Инструментальная и расчетно-аналитическая оценка сейсмостойкости панельных жилых домов серии 1-335

Значительную долю в жилой застройке городов Байкальского региона занимают дома первой массовой панельной серии 1-335. Оценка сейсмостойкости с учетом физического износа домов, построенных в 60– 70 гг. XX столетия, – актуальная задача, имеющая огромное социальное значение для субъектов региона.

В г. Улан-Удэ строительство типовых домов серии 1-335АС началось с 1963 г. продолжалось до 1983 г.1Общая площадь построенного жилья составляет 2 186 тыс. м2, где проживает более 100 тыс. человек. После повышения исходной сейсмичности г. Улан-Удэ в 1981 г. до 8 баллов дефицит сейсмостойкости этого типа зданий оценивается экспертами, как минимум в 1 балл.

Серийные здания имеют неполный каркас с узким шагом (2,6 и 3,2 м) поперечных стен и железобетонных рам, без внутренней продольной стены (рис.). Элементы каркаса (ригели и колонны) соединены «платформенным стыком» и рассчитаны только на вертикальную нагрузку. Сейсмические нагрузки вдоль здания воспринимаются самонесущими наружными стеновыми панелями. Поперечную жесткость обеспечивает чередование диафрагм из дымовентиляционных панелей и внутренних стеновых панелей в сочетании с поперечными межсекционными самонесущими перлитобетонными панелями, расположенными через 11,6 м. Перекрытия (размером на комнату) образуют жесткие горизонтальные диафрагмы и распределяют сейсмическую нагрузку между самонесущими стеновыми панелями и поперечными диафрагмами жесткости из дымовентиляционных и межсекционных панелей. Электропанели СЛ-2, установленные по оси Б в лестничных клетках, практически не влияют на продольную жесткость здания. Стыки горизонтальных панелей перекрытия с наружными стеновыми панелями определяют устойчивость здания в продольном направлении и отличаются высокой степенью податливости. Фундаменты стен ленточные, из сборных бетонных блоков, колонн и сборных железобетонных подколонников.

Аналитическая оценка сейсмостойкости типовой пятиэтажной двухподъездной блок-секции на 40 квартир дома серии 1-335АС выполнена методом конечных элементов в форме метода перемещений с помощью программных комплексов «SCAD» и «WINLIRA». Начальные технические характеристики конструкций и их узловых соединений принимались по результатам обследования и прежних натурных испытаний. В модели учитывалась податливость стыков металлических закладных деталей колонн и панелей перекрытия с наружными стеновыми панелями. При моделировании предполагалось: 1) панельные конструкции жилого дома работают в упругой стадии; 2) жесткость здания определяется жесткостью мало поврежденных панелей наружных стен, панелей плит перекрытий, сборных железобетонных колонн и ригелей; 3) основные повреждения располагаются в стыках между сборными элементами. Соединения панелей наружных стен между собой и плитами перекрытия моделировались связями конечной жесткости, имитирующими их реальную жесткость. Повреждения моделировались изменением жесткости стыков. На основе построенной расчетно-аналитической модели вычислялись динамические характеристики пространственных колебаний здания (частоты форм собственных продольных, поперечных и вертикальных колебаний; абсолютные амплитуды перемещений по трем компонентам и др.), сравнивались прочности каждого элемента с действующими на них усилиями.

Рис. План типового этажа, разрез и особенности конструкции жилого дома серии 1-335 АС

Сравнительная таблица расчетных периодов (с)

Таблица 1

Расчетно-аналитические исследования и сейсмометрическое обследование подтвердили, что продольная устойчивость рамно-связевого каркаса обеспечивается наружными стенами, а поперечная – торцевыми наружными стенами, дымовентиляционными панелями в лестничной клетке (табл. 1). В поперечном направлении типовое здание обладает достаточными запасами прочности и при реконструкции достаточно восстановления прочности стыков до проектного уровня. В продольном направлении вся инерционная нагрузка от перекрытий передается на наружные стены через шпоночные соединения с колоннами и диафрагмами. Из-за недостаточной прочности соединений с плитами перекрытий возможны повреждения при сейсмической нагрузке в 8 баллов по шкале MSK-64. В целом по результатам технической паспортизации, измерений динамических характеристик и аналитической оценки сейсмостойкость жилых домов серии 1-335АС оценивается не выше 6 баллов.

Диапазон собственных частот жилых домов различных модификаций серии 1-335, измеренных при паспортизации жилищного фонда в г. Иркутске варьирует: для поперечного направления f x = 3,03 ÷ 4,35 Гц; для продольного направления f у =3,45÷ 4,35 Гц. Измерениями по упрощенной методике не удалось идентифицировать отдельные формы собственных колебаний и охарактеризовать динамические особенности обследованных зданий-представителей (Черных, Павленов, Чечельницкий, 1997). При апробации микродинамического модального метода нами проведены инструментальные измерения нескольких зданий серии 1-335 различных лет постройки, разной длины (от двух до шести секций), высотой 4-5 этажей в Улан-Удэ, Ангарске, Новой Бряни (табл. 2). Сопоставлением микродинамических измерений и конечно-элементного моделирования установлено снижение жесткости обследованных зданий на 20-30%, что в целом отображает степень износа по результатам сейсмической паспортизации зданий 1-335 серии.

Таблица 2

Динамические характеристики зданий-представителей серии 1-335 по данным измерений модальным способом

Примечание. D- логарифмический декремент затухания; КДУ – отношение интенсивностей колебаний на высотных уровнях: покрытие верхнего этажа /грунт.

Обследованные здания серии I-335КС, построенные в Иркутской области, отличаются меньшими частотами/худшими жесткостными характеристиками, большими параметрами затухания и являются менее сейсмостойкими по сравнению со зданиями серии I-335АС в Бурятии. В их неполном каркасе от- сутствуют колонны, примыкающие к наружным стеновым панелям, ригели одним концом опираются прямо на наружные стеновые панели из газо-, золо- или ячеистого бетона. Опыт эксплуатации показал, что наружные стеновые панели из этих материалов очень хрупкие, быстро стареют под воздействием сурового климата и мало приспособлены для восприятия горизонтальных сейсмических нагрузок. Последнее обстоятельство существенно снижает их сейсмостойкость и делает весьма проблематичным ремонт самонесущих стеновых панелей.

Конструктивно в зданиях серии 1-335 заложена существенно пониженная жесткость в продольном направлении (вдоль здания), что подтверждается инструментально меньшей частотой поступательных продольных форм. Горизонтальные силы в продольном направлении здания серии 1-335 воспринимаются только самонесущими наружными стенами из легкого бетона, отстоящими одна от другой в плане на 11.6 м в расчете на объединяющую роль дисков перекрытий. Наблюдаемые у большинства обследованных зданий нарушения синфазности колебаний продольных наружных стен показывает, что отсутствует единый жесткий диск перекрытий.

Лестничные клетки являются инерционными неоднородностями в конструкции здания и недостаточно связаны с остальными частями каркаса. Это вызывает увеличение амплитуды колебаний в области лестничных клеток и появление дополнительных деформаций вдоль продольной оси здания.

Отсутствие в расчетной пространственной модели поворотных форм, обнаруженных по данным измерений микродинамическим модальным способом (табл. 2.), объясняется неучетом конструктивной и фактической асимметрии (наличие дефектных узлов сопряжений колонна-ригель и пониженной жесткости обследуемых зданий). Конструктивная асимметрия вызвана смещением более жестких и массивных лестничных клеток относительно средней продольной оси. Наблюдаемая зачастую «ячеистая» структура распределения амплитуд поперечных колебаний, особенно в верхней части здания и на северных фасадах, свидетельствует не только о многочисленных дефектах каркаса, но и о снижении жест-костных характеристик навесных стеновых панелей.

Использованная при проектировании серии 1-335 схема неполного каркаса рассчитана только на вертикальную нагрузку. Отсутствие продольной жесткости стен по средней оси, неполный каркас с платформенными стыками ригелей и колонн, гибкие податливые стыки плит перекрытий с наружными стеновыми панелями – главные недостатки серии, играющие негативную роль при интенсивных горизонтальных сейсмических нагрузках.