Сеизмичният риск в България
България е разположена в зона с умерена до висока сеизмична активност. Основните сеизмични зони в страната са Северна България (Горнооряховски разлом, Свищовската зона – Вранча в Румъния), Южна България (Пловдивска зона, Родопи) и Югозападна България (Кресненски разлом). Историята е изпълнена с разрушителни земетресения – Горна Оряховица 1913, Chirpan 1928, Vrancha 1977 – при което в България загинаха стотици хора и бяха разрушени хиляди сгради.
Сеизмичната опасност не е причина за паника, но е задължителен фактор при проектирането на всяка сграда. Правилно проектираната и изпълнена конструкция може да устои на силно земетресение без срутване – целта е да защити живота на хората, дори ако конструкцията получи увреждания.
Как земетресенията въздействат върху сградите
По време на земетресение земята се движи хоризонтално и вертикално с бърза честота. Сградата, закрепена за основата, е принудена да следва движението на земята, но поради инерцията на масата й тя „изостава" – което предизвиква огромни хоризонтални сили (инерционни сили или сеизмични сили) в конструкцията.
Тези сили са пропорционални на масата на сградата и ускорението на земята. Затова по-тежките сгради получават по-големи сеизмични сили, а по-леките – по-малки. Именно затова стоманените и дървените конструкции се справят добре при земетресения, докато тежките масивни конструкции без армировка са най-уязвими.
Принципи на антисеизмичното проектиране
Редовност в план и по височина
Сградите с правилна симетрична форма (квадрат, правоъгълник) се държат значително по-добре при земетресение от тези с неправилна форма (Г, Т, Е-форма). Неправилните форми предизвикват усукващи движения, концентриращи напрежения в определени зони. Еврокод 8 въвежда критерии за редовност и изисква по-строг подход при неправилните сгради.
Непрекъснатост на конструктивния път
Натоварванията трябва да се предават непрекъснато от покрива до фундамента. Всяка прекъснатост – меко подножие, слаб етаж, неправилно разполагане на стени – е потенциална зона на концентрация на деформации и разрушаване.
Дуктилност
Дуктилността е способността на конструкцията да се деформира значително без срутване. При земетресение е по-добре сградата да се деформира и „да поглъща" енергията, отколкото да е твърда и крехка. Именно затова армировката при сеизмично проектиране е специфична – хомутите трябва да осигурят дуктилно поведение на гредите и колоните.
Конструктивни системи при сеизмично строителство
Стоманобетонни рамки
Рамковата система (колони и греди) е гъвкава и дуктилна при правилно проектиране. По Еврокод 8 рамките се проектират по принципа „слаба греда – силна колона" – пластичните стави (зоните на деформация) трябва да се формират в гредите, не в колоните, тъй като срутването на колона е катастрофално (water fall ефект).
Стоманобетонни стени (шайби)
Армираните бетонни стени (шайби) са много ефективни при поемане на хоризонтални сеизмични сили. Те са много по-твърди от рамките, но и по-малко дуктилни. Оптималното решение за средни и високи сгради е комбинация от рамки и стени.
Стоманени конструкции
Стоманените конструкции са изключително добри при сеизмични въздействия – леки, дуктилни и с висока якост. Широко се използват в Япония и САЩ за висококатни сгради в сеизмични зони. В България са по-редки поради по-ниската традиция, но интересът нараства.
Сеизмична изолация
Сеизмичната изолация е авангардна технология, при която между фундамента и конструкцията на сградата се поставят специални изолатори – обикновено гумено-стоманени (lead rubber bearings) или плъзгащи (friction pendulum). Изолаторите „разкачат" движението на земята от сградата – сградата се движи много по-малко, а ускоренията в нея са 3–5 пъти по-малки от тези на земята.
Предимствата са огромни: при силно земетресение сградата остава практически неувредена. Недостатъкът е значително по-високата цена при строителство. Сеизмичната изолация се прилага предимно при болници, правителствени сгради, ядрени централи и мостове – обекти, при които непрекъснатостта на функцията е критична.
Демпферни системи
Демпферите (dampers) са устройства, поглъщащи сеизмичната енергия чрез вискозно, хистерезисно или фрикционно трение. Монтират се в конструктивните диагонали или в специални конструкции. Флуидните вискозни демпфери работят подобно на амортисьорите на автомобил – при бързо движение оказват голяма съпротива, поглъщайки енергията. Туниран масен демпфер (TMD) е маса на горните етажи, колебаеща се в противофаза с конструкцията – прилага се при много високи сгради и кули (известен пример: Taipei 101).
Сеизмично укрепване на съществуващи сгради
Голяма част от съществуващия сграден фонд в България е проектиран по остарели норми или изобщо без сеизмично изчисление. Укрепването (retrofitting) на тези сгради е спешна нужда. Методите включват:
- Добавяне на армирани бетонни стени – нови стени, изградени на стратегически места
- Поставяне на стоманени диагонали – в рамките на съществуващите рамки
- Обгръщане на колони с CFRP – въглеродни влакна, увиващи колоните, увеличават дуктилността без добавяне на маса
- Инжектиране на пукнатини – епоксидни смоли за възстановяване на бетонни елементи
- Поставяне на изолатори – при пълна реконструкция на основата
Роля на фундамента при сеизмично натоварване
Фундаментът трябва да предава сеизмичните сили от конструкцията към почвата без разрушаване. Плочестите фундаменти са предпочитани при сеизмично строителство заради равномерното разпределение на силите. Пилотите трябва да са оразмерени не само за вертикални натоварвания, но и за хоризонталните сеизмични. При нестабилни почви (пясъчни, наситени с вода) оценката на риска от втечняване е задължителна.
Еврокод 8 – нормативната рамка
В България сеизмичното проектиране се извършва съгласно Еврокод 8 (EN 1998) и националното му приложение. Стандартът въвежда: сеизмична зоналност, спектри на отговора за различни класове почви, изисквания за редовност, правила за армиране при различни класове на дуктилност (DCL, DCM, DCH) и методи за анализ (еквивалентни статични сили, модален спектрален анализ). Проектирането по Еврокод 8 е задължително за всички нови сгради в България.
Заключение
Сеизмичната защита не е лукс – тя е задължение. В страна с историческа сеизмичност като България правилното антисеизмично проектиране буквално спасява животи. Модерните технологии – от дуктилното армиране до сеизмичната изолация – дават на инженерите инструментите да строят сгради, способни да преживеят силни земетресения без срутване. Важното е тези инструменти да се използват правилно.