Сейсмоустойчивые фундаменты для частного дома
После знаменитого Спитакского землетрясения в Армении в 1988 году, в СССР впервые всерьез занялись разработкой сейсмостойких жилых домов. Разумеется, речь шла о многоквартирных домах, поскольку строительство частных домов было фактически под запретом. Параллельно проходило районирование страны (выделение зон) по возможным силе и характеру землетрясений.
Большая часть территории СССР ( и России) находится в относительно благополучных с точки зрения сейсмики условиях. Большие участки Европейской части России, Сибири и Дальнего Востока находятся на стабильных массивах земной коры – так называемых платформах. И здесь вероятны только очень незначительные землетрясения, силой до четырех баллов. Большинство людей подобные колебания земной поверхности просто не ощущают. Зоны повышенной сейсмической активности – это молодые горные системы. Наиболее высока такая активность на побережье и островах Тихого океана. По счастью, население этих регионов России достаточно малочисленно, но землетрясение 1995 года на Сахалине, когда полностью был разрушен небольшой город Нефтегорск – пример того, как строительные методики СССР потерпели сокрушительное фиаско при испытании землетрясением, и привели к многочисленным человеческим жертвам.
Еще один регион с повышенной сейсмической опасностью – Кавказские горы. Кавказ – горы молодые, они постепенно растут. Правда, наибольшая активность данной зоны уже позади – об этом говорят потухшие вулканы Эльбрус и Казбек. Однако, наличие горячих источников, грязевых вулканов, достаточно частые небольшие землетрясения говорят о том, что геологические процессы Кавказских гор идут в постоянном режиме.
Кавказские горы занимают значительную часть Краснодарского края, проходя через всю его территорию с северо-востока на юго-запад. Все районы, находящиеся в пределах Кавказского хребта и его многочисленных отрогов, а так же полоса Черноморского побережья относятся к потенциально опасной сейсмической зоне. По прогнозам здесь возможны землетрясения до 8-9 баллов. С севера к Кавказским горам и их предгорьям примыкает обширная равнина, занимающая большую часть края. В основании этой равнины находится жесткая кристаллическая плита, являющаяся частью большой Восточно-Европейской (или Русской) платформы. Сверху плита покрыта большим слоем так называемых осадочных пород – глин, суглинков, песков. Этот материал принесен сюда многочисленными реками за много миллионов лет. На таком основании землетрясения маловероятны, если бы не активная зона Кавказа.
Северные районы края в этой ситуации находятся в благоприятной сейсмической зоне. Здесь землетрясения могут достигать максимальных значений в 5-6 баллов. Однако территория Краснодара и прилегающие районы относятся к зоне потенциальных восьмибалльных землетрясений. Как формируется зона землетрясения в этих районах? Очень примитивно можно описать этот процесс следующим образом. Горы растут на несколько миллиметров в год. Край плиты, на которой находится ряд районов края ( в т.ч. и Краснодар), упирается в активную зону роста. И горы в процессе подъема как бы тащат ее вверх. Возникает напряжение. В определенный момент, когда напряжение становится максимальным, плита «срывается» вниз – так возникает землетрясение. ( Мы примитивно воссоздали данную модель в домашних условиях – ЗДЕСЬ) Обычно ощущается 1-2 толчка, после чего землетрясение затухает. Ощутимые толчки происходят 1-2 раза в десятилетие. Чем более регулярно происходят мелкие, неразрушительные землетрясения, тем меньше вероятность того, что случится землетрясение катастрофическое. Малые землетрясения разряжают напряжения в земной коре, не давая накопиться разрушительному потенциалу. Как часто могут возникать крупные землетрясения на территории края? Ученые прогнозируют – раз в 5000 лет. Однако, такие прогнозы очень расплывчаты, и не хочется, чтобы прогнозируемый период пришелся именно на твою жизнь.
Как же построить здание, чтобы оно могло сопротивляться разрушительным силам Земли? Для многоэтажных зданий такие технологии детально прописаны. А как же быть с частными домами? Какие технологии при их строительстве применять? Да точно такие же, как и для высотных зданий, только применительно уже к более малым размерам.
Фундамент для дома. Мы уже писали о фундаментах для частных домов ЗДЕСЬ. Фактически, все виды фундаментов для дома, выполненные по технологии, достаточно сейсмостойки. Предпочтение же нужно отдать либо плитным, либо буронабивным их типам.
Стены. Материал стен не играет решающей роли в сейсмостойкости здания. Нужно лишь помнить, что стена должна представлять собой достаточно монолитную конструкцию. Т.е. кладку стен нужно обязательно армировать в соответствии с технологическими заданиями. Особое внимание – перемычкам над проемами. Наиболее надежны монолитные перемычки из армированного бетона. Следует помнить, что края перемычек должны заходить в толщу кладки не менее, чем на 15 см. с каждой стороны проема.
Армопояса. По окончании кладки каждого этажа, заливается монолитный армированный пояс – сплошная железобетонная балка по несущим стенам. Размеры этой балки в сечении должны быть не менее 15х15 см. Такой пояс удерживает стены при землетрясении от сваливаний внутрь строения или наружу. Если у вас одно- двухэтажный этажный дом, то для создания сейсмической защиты можно обойтись только армопоясами.
Пространственный монолитный каркас. Если же вы строите частный дом выше двух этажей, рекомендуется возводить при его строительстве монолитный железобетонный каркас. Т.е. до начала работ по кладке, выводится корпус здания из монолитных колонн и перекрытий, а уж затем пустоты заполняются кладочным материалом с обязательным порядным армированием. Ряд архитекторов с целью повышения сейсмостойкости создают т.н. сейсмостойкое ядро здания. Т.е. часть здания в центре отливается сплошным монолитом, а к нему привязываются все основные конструкции. Идея неплохая, но, во-первых, дорогостоящая, а, во-вторых, с нашей точки зрения – избыточная. Хотя некоторые идут еще дальше. И проектируют полностью монолитные дома. Но это уже явный перебор.
Достаточно большую роль в сейсмической устойчивости здания играет и его форма. Вообще говоря, оптимально в этом плане строительство круглых частных домов ( и мы такой один построили, см. здесь). Но по понятным причинам строительство таких домов – эксклюзив. Из более распространенных проектов дома близкие к квадрату в плане обладают большей сейсмической стойкостью. Эркеры, нависающие элементы, балконы – сильно понижают сейсмическую стойкость сооружения и при строительстве требуют специальных решений ( а, соответственно, и затрат).
При землетрясениях колебания земной коры происходят не только вверх-вниз, но и по горизонтали. Так вот горизонтальные колебания поверхности зачастую опаснее вертикальных.
Как решение проблемы гашения горизонтальных сейсмических волн, Юрий Домбровский в своей книге «Факультет ненужных вещей» предложил окружать строение на некотором удалении рвом глубиной до основания фундамента (или глубже) и шириной не менее 1 м. Такой ров гасит горизонтальные колебания, и увеличивает сейсмостойкость здания в разы. Конечно, иметь такой ров в плане – не эстетично. Но полость может быть заполнена легким материалом (например, керамзитом), либо накрыта сверху. Стилизация под замковый ров с водой тоже подойдет.
И еще один ( не дешевый) прием повышения сейсмостойкости. Если у вас в доме запланирован бассейн, то оптимально будет расположить его по центру первого (или цокольного) этажа здания. В этом случае при землетрясении линза воды за счет встречных колебаний будет гасить сейсмические волны.
Итак, при строительстве частного дома следующие мероприятия позволят вам не бояться землетрясений:
-надежный фундамент для дома;
-армированная кладка стен;
-пространственный железобетонный каркас.
Стройте, и не бойтесь землетрясений!
Накануне 2015 г. один из клиентов заказал нам строительство частного дома с сейсмически устойчивым фундаментом. Этот фундамент для дома ему обошелся ровно на один миллион рублей дороже стандартного ленточного. Ну что же, за сейсмическую устойчивость здания нужно платить!
Сейсмостойкость фундаментов
Самое опасное для фундамента — глубинные подвижки и сейсмические встряски нижних слоев грунта, их тиктанические разломы, которые являются, может быть, редко, но свое присутствие не отменили. Например, такая опасность имеется даже в Подмосковье и в других областях Нечерноземной зоны России. Конечно, в Нечерноземной зоне не бывает таких сильных землетрясений, какие происходят в южных, восточных и западных регионах страны. Но в Московской области может быть отзвук землетрясений в 2-4 балла. Эти колебания нечастые, и они во многих случаях не местные, а отдаленное эхо более сильного землетрясения. К примеру, сильное землетрясение в семидесятых годах в Румынии отголоском докатилось до Москвы силой 1-2 балла.
Такие слабые колебания не смогут разрушить или повредить здания или сооружения. Но и они опасны, так как способны воздействовать на местное состояние грунта: от детонации могут возникнуть смещение или оседание, вспучивание, что, в свою очередь, повлечет за собой обрушивание склонов холмов и оврагов, оползни, сели и лавины. Чаще всего перемещение грунтов на склонах проходит как бы исподволь, то есть под верхним почвенным слоем, скрепленным корнями растительности. Но если для того, чтобы разорвать дернину трав, требуется немалая сила, то для того, чтобы разорвать корни деревьев, потребуется усилие, измеряемое тоннами. Происходит это легко и быстро, даже если это эхо детонации далекого от этих мест землетрясения. При этом слабые пласты грунта могут либо осесть на нижние, либо приподняться, образуя при этом провалы, оползни, оседают фундаменты зданий и сооружений, деформируется основание построек.
Особо опасно такое подземное воздействие для одноэтажных зданий, расположенных в сельской местности, где толчки имеют разностороннюю направленность: вверх-вниз, влево-вправо, вперед-назад, сдвиг винтом. Как правило, предельное состояние зданий подразделяется на две группы: первая — по потере несущей способности или полной непригодности к эксплуатации, где могут быть повреждения отдельных конструкций (например, конструкций кровельного и станового ограждения, вертикальных связей по колоннам, стоек фахверка и др.) и их остаточные смещения, не угрожающие безопасности людей или сохранности ценного оборудования; вторая группа — по непригодности к нормальной эксплуатации, где в принципе расчет зданий с учетом сейсмических воздействий производится на условные статические нагрузки, определенные по графикам спектрального коэффициента динамичности.
На условные статические воздействия рассчитываются все здания, проектируемые для сейсмических районов, а также на выбор расчетных сейсмических воздействий, которые определяются с учетом характера сейсмического режима в районе строительства, а также детального и микросейсмического районирования. Этот расчет является дополнительным и рекомендуется для особо ответственных зданий и сооружений с пролетами структурных конструкций более 36 м.
Особенности расчета зданий с покрытиями из структурных конструкций обусловлены сравнительно большими пролетами и редким расположением опор. Например, вертикальную составляющую сейсмического воздействия необходимо учитывать при расчете структурных конструкций (включая их горизонтальные напольныеучастки), капитальных участков колонн, узлов сопряжения структурных конструкций с вертикальными несущими конструкциями, крановых консольных колонн. Кроме того, выполняются расчеты структурных конструкций покрытия при изгибе из их плоскости на вертикальные сейсмические нагрузки, вертикальных несущих конструкций (колонн) на горизонтальные нагрузки в плоскости покрытия, узлов сопряжений структурных конструкций с колоннами на совместное действие условий от горизонтальных и вертикальных сейсмических нагрузок и т.д.
Как известно, идея таких конструкций связана с принятой в нормах спектральной кривой, представляющей собой закон сейсмических колебаний грунта, характеризующий изменение максимальных смещений (линейный осциллятор) в зависимости от периода колебаний. По этой спектральной кривой увеличение периода колебаний конструкций дает возможность значительно снизить давление сейсмических инерционных сил на здание. Потому такие явления природы, как лавины, сели, оползни и землетрясения, требуют от проектировщиков, архитекторов и инженеров-строителей предельной внимательности и самого тщательного соблюдения строительных норм и правил, в частности СНиП II-7 «Строительство в сейсмических районах».
Землетрясение, как известно, характеризуется короткими толчками, исчисляющимися в доли секунды, в несколько секунд. Но этого времени достаточно, чтобы разрушить все слабоукрепленные, не обладающие особой прочностью и гибкостью здания и сооружения. Действительная причина землетрясений обусловлена перемещением блоков земной коры, которые теснейшим образом связаны с процессами тектонического порядка. Эти всплески-удары распространяются от точки сдвига, наплыва, разлома на громадные пространства в виде детонационных отзвуков и полос.
Поэтому не исключена возможность отзвуков такого землетрясения в слабосейсмических районах, которые могут отрицательно повлиять на сохранность тех зданий и сооружений, которые возведены с минимальными запасами устойчивости и прочности сейсмоизоляции или сейсмозащиты. На рис. 19 показана наиболее простая система сейсмо-защиты малоэтажного здания, которая использовалась в строительстве. Кроме того, нередко используют металлические конструкции стоек, колонн, труб при усилении ответровых нагрузок.
От внезапных слабых и сильных колебаний поверхности земли при землетрясениях, в принципе, никто не застрахован. Колебание верхних слоев грунта может произойти и от обрушений более глубинных его слоев, где нередко оказываются емкости, полости, то есть природные пустоты: бывшие линзы грунтовой воды, смещение слоев земли и подобные естественные передвижения. Нередко причиной колебаний грунта могут быть местные оползни, сели, размывы овражий, оврагов, крутых и пологих склонов холмов и берегов водоемов — рек, озер и даже сельских прудов. К тому же, верхние слои земли могут быть настолько подвижны, что смещают вниз и вверх ограды, деревья и даже строения. Многие глины ведут себя непогодно: они то усыхают, то разбухают, отчего верхние слои земли словно дышат, опускаются то вниз по склону, то вверх. От таких сотрясений больше всего разрушаются деревянные и каменные одноэтажные дома. Разумеется, на все здания очень сильно влияет землетрясение.
При анализе этих влияний и их последствий выработалось основное — направление внезапно появляющихся колебаний, и были учтены имеющиеся разрушения от них в различных конструктивных схемах домов. Например, что касается деревянных домов, то лучше всего такие колебания выдерживают легкие фахверковые постройки, в которых вместо потолочных балок употребляются доски на ребро.
Из местностей, наиболее часто подвергающихся сильным землетрясениям, в настоящее время остаются Закавказье — окрестности гор, Ахалкалак и Шемахи, Закаспийская область — Беловодск, Красноводск, и Туркестан с Ферганской областью, затем Семиречье и Забайкалье. Но такие опасные местности могут быть в любое время расширены, а также могут появиться и новые. Так что не следует всем архитекторам и строителям надеяться на постоянную стабильность оснований зданий и сооружений. Каждое архитектурное строение, его объем должны иметь прочное основание, которое при всех обстоятельствах обязано содержать в фундаменте и конструкциях стен запасные коэффициенты на внезапные земные подвижки, сдвиги, срезы, смещения и перемещения.
Со временем из многочисленных сейсморазрушений зданий и сооружений были выбраны строительные конструкции и строительные материалы, которые в той или иной степени выдерживают или сопротивляются такому разрушению. То есть были со временем выработаны практические способы для борьбы с землетрясениями там, где они проявляются наиболее часто. В конце XX века эти наблюдения и изучения были использованы при строительстве в Узбекистане, в частности в районе Ташкента, при строительстве станционных сооружений.
В качестве предохранительных мер, например, были установлены поперечные стены, контрфорсы и заложены железные связи. Было также замечено, что железно-каменные скелетные здания, несмотря на расположение их в районе наибольших разрушений, при высоте до 20 этажей пострадали от землетрясений очень мало и остались стоять, не выйдя даже от отвеса прямой. Объясняется это рациональным устройством их оснований и фундаментов, а также жесткостью самого их остова. Поэтому фундаменты и являются той частью здания, которая непосредственно воспринимает колебания почвы и передает их всей массе здания.
Ввиду того, что поверхностный слой всякого грунта сотрясается гораздо сильнее слоев, лежащих несколько глубже его, желательно возможно большее углубление фундамента и изолирование его от поверхностного слоя грунта посредством не связанных с ним подпорных стенок. Например, в случае очень слабого грунта может быть выгодным устройство сплошного железобетонного фундамента на свайном основании. Следует отметить, что свайные основания являются одним из наиболее надежных типов для местностей, подверженных землетрясениям, так как связывают здание с более плотными глубоко лежащими слоями грунта.
Таким образом, при постройке тяжелых скелетных (каркасных) зданий должна быть достигнута прочная подпочва одним из обыкновенных способов, то есть сваями, столбами, опускными колодцами или кессонами, при этом отдельные опоры должны быть надежно связаны между собой.
То же самое относится и к скелетным конструкциям малоэтажных зданий как в черте города, так и в сельской местности. Такие фундаменты дают гарантию не только в случае сейсмика, оползней, селей, но и при весенних и дождевых паводках и заливах. Они смогут устоять от напора стихии. Разумеется, фундаменты после напора стихии подлежат соответствующему ремонту, но на это тратится меньше средств и времени, чем на восстановление дома, который разрушился до основания.
В случае очень глубокого залегания твердого грунта здание может быть основано на сплошном железобетонном фундаменте, при этом необходимо опустить подошву последнеготак, чтобы нагрузка от здания равнялась давлению прилегающих частей грунта, дабы избежать перемещения и выдавливания его из-под здания во время землетрясения.
При быстром передвижении фундамента в первый момент землетрясения нижняя часть здания принимает участие в этом движении, тогда как верхняя по свойству инерции остается на месте. При этом в остове здания возникают перерезывающие усилия, имеющие максимум у фундамента, и изгибающие усилия, достигающие максимума в точке покоя.
Таким образом, здание в первый момент землетрясения может быть рассматриваемо как упругий брус, закрепленный близ его вершины. Но уже в следующий момент, то есть когда здание воспримет удар землетрясения всей своей массой, оно начинает колебаться, как брусок, закрепленный у самой подошвы, и, следовательно, усилия, возникшие в его остове, будут аналогичны обыкновенным ветровым усилиям, увеличивающимся от вершины к подошве здания.
Деревянные дома выдерживают землетрясение относительно хорошо, особенно одноэтажные и даже мансардные. Их разрушения являются незначительными, так как такие дома гибче и легче, чем каменные, и у них в случае чрезмерно больших толчков и перемещения грунта происходят разломы коренных труб и печей, каминов и теплушек. Каменные же здания от землетрясения страдают весьма значительно: разрушаются остовы стен по направлению движения волн. И если в таких стенах данной конструкции нет соединительных связей — анкеров, то есть металлических связей — разрушения будут большими. Поэтому хорошо выдерживают волнообразный напор стихии только те каменные здания, стены которых усилены металлическими связями.
В местностях, где существует постоянная угроза сейсмика, возводят только такие дома, стены которых усилены металлическими анкерами, то есть железобетонные. В районах сейсмика, а также в затопляемых и подтопляемых районах нельзя строить дома саманные, глинобитные, с сыпучим стеновым наполнителем и т.п. Разумеется, последние дома дешевые и возводятся из местных строительных материалов: песка, глины, сама, жердей и хвороста. Но целесообразно в данных местностях возводить не менее дешевые постройки из дерева — бревенчатые, щитовые, каркасно-щитовые или фахверковые (с выступающим на наружные плоскости стен дома деревянным каркасом).
При выборе места для населенных пунктов (сел, поселков, дачных участков и т.п.) и при их планировке, особенно в сейсмических местах, следует провести полный анализ данного района: характер происходящих землетрясений, геологическое строение местности. Самым подходящим будет место с твердым грунтом. Именно такой грунт, как правило, встречается на возвышенностях. Действие сейсмических ударов значительно ослабляется коренными массивными породами, а также рыхлыми наносами, мощностью слоя не менее 30 метров Необходимо вести контроль за возможным зеркалом паводковых и дождевых разливов, чтобы населенный пункт не попал в зону затопляемости. В том случае если застройки попали в предполагаемую зону затопления паводковыми водами реки, озера и т. п., то дома должны быть поставлены на высокие каменные подклеты, столбы и сваи.
Одним из доступных приемов для индивидуального застройщика в деле ограждения своего дома от сейсмического воздействия волнообразной подземной волны является обводка по периметру дома с наружной стороны. Такая обводка представляет собой траншею трапецеидальной формы, сделанную в пределах отмостки на ширину до 70-80 см (по типу закрытого дренажа). Такое сооружение (галерея), окружающее фундамент дома, отражает поверхностные сейсмические волны, а также и механические воздействия с внешней стороны. Кроме того, в доме целесообразно делать кессонный потолок и усиливать стены с помощью внутреннего каркаса.
В случаях, когда ровная площадка с одной из сторон имеет линию бровки склона, овражья или оврага, фундаментную плиту устанавливают на сваях по ее углам. Если в плане плита прямоугольная и ее длина превышает ширину, с учетом нагрузок на нее (объемный вес дома) и других возникающих усилий, например сдвига, по краям плиты ставят дополнительно две-три опорные сваи.
