Решение задачи ликвидации последствий землетрясений в минимально возможные сроки включает в себя как перспективные мероприятия, учитывающие развитие города, поселка, предприятия в будущем, так и внеочередные, направленные на безотлагательное обеспечение жизнедеятельности района, подвергшегося землетрясению. Учитывая совокупность таких факторов, как производственный потенциал и продукция, поставляемая этим предприятиям для других районов, социально-политическое значение пострадавшего региона, необходимо принимать меры к развертыванию нового строительства, постоянному или временному усилению зданий и сооружений. Этот подход диктуется необходимостью сочетать разумную надежность с минимальными затратами на ликвидацию ущерба, нанесенного землетрясением.
Организация обследования зданий и сооружений при восстановлении. Качественное выполнение проектов восстановления возможно при условии исчерпывающих сведений о техническом состоянии объекта в целом и его отдельных строительных конструкций. Единственным источником исчерпывающей информации о техническом состоянии и несущей способности строительных конструкций могут быть материалы обследований, выполненных квалифицированными специалистами в области строительства, причем до разработки проектов восстановления. Принятие проектных решений без достоверных и полных сведений о фактическом состоянии строительных конструкций в одних случаях может существенно завысить объемы капитальных вложений, а в других привести к аварии в процессе эксплуатации и даже при выполнении работ по восстановлению здания или сооружения.
Сбор и систематизации сведений о дефектах, обнаруженных при обследовании, являются не только необходимым исходным материалом для решения вопроса и разработки мер по восстановлению объекта, но и позволяют, обобщив их, довести до широкого круга специалистов. Общие положения инструктивной литературы предусматривают проведение обследований специализированными организациями лишь в необходимых случаях, подразумевая при этом, что последнее определяет служба эксплуатации и содержания зданий и сооружений. При ликвидации последствий землетрясений указанные рекомендации практически невыполнимы.
Первые попытки создания в бывш. СССР единой методики обследования зданий после землетрясений относятся к семидесятым годам, когда к участию в обследовании стали привлекаться экспедиции научно-исследовательских и проектных институтов из различных регионов страны. Единая методика позволяет устранить разноречивые подходы в оценке интенсивности проявления землетрясений по результатам макросейсмического анализа, оценке ущерба, а также целесообразности необходимого уровня восстановления (усиления) поврежденных сооружений.
Высокая сейсмическая активность, отмечающаяся в последнее десятилетие, требует совершенствования методики обследования последствий землетрясений и шкалы сейсмической интенсивности. Так, в 1980 г. разработаны Методические рекомендации по инженерному анализу последствий землетрясений, но и наличие этой методики не позволило в некоторых случаях избежать разночтений в оценке повреждений, хотя и резко их сократило. С учетом предложений по совершенствованию этой методики применительно к зданиям и сооружениям, подлежащим восстановлению, следует проводить работы по обследованию в следующем объеме и порядке.
Оперативное обследование должно охватывать все здания и сооружения, находящиеся в зоне разрушений и повреждений, путем визуального осмотра и опроса жителей или объезда населенных пунктов со слабо выраженным воздействием землетрясения. Наряду с предварительным определением общего причиненного ущерба, выделением зон с различной степенью повреждений, оценкой проявления интенсивности землетрясений по макросейсмическим признакам и подробным обследованием представленных типов зданий и сооружений в зонах высокой интенсивности сейсмического воздействия, главным в оперативном обследовании является одно из следующих решений: объект остается в эксплуатации; объект подлежит детальному обследованию; объект подлежит сносу.
Первое из этих решений не исключает неотложного проведения текущего ремонта; второе — возможность перевода объекта в первую и третью группы решений и предусматривает принятие в необходимых случаях экстренных противоаварийных мер и установку различных датчиков (маяков), а также отселение жителей или выведение работающих во временные помещения; третье — отселение жителей или перевод работающих в другие постоянные помещения.
Наиболее трудоемкой частью, требующей одновременного привлечения большого количества инженерно-технических работников, является детальное обследование объектов. При этом одновременное, массовое обследование позволяет выделить первоочередные объекты, подлежащие восстановлению с учетом их социально-экономической ответственности, а также необходимые трудовые и материальные затраты на восстановление.
Острота этой проблемы обусловлена, с одной стороны, необходимостью в возможно сжатые сроки уменьшить ущерб, причиненный землетрясением, а с другой, избежать дополнительных затрат, которые резко возрастают в поврежденных зданиях в результате как ускоренного их старения из-за афтершоков, так и вследствие неизбежного растаскивания вполне пригодных для последующей эксплуатации элементов здания и оборудования (оконные переплеты, дверные полотна, дощатые полы, элементы сантехники и др.).
Детальное обследование зданий и сооружений предусматривает:
1) проведение наружного и внутреннего осмотра, фиксацию, а в необходимых случаях и замер деформаций в узлах, сопряжениях и теле элементов зданий и сооружений.
Учитывая трудоемкость, а зачастую опасность осмотра поврежденных конструкций, добиться требуемого качества обмерных работ ручными способами практически невозможно. Совершенствуя технологию обследования, следует стремиться: к повышению производительности труда при фиксации повреждений; к сведению к минимуму объема работ на высоте, в том числе в опасных условиях; к сокращению времени работы в действующем объекте; к обеспечению требуемой точности замеров труднодоступных конструкций, особенно сложных очертаний.
Успешному решению этой задачи должно способствовать широкое применение фотограмметических методов измерений, которые используются, например, при замерах памятников старины.
Фоторегистрация с использованием любительской фотокамеры и масштабного кольца позволяет достоверно отразить состояние элементов конструкций, а также определять их геометрические размеры непосредственно по фотоснимку. Фоторегистрацией с достаточной точностью определяются размеры элементов и их соединений, места их повреждений и т.п. Использование фотоснимков в составе материалов обследования заменяет графическое исполнение узлов в обмерных чертежах, что улучшает качество проектной документации и значительно сокращает трудозатраты на ее исполнение. Широкое внедрение фотограмметрических методов измерений при обследовании сооружений имеет некоторые преимущества при определении координат большого количества точек, как, например, в зданиях сложной объемно-планировочной формы и при обследовании недоступных конструкций;
2) фиксацию остаточных деформаций в несущих элементах зданий и их сопряжений, включая отклонения от проектных. Для этого наряду с фотограмметрическими методами для измерения отклонений используются и методы инженерной геодезии, построенные на принципах угловых линейных засечек, тригонометрического нивелирования, створных измерений и т.п. Применительно в замерам вертикально расположенных элементов сооружений ленинградским отделением ЦНИИпроектстальконструкция разработана и широко используется схема опорного треугольника, позволяющая замерять конструкции, расположенные в зонах, недоступных для прямых измерений.
Остаточные деформации следует измерять не только с помощью рулеток, обычных и угломерных линеек, транспортиров, отвесов, специальных луп, микроскопов, штангенциркулей, что требует непосредственного доступа к повреждению, но и использовать другие приспособления, облегчающие обследование. Для измерения толщин в интервале 0…50 мм труднодоступных элементов может применяться дистанционный толщиномер. Он позволяет вести измерения на расстоянии до 6 м от исполнителя.
Измеритель экцентриситета позволяет быстро и удобно определять эксцентриситет, например кранового рельса относительно подкрановой балки. Фотографирование высоко (до 6 м) расположенных элементов конструкций обеспечивает телескопический фотоштатив. Кроме этого, может применяться оснастка, обеспечивающая безопасность и удобство работы на конструкции;
3) методика определения остаточных деформаций и просадок оснований и фундаментов будет изложена далее. Следует только иметь в виду, что промежуток времени от принятия решения о восстановлении (усилении) объекта и до его реализации зачастую бывает продолжителен, так как требует определенной подготовки, что вызывает необходимость в наблюдении за нарастанием деформаций инструментальным или визуальным методом и в некоторых случаях соответствующей корректировки выбора конструктивного решения, принимаемого по восстановлению или усилению;
4) измерение динамических характеристик объектов по мере накопления ими дополнительных деформаций в условиях часто повторяющихся афтершоков.
Регистрация динамических характеристик осуществляется с помощью передвижной инженерно-сейсмической станции на объектах, где ожидается наиболее интенсивное нарастание деформаций. В качестве источника возбуждения могут быть использованы микросейсмические, импульсивные и вибрационные возбуждения, а также непосредственно афтершоки землетрясений. Работа идет по схеме, предусмотренной методом многократного исследования колебаний сооружений — МИКС, путем записи свободных колебаний при возбуждении их в продольном и поперечном направлениях здания и при его кручении вибродатчиками типа ВЭГИК с регистрацией на осциллографе, после этого она обрабатывается в соответствии с руководством.
Импульсивное возбуждение осуществляется с помощью оттяжки здания тросом с последующим мгновенным сбросом приложенного усилия. Мгновенный сброс происходит при отрыве специальной тарировочной вставки, которая соединяет силовую установку с тросом, прикрепленным к зданию. Тарированные вставки могут быть изготовлены из арматурной стали диаметром 8…10 мм класса Al в виде восьмерок (длиной 300…400 мм с двумя петлями по концам, диаметром около 100 мм). В качестве силовой установки могут быть использованы грузовые автомобили, развивающие усилие 0,2…0,4 кН, необходимое для обрыва вставок, при котором влияние микросейсмических колебаний грунта исключается вследствие загрубления соответствующих измерительных каналов. Вибрационное возбуждение осуществляется передвижными вибрационными машинами с доведением конструкций зданий до исчерпания несущей и деформационной способности (наступление предельных состояний).
Изменение динамических характеристик (периодов и форм собственных колебаний, характеристик затухания) зданий и сооружений с учетом характера и степени их повреждений при землетрясении и инженерно-геологических условий площадки строительства позволяет, в частности, контролировать изменение жесткости объекта по мере выполнения восстановительных мероприятий.
5) определение физико-механических характеристик основных несущих конструкций, которое необходимо для оценки их прочностных свойств.
Физико-механические свойства поврежденных объектов изучают применительно к материалам, из которых выполнены несущие конструкции, отдавая предпочтение неразрушающим методам. В зданиях со стенами из кирпича, мелких блоков и местных строительных материалов следует определять нормальное сцепление кладки по неперевязанным швам, прочность отдельных простенков и перемычек на сжатие и сцепление, прочность образцов раствора, взятых из кладки. Для этого, в частности, могут быть использованы приборы и приспособления для выявления нормального сцепления раствора с кирпичом, представленные на рис. 1.1, которые нашли применение при обследовании последствий землетрясений.
В крупнопанельных, крупноблочных и объемно-блочных зданиях, а также железобетонных каркасных и зданиях со стенами из монолитного бетона определяются следующие характеристики: класс бетона, размещение продольной и поперечной арматуры и ее класс в несущих железобетонных конструкциях 10…15. Фактическая прочность бетона определяется с помощью механических приборов, основанных на измерении отпечатков, типа эталонного молотка НИИ Мосстроя, пружинного прибора ХПС, маятникового прибора ДПГ-4, молотка Кашкарова, ударных приборов ПМ-2, ИПБ-10 УЦ, скалывающего устройства УРС-2 и приборов, основанных на принципе отскока, а также с помощью ультразвуковых приборов ГСП УК-14П, «Бетон-12»,-УФ-10П, основанных на измерении скорости распространении в бетоне ультразвука.
Средняя прочность бетона при испытании вычисляется по фактически полученным данным — для каждого исследуемого элемента конструкции отдельно или при достаточной однородности — для группы однотипных конструкций. He следует определять среднюю прочность бетона в конструкциях, имеющих при внешнем осмотре на наружной поверхности и в сколах различную структуру бетона. За расчетную прочность бетона на сжатие можно принимать величину, вычисленную по средней прочности с коэффициентом 0,7. Армирование несущих конструкций устанавливается вскрытием защитного слоя бетона и замером продольной и поперечной арматуры штангенциркулем и линейкой, а также магнитным методом с помощью прибора ИЗС-10Н или прибора «искателя арматуры» харьковского Промстройниипроекта. В допустимых случаях образцы арматуры и элементов стальных конструкций вырезаются газопламенной горелкой и испытываются на стандартных разрывных машинах.
Определение расчетного сопротивления арматуры усиливаемых конструкций производится испытанием образцов, вырезанных из этих конструкций. Класс стали устанавливается на основании результатов испытаний вырезанных образцов по соответствию полученных значений предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения при разрыве браковочному минимуму в соответствии в табл. 1.2 или по результатам химического анализа.
При аварийном состоянии конструкций для ориентировочных расчетов по рекомендациям НИИЖБ и харьковского Промстройниипроекта разрешается принимать пределы текучести стали: для арматуры класса A-I 196 МПа (2000 кгс/см2); для арматуры класса A-II — 294 МПа (3000 кгс/см2); для арматуры класса A-III — 392 МПа (4000 кгс/см2). Для арматурной стали старых железобетонных конструкций предел текучести принимается 186 МПа (1900 кгс/см2). Жесткая арматура из прокатных профилей учитывается в расчетах как сталь класса A-I или на основании результатов испытаний образцов.
В зданиях из металлического каркаса натурные испытания обычно выполняют методом пробной нагрузки, который из-за некоторых недостатков ограничивает его применение. В последние годы в ленинградском отделении ЦНИИПроектстальконструкция разработан и применяется вибрационный метод определения усилий, действующих в элементах нагруженных строительных металлоконструкций, — основанный на функциональной зависимости между собственной частотой и усилием. Разработаны также способы экспериментального определения параметров, характеризующих жесткости упругого защемления. Применение вибрационного метода определения усилий было осуществлено на образцах, стержнях большемасштабных моделей стальной фермы и на натурных конструкциях пролетных строений;
6) оценку общего состояния здания и сооружения, их отдельных частей, распределение остаточных деформаций в плане и по высоте. На основании этих материалов после их обработки оценивается: возможность восстановления объекта или усиления; необходимый уровень восстановления; технико-экономическая целесообразность;
7) выбор способа восстановления или усиления с учетом его технологичности и имеющихся в наличии оборудования и квалифицированных кадров. Поскольку два первых фактора будут рассмотрены далее, то здесь следует только обратить внимание на важность подготовки квалифицированных кадров строителей.
Накопленный опыт показывает, что дефекты проектирования в значительной мере являются результатом ошибок, допущенных при проектировании вследствие недостаточных знаний норм, основного курса строительной механики, физико-механических свойств материалов, методов выполнения строительно-монтажных работ, неправильного учета конкретных условий работы строительных конструкций при эксплуатации зданий и сооружений. В условиях же усиления (восстановления) конструкций и реконструкции сооружений перечисленные ошибки и недостатки усугубляются тем, что невозможно с необходимой точностью обследовать сооружение или конструкцию, определить физико-механические свойства материала, вид и степень коррозии.
Устранение дефектов, допущенных при строительстве, и выполнение мероприятий по усилению конструкций требует специальной подготовки и навыков в оценке требований к качеству строительных материалов и конструкций, способам производства работ при усилении конструкций, выявлению и недопущению случаев замены строительных материалов и конструкций, предусмотренных проектом, на материалы и конструкции низшего качества или несоответствующие условиям эксплуатации. Персонал служб эксплуатации и содержания зданий и сооружений должен обязательно проходить технический минимум, поскольку их роль в обеспечении долговечности усиленных, восстановленных и подвергшихся реконструкции сооружений, весьма велика.
