В соответствии с действующими нормативными документами [1] при проектировании кирпичных зданий в сейсмоопасных районах кроме расчетной оценки работоспособности при особых сочетаниях нагрузок необходимо выполнить еще целый ряд конструктивных требований, которые касаются прочностных характеристик кладки стен, регламентируемых размеров проемов и простенков, армирования кладки, устройства антисейсмических поясов и др.

Если при новом строительстве реализация этих требований, как правило, не вызывает особых затруднений, то в случае реконструкции зданий «старой» застройки ситуация значительно усложняется. Это вызвано в первую очередь сложностью приложения современных норм к объемно-планировочным и конструктивным особенностям конкретного объекта, таким как несимметричность здания по распределению масс и жесткостей, отсутствие оформленных антисейсмических швов, антисейсмических поясов и армирования кладки, ее низкие прочностные характеристики, деревянные перекрытия в зданиях высотой более одного этажа и так далее. Еще больше проблем возникает при реконструкции памятников истории и культуры, когда современные требования входят в противоречие с необходимостью максимального сохранения первозданного архитектурного облика здания.

Сегодня, когда концепция реконструкции зданий в сейсмически активных районах находится на стадии формирования, а нормативная документация в этой сфере отсутствует, правомерным представляется подход, основанный на приоритете расчетной обеспеченности работоспособности здания и его элементов. Он предусматривает, что назначение труднореализуемых конструктивных мероприятий осуществляется только после подтвержденного расчетами выявления недостаточной несущей способности фрагментов здания. Этот подход позволит к традиционным методам повышения сейсмостойкости зданий и сооружений добавить ряд новых, возможность применения которых должна быть подтверждена расчетами.

Рассмотрим конструктивные и расчетные особенности одного из таких методов — метода обжатия кладки, реализованного на примере усиления пожарной каланчи.

Пятиярусная каланча высотой 26,8 м и размерами по наружным обводам первого яруса 4,75*4,75 м (рис. 1) является составной частью здания пожарной части, расположенной в Иркутске по ул. Тимирязева, 33. Стены, толщиной 1,5 м на первом ярусе и 0,54 м — на пятом, сделаны из полнотелого глиняного кирпича средней прочностью на сжатие 5,2 МПа, скрепленного известково-песчаным раствором марки М10. Прочность нормального сцепления кладки составляет 43 кПа [2]. Все вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются несущими стенами каланчи. Антисейсмические мероприятия в современном их понимании не предусмотрены.

Рис. 1
Рис. 1

На первом этапе проектирования на основании обмерных чертежей пожарной каланчи при помощи AutoCAD была создана 3D-модель, которая, в свою очередь, в формате DXF была передана в SCAD 7.31.

Проектно-вычислительный комплекс SCAD 7.31 для решения поставленной задачи был выбран не случайно. Эта интегрированная система прочностного анализа и проектирования конструкций на основе метода конечных элементов позволяет сколь угодно подробно определить напряженно-деформированное состояние конструкций под влиянием статических и динамических воздействий. От других расчетных комплексов подобного класса SCAD 7.31, при прочих равных условиях, выгодно отличают продуманный интерфейс и система функций контроля исходных данных и анализа результатов расчета.

В нашем случае для принятия решения об усилении требовалась подробная информация о трехмерном напряженно-деформированном состоянии массивной каменной кладки каланчи. Полученные данные предполагалось использовать для определения уровня предварительного напряжения, при котором кладка не испытывает растягивающих напряжений в результате сейсмических воздействий.

Расчетная модель пожарной каланчи, созданная по пространственной схеме на особые сочетания нагрузок с учетом сейсмических воздействий, включает 2956 объемных и пластинчатых конечных элементов (рис. 2). Статические и динамические расчеты выполнены с учетом следующих условий:

Рис. 2
Рис. 2
  • геометрия расчетной схемы максимально приближена к трехмерной модели, построенной по обмерным чертежам сооружения: перекрытия моделировались пластинчатыми конечными элементами, а стены — объемными;
  • жесткостные параметры конечных элементов назначались с учетом геометрии конструкций и характеристик материалов;
  • характеристики кладки и величины постоянных нагрузок соответствуют полученным экспериментальным данным [2];
  • сейсмичность площадки рассчитывалась из учета 8 баллов, К1 = 0,12;
  • направления сейсмических сил — горизонтальные (вдоль, поперек и под углом 45 градусов), а также вертикальное (совместно с одной из горизонтальных);
  • величина вертикальных сейсмических сил принята равной 15% от вертикальных статических нагрузок.

Выполненные расчеты показали, что основное влияние на динамические воздействия оказывают поступательные формы собственных колебаний, соответствующие первой по плоской схеме. Периоды таких форм собственных колебаний по направлению Х составили 0,6 с, а по направлению Y — 0,64 с.

Анализ полученных в результате расчетов полей растягивающих и сжимающих напряжений (рис. 3) показал, что в существующем конструктивном исполнении в отдельных элементах стен каланчи величина растягивающих напряжений превышает соответствующее расчетное сопротивление каменной кладки стен. Таким образом, сейсмостойкость сооружения не обеспечена.

Рис. 3. Поля растягивающих напряжений в стенах каланчи до обжатия кладки
Рис. 3. Поля растягивающих напряжений в стенах каланчи до обжатия кладки

Из возможных вариантов усиления (железобетонными обоймами, сердечниками, антисейсмическими поясами и др.) был выбран метод предварительного вертикального обжатия кирпичных стен каланчи. Расчетное обоснование возможности применения этого метода проводилось на модели, существование которой обеспечивается только при условии соответствия максимального уровня полей растягивающих и сжимающих напряжений расчетным характеристикам кладки. В результате проведенного итерационного цикла расчетов была получена величина предварительного обжатия кладки, равная 600 кН, обеспечивающая приемлемый уровень напряженного состояния кирпичных стен каланчи (рис. 4).

Рис. 4. Поля растягивающих напряжений в стенах каланчи после обжатия кладки
Рис. 4. Поля растягивающих напряжений в стенах каланчи после обжатия кладки

На следующем этапе проектирования были разработаны конструктивные решения, предусматривающие предварительное обжатие кладки, проработаны узлы и детали, составлена рабочая документация.

Основными конструктивными элементами схемы усиления пожарной каланчи являются: две заведенные по периметру в стены монолитные железобетонные плиты на отметках 0,00 и 26,00 м и четыре предварительно напряженных стальных каната между ними. Натяжение канатов с их последующей фиксацией осуществляется механическими домкратами. На заключенную между плитами кладку передается сжимающее усилие общей величиной 600 кН, что исключает возникновение в стенах растягивающих напряжений и в конечном итоге обеспечивает сейсмостойкость каланчи.

Таким образом, реализация метода численного моделирования с использованием программного комплекса SCAD 7.31 позволила значительно снизить стоимость реконструкции, обеспечить сейсмостойкость пожарной каланчи при сохранении архитектурного облика памятника истории и культуры федерального значения.

Литература

  1. СНиП II-7−81*. Строительство в сейсмических районах / Минстрой России. — М.: ГП ЦПП, 1996. — 52 с.
  2. Инженерное обследование здания пожарной части по ул. Тимирязева, 33 в г. Иркутске / ООО «Предприятие Иркут-Инвест». — Иркутск, 1999.