Технология сейсмостойкого строительства
для будущего
И.С. Никифоров,
ректор Центра дополнительного
профессионального образования
«Безопасность жизнедеятельности,
управления и развития»
Имеется так называемая трагедийная шкала человечества – какие бедствия унесли столько-то человеческих жизней
и нанесли такой-то материальный ущерб. До начала XVIII века на первом месте была чума вкупе с холерой и оспой.
А как эта шкала выглядит в начале III тысячелетия? Если учесть, что с чумой, холерой, оспой покончено,
плюс имеются весомые надежды, что будет поставлен заслон СПИДу, то на пердний план выходят стихийные бедствия.
Кто среди этой группы катастрофы – «чемпион»? Оползни? Наводнения? Тайфуны? Цунами? Смерчи? Нет.
«Чемпион» по разрушениям и человеческим жертвам, оставившим позади все остальное, вместе взятое, – ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ.
Земля, по образному выражения министра по делам ЧС и ГО Шойгу С.К. «начала активно дышать».
Вспомним недавние события в нашей стране: Ашхабадское, Газлинское, Спитакское, Нефтегорские землетрясения.
И вот неприятная новость: только что – 25-26 апреля с.г. – печальная участь постигла Тбилиси.
За последние три года произошел ряд крупных землетрясений и за рубежом, в том числе в январе 2001г. в Индии,
унесшее, по неполным данным, свыше ста тысяч жизней и причинившее ущерб на сумму свыше 5 миллиардов долларов.
Вместе с тем, пока в деле нахождения гарантированных средств защиты от землетрясений с магнитудой до 9 – 9,5 балла
не найдено реально перспективных технических решений.
Это не означает, что инженерная мысль стоит на месте, что не ищутся эффективные способы защиты. Улучшилось наблюдение
за «дыханием» земли, определены районы наибольшей сейсмоактивности. Улучшилась служба предсказаний землетрясений,
созданы особо прочные материалы для строительства в сейсмоопасных зонах, разработаны многочисленные принципиальные схемы,
предложены конструкции сочленений, гибких узлов и многое-многое другое. Вместе с тем – и об этом нужно сказать прямо
– большинство аторов предложений улучшают, упрочняют, усиливают конструкции, но не предлагают революционных решений.
Наши предложения (проверенные тридцатилетним опытом в другой сфере, сходной в процессуальном отношении – в сфере виброзащиты), как мы надеемся, могут решить проблему виброзащиты от землетрясений большой интенсивности. Конечно, ее одним махом, даже если схемы, предложенные нами, докажут свою эффективность, – не решить. Ведь не перестроить же города, их инфраструктуру, создававшуюся веками за годы и даже десятилетия. Здесь ситуация посложней, скажем, чем переход от конной тяги к автомобилям. Но начинать надо. В своих предложениях мы исходим из новой и, как нам кажется, вполне достоверной теории сейсмозащиты С.Б. Смирнова. Согласно этой теории считается, что ускорения грунта при особо мощных землетрясениях за период 8 – 12 мсек могут достигать многих тысяч g , а скорость нагружения на это время достигает такой гигантской величины, при которой происходит качественный скачок в условиях равновесия гибких элементов. В этой связи, по мнению С.Б. Смирнова, основанного на изучении тысяч снимков разрушенных зданий и на результатах собственных экспериментальных исследований, в условиях деформирования и разрушения гибких элементов наблюдается также скачок. Устойчивая изгибная форма кратковременно сменяется на неустойчивую сдвиговую. В результате несущие элементы как бы срезаются, что хорошо видно на снимках Нефтегорского землетрясения.
Мы не будем полемизировать как с автором данной концепции – С.Б. Смирновым, – так и с его оппонентами, некоторые из которых находят достаточно спорной рассматриваемую теорию. Вне зависимости от того, что является приоритетным источником разрушения здания – срезание (раздавливание), резонансные явления, особенно при вертикальных толчках, или неравномерные просадки грунта, – главным является тезис: практика должна доказать правомерность тех или иных средств защиты от землетрясения. Наши предложения базируются не только на общепринятых воззрениях о максимально возможной защищенности здания, строения в зоне возможного землетрясения, но и на новом принципиальном подходе.
Его суть: энергию удара можно НЕ ДОПУСТИТЬ до объекта защиты.
Сегодня используется другой принцип. Строители стремятся, вместо принятого, укрепить конструкцию здания так, чтобы ПРОТИВОСТОЯТЬ удару, выдержать его по показателям прочности и устойчивости. Конечно, полностью изолировать объект защиты от сейсмоудара невозможно. Мы ставим вопрос так: ослабить удар в 3-8 тысяч раз. Это уже немало, это значит, что здание 9-балльное землетрясение воспримет как 5,5-бальное.
Основное средство: Мы предлагаем принципиальные схемы с использованием механических накопителей энергии, которые в принципиальном плане напоминают известный в радиотехнике резонансный контур LC (индуктивность-емкость). Роль L в механике играет пружина, а роль С играет устройство отрицательной жесткости. Здесь уместно упомянуть имена сибиряков, внесших особый вклад в теоретическое обоснование идеи – профессоров П.М.Алабужева и Г.С. Мигиренко.
В СибГУТИ построена физическая модель сейсмозащитной установки, на которой проверялись принципы конструирования.
Результаты были весьма обнадеживающими, на основании чего можно прогнозировать следующие технические характеристики ССЗ:
– максимально возможная
амплитуда сейсмовоздействия
при её 95% поглощении, мм до 150
– максимально возможная
амплитуда сейсмовоздействия
при её 99% поглощении, мм до 80
– вес объекта защиты без
ограничений
– вес технических средств 0,5-1,5 от
сейсмозащиты веса объекта
– рабочий диапазон температур без
ограничений
– сохранность сейсмозащитных до 100 лет
средств
– ослабление магнитуды сейсмовоздействия:
в диапазоне 1,0-3,0 Гц в 2-5 раза
в диапазоне 3,0-10,0 Гц в 5-20 раз
в диапазоне 10,0-50,0 Гц в 20-200 раз
при импульсном и ударном
воздействии (при сейсмоударе) в 5000-10000 раз
– соотношение сейсмогасящих свойств по осям:
Z : У : Х = 5 : 2,5 : 2,
где Z – вертикальная ось;
У – поперечная ось;
Х – продольная ось (оси устанавливаются относительно направления несущих тросов).
Следовательно, даже при 9 – 9,5-балльном землетрясении, предлагаемые ССЗ обеспечат живучесть и сохранность зданий,
сооружений, технологического оборудования, эксплуатируемых в условиях ожидаемых особо опасных землетрясений
интенсивностью (до 9,5 балла). Объектами сейсмозащиты являются сооружения каркасного или монолитного типа (твердое тело).
Впервые в мировой практике создаются ССЗ (средства сейсмозащиты), отличающиеся:
– использованием эффекта прямого маятника и особо сконструированных упругих элементов, позволяющих обеспечить необходимое сглаживание фронтов ударных волн при одновременной возможности защиты объектов весом в тысячи тонн;
– применение накопителей механической энергии сейсмоударных волн, позволяющих преобразовать, а, следовательно, не передать на защищаемый объект до 95 – 99,9 % энергии;
– использованием упругих упоров, безударно ограничивающих амплитуду раскачивания объекта;
– обеспечением пространственности сейсмозащиты при сохранении устойчивости объектов;
– использованием эффекта «якорения», увеличивающего возвращающее усилие и способствующего стабилизации положения объекта сейсмозащиты в пространстве.
Коллективы, занимающиеся разработкой технических средств сейсмозащиты, имеют многолетний опыт (свыше 30 лет) научных и опытно-конструкторских работ в данной и смежных областях. Конкретно:
– ими получено свыше сорока авторских свидетельств и патентов на устройства и способы использования устройств отрицательной жесткости в механизмах, существенно снижающих уровень колебаний;
– опубликовано около 200 работ по данной тематике;
– написано и зарегистрировано 35 научных отчетов;
– разработано свыше 30 комплектов чертежно-технической документации; по которым на трех заводах г. Новосибирска начат выпуск соответствующих изделий;
– разработаны нормативно-технические документы, в т. ч. получены установленным образом сертификаты соответствия и технические условия;
– проведены лабораторные, стендовые и натурные испытания, показавшие хороший результат;
– имеется опыт оказания сервисных услуг предприятиям, где эксплуатируются изделия, основанные на использовании наших «ноу-хау».
Теперь поговорим об экономике данного варианта сейсмозащиты. Расчеты показывают, что снижение затрат при такого рода строительстве исчисляется цифрами: в 3-7 раз. Рынок сбыта для этих технологий – огромен. Это сейсмоопасные зоны планеты, где требованиями СНиПов устанавливается 8 – 9 – 10-балльная величина предполагаемых землетрясений и где возможны как вертикальные, так и горизонтальные колебания почвы. Таких зон на планете много: это – Дальний Восток (Япония, Камчатка, Тайвань, Север Китая и т. д.); это – Центральная Америка (Калифорния, Мексика и т. д.); это – Средняя Азия (Турция, Афганистан, Узбекистан и т.д.); это – Европа (Югославия, Греция, Италия); это – Восточная Сибирь. Фактический ежегодный ущерб от землетрясений оценивается сотнями миллиардов долларов. Вместе с тем гарантированных технологий сейсмостойкого строительства пока нет. Снижение магнитуды сейсмоудара в 5-10 раз считается пока наилучшем достижением. Наша «ниша» – обеспечение ГАРАНТИРОВАННОЙ защиты объектов от землетрясений с магнитудой 7,5 – 10 баллов при пространственных ударах (не только вертикальных, но и горизонтальных), с выполнением требования уверенного срока службы до 70-100 лет при сохранении сейсмозащитных свойств – НЕ ЗАНЯТА.
Несмотря на большое количество фирм и научных центров, выполняющих исследования и работы в данной сфере, использованием идей применения принципов отражения сейсмоудара и недопущения энергии землетрясения до объекта защиты ПРАКТИЧЕСКИ НИКТО НЕ ЗАНИМАЕТСЯ. Причин этому несколько. Первая: явление отрицательной жесткости и использование элементов, потерявших устойчивость мало изучено и в научных кругах вызывает определенное недоверие. Понятие «заневоленная» («прирученная») неустойчивость в ряде случаев встречает непонимание. Вторая: научный задел по использованию явления отрицательной жесткости мал, теоретическое осмысление явления ведется отдельными группами энтузиастов, без координации, систематических публикаций; изучение структур и элементов, потерявших устойчивость требует осторожности и одновременно настойчивости, поскольку часто отрицательная жесткость «не дается в руки»; элементная база отрицательной жесткости пока не так широка, как хотелось бы.
Несколько слов о наших планах. Мы запантетовали данное изобретение. Просчитали результаты на математических моделях. Разработали основы упругих компонентов и модель для объекта весом в 200 кг, получив хорошие результаты инструментальных измерений по всем трем осям (x, y, z).
На очереди создание модели в 1000-2000 кг. с заменой внешнего наблюдателя на внутреннего (т.е. мы построим как бы «дом», в котором будут люди). Мы разработали долгосрочную программу работ, обеспечили их некоторым финансированием (за счет внутренних резервов). Мы надеемся на успех.
Выводы и предложения
1. За предложенной технологией сейсмозащиты – большое будущее.
2. Ее можно совместить с другими мероприятиями, обеспечив предлагаемыми ССЗ здания для систем управления
инфраструктурой городов.
3. Придет время – данная технология принесет Новосибирску и его машиностроительному комплексу новые рабочие места и существенную прибыль.
Дополнительную информацию по сейсмостойким технологиям строительства
можно получить по
тел. (383-2) 66-80-22,
тел./факс (383-2) 66-81-30
|
