автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка, внедрение и экспериментально-теоретические исследования новых конструкций сейсмостойких крупнопанельных зданий с "сухими" стыками и адаптивной сейсмозащитой для северной строительно-климатической зоны

/, ••, .Г ^ ? д

Сибирский государственный университет путей сообщения (НИИЖТ)

АО "Якутуглестрой"

На правах рукописи

СМЕРТИН Олег Семенович

РАЗРАБОТКА, ВНЕДРЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СЕЙСМОСТОЙКИХ КРУПНОПАНЕЛЬНЫХ ЗДАНИЙ С "СУХИМИ" СТЫКАМИ И АДАПТИВНОЙ СЕЙСМОЗАЩИТОЙ ДЛЯ СЕВЕРНОЙ СТРОИТЕЛЬНО-КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени <—------- кандидата технических наук

Новосибирск 1998

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Я.М. Айзенберг

Кандидат технических наук, доцент В. С. Казарновский

Ведущая организация (предприятие) — ЛенЗНИИЭП

Защита состоится " ¥ _ 1998 г. в

1400 часов на заседании диссертационного совета Сибирского государственного университета путей сообщения (НИИЖТа) по адресу:

630049, г.Новосибирск-49, ул.Д .Ковалъчук, 191, ауд.226

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке СГУПС (НИИЖТ)

Диссертация в виде научного доклада разослана 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А.Я. Неустроев

? -£Лу5СТГ>.Л,

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Строительство в северной строительно-климатической зоне (ССКЗ) само по себе представляет известные трудности, которые увеличиваются, если оно осуществляется в районах с высокой сейсмичностью и на вечномерзлых грунтах. Именно в таких условиях происходило строительство Байкало-Амурской магистрали (БАМ) и освоение природных ресурсов в примыкающих районах, что потребовало сооружения большого количества промышленных, гражданских и жилых зданий.

В процессе строительства возникали большие проблемы, связанные с указанными условиями, особенно в вопросах сейсмостойкого крупнопанельного домостроения. В настоящее время подобные задачи решаются путем перехода от пассивных к активным методам сейсмозащиты. Накоплен определенный опыт проектирования и строительства зданий с такой защитой, например, в Ашхабаде, Алмате, Бишкеке, Севастополе, Тынде, Петропавловске-Камчат-ском.

Существуют также предложения ЦНИИСК им. Кучеренко, институтов Казахстана, Закавказья, Молдавии и др. по принципиально новым методам сейсмозащиты для разных типов зданий. Каждая из упомянутых выше конструкций эффективна лишь при определенных условиях их применения. Для районов ССКЗ, где помимо сейсмических воздействий на сооружение влияют усилия от неравномерных осадок оснований, вызванных наличием вечной мерзлоты, требуется разработка специальных методов сейсмозащиты.

Существенными моментами для строительства зданий в ССКЗ являются сроки монтажа конструкций и объемы "мокрых процессов". Однако в типовых проектах, предлагаемых проектными институтами для районов ССКЗ, эти проблемы не нашли должного практического разрешения.

Цель и задачи работы. Основной целью предлагаемого ~ исследования является разработка и экспериментально-теоретические исследования новых конструктивных решений сейсмостойких зданий для регионов северной строительно-климатической зоны гг (ССКЗ). В свете решения этой проблемы автором сформулированы следующие задачи работы:

— оценка современного состояния конструктивных решений зданий и сооружений на вечной мерзлоте при высокой сейсмичности;

— разработка новых конструктивных решений сейсмостойких крупнопанельных зданий, обеспечивающих возможность ведения монтажных работ в течение всего года и снижение уровня сейсмических воздействий на здание;

— экспериментально-теоретические исследования элементов зданий с "сухими" стыками и адаптивной сейсмозащитой;

— совершенствование технологии монтажа зданий в северной строительно-климатической зоне для снижения многодельности и трудоемкости работ;

— оценка экономической эффективности предложенных решений.

Методика исследовании. Методика исследований базируется на аналитическом обобщении большого экспериментального материала и производственного опыта, полученного автором на строительстве многочисленных объектов БАМа и в г. Нерюнгри. Наряду с этим широко использовались расчетно-теоретические методы исследования с применением современной вычислительной техники.

Научная новизна работы. Впервые в практике отечественного домостроения были разработаны и построены девятиэтажные жилые дома с "сухими" стыками и активной адаптивной сейсмозащитой. Эксплуатационная надежность этих зданий в условиях сейсмических воздействий гарантирована проведенным комплексом научно-исследовательских работ, в том числе имитирующих сейсмические воздействия большой силы (до восьми баллов).

Апробация. Материалы работы докладывались и обсуждались на:

— второй республиканской научно-практической конференции "Дорожные изделия повышенной долговечности для районов Крайнего Севера", 1985 г., г. Уфа;

— республиканской научно-практической конференции "Опыт создания и внедрения высокоэффективных сейсмостойких систем для условий Крайнего Севера", 1987 г., г. Мурманск;

— научно-практической конференции "Эффективные конструктивные решения по обеспечению сейсмостойкости жилищно-гражданского строительства в северной климатической зоне" 21— 25 августа 1989 г., г. Нерюнгри;

— научно-технической конференции Сибирского регионального научного центра Академии транспорта Российской Федерации, 17 марта 1995 г., г. Новосибирск;

— а также на многочисленных координационных совещаниях, проводимых в ЛенЗНИИЭПе, ЦНИИСКе им. В.Кучеренко,

ЦНИИЭПжилища, Якутгражданпроекте, Нерюнгринском домостроительном комбинате по вопросам исследования, проектирования, разработки технологий и обеспечения долговечности конструкций жилищного, гражданского и дорожного строительства в северной строительно-климатической зоне при высокой сейсмичности.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований автора нашли техническое применение при разработке проекта жилых домов типовой серии 122Н для районов Южной Якутии и Байкало-Амурской магистрали. Эта типовая серия запущена в заводское производство на Нерюнгринском ДСК и по ней построены к настоящему времени большие комплексы сейсмостойких и технологичных жилых домов. Экономический эффект, достигнутый при внедрении серии 122Н, только на Нерюнгринском ДСК составил около 3 млн рублей в год (в ценах 1984 г.) при сокращении сроков монтажа зданий почти в два раза.

Принципы, предложенные автором для обеспечения долговечности железобетона, нашли реальное воплощение не только в жилищном строительстве, но и в производстве изделий на Нерюнгринском ДСК для дорожного строительства.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных работ и получено 3 авторских свидетельства.

2. Конструктивные решения зданий и сооружений на вечной мерзлоте при высокой сейсмичности

2.1 Природно-климатические и инженерно-геологические условия в регионе БАМа

Наиболее характерными особенностями региона БАМа являются неосвоенность территорий, удаленность от промышленных и культурных центров, суровый климат, наличие вечномерзлых грунтов, высокая сейсмичность, гористая местность и др. Эти обстоятельства потребовали от проектировщиков и строителей большой работы по обеспечению необходимой надежности и долговечности всех транспортных, гражданских и промышленных зданий и сооружений, обеспечивающих нормальную эксплуатацию железнодорожной магистрали.

Весь регион БАМа восточнее Байкала относится к северной строительно-климатической зоне и характеризуется суровым климатом, продолжительностью зимнего периода до 8 месяцев, сред-

негодовыми температурами до -11,4°С, среднемесячными температурами воздуха в январе до ~Зв,6°С, температурами наиболее холодной пятидневки до ~49°С, а суток до —51°С при самом низком их значении — 61 °С.

Отмеченные климатические особенности оказывают сильное влияние на сложность и продолжительность строительства, на выбор методов работ, на затраты труда. В таких условиях снижается производительность труда в два и более раз, особенно при неблагоприятном сочетании низких температур и сильного ветра, в несколько раз возрастает стоимость работ. Все это предопределяет необходимость повышения удельного веса полносборного строительства объектов транспортного, жилого и гражданского назначения.

Особенно большие трудности у проектировщиков, строителей и эксплуатационников вызывает наличие вечномерзлых грунтов на большей части трассы БАМ, имеющих среднегодовую температуру на глубине 10 м до —3°С.

Поведение грунтов в деятельном слое зависит от многих факторов: рельефа местности, мощности снегового покрова, вида растительности, осадков, температуры окружающей среды, интенсивности солнечной радиации и т.д. Все эти обстоятельства сильно влияют на выбор площадки строительства, конструкции фундамента и способа его сооружения.

При строительстве на вечномерзлых грунтах применяют два основных принципа их использования:

I — с сохранением мерзлого состояния в течение всего периода эксплуатации сооружения,

II — без его сохранения.

При этом в любом случае требуются дополнительные затраты на обеспечение устойчивости зданий и сооружений.

На значительном протяжении трасса БАМа проходит по территории с высокой сейсмичностью земной коры, в основном, в 7...9 и даже до 10 баллов, причем в ряде случаев со сдвигами пород по вертикали, трещинами, сбросами и оползнями. Предполагается, что в этом регионе землетрясения с интенсивностью 8 баллов возможны через 10... 15 лет, 9 баллов — через 60...70 лет и 10 баллов — через 200...250 лет.

Сочетание сейсмической активности территории с вечно-мерзлыми грунтами приводит к существенному снижению сопротивления грунтов, если строительство ведется по принципу II.

По этой причине более предпочтительным следует считать строительство зданий и сооружений по принципу I, при котором жесткость скелета грунта и его сопротивляемость сейсмическим воздействиям оказываются более высокими (за счет смерзания частиц грунта).

Перечисленные обстоятельства требуют особого подхода к проектированию и строительству зданий и сооружений, приводят к необходимости дополнительных исследований, направленных на повышение их эксплуатационной надежности и долговечности.

2.2 Типовые решения жилых зданий для ССКЗ

Для районов ССКЗ наиболее распространенными являются бескаркасные панельные здания с малым шагом поперечных стен, не превышающим 3,6 м, при панелях перекрытий "на комнату" с их опиранием по контуру. Такие здания обладают наибольшей жесткостью и прочностью, что позволяет их применять во всех мерзлотно-грунтовых условиях, а при выполнении ряда антисейсмических мероприятий — также и в сейсмических зонах.

К числу типовых проектов таких зданий относятся проекты жилых домов серии 1-464 ВМ (Якутск), 1-464 АСП (Магадан) и 111-112 (Воркута, Норильск).

В наибольшей степени требования современного блочно-сек-ционного проектирования удовлетворены в проекте девятиэтажных крупнопанельных домов серии 111-122, которые начали строить с 1981 года. Особенностью блок-секций таких домов является устройство специального цокольного технического этажа для размещения входной зоны дома, инженерного оборудования и коммуникаций (с проветриваемым подпольем).

Пространственная жесткость и устойчивость зданий обеспечивается за счет совместной работы продольных и поперечных стен с перекрытиями. Соединение сборных элементов производится путем сварки закладных деталей, а наружных стен с внутренними — с помощью петлевых выпусков с последующим замо-ноличиванием стыков.

В условиях ССКЗ наиболее уязвимыми являются стыки между стеновыми панелями и зоны сопряжения панелей с оконными и дверными коробками. В зданиях с однослойными панелями обьгано используются стыки с жесткими (малоподатливыми) связями, устраиваемыми путем приварки металлических листов или уголков к закладным деталям соединяемых элементов с последующим заполнением зазоров между ними цементным раствором.

В зданиях с трехслойными панелями чаще всего стыки имеют гибкие связи между наружными и внутренними слоями панелей. Такие связи обеспечивают независимость статической работы этих слоев при изменении температуры наружной поверхности стен (зимой и летом) до 100...120°С. Соединительные детали между несущими элементами обычно устраивают во внутреннем слое панели, находящемся в условиях постоянной температуры, что позволяет исключить возникновение сквозных теплопроводных включений — мостиков холода, которые могут быть в стыках с жесткими связями.

Однако до настоящего времени нет совершенных конструкций стыков, в которых полностью или частично были бы исключены сварка и мокрые процессы при обеспечении необходимых прочностных и теплозащитных свойств наружных стен.

2.3 Влияние вечномерзлых грунтов и сейсмических воздействий на конструкции зданий

Конструкция здания зависит от выбранного принципа строительства. При использовании наиболее предпочтительного принципа I, как правило, не происходит значительных осадок фундаментов, но требуются высокая культура производства работ, а также дополнительные затраты средств, труда и времени на поддержание расчетного теплового режима грунтов основания как в процессе строительства, так и во время эксплуатации сооружения.

При строительстве по принципу I наиболее благоприятными являются скальные, рыхлые обломочные и дисперсные грунты, если они находятся в твердомерзлом состоянии (при среднегодовой температуре не выше 0°С — для крупнообломочных грунтов, — 0,1°С — для крупных и средних песков, —0,3°С — для мелких и пылева-тых песков, — 0,6°С — для супесей, — 1,0°С — для суглинков и —1,5°С — для глин).

Конструктивные решения сопряжений здания с вечномерз-лыми грунтами, применяемые для сохранения мерзлоты, весьма разнообразны. Они могут быть с устройством утепленного пола на подсыпке (из гравия, щебня, песка или гравийно-песчаной смеси), невентилируемого подполья (в небольших по размерам зданиях в плане), а также холодного, чаще естественно, реже искусственно вентилируемого подполья (только в летнее время или круглогодично).

Во многих случаях сохранение вечной мерзлоты затруднено или практически невозможно. Тогда приходится ориентироваться на принцип II, при котором осуществляется оттаивание грунтов в основании здания либо до начала его сооружения, либо в процессе эксплуатации.

В первом случае осадка здания к концу его возведения достигает 80...90 %, а во втором случае длится в течение 15...30 лет, что необходимо учитывать при проектировании здания, добиваясь обеспечения равномерности деформаций основания.

Строительство по принципу II в основном применяют при наличии в основании фундаментов коренных пород или малопро-садочных песчаных и гравелистых грунтов. Высокотемпературные вечномерзлые грунты (при среднегодовой температуре выше —0,3...—1,5°С) могут находиться в пластичномерзлом состоянии, при котором неизбежны значительные неравномерные деформации основания. С учетом ранее перечисленных обстоятельств предельные размеры крупнопанельных зданий и их отсеков между деформационными швами принимают не более 60 м при строительстве по принципу I и не более 20...40 м — по принципу II.

Для каждого отсека бескаркасного здания наиболее целесообразной следует считать жесткую конструктивную пространственную схему с продольными и поперечными несущими стенами и с перекрытиями, опертыми по контуру.

Специфической особенностью многоэтажных жилых домов (в девять и более этажей) на вечномерзлых грунтах является устройство технического цокольного этажа, предназначенного для свободной прокладки инженерных коммуникаций и расположенного над проветриваемым подпольем (дома серии 1-464-13М и 111-112) В домах до пяти этажей обычно ограничиваются устройством технического подполья. Опыт строительства домов с техническим чердачным этажом (дома серии К-69) оказался неудачным.

Большая часть региона БАМ с вечномерзлыми грунтами одновременно находится в зоне землетрясений силой 7...9 баллов. В таких условиях могут быть более значительными разрушающие воздействия сейсмических нагрузок на здания. Известно, что сейсмичность строительной площадки зависит от сейсмичности района, сейсмической жесткости грунта, возможных резонансных явлений, положения уровня грунтовых вод, угла наклона поверхности грунта и т.д.

В практических расчетах чаще всего ограничиваются корректировкой величины сейсмичности района. При этом повышают ее на один балл, если строительство ведется по II принципу на вечномерзлых нескальных грунтах, так как появление чаши оттаивания приводит к неравномерным осадкам фундаментов