,2001г. С.12-15.

5. Бержинский Ю.А., Павленов В.А., Ордынская А.П., Бержинская Л.П. Опыт проведения вибрационных и сейсмовзрывных испытаний зданий в сейсмических районах Иркутской области / Тр. VI междун. конф. Том 2, Красноярск, 2001. С. 150-152.

6. Бержинская Л.П. Оценка сейсмического риска жилищного фонда населенных пунктов Иркутской области с учетом набора карт ОСР-97 (А, В, С) / Обл. науч.-практ. конф. «Анализ, оценка и управление рисками». Иркутск, СЭИ СО РАН, 2001. С.214-219.

7. Бержинская Л.П.. Иванькина Л.И., Ордынская А.П., Саландаева О.И., Фризер Г.А. Модернизация крупнопанельных жилых домов серии И-163.02 для строительства в сейсмических районах Иркутской области / «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений». №4,2004г. С.9-13.

8. Бержинская Л.П.. Иванькина Л.И., Ордынская А.П., Моргаев Д.Е. Результаты обследования крупнопанельного жилого дома серии 1-335 А-С в Республике Бурятия / «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений». №6, 2004г. С.18-21.

9. Бержинская Л.П.. Лухнева О.Ф. Применение фракталов при оценке степени повреждений конструкций зданий / VI Российская национ. конф. по сейсмостойкому строительству. Сб. тез. докл. Москва, 2005г. С.67.

10. Бержинская Л.П. Анализ существующих методик паспортизации зданий в сейсмических районах / Матер. Всероссийского совещ. «Современная геодинамика и сейсмичность Центральной Азии». Иркутск: ИЗК СО РАН, 2005. с. 309-312.

11. Бержинский Ю.А., Бержинская Л.П.. Лухнева О.Ф. Закономерности накопления повреждений в конструкциях зданий при нагрузках типа сейсмических / Матер. Всероссийского совещ. «Современная геодинамика и сейсмичность Центральной Азии». Иркутск, ИЗК СО РАН, 2005. с. 313-316.

12. Бержинский Ю.А., Павленов ВА., Бержинская Л.П.. Ордынская А.П., Масленникова ГЛ., Шерман П.С. Оценка сейсмостойкости зданий с помощью вибрационных испытаний / Матер, междун. конф. Новосибирск, СО РАН, 2005г. С.412-416.

Подписано к печати 22.05.06. Формат 60x84/16. Печать Riso/ Ус.печ.лист.1,2. Тираж 110 экз. Заказ № 425 Отпечатано в ИЗК СО РАН. 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128

Введение

Глава 1. Паспортизация - как метод оценки сейсмостойкости зданий и сооружений в сейсмических районах

1.1. Цели и задачи паспортизации

1.2. Существующие методики паспортизации зданий в сейсмических районах

1.2.1. Методы экспертных оценок

1.2.2. Расчетно-аналитические методы

1.2.3. Методы технической диагностики зданий и сооружений

1.3. Классификация зданий по уровню их сейсмостойкости

Глава 2. Системный подход к проблеме паспортизации зданий

S в сейсмических районах

2.1. Экспериментальные исследования сейсмостойкости региональных типов зданий при высоком уровне динамического нагружения

2.1.1. Характеристика опытных объектов

2.1.2. Методика проведения вибрационных испытаний

2.1.3. Оценка сейсмостойкости объектов по результатам вибрационных испытаний

2.1.4. Анализ результатов вибрационных испытаний сейсмостойких зданий и их натурных фрагментов в Прибайкалье

2.1.5. Экспериментальное исследование механизма перехода сооружения в предельное состояние

2.2. Создание опорной сети зданий-представителей

2.2.1. Назначение и методика создания опорной сети зданий-представителей

2.2.2. Динамические характеристики зданий опорной сети 45 % 2.3. Паспортизация жилой застройки по «площадям»

2.3.1. Инженерно-техническое обследование зданий ф 2.4. Оценка надежности зданий с учетом физического износа его конструкций

2.4.1. Физические и математические модели надежности зданий

2.4.2. Способы оценки физического износа конструкций зданий

2.4.3. Оценка надежности и дефицита сейсмостойкости жилого дома серии 1-335 КС с учетом физического износа его конструкций

Глава 3. Совершенствование технических решений сейсмостойких зданий на основе результатов натурных испытаний опытных объектов

3.1. Модернизация крупнопанельных жилых домов серии И-163.

3.1.1. Экспериментальные и расчетно-аналитические исследования несущей способности трехслойных стеновых панелей на дискретных связях

3.1.2. Влияние жесткости сварных соединений на распределение сейсмической нагрузки между элементами здания

3.2. Внедрение модернизированных блок-секций серии И-163.02/ в жилищное строительство

Глава 4. Оценка степени повреждения зданий

4.1. Способы оценки повреждения зданий 73 4.1.1. Статистический анализ результатов инженерно-технического обследования зданий

4.2. Определение повреждений конструктивных элементов с использованием методов фрактальной геометрии

4.2.1. Фракталы. Основные понятия

4.2.2. Фрактальная размерность процесса трещинообразования реальных железобетонных конструкций в условиях плоского напряженного состояния

Глава 5. Оценка сейсмического риска и уязвимости жилищного фонда Прибайкалья

5.1. Оценка сейсмической опасности Прибайкалья

5.2. Анализ моделей сейсмического риска

5.3. Оценка сейсмического риска и дефицита сейсмостойкости жилищного фонда Прибайкалья согласно картам Общего сейсмического районирования ОСР-78 и ОСР

5.4. Анализ сценария развития сейсмических событий в регионе

5.5. Обследование последствий реальных сейсмических событий в Прибайкалье с использованием опорной сети зданий-представителей (1995г., 1999г., 2001 г.).

Актуальность проблемы. По своим экономическим, социальным и экологическим последствиям землетрясения занимают ведущее место среди природных катастроф. Восточная Сибирь, в которой на территории в 2,5 млн. км2 проживает 9,5 млн. человек, характеризуется высокой сейсмичностью. На юге региона сконцентрированы крупные промышленные комплексы, в т.ч. с опасными производствами, создающими экологическую угрозу в случае природных и техногенных катастроф. С другой стороны, уязвимость городов, строившихся при крупных предприятиях, возрастает из-за физического износа застройки и усложнения инженерной инфраструктуры. Кроме того, значительная часть городской застройки прошлых лет была возведена по нормам сейсмостойкого строительства 60-х годов.

Дальнейшая урбанизация городских поселений, усложнение их инженерной инфраструктуры, физический и сейсмический износ конструкций зданий -все это с неизбежностью приводит к увеличению сейсмической опасности и дополнительному дефициту сейсмостойкости застройки. Ни одна самая развитая страна не в состоянии довести свой строительный фонд до уровня современных требований норм сейсмостойкого строительства. Сейсмический риск является неизбежным спутником нашей цивилизации и требует адекватного реагирования. Реальный прогноз заключается в дальнейшем проживании в условиях сейсмического риска миллионов людей в зданиях, не отвечающих нормативным требованиям. Отсутствие достоверных данных о фактической надежности жилищного фонда, т.е. результатов паспортизации зданий, является сегодня одной из главных опасностей. Федеральная целевая программа «Сейс-мобезопасность территории России на период 2002-2010 гг.» в числе первоочередных задач предусматривает усиление зданий, имеющих дефицит сейсмостойкости и паспортизацию существующего строительного фонда. В силу экономических причин первая задача, по существу, сводится к усилению отдельных наиболее ответственных зданий (школ, больниц, детских учреждений и др.), тогда как вторая задача - паспортизация жилищного фонда выходит на передний план. С введением карт ОСР-97 работы по паспортизации существующего жилищного фонда в Прибайкалье приобретают особую актуальность. Настоящее исследование в свете направлений Федеральной целевой программы, направлено на решение этой проблемы для территории Прибайкалья.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в разработке и экспериментально-аналитическом обосновании системного подхода к оценке надежности жилищного фонда региона с учетом социально-экономического риска при прогнозируемых картами ОСР-97 сейсмических воздействиях. Для ее достижения:

- выполнен анализ структуры жилой застройки городов и населенных мест в сейсмических районах;

- расширена опорная сеть зданий-представителей за счет включения в нее дополнительных населенных пунктов (Шелехов, Байкальск, Слюдянка, Кул-тук);

- проведен анализ результатов вибрационных испытаний двенадцати опытных объектов, представляющих различные типы зданий массовой застройки, для оценки фактической их сейсмостойкости;

- проведена комплексная паспортизация зданий с учетом данных экспериментальных исследований и мониторинга их технического состояния;

- обоснована необходимость и намечены пути перехода от описательных способов оценки повреждаемости зданий к количественным методам;

- дан вероятностный прогноз повреждаемости зданий и относительной величины социально-экономического ущерба в результате реализации одного из сценариев сейсмических событий в регионе.

Научную новизну исследований составляют:

1. Комплексная методика паспортизации зданий в сейсмических районах, базирующаяся на результатах экспериментальных исследований фактической сейсмостойкости региональных типов зданий при высоком уровне динамического нагружения.

2. Анализ механизма перехода здания в предельное состояние, проведенный по результатам полномасштабного натурного эксперимента, с оценкой роли отдельных групп конструктивных элементов в этом процессе.

3. Экспериментальное подтверждение значений коэффициентов допускаемых повреждений для отдельных групп конструктивных элементов здания.

4. Использование обобщенного показателя, отражающбгоколичественный уровень повреждения железобетонных элементов в условиях плоского напряженного состояния,на основе методов фрактальной геометрии.

Практическая значимость работы состоит в:

1. Проведении работ по паспортизации жилого фонда населенных пунктов, включая мониторинг технического состояния зданий-представителей с оценкой динамики их физического износа и долговечности.

2. Обобщении результатов натурных вибрационных испытаний региональных типов зданий массовой застройки.

3. Внедрении в строительство сейсмостойких крупнопанельных жилых домов (серий 135с, И-163.02, И-163.04) и каркасных зданий (серии 1.120с) с техническими решениями, усовершенствованными по результатам испытаний.

4. Получении информации прогнозного характера о последствиях реальных сейсмических событий в регионе, используемой органами ГО и ЧС при разработке превентивных мероприятий на случай землетрясения.

Защищаемые положения.

1. Необходимым условием обеспечения сейсмобезопасности является проведение комплексной паспортизации зданий, включающей оценку фактического уровня сейсмостойкости опытных объектов с помощью вибрационных испытаний, создание опорной сети зданий-представителей на территории населенного пункта, мониторинг технического состояния зданий с учетом физического износа их конструкций

2. Действующая методика расчета зданий на условные сейсмические нагрузки в общем обеспечивает нормируемую сейсмостойкость сооружения, однако она требует уточнения в распределении усилий между отдельными группами конструктивных элементов в зависимости от роли последних в переходе сооружения в предельное состояние.

3. Установлено соответствие между степенями повреждений железобетонных конструкций, принятыми в классификации сейсмической шкалы, и значениями фрактальной размерности поля трещин на различных этапах нагружения.

4. Дана количественная оценка уязвимости жилищного фонда региона, включающего Прибайкалье, Забайкалье и сопредельные территории, с применением комплексной методики паспортизации зданий и стандартных моделей сейсмического риска.

Личное участие.

1. Принимала непосредственное участие в восьми испытаниях опытных объектов и их натурных фрагментов, а также в испытаниях конструкции «штепсельного» стыка колонн в заводских условиях. Основная роль автора работы при испытаниях - исследование поведения конструкций при высоком динамическом нагружении, исследование процесса тре-щинообразования в конструкциях, с последующей обработкой и анализом материалов, видео и фотофиксация повреждений и деформаций. Компьютерное моделирование отдельных этапов нагружения опытного объекта.

2. Сбор материалов и анализ существующих методик паспортизации в сейсмических районах.

3. Участие в инженерно-технических обследованиях зданий.

4. Участие в макросейсмическом обследовании последствий землетрясений 1995г., 1999г. (в районах Южного и Северного Байкала), 2001г.

5. Сбор и обработка данных о структуре застройки г.г. Шелехова, Слю-дянки, Байкальска для создания опорной сети зданий-представителей, составленных на основании результатов макросейсмического обследования реальных сейсмических событий.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на: международной конференции во Владивостоке (1997); научно- практических конференциях при ИрГТУ в Иркутске (1997, 1998, 2000); Российских конференциях по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию в Сочи (1999, 2003, 2005); международных научных конференциях при ИЗК СО РАН в Иркутске (2000, 2001, 2002, 2004, 2005); общероссийском совещании в Улан-Удэ (2001); II Всероссийской конференции в Красноярске (2001); научной конференции, посвященной 50-летию ВСГТУ в Улан-Удэ (2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 120 страниц, включая 23 рисунка и 20 таблиц. Список литературы насчитывает 122 наименования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Эксплуатация жилищного фонда в сейсмических районах Прибайкалья сопряжена с высокой степенью социально-экономического риска при прогнозируемых картами ОСР-97 сейсмических воздействиях. Для управления сейсмическим риском на основе системного подхода разработана и внедрена комплексная методика оценки надежности существующего жилищного фонда в Прибайкалье, которая включает:

- использование региональной опорной сети зданий-представителей как логического каркаса системы паспортизации жилищного фонда;

- мониторинг технического состояния зданий с применением инструментальных методов контроля процессов физического износа их конструкций и оснований;

- экспериментальные исследования «эталонных» зданий-представителей массовых серий при высоком уровне динамического нагружения, а также статические испытания отдельных конструктивных элементов;

- моделирование последствий землетрясений с использованием моделей сейсмического риска и данных паспортизации жилищного фонда на территории Прибайкалья.

2. Экспериментально-аналитические исследования показали, что фактическая сейсмостойкость современных зданий, запроектированных и возведенных в соответствии с нормами сейсмостойкого строительства, в основном соответствует расчетной. Повреждения зданий при испытаниях не превышали 2-й степени по шкале MSK-64, однако на каждом объекте были выявлены отдельные конструктивные элементы и узлы их соединения, степень повреждения которых была выше степени повреждения здания в целом на одну - две ступени.

3. Исследован механизм перехода сооружения в предельное состояние на полномасштабном фрагменте безригельного каркаса. Экспериментально установлены дифференцированные значения коэффициентов допускаемых повреждений для отдельных конструктивных элементов. На примере реального объекта показана предпочтительность введения дифференцированных значений коэффициента допускаемых повреждений (т.е. отказ от принципа равнопрочности элементов) по сравнению с повышением значений этого коэффициента для здания в целом.

4. Результаты натурных испытаний позволили усовершенствовать технические решения зданий массовой застройки: крупнопанельных - серий 135с и И-163.04, каркасных - серии 1.120с. На примере 9-10-этажных жилых домов серии И-163.02 показаны возможности модернизации крупнопанельной серии с доведением ее качественных показателей до уровня современных требований.

5. Исследованы вопросы надежности и долговечности жилых домов первых массовых серий с учетом физического износа их конструкций, в том числе наружных стен из газозолобетона. Проведен анализ экспериментальных данных, полученных в последнее время, и сделан прогноз снижения уровня сейсмостойкости и долговечности жилых домов серии 1-335КС в зависимости от сроков их дальнейшей эксплуатации.

6. Предложен обобщенный количественный показатель в виде фрактальной размерности поля трещин, отражающий уровень повреждения железобетонных конструкций при нагрузках типа сейсмических. Установлена закономерность между фрактальной размерностью поля трещин железобетонного элемента в условиях плоского напряженного состояния и степенями повреждений, принятыми в классификации сейсмической шкалы.

7. Получены оценки сейсмического риска и уязвимости жилищного фонда наиболее крупных населенных пунктов Прибайкалья и региона в соответствии с картами ОСР-97. Использован один из наиболее жестких сценариев развития сейсмических событий с магнитудой М=8 и эпицентром в зоне Главного Саянского разлома. Намечены основные пути повышения сейсмобезопасности территории Прибайкалья с учетом региональных особенностей.

Ill

1. Авиром Л.С. Надежность конструкций сборных зданий и сооружений / М., Стройиздат, 1971. 216с.

2. Айвазян С.А., Мхитарян B.C. Теория вероятностей и прикладная статистика. Том 1 / М., «ИЗДАТЕЛЬСТВО ЮНИТИ-ДАНА», 2001. 656с.

3. Айзенберг Я.М., Нейман А.И. Экономические оценки оптимальности сейсмостойких конструкций и принципы сбалансированного риска / Строительная механика и расчет сооружений, №4, 1973. С.6-10.

4. Айзенберг Я.М. Управление механизмом неупругих деформаций и повреждений конструкций при сейсмических воздействиях / Строительная механика и расчет сооружений /№1, 1986.С.64-68.

5. Айзенберг Я.М. Сейсмический риск и нормирование сейсмической опасности / В кн. Сейсмостойкость сооружений (Современные проблемы сейсмостойкого строительства). М., Наука, 1989. С.5-38.

6. Айзенберг Я.М., Гадалова А.Г. Статистический ситуационный анализ сейсмической опасности для населенных пунктов по картам «А», «В» и «С» ОСР-97 / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №6, 2000. С.37-43.

7. Айзенберг Я.М. О строительном зонировании в строительных нормах стран СНГ / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №3, 2001. С.33-37.

8. Айзенберг Я.М. Модели сейсмического риска и методологические проблемы планирования мероприятий по смягчению сеймических бедствий / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №6, 2004. С.31-38.

9. Аптикаев Ф.Ф., Гиттис В.Г., Кофф Г.Л., Фролова Н.И. Оценка сейсмической опасности и сейсмического риска (пособие для должностных лиц) / М., Центр БСТС, 1997. 54с.

10. Ю.Баранников В.Г., Кофф Г.Л., Орквасов З.В., Измоденов А.И. Киреев А.А. Архитектурно-планировочные способы снижения сейсмической уязвимости / II Национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию. М., 1997. С.110.

11. П.Баранников В.Г. Методы снижения сейсмической уязвимости зданий жилой застройки / Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. тех. наук. Улан-Удэ, 2001.

12. Барышев В.Г., Кузьменко А.П., Сабуров B.C. Диагностика технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений / Проектирование и строительство в Сибири. Новосибирск, №6(18), 2003. С.24-28.

13. Барышев В.Г., Кузьменко А.П., Сабуров B.C. Инженерно-сейсмометрическое обследование технического состояния строительных конструкций зданий / Проектирование и строительство в Сибири. Новосибирск, №6(24), 2004. С.37-43.

14. Бержинский Ю.А., Павленов В.А., Ордынская А.П., Попова Л.П. Исследования сейсмостойкости зданий и сооружений с помощью вибрационных и сейсмовзрывных испытаний опытных объектов// Литосфера Центральной Азии. Новосибирск, Наука, 1996-а. С.208-217.

15. Бержинский Ю.А. Методические основы классификации зданий по уровню их сейсмоусиления / 3-я Российская конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию. Тезисы докладов. / М., 1999. С.72-73.

16. Бержинский Ю.А.Региональная макросейсмическая шкала для Прибайкалья / Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. геол. мин.наук. Иркутск, 2001-а.

17. Бержинская Л.П., Иванькина Л.И., Ордынская А.П., Моргаев Д.Е. Результаты обследования крупнопанельного жилого дома серии 1-335 А-С в

18. Республике Бурятия / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №6, 2004-6. С. 18-21.

19. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий / М. Стройиздат, 1975. 334с.

20. Бородич Ф.М. Энергия разрушения фрактальной трещины, распространяющейся в бетоне или горной породе / ДАН, Т.325, №6, 1992. С. 11381141.

21. Быховский В.А., Гольденблат И.И. К вопросу о надежности и оптимальности сейсмостойкого строительства/ Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений. М., Стройиздат, 1967. С. 125-130.

22. Голенецкий С.И., Мыльникова Г.Л. Сейсмическая сотрясаемость Юго-Западного Прибайкалья по данным каталога сильных землетрясений / Сейсмические исследования в Восточной Сибири. М., Наука, 1981. С.62-71.

23. Гольденблат И.И., Поляков С.В., Айзенберг Я.М. Теория сейсмостойкости наука и инженерное дело / Строительная механика и расчет сооружений, №2, 1973. С.3-6.

24. Гольденблат И.И., Поляков С.В. Проблемы «инженерного риска» в теории сейсмостойкости / Строительная механика и расчет сооружений, №6, 1975. С.41-44.

25. Даниешвили М.А., Чачава Т.Н. Методика количественной оценки сейсмостойкости зданий / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №1, 1999. С. 14-16.

26. Демин Э.В., Панов А.Б. Первые итоги сейсмической паспортизации зданий и сооружений г. Улан-Удэ 1993-1997гг. / Улан-Удэ, ВСГТУ, 1998-а. 64с.

27. Демин Э.В., Панов А.Б. Инженерное обследование зданий-памятников Бурятии. Учебное пособие. / Улан-Удэ, ВСГТУ, 1998-6. 240с.

28. Дубров A.M., Мхитарян B.C., Трошин Л.И. Многомерные статистические методы / М., Финансы и статистика, 1998. С.241-269.

29. Карапетян Б.К., Карапетян Н.К. Сейсмические воздействия на здания и сооружения / М., Наука, 1978. С.46-58.

30. Карцивадзе Г.И., Бюс И.Е., Кахиани JI.A. Динамические параметры железобетонных многоэтажных каркасных зданий / Бетон и железобетон №6, 1968. С Л 8-21.

31. Кейлис-Борок В.В., Нерсесов И.Л., Яглом A.M. Методика оценки экономического эффекта сейсмостойкого строительства / М., Изд-во АН СССР, 1962. С.46.

32. Клячко М.А. Уязвимость главный фактор анализа и управления риском / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №5, 2003. С.26-28.

33. Клячко М.А. Руководство по разработке и применению сценариев бедствия на урбанизированных территориях / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №1,2004. С.22-25.

34. Кофф Г.Л. Сценарная оценка риска землетрясений и других опасных процессов / Сейсмостойкое строительство. М., ВНИИНТПИ, Вып.З, 1996. С. 17-26.

35. Кофф Г.Л., Фролова Н.И. Оценка уязвимости при сейсмических воздействиях / Сейсмическое районирование и сейсмостойкое строительство (методы, практика, перспективы). М., изд-во ГУП ЦПП, 1998.С.81-94.

36. Кофф Г.Л. Сейсмический риск ущерба от землетрясений и проблемы его оценки и снижения / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №5, 2000-а. С.25-28.

37. Кофф Г.Л., Баранников В.Г., Орквасов З.В. Комплексная оценка уязвимости объектов при сейсмических воздействиях / Память и уроки Нефтегор-ского землетрясения. Сборник докладов научно-технического семинара-совещания. Южно-Сахалинск, 2000-6. С. 138-142.

38. Крамер (Н. Cramer) Mathematical methods of statistics, Princeton University Press (русс, перевод: Математические методы статистики) / М., ИЛ, 1948. 373с.

39. Макаров И.М., Виноградская Т.М., Рубчинский А.А., Соколов В.Б. Теория выбора и принятия решений. Учебное пособие / М., Наука, 1982. С. 143

40. Мамаева Г.В. Динамические характеристики каркасных зданий / Строительная механика и расчет сооружений / №5, 1988.С.46-51.

41. Мартемьянов А.И. Сейсмостойкость зданий и сооружений, возводимых в сельской местности / М., Стройиздат. 1982-а. 176с.

42. Мартемьянов В.А., Ширин В.В.Оценка интенсивности землетрясения 8 апреля в Газли по описательной части некоторых вариантов сейсмических шкал / Газлийское землетрясение 1976г. Инженерный анализ последствий. 1982-6. С. 104-112.

43. Матвеев Е.П. Реконструкция жилых зданий. Теория, методы и технологии реконструкции жилых зданий. Часть 1 / М., 1999. 367с.

44. Медведев С.В. Экспериментальные исследования колебаний жестких сооружений при сейсмических воздействиях / Труды Института физики Земли АН СССР, Вып. 1 (168), 1958. С.98-129.

45. Медведев С.В. К вопросу об экономической целесообразности антисейсмического усиления зданий / Труды ИФЗ АН СССР, №22,1962. С.59-65.

46. Медведев С.В., Шпонхойер В., Карник В. Шкала сейсмической интенсивности MSK-64 / Междувед. геофиз. ин-т при Президиуме АН СССР М., 1965. 11с.

47. Медведев С.В. Международная шкала сейсмической интенсивности / Сейсмическое районирование СССР. 1968. С. 158-162.

48. Международные Строительные Нормы СНГ. Строительство в сейсмических районах (проект) 2002г. / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №3, 2002. С.27-54.

49. Методические рекомендации по инженерному анализу последствий землетрясений / М, ЦНИИСК, МСССС, 1980. 78с.

50. Методическое пособие по паспортизации зданий и сооружений существующей застройки г. Алма-Аты и других населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах Казахской ССР / Алма-Ата, КазПром-стройНИИпроект, 1989.

51. Методические рекомендации по обследованию и паспортизации существующего жилого фонда, зданий соцкультбыта и промышленных предприятий в сейсмических районах Иркутской области / Иркутск, ИЗК СО РАН, 1991.

52. Методическое пособие по паспортизации зданий и сооружений в сейсмических районах / Петропавловск Камчатский, ДальНИИС, 1990. 93с.

53. Научно-технический отчет «Оценка технического состояния наружных стен из газозолобетона серии 1-335 Кс с учетом физического износа» / Иркутск, ИрГТУ ИЗК СО РАН, 2005. 82с.

54. Поляков С.В., Килимник Л.Ш., Жунусов Т.Ж., Ицков И.Е., Никипорец Г.Л. Методика анализа результатов вибрационных испытаний и крупномасштабных моделей / Строительная механика и расчет сооружений. №2, 1986.С.24-28.

55. Перельмутер А.В. Об оценке социальной компоненты риска / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №3,2003. С.23-25.

56. Пособие по обследованию и оценке сейсмостойкости зданий существующей застройки (к РСН 10-83) / Алма-Ата, КазПромстройниипроект, 1986.

57. Правила оценки физического износа жилых зданий ВСН 53-86 (р). Ведомственные строительные норы / М., 1988. 71с.

58. Природные опасности России. Оценка и управление рисками. Под ред. Рагозина А.Л. / М., изд-во «КРУК», Том 6,2003. 316с.

59. Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании / М., изд-во Ассоциации Строительных Вузов, 1998. С. 107-176.

60. Рассказовский В.Т. Основы физических методов определения сейсмических воздействий / Ташкент, Изд-во «ФАН», 1973. С.85-108.

61. Рашутина Н.В., Бержинский Ю.А. Опорная сеть зданий-представителей как основа региональной макросейсмической шкалы / Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века. Новосибирск, Наука СО, 1996. С. 199-203.

62. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность / М., Стройиздат, 1978. 239с.

63. Ройтман А.Г. Надежность конструкций эксплуатируемых зданий / М., Стройиздат, 1985. 175с.

64. Савин С.Н., Артемьев А.Н., Петрунин K.JI. Методические аспекты обследования зданий и инженерных сооружений в сейсмоопасных районах / Научно-технический журнал ВНИИНТПИ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №6, 1998. С.37-38.

65. Сейсмическая шкала и методы измерения сейсмической интенсивности / М., Наука, 1975.С.110.

66. СНиП II-7-81 * Строительство в сейсмических районах (Редакция 2000г.) / М., ГОССТРОЙ России. 45с.

67. Татьков Г.И., Баранников В.Г., Данилов И.А. Инструментальное обследование зданий серии 1-306С / III национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию. Сборник тезисов докладов. М., 1999. С.110.

68. Татьков Г.И., Баранников В.Г. Оценка сейсмической уязвимости зданий и сооружений методом стоячих волн / Город: Прошлое, настоящее, будущее. Сборник научных трудов. Иркутск, ИрГТУ, 2000. С.7-12.

69. Уиггинс Дж. Принцип сбалансированного риска: новый подход к нормам проектирования зданий в сейсмических районах / Гражд. стр-во, №8 1972. С.21-29. Пер. с англ.

70. Федер Е. Фракталы. Перевод с англ. / М., Мир, 1991. 260с.

71. Ципенюк И.Ф. Повреждаемость и надежность крупнопанельных зданий при сейсмических воздействиях / Вопросы инженерной сейсмологии. Вып.29,1988. С.141-153.

72. Шебалин Н.В. О равномерности шкалы балльности / Сейсмическая шкала и методы измерения сейсмической интенсивности. М., Наука, 1975-а. С.222-233.

73. Шебалин Н.В. Распределение степеней повреждения зданий и использование его для оценки балльности/ В кн. Сейсмическая шкала и методы измерения сейсмической интенсивности. М., Наука, 1975-6. С.253-266.

74. Шебалин Н.В. Сильные землетрясения / Избранные труды РАН ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта. М., Изд-во Академии Горных Наук, 1997. С.96, 502-517.

75. Шебалин Н.В., Аптикаев Ф.Ф. Шкала сейсмической интенсивности землетрясений MMSK-92 (проект) / Магнитное поле земли: математические методы описания. Проблемы макросейсмики. Вычислительная сейсмология. Вып.34, М., ГЕОС, 2002.С.235-253.

76. Шерман С.И., Бержинский Ю.А., Павленов В.А.,Аптикаев Ф.Ф. Региональные шкалы сейсмической интенсивности.Опыт создания шкалы для Прибайкалья / Новосибирск, изд-во СО РАН филиал «ГЕО», 2003. 189с.

77. Шмидт Ф.К. Фракталы в физической химии гетерогенных систем и процессов / Иркутск, ИрГУ, 2000. 71с.

78. Grandori G. Cost-benefit analysis in earthquake engineering | Proc. VII Europ/ conf. on earthquake eng. Athens, 1982. Vol.7.P.71-136.

79. Grunthal G. European Macroseismic Scale 1992 (up-dated MSK-scale)//European Seismological Commission, Luxembourg, 1993.

80. Grunthal G. European Macroseismic Scale 1998. Luxembourg, 1998 101р.

81. Klyachko M. The DIMAK Scale for disaster Magnitude Measuring in service, "Natural Disaster Reduction" / Proc. of Conf. (Ed. by, George W. Housner, ets.)ASCE, 1996. p.76.

82. Klyachko M. Risk Acceptability Conception and Seismic Code of New Generation /12 ECEE, London, 2002.

83. Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature / New York, W.H. Freeman and Company, 1983. 468p.

84. Rational Structure Systems of Large-Panel Earthquakes Resistant Buildings. Proceedings of the Ninth European Conference on Earthquake Engineering, 1990, vol. 5.