Ассоциация украинского
сейсмостойкого строительства

Немчинов Ю.И.

Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций
г.Киев, Украина

1. Цель - рассмотреть проблемы нормирования сейсмической опасности в Украине и представить основные положения проекта Национальных норм Украины (ДБН В.1.1-... – 2004) “Строительство в сейсмических районах Украины” (первая редакция).
   
   
2. Состояние вопроса

В Украине в настоящее время действуют нормы СНиП II -7-81* “Строительство в сейсмических районах” издания 1991 г. [ 1 ] с дополнениями российской редакции СНиП 1996 г. [ 2 ] , введенными в Украине приказом Госкомградостроительства № 134 с 15 августа 1997 г. [ 3 ] . Эти изменения касались преимущественно формы спектральной кривой коэффициента динамичности и назначения уровней ответственности проектируемого здания или сооружения. Другие принципиальные вопросы проектирования и строительства в сейсмических районах, которые широко обсуждались в литературе в период с 1986 по 1996 гг., в упомянутом нормативном документе не нашли должного отражения. Эти предложения учитывали последствия крупных землетрясений, происшедших за 10-15 лет, в том числе в Армении (1988 г.), Нефтегорске (1995 г.), а в последующем и в Турции (1999 г.), на Тайване (1999 г.), в Индии (2001 г.) и др.

В них также отражены результаты исследований и анализ последствий ряда разрушительных землетрясений за рубежом и нормативные подходы к проектированию, содержащиеся в международных кодах и стандартах. Вместе с тем без каких-либо принципиальных изменений СНиП II -7-81* действует уже около 20-ти лет.

Специфические особенности Украинского сейсмического региона заключаются в том, что в зонах опасного проявления техногенных событий проживает около 90% населения Украины, а каждый пятый житель Украины (21,2% населения) проживает в сейсмоопасном районе. Наблюдается также тенденция повышения расчетной сейсмичности сооружений в районах, которые считались несейсмическими (Одесская обл. и другие) или слабосейсмическими.

За последние 10 лет в странах СНГ разработаны и введены в действие самостоятельные собственные нормы проектирования в сейсмических районах: России, Грузии, Казахстане, Армении, Узбекистане, Азербайджане [2, 4, 15 - 19] . Старыми советскими Нормами пользуются только Украина, Молдова и Киргизия.

В этих странах действующие нормы имеют ряд принципиальных отличий, которые включают такие особенности:

• действие Норм распространяется на 7-балльные зоны, расположенные в 6-балльном сейсмическом районе;
• рекомендуется применение систем сейсмоизоляции для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;
• производится дифференцированный учет неупругих деформаций конструкций для различных материалов;
• уточнен характер поступательных и крутильных колебаний зданий при землетрясении;
• вводятся три карты сейсмического зонирования территории России с различными периодами повторяемости землетрясений. Карты А, В и С построены из условия 10%, 5% и 1% вероятностями превышения уровня воздействия землетрясения за 50 лет, соответствующими периодам повторяемости один раз за 500, 1000 лет и 5000 лет, соответственно.

Комплект карт А, В, С относится к средним грунтовым условиям площадки строительства, характерных для соответствующих регионов, и предназначены, соответственно, для проектирования: карта А - для массового гражданского и промышленного строительства; карта В - для объектов повышенной ответственности и карта С - для особо ответственных объектов [13] .

Опыт украинских организаций по оценке сейсмической опасности в Украине и предложения по совершенствованию нормативной базы (Институт Геофизики НАНУ, НИИСК, КиевЗНИИЭП, КрымНИИпроект, Одесский НМУ и другие) были обобщены и представлены на ряде конференций:

• Всеукраинской конференции “Аварии зданий и сооружений и их предупреждение” (Киев, 1997 г.) [ 5 ] ;
• IV -й Науково-технічної конференції “Будівництво в сейсмічних районах України” (Крым, Алушта, 1999 г.) [6,8,9,10,11,12] ;
• на V -й Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству с международным участием (Сочи, 2003 г.) [7] .

Учитывая важность проблемы в СНГ, Межгосударственная научно-техническая комиссия по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве (МНТКС) приняла решение о создании Международной рабочей группы МНТКС по вопросу разработки Межгосударственных строительных норм для сейсмостойкого строительства. Первое заседание Рабочей группы состоялось 18-19 апреля 2000 г. в г.Москве. В нем приняли участие представители Азербайджанской Республики, Республики Армении, Грузии, Республики Казахстан, Республики Молдова, Российской Федерации, Украины. В протокольном решении заседания отмечена необходимость создания общих для СНГ норм проектирования “Строительство в сейсмических районах”. Намечено, что первая редакция документа должна быть представлена в МНТКС в 2002 г.

В настоящее время такой документ создан, но еще не принят. В его подготовке активное участие принимали специалисты Украины (КиевЗНИИЭП, НИИСК, КрымНИИпроект, ИГФ НАНУ и другие) [14,20,21] . Официальная Первая редакция документа [ 21] содержит существенные изменения и дополнения по сравнению с ранее опубликованным вариантом [14] . В ней:

• включены разделы “Транспортное строительство” и “Гидротехническое строительство”;
• существенно переработан раздел: “Жилые, общественные, производственные здания и сооружения” (этот раздел был представлен специалистами Украины);
• определен срок завершения работы - 2-й квартал 2005 г.

Проект документа не рекомендован для использования при проектировании зданий и сооружений. Принято новое название документа: “Строительство в сейсмических районах. Основные положения”.

С учетом изменяющейся политики в отношении наполнения содержания документа СНГ, а также неопределенностей в финансировании и реальных сроках завершения всей работы, следует незамедлительно осуществлять разработку “Державних будівельних норм України” по сейсмостойкому строительству, в которых необходимо:

• учесть сейсмологические, геологические, грунтовые и экономические особенности Украины, а также специфику строительной базы Украины с учетом конкретизации и видов применяемых материалов;
• обеспечить преемственность существующей в Украине нормативной базы и гармонизацию основных положений разрабатываемых ДБН с основными концепциями и требованиями СНиП СНГ [21] , EUROCODE 8 [24] .

3. Структура Национальных Государственных норм (ДБН) (Первая редакция)

На основании изучения проектов норм, обобщения результатов исследований по сейсмологии и сейсмостойкому строительству Украинская объединенная Рабочая группа специалистов Госстроя, Национальной академии наук и Министерства науки разработала и в марте 2003 г. разослала на отзывы проект ДБН: “Строительство в сейсмических районах Украины” [28].

Проект новых норм: “Строительство в сейсмических районах Украины” включает следующие разделы:

1. Общие требования (область применения, учет грунтовых условий, основные принципы проектирования, инженерно-сейсмометрические наблюдения, паспортизация).
2. Расчеты на сейсмические воздействия (сочетания нагрузок, методы расчета, спектральный метод, указания по прямому динамическому расчету, расчеты элементов конструкций).
3. Жилые, общественные, производственные здания и сооружения:

• Общие положения;
• Основания и фундаменты;
• Перекрытия и покрытия;
• Перегородки, балконы, архитектурные элементы здания;
• Особенности проектирования железобетонных конструкций;
• Каркасные здания;
• Здания с несущими стенами из монолитного железобетона;
• Крупнопанельные здания;
• Здания со стенами из крупных блоков;
• Здания со стенами из кирпича или каменной кладки;
• Конструктивные требования к зданиям, строящимся в районах сейсмичностью 6 баллов.

4. Транспортные сооружения.
5. Гидротехнические сооружения.
6. Восстановление, усиление и реконструкция зданий.

Приложения (Списки населенных пунктов, расположенных в сейсмически опасных районах Украины, карты сейсмического зонирования, методика расчета пространственных моделей с учетом неравномерного поля колебаний грунта, учет крутильной составляющей колебаний, преобладающие периоды колебаний неоднородных оснований, перечень объектов, интенсивность сейсмических воздействий на которые следует принимать в зависимости от расчетной интенсивности землетрясений по картам А и В, термины и определения, нормативные ссылки).

           4. Основные принципиальные особенности Национального документа Украины по сейсмостойкому строительству

Проект ДБН: “Строительство в сейсмических районах Украины”, по сравнению с действующим СНиП II -7-81* [1,2,3] , основывается на некоторых принципиальных отличиях, учитывающих региональные сейсмологические особенности Украинского региона и соответствующие современным концепциям Норм 21-го века.

Институтом геофизики НАН Украины завершена работа по построению карт общего сейсмического районирования (ОСР-98) территории Крыма.

Модель сейсмической опасности представлена в зависимости от периода повторяемости (100, 500 и 1000 лет) в виде трех карт районирования сейсмического балла.

Предложена общая схема категорий объектов и сооружений, учитывающая степень сейсмического риска.

Для сооружений с малой категорией ответственности используется карта с периодом повторяемости 100 лет.

Для зданий массового строительства и ответственных сооружений рекомендуется использовать карту ОСР для периода 500 лет и для особо ответственных и экологически опасных сооружений - карту для периода повторяемости 1000 лет.

В настоящее время Институтом геофизики НАН Украины проводится комплекс работ по подготовке карт общего сейсмического районирования территорий Западных областей (Черновицкая, Закарпатская, Одесская и др.). Обобщенные данные по картам типа А, В и С (повторяемостью землетрясений, соответственно 500, 1000 и 5000 лет) будут представлены во второй редакции национальных норм.

              4.2 Расчетные модели зданий и сооружений

По сравнению с моделью консольного стержня, принятого в СНиП II -7-81*, для определения сейсмических нагрузок рекомендуется применять расчетные модели, представленные на рис.1, в зависимости от размеров сооружения:

Рис.1. Расчетные схемы сооружений, рекомендуемые для определения расчетной сейсмической нагрузки:
а - когда высота здания Н значительно больше двух других размеров (консольный стержень с сосредоточенными массами);
б - когда ширина сооружения В значительно меньше двух других размеров (плоская рама с сосредоточенными массами);
в - пространственная модель с сосредоточенными массами.

                4.3 График спектрального коэффициента динамичности для различных грунтовых условий

Предложенный график спектральных коэффициентов b динамичности (рис.2) имеет максимальное значение b = 2,5 для всех трех категорий грунтов в диапазоне периодов колебаний в интервалах от 0,1 до 1,2 с, которое по сравнению с нормами СНГ и СНиП смещено в сторону длиннопериодных колебаний (от 0,76 до 1,2 с). Для сравнения показаны графики спектральных коэффициентов по СНиП II-7-81* (1996г.), МСН СНГ (2003г.), проекту ДБН В.1.1-… (2004г.) и по Р100-92 (коду Румынии).

Представленный график спектральных коэффициентов динамичности отвечает обобщенным сейсмологическим условиям Украины для различных площадок [25] .

Выполнены сбор, обработка и спектральный анализ инструментальных записей, полученных на 18-ти цифровых станциях, грунта и синтезированных акселерограмм различных областей Украины: Одесской, Черновицкой, Хмельницкой, Ровенской, Киевской.

Главным объектом исследований были акселерограммы, сгенерированные Институтом геофизики НАНУ на основе записей колебаний грунта при воздействиях землетрясений из зоны Вранча (Румыния), для которых характерны длиннопериодные спектры.

Землетрясения с эпицентрами в зоне Вранча являются источником сейсмических волн на территории Украины, поэтому при разработке методики расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия важным является учет как короткопериодных, так и длиннопериодных колебаний грунтов, характерных для Румынских землетрясений.

Рассчитанные обобщенные амплитудно-частотные характеристики среды площадок нормировались на максимальное значение.

Значения коэффициентов динамичности представлены в таблице 1.

                       4.4 Учет взаимодействия зданий и сооружений с грунтовым основанием

Расчетное значение горизонтальной сейсмической нагрузки S_ki в точке k по i-й форме колебаний определяется по формуле

где k₁ - коэффициент, учитывающий неупругие деформации и локальные повреждения (см.табл.2.3 ДБН). По сравнению с [21] эта таблица существенно уточнена;
k ₂ - коэффициент ответственности сооружения (аналогично [21] )

где Q _k - нагрузка в точке k ; А - коэффициент сейсмичности (0,1; 0,2; и 0,4 - соответственно для 7,8 и 9 баллов) или в зависимости от расчетного сочетания интенсивности колебаний по картам А и В;b _i - спектральный коэффициент динамичности; h_ki - коэффициент формы собственных колебаний (аналогично СНиП II -7-81* и [21] ); k_гр - коэффициент, учитывающий нелинейное деформирование грунтов в основании сооружения, принимается по таблице 2.

Коэффициент k_гр принимается по табл.2 тогда, когда в формуле (2) учитывается балльность площадки в зависимости от грунтовых условий, определяемых в таблице 1.1 ДБН / СНиП при отсутствии результатов проведенных инженерных изысканий и сейсморайонирования территории строительства.

Таблица 1

Значения коэффициента b _i

Примечание. Значения коэффициентов b _i следует принимать не менее 0,8 и не более 2,5.

Таблица 2

Значения коэффициента k_гр

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Значения спектрального коэффициента динамичности b_i согласно различным нормативным документам:
а) СНиП II-7-81* (1996 г.); б) МСН СНГ (2003 г.); в) проект ДБН В.1.1-…-2004; г) Код Румынии Р100-92.

Для зданий и сооружений, имеющих сложную конфигурацию или несимметричное в плане распределение жесткостей и масс сейсмические нагрузки, должны определяться по пространственной модели. Методика разработана проф.В.К.Егуповым и канд.техн.наук К.В.Егуповым и реализована в программных комплексах PRIS и Лира Windows [26, 27].

Определение проекций S_kij на направление j сейсмической нагрузки S_ki при i -й форме колебаний, действующей на элемент весом Qk , отнесенный к точке “k ” модели здания, производится по формуле (1), в которой коэффициенты форм h_kij определяются по формуле [9]:

(3)

где U_kij - проекции перемещений точек “k ” по трем взаимно ортогональным направлениям (j = 1,2,3) для i -го тона собственных колебаний; cos (U_kij , U₀) - косинусы углов между направлениями вектора сейсмического воздействия U₀ и перемещениями U_kij;
f_kj - ординаты поля колебаний грунта, определяемые по формулам:

• для горизонтального направления 1 сейсмического воздействия (вдоль здания):
  f_k1 = М₁(Dt) + М₂(Dt) (1 - 2х_k /L ) + М₃(Dt)cos 2p (х_k /L - 1/2);

• для горизонтального направления 2 сейсмического воздействия (поперек здания):
  f_k2 = М₁(Dt) + М₂(Dt) (1 -2у_k /В) + М₃(Dt)cos 2p (у_k /В - 1/2);

• для вертикального направления 3 сейсмического воздействия при колебаниях здания в плоскости ХОZ :
  f_k3 = h [ М₁(Dt) + М₂(Dt)(1 - 2х_k /L )] .

Для вертикального направления 3 сейсмического воздействия при колебаниях здания на упругом основании в плоскости YOZ :

f_k3 = h [ М₁(Dt) + М₂(Dt)(1 - 2у_k /L )] .

М₁(Dt), М₂(Dt), М₃(Dt) - волновые спектральные коэффициенты, определяемые в зависимости от (Dt) = L /V_S= LТ_S/l по нижеследующим графикам на рис.3;
V_S - скорость распространения сейсмических волн в грунте; l - длина сейсмической волны;
Тs - преобладающий период сейсмических волн; х_k - горизонтальная координата точки “k ”;
h - соотношение между максимальными ускорениями грунта при вертикальных и горизонтальных колебаниях (h=0,5...0,75); L, В - длина и ширина здания.

---

---

                                   4.6 Требования к обеспечению сейсмостойкости зданий и сооружений, строящихся в
                                  районах сейсмичностью 6 баллов

В Проекте ДБН предусматривается набор конструктивных требований к зданиям и сооружениям, возводимым в районах сейсмичностью 6 баллов. Это связано с тем, что сейсмологические условия строительства вследствие обводнения территории, использование слабых или просадочных грунтов и других особенностях рельефа местности, имеют постоянную тенденцию к повышению балльности сейсмических воздействий. Кроме того, ряд районов Украины (например, в Черновицкой области) ранее считались несейсмическими и на их территории построен значительный объем жилых зданий и сооружений различного назначения. Аналогичная ситуация возникает в районах строительства зданий из блоков пильного известняка, силикатного кирпича и щелевых камней, когда вследствие малого сцепления камня с раствором, большинство построенных зданий не удовлетворяют требованиям сейсмостойкости и требуют усиления

                               4.7 Программно-ориентированное сопровождение расчетов зданий и сооружений

В практике проектирования сейсмостойких конструкций широкое применение получили программные комплексы расчета сооружений, удовлетворяющие алгоритмам расчета и подбора сечений несущих конструкций и арматуры (для железобетонных и каменных конструкций), заложенным в Нормах проектирования. Такие комплексы должны быть лицензированы Госстроем Украины и обладать необходимыми сертификатами высокого уровня.

---

 ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП II -7-81*. Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования. Госстрой СССР., М.: АПП ЦИТП, 1991. - 50 с.
2. СНиП II -7-81*. Строительство в сейсмических районах./ Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1996. - 52 с.
3. Про внесення змін № 1 до СНиП II -7-81*. Строительство в сейсмических районах”. Наказ Держкоммістобудування і архітектури України, № 134 від 6 серпня 1997 р., - 4 с.
4. СНиП II -7-81*. Строительство в сейсмических районах”. Изд. Госстрой России. М.: 2002. - 44 с. Вкладка. Карты общего сейсмического районирования территории Российской Федерации - ОСР -97. - 10 карт.
5. Немчинов Ю.И. Сейсмическая опасность на Украине. Система предупреждения и ликвидации последствий землетрясений // В кн.: “Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження”. Зб.матеріалів. Перша Всеукраїнська науково-технічна конференція. - Київ, 1997. - С.51-62.
6. Немчинов Ю.И. Особенности строительства в сейсмических районах Украины и совершенствование норм проектирования зданий и сооружений. IV науково-технічна конференція “Будівництво в сейсмічних районах України”. Доповіді, 18-21 травня 1999 р., с.10-20 // “Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений”, 2000, № 1, с.8-15.
7. Немчинов Ю.И., Крищук А.Б., Сеймов В.М., Марьенков Н.Г., Егупов К.В., Кукунаев В.С., Гудков Б.П. Предложения и комментарии к документу: Международные строительные нормы СНГ. “Строительство в сейсмических районах” (Проект) 2002-2003 гг. // Материалы V-й Российской национальной конференции (Сочи, октябрь 2003 г.).
8. Кукунаев В.С. Состояние сейсмостойкого строительства в Крыму // “Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений”, 2000, № 1, с.16-20.
9. Егупов К.В. Проблемы проектирования на сейсмостойкость протяженных и несимметричных сооружений. //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2000, № 1, с.23-29.
10. Кендзера О.В., Омельченко В.Д. Сучасний стан сейсмологічних досліджень в Україні. В кн.: “IV науково-технічна конференція. “Будівництво в сейсмічних районах України”. Доповіді, 18-21 травня 1999 р., г.Ялта, с.21-26.
11. Коляков М.И., Плахтієнко М.П., Поляков Г.П. Деякі аспекти стану сейсмостійкого проектування і будівництва в Україні. В кн.: “IV науково-технічна конференція. “Будівництво в сейсмічних районах України”. Доповіді, 18-21 травня 1999 р., г.Ялта, с.27-33.
12. Пустовитенко Б.Г., Скляр А.М., Вольфман Ю.М., Сафронов О.Н. Сейсмическое районирование территории Украины: Современное состояние, проблемы и задачи. - В кн.: “IV науково-технічна конференція. “Будівництво в сейсмічних районах України”. Доповіді, 18-21 травня 1999 р., г.Ялта, с.55-60.
13. Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект новых карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации. Сейсмостойкое строительство, 1998, № 4, с.30-34.
14. Айзенберг Я.М., Хачиян Э.Е., Габричидзе Г.К., Гудков Б.П. и др. Международные строительные нормы СНГ. Строительство в сейсмических районах (проект) 2002 г. //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2002, № 3, с.27-53.
15. СНРА II -2.02-94. Сейсмостойкое строительство. Нормы проектирования./ Мин-во градостроительства республики Армения, Ереван, 1998. - 42 с.
16. СНиП РК В.1.2-4-98. Строительство в сейсмических районах/ Комитет по жилищной и строительной политике Мин.энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан, Алматы, 1998. - 41 с.
17. КМК 2.01.03-96. Строительные нормы и правила. Строительство в сейсмических районах. Изд-е офиц. /Госкомитет Республики Узбекистан по архитектуре и строительству. - Ташкент, 1996. - 65 с.
18. СНРА ? -4.02-99. Строительные нормы Республики Армения. Реконструкция, восстановление и усиление зданий и сооружений. Основные положения /Мин-во градостроительства Республики Армения, Ереван, 2000. - 12 с.
19. СН РК В.1.1-3-98. Строительные нормы Республики Казахстан. Стандарт для оценки сейсмической интенсивности по инструментальным данным /Комитет по жилищной и строительной политике Минэнергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан. - Алматы, 1998. - 4 с.
20. Протокол № 8 Заседания Международной Рабочей Группы по подготовке МСН СНГ “Строительство в сейсмических районах. Основные положения”, г.Сочи, 24-25 сентября 2003 г. //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2004, № 1, с.60-61.
21. Межгосударственные строительные нормы “Строительство в сейсмических районах. Основные положения, 1-я редакция, изд-е официальное /МНТКС-58 с// Письмо Отв.секретаря МНТКС С.Н.Нерсесова в адрес Первого зам.Председателя Госстроя Украины А.В.Беркуты, исх. № СК-627 от 09.12.2003 г.
22. Code for Aseismic Design of Residential Buildings, Agrozootechnikal and Industrial Structures (Р100-92) Design Institute of Buildings // Ministry of Public Works and Territory , № 2020/92. - 155 р.
23. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации -ОСР-97. Масштаб 1:8 000 000. Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах. / В.И.Уломов, Л.С.Шумилина. - М., Объединенный Ин-т Физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН, 1999. - 57 с.
24. EUROCODE 8: Earthguake Resistant Design of Structures. Env 1998-1-1, РТ1: General Rules , CEN / ТС 250 /S С8/ N 83. Second graft. October 1993.
25. Звіт з науково-дослідної роботи: “Розробити зміни до чинних СНиП II -7-81* (видання 1991 р.) за договором № 418-Н.99-01 (заключний) / НДІБК, Київ, 2001 р. - 86 с.
26. Егупов В.К., Егупов К.В. Влияние конструктивных особенностей зданий и неравномерности поля колебаний грунта на формирование сейсмических нагрузок // Сейсмостойкое строительство. - М.: ВНИИНТПИ, 1997, вып.6, с.20-28.
27. Егупов В.К., Егупов К.В., Лукаш Э.П. Практические методы расчета зданий на сейсмостойкость. - Киев, Будівельник, 1982. - 144 с.
28. ДБН В.1.1-…-2004 (первая редакция). Государственные строительные нормы Украины. Проект. “Строительство в сейсмических районах Украины”. Госстрой Украины. - Киев,2004. – 97 с.