אילו תכונות עמידות לרעידת אדמה יש לבניינים מבנייה פלדתית?

DUCTILITY וביצועים סיסמיים של בניינים מבנייה פלדתית

הבנת ה-DUCTILITY של מבנים פלדיים באזורים סיסמיים

בניינים הבנויים ממבנים פלדיים נוטים להחזיק טוב בהרבה במהלך רעידות אדמה, מכיוון שפלדה יכולה להתחבר במידה רבה לפני שהיא נשברת. בטון, לעומת זאת, פשוט מת cracking ומשתבר כשנערער. הפלדה למעשה סופגת את אנרגיית העיור על ידי כפיפה ומתיחה בצורה מבוקרת. מחקר שנערך לאחרונה על ידי ז'אנג ועמיתיו הראה גם משהו מעניין. הם גילו שהקשרים בין הקורות והעמודים בקונסטרוקציות פלדיניות שומרים על כ-85 אחוז מכושר הנשיאה שלהם גם לאחר שנמתחו מעבר לגבולות הנורמליים. זה הופך את המבנים האלה לאיכותיים במיוחד בניסיון להתמודד עם כל סוגי התנועה שגרמו לרעידות אדמה.

איך דUCTILITY מונעת כשל פריך במהלך רעידות אדמה

היכולת של פלדה להימתח ולהתעקל תחת לחץ עוזרת לבניינים שעשויים ממנה להמיר את אנרגיית רעידת האדמה לתנועה ממשית, במקום לקרוס בבת אחת. קחו לדוגמה פלדה מסוג Q690 – מחקר שפורסם בשנה שעברה הראה שחומרים בעלי חוזק גבוה אלו יכולים להימתח בערך ב-22% לפני שהם נשברים סופית. כלומר, כשالأדמה מתחילה runעת חזק, הפלדה מתעקלת בצורה שאפשר לחזות אותה באמת. מה שקורה לאחר מכן הוא גם כן חכם למדי – מסגרות הפלדה יתעלו ויתנו את המאמצים מהנקודות החשובות ביותר, כלומר נקודות החיבור החיוניות בין חלקים שונים של הבניין. בגלל זה אנחנו לא רואים אסונות מלאים כל כך הרבה עם פלדה דוקtile לעומת חומרים קשיחים יותר שנשברים במקום להיפתח בהדרגה.

עיצוב סיסמי מבוסס ביצועים בעזרת דוקטיליות

תקנים מודרניים כגון ASCE 7-22 מדגישים עיצוב סיסמי מבוסס ביצועים , כאשר מהנדסים מותאמים את הדוקטיליות של בניין לסיכון הסיסמי הספציפי שלו. פרמטרים מרכזיים כוללים:

• יחסים של דוקטיליות (µ ≥ 6 לאזורי סיכון גבוה) למדידת יכולת היציבות
• גורמים של עוצמה מוגברת (Ω ≥ 3) מבטיחים חוזק שארית לאחר התרחשות ייבול
  התפיסה הזו הוכחה כמפחיתה את עלות התיקונים לאחר רעידות אדמה ב-40% בהשוואה לעיצובים קונבנציונליים (Fang ושות', 2022).

מקרה לדוגמה: מסגרות פלדה בעלות דUCTILITY גבוהה בתקנות העיצוב האסismic של יפן

חוק תקני הבנייה של יפן משנת 2022 מחייב את השימוש בפלדה מסוג SN490B בבניינים גבוהים הנמצאים באזורים הסובלים מגלי אדמה. לפלדה זו עוצמת תשישות של כ-325 MPa, ועוצמת המשיכה שלה מגיעה עד 490 MPa. לאחר רעידת האדמה הגדולה בטוהוקו בשנת 2011, מהנדסים שמו לב למציאות מעניינת לגבי מבנים שבُנו עם דרגת פלדה מיוחדת זו בהשוואה לחומרי בנייה רגילים. התברר שלמבנים אלו הייתה נזילה שיורית נמוכה בכ-30 אחוז לאחר אירועים של רעידת אדמה. למה קורה זאת? ובכן, אדריכלים יפניים פיתחו מה שנקרא מסגרות דוקtiles היברידיות. מערכות אלו משלבות מחזורי כפיפה מוגבלים יחד עם חיבורים בעלי עמידות מומנט לאורך מבנה הבניין. הפרטים המדויקים של אופן פעולת המערכת מפורטים בתיעוד הסטנדרט JIS G 3136:2022.

מערכות מסגרות עמידות במומנט ומסגרות מתוחמות בבנייני פלדה

עקרונות של מסגרות מומנט-מתנגדים בעיצוב מבנים מפלדה

מבנים מפלדה לעתים קרובות תלויים במסגרות מתנגדות למומנט, או MRFs, כהגנה העיקרית נגד רעידות אדמה. המערכת פועלת הודות לחיבורים החזקים בין קרשים לעמודים שמאפשרים למבנה להתחבר במקום להתנתק כשנכנסים כוחות צידיים. כאשר פוגעת רעידה, המפרקים המחוברים מאפשרים לבניין להיטלטל בתוך גבולות של כ-4 אחוז מגובהו הכולל, תוך שמירה על כל הדברים עמידים. תנועה מבוקרת זו עוזרת לספוג חלק גדול מאנרגיית הרטט עוד לפני שהיא יכולה לגרום נזק אמיתי או חמור יותר, קריסה מלאה של המבנה.

חיבורים קשיחים וגמישות מבוקרת תחת עומסי רעידה צדדיים

מה שגורם למסגרות מתוחמות (MRFs) לעבוד כל כך טוב הוא האיזון הנכון בינן לבין קשיחות גמישות. כשאנחנו מסתכלים על פרטי הבנייה, חיבורים של ריתוך חדירה מלאה בשילוב עם הברגים בעלי חוזק גבוה יוצרים חיבורים שנשארים יציבים למדי בשימוש יום-יומי, אך ייכנפו באופן מבוקר כאשר המצב הופך לקיצוני. לפי סימולציות עדכניות שערך אגודת המהנדסים המבניים של קליפורניה בשנת 2023, מבנים עם מערכות מסוג זה חווים anywhere בין 25% ל-40% פחות שיאי מתח בהשוואה למסגרות בטון רגיל במהלך אירועים גדולים. ההבדל בביצועים הזה חשוב מאוד לשלמות המבנית לאורך זמן.

מוטות עמידות לעיוות (BRBs) וכיבוד אנרגיה במשדרגות תומכות

BRB משפרים מסגרות תומכות על ידי שילוב ליבת פלדה לאיבוד אנרגיה עם כיסוי מלא בקונקרט המונע עיוות. במהלך רעידת האדמה טוהוקו בשנת 2011, מבנים מצוידים ב-BRB סבלו מ-60% פחות היטל גוף שאריתי בהשוואה למבנים עם תמיכות מסורתיות. הליבות הסטנדרטיות והחליפות שלהם גם מקצרות את התיקונים לאחר האירוע, ומשפרות יעילות עלות ועמידות.

יתרונות עיצוב של מסגרות עם תמיכות אקסצנטריות (EBF) לתגובה דUCTILE

מסגרות עם תמיכות אקסצנטריות (EBFs) ממקמות את התמיכות מחוץ למרכז כדי ליצור אזורי "퓨וז" מוגדרים שנכנסים לעיוות פלסטי במהלך פעילות סייסמית, ובכך מגינים על צמתים מבניים קריטיים. לפי המועצה לטכנולוגיה יישומית (2023), מערכות EBF מורידות את עלות התיקונים ב-30–50% לאחר רעידות אדמה מתונות, בהשוואה לעיצובים המשתמשים רק ב-MRF, ומציעות שליטה טובה יותר בנזק ויתרונות כלכליים.

מקרה לדוגמה: יישום BRB בבניין טאיפעי 101

המגדל הסמלילי טאיפיי 101 מתנשא לגובה של 508 מטרים ומכיל אלמנט ייחודי בעיצובו. בבניין קיימות 16 מערכות תמיכה מיוחדות הנקראות חישוקי עמידה בפני כשל מרוכזים, המפוזרות על פני שמונה קומות שונות. מערכות אלו הותקנו במיוחד כדי לעמוד בפני רוחות טורנדו חזקות וכן להגן מפני רעידות אדמה. לאחר שהחזקים נוספו, בדיקות הראו תוצאות מרשים. התנועה שנגרמה מהרוח הצטמצמה בכ-35%, בעוד כמות האנרגיה מאירועי רעידת אדמה שהגיעה לאנשים בתוך הבניין ירדה כמעט בחצי, ב-50%. זה מוכיח עד כמה מערכות BRB טובות ביצירת יציבות רבה יותר לבניינים עיליים מפלדה במהלך אירועים קיצוניים, לפי מחקר של מרכז מחקר הנדסת רעידות האדמה בטיוואן משנת 2022.

טכנולוגיות פיזור אנרגיה והימנעות מנזק

מאווררי סדק, מאווררי לוח גזירה וחיבורים מבניים חד-פעמיים בבניינים מפלדה

מבנים פלדה כיום לעתים קרובות כוללים טכנולוגיות מתוחכמות של פיזור אנרגיה כולל דברים כמו דאמפרים סדק, לוחות חריץ, וביטולים מבניים שנבנו מחומרים פלדה גמישות גבוהה. מה שהופך את הרכיבים האלה כה יקרים הוא היכולת שלהם לספוג אנרגיה רעידת אדמה כאשר הם נופלים בצורה מבוקרת, מה שמסייע להגן על החלקים העיקריים של הבניין. מחקרים מראים שמערכות מעוצבות כראוי יכולות למעשה לשאוב כ-70 אחוזים מכוח הנצרך במהלך רעידות אדמה לפני שהכוחות האלה מגיעים לרכיבים חשובים של מבנה. ביצועים כאלה הובילו מהנדסים רבים לאמץ פתרונות אלה לפרויקטים תשתית קריטיים שבהם יש צורך להגדיל את שולי הבטיחות.

סיבים מחליפים ויעילות תיקון לאחר רעידת אדמה

퓨ז'ים מבניים ממוקדים נזק לרכיבים שתוכננו מראש וניתנים להחלפה קלה, מה שממהיר משמעותית את התאוששות. בפרויקטים אחרונים של שדרוג בקליפורניה, מבנים עם퓨ז'ים ניתנים להחלפה הפחיתו את זמני הפתיחה מחדש ב-58%. עיצוב מודולרי מאפשר החלפת יחידות פגועות תוך שעות, ובכך ממזער את הזמן ללא פעילות ואת מורכבות התיקון.

מערכות אוטומטיות המרכזות את עצמן, אשר מפחיתות סטייה שארית במבנים מפלדה

מערכות אוטומטיות למרכזיות פועלות על ידי שילוב של כבלים מפלדת מתיחה לאחר יסוד יחד עם סגסוגות מיוחדות של זיכרון צורה שאנו קוראים להן SMAs. הקונפיגורציות האלה עוזרות לבניינים לחזור למיקומם המקורי לאחר רעש. לפי מחקר שפורסם על ידי אוניברסיטת נבדה בשנת 2023, מערכות כאלה מונעות מהבניינים להסטות יותר מחצי אחוז לאחר שהרעש מפסיק, מה שאומר שהמעליות ממשיכות לתפקד כראוי והחיצוניות של הבניין נשארת שלמה ללא נזק. מה גורם לכך להיות אפשרי? המתח שבכבלים הפלדה בתוספת הדרך שבה ה-SMAs משנים צורה כאשר הם מחוממים או מוקפאים יוצר סוג של כפתור איפוס מובנה לבניינים, מה שעושה אותם תפקודיים בהרבה לאורך זמן למרות רעידות חוזרות.

תובנת נתונים: 40% הפחתה בעיוות לאחר רעידת אדמה באמצעות퓨וזים (NIST, 2022)

מבחנים שנערכו על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה מצאו שמסגרות פלדה שצוידו במפסקי זרם ספגו כ-40 אחוז פחות עיוות קבוע בהשוואה לעיצובים מסורתיים. הסיבה? מערכות אלו מרוכזות ביצירת צירים פלסטיים בחלקים מסוימים שניתנים להחלפה, במקום לפזר נזק בכל המבנה כולו, כך שהמסגרת העיקרית נשארת אלסטית גם לאחר לחצים כבדים. כשחוקרים סימולטו מה קורה במהלך רעש אדמה בגודל 7.0 בתנאי מעבדה, הם גילו גם משהו מרשים למדי – לבניינים אלו נדרשו בערך שני שליש פחות עבודות תיקון בהשוואה לדגמים סטנדרטיים. ההבדל הזה הופך אותם לבעלי עמידות גבוהה בהרבה לאורך זמן וחוסך בעלויות תחזוק בעתיד.

ניטור בסיס וחומרים חכמים בבניינים מפלדה מודרניים

מערכות ניטור בסיס לניפוח סייסמי בבנייני פלדה

מערכות בידוד בסיס עובדות על ידי הפרדת החלק העליון של בניין מהרעידות הנגרמות עקב רעידות אדמה. מערכות אלו משתמשות בדרך כלל בשכבות של גומי או לוחות מחליקים שיכולים לספוג כ-80 אחוז מאנרגיית רעידת האדמה, לפי מחקר של מכון המחקר להנדסת רעידות אדמה משנת 2023. התבוננות בדוגמאות מהעולם האמיתי עוזרת להבין את זה בהקשר. כאשר חוקרים בחנו מבנים תעשייתיים שנבנו באזורים הרגישים לרעידות, הם גילו משהו מעניין. מבנים שמומשו עם מערכות בידוד אלו סבלו בכ-68% פחות נזק מבנייה בהשוואה לבניינים רגילים ללא הגנה שכזו. זה מהווה הבדל משמעותי כשמדובר בבטיחות ובעלות התיקונים לאחר התרחשות רעידת אדמה.

Сплавי זכרון צורה (NiTi SMA) בעיצוב פלדה עמידה בפני רעידות אדמה

ספוגי זיכרון צורה מנייקל-טיטניום, הידועים גם בשם NiTi SMA, מאפשרים לחלקיה של פלדה להחזיר את צורתן המקורית לאחר עיוות במהלך רעידות אדמה. חומרים אלו יכולים להשיג שיחזור צורה של כ-94%, גם כאשר הם נמתחים עד 6%. מהנדסים החלו לשלב חומרים חכמים אלו בחיבורים בין קורות לעמודים, שם הם עוזרים לשמור על יציבות בניינים תוך מינימיזציה של נזק קבוע מאירועי רעידה. רבים מהתקנים הבנויים המובילים לאזורי רעידות אדמה ממליצים כיום על שימוש בחיזוקי SMA באזורים הנמצאים בסיכון לרעידות, דבר שהופך לנהל יומי לפי עדכונים אחרונים בדרישות חומרים חכמים בתעשיית הבנייה.

שילוב של חיישנים וטכנולוגיות הדämpה מתאימות

בניינים מתקדמים מפלדת משתמשים בחיישני רטט שמשולבים עם מאווררים חצי-פעילים המותאמים למצות בזמן אמת. מערכות אלו מגיבות לתנועה סיסמית תוך 0.2 שניות, ומביאות להפצה אופטימלית של אנרגיה. אלגוריתמי למידת מכונה מנתחים נתוני חיישנים כדי לחזות ריכוזי מתח ולפזר מחדש עומסים באופן פרואקטיבי במהלך רצפים ארוכים של רעידות, ובכך מחזקים את העמידות הכוללת.

שאלות נפוצות

1. מהי דוקתיות ולמה היא חשובה במבני פלדה במהלך רעידות אדמה?
דוקתיות מתייחסת ליכולת של חומר לסבול עיוות משמעותי לפני כשל. במבני פלדה, הדוקתיות מאפשרת כיפוף ומתיחה במהלך רעידה, מה שפוגע באנרגיה ומונע כשל שברירי.

2. כיצד מסגרות מתיחות מומנט (MRFs) משתפות בבנייני פלדה במהלך אירועים סיסמיים?
MRF מספקים חיבורים חזקים בין קורות ועמודים, מה שמאפשר כפיפה מבוקרת במהלך רעידות אדמה. גמישות זו מפזרת את אנרגיית הרטט ומפחיתה נזק, תוך שמירה על שלמות המבנה של בניינים.

3. מה הם תומכות עמידות לעיוות (BRBs) והתפקיד שלהן בבנייה?
BRBs מורכבים מליבה פלסטית וכיסוי בטון המונעים עיוות. הם תורמים לפיזור אנרגיה בפרמי תומכות, מפחיתים הסטה שנותרה לאחר רעידת אדמה, ומקלים על התיקונים לאחר האירוע.

4. כיצד מערכות בידוד בסיס תורמות באזורים הנמצאים בסיכון לרעידות אדמה?
מערכות בידוד בסיס מפרידות את מבנה הבניין מהפעילות הסיסמית באמצעות שכבות גומי או שחלות. הן סופגות אנרגיה רבה מרעידת האדמה, ובכך מפחיתות את הנזק האפשרי למבנה.