Строительство в сейсмоопасных зонах

Как известно, около 5% территории России расположено в зоне риска чрезвычайно опасных землетрясений: до 9 баллов по шкале Рихтера. Это весь Дальний Восток (включая Сахалин, Курилы и Камчатку), Северный Кавказ, Алтай, Саяны, Прибайкалье, Становое нагорье и Якутия. Еще 20% территории периодически подвергается воздействию подземных толчков силой до 7 баллов, причём в этих местностях проживает до 20 млн. человек! Остальные районы (к ним относится, в частности, и Центральная Россия, включая Москву) считаются умеренно спокойными, но и здесь возможны толчки силой до 5 баллов, вызванные отголосками крупных тектонических катастроф (см. табл. 1).

Более того, последние исследования показали, что существующая сейсмическая опасность во многих случаях занижена. Так, совсем недавно несколько крупных землетрясений произошли в районах, которые либо вовсе не относились к сейсмически опасным, либо классифицировались как территории с меньшей расчётной интенсивностью воздействий.

Таблица 1. Сейсмическая шкала Института физики Земли РАН

Можно вспомнить землетрясение мощностью 9 баллов на Алтае в 2003 году, целую серию ударов мощностью 10 баллов в Корякском АО в 2006 году, на Средних Курилах в 2006 и 2007 годах, на Сахалине в 2007 году и, наконец, катастрофу в Республиках Тыва, Хакасия и Алтай, произошедшую 27 декабря 2011 г., при этом следует отметить, что долгосрочный прогноз сейсмической активности говорит о её увеличении: например, уже в ближайшее десятилетие высока вероятность серьёзного землетрясения в Курило-Камчатской зоне.

На этом фоне угрожающе звучат экспертные оценки и данные МЧС, согласно которым «имеют дефицит сейсмостойкости и могут представлять источник опасности при сейсмических воздействиях до 50% объектов жилого, общественного, производственного назначения и коммунальной сферы (в некоторых регионах этот показатель составляет от 60 до 90%)»1. Реконструкции требуют около 20 тыс. различных сооружений, в том числе - жилые дома. Общая площадь зданий и сооружений, требующих первоочередного усиления и защиты, достигает 30 млн. кв. метров, а их стоимость оценивается в 400-450 млрд. рублей.

Также следует заметить, что строительство и реконструкция зданий в сейсмоопасных районах дороже стандартных. Удорожание сметы во многом зависит от сейсмической зоны. Так, в 7-балльных районах оно составляет примерно 5%, в 8-балльных - 8%, а в 9-балльных - 11% от стоимости реализации обычного проекта2.

Неудивительно, что Федеральная целевая программа (ФЦП) по повышению устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения сейсмических районов России продлена до 2018 года, а объём её финансирования увеличен до 80 млрд. руб. - об этом сообщил на прошедшем 4 июля 2012 года совещании в Петропавловске-Камчатском премьер-министр России Дмитрий Медведев.

Согласно ФЦП, выделенные средства пойдут на сейсмоусиление зданий и сооружений, начиная с жилых домов и заканчивая инфраструктурными объектами. Кроме того, планируется взамен объектов, сейсмоусиление или реконструкция которых экономически нецелесообразны, возводить новые. Причём строительство должно вестись с использованием современных материалов и технологий.

Следует отметить, что само по себе применение подобных методов, вне комплексных технических решений и продуманного общего подхода к строительству, не гарантирует сейсмостойкости объектов. Более того, даже самые передовые технологии могут оказаться бесполезными или опасными, если их применять без учёта специфики региона и опыта прошлых сейсмических атак.

Например, одним из наиболее эффективных способов модернизации фасадов старых зданий и облицовки новых является установка навесных фасадных систем, состоящих из металлических несущих подконструкций, облицовочных элементов и теплоизоляции. На первый взгляд, они обладают достаточной расчётной прочностью, чтобы противостоять даже значительным толчкам (эти системы широко применяются в различных сейсмоопасных регионах мира). Однако до недавнего времени в России не проводились регулярные полномасштабные испытания поведения данных конструкций в условиях, наиболее приближенных к реальным. Таким образом, при выборе подобных систем у проектировщиков не было возможности предсказать их поведение и гарантировать устойчивость во время серьёзных толчков.

«Между тем именно подконструкция (или подсистема) определяет способность вентфасада выполнять возложенные на него задачи, - говорит Сергей Якубов, руководитель департамента «Фасадные системы и ограждающие конструкции» Группы компаний Металл-Профиль. - Требования к подконструкции должны быть основаны на серьёзном прочностном расчёте, который с возможной полнотой учтёт специфику эксплуатации фасадной системы, в том числе и экстремальную. Понятно, что стоимость и простота монтажа и эксплуатации фасадной системы являются важными факторами, однако главным критерием её выбора должна быть подтверждённая сейсмостойкость».

Примечательно, что методика проверок достаточно сложна и включает в себя испытания на экспериментальном стенде, позволяющем смоделировать весь процесс развития реального землетрясения. Например, испытания навесных фасадных систем с облицовкой плитами из керамогранита и стальными фасадными кассетами проводились в 2 этапа.

Сначала исследовалась реакция экспериментального образца на действие сейсмических сил. Процесс смоделировали за счёт колебаний платформы-маятника, на которую была установлена рама с фасадной системой. Механизм стенда имитировал колебания с частотой от 0,4 до 20 Гц при амплитуде от 1 до 100 мм. На втором этапе проводились испытания при горизонтальном импульсном (ударном) силовом воздействии платформы-маятника на демпфирующий упор. Величина воздействия соответствовала короткопериодному спектру от 0,1 до 0,3 секунды с ускорением от 0,1 до 1,0 g. Дополнительно в процессе испытаний было исследовано поведение системы в случае совпадения величин собственных частот колебаний системы с частотами колебаний виброплатформы (т.е. эффект резонанса). Это явление наблюдалось при колебаниях с частотой 4,4 Гц с амплитудой 3,8 мм.

По результатам испытаний, эксплуатационная надёжность образцов на всех этапах нагружения не была нарушена, что позволило экспертам сделать выводы о возможности использования подобных систем вентилируемых фасадов в районах с сейсмичностью от 7 до 9 баллов.

Однако сейсмическая надёжность подсистемы - не единственный критерий безопасности вентфасадов. Во многих случаях важен также правильный выбор облицовочных материалов. Известно, что наибольшей популярностью у российских застройщиков пользуется довольно привлекательный с экономической точки зрения керамогранит, однако этот облицовочный материал может быть потенциально опасен при землетрясениях. И это наглядно показывает опыт Казахстана. «Керамогранит в сейсмически опасных районах представляет собой бомбу замедленного действия, - считает член Совета директоров ГК Металл Профиль Евгений Шумаков. - В случае даже относительно слабого по баллам землетрясения он очень легко превращается в осколки, которые представляют угрозу не только для строений или припаркованных рядом с ними машин, но и для жизни людей.

Мы хорошо осознаём масштабы угрозы, потому что производим подсистему для крепления керамогранита. Мы проводили испытания на сейсмоустойчивость, которые показали, что, в частности, металлическая фасадная кассета выдерживает землетрясение до 9-ти баллов. Можно констатировать, что для сейсмоопасных территорий идеальной является именно стальная облицовка вентфасадов: например, фасадные кассеты или более доступные по стоимости линеарные панели Primepanel�».

Облицованные керамогранитом фасады после землетрясения (Казахстан)

Конечно, вентфасады - не единственное решение, которое может использоваться при строительстве зданий в сейсмоопасных районах. Например, при строительстве олимпийских объектов в Сочи, где сейсмоопасность весьма значительна, широко использовались сэндвич-панели со специальным сейсмоустойчивым креплением. В частности, стены Большой ледовой арены возводятся с применением трёхслойных сэндвич-панелей (ТСП), специально изготовленных ГК Металл Профиль. С использованием ТСП построен и конькобежный центр, спроектированный итальянским архитектором Алессандро Цоппини в сотрудничестве с Buro Happold. В соответствии с проектом для них используются специальные сейсмостойкие крепления, получившие одобрение ЦНИИПромзданий и способные выдержать даже 9-балльное землетрясение. «В настоящий момент мы, совместно с компанией Global Rivet, осуществляем разработку сейсмобезопасного крепежа ТСП с помощью обычных саморезов. Это позволит существенно снизить сметную стоимость возведения сейсмоустойчивых зданий», - добавляет Сергей Якубов (ГК Металл Профиль).

Для обеспечения безопасности зданий на сейсмоопасных территориях важно, чтобы способностью выдержать землетрясение обладали не только конструкции этих зданий, но и инженерные системы. Между тем подобным вопросам часто не уделяется должного внимания, хотя современные здания, особенно высотные, которые строятся сейчас в том числе и в сейсмоопасных зонах, представляют собой сложнейший комплекс разнообразных сетей и технологического оборудования.

От их успешного функционирования даже в условиях подземных толчков напрямую зависит безопасность всех, кто находится внутри таких зданий.

Например, известно, что наибольшие потери во время землетрясений вызваны возгораниями из обрывов электропроводки и т.п. Поэтому при строительстве и реконструкции инженерных сетей и сооружений для сейсмоопасных районов (с сейсмичностью 7-9 баллов) необходимо дублировать критические технологические узлы (насосные подстанции, электрогенераторы и пр.). Об этом говорит трагический опыт японской АЭС Фукусимы, где проблемы начались именно из-за выхода из строя насосного оборудования системы охлаждения реакторного блока.

«При землетрясениях на трубопроводы и насосы действуют чрезмерные нагрузки, во много раз превосходящие стандартные, - говорит Роман Марихбейн, руководитель направления «Насосы инженерных систем зданий» компании GRUNDFOS, ведущего мирового производится насосного оборудования. - Единственным выходом является увеличение жёсткости всей трубопроводной сети, выбор надёжного оборудования и его дублирование, включающее организацию независимых источников питания». Также специалист добавляет, что при сохранности несущих конструкций здания во время землетрясения водопроводные и теплофикационные системы, выполненные из металлических труб диаметром 25-75 мм, получают незначительные повреждения. На практике инженерные коммуникации повреждаются от землетрясения интенсивностью в 8 баллов и более.

С учётом озвученных принципов проектировался и строился, например, горнолыжный комплекс ОАО «Газпром» «Лаура», который стал одним из базовых элементов олимпийской инфраструктуры. Он расположен в сейсмически неспокойном районе реки Мзымта, поэтому расчёт вёлся на устойчивость даже при 9-балльном землетрясении. В состав комплекса входят несколько десятков горнолыжных трасс, канатные дороги и подъёмники, лыжная школа, коттеджный посёлок и гостинично-ресторанный комплекс. Горно-туристический центр автономен: энергия вырабатывается собственной газотурбинной теплоэлектростанцией, выдающей 10 МВт, достаточных для бесперебойного снабжения всего комплекса электричеством, водой (артезианские скважины) и теплом. Основные линии жизнеобеспечения дублированы, а всё оборудование полностью диспетчеризовано, что позволяет быстро обнаруживать и ликвидировать неполадки.

На сегодняшний день, с учётом явного усиления сейсмической активности и одновременно с активизацией строительства в сейсмоопасных районах, вопросы безопасности зданий и сооружений стоят как никогда остро. Поэтому грамотное применение современных технологий с тщательным учётом специфики материалов и оборудования становится насущной необходимостью.

Пресс-служба Группы компаний Металл Профиль