Землетрясение в Турции вскрыло не только проблему некачественного строительства несущих систем, но и проблему сейсмостойкости фасадов домов. Конструкции фасада современных строений должны обладать высоким уровнем несущей способности.
Фото: Susana Vera, Reuters
Фото: Susana Vera, Reuters
Фасады не только создают архитектурный образа здания, но и выполняют много других функций. Внутри фасада спрятано много важных конструкций: несущие стойки и балки, элементы облицовки, тепло- и гидроизолирующие элементы, конструкции крепления фасада к несущей системе зданий и многие другие. От правильных конструктивных решений фасада и от технологии его монтажа зависят как эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций, так и общая надежность этого важнейшего элемента здания.
Все фасады, как любые упругие и упруго-пластические системы, умеют динамически откликаться на внешние воздействия, например ветровые или сейсмические. Здание должно выдержать удары воздуха или колебание земли.
Современные архитектурные решения зданий привели к появлению сложных фасадных конструкций, которые ранее не встречались в строительной практике, например фасады большой высоты (свободная высота более 5 м) или фасады с минимальным объемом несущих элементов (предпочтительными являются фасады без горизонтальных балок). Ученые Национального исследовательского Московского государственного строительного университета (МГСУ) проводят экспериментально-теоретические исследования динамического поведения отдельных конструктивных элементов, в том числе фасадных и других видов ненесущих конструкций. Результаты этих исследований позволяют получить научно обоснованную оценку сейсмостойкости фасадов, а также их устойчивости к динамической компоненте ветровых воздействий.
Такая оценка базируется по уникальной характеристике фасадной конструкции — коэффициенте динамичности. И этот коэффициент является объективной индивидуальной механической характеристикой конструкции, такой же как масса или линейный размер. Экспериментальные исследования по определению коэффициента динамичности выполняются на специальном стенде, где образец получает динамические нагрузки, соответствующие действующим регламентам. Стендовые испытания фасадных систем хорошо себя зарекомендовали в фасадной отрасли, их выполняют изготовители с наибольшими объемами выпуска фасадных конструкций.
В рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» планируется совершенствование стенда динамических испытаний с увеличением высоты исследуемых образцов, повышения жесткости ряда элементов стенда, дополнительного оснащения датчиками повышенной чувствительности. Реконструкция позволит выполнять испытания фасадов с прямым исследованием образцов-представителей, что снимает вопросы влияния масштабного эффекта.
Инновационный экспериментально-теоретический метод оценки сейсмостойкости фасадных конструкций разработан и внедрен в научную практику группой ученых НИУ МГСУ под руководством кандидатов технических наук института экспериментальной механики Аркадия Грановского и Владимира Смирнова.
Владимир Смирнов, к.т.н., заведующий лабораторией динамики сооружений НИИ ЭМ, НИУ МГСУ:
— Что такое динамический отклик зданий и сооружений на внешние воздействия?
— При внешних воздействиях внешние силы выводят конструкции из положения равновесия. При этом конструкции стремятся сохранить устойчивое положение равновесия и за счет работы внутренних сил возвращаются в него. Таким образом, они совершают некоторую работу, которую мы называем откликом сооружений. Это по сути дела реакция сооружения на внешнее воздействие. Реакция может быть различной: от простого перемещения в исходное состояние до колебательного процесса, который может как затухать, так и, что самое неблагоприятное, нарастать во времени, приводить в том числе и к разрушению элементов несущих систем.
— Как рассчитывают устойчивость здания к порывам ветра или землетрясениям?
— Для расчетов разработаны специальные методики, которые проверены на сотнях экспериментальных исследований и внедрены в текущие нормы проектирования — своды правил. Большинство современных зданий рассчитывают с применением специализированных программ, что позволяет учесть все многообразие конструктивных схем зданий, а также детально смоделировать различные варианты ветровой нагрузки или сейсмического воздействия.
— Какие есть способы снижения влияния сильных ветров и землетрясений на высотные здания?
— Полный перечень методов снижения ветровых или сейсмических колебаний достаточно широк. Остановимся на наиболее часто встречаемых. Во-первых, это снижение колебаний (а ветер или сейсмическое воздействие вызывает в первую очередь раскачку сооружения) за счет оптимального проектирования несущей системы здания. При этом в высотных зданиях проектируют оптимальное с точки зрения повышения жесткости расположение ядер жесткости (обычно в качестве них выступают лестнично-лифтовые узлы), аутригерных этажей (этажи повышенной жесткости), несущей пространственной системы из плит перекрытий и вертикальных несущих конструкций (пилоны, колонны).
Во-вторых, прибегают к применению динамических гасителей колебаний. Они призваны изменить резонансную частоту сооружения и рассеять энергию колебаний, вызванную внешним воздействием. Такие системы применяются на мачтовых сооружениях, стеллах (стелла на Поклонной горе, например, содержит в себе три гасителя колебаний для снижения резонанса), в высотных зданиях (наиболее известный пример — здание Taipei 101, элементы башен «Москва-Сити»).
Зачастую при проектировании высотных сооружений проводят сложные аэродинамические расчеты для определения оптимальных форм здания, ведь за счет снижения вихреобразования удается снизить амплитуды колебаний.
Испытания при проектировании фасадной системы зданий и сооружений, которые будут расположены в сейсмически опасных районах
Фото: Предоставлено МГСУ
Испытания при проектировании фасадной системы зданий и сооружений, которые будут расположены в сейсмически опасных районах
Фото: Предоставлено МГСУ
— Что такое коэффициент динамичности фасада? Как его можно определить?
— Коэффициент динамичности фасада — это внутренняя уникальная характеристика конструкции навесной фасадной системы, которая зависит от его массово-инерционных и геометрических характеристик, видов крепления и используемых материалов. Коэффициент динамичности показывает, как фасад «реагирует» на внешнее воздействие в зависимости от спектра частот такого воздействия, то есть насколько больше будут амплитуды колебаний (а, соответственно, и амплитуды внутренних деформаций и напряжений) элементов фасадной системы, чем амплитуды внешнего воздействия.
Самое опасное, что происходит с такими конструкциями,— это совпадение резонансных частот элементов фасадной системы с частотами внешнего воздействия — эффект резонанса. При этом коэффициент динамичности может достигать значений от 5 до 12. И при таких значениях коэффициента динамичности фасадная система может разрушиться, что приводит к существенным потерям.
— Как проходят исследования по определению коэффициента динамичности?
— Для определения коэффициента динамичности фасадной системы необходимо смоделировать ситуацию, в которой он будет находиться при реальном сейсмическом или ином динамическом воздействии. Для этого в фасадной системе выделяют подобный элемент и устанавливают на специальный стенд, который при помощи гидравлических домкратов совершает колебания примерно также, как происходят колебания сооружений при сейсмическом воздействии. Устанавливают на элементы фасадной системы датчики (это могут быть датчики ускорений, перемещений, деформации и т. д.), которые регистрируют параметры колебаний его элементов, и сравнивают полученные на фасаде значения с исходно приложенными. Обработанный результат позволяет получить не только наглядную картину колебательного процесса фасадных конструкций в различных точках, но и, что наиболее важно, определить резонансные частоты и соответствующие им величины коэффициентов динамичности. Такие результаты научных исследований имеют выраженное практическое значение — на их основе можно выполнить расчетный прогноз сейсмостойкости фасадных конструкций для самых разнообразных условий их установки.
В целом для проведения подобных испытаний в НИУ МГСУ разработан как специальный стенд, так и методика проведения испытаний, которая прошла апробацию на множестве объектов.
— Где и как применяются результаты исследований коэффициента динамичности?
— Результаты испытаний применяют при проектировании фасадной системы зданий и сооружений, расположенных в сейсмически опасных районах. Их используют при разработке новых фасадных конструкций, для того чтобы производители могли понять, какие новые технологические решения приводят к повышению безопасности их конструкций и как можно улучшить текущие фасадные системы.
Величина коэффициента динамичности может использоваться и для мониторинга технического состояния фасадной системы в процессе эксплуатации сооружения на протяжении его жизненного цикла, поскольку при изменении каких-либо вышеописанных параметров системы произойдет изменение спектральных значений коэффициента динамичности.
Подготовлено при поддержке НИУ МГСУ