Сейсмозащитные устройства: актуальные проблемы сейсмобезопасности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СЕЙСМОЗАЩИТНЫЕ  УСТРОЙСТВА:  
АКТУАЛЬНЫЕ  ПРОБЛЕМЫ 
СЕЙСМОБЕЗОПАСНОСТИ 
 
 
Монография 
 
 
Под редакцией доктора технических наук, 
профессора Н. П. Абовского  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ  
2013 
 

УДК 699.841 
ББК 38.798 
С288 
 
 
Авторы: 
 Н. П. Абовский , И. С. Инжутов, В. Г. Сибгатулин, С. В. Деордиев,  
В. И. Палагушкин, Е. А. Хорошавин, И. Р. Худобердин, А. А. Дуров 
 
 
Рецензент 
Д. Г. Копаница, д-р техн. наук, проф., зав. каф. «Металлические 
и деревянные конструкции» Томского государственного архитектурностроительного университета. 
 
 
 
 
 
 
С288 
 
Сейсмозащитные 
устройства: 
актуальные 
проблемы 
сейсмобезопасности : монография / ред. Н. П. Абовский [и др.]. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2013. – 98 с.  
ISBN 978-5-7638-2727-9 
 
 
Рассмотрены актуальные вопросы разработки и создания фундаментов 
на скользящем слое как одного из вариантов внешней сейсмозащиты зданий и сооружений. Эффективность применения фундаментных платформ 
на скользящем слое подтверждена компьютерным моделированием и теоретическим расчетом. 
Разработана система оперативного автоматического управления внешней сейсмозащитой здания (сооружения) в виде автоматического выключателя аварийного уровня сейсмического воздействия. 
Описан «фундаментальный парадокс» и предложены методы его преодоления.  
Предназначена для научных работников, занимающихся проблемами 
сейсмостойкого строительства.  
 
УДК 699.841 
ББК 38.798 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2727-9                              © Сибирский федеральный университет, 2013 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение ........................................................................................................  
5 
 
Глава 1. О необходимости системного подхода к организации  
исследований по сейсмобезопасности строительства .........  
7 
 
Глава 2. О роли фундаментов в сейсмостойком строительстве ........  12 
2.1. К вопросу о системном рассмотрении системы «здание – 
фундамент – основание» ...............................................................  12 
2.2. «Фундаментальный парадокс» .....................................................  17 
2.3. Сейсмостойкие фундаменты и здания замкнутого типа  
на вечномерзлых и слабых грунтах .............................................  21 
2.4. Об эффективности плитных фундаментов с искусственным 
основанием .....................................................................................  24 
 
Глава 3. Актуальные методы конструктивной сейсмостойкости .....  28 
3.1. Несовершенство норм: следствия и последствия .......................  28 
3.2. Конструктивная сейсмобезопасность зданий и сооружений 
в сложных грунтовых условиях ...................................................  31 
 
Глава 4. Некоторые принципы конструктивной безопасности  
и примеры их реализации .........................................................  39 
4.1. Конструктивные принципы ..........................................................  39 
4.2. О соответствии здания замкнутого типа на платформе 
со скользящим слоем новым принципам конструкции  
сейсмостойких зданий, предложенным С. Б. Смирновым ........  42 
4.3. О комплексной системе повышения сейсмостойкости .............  44 
 
Глава 5. Внешняя сейсмозащита и внутренняя сейсмоизоляция .....  55 
5.1. Снижение воздействий – эффективная сейсмозащита ..............  55 
5. 2. О возможности внешних сейсмозащитных устройств .............  59 
5.3. Расчет сейсмозащитного скользящего слоя под фундаментной платформой .............................................................................  65 
5.4. О внешних сейсмозащитных конструкциях ...............................  69 
5.5. Системный подход к сейсмостойкости зданий при сложных 
грунтовых условиях ......................................................................  71 
5.6. Системный подход к применению сейсмоизоляции и сейсмозащитных устройств ......................................................................  76 
5.7. Некоторые проблемные вопросы нормирования и научного 
обеспечения сейсмобезопасности в Красноярском крае ...........  78 
 

Оглавление 

4 

Глава 6. Система автоматического управления сейсмостойкостью.  
Автоматический предохранитель аварийного  
сейсмического воздействия ......................................................  84 
6.1. О системе автоматического управления сейсмостойкостью ....  84 
6.2. Автоматический предохранитель аварийного сейсмического 
воздействия ....................................................................................  85 
6. 3. Расчет действия автоматического выключателя сейсмического воздействия ..........................................................................  87 
 
Список литературы .....................................................................................  89 
 
Приложение ..................................................................................................  95 
 
 
 

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Обобщая работы по теории и практике сейсмостойкого строительства, проследим логику исследований по данной проблеме. 
Принципиальное отличие сейсмозащитного устройства от сейсмоизоляции, которая традиционно в соответствии с нормативами располагается выше фундамента, состоит в том, что сейсмоизоляция 
пропускает сейсмическиеие воздействия внутрь здания, снижая при 
этом их уровень, а сейсмозащита здания вместе с фундаментом не 
пропускает их внутрь системы полностью или снижает до допустимого уровня. Сейсмозащита охраняет объекты, а не окружающую их 
территорию. 
Необходима системная организация исследований для эффективного перспективного развития сейсмостойкого строительства, так 
как существующее состояние характеризуется проблемными просчетами, среди которых: 
• несоответствие нормативной теории спектрального метода 
расчета реальной физической природе сейсмического воздействия 
(неучет первого толчка и т. д.); 
• разрыв между геодинамической информацией в баллах и ее 
воспроизведением и использованием в строительном проектировании; 
• пренебрежение характеристиками реальных фундаментов, которые существенно влияют на сейсмостойкость верхнего строения, 
отсутствие разработок сейсмостойких фундаментов; 
• парадоксы, возникающие при стремлении «уточнить» нормативную теорию в случае сложных грунтовых условий; 
• практическое отсутствие разработок по применению внешних 
сейсмозащитных устройств и систем автоматического управления 
сейсмобезопасностью зданий (сооружений) и др. 
Таким образом, путем актуализации и модернизации действующих норм нельзя обеспечить перспективное развитие, необходимы 
более глубокие (коренные) изменения. 
В теории и практике фундаментостроения обнаружился «фундаментальный парадокс»: традиционно фундаменты рассчитываются 
на нагрузку сверху вниз, в то время как сейсмическое воздействие 
имеет противоположное направление. 
Недостатки (слабость) нормативной теории негативно отражаются на развитии способов конструктивной сейсмобезопасности, 

Введение 

6 

которые по инженерному замыслу должны опираться на реальную 
картину сейсмического воздействия, а нормативная теория ей не соответствует. Видимо, по этой причине ряд конструктивных принципов и рекомендаций, не вытекающих непосредственно из нормативной теории, в действующих нормах не отражены. Например, стремление проектировать сейсмостойкие строения посредством создания 
многосвязных пространственных систем замкнутого типа (вместе 
с фундаментом, например с плитой) в нормах отсутствует. 
Методы сейсмозащиты представлены в действующих нормах 
весьма ограниченно: внешняя сейсмозащита не предусматривается, 
а применение сейсмоизоляции внутри здания не обосновано, ограничено требованием размещать ее выше фундамента. Способы обеспечения внешней сейсмостойкости имеют древнейшие корни и сейчас 
получают современное развитие в виде фундаментных платформ на 
скользящем слое. 
Государственным научным планированием развития сейсмостойкого строительства в России (а есть ли оно вообще?) не предусмотрены поисковые и внедренческие инновационные разработки по 
внешней и внутренней сейсмозащите. В практической деятельности 
специалисты ориентируются на дорогие зарубежные (китайские и др.) 
устройства, пренебрегая отечественными разработками. Например, 
применение строений на фундаментной платформе со скользящим 
слоем, эффективность которых подтверждена теоретическим, модельным и компьютерным моделированием, не получило еще в стране должного развития, хотя все предпосылки, включая экономичность 
и надежность, для этого имеются. 
Авторами впервые разработана и предложена система оперативного автоматического управления внешней сейсмозащитой здания 
(сооружения) в виде автоматического выключателя аварийного уровня сейсмического воздействия. 
Таким образом, логично прийти к выводу о том, что учитывая 
слабость теории, актуальными направлениями развития в данный период следует считать конструктивные разработки, включая, в первую 
очередь, способы сейсмозащиты, особенно внешнюю сейсмозащиту. 
 
 

Глава 1. О необходимости системного подхода по сейсмобезопасности строительства 

7 

Глава 1. О  НЕОБХОДИМОСТИ  СИСТЕМНОГО  ПОДХОДА 
К  ОРГАНИЗАЦИИ  ИССЛЕДОВАНИЙ  
ПО  СЕЙСМОБЕЗОПАСНОСТИ  СТРОИТЕЛЬСТВА 
 
 
В данной главе обращено внимание на необходимость системного подхода к проблеме сейсмобезопасного строительства. Это такие 
вопросы, как: разрыв между геодинамической и строительной частями; несовершенство моделирования и методов расчета, в том числе 
нормативного; пренебрежение конкретным типом фундаментов как 
передаточной связи от основания к верхнему строению; неучет начального момента сейсмического толчка, т. е. неучет энергии толчка, 
который является определяющим фактором; недостаточность развития и использования внешних устройств сейсмозащиты, способных 
снизить передачу энергии толчка, в частности устройства скользящего слоя между основанием и плитным фундаментом; необходимость 
совершенствования методов микросейсморайонирования. Особое 
внимание обращено на разработку методов конструктивной сейсмобезопасности, способной перекрыть недостатки теории. В существующей литературе, в том числе учебной, этому вопросу уделяют недостаточное внимание.  
Известна сложность и неопределенность многих вопросов сейсмобезопасности строительства, тем более необходимо обратить внимание на системность исследования.  
Существует разрыв между геодинамической и строительной 
частями исследований. Институтом Физики Земли выполнены работы 
по общему сейсмическому районированию территории России и разработан комплект карт ОСР-97, на основании которых определяются 
геодинамические воздействия в отдельных регионах России, а строительная часть выполняется другими институтами, между которыми 
нет должной взаимосвязи. Суть в том, что результаты геодинамических работ не могут быть полностью использованы при осуществлении строительного проектирования и моделирования сейсмических 
воздействий. Геофизики определяют смещение, скорость, ускорение, 
переводя всё в баллы, т. е. передают строителям зашифрованную информацию. Балл является весьма обобщенной и приближенной характеристикой, которую строители стараются также весьма приближенно 
расшифровать в своих расчетах, но воспроизвести (смоделировать) 

Глава 1. О необходимости системного подхода по сейсмобезопасности строительства 

8 

сейсмические воздействия не могут (набираются погрешности с обеих 
сторон: как от геофизиков, так и от строителей). В строительных нормативах смещения вообще не учитываются (хотя смещения, особенно 
тангенциальные, являются наиболее опасными). В стране отсутствует 
единый научный орган, который координировал бы и согласовывал 
эти исследования.  
Не вдаваясь в подробный анализ методов расчета, отметим, что 
нормативный метод расчета (спектральный) учитывает расчетный балл 
по спектру колебаний, но при этом теоретическое определение частот 
и форм собственных колебаний существенно отличается от реальных. 
В связи с этим вводится система достаточно грубых коэффициентов, 
компенсирующих недостатки нормативного моделирования. Многие 
параметры сейсмических воздействий, кроме балла, не используются. 
Результаты, полученные с использованием других методов расчета 
(волновой, по акселерограммам), существенно отличаются от полученных спектральным методом. Эти расхождения известны, но далеко 
не в полной мере анализируются и сопоставляются с результатами 
экспериментальных исследований.  
Следует отметить, что стремление учесть свойства слабых грунтов 
(податливость) по нормативной теории вызывает ряд противоречий. 
В расчетах влияние конкретных типов фундаментов совместно 
с основанием исследуется совершенно недостаточно, хотя известно, 
что поведение фундамента при сейсмических воздействиях существенно определяет поведение верхнего строения и его сейсмостойкость, 
т. е. расчетные схемы весьма далеки от реальности. Накладываются 
погрешности определения сейсмической нагрузки и упрощение расчетной схемы здания. Эти сложные вопросы достаточно известны, но 
в публикациях не просматривается стремление к их решениям. Много 
неопределенностей. Например, зная ускорение сейсмической волны, не 
можем сказать, какая масса грунта воздействует на фундамент здания, 
(т. е. рассчитать силу воздействия), что не позволяет определить прямое сейсмическое воздействие на строительную систему.  
В натурных экспериментальных исследованиях воспроизвести 
сейсмическое воздействие не удается. При сильных землетрясениях 
(Кобе, 1995 г. и др.) зафиксированы «срезы» колонн, что не должно 
происходить при колебательном разрушении конструкций. Вероятно, 
этот эффект связан с распространением ударной волны от сейсмического очага. Этот эффект описан в литературе и объясняется как 
«специфический сдвиговой пластический шарнир» [4, 5]. 

Глава 1. О необходимости системного подхода по сейсмобезопасности строительства 

9 

В новые нормативные материалы впервые включаются методы 
сейсмоизоляции. Однако влияние сейсмоизоляции в имеющихся публи-
кациях рассматривается вне зависимости от фундамента и допускается 
размещение сейсмоизоляции выше фундамента, т. е. предполагается 
расчленение системы на две части: фундамент и верхнее строение. 
В нормативах и технической литературе недостаточно освещена внешняя сейсмозащита зданий и строительных систем, в том числе волногашение, проскальзывание сейсмической волны под фундаментной плитой, использование защитных траншей с мягким заполнителем и др., не 
допускающих или снижающих сейсмическое воздействие на всю 
строительную систему. В отличие от традиционной сейсмоизоляции, 
располагаемой внутри здания, внешняя сейсмозащита не допускает 
(или снижает) сейсмическое воздействие внутрь здания. Отметим, что 
в имеющейся литературе классификации сейсмоизоляции внешняя 
сейсмозащита не предусмотрена и в новых нормативах отсутствует [2]. 
Известные в литературе сопоставления и анализ сейсмических 
колебаний грунта и верхнего строения проводятся почему-то без учета конкретной конструкции фундамента, а также свойств основания. 
При этом начальный момент сейсмического воздействия (толчок, 
удар) не принимается во внимание. Тем не менее именно после этого 
толчка возникают колебания, энергия этого толчка неполностью (частично) через фундамент передается на верхнее строение. Именно 
здесь в этот момент и происходит рассеивание энергии возмущения 
и наличие внешнего защитного сейсмического устройства, снижающего передачу толчка, может быть наиболее эффективно.  
Заметим, что в нормативных материалах возможность устройства подобной внешней сейсмозащиты не предусмотрена, а традиционные методы расчета не учитывают этот начальный толчок. 
Понятно, что характер колебаний основания и верхнего строения различны и определяются жесткостными характеристиками каждого из них, но имеет большое влияние и передаточная связь (фундамент), роль которой(го) не выявлена. По-видимому, характер колебаний верхнего строения определяется суперпозицией вынужденных 
и собственных колебаний. Несомненно, что большое влияние имеет 
энергетическая проводимость или непроводимость фундаментом 
сейсмического толчка (например, при устройстве скользящего слоя 
между фундаментной плитой и основанием). 
Учитывая сложность и недостатки, указанные выше, особое место следует уделить развитию методов конструктивной сейсмобезо

Глава 1. О необходимости системного подхода по сейсмобезопасности строительства 

10 

пасности [1]. Использование искусства инженерного конструирования, 
не поддающееся формализации, содержит в себе огромные резервы 
создания надежных конструкций и способно перекрыть недостатки 
теоретических расчетов и неточность определения сейсмической нагрузки.  
Целесообразно вспомнить исторический опыт строительства 
древнейших конструкций, дошедших до наших дней, выдержавших 
многие испытания. Большое внимание в этих сейсмостойких конструкциях уделено устройству основания и фундамента, в целом создающих малую чувствительность к негативным сейсмическим воздействиям. К сожалению, в нашей стране даже в специальных журналах 
устройству фундаментов и их расчету на сейсмические воздействия 
уделяется мало внимания. Также мало внимания уделено способам 
усиления сейсмостойкости существующих зданий, хотя действующая 
Федеральная целевая программа по повышению сейсмостойкости зданий нацелена на решение именно вопросов сейсмоусиления существующих зданий. Разработка рационального усиления сейсмостойкости 
существующих зданий является актуальной задачей сегодняшнего дня. 
Здесь требуются, как правило, нестандартные решения, которые плохо 
освещены в литературе и недоступны многим проектировщикам.  
Также мало внимания уделяется исследованию и анализу сейсмостойкости специальных конструкций (магистральных трубопроводов, отдельных надземных резервуаров, мостов и др.). Результаты 
мониторинга автоматического учета и регулирования колебаний 
и сейсмичности недостаточно освещены в литературе, и неизвестно, 
кем они обобщаются.  
Огромное значение имеет подготовка и переподготовка научных 
и инженерных кадров для обеспечения сейсмобезопасности строительства. К сожалению, во многих университетах эта работа не налажена. Это в первую очередь касается учебных планов и учебных пособий, которые, как правило, стремятся подчинить обучение существующей системе нормативно-правового регулирования.  
Совершенно недостаточно освещаются и разрабатываются методы конструктивной сейсмобезопасности. Отметим, что в традиционных учебниках по конструкциям из разных материалов даже отсутствует раздел по формообразованию сейсмостойких конструкций. 
Думаем, что это серьезный недостаток в организации обучения методам сейсмостойкого строительства, так как при нынешних недостатках развития теории и методов расчета именно рациональное конст