Внешний облик сейсмостойких объектов

Введение. Означает ли, что в соответствии с приведенными здесь основными положениями сейсмостойкие, экономичные и надежные конструкции должны быть симметричными в плане, однородными, иметь правильную форму и возможность повторения? Вопрос спорный, Однако, нет сомнения в том, что при реализации целесообразных концепций сейсмостойкого проектирования не на основе слепого соответствия разработанным правилам, а на основе правильного их понимания, остается достаточно простора для воплощения замысла архитектора и конструктора. Понятно, что в районах с высокой сейсмической активностью здания и сооружения могут иметь внешний облик, отличающийся от облика зданий, построенных в других географических зонах. Такое отличие обусловлено историческим развитием основ учета сейсмостойкости, что подтверждается множеством исторических примеров. Хороший проектировщик всегда должен сознавать, что проектирование конструкций сейсмостойких зданий и сооружений подразумевает простоту форм, которая никогда не может надоесть или вызвать чувство эстетического неудовлетворения. Подтверждением служит простота основных концепций, которые реализованы в наиболее выдающихся произведениях архитектуры.

Несмотря на то, что большая часть архитектурных направлений и традиций возникла в сейсмических районах (Китай, Индия, Месопотамия, Средиземное море), невозможно отделить особенности принципов проектирования сейсмостойких конструкций от концепций, принятых за основу архитектурного проектирования в несейсмичных регионах. Исторический период до конца XIX в., можно охарактеризовать как борьбу за создание соответственно организованного пространства в условиях ограниченной номенклатуры строительных материалов, эффективно работающих только на воздействие сжимающих нагрузок. Часто вызывает удивление тот факт, что во время землетрясений не пострадали многие памятники архитектуры, которые не включали материалов, работающих на растяжение, таких, как металл или железобетон, связующий и упрочняющий стыковые соединения зданий. При анализе хорошо известных исторических памятников с конструктивной точки зрения, особенно в отношении проблемы традиционных поперечных нагрузок несейсмического характера (наличие в конструкции арочных распоров).

Ответ на все эти вопросы относится к конфигурации, применению и реализации простых форм, которые способствуют уменьшению воздействия сейсмических нагрузок, а также интуитивному использованию строительных материалов в сооружениях, в которых растягивающие, поперечные и опрокидывающие усилия невелики. В зданиях, имеющих историческое значение, единственным методом достижения сейсмостойкости была оптимальность их конфигурации.

Образец правильной конфигурации: Парфенон. Парфенон стоит уже на протяжении двадцати четырех столетий в зоне умеренной сейсмической активности. План здания решен симметрично относительно обеих осей. По периметру здания, на небольшом расстоянии друг от друга расположены колонны, которые почти полностью ограждают сплошные диафрагмы стены, создающие внутреннее пространство, где также расположены колонны. Таким образом, здание имеет большое количество опорных элементов, что объясняется отсутствием необходимости создания большого свободного внутреннего пространства для соответствия функциональному назначению (рис. 6.2.1). Изменения, которые следовало бы внести в проект этого здания для увеличения его сейсмостойкости, если бы его строили в настоящее время, относились бы к используемым материалам (замена неармированных каменных стен на монолитные диафрагмы; создание в конструкции кровли более прочного и жесткого горизонтального диска и замена каменных колонн на колонны из более сейсмостойкого материала) и конструктивной системе (конструкция, включающая колонны и архитравы была бы заменена на рамный каркас) с усовершенствованными конструктивными деталями (соединения между стеновыми элементами и кровельным покрытием, анкеровка выпусков и т.д.). Но конфигурация здания идеальна для сопротивления воздействию сейсмических нагрузок. Распорные конструкции в греческой архитектуре, как правило, не использовались, в то время как в архитектуре Древнего Рима они применялись широко.

Рис. 6.2.1. Парфенон: а - поперечное сечение; б - план	Рис. 6.2.2. Пантеон в Риме: а - поперечное сечение; б - план	Рис. 6.2.3. План церкви св. Софии

Купол Пантеона в Риме. Характерной чертой классической древнеримской архитектуры и ее основным отличием от классической древнегреческой архитектуры являются грандиозные масштабы внутренних пространств зданий и сооружений. Пример: Пантеон в Риме, пролет которого равен 43,58 м. Пантеон существует семнадцать веков и считается самым крупным большепролетным сооружением античного мира. Конфигурация Пантеона чрезвычайно проста и состоит из цилиндрического барабана с большепролетным куполом, во фронтальной части которого расположен прямоугольный портик входа (рис. 6.2.2).

Кроме большой высоты и пролета, которые имеют историческое значение в развитии мировой архитектуры, огромная масса Пантеона также представляет одну из его отличительных особенностей. В отличие от некоторых зданий, построенных в готическом стиле, где горизонтальные нагрузки воспринимаются главным образом контрфорсами, стены Пантеона оказывают сопротивление распору купола за счет своей гравитационной массы. Несмотря на то, что обычно большая масса увеличивает разрушающую силу землетрясения, очень толстые кирпичные стены могут оказаться настолько устойчивыми, что превзойдут все ожидания. Вертикальная составляющая силы тяжести Пантеона настолько велика по отношению к горизонтально нагрузкам, что все сечения в сооружении постоянно находятся в состоянии сжатия.

Фактор, трения, который обычно не принимается во внимание при проектировании современных конструкций, является важным в очень массивных кирпичных сооружениях.

Купол Пантеона представляет сплошную конструкцию с одним проемом в верхней части, а стены имеют одну массивную входную дверь. Кессоны потолка и открытые пространства равномерно расположены по периметру здания. За счет такой массивности достигается прямолинейность пути распределения горизонтальных нагрузок и возникающих напряжений. Несмотря на то, что стены выполнены из неармированного бетона, кирпича и камня, и могут выдерживать только небольшие касательные напряжения, огромные площади горизонтальных поперечных сечений компенсируют недостатки используемых строительных материалов.

Церковь св. Софии в Стамбуле. С точки зрения конфигурации здания и сейсмостойкого проектирования представляет наибольший интерес. В ней решена проблема восприятия горизонтальных нагрузок (распоров от куполов и арок) элементами гигантского сооружения. Однако простота, симметричность и правильное распределение массы конструкций оказались весьма эффективными для восприятия как внутренних, так и внешних усилий (рис. 6.2.3). Горизонтальный распор от большепролетного низкого купола воспринимают четыре арки, служащие опорой куполу, и передают его на углы сооружения. Массивные контрфорсы воспринимают горизонтальную нагрузку с двух сторон церкви, а с двух других пристроены два эркера для этих же целей (рис. 6.2.4). Объем и масса всего здания равномерно распределяются по направлению к основанию, эффективно оказывая сопротивление всем вертикальным и горизонтальным нагрузкам. Два эркера, покрытые полукуполами, расположенные на восточной и западной сторонах, являются опорами для основного купола; основание их имеет арочное очертание. С двух сторон, где расположены массивные контрфорсы, передача горизонтальных нагрузок на боковые элементы осуществляется через северную и южную арки. На этих двух сторонах ширина арок несколько увеличена, в результате чего кирпичная кладка может быть включена в работу. Размеры контрфорсов, как показала история их существования, определены неправильно - занижены, что произошло в результате количественной ошибки, которая могла быть свойственна расчетам того времени. Поэтому деформации, возникшие в этих элементах, способствовали после землетрясения обрушению одной части купола во время ремонтных работ.

Рис. 6.2.4. Схема работы на горизонтальные нагрузки несущей системы церкви св. Софии

Церковь св. Софии по сравнению с остальными выдающимися творениями архитектуры подвергалась наиболее частому воздействию сейсмических нагрузок. Несмотря на хорошую конфигурацию, здание было частично разрушено как за счет воздействия усилий арочных распоров, так и в результате действия сейсмической нагрузки. Эти разрешения были вызваны недостаточными размерами несущих элементов, отсутствием требуемых свойств у используемых строительных материалов, некачественным соединением отдельных элементов, но не недостатками конфигурации. Интересным фактом являются изменения конфигурации плана, которые были внесены в результате повреждений, вызываемых частыми землетрясениями.

Очевидец землетрясения, которое произошло в 558 г. н. э., писал в то время, что разрушению подверглась верхняя часть восточного полукупола и часть центрального купола. Вероятно был разрушен также и один из полукуполов, примыкающих к основному куполу с восточной стороны. Поскольку в конструкцию центрального купола включены ребра жесткости, который начинаются от его основания и расположены между каждым из 40 оконных проемов, разрушилась не вся конструкция. Поврежденный центральный купол был демонтирован и реконструирован; при этом новая высота была на 6,1 - 7,6 м больше прежней. После реконструкции сферическая форма была сохранена; поэтому новый, более высокий купол был подобен старому, но отличался большей устойчивостью, поскольку, чем ниже купол, тем значительнее распор. В соответствии с этим увеличили массу контрфорсов в северной и южной частях собора. В период правления Василия I в IX в. были проведены большие работы по реконструкции собора, однако в результате землетрясения в 975 г. н. э., восточная половина купола и поддерживающая арка серьезно пострадали и частично разрушились. За период с 366 г. н. э. по 1894 г. в Стамбуле зарегистрировано тридцать шесть землетрясений. Во время наиболее сильного из них, которое произошло в 1346 г., серьезно пострадала восточная поддерживающаяся арка, и часть купола с этой стороны и часть полукупола с другой были разрушены как при землетрясении в 558 г. н. э. В 1847 г. по периметру окружности купола был установлен железный пояс. Но несмотря на большое количество разрушительных землетрясений, которые произошли на протяжении всей истории в месте нахождения собора, огромное, массивное, неармированное, выполненное из кирпича здание по-прежнему стоит и удивляет всех тайной своего конструктивного решения.

Приемы восприятия горизонтальной нагрузки: готические соборы. Смелые и четкие архитектурные решения, свойственные готическому стилю, являются основными характеристиками, которые отличают ее от более "статичной" классической архитектуры. Здания, построенные в готическом стиле, всегда поражали выразительностью вертикальных форм. Несмотря на то, что при проектировании объектов как готической, так и классической архитектуры, работа неармированных элементов обеспечивается их сцеплением в процессе кладки, в первом случае делается попытка существенного снижения массы сооружений за счет таких рациональных конструктивных приемов, как применение контрфорсов, башенок и наиболее эффективных арок различной формы. В здании собора в г. Шартре (рис. 6.2.5) с конструктивной точки зрения учитывается воздействие горизонтальных нагрузок как ветровых, так и арочных распоров, вызванных крутой щипцовой кровлей. Контрфорсы увеличивают эффективную ширину сооружения и массу против возможного опрокидывания (рис. 6.2.6 и 6.2.7). Они являются одновременно простым конструктивным решением и удачной выразительной архитектурной формой; даже удивительно насколько усиливается эстетический облик сооружения при замене гладких наружных элементов на контрфорсы, предназначенные всего лишь для восприятия усилий от арочных распоров. Башенки не всегда были необходимы для уравновешивания контрфорсов, и некоторые были добавлены во время реконструкции в XIX в.

Рис. 6.2.5. Собор в Шартре а - поперечное сечение контрфорса; б - план	Рис. 6.2.6. Различные архитектурные решения контрфорсов: а - собор в Реймсе; б - собор в Вестминстере; в - собор в Бургосе

Рис. 6.2.7. Восприятие горизонтальных сил в сооружениях готической архитектуры

а - усилия, действующие в зданиях готической архитектуры: 1 - контрфорс; 2 - арка; 3 - башенка; 4 - масса контрфорса; 5 - распор; 6 - вертикальная составляющая усилия в арке; 7 - масса башенки; 8 – результирующая;

б - виды разрушений: 1 - при изгибе; 2 - при сдвиге;

в - аналогия между напряжением сжатия, создаваемым предварительно напрягаемой арматурой в современных консольных балках (1) и напряжением сжатия, создаваемым готическими башенками (2)

Деревянные сооружения в Японии. Традиционные японские храмы и замки подвергались серьезным повреждениям и разрушениям во время землетрясений. Типовая конструкция, широко применяемая в Японии, состоит из деревянного каркаса с большими, выступающими свесами (карнизами) кровли, предохраняющими деревянные конструкции от разрушения (гниения).

Рис. 6.2.8. а - пятиэтажное здание храма Хорюдзи в г. Нара; б - трехэтажной здание храма в Токакова-ши, Айчи

Основной причиной разрушения зданий подобного типа являлась огромная и тяжелая черепичная кровля (в верхней части здания сосредотачивалась очень большая масса). Эта проблема существует и в настоящее время в зданиях с легким деревянным каркасом и черепичной кровлей. Но традиционные жилые дома могут до начала разрушения выдерживать сравнительно большие деформации (продольный прогиб вертикальных несущих элементов достиг 17,5 см на один метр высоты элемента, или почти 0,61 м для сооружения высотой 3,05 м). Здания пагод в г. Киото трех- и пятиэтажные, построены в ХIV и ХV вв. До сих пор не зарегистрировано какого-либо серьезного их повреждения во время землетрясений. Пагоды являются сооружениями с относительно гибкой планировочной структурой; их основной период колебаний изменяется в диапазоне от 1 до 1,5 с, что больше, чем основной период колебания грунта при землетрясениях в Японии. Деревянные конструкции отличаются относительно небольшой массой и поэтому возникающие силы инерции также невелики. Но исключительную способность пагод выдерживать разрушающую силу землетрясений следует отнести к затуханию колебаний, свойственному их конструкциям, так как возникновение любых деформаций сопровождается трением деревянных элементов относительно друг друга в контактных поверхностях стыковых соединений.

Одна из теорий устойчивости пагод объясняет это явление наличием независимой от каркаса центральной колонны, подвешенной подобно маятнику к потолку пагоды. Это решение было разработано в ХVII в. в целях устранения различий между небольшой величиной усадки центральной колонны в продольном направлении и большой величиной усадки, характерной для балочной конструкции и окружающих колонну прогонов в направлении поперек волокон (рис. 6.2.8, а). Но во многих случаях центральная колонна стоит на поверхности грунта или опирается на перекрытие второго этажа (рис. 6.2.8, б). Поэтому вывод о том, что хорошая работа конструкции пагод при воздействии сейсмической нагрузки объясняется только работой центральной колонны, подобно колебанию маятника, неправомерен.

Можно выделить четыре основные причины сейсмостойкости пагод: 1 - основной период колебаний зданий пагод очень велик (между 1 и 1,5 с), и обычно значительно превышает период колебания перемещающегося грунта; 2 - конструкция пагод способна воспринимать значительные горизонтальные нагрузки; 3 - пагоды до начала разрушения могут претерпевать большие деформации; 4 - конструкция пагод характеризуется большой способностью к затуханию возникающих колебаний.

		Рис. 6.2.9. Ангар, построенный Нерви в 1936 г.
		Рис. 6.2.10. Ангар, построенный в 1939 г. на основе раннего проекта Нерви

Симметричность: ангар, построенный Нерви. Конструктивные решения проектируемых им зданий всегда отличались простотой и правильностью форм, красота которых достигалась на основе представления усилий, действующих в конструкции, при этом всегда в рамках реальных технико-экономических условий строительства. Ангары, построенные строительной фирмой Нерви в 1936 г., были асимметричны в плане, так как одно из требований заключалось в том, чтобы перемещение самолета в здание и из него осуществлялось с одной стороны. Колонны-контрфорсы, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, были предусмотрены по периметру трех остальных сторон (рис. 6.2.9). В ангар 1939 г. Нерви внес три усовершенствования: уменьшил массу кровельного покрытия; уменьшил массу ребер арок с использованием сборных ферм, а не сплошных железобетонных элементов; третье усовершенствование касалось только конфигурации сооружения - для уравновешивания усилий, возникающих в конструкции, опорные элементы располагались симметрично, что определило решение плана (рис. 6.2.10). Несмотря на кажущуюся целесообразность использования преимуществ каждой возможной опоры при расчете большепролетной кровли, новый проект Нерви включал всего шесть опор из сорока, которые были предусмотрены в первом проекте ангара. Однако эти шесть опор были расположены по полностью симметричной схеме.

Рис. 6.2.11. Наружный связевой каркас здания Алкоа Билдинг, Сан-Франциско	Рис. 6.2.12. Сечение торцевой диафрагмы уменьшается по мере увеличения высоты здания Танди Сентер Билдинг, Техас

Внешний облик современных сейсмостойких зданий. С точки зрения основных концепций выражения конструктивного смысла в архитектуре XX в. удивительно то, что особое значение придается элементам, предназначенным для восприятия вертикальных нагрузок. Примеры включения в архитектурное решение зданий связей жесткости для восприятия ветровых и сейсмических нагрузок довольно редки. Вероятно, это происходит по двум причинам. Одна из них в том, что в последние десятилетия наблюдается тенденция реализации формальных концепций, которые ставят на первое место воплощение внешнего облика "скульптуры", а конструктивная часть здания выполняет подчиненную роль; архитекторы и инженеры-конструкторы при этом часто работают порознь. Вторая причина относится к недостаточному пониманию архитектором физической природы сейсмических нагрузок, хотя нередко у него есть некоторые познания в области характера воздействия вертикальных нагрузок и сопротивления силам тяжести. В этом случае он также опирается на компетенцию инженера, реализующего предлагаемую им форму конструкции вместо того, чтобы самому творчески подойти к проблеме воплощения конструктивной выразительности сейсмостойкого здания или сооружения.

Инженеры-консультанты часто ограничены в решении тех проблем, которые включают доминирующие эстетические аспекты, и им обычно приходится жертвовать своими критериями в пользу концепций архитектора. В результате такого подхода к решению вопроса страдает эстетика воплощаемого архитектурного замысла. Кроме того, из-за типизации формы, здания одного и того же внешнего вида появляются в разных концах страны и даже в различных городах земного шара. Однако, повторение созданной формы в условиях, не соответствующих национальной культуре, топографическим особенностям, климату или геологии, никогда не сможет создать совершенства внешнего облика. К сожалению, все еще отсутствует требуемая основа для определения так называемого чувства формы, вытекающей из понимания ограничений, накладываемых работой строительных материалов на реализацию эстетического замысла. Великие художники чувствуют эти ограничения. Поскольку мы стоим перед экономическими проблемами и начинаем ощущать ограниченность естественных ресурсов, то следует с иных позиций взглянуть на предельные возможности используемых материалов и методов.

К сожалению мало современных примеров осуществленных замыслов, в которых конструктивные основы проектирования сейсмостойкий зданий использовались бы в качестве основы реализации архитектурных решений. Они приводятся для того, чтобы показать возможность получения эстетического эффекта за счет воплощения конструктивных аспектов при решении проблем проектирования сейсмостойких сооружений.

Дата добавления: 2015-07-13