Практическая эффективность систем сейсмоизоляции зданий: эмпирические данные и уроки разрушительных землетрясений XXI века

Введение

Землетрясение – это не только разрушительное природное явление, приносящее страдания и потери для сотен и тысяч людей. В инженерно-научном контексте оно представляет собой уникальный и, пожалуй, наиболее достоверный натурный эксперимент, не ограниченный предпосылками и упрощениями, характерными для лабораторных испытаний или численного моделирования. Землетрясения предоставляют ценные эмпирические данные о реальном сейсмическом поведении зданий и инженерных сооружений, позволяя объективно оценивать их сейсмостойкость, выявлять уязвимости и совершенствовать подходы к их проектированию. Это обстоятельство делает каждое землетрясение источником обширной информации, необходимой для развития науки о сейсмостойкости.

К сожалению, на современном этапе развития науки и технологий предотвратить землетрясения или обеспечить их надежное краткосрочное прогнозирование все еще невозможно. В связи с этим основным и наиболее эффективным средством снижения риска сейсмических катастроф остается обеспечение высокой сейсмостойкости зданий и сооружений. Это предполагает разработку и внедрение инженерных решений, способных обеспечить безопасность людей и устойчивость конструкций зданий и сооружений при воздействии разрушительных землетрясений. Одним из таких решений является применение систем сейсмоизоляции зданий и сооружений.

Процесс становления направления сейсмоизоляции зданий в научно-технической проблеме сейсмостойкости происходил в течение длительного времени и долгое время сдерживался отсутствием данных о поведении таких систем при сильных землетрясениях. Существенный поворот произошел после землетрясения в Нортридже (США) в 1994 году, когда были впервые получены достоверные сейсмометрические записи динамической реакции сейсмоизолированных зданий, возведенных с применением резинометаллических опор (РМО), подтверждающие значительное снижение сейсмических нагрузок по сравнению с традиционными решениями. Еще более значимый массив данных был получен во время землетрясения в Кобе (Япония) в 1995 году. Это событие стало первым в истории примером масштабного документированного наблюдения за поведением сейсмоизолированных зданий и сооружений в условиях сильного сейсмического воздействия. Наряду с инструментальными измерениями были зафиксированы и субъективные оценки со стороны местных жителей, находившихся в зданиях во время землетрясения, что дополнительно подтвердило эффективность данной технологии.

С накоплением эмпирических данных об эффективности систем сейсмоизоляции количество зданий, возводимых с их применением, за последние три десятилетия значительно возросло. Сейсмоизоляция становится наиболее востребованной технологией обеспечения сейсмостойкости, особенно для зданий, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению надежности, механической безопасности и эксплуатационной пригодности во время и после землетрясений расчетной интенсивности, например дошкольные, общеобразовательные и медицинские учреждения, многоэтажные и высотные здания, здания с ценным оборудованием и т. д. В современных условиях, когда растет плотность застройки и повышаются требования к безопасности городской инфраструктуры, значение систем сейсмоизоляции приобретает особую актуальность. Сопоставление экспериментальных данных, полученных в результате реальных землетрясений, с теоретическими моделями и подходами к расчетному анализу сейсмоизолированных зданий и сооружений имеет важное значение для более широкого внедрения систем сейсмоизоляции в строительную практику, особенно в регионах с высокой сейсмической активностью.

В настоящей статье рассматриваются особенности динамического поведения зданий с системами сейсмоизоляции во время наиболее разрушительных землетрясений XXI века. Представленные данные позволяют обоснованно судить об эффективности технологии и ее потенциале для широкого применения в сейсмоопасных регионах.

Материалы и методы

Настоящее исследование представляет собой обзор и критический анализ результатов оценки последствий разрушительных землетрясений, касающихся поведения сейсмоизолированных зданий и эффективности систем сейсмоизоляции. Методология исследования включала систематизацию и структурирование информации, сравнительный анализ особенностей динамического поведения зданий с системами сейсмоизоляции во время разрушительных землетрясений, а также теоретическое обобщение эмпирических данных с выделением ключевых факторов, влияющих на эффективность систем сейсмоизоляции. Особое внимание уделено последствиям разрушительных землетрясений, произошедших в Чили (2010), Новой Зеландии (2010), Японии (2011 и 2016), а также в Турции (2023), где наличие или отсутствие систем сейсмоизоляции существенно повлияло на сохранность зданий и сооружений критически важной инфраструктуры.

Результаты исследования

За последние десятилетия человечество неоднократно сталкивалось с разрушительными землетрясениями, которые не только унесли десятки тысяч жизней, но и продемонстрировали уязвимость даже современных конструктивных решений. Анализ последствий таких сейсмических событий играет ключевую роль в совершенствовании нормативных требований, подходов к расчету конструкций и внедрению инновационных технологий сейсмозащиты, таких как системы сейсмоизоляции. Особенно показательные с этой точки зрения землетрясения, произошедшие в Чили (2010), Новой Зеландии (2010), Японии (2011 и 2016), а также в Турции (2023). В табл. 1 приведены основные параметры указанных землетрясений.

Далее приведены результаты оценки поведения сейсмоизолированных зданий при рассматриваемых разрушительных землетрясениях.

Поведение сейсмоизолированных зданий при землетрясении в Мауле, Чили (2010)

Землетрясение в Чили (2010) – одно из крупнейших за последние полвека, произошедшее 27 февраля вблизи побережья Чили. Очаг землетрясения находился на глубине 35 километров, в 90 километрах от столицы Био-Био Консепсьон. Регионы Био-Био и Мауле пострадали больше всего. По имеющимся данным, эпицентр землетрясения располагался в 150 километрах к юго-западу от столицы страны – Сантьяго [1].

В Университете Чили совместно с компанией Sarrazin & Moroni в 1992 году была разработана недорогая система сейсмоизоляции здания, которая в последующем была апробирована в проекте жилого комплекса в Андалусии, состоявшего из одного сейсмоизолированного здания и двух зданий без сейсмоизоляции. Для определения эффективности системы сейсмоизоляции здание было оборудовано станцией динамического мониторинга.

Рассматриваемый объект представляет собой 4-этажное здание габаритными размерами в плане 10 × 6 м, с интегрированной системой сейсмоизоляции в виде 8 резиновых опорных частей диаметром 31,5 см и высотой 32 см (рис. 1). Сейсмоизолирующие опоры выдерживают вертикальную нагрузку в 350 кН при горизонтальном смещении в 200 мм (100 %-ная деформация) [2].

Несмотря на магнитуду Mw = 8,8, землетрясение не причинило никакого ущерба сейсмоизолированному зданию или его содержимому. Наибольшие ускорения на уровне грунта основания здания составили 0,30g и 0,18g в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно (рис. 2). Максимальное горизонтальное ускорение, зарегистрированное внутри сейсмоизолированного здания, составило 0,22g. В вертикальном направлении наблюдалось усиление ускорений, поскольку максимальное ускорение, зарегистрированное на уровне верха здания, составило 0,29g.

Для анализа динамических параметров сейсмоизолированного здания были выбраны три временных интервала, каждый продолжительностью 8 секунд. Этот подход позволяет идентифицировать изменения динамических параметров здания между выбранными временными интервалами. В табл. 2 показаны изменения резонансных частот и коэффициентов демпфирования здания, идентифицированные для каждого рассматриваемого временного интервала. По данным табл. 2 можно заметить, что резонансные частоты сильно зависят и изменяются в зависимости от амплитуды воздействия.

После основного землетрясения 11 марта произошел один из сильнейших афтершоков. Наибольшее ускорение в уровне грунта основания здания достигало в горизонтальной плоскости 0,03g в обоих направлениях. В вертикальном направлении максимальное зарегистрированное ускорение в уровне грунта основания здания составило 0,02g. Общая продолжительность землетрясения составила около 60 секунд. Фаза сильных колебаний длилась более 20 секунд в интервале от 30 до 50 секунд.

Из процесса анализа поведения и идентификации динамических параметров здания можно заметить, что первые две резонансные частоты связаны с системой сейсмоизоляции (табл. 3). Об этом свидетельствует уменьшение резонансных частот ниже 2 Гц во втором временном интервале по сравнению с соответствующими двумя частотами первого временного интервала. Самые высокие коэффициенты демпфирования системы наблюдаются в начале и конце записи, в первом и третьем временных интервалах, достигая значений, превышающих 20 % критического демпфирования. Важно отметить, что снижение резонансных частот во время сильных колебаний показывает, что система сейсмоизоляции эффективно воздействует на конструктивную систему здания, повышая ее гибкость.

Землетрясение 2010 года стало поворотным моментом в сейсмостойком строительстве в Чили. После этого землетрясения интерес к системам сейсмоизоляции в Чили значительно возрос. До данного землетрясения лишь несколько объектов предусматривали системы сейсмоизоляции, включая две крупные больницы, мосты и жилые здания. При этом в городах Талька, Курико и Каукенес разрушились больницы, в общей сложности пострадало 130 больниц, что составляет 71 % от всех государственных больниц Чили [3]. Многие мосты без систем сейсмоизоляции получили повреждения, например каменный арочный мост XIX века через Рио-Кларо (рис. 3). Всего было повреждено около 300 мостов.

После землетрясений в Мауле необходимость использования систем сейсмоизоляции стала обязательной как для больниц, так и для мостов. Жилые комплексы, центры обработки данных, высокотехнологичные лаборатории и офисные здания также преимущественно возводились с применением систем сейсмоизоляции (рис. 4).

Системы сейсмоизоляции на сегодняшний день хорошо зарекомендовали себя в Чили и нашли широкое применение. В 2014 и 2015 годах в Чили произошли два землетрясения магнитудой Mw более 8,0, которые стали еще одним напоминанием о высокой сейсмической активности в регионе. Опыт эксплуатации сейсмоизолированных зданий убедительно продемонстрировал целесообразность использования таких систем не только в малоэтажных зданиях, но и в зданиях средней этажности и многоэтажных зданиях, несмотря на прежние сомнения со стороны профессионального сообщества. Результаты исследований показали, что внедрение систем сейсмоизоляции существенно повышает надежность и механическую безопасность зданий, снижает вероятность повреждения и экономических потерь во время и после сильных землетрясений.

Поведение сейсмоизолированных зданий при Кентерберийском землетрясении, Новая Зеландия (2010)

Землетрясение магнитудой Mw = 7,1, произошедшее 4 сентября 2010 года в регионе Кентербери на Южном острове Новой Зеландии, известно как «Крайстчерчское» или «Дарфилдское». По шкале Меркалли интенсивность землетрясения оценивалась в 10 баллов, эпицентр находился в 40 км западнее Крайстчерча, около городка Дарфилд, гипоцентр находился на глубине 11 км. Сильные афтершоки продолжались и в 2011 году: сильнейший из них, магнитудой Mw = 6,3, произошел 22 февраля 2011 года и ощущался от Инверкаргилла до Веллингтона. В результате землетрясения 2010 года пострадали более 100 человек, двое получили тяжелые травмы. Повреждения получили свыше половины зданий Крайстчерча и окрестностей. Общий экономический ущерб от землетрясения оценивался в 40 миллиардов новозеландских долларов [4].

Все медицинские учреждения региона, включая отделение неотложной помощи госпиталя Крайстчерча, сохраняли работоспособность как во время основного землетрясения, так и после него. Женская больница, введенная в эксплуатацию в 2005 году, до сих пор остается единственным сейсмоизолированным зданием на Южном острове [5]. Здание размерами 76 × 32 м в плане и высотой 33 м включает девять уровней, включая подвальный этаж, в котором расположена система сейсмоизоляции. Система сейсмической изоляции здания предусмотрена из 41 резинометаллической опоры со свинцовым сердечником (размером 830 × 830 × 275 мм), изготовленной из натурального каучука. Система сейсмоизоляции рассчитана на максимальные перемещения в диапазоне ±420 мм. Общий вид здания приведен на рис. 5.

Данные динамического мониторинга и результаты численных расчетов здания женской больницы Крайстчерча позволили проанализировать работу системы сейсмоизоляции здания во время Кентерберийского землетрясения. Максимальные смещения сейсмоизолирующих опор составили в диапазоне 80–100 мм, при этом остаточное смещение в северном направлении достигало примерно 25 мм (рис. 6) [6].

Сравнение ускорений и смещений между результатами численных расчетов и натурными данными показывает соответствие значений жесткости сейсмоизолирующих опор, примерно в два раза превышающих значения, принятые в проекте и полученные в рамках испытаний. Однако предварительное упрощенное численное моделирование реакции здания женской больницы Крайстчерча на рассматриваемое землетрясение 4 сентября 2010 года показывает, что перемещения резинометаллических опор могли превысить их предел текучести [4].

Инспекции после землетрясения выявили незначительные повреждения только в ненесущих конструкциях перегородок и инженерных коммуникациях. Так были обнаружены повреждения водопроводных труб в зоне пересечения сейсмоизолирующего шва, выполненных без необходимых гибких соединений, позволяющих компенсировать значительные перемещения в уровне сейсмоизолирующего шва, а также трещины в гипсокартонных обшивках каркасно-обшивных перегородок [7]. Несмотря на большую магнитуду землетрясения, повреждения зданий и сооружений и причиненный экономический ущерб были относительно минимальными.

Поведение сейсмоизолированных зданий при землетрясении Тохоку, Япония (2011)

Великое восточно-японское землетрясение, произошедшее в 2011 году у восточного побережья острова Хонсю в Японии, магнитудой Mw = 9,1, является одним из сильнейших и крупнейших в мире. Эпицентр землетрясения был восточнее острова Хонсю, в 130 км к востоку от города Сендай и в 373 км к северо-востоку от Токио. Гипоцентр наиболее разрушительного подземного толчка находился на расстоянии около 70 км от ближайшей точки побережья Японии на глубине 32 км [8].

В табл. 4 приведен краткий список сейсмоизолированных зданий, оснащенных системой динамического мониторинга, с максимальными параметрами их колебаний при рассматриваемом землетрясении [9].

Анализ применения различных систем сейсмоизоляции в сейсмоопасных регионах, представленных в табл. 4, показал, что использование комбинаций различных видов сейсмоизолирующих опор и различных видов демпферов позволяет эффективно снижать воздействие сейсмических нагрузок на здания. Разнообразие систем сейсмоизоляции, применяемых в разных префектурах Японии, свидетельствует о высоком уровне индивидуализации решений в зависимости от конструктивных решений зданий и возможной интенсивности сейсмических воздействий на конкретной площадке.

Наибольшее использование получили комбинации из резинометаллических опор без и со свинцовым сердечником, а также скользящих опор, что подтверждает их эффективность в обеспечении сейсмостойкости зданий различного назначения, включая офисы, школы, исследовательские лаборатории и жилые дома. В то же время для многоэтажных и высотных зданий (например, в префектурах Мияги и Фукусима) часто применяются более сложные системы сейсмозащиты, включающие сочетания резинометаллических и скользящих опор и гидравлических демпферов, что позволяет обеспечить высокие показатели сейсмостойкости.

Максимальные значения ускорений и смещений сейсмоизолирующего слоя, приведенные в табл. 4, варьируются в зависимости от типа используемой системы сейсмоизоляции, этажности зданий и интенсивности сейсмических воздействий на площадке. Важно отметить, что увеличение этажности зданий вызывает более высокие значения ускорений и смещений сейсмоизолирующего слоя, что подтверждает необходимость учета этого факто­ра при проектировании. Для малоэтажных и среднеэтажных зданий применяются более простые системы сейсмоизоляции, что отражает специфику сейсмостойкого проектирования для этих объектов.

Таким образом, результаты анализа подтверждают важность выбора подходящей системы изоляции с учетом этажности здания, его назначения и локальных сейсмических условий на конкретной площадке строительства. Внедрение комплексных решений сейсмоизолирующих систем и дальнейшая оптимизация конструктивных решений играют ключевую роль в обеспечении сейсмостойкости современных зданий, возводимых в сейсмоопасных районах.

После Великого восточно-японского землетрясения 2011 года Японское общество по сейсмической изоляции (JSSI) провело обследование 327 сейсмоизолированных зданий [10]. Выяснилось, что сейсмоизолированные части зданий практически не получили повреждений. Это доказало эффективность примененных систем сейсмоизоляции, обеспечивших снижение сейсмических нагрузок на здание. С другой стороны, в некоторых элементах систем сейсмозащиты были зафиксированы различные повреждения, свидетельствующие о значительных нагрузках, воспринятых данными устройствами. Например, в свинцовых демпферах системы сейсмоизоляции было обнаружено множество трещин (рис. 7). Ослаб­ленные болты, отслаивающаяся краска и остаточные деформации наблюдались у стальных демпферов (рис. 8а). Были обнаружены незначительные повреждения защитной панели антисейсмического шва между полом и изолированной частью здания (рис. 8б), однако они не повлияли на общую работоспособность систем сейсмоизоляции.

Таким образом, проведенное обследование позволило сделать вывод о высокой надежности и механической безопасности зданий с примененными системами сейсмоизоляции, а также указало на необходимость периодических инспекций и обслуживания элементов систем сейсмоизоляции после сильных сейсмических воздействий.

Поведение сейсмоизолированных зданий при землетрясении Кумамото, Япония (2016)

В районе префектуры Кумамото произошла серия разрушительных землетрясений: первое (магнитудой Mw = 6,5) произошло 14 апреля 2016 года, а второе, основное (магнитудой Mw = 7,3) 16 апреля 2016 года, с гипоцентром на глубине около 11 километров [13]. На момент этих сейсмических событий в префектуре эксплуатировались 24 здания различного функционального назначения, оснащенные системами сейсмоизоляции. В восьми из этих зданий были установлены специальные устройства – так называемые «скретч-пластины» (scratch plates), предназначенные для регистрации горизонтальных перемещений сейсмоизолирующего слоя здания. Эти устройства позволяют регистрировать перемещения сейсмоизолирующего слоя здания путем нанесения царапин на металлическую пластину.

В табл. 5 приведены максимальные амплитуды, зарегистрированные на скретч-пластинах зданий различного назначения префектуры Кумамото.

На рис. 9 представлены общий вид скретч-пластины, предусмотренной в больнице города Машики, и амплитуды перемещений сейсмоизолирующего слоя, зарегистрированные скретч-пластиной.

Согласно данным сейсмографа, установленного в городе Машики, амплитуда сейсмического воздействия на грунте превысила предельные значения, регламентированные действующими стандартами [15]. В работе [16] отмечается, что здания, возведенные после 1981 года и относящиеся к категории «новых сейсмостойких зданий», получили минимальные повреждения. В то же время постройки более ранних лет испытали значительные повреждения и потребовали проведения серьезных восстановительных работ.

В ряде исследований также приведены данные обследований многоэтажных жилых зданий [17]. В частности, опрос жителей 15-этажного сейсмоизолированного железобетонного жилого дома в городе Кумамото, построенного в 1998 году, показал их удовлетворенность эксплуатационными характеристиками здания после землетрясения, а повседневная жизнь могла продолжаться в обычном режиме.

Еще одним наглядным примером является ситуация в городе Яцусиро, находящемся на значительном расстоянии от гипоцентра. Жители верхних этажей сейсмоизолированного многоквартирного жилого дома отмечали плавное раскачивание здания во время основного толчка, без падения мебели и каких-либо повреждений несущих и ограждающих конструкций сейсмоизолированной части здания. В то же время жильцы расположенного поблизости 10-этажного жилого здания без предусмотренных специальных систем сейсмозащиты были вынуждены эвакуироваться на улицу и ожидать завершения мероприятий по проверке безопасности здания после землетрясения.

В статье [13] отмечается наличие повреждений элементов ограждения антисейсмических швов здания в зоне устройства сейсмоизолирующего слоя (рис. 10). Причиной выявленных повреждений элементов ограждения антисейсмических швов стала не только превышающая расчетную величину сила сейсмического воздействия, но и недостаточное внимание проектировщиков к возможным относительным смещениям отдельных частей сейсмоизолированного здания в процессе землетрясения.

Поведение сейсмоизолированных зданий при землетрясении в провинции Кахраманмараш, Турция (2023)

6 февраля 2023 года в южной части Центральной Турции и на северо-западе Сирии произошло мощное землетрясение магнитудой Mw = 7,8. Спустя примерно 9 часов в соседнем районе провинции Кахраманмараш было зафиксировано еще одно сильное землетрясение магнитудой Mw = 7,5. Расстояние между эпицентрами этих двух событий составило около 100 км. Данная серия землетрясений стала крупнейшей в Турции со времен разрушительного Эрзинджанского землетрясения 1939 года. Стихийное бедствие затронуло не менее 13,5 миллионов человек, что составляет примерно 16 % населения Турции, и привело к разрушению или сильным повреждениям около 160 000 зданий [18].

Среди наиболее пострадавших объектов инфраструктуры провинций городов оказались медицинские учреждения. На рис. 11 показано расположение 12 обследованных зданий больниц, а также эпицентров землетрясений и станций регистрации сильных движений грунта в регионе [19][20]. Каждое здание обозначено заглавной буквой и номером: буква «B» указывает на наличие системы сейсмоизоляции, а «F» – на ее отсутствие.

Пять больниц, расположенных в северной части региона, испытали наибольшее воздействие от второго землетрясения магнитудой Mw = 7,5. В их числе – здания больниц B1, B2, B3 и F1, находящиеся в провинции Малатья, а также больница B4, расположенная в провинции Кахраманмараш. Оставшиеся семь больниц, размещенные в юго-западной части пострадавшего региона, подверглись более сильному воздействию от первого землетрясения магнитудой Mw = 7,8. При этом здания F2 и F3 располагались на территории провинции Газиантеп, а остальные пять больниц – в провинции Хатай. Особенно следует отметить больницы F2, F3, F4 и F5, которые находились в пределах 2 км от линии поверхностного разрыва грунта. В частности, здание F3 было расположено всего в 50 метрах от зоны проявления разлома на поверхности [21].

В табл. 6 обобщена основная информация о 12 исследованных зданиях больниц. Все здания имеют не более 10 этажей.

За исключением больниц F6 и F7, большинство исследованных зданий были построены после 2001 года, когда в Турции были значительно обновлены и ужесточены требования к сейсмостойкому проектированию зданий и сооружений [22][23]. Все пять зданий больниц с системами сейсмоизоляции введены в эксплуатацию после 2013 года, когда нормативные положения для таких объектов в сейсмоопасных регионах стали еще более строгими [21][24][25].

На рис. 12а редставлен график спектров реакции максимальных ускорений зарегистрированного землетрясения и нормативных сейсмических воздействий уровня DD1 и DD2 (в соответствии с национальным стандартом), отражающий превышение (коэффициент DR) уровня фактического сейсмического воздействия над принятым при проектировании рассматриваемых зданий больниц с системами сейсмоизоляции и без них. Эти значения также сопоставлены со степенями сохранности каждой больницы (рис. 12б), что позволяет приблизительно оценить то, насколько сильными были фактические сейсмические воздействия, испытанные зданиями в ходе двух последовательных землетрясений, по сравнению с учтенными в проекте.

По результатам рассмотрения рис. 12б можно сделать следующие выводы:

1. Для большинства исследованных зданий фактическое сейсмическое воздействие превысило проектный уровень землетрясения (DD2), регламентированный нормативными требованиями. Учитывая, что уровень DD1 (вероятность превышения 2 % за 50 лет) примерно в два раза выше DD2, пять объектов испытали нагрузки, превосходящие даже максимально допустимые расчетные значения.
2. За исключением здания B3, большая часть зданий с системой сейсмоизоляции успешно обеспечила требуемый уровень функциональности сразу после землетрясения, несмотря на превышение проектного уровня воздействия.

Четыре из пяти зданий больниц с системами сейсмоизоляции расположены в северной части региона, пострадавшего от землетрясений. Повреждения зданий в этом районе в большей степени связаны с землетрясением магнитудой Mw = 7,5, а не с более ранним, хотя и более сильным событием магнитудой Mw = 7,8 [26].

Особого внимания заслуживает больничный комплекс в городе Малатья, включающий два корпуса: В1 – главное лечебное здание с системой сейсмоизоляции (построено в 2019 году), F1 – учебно-исследовательский корпус без систем сейсмоизоляции, соединенный с В1 крытым переходом. В корпусе В1 предусмотрено 246 фрикционных маятниковых опор с расчетной амплитудой перемещений ±360 мм, установленных в подземном паркинге.

Несущие конструкции обоих корпусов серьезных повреждений не получили, однако степень разрушений ненесущих конструкций существенно различалась. В здании В1 повреждения ограничились зоной сейсмоизолирующего слоя: зафиксированы трещины в кирпичной кладке перегородок подземного паркинга, смещения металлических пластин в зоне антисейсмических швов сейсмоизолирующего слоя. Инженерные коммуникации, проходящие через сейсмоизолирующий слой, остались невредимыми благодаря гибким соединениям. Самым значительным повреждением оказалось разрушение металлических накладок в зоне антисейсмического шва сейсмоизолирующего слоя между корпусом В1 и переходом [26]. Корпус F1 без систем сейсмоизоляции получил при этом более серьезные повреждения: обширные трещины в кладке, разрушение подвесных потолков, падение керамической плитки.

Примерно в 5 км к востоку от больницы в г. Малатье находилось еще одно сейсмоизолированное здание больницы B2 (государственной больницы Батталгази). Оно было построено в 2020 году и имеет 7 надземных этажей. По данным обследования, в здании не было выявлено ни конструктивных, ни неконструктивных повреждений, и оно продолжило работу сразу после землетрясения. Также отсутствовали признаки остаточных деформаций сейсмоизолирующего слоя [27].

Здание В3 государственной больницы, расположенной в провинции Малатья в небольшом городе Догансэхир, хоть и было построено в 2019 году, а также было оснащено системой сейсмоизоляции, получило значительные повреждения. Здание расположено примерно в 123 км от эпицентра землетрясения магнитудой Mw = 7,8 и в 57 км от землетрясения магнитудой Mw = 7,5. Изучение причин значительных повреждений показало, что при обратной засыпке котлована во время строительства сейсмоизолирующий слой был заблокирован и не включался в работу во время землетрясения. Таким образом, эффективность систем сейсмоизоляции зависит не только от их наличия, но и от качества реализации проектных решений и строительных работ. Произошедшие в феврале 2023 года землетрясения показали, что большинство сейсмоизолированных зданий выдержали сейсмические воздействия, превышающие расчетные значения, принятые при проектировании.

Заключение и обсуждение

Результаты исследований, представленные в данной статье, свидетельствуют о высокой эффективности современных систем сейсмоизоляции в обеспечении надежности и механической безопасности зданий при сейсмических воздействиях. Применение систем сейсмоизоляции позволяет существенно снизить уровень инерционных сейсмических нагрузок, передаваемых на сейсмоизолированную часть здания, тем самым снижая нагрузку на несущие и ограждающие конструкции, их повреждаемость, а также обеспечивая сохранность инженерного оборудования и внутреннего содержимого зданий.

Применение систем сейсмоизоляции позволяет значительно сократить объемы восстановительных работ и сопутствующие финансовые затраты после землетрясений. Это делает системы сейсмоизоляции не только технически эффективными, но и экономически целесообразными при долгосрочной эксплуатации зданий в сейсмоопасных районах.

Эмпирические данные по разрушительным землетрясениям XXI века подтверждают, что применение систем сейсмической изоляции зданий позволяет более чем в 2 раза снизить горизонтальные сейсмические нагрузки, в зависимости от характеристик сейсмического воздействия и конструктивных особенностей здания и системы сейсмоизоляции. Подобное снижение расчетных сейсмических нагрузок обеспечивает значительный экономический эффект при сохранении высокого уровня надежности и механической безопасности здания.

Эффективность применения систем сейсмоизоляции получила наглядное подтверждение в ходе последних разрушительных землетрясений, произошедших в Турции в 2023 году. Характерным примером служит больничный комплекс в городе Малатья, состоящий из двух корпусов, возведенных в различные годы. Новый корпус, оснащенный системой сейсмоизоляции, сохранил эксплуатационную пригодность и продолжил работу во время и после землетрясения, в то время как старое здание, не имеющее системы сейсмоизоляции, получило значительные повреждения, что привело к временному ограничению его в эксплуатации. Не менее показательным является случай с больницей в городе Догансэхир, где ненормативные повреждения сейсмоизолированного здания были обусловлены ошибками, допущенными в процессе строительства. Данный инцидент подчеркивает не только необходимость внедрения систем сейсмоизоляции, но и важность надлежащего проектирования, строительства и технического обслуживания зданий с их применением.

Проектирование сейсмоизолированных зданий и сооружений предъявляет повышенные требования к точности и обоснованности всех этапов инженерного анализа. Ключевое значение приобретает корректный выбор расчетных моделей сейсмического воздействия, включая спектральные характеристики, продолжительность колебаний грунта на площадке, а также сценарии возможных землетрясений. Во многих случаях интенсивность землетрясений оказывается фактически намного выше, чем расчетная интенсивность, определяемая в рамках проектирования объекта. Не менее важен научно обоснованный выбор математических моделей сейсмоизолирующих устройств, учитывающих их фактическое поведение при знакопеременных циклических нагрузках, а также применение адекватных численных методов расчета и инженерных методик упрощенного анализа, обеспечивающих достоверный расчет конструкций на сейсмические воздействия. Вследствие низкой жесткости сейсмоизолирующего слоя, горизонтальные перемещения конструктивной системы здания, расположенной выше систем сейсмоизоляции, могут при сильных землетрясениях достигать десятков сантиметров. Это обстоятельство делает критически важным контроль не только усилий в элементах конструктивной системы здания, но и предельных перемещений.

Широкое внедрение систем сейсмоизоляции должно сопровождаться обязательным научно-техническим сопровождением проектирования и строительства здания. Это позволяет минимизировать риски отступлений от нормативных требований и проектных параметров, гарантирует соблюдение технологии изготовления и монтажа сейсмоизолирующих устройств и, как следствие, обеспечивает требуемую эффективность системы сейсмозащиты, надежность и механическую безопасность здания в целом.

Для контроля безопасности и возможности использования зданий и сооружений необходимо регулярное техническое обслуживание и мониторинг состояния сейсмоизолирующих устройств. Система динамического мониторинга позволяет своевременно предупреждать возникновение чрезвычайных ситуаций, оценивать техническое состояние зданий и сооружений по изменению их динамических параметров в результате сейсмических воздействий, собирать и анализировать данные по поведению здания в условиях реальных сейсмических воздействий. При этом результаты динамического мониторинга позволяют оперативно принимать решение о механической безопасности здания на основе данных мониторинга, накопленных в прошлом, а не просто на основе поверхностной визуальной инспекции.

Применение систем сейсмоизоляции продемонстрировало высокую эффективность на ряде объектов различного назначения и конструктивного исполнения. Этот факт подтверждается данными сейсмометрических наблюдений, зафиксированными во время последних разрушительных землетрясений. Это свидетельствует о целесообразности более широкого внедрения сейсмоизолирующих систем, особенно в районах с повышенной сейсмической активностью.