Что делает здание сейсмостойким

Первое, что удивляет неспециалиста: сейсмостойкое здание не проектируют так, чтобы после сильного толчка оно осталось невредимым. Такой дом стоил бы неоправданно дорого. Задача формулируется иначе — здание должно получить повреждения, но не обрушиться и дать людям выйти.

Отсюда логика норм по всему миру: слабое землетрясение — никаких повреждений; среднее — повреждения, которые можно отремонтировать; сильное, редкое для этого района — серьёзные разрушения конструкции, но она стоит. Треснувшие колонны и перекошенные проёмы после землетрясения не всегда означают, что строители схалтурили. Иногда это ровно то, что было задумано.

Понимание этого меняет и то, как читать новости. Здание, которое выстояло, но признано непригодным и идёт под снос, — это чаще всего успех проекта, а не его провал.

Землетрясение не давит на здание сверху, как снег. Оно двигает землю под ним, а здание по инерции остаётся на месте — и все усилия возникают именно из этого рассогласования. Поэтому чем больше масса, тем сильнее нагрузка: тяжёлое здание раскачивает сильнее лёгкого при прочих равных.

Вторая величина — жёсткость. Жёсткое здание почти не деформируется, но принимает на себя весь удар. Гибкое деформируется больше, зато мягче гасит воздействие. Ни одна крайность не хороша сама по себе, и работа инженера — найти сочетание, при котором собственный период колебаний здания не совпадает с периодом колебаний грунта. Совпадение даёт резонанс, и именно оно объясняет, почему в одном городе рушатся преимущественно, скажем, восьми-двенадцатиэтажные дома, а низкие и высокие стоят.

Третья и самая важная — пластичность. Это способность конструкции деформироваться, не разрушаясь, и поглощать этим энергию. Хрупкая конструкция держит нагрузку до предела, а потом рассыпается мгновенно. Пластичная гнётся, трескается, теряет часть прочности — но продолжает стоять и даёт время. Вся современная сейсмостойкость построена вокруг пластичности.

Из принципа пластичности следует правило, которое инженеры формулируют почти как заповедь: разрушаться должны балки, а не колонны. Балка — элемент, который несёт перекрытие в пределах этажа. Колонна держит всё, что выше.

Если при перегрузке первой начинает разрушаться балка, здание проседает локально, но остаётся стоять на колоннах. Если первой сдаёт колонна, этаж теряет опору и всё, что сверху, идёт вниз. Поэтому колонны намеренно делают прочнее балок, которые в них входят.

Нарушение этого правила — одна из типичных причин обрушений. Оно случается не только на бумаге: когда владелец магазина срезает часть колонны ради витрины или жилец убирает «мешающую» несущую конструкцию при ремонте, разрушается именно та иерархия, которую закладывал проектировщик.

Бетон отлично держит сжатие и почти не держит растяжение. При изгибе одна сторона элемента сжимается, другая растягивается — и растянутую сторону берёт на себя стальная арматура. Отсюда железобетон: два материала, компенсирующие слабости друг друга.

Но для сейсмостойкости продольной арматуры мало. Ключевую роль играют поперечные хомуты — стальные обхваты, стягивающие сечение колонны по всей высоте. Они удерживают бетон от бокового расползания при сжатии и не дают продольным стержням выгнуться наружу. Именно обжатый хомутами бетон способен деформироваться, не рассыпаясь, — то есть быть пластичным.

Поэтому хомуты сгущают в зонах у узлов, где нагрузка максимальна, а их концы загибают внутрь ядра сечения. Хомут с загибом наружу или с редким шагом при сильной тряске раскрывается, бетон вываливается, арматура выгибается — и колонна теряет несущую способность за секунды. На фотографиях разрушенных зданий это самый узнаваемый вид повреждения: обнажённые изогнутые прутья и осыпавшийся бетон в верхней или нижней части колонны.

Разборы разрушений после крупных землетрясений раз за разом выявляют один и тот же набор отступлений, и почти все они невидимы после отделки.

Экономия на арматуре: меньше стержней, чем в проекте, больший шаг хомутов, гладкая арматура вместо рифлёной. Экономия на бетоне: низкая марка, избыток воды в смеси ради удобства укладки, плохо уплотнённая смесь с пустотами. Отдельная беда — заполнитель: округлый речной или морской песок с солью и илом даёт слабое сцепление и запускает коррозию арматуры изнутри.

Дальше идут нарушения уже после сдачи дома: надстроенные этажи, которых не было в расчёте; снесённые перегородки и части колонн; тяжёлые бассейны и грунт на крышах; заложенные проёмы и, наоборот, пробитые новые. Каждое из них по отдельности выглядит мелочью, а вместе они переводят здание в другой класс поведения — тот, на который его никто не считал.

Многое решается ещё на стадии эскиза, бесплатно. Симметричное здание с равномерно распределёнными жёсткими элементами закручивается меньше, чем несимметричное. Прямоугольник в плане ведёт себя предсказуемее, чем сложная форма с внутренними углами.

Равномерность по высоте так же важна, как в плане. Этаж, который заметно мягче соседних, собирает на себя всю деформацию — это и есть механизм мягкого этажа, самый частый сценарий обрушения многоэтажек. Резкие уступы, консольные выносы и надстройки создают ту же проблему в других местах.

Наконец, между соседними зданиями оставляют зазор. Дома разной высоты качаются с разным периодом, и без зазора они бьют друг друга — соударение способно повредить перекрытия и колонны на уровне контакта.

Перегородки и заполнение каркаса обычно не входят в расчётную схему — предполагается, что нагрузку несёт каркас. На практике жёсткая кирпичная кладка внутри каркаса меняет поведение здания: делает его жёстче, перераспределяет усилия и иногда создаёт короткие колонны там, где кладка зажимает колонну по части высоты.

Отсюда неочевидный вывод: перепланировка, при которой сносят или добавляют «просто перегородки», может изменить работу конструкции сильнее, чем кажется жильцу. А ряд одинаковых квартир, где каждый хозяин переставил стены по-своему, делает поведение здания непредсказуемым.

Значительная часть травм приходится не на конструкцию, а на элементы, которые к ней прикреплены: облицовку фасада, парапеты, вентиляционные короба, подвесные потолки, витражи, наружные блоки кондиционеров, незакреплённые лестничные марши.

В нормах это отдельная тема — крепление ненесущих элементов. Для жильца практический смысл простой: даже в крепком доме стоит смотреть, что висит над входом, над балконом и над местом, где вы паркуетесь.

Существующие здания усиливают несколькими способами, и все они требуют проекта. Самый распространённый — добавление железобетонных стен жёсткости, которые берут на себя горизонтальные усилия и разгружают каркас. Колонны усиливают обоймами: стальными, железобетонными или из композитных материалов, которые выполняют роль тех самых хомутов снаружи.

Есть и более дорогие технологии. Сейсмоизоляция основания — здание ставят на опоры, которые пропускают через себя часть колебаний, — применяется для больниц, важных общественных зданий и памятников. Демпферы гасят энергию, как амортизаторы в машине. Для обычного жилого дома такие решения обычно неоправданны экономически, но знать о них полезно: если вам предлагают «усиление» без проекта и расчёта, это не усиление.

И честная оговорка: не всякое здание имеет смысл усиливать. Иногда расчёт показывает, что снос и новое строительство обходятся дешевле, а результат надёжнее. Решение принимается по результатам обследования, а не по внешнему виду.

Полноценную оценку даёт только обследование. Но несколько вещей доступны каждому: есть ли у здания разрешительные документы и проект; проводилось ли обследование сейсмостойкости; нет ли мягкого первого этажа; нет ли надстроенных этажей и следов вмешательства в колонны; есть ли зазор до соседнего дома.

Этого достаточно, чтобы отличить очевидно плохой вариант от того, который стоит показать специалисту. Дальше решает инженер — и это тот случай, когда его гонорар несопоставим с ценой ошибки.