Болат құрылымды ғимараттардың жер сілкінісіне төзімді қандай ерекшеліктері бар?

Болаттан жасалған ғимараттардың пластиктігі мен сейсмикалық өнімділігі

Сейсмикалық аймақтардағы болат конструкциялардың пластиктігін түсіну

Болат құрылымдармен салынған ғимараттар болат сынбас бұрын көп бүгіле алатындықтан, жер сілкіністері кезінде әлдеқайда жақсы төтеп бере алады. Ал бетон, керісінше, дірілдеген кезде жарылып және сынады. Шынында да болат белгілі бір бағытта иілуі мен созылуы арқылы дірілдің энергиясын сіңіреді. Соңғы кезде Жан және оның әріптестері жүргізген зерттеу де қызықты нәтиже берді. Олар болат рамалардағы арқалықтар мен тіреулердің байланыстары қалыпты шектен тыс созылғаннан кейін де өздерінің 85 пайызын қабылдау қабілетін сақтайтынын анықтады. Бұл құрылымдарды жер сілкінісінің әртүрлі қозғалыстарын ұстап тұруға өте жарамды етеді.

Пластиктік жер сілкінісі кезінде қатты сынуды қалай болдырмақ

Болаттың қысым астында созылуы мен иілуі қабілеті оның негізінде жасалған ғимараттардың жер сілкінісінің энергиясын бірден құлатуға емес, нақты қозғалысқа түрлендіруіне көмектеседі. Мысалы, бір жыл бұрын жарияланған зерттеулерге сәйкес, Q690 болаты секілді жоғары беріктік материалдары соңында сынбас бұрын шамамен 22% дейін созыла алады. Бұл жердің күшті түрде дірілдеуі басталған кезде болаттың біз алдын ала болжай алатын тәсілдермен иілетінін білдіреді. Келесі әрекеттер де өте ақылды — болат рамалар иіліп, ғимараттың әр түрлі бөліктерінің арасындағы маңызды байланыс нүктелерінде ең көп шоғырланған кернеуді алыстайды. Дәл осы себепті пластикалық болатпен салынған ғимараттар жиі толық трагедияға ұшырамайды, ал серпімділігі төмен, сынғыш материалдарға қарағанда бірден сынады.

Пластиктікті пайдалану арқылы сейсмикалық әсерге негізделген жобалау

ASCE 7-22 секілді заманауи нормативтік құжаттар сейсмикалық әсерге негізделген жобалауға , мұнда инженерлер ғимараттың пластикалығын оның белгілі бір сейсмикалық қауіпіне сәйкес іріктейді. Негізгі параметрлерге мыналар жатады:

• Пластиктік коэффициенттері (жоғары қауіп аймақтары үшін µ ≥ 6) деформациялану қабілетін өлшеу үшін
• Артық беріктік коэффициенттері (Ω ≥ 3) қатайғаннан кейін қалдық беріктікті қамтамасыз ету
  Бұл тәсіл конвенционалды конструкциялармен салыстырғанда жер сілкінісінен кейінгі жөндеу шығындарын 40% азайтатыны көрсетілген (Fang және т.б., 2022).

Зерттеу мысалы: Жапонияның сейсмикалық жобалау нормаларындағы жоғары серпімділікті болат каркастар

Жапониядағы 2022 жылғы Ғимараттардың Стандарттық Нормалары заңы жер сілкінісі жиі болатын аймақтардағы көпқабатты ғимараттар үшін SN490B болатын қолдануды талап етеді. Бұл нақты болаттың серпімділік шегі шамамен 325 МПа-ға тең және созылу беріктігі 490 МПа-ға дейін жетеді. 2011 жылы болған үлкен Тōхоку жер сілкінісінен кейін инженерлер бұл ерекше маркалы болатпен жасалған ғимараттардың қарапайым құрылыс материалдарымен салыстырғанда қызықты нәрсе байқады. Олар дірілдеу оқиғаларынан кейін бұл құрылымдарда қалдық ауытқу шамамен 30 пайызға аз болатынын тапты. Бұл неге болады? Шынында да, жапон архитекторлар гибридті эластик каркастар деп аталатын нәрсені әзірлеп шықты. Бұл жүйелер ғимарат құрылымының бойынша моментке төзімді қосылыстар мен иілуі шектеулі сырықтарды біріктіреді. Барлығының қалай жұмыс істейтінінің нақты сипаттамалары шынында да JIS G 3136:2022 стандартының құжатында егжей-тегжейлі сипатталған.

Болаттан жасалған ғимараттардағы Моментке Төзімді және Арқаланбаған Каркас Жүйелері

Болат құрылымды ғимараттарды жобалаудағы иілу кедергісінің негізгі принциптері

Болаттан жасалған ғимараттар жиі жер сілкінісіне қарсы негізгі қорғаныш ретінде иілу кедергісін туғызатын рамаларға немесе MRF-ге сүйенеді. Бұл жүйе тіреулер мен тіректердің арасындағы берік байланыстар арқасында жұмыс істейді, олар ғимаратқа бүйірлік күштер әсер еткенде сынбай, майысуға мүмкіндік береді. Жер сілкінісі болған кезде осы дәнекерленген қосылыстар ғимараттың жалпы биіктігінің шамамен 4 пайызы шегінде тербеліске ұшырауына мүмкіндік береді және барлығын тұрақты ұстайды. Бұл бақыланатын қозғалыс құрылымның нақты зақымдануына немесе одан да жаман — толық құлауына әкелер алдында, діріл энергиясының көп бөлігін сіңіруге көмектеседі.

Қатаң қосылыстар және жанама сейсмикалық жүктемелер астындағы бақыланатын серпімділік

MRF-тің жақсы жұмыс істеуінің себебі олардың қаттылығы мен икемділігінің дәл қажетті тепе-теңдігін қамтамасыз етуі. Құрылыс туралы мәліметтерге назар аударсақ, толық проникновениелі пайдаланылатын пісірулер мен жоғары беріктік болттар күнделікті пайдалану кезінде қатты бекіп тұратын, бірақ өте күшті жағдайларда бақыланатын түрде босап кететін қосылыстарды құрайды. Калифорния Құрылымдық инженерлер ассоциациясының 2023 жылы жүргізген соңғы симуляцияларға сәйкес, осындай жүйеге ие ғимараттар ірі оқиғалар кезінде қарапайым темірбетон каркастарға қарағанда 25-тен 40 пайызға дейін аз тартылу шыңдарын бастан өткереді. Уақыт өте құрылымдық бүтіндік үшін осындай өнімділік айырмашылығы үлкен маңызға ие.

Бүгілуге шектеу қойылған арматуралар (BRB) және арматуралық рамаларда энергияны шашырату

BRB-лар көтерілген рамаларды энергияны шашырату үшін болаттан жасалған негізгі бөлікті бүгеулерді болдырмау үшін темірбетондан жасалған қаптамамен біріктіру арқылы жақсартады. 2011 жылғы Тōхоку жер сілкінісі кезінде дәстүрлі тіреулері бар ғимараттармен салыстырғанда BRB-мен жабдықталған ғимараттарда қалдық ауытқу 60% кем болды. Олардың стандартталған, ауыстырылатын негізгі бөліктері соққыдан кейінгі жөндеуді жеңілдетеді және құнын төмендетіп, беріктікті арттырады.

Пластикалық жауап үшін эксцентрлі тіреуі бар рамалардың (EBF) дизайнының артықшылықтары

Эксцентрлі тіреуі бар рамалар (EBF) тіреулерді орталықтан тыс орналастырып, жер сілкінісі кезінде пластикалық деформацияға ұшырайтын белгілі 'сақтандырғыш' аймақтарын жасайды, бұл маңызды құрылымдық бұрандаларды қорғайды. Қолданбалы технологиялар кеңесінің (2023) мәліметтері бойынша, орташа жер сілкіністерден кейін EBF жүйелері MRF тексерілмеген конструкциялармен салыстырғанда жөндеу құнын 30–50% төмендетеді, сонымен қатар зақымдануды бақылау мен экономикалық пайда тұрғысынан артықшылық береді.

Зерттеу жағдайы: Тайбэй 101-де BRB-ны енгізу

Тайбэй 101-дің таңдаулы мұнарасы 508 метр биіктікте тұрғызылған және оның дизайнында өзіндік ерекшелігі бар. Бұл ғимараттың сегіз қабатына шаққанда орналасқан, бүгеуішке төтеп бермейтін арқалықтар деп аталатын 16 арнайы көмекші жүйелері бар. Олардың негізгі мақсаты күшті тайфун желдеріне қарсы тұру және жер сілкіністерінен қорғау болып табылады. Бұл күшейтілген конструкциялар орнатылғаннан кейін жүргізілген сынақтар қатты әсер қалдырды. Желдің әсерінен пайда болатын қозғалыс шамамен 35% азайды, ал ішіндегі адамдарға жететін жер сілкінісі энергиясы 50%-ға жуық төмендеді. 2022 жылғы Тайвань Жер Сілкінісі Инженериясы Зерттеу Орталығының зерттеулері бойынша, бұл BRB жүйелері экстремалды ауа-райы оқиғалары кезінде өте биік болатын болаттан жасалған ғимараттардың тұрақтылығын айтарлықтай арттыратынын дәлелдейді.

Энергияны жұту және зақымданудан қорғау технологиялары

Сыңарлық демпферлер, жаншылу панельді демпферлер және болаттан жасалған ғимараттардағы құрылымдық сақтандырғыштар

Қазіргі кезде болат конструкциялар жоғары пластикалық болат материалдардан жасалған саңылаулы демпферлер, жаншылу панельдері мен құрылымдық сақтандырғыштар сияқты күрделі энергия шығыны технологияларын қамтиды. Бұл компоненттердің құндылығы олардың бақыланатын түрде аққынша, жер сілкінісінің энергиясын сіңіру қабілетінде, бұл ғимараттың негізгі салмақ тасымалдайтын бөліктерін қорғауға көмектеседі. Зерттеулер дұрыс жобаланған жүйелердің жер сілкінісі кезінде пайда болатын күштің шамамен 70 пайызын құрылымдық компоненттерге әсер етпеден бұрын өзіне алатынын көрсетеді. Осындай өнімділік көптеген инженерлерді қауіпсіздік шекараларын максималдандыру қажет болатын маңызды инфрақұрылымдық жобалар үшін осы шешімдерді қабылдауға итермеледі.

Ауыстырылатын сақтандырғыштар және жер сілкінісінен кейінгі жөндеу тиімділігі

Құрылымдық сақтандырғыштар зақымдануды алдын ала жобаланған, оңай ауыстырылатын компоненттерге шоғырландырады, бұл қалпына келтіруді едәуір жылдамдатады. Соңғы уақытта Калифорнияда жүргізілген қайта жабдықтау жобаларында ауыстырылатын сақтандырғыштары бар ғимараттарды қайта ашу мерзімі 58% қысқартылды. Модульдік конструкциялар зақымдалған блоктарды сағат ішінде ауыстыруға мүмкіндік береді, бұл тоқтап қалу мен жөндеу күрделілігін азайтады.

Болат құрылымдардағы қалдық ығысуды азайтатын өзін-өзі орталандыру жүйелері

Өзін-өзі орталандыру жүйелері позициялық кернеуі бар болат кабельдерді және SMAs деп аталатын арнайы пішін есте сақтау құймаларын біріктіру арқылы жұмыс істейді. Мұндай орнатулар жер сілкінісінен кейін ғимараттарды алғашқы орнына қайта орналасуына көмектеседі. 2023 жылы Невада университеті жариялаған зерттеулерге сәйкес, сілкініс тоқтағаннан кейін мұндай жүйелер ғимараттардың 0,5 пайыздан аса ығысуын болдырмауға көмектеседі, яғни лифттер тиісті түрде жұмыс істей береді және ғимараттың сыртқы қабырғалары зақымданбай сақталады. Бұл ненің арқасында мүмкін болады? Осы болат кабельдерге енгізілген кернеу мен температура өзгерген кезде SMAs-тің пішіні қалай өзгеретіні құрылымдар үшін әлдеқайда функционалды болуын, қайталанатын дірілдерге қарамастан уақыт өте келе құрылымдарға тән қайта орнату батырмасын жасайды.

Мәліметтерге көз жүгіртсек: қоспаларды қолдану арқылы жер сілкінісінен кейінгі деформацияны 40% азайту (NIST, 2022)

Ұлттық стандарттар институты жүргізген сынақтар нәтижесінде қорғау элементтері бар болат каркастар дәстүрлі конструкциялармен салыстырғанда тұрақты деформациясы шамамен 40 пайызға аз болатыны анықталды. Осының себебі неде? Мұндай жүйелер құрылымның барлық бөлігіне таралатын орнына зақымдануды белгілі ауыстырылатын бөлшектерге шоғырландырады, сондықтан негізгі рама үлкен кернеуден кейін де серпімді күйде қалады. Зерттеушілер лабораториялық жағдайларда 7,0 шамасындағы жерсілкініс кезінде не болатынын модельдегенде, осы ғимараттарға стандартты модельдермен салыстырғанда шамамен үштен екіге кемірек жөндеу жұмыстары қажет болатынын байқады. Мұндай айырмашылық оларды ұзақ мерзімді тұрғыдан көбірек берік етеді және келешекте қызмет көрсетуге кететін шығындарды үнемдейді.

Қазіргі заманғы болат құрылымдардағы табан изоляциясы мен ақылды материалдар

Болат ғимараттарда сейсмикалық бөлу үшін табан изоляциясы жүйелері

Негізгі изоляциялық жүйелер сейсмикалық толқындардың әсерінен ғимараттың жоғарғы бөлігін бөліп тұрады. Бұл жүйелер, 2023 жылғы Жер сілкінісі инженериясы зерттеу институтының зерттеулеріне сәйкес, жер сілкінісінің шамамен 80 пайызын жұтатын резеңке немесе сырғанау плиталарынан тұрады. Нақты мысалдарға назар аудару осының маңызын түсінуге көмектеседі. Ғалымдар дірілге бейім аймақтарда орналасқан өндірістік ғимараттарды зерттегенде қызықты нәрсе байқады. Мұндай изоляциялық жүйелермен жабдықталған ғимараттар қорғаныссыз ғимараттармен салыстырғанда құрылымына келтірілген зиянды шамамен 68% аз көрсетті. Бұл жер сілкінісі болғаннан кейін қауіпсіздік пен жөндеу шығындары үшін үлкен айырмашылық жасайды.

Сейсмикаға төзімді болат конструкциялардағы пішін есте сақтайтын қорытпалар (NiTi SMA)

Жиі кездесетін никель-титан құймаларын, жиі NiTi SMA деп аталатын, жер сілкінісі кезінде деформацияланғаннан кейін болат бөлшектердің бастапқы пішініне қайта оралуына мүмкіндік береді. Бұл материалдар 6%-ға дейін созылған кезде тіпті 94% пішін қалпына келтіруді қамтамасыз ете алады. Инженерлер бұл ақылды материалдарды колонналар мен арқалықтардың біріктіру орындарына енгізумен айналысады, олар ғимараттарды мықты ұстап тұруға және дірілдерден кейінгі ұзақ уақытқа созылатын зақымдануды минималдандыруға көмектеседі. Жер сілкінісі аймақтары үшін көптеген жоғарғы деңгейлі ғимарат нормалары дірілге бейім аймақтарда СМА күшейтпелерін қолдануды ұсынады, бұл құрылыс саласындағы ақылды материалдар спецификацияларының соңғы жаңартуларына сәйкес қазір стандарттық практикаға айналып келеді.

Сенсорлардың және бейімделуші демпферлеу технологияларының интеграциясы

Жетілдірілген болаттан жасалған ғимараттардың тербеліс сезгіштері жартылай белсенді демпферлермен жұпталып, нақты уақытта қаттылығын реттейді. Бұл жүйелер сейсмикалық қозғалысқа 0,2 секунд ішінде жауап беріп, энергияны шашыратуды тиімді пайдаланады. Машиналық оқыту алгоритмдері сезгіштердің деректерін талдау арқылы кернеу концентрацияларын болжайды және ұзақтайтын дірілдеу кезеңдері кезінде жүктемелерді алдын ала қайта таратады, сонымен қатар жалпы төзімділікті арттырады.

Жиі қойылатын сұрақтар

1. Пластиктік деген не және ол жер сілкінісі кезінде болат конструкциялар үшін неге маңызды?
Пластиктік — материалдың сынбай-ақ елеулі деформацияға ұшырау қабілетін білдіреді. Болаттан жасалған құрылымдарда пластиктік жер сілкінісі кезінде иілу мен созылуға мүмкіндік береді, бұл энергияны шашыратады және сынғыш сынуды болдырмауға көмектеседі.

2. Жақтықтықты ұстау рамалары (MRF) сейсмикалық оқиғалар кезінде болаттан жасалған ғимараттарға қандай пайда әкеледі?
MRF жабындар мен бағандар арасында мықты байланыс орнатады, жер сілкінісі кезінде бақыланатын иілу пайда болуына мүмкіндік береді. Бұл серпімділік жиі тербеліс энергиясын жұтады және ғимараттың құрылымдық тұтастығын сақтай отырып, зақымдануды азайтады.

3. Жиектелуі шектеулі арматуралар (BRB) дегеніміз не және олар құрылыста қандай рөл атқарады?
BRB болаттан жасалған негізгі бөліктен және жиектелуді болдырмау үшін бетон қаптамасынан тұрады. Олар рамалық конструкцияларда энергияны шашыратуға көмектеседі, жер сілкінісі кезінде қалдық ығысуын азайтады және табиғи апаттардан кейінгі жөндеу жұмыстарын жеңілдетеді.

4. Негізгі изоляциялық жүйелер жер сілкінісі жиі болатын аймақтарда қалай көмектеседі?
Негізгі изоляциялық жүйелер резеңке немесе сырғанау қабаттарын қолдана отырып, ғимарат құрылымын сейсмикалық әрекеттерден бөледі. Олар жер сілкінісінің үлкен энергиясын жұтады және құрылымға мүмкін болатын зақымдануды азайтады.