Особенности усиления и восстановления зданий после Спитакского землетрясения

Спитакское землетрясение 7 декабря 1988 г. с особой яркостью высветило еще одну проблему сейсмостойкого строительства. Речь идет о массовом усилении зданий, не поврежденных и прошедших проверку как землетрясением, так и зачастую длительным сроком эксплуатации. Если исходить из примера Спитакского землетрясения, то суть этой проблемы состоит в следующем. До землетрясения одна треть городов и крупных населенных пунктов в Армении размещалась на территории семибалльной сейсмичности (с первой повторяемостью сейсмического воздействия) и две трети на территории восьмибалльной сейсмичности (со второй повторяемостью сейсмического воздействия). Ни одного населенного пункта не было отнесено к девятибалльной сейсмической зоне. Более того, наблюдалась тенденция к снижению сейсмичности в некоторых городах. Причем в городах Ленинакане, Мисисе и других ранее были проведены работы по сейсмическому микрорайонированию, изучены грунтовые условия, имеются и другие сведения, которые учитывались при назначении сейсмичности.
Известно, что затраты на традиционные системы сейсмовооружения повышают стоимость кирпичных зданий в среднем на 4, 8, 12%, крупнопанельных на 3, 6, 9%, каркасных еще меньше, и средние по — 5, 8, 11% соответственно для 7-, 8- и 9-балльной расчетной сейсмичности. Затраты, как показывает опыт обследования зданий и сооружений после многочисленных землетрясений, вполне себя оправдывающие.
В результате Спитакского землетрясения, если проанализировать один из наиболее массовых видов застройки — жилые дома, — имеем: в Спитаке — массовое обрушение каркасно-панельных зданий и сравнительно небольшие повреждения двух крупнопанельных 5-этажных трехсекционных зданий.
В Ленинакане обрушилось около 80% каркасных домов, в том числе большинство одно- и многосекционных точечных, выполненных по проектам серии 111, которые имели конструктивные дефекты в виде несовершенного рамно-связевого каркаса, местами жесткое закрепление навесных ограждающих конструкций к элементам каркаса и несимметричное расположение диафрагм в плане, приводящее к кручению. Стены лестничных клеток в этих домах из монолитного железобетона выполнялись обособленно. Разрушились также несколько зданий, имевших 9...12 этажей, из плоских рамных каркасов с навесными ленточными стенами, основными причинами повреждений которых было раздавливание колонн первого этажа, зачастую усугубляемое отсутствием надежного стыкования арматуры и другими дефектами, а также два здания, выполненных методом подъема перекрытий. Крупнопанельные 9-этажные здания серии 451-КП пострадали незначительно.
Каменные здания в основном представлены одноэтажными частными домами со стенами из кладки ”Мидис”, как правило, без антисейсмического усиления, но в большинстве случаев при кладке высокого качества, а также четырех-пятиэтажными жилыми домами серий 1А-450 и 1А-451. Наблюдалось повсеместное разрушение торцовых секций из-за недостатков объемно-планировочного решения.
Для каменных зданий характерны нарушения, связанные с качеством строительно-монтажных работ — отсутствие антисейсмических поясов или связи пояса со стеной, а также прокладных блоков, низкое, даже по сравнению с частным одноэтажным строительством, качество кладки ”Мидис”, внутренняя забудка которой не имеет достаточной связи с камнями. На повреждениях многоэтажных каменных зданий, как и каркасных многоэтажных зданий, сказался и длиннопериодный характер сейсмического воздействия при Спитакском землетрясении (T = 0,3—1 с).
Следует отметить, что одноэтажные каменные здания в Ленинакане пострадали меньше. Однако, судя по макросейсмическому анализу одноэтажных зданий без антисейсмических усилений или с усилениями в виде горизонтальных гибких (и сочетании с жесткими) металлических тяжей, около 1000 объектов, обследованных в основном специалистами Ap мНИИСА и частично экспедицией Института физики Земли АН СССР, картина повреждений соответствует следующей статистике: обрушения имеют место во многих зданиях (примерно 44%), разрушения — в 40% зданий и удовлетворительное состояние — в 16% домов. При этом степень повреждения одноэтажных каменных зданий, а также отдельно стоящих каменных столбов неодинакова для различных районов города.
Первоначальные макросейсмические обследования объектов Спитакского землетрясения, проведенные специалистами Армении, Узбекистана, Казахстана и Москвы, позволили оценить его силу в эпицентральной области не менее 10 бал, а в Ленинакане — 9 бал. В Ленинакане оценка интенсивности землетрясения макросейсмическим способом подтверждалась также инструментальными данными, полученные по ГОСТ 6249 -52 с помощью трех сейсмометров СБМ, расположенных в различных точках города. Дальнейшее детальное макросейсмическое обследование, проведенное специалистами АрмНИИСА, охватывало около 1500 объектов жилого и социально-бытового назначения. С позиций ремонтно-пригодности почти 65% жилых объектов было разрушено и подлежало сносу, 20% — требовало усиления и 15% перенесло землетрясение удовлетворительно. Среди объектов соцкульбыта -- 25% подлежало сносу, 55% — усилению и 20% перенесло землетрясение удовлетворительно.
Если опираться на приведенный анализ макросейсмического обследования интенсивности землетрясения, то оснований для существенного изменения сейсмичности (кроме эпицентральной зоны Кировакана и Степанована, а также восьми населенных пунктов, для которых составлены временные схемы микросейсморайонирования) в других населенных пунктах, расположенных в сейсмических районах АрмССР, не наблюдается. Особенно это касается районов, оказавшихся вне зоны бедствия.
Однако в январе 1989 г. была принята временная схема сейсмического районирования Армянской CCP на 1989—1990 гг., согласно которой 86% ее территории (58 и 67 основных населенных пунктов) отнесено в девятибалльной сейсмической зоне с различной повторяемостью землетрясений. При этом настораживает наличие изосейсты между семью- и девятью-балльными зонами, совпадающей с границей между Грузинской CCP и Армянской ССР, что указывает либо на несовершенство методики сейсморайонирования, либо на недостаточную проработку Закавказской зоны в целом.
Повышение сейсмичности зон повлекло за собой необходимость разработки технических решений по усилению конструкций каменных каркасных и крупнопанельных зданий, которые были утверждены Госстроем АрмССР. При их разработке исходили из следующего: здания должны полностью соответствовать расчетной сейсмичности 9 бал; должна быть соблюдена проектная долговечность здания; модернизация квартир и инженерного оборудования должна соответствовать современным нормативным требованиям комфортности; допущение повреждений в несущих перегородках в виде подвижки лестничных маршей и площадок — до 3 см, в виде диагональных трещин шириной до 3 мм в несущих стенах, перемычках и простенках и до 2 мм — в виде вертикальных трещин в несущих простенках; уровень повреждений конструкций не должен превышать третьей степени, что во многих случаях не корреспондируется с предыдущим требованием, если исходить из принятой оценки степени повреждений конструкций.
Применительно к соответствующим конструктивным схемам предлагаемые технические решения по восстановлению и усилению зданий позволяют повысить их сейсмостойкость, так как в качестве основных средств увеличения несущей способности и жесткости каркасной системы предусматриваются устройство металлических обойм для колонн и ригелей, установка дополнительных металлических связей или железобетонных диафрагм жесткости в рамном и связевом, т.е. поперечном и продольном направлениях. Пример усиления каркаса в продольном направлении приведен на рис. 8.1.

Монолитные железобетонные диафрагмы жесткости толщиной 20 см следует надежно соединять с железобетонными колоннами каркаса, усиленными металлическими обоймами, а также с ригелями и плитами специальными связями из условия обеспечения воспринятия ими расчетных сдвиговых усилий. Как вариант, железобетонные диафрагмы могут быть заменены диагональными связями, например при усилении односекционного девятиэтажного каркасно-панельного жилого дома серии 111, разработанного АрмНИИСом. Предложенный вариант системы усиления проверялся расчетом на девятибалльные воздействия из условий шарнирного и жесткого сопряжения ригелей с колоннами по программе ”Лира” для расчета пространственной стержневой модели на динамические воздействия. Разумеется, усиление (рис. 8.2) предусматривает соосность горизонтальных и вертикальных элементов. Узлы стальных решетчатых диафрагм жесткости приведены на рис. 8.3.

Для усиления колонн используется вариант металлических обойм (рис. 8.4). Усиление колонн в этом случае осуществляется обоймами из четырех уголков, обжимаемых в колонне, к нижним и верхним ригелям каркаса. Уголки обойм соединяются сваркой планок и опорных уголков, притягиваемых болтами к колоннам и ригелям каркаса. При этом в местах стыкования колонн вместо соединительных накладок в уголкам усиления приваривают так называемые ”рубашки” в виде стальных накладок размером 8x380x500 мм. Зазоры между ”рубашкой” и колонной заполняют эпоксидным клеем. Для соединения уголков, охватывающих колонну, в местах примыкания в ним железобетонных стенок пробивают отверстия размером 20x20 см для пропуска соединительных планок или опорных уголков с последующей их заделкой.

Последовательность производства работ по усилению каркаса предусматривает выполнение пяти этапов:
1) освобождение колонн от примыкающих к ним участков: пола, подготовки под полы, перегородок и сборных простенков на расстояние до 20 см от граней крайних колонн; удаление с колонн штукатурки с тщательной очисткой их поверхности металлическими щетками и продуванием сжатым воздухом; пробуривание отверстий диметром 25...30 мм в колоннах, связевых плитах, в ригелях или полках технического подполья; стеска граней колонн на 10...15 мм; пробивка проемов в железобетонных стенках жесткости технического подполья в местах примыкания к колоннам; адгезионная промазка поверхностей колонн;
2) установка уголков металлической обоймы колонн; обжатие уголков обоймы к колонне хомутами с затягиванием болтов в обоих направлениях в двух уровнях, сварка соединительных поперечных планок с одного конца, другой конец планок приваривается после разогрева их горелкой до температуры 120...150 °C для повышения степени обжатия уголков обоймы к колонне;
3) установка опорных уголков с фасонками на свежеуложенный слой цементного раствора на кварцевом песке состава 1:3 с притягиванием их к колоннам и связевым плитам путем стягивания болтами; крепление верхних опорных уголков с фасонками к колоннам с помощью болтов и соединение их с уголками обоймы сваркой; соединение нижних опорных уголков с уголками обоймы сваркой; установка нижних опорных уголков перпендикулярного направления на свежеуложенный слой цементного раствора и стягивание их в верхних опорных уголках нижнего этажа болтами, пропускаемыми через отверстия в связевых плитах. Соединение опорных уголков с уголками обоймы сваркой; соединение сваркой обойм нижних и верхних колонн, располагаемых по крайним осям здания; усиление стыков колонн сваркой стальных листов;
4) заполнение зазоров между стальными листами и колонной, а также между нижними опорными уголками с фасонкой эпоксидным клеем; обтягивание металлической обоймы колонн сеткой и покрытие ее торкрет-бетоном толщиной 3...4 см;
5) монтаж и сварка к опорным уголкам элементов вертикальных и венчающих решетчатых диафрагм жесткости; соединение ветвей элементов решетчатых диафрагм жесткости сваркой пластин; очистка поверхности стальных конструкций от окалины и ржавчины и окраска их лакокрасочными материалами.
Вентиляционные блоки следует усиливать установкой железобетонных обойм и дополнительных креплений к перекрытиям или усилением их обоймами из уголков и соединительных планок 60x6 мм (рис. 8.5) с последующим оштукатуриванием цементным раствором. Бетонные стены лестничной клетки усиливают нанесением слоя мелкозернистого бетона класса В12,5 по сварочным металлическим сеткам, расположенным с двух сторон и соединенным между собой арматурными стержнями, т.е., используя один из вариантов, рассмотренных выше. В целях повышения надежности крепления лестничных маршей АрмНИИС для варианта односекционного дома предусматривает устранение подвижек между маршами и площадками устройством стяжек с помощью болтов диаметром 12 мм, установленных в отверстия, просверленные в поперечных ребрах лестничных маршей и площадок (рис. 8.6).

Особое место при восстановлении или усилении зданий занимают перегородки. Разумеется, поврежденные перегородки целесообразно разбирать и вместо них возводить новые. Новые перегородки, в том числе ограждающие решетчатые диафрагмы жесткости, логично выполнять легкими, например из гипсокартона на алюминиевом или деревянном каркасе, соединяемом с несущими конструкциями связями, препятствующими их обвалу и не вовлекающему их в общую работу здания на горизонтальные нагрузки. Устойчивость неповрежденных перегородок обеспечивается уголками, закрепляемыми дюбелями к перекрытиям и стенам (рис. 8.7). Кроме того, предусматриваются другие варианты дополнительного усиления и крепления к несущим конструкциям существующих внутренних ненесущих стен и перегородок из мелкоштучных материалов.

При длине перегородок менее 3 м рекомендовано устройство обвязки по контуру перегородки из металлических уголков с пристреливанием их к несущим конструкциям. Несущие стены и перегородки длиной более 3 м дополнительно можно усиливать нанесением слоя мелкозернистого бетона (раствора) с обеих сторон по металлической сетке 5x5/300/300 из арматуры класса Bp-1 или тканой сетке с объединением слоев связями.
В качестве основных способов восстановления и усиления конструкций каменных зданий предусмотрено торкретирование или нанесение слоя мелкозернистого бетона класса не менее B10 по сварным металлическим сеткам с обеих сторон по всем несущим стенам — сплошным, с проемами и простенками. Слои бетона (раствора) по металлическим сеткам соединяют между собой через стену, как было показано ранее, арматурными стержнями и выполняют, начиная с первого обреза фундамента, на всю высоту стен. В случае больших трещин (шириной более 1 мм) предусматривается инъекция кладки цементными, полимерными или другими растворами. Узкие простенки (менее 100 см) и каменные столбы усиливают металлическими обоймами-стойками, состоящими из стальных уголков и хомутов из полосовой и круглой стали.
Для обеспечения связи между наружными и внутренними стенами предусматривается устройство напрягаемых жестких или гибких металлических поясов в уровне перекрытий. Поперечное сечение поясов устанавливается эквивалентным требуемой площади горизонтального армирования в местах пересечения стен. Крупноразмерные железобетонные блоки стен соединяются с обеих сторон с помощью полимеррастворных армированных шпонок (ПАШ) сечением не менее 40x40 мм (как минимум двумя шпонками по каждой грани блоков). Для ограничения шага поперечных несущих стен девятью метрами предусматривается возведение дополнительных (недостающих) несущих внутренних поперечных сквозных стен на ширину и длину здания (соответствующие узлы и детали приведены на рис. 8.8).

Под все дополнительные стены предусматривается устройство фундаментов. По существу, рекомендуется отказаться от системы зданий с первым ”гибким” этажом. При этом для повышения их жесткости предусматривается возведение дополнительных стен в створе колонн, обеспечивающих надежную связь, а также усиление существующих или устройство дополнительных простенков в наружных стенах.
Обеспечение пространственной жесткости перекрытия осуществляется зачеканиванием (заливкой) швов цементным раствором, а также укладкой мелкозернистого бетона класса В12,5 толщиной 40...50 мм по сварной металлической сетке 5/5/150/150 с устройством надежной связи между плитами перекрытия установкой арматурных каркасов в швах между плитами. Связь перекрытия со стенами предусматривается по всему периметру перекрытия и может обеспечиваться так же, как и между плитами перекрытия, т.е. устройством дополнительных связей (рис. 8.9).

Связь лестничных маршей с лестничными площадками обеспечивают либо сварными соединениями закладных деталей, либо с помощью полимеррастворных армированных шпонок, которые устанавливают не менее чем в двух местах, например, как показано на рис. 8.10.
Приведенные выше решения, разработанные к тому же в спешном порядке, не лишены недостатков. Необходимо отметить, во-первых, что общие решения по усилению и восстановлению не могут быть приемлемыми обязательно для всех зданий с указанной степенью деформации, уровнем физического износа, наличием сейсмовооруженности, качеством строительно-монтажных работ и изделий. Поэтому решения по восстановлению и усилению зданий и сооружений и соответствующие гарантии надежности должны определяться с учетом перечисленных факторов и обязательной, на наш взгляд, технико-экономической оценкой целесообразности восстановления или усиления объекта. Во-вторых, усиление и восстановление объекта — понятия безусловно разные и предусматривают различный выбор конструктивных и других решений, в-третьих, термин ”повреждения, опасные для жизни людей” требует детализации применительно к конструктивным элементам. В настоящее время такая классификация отсутствует, за исключением может быть только предусмотренных п. 5 табл. 5 действующих нормативов по строительству в сейсмических районах, где гибель людей связана с назначением и ответственностью в целом здания или сооружения.

Что касается оговоренной конструктивными решениями допустимой степени повреждений, то, по-видимому, ширину раскрытия трещин следовало бы дифференцировать применительно к конструктивной схеме и материалу несущих стен жилого дома (каменные, крупнопанельные, каркасно-панельные) и предусматривать устранение опасных ситуаций, вызванных подвижками лестничных маршей и площадок на величину до 3 см.
При восстановлении и усилении жилых домов различных конструктивных схем следует обратить внимание на то, что в каркасных зданиях необходимо устраивать диафрагмы жесткости, непрерывные по всей высоте здания, которые должны воспринимать горизонтальные сейсмические воздействия. Указанные диафрагмы могут выполняться железобетонными или стальными решетчатыми с соответствующей декоративной отделкой в виде гипсокартонных и тому подобных перегородок. Располагаться они должны как в продольном, так и поперечном направлениях по возможности равномерно и симметрично относительно центра тяжести здания.
Практически невыполнимыми являются требования в части изменения предельной этажности каменных домов, особенно незначительно поврежденных, что, по-существу, влечет за собой снятие верхних этажей. Устройство дополнительных несущих стен по высоте всего здания требует серьезной технической проработки и технико-экономического обоснования. По-видимому, мало оправдан вариант усиления ненесущих стен и перегородок из мелкоштучных материалов нанесением слоев бетона по сетке, что повлечет за собой увеличение массы отдельных элементов, а значит и в целом здания. Следовало бы в варианте соединения лестничных маршей и площадок с помощью полимеррастворных армированных шпонок исходить из необходимости обеспечения проектного опирания маршей на площадки путем ликвидации подвижек, которые произошли между ними при землетрясении, или развитием опорных площадок.
Вызывает сомнение достаточность установки двух шпонок ПАШ на высоту этажа для условий девятибалльной расчетной сейсмичности, имея в виду конструктивные ограничения, накладываемые нормативами (п. 3.23 СНиП П-7-81) для крупнопанельных зданий, хотя частично и опровергнутые в результате Газлийского землетрясения. Наконец, кладка ”Мидис”, широко применяемая в Армении, должна быть классифицирована по ее сопротивляемости сейсмическим воздействиям.
Ho, если даже исключить сомнения по достаточной обоснованности всех рекомендованных технических решений при восстановлении и усилении зданий в Армении, то, несомненно, что стоимость приведенных методов усиления должна значительно превосходить стоимость традиционных затрат на сейсмовооружение, так как влечет за собой проведение дополнительных (повторных) отделочных работ и усложнение, а значит, удорожание, при проведении других восстановительных работ.
Ориентировочная оценка технико-экономических показателей усиления и восстановления жилых домов в Ленинакане приведена в табл. 8.1. Причем при подсчете стоимости строительства новых домов из расчета девятибалльной сейсмичности принималось 20%-е удорожание по сравнению со строительством в зоне с восьмибалльной сейсмичностью; стоимость капитального ремонта принималась в размере 94 руб. на 1 м2 общей площади; расчет трудозатрат на капитальный ремонт в размере 42 чел/ч на 1 м2 общей площади принимался на основе средней годовой выработки на ремонтных работах в Ленинакане за предыдущий год. Как следует из табл. 8.1, стоимость и суммарные трудозатраты, а также расход дефицитных строительных материалов, приведенный в табл. 8.2, становятся соизмеримыми с затратами на новое строительство.

Несомненно и другое. Здания, не запроектированные на воспринятие сильного сейсмического воздействия, но благодаря качественному выполнению работ имеющие значительные резервы прочности, успешно прошедшие проверку сильным землетрясением, по-видимому, усиливать нецелесообразно. В этом случае усиление может вызвать обратное явление, так как, предусматривая усиление здания в целом, на определенной стадии тем не менее некоторые элементы ослабляются из-за устройства отверстий для пропуска стержней и т.п., что ведет к раздроблению кладки. Следует также иметь в виду, что при усилении здания в предположении воспринятия им более сильного сейсмического воздействия, даже при весьма тщательном соблюдении норм, не предоставляется возможным, разумеется в разумных пределах, обеспечить из выполнение. Нельзя же всерьез обсуждать, например вопрос об уменьшении этажности здания при полной сохранности верхнего этажа.
Усиление зданий, запроектированных на расчетную сейсмичность ниже, чем на уточненную в последующем, на наш взгляд, представляет серьезную проблему, решение которой должно осуществляться на стыке привлечения элементов сейсмического риска, надежности, с учетом физического износа здания, степени комфортности, прогнозируемой долговечности и стоимости его эксплуатации.