В связи с широким применением навесных фасадных систем (НФС) для зданий различного назначения, возводимых в районах нашей страны с сейсмичностью 7—9 баллов, вопрос о методике оценки их сейсмостойкости является одним из главных, стоящих перед проектировщиками при оценке эксплуатационной надежности зданий.

Как отмечалось в статье [1], проблема безопасности фасадной системы при сейсмических воздействиях включает в себя оценку сейсмостойкости:
• стенового ограждения здания, в которое крепятся несущие элементы подконструкции НФС;
• анкерного крепежа, с помощью которого несущие элементы НФС крепятся к основанию;
• самой НФС с элементами (кронштейны, направляющие и различные виды облицовки).

Вопросы сейсмической надежности стенового ограждения зданий достаточно подробно исследованы в работах отечественных и зарубежных специалистов. Кроме того, имеются нормативные и рекомендательные документы в части расчета и конструирования зданий, возводимых в сейсмических районах. Однако оценка сейсмостойкости анкерного крепежа и непосредственно самих НФС вызывает затруднения, так как нормативная документация по их проектированию полностью отсутствует.

К сожалению, механический перенос рекомендаций действующих нормативных документов на оценку сейсмостойкости анкерного крепежа и НФС достаточно проблематичен. Это подтверждает и зарубежный опыт исследований сейсмостойкости НФС.

В настоящее время при содействии ведущих зарубежных специалистов в области анкерного крепежа [2] в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко разработана методика испытания анкеров на действие динамических (статических) сил.

Она прошла апробацию на анкерах фирм «Fischer» и МКТ в иссле довательских центрах Германии (Научно-исследовательский центр компании «Fischer», г. Тумлинген) и Швейцарии (специализированная лаборатория АС- Spiez, г. Spiez). Исследования проводились по разработанной в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко методике с участием специалистов этого института.

В настоящее время в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко под руководством д-ра техн. наук, проф. А. М. Курзанова разработана экспериментальная методика оценки сейсмостойкости навесных фа-садных систем с использованием виброплатформы ВП-100. В этой методике использованы результаты экспериментальных исследований отечественных ученых в области сейсмостойкости конструкций и данные анализа литературных источников о динамических воздействиях при имевших место землетрясениях.

Параметры динамических воздействий на фасадную систему при проведении испытаний принимались исходя из следующего:

1. Длительность сейсмического воздействия. По данным [3, 4] продолжительность основной части процесса колебаний составила от 10 до 40 с (землетрясения в Сан-Франциско 18.04.1906 г. — колебания продолжались 25—30 с, в Мехико 28.07.1957 г. — 15 с).

2. Периоды (частота колебаний). По наблюдениям Б. К. Карапетяна [5], максимальные ускорения почвы при землетрясениях соответствовали периодам 0,5 и 0,1 с (при частоте 2 и 10 Гц).

По данным С. В. Полякова и И. Л. Корчинского [3, 4]:
• при жестких системах (Т = 0...0,5 с) максимальное ускорение возникает почти мгновенно с началом колебаний (зона наиболее высоких значений коэффициента динамичности);
• наиболее характерные периоды сейсмического воздействия находятся в диапазоне короткопериодного спектра от 0,1 до 0,5 с (от 10 до 2 Гц);
• по результатам многочисленных экспериментальных исследований установлено, что, независимо от частоты внешнего воздействия, сооружение обычно колеблется с частотой, отвечающей частоте их собственных колебаний. Периоды же свободных колебаний большинства зданий составляют 0,1—0,2 с, т. е. частота динамической нагрузки на сооружение в условиях землетрясения может находиться в основном в пределах 0,5—10 Гц.

Прежде чем описать методику испытаний НФС, остановимся на применяемых в настоящее время экспериментальных моделях возбуждения колебаний исследуемых систем, ибо от принятой схемы возбуждения колебаний НФС зависит и методика проведения испытаний.

Одна из схем возбуждения колебаний рамы, на которую навешивается фасадная система, заключается в установке специальной вибромашины на верху рамы, которая, в свою очередь, жестко закреплена в основании (рис. 1).

Рис. 1. Схема возбуждения колебаний рамы с помощью вибромашины.

Эта модель была использована кандидатами техн. наук В. И. Смирновым и Р. Т. Акбиевым при испытании фасадных систем MAVent и ДИАТ в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко в 2007 г. Суть методики испытаний, которую отстаивают ее авторы, называя испытания «масштабными исследованиями» и утверждая себя «основными разработчиками методики», заключается в следующем:
• с помощью программного комплекса определяют динамические хара-ктеристики экспериментальной модели;
• на стенки фасадной системы и элементы опорной рамы крепят датчики-акселерометры, которые передают информацию на измерительно-вычислительный комплекс;
• по верху горизонтальной плоскости рамы на специальную опорную плиту устанавливают вибромашину инерционного дей-ствия;
• в процессе возбуждения колебаний системы с помощью вибромашины измеряют (или вычисляют) динамические характеристики системы (ускорения элементов модели, частотный спектр, перемещения и т. д).

Недостаток данной методики состоит в том, что из-за наличия жесткой заделки рамы в основание установленные приборами величины ускорений элементов фасадной системы нельзя сравнивать с нормативными значениями ускорений и соответствующей им балльности воздействий. При этом инерционная нагрузка в уровне низа защемленной рамы равна нулю. Полученные в эксперименте величины перемещений скоростей и ускорений элементов рамы и облицовки НФС зависят от динамической жесткости экспериментальной модели. Поэтому говорить о нормативной балльности воздействия в данной методике на основе анализа полученных величин ускорений элементов НФС некорректно, и по результатам испытаний делать выводы о сейсмостойкости НФС весьма затруднительно.

Авторы статьи проводили сравнительные испытания НФС на виброплатформе при различных жесткостях элементов рамы и облицовки. При установленных по показаниям акселерометров ускорениях элементов НФС и рамы в уровне их верха, равных (0,5...3)g, значения ускорений непосредственно виброплатформы не превышали 0,3g.

Таким образом, результаты испытаний НФС по данной методике достаточно условны. Эта методика в более грамотной постановке использовалась отечественными учеными при натурных сейсмических испытаниях зданий, однако никто из них не претендовал на ее авторство.

Другая схема возбуждения колебаний связана с использованием специальной виброплатформы, к которой жестко крепится рама с навешенными на нее элементами НФС.

Рис. 2. Общий вид платформы с установленной пространственной рамой.

ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко при экспериментальных исследованиях НФС использует виброплатформу инерционного действия ВП-100, которая позволяет создать инерционные нагрузки в диапазоне частот от 0 до 20 Гц при амплитуде колебаний платформы в горизонтальной плоскости от 0 до 30—50 мм. На рис. 2 показан общий вид виброплатформы с установленной на ней пространственной рамой, к элементам которой прикреплены конструкции НФС. В настоящее время за рубежом [1] для испытаний НФС используется аналогичная методика с применением многокомпонентных виброплатформ, имеющих 3 и б степеней свободы.

Преимущества данного метода динамических испытаний НФС с использованием виброплатформы перед описаной ранее методикой возбуждений колебаний конструкций с помощью вибромашины заключаются в следующем:
• виброплатформа позволяет установить реальный уровень ускорения основания экспериментальной модели и соответствующий этому значению нормативный уровень сейсмического воздействия;
• наличие электронного пульта управления, работающего как в ручном, так и в автоматическом режимах, дает возможность создать заранее запрограммированное расчетное сочетание спектра частот и амплитуд платформы, создать режимы работ виброплатформы, соответствующие резонансным колебаниям рамы и фасадной конструкции.

В настоящее время в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко под руководством А. М. Курзанова создана экспериментальная модель виброплатформы, конструкция которой позволяет увеличить амплитуды колебаний системы до 150 мм и добавить к горизонтальному перемещению платформы вертикальную составляющую перемещений. Так, при испытаниях НФС «РОНСОН» были достигнуты ускорения платформы, составляющие 1g в горизонтальной и 0,3g в вертикальной плоскостях.

Программа динамических испытаний НФС на виброплатформе ВП-100 включает в себя следующие этапы.
1. На основе использования любого программного вычислительного комплекса определяют динамические характеристики экспериментальной модели НФС (собственные частоты НФС и т. д.) и возможные режимы нагружения опытного образца, соответствующие силовым динамическим воздействиям на сооружения при землетрясениях различной интенсивности (от 7 до 9 баллов).
2. Проводят испытания системы с изменением частотного спектра от 0 до 18—20 Гц при фиксированной амплитуде перемещения виброплатформы. Далее изменяют значение амплитуда и задают частоты в указанном выше спектре. Длительность каждого из этапов динамического нагружения (при фиксированных амплитуде и частоте) системы составляет от 15 до 20 с.
3. По результатам второго этапа испытаний (п. 2) устанавливают уровни воздействий, соответствующие резонансным колебаниям системы, и уровни ускорений виброплатформы, соответствующие 7—9- балльным воздействиям по шкале MSK-64.
4. После завершения испытаний НФС в соответствии с заданной программой изменения амплитудно-частотного спектра виброплатформы проводят повторные испытания НФС при сочетаниях амплитудно-частотных параметров виброплатформы, соответствующих резонансным колебаниям системы и 7—9-балльным воздействиям. Длительность динамических испытаний при таких сочетаниях составляет 40—50 с.
5. Если в процессе испытаний имеют место разрушения или изменения конструктивной схемы НФС, совместно с заказчиком разрабатывают способы повышения надежности НФС, и испытания повторяют согласно пп. 3, 4.

В настоящее время по предложенной методике проведены динамические испытания более чем 20 систем и подсистем НФС.

ЛИТЕРАТУРА
1. Курзанов А. М., Грановский А. В., Доттуев 3. И., Хасанов Т. М. Экспериментальные исследования сейсмостойкости вентилируемых фасадных систем // Технологии стр-ва. 2009. № 1. С. 48-50.
2. Грановский А. В., Киселев Д. А. Экспериментальные исследования работы анкерного крепежа при сейсмических воздействиях // Технологии стр-ва. 2009. № 1. С. 52-54.
3.  Поляков С. В. Сейсмостойкие конструкции зданий. М.: Высш. шк., 1969. 335 с.
4.  Корчинский И. Л. и др. Сейсмостойкое строительство зданий. М.: Высш. шк., 1971. 319 с.
5.  Карапетян Б. К. Колебание сооружений, возведенных в Армении. Ереван. Айостан, 1967. 120 с.
6.  Курзанов А. М., Семенов С. Ю., Шабалин Г. А. К вопросу о применении резинометаллических опор китайского производства в сейсмостойком строительстве России // Пром. и гражд. стр-во. 2009. № 7. С. 54-55.

А.В. ГРАНОВСКИЙ, канд. техн. наук
3.И. ДОТТУЕВ, Т.М. ХАСАНОВ, инженеры

— Журнал "Промышленное и гражданское строительство" №10 / 2009