Динамические испытания на сейсмостойкость фасадных конструкций с теплоизолирующим слоем

Землетрясение представляет собой катастрофическое природное явление, которое может нести за собой страшные последствия, стирая с лица Земли целые города. На сегодняшний день невозможно в краткосрочном прогнозе предугадать место и время землетрясения. Каждый год на Земле происходит более миллиона землетрясений, большинство происходит на дне океанов, поэтому мы не видим проявление их разрушительной силы. Однако землетрясения под водой могут инициировать появление гигантских волн — цунами, приносящие страшное бедствие в прибрежные города.

За последние сто лет в мире произошло около 2000 толчков с магнитудой 7 и более баллов. Из них 65 случаев превысили отметку 8. Наиболее страшные последствия имели землетрясения в Китае, Турции, Италии, Иране, Гаити, Чили.

Согласно статистике Национального информационного центра землетрясений (NEIC) при геологической службе США каждый год на нашей планете происходит примерно 120 землетрясений магнитудой 6,0–6,9, считающихся сильными, 18 землетрясений с магнитудой 7,0–7,9, считающихся очень сильными и примерно одно-два катастрофических землетрясения с магнитудой более 8,0. При этом фиксируется до нескольких тысяч очень слабых землетрясения, незаметных человеку.

Справедливо признать, что происшествие считается катастрофическим по числу жертв и объему разрушений, а не по магнитуде землетрясения. Согласно данным Мюнхенского Центра по страхованию, в мире за последние 70 лет в результате землетрясений человеческие жертвы составили 58,13%, а экономические потери — 50,07%.

Согласно исследованиям РАН, в настоящее время увеличивается опасность сильнейшего землетрясения в Курило-Камчатской зоне. По данным долгосрочного прогноза, самыми опасными областями РФ являются Камчатка, Сахалин, север Курильских островов, Горно-Алтайск, Иркутская область, Республика Бурятия, Забайкальский край, Хакасия, Республика Тыва, Южный федеральный округ. В России возможны катастрофические землетрясения, по интенсивности воздействия близкие к самым сильным когда-либо происходящим на Земле.

Более 25% площади РФ, включающей 27 субъектов с населением около 20 млн человек, расположены в сейсмоактивных зонах, из них 80% сейсмически опасных районов приходятся на крупные густонаселенные города.

За последние годы в РФ был зафиксированы серьезные сейсмические события: землетрясение 1952 года (в результате 30-метрового цунами был уничтожен г. Северо-Курильск); Корякия — 08.03.1991 г. (Камчатка); Шикотанское — 04.10.1994 г. (имело распространение на все Курильские о-ва); Нефтегорское — 28.05.1995 г. (о. Сахалин); Углегорское — 02.08.2000 г. (о. Сахалин); Алтайское — 27.09.2003 г.; Калининградское — 21.09.2004 г.; Корякия — 17.04.2006 г. (Камчатка); Невельск дважды — 18.08.2006 г. и 02.08.2007 г. (о. Сахалин); Байкальское — 28.08.2008 г. (пос. Култук); Грозненское — 14.10.2008 г.; Сочи четырежды — 19.12.2011 г., 30.05.2012 г., 23.12.2012 г. и 26.12.2012 г.; Республика Тыва — 27.12.2011 г.; под Охотским морем — 24.05.2013 г. (зарегистрировано в Москве!).

Катастрофические землетрясения могут случаться в районах, где воздействие такой интенсивности даже не прогнозировалось. К таким случаям относятся землетрясения в Горно-Алтайске (2003 г., 9 баллов), в Калининграде (2004 г., 7 баллов), а также за рубежом: в Индии (г. Латур), в Японии (г. Кобе) и другие.

Специалистам в области сейсмостойкого строительства приходится проектировать объекты, имея очень ненадежную информацию о времени землетрясения, интенсивности, спектральном составе и других характеристиках. Задачей проектировщиков является предельное уменьшение возможных рисков при землетрясении, обеспечить безопасность людей и сохранность работы промышленных предприятий, социально важных объектов.

На сегодняшний день существует множество организаций, называющих себя специалистами в области исследования сейсмостойкости зданий и сооружений, однако большинство из них не обладают должной компетентностью и технической возможностью проводить натурные динамические испытания строительных конструкций и изделий.

Центр исследований сейсмостойкости сооружений (ЦИСС) ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» — единственный в Российской федерации обладает уникальными условиями и стендами для испытания динамическими нагрузками, имитирующими сейсмическое воздействие от 7 до 10 баллов. На протяжении более чем 90 лет в ЦНИИСК уделялось значительное внимание исследованиям и разработкам, посвященным снижению сейсмической угрозы и повышению сейсмостойкости сооружений. В институте всегда существовало научное подразделение, которое занималось исследованиями и нормотворчеством в области сейсмостойкого строительства.

ЦНИИСК был образован в 1927 году для создания и совершенствования научно-технической базы строительной отрасли страны. Здесь сформировались основы российской строительной науки. Деятельность института оказала определяющее влияние на формирование и развитие важнейших направлений теории прочности и надежности. На основе метода предельных состояний, теории оболочек, пластичности, сейсмостойкости и оценки влияния различных динамических нагрузок выработаны современные принципы расчета всех видов строительных конструкций. Сегодня ЦНИИСК успешно работает как подразделение Акционерного общества «Научно-исследовательский центр «Строительство».

ЦИСС ЦНИИСК осуществляет функции АО «НИЦ «Строительство» как головного Центра Российской Федерации в области сейсмостойкости сооружений и комплексной сейсмической безопасности территорий, выполняя научные исследования, разработку нормативных документов, а также координацию работ сообщества ученых и инженеров, посвятивших себя этой сложной проблеме.

В ЦИСС постоянно совершенствуется накопленный ранее научный опыт, проводятся новые исследования, преумножается вклад в реальное сейсмостойкое строительство. Специалисты Центра участвуют в выполнении Федеральных целевых программ; ведут разработку, испытания и внедрение инновационных методов сейсмоусиления зданий и сооружений; занимаются проектированием уникальных и сложных объектов.

В последнее время проблема энергосбережения становится все более приоритетной в государственной политики, и внедрение энергосберегающих технологий должно стать одним из основных путей модернизации отечественной экономики. В соответствие с этим, производители строительных материалов и конструкций пересматривают подходы к проектированию, разрабатывают новые конструкции и внедряют новые строительные материалы. В сейсмических районах активно начали применяться различные многослойные конструкции, системы утепленных фасадов. Примером такого конструктивного решения, прошедшего проверку на сейсмостойкость в ЦИСС, являются фасадные теплоизоляционные системы с плитами из экструзионного пенополистирола (далее XPS).

Испытания системы c XPS были проведены на специальном динамическом стенде, моделирующем монолитный железобетонный каркас с заполнением из каменной кладки, на который монтировалась система c плитами XPS (рисунки 1, 2, 3). Динамическая нагрузка на испытуемую конструкцию генерировалась вибромашиной инерциального действия ВИД-50, позволяющей развивать инерционную силу 1000 кН в диапазоне частот 0,5–20 Гц.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Для регистрации параметров воздействия на испытуемую конструкцию использовались датчики акселерометры совместно с цифровым многоканальным измерительным комплексом. Датчики акселерометры представляют собой преобразователи механических движений в пропорциональный электрический сигнал. Записи ускорений колебаний, зарегистрированные датчиками, являются основной инструментальной информацией для определения параметров воздействия на испытываемые комплекты при сейсмических испытаниях. Условная схема расположения датчиков акселерометров представлена на рисунке 4.

Рисунок 4

С помощью регистрирующей аппаратуры были получены и проанализированы записи ускорения колебаний исследуемой конструкции при проведении испытаний. Также была выведена осциллограмма перемещений верхней части конструкции относительно нижней. На рисунке 5 приведены примеры записей ускорения колебаний точек т.1 (а) и т.2 (б), а также осциллограмма перемещений т.2 относительно т.1.

Сверху вниз
а) Wх_т1, м/с2
б) Wх_т2, м/с2
в) Ах_(т2-т1), мм

Рисунок 5

В ходе динамических испытаний были достигнуты параметры воздействия эквивалентные сейсмическому до 9 баллов по шкале MSK-64, после чего не было обнаружено каких-либо повреждений испытуемой конструкции. По результатам испытаний был сделан вывод о возможности применения системы c плитами XPS в сейсмических районах с интенсивностью сейсмического воздействия до 9 баллов по шкале MSK-64.