Впорядкованість планувальної схеми та сейсмостійке проєктування мурованих будівель

 

Сейсмостійкість мурованих будівель значною мірою залежить від геометрії їхнього плану, впорядкованості* конструктивної системи, а також розподілу жорсткості та мас. Сучасні сейсмічні стандарти, зокрема нормативи Єврокоду 8, наголошують на важливості правильного й збалансованого компонування конструкцій для забезпечення надійної роботи будівлі під час землетрусу. Невпорядковане планування може призвести до виникнення крутильних ефектів, нерівномірного розподілу навантажень та збільшення масштабів руйнування конструкцій. У цьому дослідженні розглядається роль геометричної правильності в плані при сейсмостійкому проєктуванні мурованих споруд, зокрема тих, що зведені з блоків автоклавного газобетону (АГБ). Поряд із типовими помилками в плануванні та практичними стратегіями підвищення сейсмостійкості аналізуються ключові принципи проєктування, зокрема впорядковане розташування стін, безперервність зсувних стін (діафрагм жорсткості) та рівномірний розподіл навантажень.

 

*Впорядкованість у плані, регулярність у плані (Plan regularity) - Згідно з європейським стандартом сейсмостійкого проєктування Eurocode 8 (EN 1998-1, Розділ 4.2.3.2 «Критерії регулярності в плані»

 

 

У країнах Європи, зокрема в Німеччині, Швейцарії, Туреччині та Італії, за останні десятиліття невпинно зростає обізнаність та занепокоєння громадськості щодо стихійних лих. Серед цих небезпек землетруси становлять серйозну загрозу, а в деяких регіонах є головним природним ризиком. Сейсмічна активність у цих країнах суттєво різниться: Туреччина та Італія характеризуються високим рівнем сейсмічності, Швейцарія перебуває в зоні помірної сейсмічної небезпеки, а Німеччина загалом демонструє нижчий, але все ж значний сейсмічний ризик. Менше з тим, історичні дані свідчать, що руйнівні землетруси відбувалися як у Центральній, так і в Південній Європі, що підкреслює повсюдну важливість оцінки сейсмічної небезпеки та стратегій зниження ризиків.

 

Нещодавні землетруси в Італії та Туреччині разом із такими історичними подіями, як землетрус 1855 року в регіоні Вале (Швейцарія), наочно демонструють руйнівний вплив сейсмічної активності на забудоване середовище та суспільство. Помірні та сильні землетруси можуть спричинити суттєві пошкодження будівельних конструкцій і мати важкі наслідки для постраждалого населення. Муровані будівлі є особливо вразливими до сейсмічних навантажень і за умови відсутності належного проєктування на сейсмостійкість можуть демонструвати крихкий характер руйнування.

 

Із впровадженням та постійним вдосконаленням сучасних європейських і національних стандартів проєктування, зокрема нормативної бази Єврокоду 8 [1], дедалі більша увага приділяється сейсмостійкому проєктуванню будівельних конструкцій. Ці вимоги застосовуються в широкому діапазоні сейсмічних зон, включаючи регіони з порівняно низькою сейсмічністю (наприклад, окремі райони Німеччини), де перевірка на сейсмостійкість залишається обов'язковою залежно від розташування будівлі та її класу наслідків (відповідальності).

 

Муроване будівництво має давні традиції по всій Європі, а поведінка таких споруд у сейсмічних районах детально вивчена [2,3]. У регіонах з низькою та помірною сейсмічністю, зокрема в деяких частинах Німеччини та Швейцарії, досі широко використовується неармоване мурування. Проте для будівель із підвищеною функціональною значущістю, таких як лікарні та об'єкти критичної інфраструктури, що належать до III класу важливості, чинні стандарти вимагають використання армованих пластичних мурованих систем для забезпечення належної сейсмостійкості. Аналогічно, в регіонах з підвищеною сейсмічною небезпекою, включаючи Італію та певні райони Швейцарії, армоване мурування є обов'язковим для будівель із великим скупченням людей або підвищеним потенціалом ризику, які зазвичай класифікуються за II або вищим класом важливості.

 

Ця стаття містить практичні рекомендації для архітекторів, інженерів-конструкторів і проєктувальників щодо сейсмостійкого проєктування та конструювання вузлів мурованих будівель, з особливим акцентом на спорудах, зведених із блоків та системних стінових елементів з автоклавного газобетону (АГБ). У першій частині статті розглядається значення геометрії плану будівлі та її вплив на сейсмічну поведінку. У другій частині представлено рекомендації щодо проєктування та планування конструкцій, які проілюстровані прикладами компонування будівель.

 

 

Значення геометрії плану в сейсмостійкому проєктуванні

 

Сейсмостійкість мурованих та каркасних будівель значною мірою залежить від геометрії їхнього плану та впорядкованості конструктивної системи. Сейсмостійке проєктування вимагає не лише належної тримальної (несучої) здатності конструкцій, але й добре збалансованого та ефективного розташування несучих елементів для забезпечення передбачуваної та контрольованої реакції будівлі під час сейсмічного впливу. Сучасні норми сейсмостійкого проєктування, такі як Єврокод 8 (Eurocode 8) та стандарт DIN 4149 [4], послідовно наголошують на впорядкованості конструкцій як на фундаментальній вимозі для зниження сейсмічної вразливості та підвищення загальної експлуатаційної надійності будівлі.

 

Геометрія плану відіграє вирішальну роль у розподілі та передачі інерційних сил під час землетрусу. Впорядковане та компактне планування конструкції сприяє рівномірному розподілу жорсткості й маси, що забезпечує надійніші шляхи передачі зусиль та більш передбачувану загальну поведінку споруди. У таких системах горизонтальні навантаження ефективно сприймаються зсувостійкими елементами (елементами жорсткості), що допомагає обмежити концентрацію напружень і знижує ймовірність локального руйнування. Натомість невпорядкованість у плані є ключовим та очевидним індикатором сейсмічної вразливості. Численні дослідження показують, що невпорядковане компонування може суттєво підвищити сейсмічний ризик через виникнення крутильних ефектів та нерівномірний розподіл сил [5]. Як наслідок, навіть процедури швидкого візуального оцінювання, такі як FEMA P-154 [6], прямо включають невпорядкованість плану як критично важливий параметр для попередньої оцінки вразливості будівель.

 

Рис. 1: Різні форми невпорядкованості в плані: a) Вхідні кути, b) Кручення, c) Уступи, d) Непаралельні стіни, e) Складна геометрія, f) Г-подібна форма, g) П-подібна форма, та h) Глухі стіни (адаптовано з [6])

 

 

Визначення невпорядкованості в плані

 

Невпорядкованість у плані виникає тоді, коли конструктивна система будівлі відхиляється від компактної, симетричної та рівномірно жорсткої конфігурації. До типових її форм належать:

• Крутильна невпорядкованість: ексцентриситет між центром мас і центром жорсткості;

• Асиметричне розташування стін: нерівномірний розподіл зсувних стін (діафрагм жорсткості);

• Вхідні кути: Г-подібні, П-подібні або складні геометричні форми, що викликають концентрацію напружень;

• Нерівномірний розподіл жорсткості: коливання густини або жорсткості стін;

• Ослаблення через прорізи: великі або сконцентровані прорізи, що знижують тримальну здатність стін.

Ці невпорядкованості порушують рівномірність роботи конструкції та збільшують сейсмічне навантаження на окремі елементи. На рис. 1 показано деякі приклади будівель із невпорядкованістю в плані.

 

Наслідки невпорядкованості​ в плані

 

Невпорядковані конфігурації плану суттєво підвищують сейсмічну вразливість будівель. До типових невпорядкованостей належать Г- або П-подібне планування, асиметричний розподіл стін та нерівномірний розподіл жорсткості. Ці умови призводять до:

• крутильних ефектів через ексцентриситет між масою та жорсткістю;

• нерівномірного розподілу зусиль між конструктивними елементами;

• локальних концентрацій напружень та передчасного руйнування;

• зниження загального опору зсуву та здатності до розсіювання енергії.

 

Додаткові невпорядкованості можуть виникати через невдале розміщення прорізів (дверей та вікон), що може переривати шляхи передачі навантажень і порушувати безперервність зсувних стін. Подібним чином, раптові зміни жорсткості або геометрії порушують передачу зусиль і підвищують ризик локального руйнування.

 

 

Принципи проєктування для забезпечення впорядкованості​ планів при сейсмічних впливах

 

Принципи проєктування для забезпечення впорядкованості планів при сейсмічних впливах спрямовані на досягнення простої, збалансованої та конструктивно ефективної конфігурації, яка гарантує передбачувану поведінку будівлі під дією землетрусу. Основна увага приділяється правильності форми в плані, зокрема рівномірному розподілу жорсткості й маси, а також зменшенню геометричних і конструктивних невпорядкованостей, які можуть посилювати сейсмічні ефекти.

 

Це особливо важливо для мурованих споруд із блоків та стінових елементів з автоклавного газобетону (АГБ), де загальна сейсмостійкість суттєво залежить від розташування та безперервності несучих стін. Через відносно низьку густину та крихкий характер руйнування цього матеріалу порівняно з пластичними конструктивними системами, впорядковане компонування стін є критично важливим для забезпечення надійної передачі зусиль та контрольованого деформування.

 

Загалом, ці принципи створюють базову основу для покращення сейсмічної поведінки шляхом забезпечення ефективних шляхів передачі навантажень та мінімізації крутильних і локальних механізмів руйнування. Стандарти сейсмостійкого проєктування, такі як Єврокод 8 (Eurocode 8) та стандарт DIN 4149, рекомендують наведені нижче принципи для досягнення впорядкованого та надійного компонування конструкцій, які узагальнено в таблиці 1.

 

 

Таблиця 1: Ключові принципи сейсмостійкого проєктування для забезпечення правильності планування будівель

 

Принцип сейсмостійкого проєктування	Рекомендація
Уникнення кручення	Забезпечення симетричного розташування зсувостійких елементів (елементів жорсткості)
Збереження компактності	Надання переваги простим і правильним геометричним формам будівель
Забезпечення рівномірності жорсткості	Рівномірний розподіл зсувних стін (діафрагм жорсткості) в обох головних напрямках
Мінімізація ексцентриситету	Максимальне суміщення (зближення) центра мас та центра жорсткості
Збільшення конструктивного резервування (статичної надмірності)	Використання кількох коротших зсувних стін замість невеликої кількості довгих
Збереження безперервності шляхів передачі зусиль	Уникнення розривів (раптових змін) при передачі вертикальних та горизонтальних сил

 

 

Влаштування щонайменше двох довгих зсувних стін у кожному головному напрямку

 

Загалом, планування конструктивної системи має передбачати щонайменше дві довгі зсувні стіни (діафрагми жорсткості) у кожному з головних напрямків будівлі для забезпечення її ефективної та стабільної поведінки під дією сейсмічних навантажень. У зонах низької сейсмічності стіни вважаються «довгими», якщо їхня довжина становить приблизно від однієї третини до половини розміру плану будівлі у відповідному напрямку дії навантаження. Для досягнення достатньої жорсткості на кручення щонайменше дві паралельні зсувні стіни мають бути розташовані на відстані одна від одної, що перевищує 75% ширини будівлі. При цьому ширина будівлі визначається як розмір, перпендикулярний до напрямку розглянутих стін, як показано на рис. 2.

 

Рис. 2: Дві довгі стіни в кожному напрямку

 

Зсувні стіни, призначені для сприйняття сейсмічних навантажень, повинні мати мінімальну товщину 15 см. Крім того, для забезпечення належної стійкості та запобігання руйнуванню через надмірну гнучкість, їхня висота не повинна перевищувати товщину більш ніж у 17 разів.

 

 

Симетричне розташування стін у плані

 

Фундаментальною вимогою для забезпечення сейсмічної безпеки є максимальне зближення (суміщення) центра мас (M) та центра жорсткості (S), як показано на рис. 3. Коли ці дві точки збігаються або розташовані близько одна до одної, крутильні ефекти зводяться до мінімуму, а реакція конструкції залишається більш рівномірною. Проте за наявності значного ексцентриситету між M та S сейсмічний вплив викликає кручення будівлі, що призводить до нерівномірних деформацій (переміщень) та локального збільшення пошкоджень конструкцій. Зі збільшенням відстані між цими двома центрами крутильні ефекти стають помітнішими, що призводить до вищих концентрацій напружень у стінах через посилення крутильних коливань під час сейсмічних подій.

 

Рис. 3: Симетричне розташування стін та ідеальне положення S і M

 

 

Заміна однієї довгої стіни двома коротшими

 

Одну довгу зсувну стіну (діафрагму жорсткості) можна замінити двома коротшими стінами, як показано на рис. 4. Для забезпечення конструктивної еквівалентності довжина кожної з цих стін має становити приблизно від 70% до 80% довжини початкової довшої стіни. За такої конфігурації жорсткість зберігається в тому ж положенні, що забезпечує покращення поведінки конструкції при крученні та стабільнішу реакцію будівлі на сейсмічні впливи.

 

Рис. 4: Поділ довгої стіни на дві коротші

 

 

Вимоги до міцності в сейсмічних зонах

 

Відповідно до стандарту DIN 4149, використання блоків або стінових панелей з автоклавного газобетону (АГБ) класу міцності 2 для зовнішніх стін дозволяється лише за певних умов. Зокрема, у кожному головному напрямку будівлі щонайменше 50% від необхідної площі поперечного перерізу зсувних стін повинні складати елементи з АГБ класу міцності 4 або вище. За цієї умови загальна площа поперечного перерізу зсувних стін має відповідати значенням, зазначеним у таблиці 15 стандарту DIN 4149, частина 4, для блоків з АГБ класу міцності 4. Ця вимога є особливо важливою для споруд із блоків з АГБ, де належна сейсмостійкість залежить від забезпечення достатньої міцності стін та належного розподілу елементів мурування вищої міцності в межах системи сприйняття горизонтальних навантажень. Слід зазначити, що для того, аби стіна функціонувала як зсувна стіна в кожному напрямку, її довжина повинна становити щонайменше 1,99 м.

 

Вплив сходових прорізів на роботу зсувних стін

 

Якщо прорізи розташовані поблизу сейсмостійких стін, ці стіни можуть зазнавати меншого вертикального навантаження. Таке зниження може призвести до значного зменшення їхнього опору зсуву. Конструктивно сприятливі та подвійно сприятливі конфігурації сходових прорізів представлені на рис. 5 нижче.

Рис. 5: Сприятливе та несприятливе розташування сходових прорізів у плані

 

 

Рекомендації щодо оптимізації плану

 

Несприятливе з погляду сейсмостійкості планування поверху представлене на рис. 6а. У поздовжньому напрямку будівлі передбачено лише одну довгу зсувну стіну (діафрагму жорсткості). Як наслідок, центр мас та центр жорсткості розташовані на значній відстані один від одного. Цей виражений ексцентриситет викликає суттєву крутильну реакцію під час сейсмічного впливу, тим самим збільшуючи навантаження на конструктивну систему.

 

Рис. 6: а) Несприятливий, та b) Оптимізований план

 

Для досягнення достатньої жорсткості на кручення необхідно передбачити зсувні стіни достатньої довжини та розташувати їх якомога далі від центра жорсткості. Крім того, стіни, що примикають до сходової клітки, зазнають позацентрового вертикального навантаження в обох головних напрямках, що знижує їхній ефективний опір зсуву та загальну ефективність конструкції. До знехтуваних принципів проєктування належать:

• Відсутність двох довгих стін в обох головних напрямках будівлі;

• Асиметричне розташування стін у плані;

• Позацентрове навантаження сейсмостійких стін вертикальними силами.

 

Покращене планування поверху тієї самої будівлі представлене на рис. 6b; воно демонструє значно кращу сейсмічну поведінку порівняно з попередньою конфігурацією. Проте розташування стін усе ще не повністю відповідає всім вимогам сейсмостійкого проєктування.

 

В обох головних напрямках будівлі передбачено по дві довгі зсувні стіни, що сприяє підвищенню загальної стійкості. Менше з тим, стіни розташовані асиметрично в плані. У результаті центр мас та центр жорсткості (центр зсуву) не збігаються, що призводить до виникнення крутильних ефектів та підвищення навантаження на конструкцію під час сейсмічного впливу.

 

Подальшого покращення сейсмічних характеристик можна досягти шляхом зведення сходового ядра в залізобетонному виконанні.

 

Висновок

 

Правильно спроєктоване планування будівлі, виконане з дотриманням принципів сейсмостійкого проєктування, може значно зменшити крутильні ефекти, покращити розподіл сейсмічних сил і підвищити загальну надійність конструктивної системи. Ці фактори є особливо важливими в сейсмонебезпечних регіонах, перш за все для мурованих будівель, де крихкі механізми руйнування можуть суттєво впливати на поведінку конструкцій.

 

Загалом, сейсмічно ефективне планування будівлі характеризується компактною та симетричною геометрією, збалансованим розподілом маси й жорсткості, безперервністю зсувних стін (діафрагм жорсткості) та узгодженою передачею вертикальних навантажень. Такі характеристики сприяють рівномірнішій реакції конструкції та покращенню розсіювання енергії під час сейсмічних подій. З цієї причини впорядкованість плану слід розглядати як фундаментальний аспект сейсмостійкого проєктування, а не лише як архітектурне питання. Прискіплива увага до геометрії та розташування конструктивних елементів на ранніх стадіях проєктування може допомогти зменшити невпорядкованості та покращити загальну сейсмічну поведінку будівлі.

 

 

 

Література

 

 

1. British Standard. (2005). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings (EN 1998-1).

2. Işık, E., Avcil, F., Büyüksaraç, A., İzol, R., Arslan, M. H., Aksoylu, C., ... & Ulutaş, H. (2023). Structural damages in masonry buildings in Adıyaman during the Kahramanmaraş (Türkiye) earthquakes (M_w 7.7 and M_w 7.6) on 06 February 2023. Engineering Failure Analysis, 151, 107405. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107405

3. Ugurlu, K., Halici, O. F., Demir, C., Comert, M., & Ilki, A. (2026). Seismic behaviour and design of reinforced autoclaved aerated concrete load-bearing panel walls. Journal of Earthquake Engineering, 1–35. https://doi.org/10.1080/13632469.2026.XXXXXX

4. Schwarz, J., & Grünthal, G. (2005). Bauten in deutschen Erdbebengebieten – zur Einführung der DIN 4149: 2005. Bautechnik, 82(8), 486–499.

5. Harirchian, E., & Isik, E. (2023, June). Lessons learned from the recent earthquake in Türkiye: Factors affecting building’s vulnerability and damage. In 4th International Symposium on Engineering Applications for Civil Engineering and Earth Sciences (IEACES 2023), Karabük University, Karabük, Turkey (pp. 44–53).

6. Federal Emergency Management Agency (FEMA). (2015). Rapid Visual Screening of Buildings for Potential Seismic Hazards: A Handbook (3rd ed., FEMA P-154). Department of Homeland Security: Washington, DC, USA.

 

 

Джерело: AAC WORLDWIDE • 3.2026 P70-75