Какви земетръсноустойчиви характеристики имат сградите със стоманена конструкция?

Дуктилност и сейсмична производителност на сгради със стоманена конструкция

Разбиране на дуктилността на стоманените конструкции в сейсмичните зони

Сградите, изградени със стоманени конструкции, обикновено по-добре издържат земетресенията, защото стоманата може значително да се огъва преди да се счупи. Бетонът от друга страна просто се напуква и руши при тресене. Стоманата всъщност абсорбира енергията от трусовете чрез контролирани огъвания и разтягане. Наскорошно проучване на Чанг и колеги показа още нещо интересно. Учениците установиха, че връзките между гредите и колоните в стоманени рамки запазват около 85 процента от носещата си способност, дори след като са били разтеглени над нормалните граници. Това прави тези конструкции наистина добри в понасянето на различни видове движение, причинено от земетресения.

Как дуктилността предотвратява крехко разрушаване по време на земетресения

Способността на стоманата да се разтегля и огъва под налягане помага на постройките от нея да преобразуват земнотресната енергия в реално движение, вместо просто да се срутят наведнъж. Вземете за пример стоманата Q690 – проучване, публикувано миналата година, показа, че тези високопрочни материали могат да се разтегнат приблизително с 22%, преди окончателно да се скъсат. Това означава, че когато земята започне силно да трепери, стоманата се огъва по начини, които всъщност можем да предвидим. Следващото, което се случва, също е доста умно – стоманените рамки се деформират еластично и прехвърлят напрежението далеч от най-критичните точки, а именно възлите на свързване между различните части на сградата. Затова при гъвкава стомана не се наблюдават пълни катастрофи толкова често, в сравнение с по-твърди материали, които се чупят рязко, вместо постепенно да отстъпват.

Проектиране, базирано на поведение при земетресения, използващо дуктилност

Съвременните норми като ASCE 7-22 наблягат проектиране, базирано на поведение при земетресения , при което инженерите адаптират дуктилността на сградата според конкретния ѝ риск от земетресения. Основни параметри включват:

• Коефициенти на дуктилност (µ ≥ 6 за зони с висок риск) за измерване на способността за деформация
• Коефициенти на надпрочност (Ω ≥ 3), осигуряващи остатъчна якост след достигане на границата на пластичност
  Този подход е показал намаляване на разходите за ремонт след земетресения с 40% в сравнение с конвенционални проекти (Fang et al., 2022).

Студия на случай: Високодуктилни стоманени рамки в сейсмичните проекти за Япония

Законът за строителните стандарти от 2022 г. в Япония изисква използването на стомана SN490B за високи сгради, разположени в земетръсно активни райони. Тази конкретна стомана има граница на оцеляване около 325 MPa и достига до 490 MPa по отношение на якостта на опън. След мощното земетресение в Тохоку през 2011 г. инженерите забелязаха нещо интересно относно сградите, изградени с този специален клас стомана, в сравнение с обикновените строителни материали. Установиха, че тези конструкции имат приблизително 30 процента по-малко остатъчно отклонение след тресения. Защо се случва това? Ами японските архитекти са разработили това, което те наричат хибридни дуктилни рамки. Тези системи комбинират елементи, предпазени от изкручване, заедно с възли, устойчиви на огъващи моменти, разпределени по цялата сградна конструкция. Детайлите за това как всичко това работи заедно всъщност са описани подробно в стандартния документ JIS G 3136:2022.

Системи с рамки, устойчиви на огъващи моменти, и подпорени рамкови системи в стоманени сгради

Принципи на рамките, устойчиви на огъващи моменти, при проектирането на стоманени сградни конструкции

Стоманените сгради често разчитат на рамки, устойчиви на огъващи моменти (MRF), като основна защита срещу земетресения. Системата работи благодарение на тези здрави връзки между гредите и колоните, които позволяват на конструкцията да се огъва, вместо да се счупи, когато е изложена на странични сили. Когато настъпи земетресение, тези заварени възли позволяват на сградата да се полюшва в рамките на около 4 процента от общата ѝ височина, като по този начин запазва цялостната ѝ устойчивост. Това контролирано движение помага да се абсорбира голяма част от енергията на тресене, преди тя да причини истинска повреда или още по-лошо — пълен колапс на конструкцията.

Ригидни връзки и контролируема гъвкавост при странични сеизмични натоварвания

Това, което прави МРФ толкова ефективни, е точното съчетание между достатъчна твърдост и гъвкавост. Когато разгледаме конструктивните детайли, пълнопроникващите заварки в комбинация с високопрочните болтове образуват връзки, които остават доста здрави при нормална употреба, но при сериозни натоварвания се разрушават по контролиран начин. Според някои скорошни симулации, извършени от Асоциацията на структурни инженери на Калифорния през 2023 година, сградите с такива системи изпитват с 25 до 40 процента по-малки върхове на напрежението в сравнение с обикновените бетонни рамки по време на големи събития. Такава разлика в производителността има голямо значение за структурната цялостност в дългосрочен план.

Ограничаващи огъването крепежни скоби (BRBs) и разсейване на енергията в подпорени рамки

BRBs подобряват укрепените конструкции, като комбинират стоманено ядро за разсейване на енергия с бетонна обвивка, която предотвратява изкълчване. По време на земетресението в Тōхоку през 2011 г. сградите с BRB имаха с 60% по-малко остатъчно отклонение в сравнение с тези с традиционни укрепления. Стандартизираните, сменяеми ядра също улесняват ремонтните дейности след инцидент, което подобрява икономическата ефективност и устойчивостта.

Проектни предимства на ексцентрично укрепените рамки (EBF) за пластичен отговор

Ексцентрично укрепените рамки (EBF) разполагат укрепленията извън центъра, за да създадат определени зони „предпазител“, които претърпяват пластична деформация по време на сеизмична активност, като по този начин защитават критични структурни възли. Според Съвета по приложни технологии (2023), системите EBF намаляват ремонтните разходи с 30–50% след умерени земетресения в сравнение с проекти само с MRF, предлагайки по-добър контрол на щетите и икономически ползи.

Случай: Внедряване на BRB в Тайпей 101

Емблематичната кула Тайпей 101 е висока 508 метра и притежава нещо доста уникално в своя дизайн. Сградата всъщност има 16 специални подпорни системи, наречени стабилизирани от огъване щипки, разположени на осем различни етажа. Те са поставени точно за да помагат при устойчивост към силни тайфунни ветрове, както и за защита от земетресения. След като бяха добавени тези усилвания, тестовете показаха впечатляващи резултати. Движението, причинено от вятъра, намаляло с около 35%, докато количеството енергия от земетресение, достигаща до хората вътре, намаляло почти наполовина – с 50%. Това доказва колко добри са тези BRB системи в осигуряването на по-голяма устойчивост на много високи стоманени сгради по време на екстремни атмосферни явления, според изследване на Центъра за изследване на земетресенията в Тайван през 2022 г.

Технологии за разсейване на енергия и предпазване от повреди

Прорезни амортизатори, амортизатори с листови панели и структурни предпазители в стоманени сгради

Стоманените конструкции днес често включват сложни технологии за разсейване на енергия, включително например амортисьори с процепи, носещи панели и структурни предпазители, изработени от високодуктилни стоманени материали. Ценността на тези компоненти се крие в тяхната способност да абсорбират сеизмична енергия чрез контролируемо течение, което помага да се предпазят основните носещи елементи на сградата. Проучвания показват, че правилно проектирани системи могат да поемат около 70 процента от силите, възникнали по време на земетресение, преди те да достигнат до важни конструктивни елементи. Този вид ефективност е довел до широко прилагане на такива решения от инженери при проекти за критична инфраструктура, където изискванията за безопасност трябва да бъдат максимизирани.

Сменяеми предпазители и ефективност при ремонт след земетресение

Структурните предпазители локализират повредите върху предварително проектирани, леснозаменяеми компоненти, което значително ускорява възстановяването. При последните проекти за модернизация в Калифорния сградите, оборудвани със заменяеми предпазители, съкратиха времето за повторно отваряне с 58%. Модулните конструкции позволяват повредените елементи да бъдат сменени за часове, като по този начин се минимизира простоюването и сложността на ремонта.

Самоцентриращи системи, намаляващи остатъчното отклонение в стоманени конструкции

Самоцентриращите системи работят чрез комбиниране на постнапрегнати стоманени кабели със специални сплави с памет на формата, които наричаме SMAs. Тези конфигурации помагат на сградите да се върнат в първоначалното си положение след земетресение. Според изследване, публикувано от Университета в Невада през 2023 г., такива системи предотвратяват отклонението на сградите с повече от половин процент след приключване на тресенето, което означава, че асансьорите продължават да функционират правилно, а фасадите на сградите остават непокътнати и без щети. Какво прави това възможно? Напрежението в стоманените кабели, както и промяната във формата на SMAs при загряване или охлаждане, създават вид вграден бутон за нулиране на конструкцията, като по този начин я правят значително по-функционална в дългосрочен план, въпреки повтарящи се трусове.

Анализ на данни: 40% намаление на деформациите след земетресение чрез употреба на предпазители (NIST, 2022)

Тестове, проведени от Националния институт по стандарти и технологии, установиха, че стоманените конструкции с предпазители претърпяват около 40 процента по-малко постоянна деформация в сравнение с традиционните проекти. Причината? Тези системи концентрират пластичното огъване в определени заменими части, вместо да разпространяват щетите по цялата конструкция, така че основният каркас остава еластичен дори след значителни натоварвания. Когато изследователи имитираха какво се случва по време на земетресение с магнитуд 7,0 при лабораторни условия, те откриха нещо доста впечатляващо – тези сгради изисквали приблизително две трети по-малко ремонтни работи в сравнение със стандартните модели. Такава разлика ги прави значително по-издръжливи на дълга срока и спестява средства за поддръжка в бъдеще.

Базово изолиране и умни материали в съвременните стоманени конструкции

Системи за базово изолиране за сейсмично декуплиране в стоманени сгради

Системите за базово изолиране работят, като отделят горната част на сграда от трептенето, предизвикано от земетресения. Тези системи обикновено използват слоеве от гума или плъзгащи се плочи, които могат да абсорбират около 80 процента от енергията на земетресението според проучване на Института по инженерно земетръсене от 2023 година. Разглеждането на реални примери помага да се постави това в перспектива. Когато изследователи анализирали индустриални сгради в райони, склонни към земетресения, те установили нещо интересно. Сградите, оборудвани с тези изолационни системи, показвали приблизително 68% по-малко щети по конструкцията в сравнение с обикновените сгради без такава защита. Това прави голяма разлика по отношение на безопасността и разходите за ремонт след удар на земетресение.

Сплави с памет на формата (NiTi SMA) в проектирането на сейсмично устойчиви стоманени конструкции

Сплавите от никел-титан с памет на формата, обикновено известни като NiTi SMA, позволяват на стоманени части да се възстановяват до първоначалната си форма след деформация по време на земетресения. Тези материали могат да постигнат около 94% възстановяване на формата, дори когато са разтегнати до 6%. Инженерите започнаха да включват тези умни материали във връзки между греди и колони, където помагат на сградите да остават устойчиви, като в същото време минимизират трайните щети от трусове. Много от водещите строителни норми за зони със сеизмична активност вече препоръчват използването на армирования с SMA в райони, склонни към трептене, което според последните актуализации на спецификациите за умни материали в строителната индустрия става стандартна практика.

Интеграция на сензори и адаптивни технологии за гасене на вибрации

Напреднали стоманени сгради използват вибрационни сензори, комбинирани с полуактивни амортизатори, които регулират твърдостта в реално време. Тези системи реагират на сейсмични движения за по-малко от 0,2 секунди, като оптимизират разсейването на енергията. Алгоритми за машинно обучение анализират данните от сензорите, за да предвиждат концентрации на напрежение и активно преразпределят натоварванията по време на продължителни тресения, което подобрява общата устойчивост.

ЧЗВ

1. Какво е ковкост и защо е важна при стоманени конструкции по време на земетресения?
Ковкостта е способността на даден материал да претърпи значителна деформация преди разрушаване. При стоманените конструкции ковкостта позволява огъване и разтягане по време на земетресение, което разсейва енергия и предотвратява крехко разрушаване.

2. Какви ползи осигуряват моментноустойчивите рамки (MRFs) за стоманените сгради по време на сейсмични събития?
MRFs осигуряват здрави връзки между греди и колони, което позволява контролирано огъване по време на земетресения. Тази гъвкавост абсорбира енергията от трусовете и намалява щетите, като запазва структурната цялостност на сградите.

3. Какво са ограничителите на изкълване (BRBs) и каква е тяхната роля в строителството?
BRBs се състоят от стоманено ядро и бетонно покритие, които предотвратяват изкълването. Те допринасят за разсейване на енергията в укрепените рамки, намалявайки остатъчното отместване по време на земетресения и опростявайки ремонта след инцидент.

4. Как помагат системите за базово изолиране в зони със сеизмична активност?
Системите за базово изолиране отделят сградната конструкция от сеизмичните дейности чрез използване на гумен или плъзгащ се слой. Те абсорбират значителна енергия при земетресение, намалявайки потенциалните щети за конструкцията.