Сейсмостойкость и внутренние инженерные системы

Свыше 20% территории Российской Федерации относится к сейсмоопасным зонам, в которых возможны подземные толчки, превышающие 7 баллов по шкале Рихтера. Более 5% территории России занимают чрезвычайно опасные 8–9-балльные зоны. К ним относятся Северный Кавказ, Алтай, Саяны, Прибайкалье, Становое нагорье, Якутия и весь Дальний Восток, включая Камчатку, Сахалин и Курильские острова. Остальная территория нашей страны считается умеренно сейсмически спокойной, но и на ней отголоски землетрясений могут вызвать колебания почвы до 5 баллов.

Последние исследования и наблюдения показали, что во многих районах предполагаемая оценка уровня сейсмичности занижена. Также до сих пор не разработана методика, позволяющая с высокой точностью прогнозировать, где и в какое время произойдет землетрясение. Последний пример – землетрясение в Тыве, случившееся в декабре.

По словам экспертов, наличие на территории России столь большого количества районов, где потенциально возможны разрушительные землетрясения, делает прогнозирование сейсмической активности и разработку специальных мероприятий по строительству в сейсмоопасных зонах одним из важнейших объектов внимания государства.

Как отмечает заведующий лаборатории сейсмостойкости конструкций центра исследований сейсмостойкости сооружении ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Аркадий Грановский, в РФ нет необходимости полностью отказываться от строительства объектов в потенциально опасных с сейсмической точки зрения зонах. Например, в Китае, Японии и Чили успешно используются технологии, обеспечивающие безопасность сооружений на сейсмоактивных территориях. Одним из технических решений является повышение жесткости и устойчивости конструкций.

Также за рубежом очень широко применяется технология строительства на сейсмоизоляторах. Их основная задача – гасить динамические нагрузки у основания зданий. В нашей стране сейсмоизоляторы только начинают использоваться.

Для обеспечения безопасности зданий на сейсмоопасных территориях используются и специальные сейсмобезопасные фундаменты и особые сейсмические пояса, представляющие собой «усиления» между этажами строений. Кроме того, для укрепления зданий применяются контрфорсы – вертикальные выступающие части стен, обеспечивающие устойчивость конструкции путем создания противовеса.

В то же время у экспертов вызывает беспокойство безопасность высотных зданий, которые активно строятся в нашей стране в последние 10 лет. Чем выше здание, тем большую амплитуду колебаний оно развивает. Важно, чтобы не только конструкции таких зданий выдержали землетрясение, но и инженерные системы. Современное здание представляет собой комплекс сложных инженерных систем. Водоснабжение, отопление, холодоснабжение – во всех этих системах имеется большой объем воды, при их повреждении на начальной стадии землетрясения может значительно осложниться эвакуация людей из здания. А ведь по рекомендации МЧС при первых подземных толчках необходимо как можно быстрее покинуть здание. Также важна работоспособность системы пожаротушения. Известно, что значительный ущерб во время землетрясений вызывают возникающие впоследствии пожары. Причины их возникновения – обрыв электропроводки в зданиях во время толчков, падение нагревательных приборов, плит и т.п.

При проектировании сетей и сооружений водоснабжения для районов с сейсмичностью 7–9 баллов следует предусматривать специальные мероприятия (устройство установок аварийных насосов, электрических установок и т.п.) по обеспечению подачи воды для тушения пожаров, которые могут возникнуть при землетрясении, бесперебойную подачу питьевой воды, а также подачу воды на неотложные нужды производства.

Пожарные гидранты, а также колодцы с задвижками на трубопроводах следует располагать так, чтобы вероятность их завала в случае обрушения окружающих зданий и сооружений была наименьшей. Для этого рекомендуется пожарные гидранты и колодцы с задвижками располагать с торцов зданий.

Общие правила

При сейсмических толчках на трубопроводную сеть воздействуют нагрузки, значительно превосходящие ее собственный вес, поскольку к нему добавляются вес транспортируемой жидкости и вес теплоизолирующих и защитных материалов. Это требует увеличения жесткости всей трубопроводной структуры и организации надежного сопротивления воздействию перегрузок.

В России существуют основные правила проектирования жилых и общественных зданий для строительства в сейсмических районах, которыми следует руководствоваться не только при разработке несущих конструкций, но и при проектировании инженерных сетей и сооружений [1].

При разработке проектной документации следует:

• применять конструктивные схемы, материалы и конструкции, обеспечивающие наименьшие значения сейсмических нагрузок;
• принимать объемно-планировочные и конструктивные решения, обеспечивающие, как правило, симметричность и регулярность распределения в плане и по высоте сооружения его массы, элементов жесткости и нагрузок на перекрытия;
• назначать сечения элементов конструкций и их соединения с учетом результатов расчетов по разделу 6;
• конструировать стыковые соединения, опорные элементы и узлы таким образом, чтобы они обеспечивали надежную передачу усилий и совместную работу несущих конструкций во время землетрясения;
• создавать возможность развития в определенных элементах допустимых неупругих деформаций;
• предусматривать конструктивные мероприятия, обеспечивающие устойчивость и геометрическую неизменяемость конструкций при развитии в элементах или соединениях между ними неупругих деформаций, а также исключающие возможность их хрупкого разрушения;
• располагать, по возможности, стыки элементов вне зоны максимальных усилий.

Испытания трубопроводов и оборудования

В соответствии с законом «О техническом регулировании», новые строительные материалы и изделия, предназначенные для серийного производства, подлежат обязательной оценке и подтверждению соответствия требованиям безопасности.

Важным этапом таких исследований является оценка характеристик, влияющих на сейсмическую устойчивость материалов и изделий, таких как критические ударные, вибрационные и продольно-поперечные механические нагрузки. Для исследований применяются стенды динамического нагружения, виброплатформы, а также специальные вибромашины, способные воспроизводить трехмерные колебания и моделировать нагрузки, которые испытывают инженерные системы во время землетрясений. Проводятся испытания как труб, так и опор, на которых крепятся трубопроводы.

Полученные в результате испытаний данные позволяют определить физико-механические, эксплуатационные, а также, при необходимости, другие характеристики, например, динамические показатели испытываемой системы. Если в процессе испытаний произошло разрушение или нарушение герметичности трубопровода, то производителю необходимо разработать способы повышения их надежности.

Особенности прокладки трубопроводов в сейсмоопасных районах

Следующие особенности прокладки трубопроводов в сейсмоопасных районах должны препятствовать их деформации и разрушению при сейсмических нагрузках:

• жесткая заделка трубопровода в кладке стен и фундаментах зданий и сооружений не допускается. Отверстия для пропуска труб через стены и фундаменты должны иметь размеры, обеспечивающие в кладке зазор трубы не менее 0,2 м. Зазор должен заполняться эластичным водо- и газонепроницаемым материалом, упругие свойства которых имеют долговечность, сопоставимую с расчетным временем эксплуатации объекта;
• при расчетной сейсмичности 9 баллов в местах ввода в здание труб водопроводных систем устраивают деформационный компенсатор, позволяющий нейтрализовать колебания и возможные осадки здания и трубопроводов;
• не допускается пересечение канализационными трубопроводами конструкций деформационных швов зданий;
• стыковые соединения раструбных труб и труб, соединяемых на муфтах, прокладываемых в районах с сейсмичностью 8–9 баллов, должны обеспечивать компенсацию возможных просадок, для чего следует применить резиновые уплотнительные кольца;
• в местах поворота стояка из вертикального в горизонтальное положение следует предусматривать бетонные упоры;
• при проектировании систем водоснабжения зданий промышленных предприятий, размещаемых в районах с сейсмичностью 8–9 баллов, для которых прекращение подачи воды может вызвать аварии или значительные материальные убытки, следует предусматривать два ввода с использованием двух независимых источников водоснабжения;
• внутри зданий в местах пересечения деформационных швов на трубопроводах следует предусматривать установку компенсаторов;
• на вводах перед измерительными устройствами, а также в местах присоединения трубопроводов к насосам и бакам необходимо предусматривать гибкие соединения, допускающие угловые и продольные перемещения концов трубопроводов;
• при выполнении сварочных работ по осуществлению стыков соединений стальных труб следует обеспечивать равнопрочность сварного соединения с телом трубы. Не допускается применять ручную газовую сварку. Сварные соединения трубопроводов, прокладываемых в районах с сейсмичностью 9 баллов, следует усиливать накладными муфтами на сварке;
• внутренняя разводка водопроводных коммуникаций должна быть надежно прикреплена к несущим конструкциям;
• стояки трубопроводных систем должны прокладываться в местах, наименее уязвимых при землетрясении (внутренние стены, стены лестничных клеток, сантехнические блоки и т.п.).

Опоры для крепления трубопроводов

Магистральные трубопроводы внутри здания обычно прокладывают параллельно друг к другу с перпендикулярными пересечениями и ответвлениями. Работоспособность трубопровода обеспечивается способностью противостоять разрушению (коллапсу) коммуникационных сетей, гарантировать минимальное количество возможных повреждений, локализуемых в каждом сетевом контуре и возможностью безопасного присутствия людей и использования помещений и сетей объекта по прямому назначению.

Стойкость к разрушению обусловлена, прежде всего, общей способностью трубопроводной сети гибко (эластично) реагировать на смещение строительной конструкции. Минимальное количество возможных повреждений обеспечивается сопротивлением каждого элемента сети сейсмическому воздействию. Следовательно, опоры трубопровода должны компенсировать смещения строительных конструкций при землетрясении, чтобы в трубах не возникли механические напряжения, ведущие к их деформации и разрушению.

На рис. 1 представлен вид опоры трубопровода с компенсационными салазками и направляющим хомутом. Эта опора позволяет трубопроводу двухмерное перемещение для компенсации возникающих деформационных нагрузок.

Рисунок 1. Опора трубопровода с компенсационными салазками и направляющим хомутом

На рис. 2 представлен способ крепления каналов на компенсационных роликах. Подобный способ крепления имеет свои недостатки: требуется выполнение разрывов в теплоизолирующем слое в том месте трубопровода, где он соприкасается с роликами. Кроме того, в случае бокового смещения труба может выйти за пределы ролика.

Рисунок 2. Крепление каналов на компенсационных роликах

Для того чтобы обеспечить трехмерное перемещение трубопровода, можно использовать подвеску трубопроводов, показанную на рис. 3. Подвеска обеспечивает свободу перемещения трубы, легкость монтажа теплоизоляционного покрытия, но требует большого числа распорочных антисейсмических креплений. Кроме того, для монтажа такой подвески понадобится установка специальных опорных лесов для временной укладки трубопроводной консоли.

Рисунок 3. Сейсмоустойчивая подвеска трубопроводов

В настоящее время специально для Японии был разработан антисейсмический элемент для инженерных сетей, позволяющий компенсировать напряжения, возникающие в системе при землетрясениях более 9 баллов при пересечении трубопроводом демпферных швов в здании. Подобная антисейсмическая система, представленная на рис. 4, состоит из гибкого участка трубопровода и его крепления к ограждающим конструкциям.

Рисунок 4. Антисейсмическая система

Восстановление и усиление инженерных коммуникаций после землетрясений

Инженерные сооружения при землетрясении получают следующие повреждения:

• при сохранности несущих конструкций здания или сооружения во время расчетного землетрясения водопроводные и теплофикационные системы, выполненные из металлических труб диаметром 25–75 мм, получают незначительные повреждения. Инженерные коммуникации повреждаются от землетрясения интенсивностью в 8 баллов и более;
• существенные повреждения металлических трубопроводных систем в зданиях и сооружениях отмечаются при разрушениях несущих конструкций, а также в случае ненадежного крепления труб коммуникаций к этим конструкциям или при отсутствии упругих прокладок в крепежных устройствах;
• требование сохранения при землетрясении наружных коммуникаций возле здания и сооружения в основном объясняется деформативными свойствами грунта основания и обеспечивается конструктивным решением ввода труб в цокольную часть объекта.

Восстановление и усиление водопроводных, теплофикационных и канализационных сетей выполняют в соответствии с состоянием несущих конструкций здания и сооружения. Целесообразно все внутренние магистрали и стояки в здании и сооружении сосредотачивать в местах, соответствующих СП 31-114–2004.

Все поврежденные участки трубопроводов заменяют на новые или исправные. Узловые соединения и углы поворотов должны быть надежно прикреплены к несущим конструкциям здания или сооружения. Крепежные устройства трубопроводов должны иметь упругие прокладки.

Во всех вводах трубопроводов в здание или сооружение необходимо устраивать упругие внешние оболочки с толщиной стенки 2–4 см, исключающие жесткое соприкосновение труб с несущими и ограждающими конструкциями.

При замене труб следует отдавать предпочтение легким и прочным конструкциям из металла, устраивая, по мере возможности, гибкие стыковые соединения.

Мероприятия, проводимые для сейсмоопасных районов

Для того чтобы снизить риски для населения, проживающего в сейсмических районах, необходимы:

• разработка принципиально новых и эффективных способов повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;
• повышение качества проектирования объектов для сейсмологических зон с учетом СНиП II-7–81* «Строительство в сейсмических районах» и СНиП-2.01.51–90 «Инженерно-технические мероприятия гражданской обороны»;
• строгий контроль за соблюдением качества строительства, строительных норм и правил, исключение брака;
• проведение в сейсмоопасных зонах паспортизации (инвентаризации) объектов гражданского, промышленного, транспортного и коммунального назначения с целью выявления их сейсмостойкости;
• проведение специальных работ по повышению сейсмостойкости (укреплению) зданий и сооружений, разборке (демонтажу) недостаточно стойких строений и конструкций.

Литература

1. СП 31-114–2004. Правила проектирования жилых и общественных зданий для строительства в сейсмических районах.
2. Антисейсмические опоры и крепления // Сантехника. 2006. № 2.
3. СНиП 2.04.02–84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
4. СНиП 2.01.51–90. Инженерно-технические мероприятия гражданской обороны.
5. СНиП 2.04.01–85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

Материал подготовлен Шониной Н.А., старшим преподавателем МАрхИ