Сейсмоизолирующие опоры зданий¶

Сейсмоизолирующие опоры зданий — это конструктивные элементы системы сейсмической изоляции, размещаемые между фундаментом и надземной частью здания (или между отдельными этажами) для снижения сейсмических нагрузок на несущие конструкции. Основной принцип работы опор заключается в увеличении периода собственных колебаний здания и рассеивании энергии землетрясения, что позволяет избежать резонансных явлений и уменьшить ускорения, передаваемые на верхние этажи.

¶История развития

Первые теоретические обоснования сейсмоизоляции появились в начале XX века. В 1909 году английский инженер Джон Милн предложил конструкцию здания на шаровых опорах, однако практического применения эта идея не получила. В 1920-х годах в Японии проводились эксперименты с деревянными катками, закладываемыми под фундамент. Современная эпоха сейсмоизоляции началась в 1960–1970-х годах с внедрением резинометаллических опор. В 1969 году в Югославии (Скопье) было построено первое здание на эластомерных опорах. В России первые здания с сейсмоизолирующими опорами появились в 1980-х годах в Ташкенте и Сочи, а массовое внедрение технологии началось в 2000-е годы в Сочи при подготовке к зимним Олимпийским играм 2014 года.

¶Классификация опор

Сейсмоизолирующие опоры подразделяются на несколько основных типов по принципу работы и конструктивному исполнению.

¶Резинометаллические опоры (эластомерные)

Наиболее распространённый тип. Представляют собой многослойный «сэндвич» из листов резины и стальных пластин, соединённых методом вулканизации. Стальные листы обеспечивают вертикальную жёсткость, а резина — горизонтальную податливость. Опоры способны выдерживать высокие вертикальные нагрузки (до 800 тонн и более) и обеспечивать горизонтальные перемещения до 300–400 мм.

¶Свинцово-резиновые опоры

Разновидность резинометаллических опор, в центральном отверстии которых размещён свинцовый сердечник. Свинцовый стержень работает как демпфер: при горизонтальных смещениях он пластически деформируется, поглощая значительную часть сейсмической энергии. Такие опоры сочетают функции несущего элемента и устройства диссипации энергии.

¶Фрикционно-скользящие опоры

Работают по принципу сухого трения. Здание устанавливается на опорные плиты из высокопрочных материалов (например, политетрафторэтилен и нержавеющая сталь). При землетрясении надземная часть здания скользит по фундаменту, а сила трения рассеивает энергию. К этому типу относятся маятниковые опоры с вогнутой поверхностью скольжения, которые обеспечивают самовозврат здания в исходное положение под действием гравитации.

¶Гибридные и комбинированные системы

Включают сочетание различных типов опор, а также дополнительные демпферы (вязкостные, гистерезисные, пневматические). Например, система из резинометаллических опор с дополнительными вязкостными демпферами позволяет оптимизировать как жёсткость, так и энергопоглощение.

¶Устройство и принцип работы

Сейсмоизолирующая опора состоит из верхней и нижней монтажных плит, которые крепятся соответственно к зданию и фундаменту, и рабочего элемента (эластомерного массива, скользящей пары и т.д.). Вокруг опор устраивается зазор (сейсмический шов), обеспечивающий свободу горизонтальных перемещений. В инженерных коммуникациях (трубопроводах, кабелях) предусматриваются гибкие вставки, компенсирующие взаимные смещения.

При землетрясении фундамент здания повторяет колебания грунта, а надземная часть благодаря опорам остаётся практически неподвижной в начальный момент. Период собственных колебаний здания на опорах увеличивается с 0,3–0,5 секунды (для жёсткого здания) до 2–3 секунд и более. Поскольку большинство разрушительных землетрясений имеют пик энергии в диапазоне периодов 0,1–0,8 секунды, здание уходит из резонансной зоны. Горизонтальные ускорения на верхних этажах снижаются в 2–5 раз по сравнению с обычным зданием.

¶Применение

Сейсмоизолирующие опоры применяются при строительстве и реконструкции:

• жилых зданий и высотных комплексов в сейсмоопасных районах (сейсмичность 7–10 баллов);
• ответственных объектов инфраструктуры — больниц, школ, пожарных депо, центров управления;
• мостов и эстакад (для изоляции пролётных строений от опор);
• объектов атомной энергетики и химической промышленности;
• культурных и исторических памятников при их усилении.

В России технология применена при строительстве объектов олимпийской инфраструктуры в Сочи, жилого комплекса «Алые Паруса» в Сочи, ряда зданий в Петропавловске-Камчатском, Южно-Сахалинске и Иркутске.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам сейсмоизолирующих опор относятся: значительное снижение сейсмических нагрузок, повышение сохранности оборудования и внутренней отделки, возможность применения типовых конструктивных решений без усиления каркаса, экономическая эффективность для зданий высотой от 3 до 15 этажей.

Недостатки: высокая стоимость опор и монтажа (3–7 % от стоимости здания), необходимость регулярного осмотра и замены резиновых элементов (срок службы 50–70 лет), ограничения по высоте зданий (для высотных зданий требуется комбинирование с другими системами гашения колебаний), чувствительность к неравномерной осадке фундамента.

¶Интересные факты

• Крупнейшим зданием на сейсмоизолирующих опорах в мире является аэропорт Стамбула (Турция), оборудованный более чем 300 опорами.
• В Японии более 9 000 зданий оснащены системами сейсмоизоляции, включая небоскрёбы, где опоры комбинируются с активными демпферами.
• Первым зданием в России, построенным полностью на резинометаллических опорах, считается жилой дом в Сочи, возведённый в 2005 году.