Сейсмическая надежность жилой застройки г. Улаанбаатара

Расчетная сейсмичность г. Улаанбаатара, согласно карте СМР-84, составляет 7 и 8 баллов. Проведенные в последние годы сейсмогеологические исследования выявили в непосредственной близости от города (10-50 км) несколько очагов палеоземлетрясений с магнитудой 7 и более, приуроченных к разломам Хустай и Гунжин. На западной окраине наблюдается сейсмическая активность, приуроченная к Эмелтскому разлому. Помимо роев, локальная сеть сейсмостанций вокруг Улаанбаатара фиксирует рассеянную слабую сейсмичность (М<3). Выявленные сейсмогенные разломы и приуроченность к ним современных землетрясений являются основанием для пересмотра сейсмической опасности столицы Монголии [Ferry et al., 2010; Дэмбэрэл и др., 2010].

Население г. Улаанбаатара в 2010 г. составляло 1 161 785 человек, в том числе 440 000 человек (116 250 семей) проживали в благоустроенных квартирах. Существующая застройка г. Улаанбаатара отличается значительным разнообразием конструктивных типов зданий. Общая площадь жилищного фонда составляет 9 543 900 кв.м. Средняя обеспеченность городского населения жилой площадью – 8,2 кв.м/чел. В застройке преобладают 1-3 – этажные деревянные и кирпичные здания. Свыше 50 % жилого фонда приходится на постройки 1960-2000 гг.. Наряду с этим жилищным фондом, имеющим здания - аналоги в Прибайкалье, в городской застройке широко представлены различные конструктивные типы современных зданий, возводимые строительными фирмами Японии, Китая, Южной Кореи совместно с монгольскими специалистами.

Для оценки сейсмической надежности жилой застройки разных лет было отобрано 14 зданий-представителей. В их число вошли 5- и 9-этажные крупнопанельные дома, а также новые 8-16-этажные здания каркасной конструкции с кирпичным и мелкоблочным заполнением. При проведении обследования использована общепринятая методика диагностики технического состояния строительных конструкций в соответствии с действующими российскими нормативными документами. Основные типы обследованных зданий и их микродинамические характеристики приведены в таблице.

Конструктивная схема крупнопанельных 5-этажных жилых домов по типу серии 1-464 А-С представляет собой перекрестно-стеновую систему с несущими поперечными и продольными стенами. В продольном направлении по внутренней оси жилые дома имеют одну несущую стену. Визуальным осмотром отмечаются повреждения конструктивных элементов: вертикальные трещины с шириной раскрытия от волосяной до 0,5 мм в зонах соединения панелей наружных стен и внутренних поперечных стен из железобетона; коррозия и оголение арматуры; следы протечек и биопоражение бетона опорных поперечных балок

По результатам микродинамических исследований данная группа жилых домов отличается довольно высокими частотами/жесткостью собственных колебаний и малыми декрементами затухания. Продольная жесткость обследованных домов ниже, чем поперечная, что объясняется неравномерностью распределения жесткостей в поперечном и продольном направлении (см. табл.). Выше третьего этажа наблюдается расширение (повышение параметров затухания) и расщепление (увеличение степеней свободы) спектров передаточной функции по поперечному направлению, что свидетельствует о нарушениях связей между конструкциями из-за коррозии сварных соединений, снижении прочности стеновых панелей. Высокая интенсивность вертикальных колебаний обусловлена большими поперечными прогибами и поворотно-изгибными движениями этого типа зданий, возможно, инициированных нарушениями в поперечных и продольных диафрагмах жесткости. Сейсмостойкость жилых домов этой группы с учетом физического износа их несущих конструкций оценивается на уровне от 6,0 до 6,5 балла.

Крупнопанельные 5-этажные жилые дома серии 92-08С-УБ имеют конструктивную схему в виде перекрестно-стеновой системы несущих поперечных и продольных стен. Поперечные стены в плане имеют сбивку величиной 0,6 м, что допускается нормами проектирования. В продольном направлении жилые дома имеют одну внутреннюю несущую стену из железобетона. Наружные стены приняты трехслойной конструкции; внутренние – железобетонные. Соединения всех стен, наружных и внутренних, а также плит перекрытий принято на замоноличенных стыках.

На момент обследования все жилые дома этой группы эксплуататировались более 30 лет. При визуальном обследовании в наружных и внутренних стенах отмечаются трещины различного направления с шириной раскрытия от волосяной до 0,5 мм; трещины в перемычках над дверными проемами; вертикальные трещины с шириной раскрытия от волосяной до 1 мм, оконтуривающие зону замоноличивания панелей между наружной продольной стеной и поперечными железобетонными стенами; трещины в плитах перекрытия на верхних этажах с шириной раскрытия до 0,5 мм. Фиксируются следы протечек и локальные биопоражения плит перекрытия и внутренних поперечных стен.

По результатам микродинамических исследований продольная жесткость данной группы выше поперечной (см. табл.). Отмечаются значимые расщепления спектров колебаний по продольному и поперечному направлениям. В объеме здания фиксируются поворотно-поступательные и изгибные колебания, свидетельствующие о неравномерности распределения масс и жесткостей. Декремент затухания отличается повышенными значениями по продольному и поперечному направлениям. Предположительно, сильное затухание колебаний, а также расщепление спектров по обоим направлениям связано с невысоким качеством стеновых панелей и ослаблением соединений между панелями. У жилого дома №11, изначально отличающегося интенсивными крутильными колебаниями, надстроен массивный мансардный этаж, что существенно снижает его сейсмостойкость. С учетом всех факторов сейсмостойкость 5этажных жилых домов, построенных в конструкциях серии 92-08С-УБ, оценивается на уровне от 6,5 до 7,0 баллов; с надстроенным шестым мансардным этажом – на уровне от 6,0 до 6,5 балла.

Таблица

Результаты микродинамических исследований жилых домов г. Улаанбаатара

1. Крупнопанельные 5-этажные жилые дома по типу серии 1-464 А-С
Жилые дома	Год по-строй-ки	Частота по X, Гц	Частота по Y, Гц	Декремент колебаний по X	Декремент колебаний по Y	Коэф-т динамич. усиления по X	Коэф-т динамич. усиления по Y
Дом № 65,	1969	4.75	5.38	0.1	0.1	14	20
мкр-н 15		15	6.98	0.3	0.1	6	15
Дом № 44, мкр-н 5	70-е годы	4.6	4.75	0.13	0.3	10	8
	2.	Крупнопанельные 5-этажные жилые дома серии 92-08С-УБ
Дом № 48, мкр-н 18	1978	4.9	4.25	0.18	0.24	5.5	9
Дом № 4, мкр-н 5	1979	5.13	4.38	0.16	0.24	7	8
Дом № 12, мкр-н 16	1974	4.18	3.31	0.26	0.26	3	4

Продолжение таблицы

Дом №11(с надстроенным мансардным этажом), мкр-н 16	1974	3.64	2.87	0.34	0.37	6	6
3. Крупнопанельные 9-этажных жилые дома серии 92-014С-УБ, 92-016С-УБ, 92-07С-УБ и 92-08С-УБ
Дом № 13, мкр-н 2	1983	2.85	2.5 2.87	0.17 0.28	0.28	11	16 18
Дом № 12 Б, мкр-н 10	1978	2.75	2.5 2.81	0.16	0.21 0.12	10	13 12
Дом № 25, Барилгачны Гу-дамж	1978	2.7 3.12	2.5 2.81	0.2 0.2	0.2 0.2	10 10	13 12
Дом № 23А, мкр-н 3	1983	3.1 5.19	2.44	0.22 0.2	0.35	10 10	11
Дом № 21, мкр-н 5	1988	3,12	2,6	0,2	0,3	10	12
4. Жилые дома с железобетонным и металлическим каркасом и кирпичным / мелкоблочным заполнением
Дом № 21А, мкр-н 2	2007	1.68	1.5 1.81	0.12	0.1 0.15	11	15 20
Дом №403, мкр-н «Баян монгол»	2009	3.06	2.81	0.1	0.2	10	11
Дом № 51, мкр-н 12	1967	2.06	2.18	0.1	0.1	28	32

Конструктивная схема 9-этажных жилых домов серии 92-014С-УБ, 92-016С-УБ, 92-07С-УБ и 92-08С-УБ принята в виде перекрестно-стеновой системы поперечных и продольных несущих стен. Жилые дома имеют две внутренние продольные стены из железобетона. Наружные стены заводского изготовления однослойные, имеют в плане ломаное очертание за счет устройства лоджий. Продольные и поперечные внутренние стены изготовлены из тяжелого бетона. Перекрытия выполнены из железобетонных плит размером на одну конструктивно-планировочную ячейку. Узлы соединения внутренних и наружных стен приняты в виде замоноличенных стыков с установкой сквозной вертикальной арматуры. На момент обследования жилые дома этой группы находятся в эксплуатации порядка 25-30 лет.

Отмечены характерные повреждения конструктивных элементов: вертикальные зигзагообразные трещины с шириной раскрытия от волосяной до 0,3 мм в зоне замоноличивания наружных продольных и внутренних поперечных стен, внутренних стен и плит перекрытий; трещины различного направления в плитах перекрытия, преимущественно на верхних этажах зданий; горизонтальные и наклонные трещины в подоконной части наружных стеновых панелей с шириной раскрытия от волосяной до 0,5 мм; наклонные трещины (часто залеченные, но вновь проявившиеся) во внутренних поперечных стенах с шириной раскрытия трещины до 0,5 мм; зигзагообразные вертикальные трещины в поперечных железобетонных балках с шириной раскрытия до 0,3 мм; следы протечек и участки биопоражений бетона.

Большинство обследованных зданий этой группы имеет по две горизонтальных формы колебаний с близкими частотами, что приводит к сильному закручиванию торцов. У отдельных зданий отмечаются интенсивные вертикальные, изгибно-поворотные и крутильные формы, свидетельствующие о дефиците вертикальной жесткости. Более поздняя модификация этой серии (жилые дома №23А и № 21) не имеют ломаного в плане очертания наружных стен и отличается повышенной жесткостью/частотой первой формы продольных колебаний. За эталон для поздней застройки может быть принят жилой дом №21 в 5-м микрорайоне, имеющий наиболее однородное распределение масс и жесткостей. Сейсмостойкость жилых домов этой группы оценивается на уровне 6,5–7,0 баллов.

В группу зданий с железобетонным и металлическим каркасом и кирпичным / мелкоблочным заполнением вошли представители домов трех типов.

• 1.    16-этажный жилой дом №21 с офисными помещениями на первом этаже в микрорайоне 2 (БогДар). Конструктивная схема жилого дома – монолитный железобетонный каркас с диафрагмами жесткости и трехслойными наружными стенами: внутренний слой – кирпичный, наружный слой – ячеистые блоки, утеплитель – полистирол. После 4-летней эксплуатации отмечены вертикальные трещины во внутренних продольных стенах; на опираниях ригелей на внутренние стены с распространением от плиты перекрытия до низа ригеля или до середины высоты стены; вертикальные трещины с шириной раскрытия от волосяной до 0,3 мм в поперечных ригелях на различных этажах; трещины различного направления в кирпичных продольных и поперечных стенах над дверными проемами, преимущественно

• 2.    8-этажный жилой дом № 403 с монолитным железобетонным каркасом, с диафрагмами жесткости и кирпичным заполнением. Расстановка диафрагм жесткости подчинена планировке жилого дома и подвального помещения с автостоянкой и не отличается равномерностью и симметрией. Многослойные наружные стены различной толщины и конструкции на разных этажах выполнены из бетонных блоков, утепленных снаружи слоем полистирола. После двух лет эксплуатации отмечаются повреждения конструктивных элементов: вертикальная трещина от поперечного ригеля в сторону дверного проема с шириной раскрытия до 1 мм на различных этажах дома; вертикальные трещины в перемычке над дверным проемом в продольной стене и под поперечным ригелем на различных этажах дома; вертикальные и горизонтальные трещины в подоконной части наружных стен; сетка трещин по поперечным и продольной наружной стенам, по нижней поверхности плиты перекрытия над восьмым этажом.

• 3.    9-этажный жилой дом № 51 с металлическим каркасом и кирпичным заполнением в микрорайоне 12. Каркас выполнен из металлических колонн квадратного сечения, составленного из 2 уголков; колонны обетонированы. Монтажные элементы колонн приняты высотой на два этажа, с устройством стыков через этаж. На момент обследования жилой дом находился в эксплуатации 45 лет. Визуально отмечаются разнонаправленные трещины в зоне опирания лестничных площадок на внутренние кирпичные стены. Резонансы колебаний по обоим направлениям зафиксированы в диапазоне частот 2,04,0 Гц. Интенсивные модальные формы на близких частотах 2,06 и 2,19 Гц способствуют закручиванию асимметрично расположенного каркаса здания и поступательно-поворотным колебаниям на первых, наиболее интенсивных формах колебаний. На основании результатов микросейсмических записей можно сделать вывод, что 9-этажное здание с металлическим каркасом и кирпичным заполнением довольно гибкое; имеет низкие значения логарифмического декремента затухания как в продольном, так и в поперечном направлении. Сейсмостойкость односекционного жилого дома №51 с металлическим каркасом и кирпичным заполнением с учетом физического износа несущих конструкций оценена на уровне 6,5 балла.

на верхних этажах жилого дома. Сейсмостойкость 16-этажного жилого дома №21А оценена на уровне 7,0 баллов.

Спектр передаточной функции жилого дома №403 также имеет сложный характер, указывающий на неоднородное распределение жесткостей и масс в объеме здания. Компоненты основных тонов на частоте 2,81 Гц по поперечному направлению и на частоте 3,06 Гц по продольному направлению передаются на ортогональные направления, что способствует интенсивному закручиванию каркаса. Выше четвертого этажа на спектре по поперечному направлению фиксируются дополнительные тоны 4,25 и 4,37 Гц, что свидетельствует о появлении жесткостных неоднородностей. Декременты затухания в поперечном направлении несколько повышены. Сейсмостойкость 8-этажного жилого дома № 403 с монолитным железобетонным каркасом и диафрагмами жесткости оценена на уровне 7,0 баллов.

Для городской застройки г.Улаанбаатара ранее уже проводились инструментальные измерения динамических характеристик общественных и жилых зданий (H. Kawase и M. Mathema, 2000 г.). К сожалению, авторами не указаны адреса обследованных зданий, поэтому возможно только статистическое сопоставление периодов (частот) первых форм собственных колебаний для объединенной группы 5-9 – этажных крупнопанельных зданий, без детального деления на серии этой группы. Сопоставление инструментальных данных показало, что наибольшие отклонения в сторону снижения частот в 2011 г. отмечались у 5-этажных жилых домов, минимальные – у 9-этажных зданий. В целом измеренные в 2011 г. частоты крупнопанельных 5-9 – этажных жилых домов систематически (на 20-30 %) ниже, чем у зданий этого типа в 2000 г. Можно предположить, что за прошедший десятилетний период произошло снижение жесткости 5-9 – этажных крупнопанельных зданий в 1,5 раза.

Выводы

Измерены динамические характеристики – частоты (периоды) и логарифмические декременты затухания основных модальных форм 15 зданий-представителей 5 групп жилой застройки г. Улаанбаата-ра, относящихся согласно шкале MSK-64 к уровням сейсмостойкости 6-7 баллов.

Основная причина выявленных различий динамических параметров в пределах обследованных групп зданий заключается в дефектах строительства, физическом износе конструкционных материалов, несанкционированных перепланировках с удалением несущих стен и других особенностях эксплуатации.

Для большинства обследуемых типов зданий, с учетом физического износа и 7-8 балльной сейсмичности площадок, установлен дефицит сейсмостойкости от 0,5 до 1,5 баллов.

Сопоставлением с данными предыдущих микродинамических измерений застройки Улаанбаатара (H. Kawase, et al., 2000) оценен общий уровень накопленных сейсмических, температурных и иных деформаций крупнопанельных 5-9 – этажных зданий (КПД). Измеренные в 2011 г., частоты КПД систематически (на 20-30 %) ниже, чем у зданий этого типа в 2000 г., что соответствует снижению жесткости обследуемого типа зданий в 1,5 раза за десятилетний период.

По результатам инженерно-сейсмологического обследования для Администрации города Улаан-баатара подготовлены предложения, наряду с микродинамическими измерениями, развернуть систему инженерно-сейсмологических станций, контролирующих сейсмическую реакцию как высотных, уникальных объектов, так и зданий-представителей типовой застройки.