Строительство сейсмостойких домов

Любые здания, строящиеся в сейсмоопасной зоне, должны соответствовать региональным требованиям безопасности. И это не формальность, а безопасность.

Сейсмика опасна для домов из кирпича и мелких блоков. Наиболее безопасные – монолитные, деревянные и дома из газоблоков, сложенные в соответствии со всеми нормативами. Их потенциал к сейсмической устойчивости закладывается ещё при проектировании, выборе конструкторских решений.

Суть землетрясения простыми словами

Основные источники сейсмической активности:

• Тектонические смещения океанических и материковых платформ. Наиболее разрушительны.
• Вулканические толчки лавы на поверхность земли. Почти незаметны, но продолжительны.
• Локальные толчки в результате горных обвалов и оползней.
• Деятельность человека: создание водохранилищ, выемки горных пород, мощные подземные взрывы – всё это благоприятствуют подвижкам земной поверхности.

Территория России в основном сейсмически-спокойна. Землетрясения происходят в горах и на стыках тектонических плит: зона повышенного риска на Кавказе, Алтае, Камчатке, в Крыму, Поволжье, Сибири.

Интенсивность подземных толчков измеряется в балах, описывает силу землетрясения, величину подвижек земной поверхности:

• Малоощутимое – до 3 баллов. Регистрируются приборами, еле заметно на верхних этажах высотных зданий.
• Умеренное – до 7 баллов. Возможны оползни, трещины на дорогах. В домах сложно устоять на ногах, падает мебель. Люди в страхе выбегают на улицу.
• Сильное – до 8 баллов. Серьёзные повреждения зданий – порывы трубопроводов, трещины в стенах, обрушение дымовых труб. Паника.
• Очень сильное – до 10 баллов. Обрушение зданий, плотин, дамб, мостов, разрывы подземных коммуникаций, трещины в грунте.
• Катастрофа – 12 баллов и более. Разрушение всех типов наземных и подземных сооружений. Изменение рельефа земной поверхности.

Поэтому специалисты работают над снижением сейсмических нагрузок, стараясь исключить повреждения домов даже в эпицентре землетрясения. Правила строительства регулируются СП 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах.

Сейсмически активный Крым

Микроземлетрясения в Крыму регистрируют с завидной регулярностью. Полуостров постоянно «живёт» режиме колебаний. Его трясет ежегодно по многу раз, но сила толчков слабая – всего лишь 2-3 бала и практически не ощущается.

Но даже из-за небольшой тряски в стенах зданий накапливается усталость, возникают микротрещины, чреватые преждевременному обветшанию. Поэтому большинство строений серьезного землетрясения не выдержат.

Фактическая сейсмика в Крыму достигает 7 - 9 балов, но серьезные толчки происходят нечасто, примерно раз в 100 лет. Сложно строить прогнозы о ближайшем сильном землетрясении, оно может произойти завтра, а может и через много лет. При этом территория Крымского полуострова обширна, если возле какого-то побережья случится природный катаклизм, то на противоположном его могут даже не заметить.

Опасности в Санкт-Петербурге и Ленинградской области

Санкт-Петербург расположен в сейсмической зоне с вероятными воздействиями до 6 баллов по шкале MSK-64. Город расположен на территории, которой несвойственны тектонические сдвиги.

Ощутимые толчки исключительная редкость, и происходили от макросейсмического эффекта при землетрясении в Карпатах, где землетрясения случаются крайне редко, амплитуда колебаний невелика.

Однако в Ленобласти всё же наблюдаются незначительные, но постоянные подвижки грунта. Южный берег Финского залива плавно опускается, а северный поднимается на 1 мм в год, что провоцирует рост разломов в районах Красного Села и Ленинского проспекта.

В целом, Ленинградская область не сейсмоопасный район, но под всей её территорией преобладают суглинистые неустойчивые грунты. При значительном землетрясении, они значительно усилят разрушающий эффект.

Как разрушаются дома

При подземных толчках фундамент здания движется вместе с грунтом, а верхние этажи по инерции задерживаются. Чем резче смещения нижних этажей по отношению к верхним, тем больший ущерб получает здание.

Разрушение начинается с появления трещин, падающих кусков штукатурки. При усилении толчков повреждаются углы дома. Ломаются вентиляционные и дымовые трубы, обрушиваются парапеты и козырьки над подъездами.

В наружных стенах трескаются и сыплются стекла, выпадают оконные блоки. Конструктивно-слабые стены теряют несущую способность, рушатся перекрытия.

Общие принципы безопасности к проектированию антисейсмических зданий

Специальные технологии сейсмоизоляции зданий развиваются в направлении эффекта «парения» дома без жесткого соединения с фундаментом, что позволяет отстроится от колебаний земли. Для этого применяют:

• амортизаторы на роликовых подшипниках;
• инерционные, пружинные опоры-демпферы;
• приподнятые основания на воздушных подушках;
• вибрационный контроль и успокоители колебаний.

Но всё это слишком дорогие технологии. Наиболее распространены более экономные, но достаточно надёжные конструктивные решения:

• основа компактных высотных зданий – железобетонный монолитный «сердечник», где арматура компенсирует нагрузки на растяжение, а бетон на сжатие;
• здания сложной формы и большой площади, либо с перепадами высот более 5 м конструктивно делятся на простые сегменты.

Практика показывает, что самые устойчивые дома с максимально простой симметричной конфигурацией, достаточной жесткостью конструкций и равномерным распределением нагрузок. В них меньше всего разрушений.

Наиболее безопасна круглая форма, далее квадрат и равносторонний многоугольник. Асимметричные пристройки, выступы, башни и другие архитектурные дополнения смещают центр тяжести, повышая сейсмическую уязвимость.

Но круглые и квадратные здания эстетически проигрывают прямоугольным и ассиметричным. Поэтому в угоду дизайну и сохраняя безопасность, при проектировании их конструктивно делят на отдельные замкнутые отсеки простой формы, объединённые антисейсмическими швами.

Для этого, в высоких зданиях большой площади и сложной формы приходится возводить двойные ряды несущих стен, парные колонны и рамы. Каждый устойчивый сегмент под воздействием подземных толчков резонирует отдельно. Шансы всего здания уцелеть при землетрясении значительно повышаются.

Но эти технологии слишком дороги и избыточны для частного домостроения на территории РФ.

Выбор строительных материалов и технологий при строительстве в сейсмоактивной зоне

Как сделать частный дом более сейсмостойким:

• Провести геодезические исследования – предусмотреть тип фундамента, что бы грунт выдерживал нагрузку от здания с запасом на экстремальные условия землетрясения.
• Желательно стремиться к облегчению здания, так как наиболее безопасны легкие малоэтажные дома с минимальной нагрузкой на грунт.
• Учесть этажность дома. Чем больше площадь, тем меньше давление на грунт. Поэтому одноэтажный дом в сравнении с несколькими этажами той же общей площади имеет больше шансов устоять.

Фундамент-плита

Плавающий фундамент – это простая, прочная монолитная конструкция, максимально устойчивая к вертикальным и горизонтальным смещениям грунта. Железобетонная плита с усиленным армированием, заливается по всей, либо чуть большей площади дома. По такой технологии можно возводить жилье даже на грунтах с низкой несущей способностью. Дому не страшны ни подвижки грунта, ни морозное пучение.

Фундамент должен стоять на амортизационной подушке из щебня и песка. Эта подушка амортизирует толчки. При этом вся конструкция «плавает» в толще грунта, отдельных частей нет и нечему смещаться относительно друг-друга. Плита под нагрузкой несущих стен «скользит», компенсируя резкие толчки. Именно поэтому плитные фундаменты популярны в Крыму – жители дома ощущают покачивание вместо сейсмических толчков. Дом защищен от разломов, поскольку стенам передаются уже ослабленные колебания.

Стены

Конечно, в сейсмически опасных регионах предпочтительны однородные монолитные конструкции. Они исключают большинство поражающих факторов, ведь цельная стена в отличие от кладки, не способна просто рассыпаться. При этом весь архитектурный декор – выступы и балконы, также являются частью единого массива железобетонного дома с мощными несущими стенами. Для большей жёсткости внутренние перегородки также можно сделать монолитными.

Однако не все согласны жить в железобетонном доме. И для многих сейсмоопасных регионов такая перестраховка будет излишней. Поэтому практикуется строить железобетонный монолитный силовой каркас, заполненный крупноформатными блоками.

Каркас конструктивно связан с газобетоном – объединён общим армированием, а не просто его заполняет. Иначе при серьезном толчке монолит выстоит, а стена скорее всего выпадет внутрь или наружу.

Выгоды: железобетонный каркас отлично выдерживает сдвиги грунта при землетрясениях: арматура работает на растяжение, бетон на сжатие. В отличие от мелкоформатной кладки, способной развалиться, большие блоки надёжно армируются в жб-каркас дома. А в качестве межкомнатных перегородок безопасными себя зарекомендовали легкие каркасные конструкции.

Силовой каркас

Это монолитные железобетонные включения в конструкцию здания: укрепление углов, сердечники и сейсмопояса. Оптимальный шаг вертикальных составляющих каркаса равен высоте этажа, их недостаточное количество ослабит стены.

Усиленное армирование колонн и ригелей поглощает энергию подземных толчков. Дополнительно армируют: узлы анкеровки в фундаменте, стене, обрамлении проемов, включая перемычки над ними, узлы стыков арматурных стержней соседних конструкций – всё это делается глубоко в теле будущего железобетона. Армирование объемных блоков выполняется пространственными каркасами и арматурными сетками.

Вертикальные укрепления углов, сердечники и горизонтальные сейсмопояса, включая усиливающий пояс по верху фронтонов, парапетов кровли или мансарды – замоноличиваются мелкозернистым бетоном с пониженной усадкой. Во избежание появления конденсата, промерзания – внешние поверхности железобетона утепляются пенополистиролом.

Газоблок в сейсмоактивном регионе

Преимущества газоблоков – легкость и крупный размер. Стена получается намного легче кирпичной и её проще надёжно увязать с каркасом.

В регионах с вероятной сейсмикой в 9 баллов допускается строить из автоклавного газобетона лишь 1-этажные дома.

Для строительства малоэтажных газобетонных домов в регионах повышенной сейсмической активности важно, чтобы прочность блоков на сжатие для несущих стен была не ниже B5. Поэтому для их возведения согласно п. 6.14.4 СП 14.1330.2011 требуются блоки марки D700. Но они сравнительно дороги и не везде встречаются в продаже.

В нашем случае можно применить самый легкодоступный и популярный блок D500 B2,5. Из него допускается строить только самонесущие стены, но это значит, что он идеально подходит для зданий с полным железобетонным каркасом.

Надежность газобетонного заполнения зависит от соблюдения технологии и качества работ:

• В условиях отсутствия сейсмической активности замена монтажного клея на песчано-цементный раствор грозит дому усадочными трещинами в швах и как следствие, теплопотерями. Но при землетрясении это причина разрушений. Испытания и практика показывают, что кладка на клеевой раствор в 2.8 раза прочнее.
• Каркас и заполняющая его кладка из газоблока объединяются общим армированием – не реже чем через каждые 3 ряда блоков заложена арматура, проходящая сквозь все железобетонные усиления столбов, колонны и сердечники. Либо кладка изолируется от каркаса упругим демпферным материалом.

Межэтажные перекрытия

Рекомендуются выполнить монолитные железобетонные перекрытия. Они капитально соединяются со всеми вертикальными несущими элементами: стенами, колоннами. Либо сборные перекрытия, их прочность достигается за счёт рифления боковых граней плит.

По монолитному сейсмопоясу в малоэтажном строительстве допускаются деревянные перекрытия.

Подведём итоги

Факторы, снижающие сейсмостойкость дома:

• сложная форма: выступы, перепады высот, неоднородные по материалам и толщине несущие стены;
• цокольный этаж на колоннах с широкими пролетами;
• стены из кирпича выше двух этажей.

Технологии чтобы сделать дом из газобетона более сейсмостойким:

• фундамент-плита;
• малоэтажный, квадратный дом;
• несущие стены одинаковой толщины;
• монолитные межэтажные перекрытия;
• сейсмопояс.

Самый нестандартный, но довольно эффективный и одновременно приятный метод улучшить сейсмостойкость – в геометрическом центре первого или цокольного этажа устроить бассейн. За счет встречных колебаний вода в бассейне сильно бурлит, но успешно гасит сейсмические волны, не входя с ними в резонанс.