Какими сейсмостойкими характеристиками обладают здания со стальным каркасом?

Пластичность и сейсмическая устойчивость зданий со стальным каркасом

Понимание пластичности стальных конструкций в сейсмоопасных зонах

Здания, построенные с использованием стальных конструкций, как правило, лучше сохраняются во время землетрясений, поскольку сталь может значительно изгибаться перед разрушением. Бетон же, напротив, просто трескается и ломается при сотрясениях. Сталь фактически поглощает энергию колебаний за счёт контролируемого изгиба и растяжения. Недавнее исследование, проведённое Чжаном и его коллегами, также показало интересный результат. Они обнаружили, что соединения между балками и колоннами в стальных каркасах сохраняют около 85 процентов своей несущей способности даже после растяжения за пределы нормальных значений. Это делает такие конструкции особенно устойчивыми к различным перемещениям, вызванным землетрясениями.

Как пластичность предотвращает хрупкое разрушение во время землетрясений

Способность стали растягиваться и гнуться под давлением помогает зданиям из неё преобразовывать сейсмическую энергию в реальное движение, а не просто разрушаться одномоментно. Возьмём, к примеру, сталь Q690: исследование, опубликованное в прошлом году, показало, что эти высокопрочные материалы могут растягиваться примерно на 22 % перед окончательным разрушением. Это означает, что когда начинаются сильные колебания грунта, сталь деформируется предсказуемым образом. Далее происходит нечто довольно умное: стальные каркасы гнутся и перемещают напряжение от наиболее важных мест — узлов соединения различных частей здания. Именно поэтому при использовании пластичной стали мы сталкиваемся с полными катастрофами гораздо реже, чем при использовании более жёстких материалов, которые ломаются, а не постепенно деформируются.

Проектирование на основе характеристик с учётом пластичности

Современные нормы, такие как ASCE 7-22, делают акцент на проектировании на основе характеристик сейсмостойкости , при котором инженеры адаптируют пластичность здания к конкретному сейсмическому риску. Ключевые параметры включают:

• Коэффициенты пластичности (µ ≥ 6 для зон с высоким риском) для измерения способности к деформации
• Коэффициенты повышенной прочности (Ω ≥ 3), обеспечивающие остаточную прочность после достижения предела текучести
  Было показано, что такой подход позволяет снизить расходы на ремонт после землетрясений на 40 % по сравнению с традиционными проектными решениями (Fang et al., 2022).

Пример из практики: Стальные каркасы с высокой пластичностью в сейсмических строительных нормах Японии

В Японии Строительный кодекс 2022 года требует использования стали марки SN490B для высотных зданий, расположенных в сейсмически активных районах. У этой стали предел текучести составляет около 325 МПа, а предел прочности достигает 490 МПа. После масштабного землетрясения Тохоку в 2011 году инженеры заметили интересную особенность зданий, построенных с использованием этой специальной марки стали, по сравнению с обычными строительными материалами. Оказалось, что такие сооружения демонстрируют примерно на 30 процентов меньший остаточный перекос после сейсмических воздействий. Почему так происходит? Дело в том, что японские архитекторы разработали так называемые гибридные пластичные каркасы. Эти системы объединяют в себе распорки, устойчивые к потере устойчивости, и моментные соединения, рассеивающие нагрузку по всей конструкции здания. Подробные требования к тому, как все это работает вместе, изложены в стандарте JIS G 3136:2022.

Системы стальных каркасов с моментными и связевыми элементами

Принципы моментных рам в проектировании стальных конструкций зданий

Стальные здания зачастую зависят от моментных рам (MRF) как от основной защиты от землетрясений. Система работает благодаря прочным соединениям между балками и колоннами, которые позволяют конструкции изгибаться, а не разрушаться под действием боковых нагрузок. Когда происходит землетрясение, эти сварные соединения позволяют зданию раскачиваться в пределах около 4 процентов от его общей высоты, сохраняя при этом устойчивость. Такое контролируемое движение помогает поглотить значительную часть энергии колебаний до того, как она сможет нанести реальный ущерб или, что еще хуже, привести к полному обрушению конструкции.

Жесткие соединения и контролируемая гибкость под действием боковых сейсмических нагрузок

То, что делает МРК столь эффективными, заключается в их способности найти оптимальное сочетание жесткости и гибкости. Если рассмотреть детали конструкции, то полнопроникающие сварные швы в сочетании с высокопрочными болтами образуют соединения, которые остаются достаточно прочными при обычной эксплуатации, но при экстремальных нагрузках разрушаются контролируемым образом. Согласно недавним моделированиям, проведённым Ассоциацией инженеров-строителей Калифорнии в 2023 году, здания с такими системами испытывают на пике нагрузки на 25–40 процентов меньше напряжений по сравнению с обычными железобетонными каркасами во время серьёзных воздействий. Такая разница в показателях имеет большое значение для долгосрочной устойчивости конструкций.

Стойки, ограничивающие потери устойчивости (BRB), и рассеивание энергии в раскосных системах

BRBs улучшают раскрепленные рамы, сочетая стальной сердечник для рассеивания энергии с бетонным кожухом, предотвращающим выпучивание. Во время землетрясения Тохоку в 2011 году здания с BRB имели на 60% меньший остаточный перекос по сравнению с зданиями, оснащенными традиционными распорками. Их стандартизированные заменяемые сердечники также упрощают ремонт после аварий, повышая экономическую эффективность и устойчивость.

Конструктивные преимущества эксцентрично раскрепленных рам (EBF) для пластичного отклика

Эксцентрично раскрепленные рамы (EBF) размещают распорки со смещением от центра, создавая специально предназначенные зоны «предохранителей», которые подвергаются пластической деформации во время сейсмической активности, защищая при этом критически важные узлы конструкции. Согласно Совету по прикладным технологиям (2023), системы EBF снижают расходы на ремонт на 30–50% после умеренных землетрясений по сравнению с конструкциями только на основе MRF, обеспечивая превосходный контроль повреждений и экономические выгоды.

Пример из практики: внедрение BRB в здании Тайбэй 101

Знаменитая башня Тайбэй 101 имеет высоту 508 метров и обладает довольно уникальной особенностью в своём дизайне. В здании фактически установлено 16 специальных опорных систем, называемых анкерными распорками с устойчивостью к продольному изгибу, которые расположены на восьми различных этажах. Они были специально разработаны для защиты от сильных ветров тайфунов, а также для предохранения от воздействия землетрясений. После установки этих укреплений испытания показали впечатляющие результаты. Движение здания от ветра сократилось примерно на 35 %, в то время как количество энергии землетрясения, достигающей людей внутри, снизилось почти вдвое — на 50 %. Как показало исследование Центра исследований инженерии землетрясений Тайваня в 2022 году, это доказывает, насколько эффективны системы BRB в обеспечении устойчивости очень высоких стальных зданий во время экстремальных погодных явлений.

Технологии рассеивания энергии и предотвращения повреждений

Щелевые демпферы, демпферы сдвига с панелью и структурные предохранители в стальных зданиях

Современные стальные конструкции зачастую включают сложные технологии рассеивания энергии, такие как щелевые демпферы, сдвиговые панели и структурные предохранители, изготовленные из высокопластичных стальных материалов. Ценность этих компонентов заключается в их способности поглощать сейсмическую энергию при контролируемом текучем состоянии, что помогает защитить основные несущие элементы здания. Исследования показывают, что правильно спроектированные системы могут принимать на себя около 70 процентов силы, возникающей во время землетрясений, прежде чем эти нагрузки достигнут важных структурных элементов. Такая эффективность привела к тому, что многие инженеры начали применять эти решения в проектах критически важной инфраструктуры, где необходимо максимизировать запасы прочности.

Заменяемые предохранители и эффективность ремонта после землетрясения

Конструкционные предохранители локализуют повреждения в заранее спроектированных, легко заменяемых компонентах, значительно ускоряя восстановление. В недавних проектах модернизации в Калифорнии здания, оснащённые заменяемыми предохранителями, сократили сроки повторного открытия на 58 %. Модульные конструкции позволяют заменять повреждённые элементы в течение нескольких часов, минимизируя простои и сложность ремонта.

Системы самовыравнивания, снижающие остаточный сдвиг в стальных конструкциях

Самоцентрирующие системы работают за счёт сочетания предварительно напряжённых стальных тросов и специальных сплавов с памятью формы, которые мы называем SMAs. Такие конструкции позволяют зданиям возвращаться в исходное положение после землетрясения. Согласно исследованию, опубликованному Университетом Невады в 2023 году, такие системы не дают зданиям отклоняться более чем на полпроцента после окончания колебаний, что означает нормальную работу лифтов и сохранность внешних конструкций без повреждений. Что делает это возможным? Натяжение в стальных тросах в сочетании со способностью SMAs изменять форму при нагреве или охлаждении создаёт своего рода встроенную кнопку сброса для строений, обеспечивая их значительно большую функциональность с течением времени, несмотря на повторяющиеся толчки.

Аналитические данные: снижение деформации после землетрясения на 40% за счёт использования предохранителей (NIST, 2022)

Исследования, проведенные Национальным институтом стандартов и технологий, показали, что стальные каркасы, оснащенные предохранителями, демонстрируют примерно на 40 процентов меньшую остаточную деформацию по сравнению с традиционными конструкциями. Почему? Эти системы концентрируют пластическое шарнирообразование в определенных заменяемых элементах, а не распространяют повреждения по всей конструкции, поэтому основной каркас остается упругим даже после значительных нагрузок. Когда исследователи моделировали воздействие землетрясения магнитудой 7,0 в лабораторных условиях, они обнаружили нечто впечатляющее — этим зданиям требовался ремонт примерно на две трети меньший по сравнению со стандартными моделями. Такое различие делает их значительно более долговечными в долгосрочной перспективе и позволяет сэкономить на расходах по обслуживанию в будущем.

Базовое изолирование и интеллектуальные материалы в современных стальных конструкциях

Системы базового изолирования для сейсмического разделения в стальных зданиях

Системы базисной изоляции работают за счёт отделения верхней части здания от колебаний, вызванных землетрясениями. Как показывают исследования Института исследований сейсмостойкости (Earthquake Engineering Research Institute) 2023 года, такие системы обычно используют слои резины или скользящие пластины, способные поглощать около 80 процентов энергии землетрясения. Рассмотрение реальных примеров помогает лучше понять их эффективность. Исследуя промышленные здания, расположенные в районах, подверженных землетрясениям, учёные обнаружили интересный факт: здания, оснащённые системами изоляции, имели примерно на 68 % меньше повреждений конструкций по сравнению с обычными зданиями без такой защиты. Это существенно влияет на безопасность и расходы на ремонт после землетрясения.

Сплавы с памятью формы (NiTi SMA) в проектировании сейсмостойкой стальной конструкции

Сплавы с памятью формы на основе никеля и титана, commonly known as NiTi SMA, позволяют стальным деталям возвращаться к исходной форме после деформации во время землетрясений. Эти материалы могут восстанавливать около 94% своей формы, даже если были растянуты до 6%. Инженеры начали внедрять эти умные материалы в узлы соединения балок и колонн, где они помогают зданиям оставаться устойчивыми, минимизируя остаточные повреждения от толчков. Многие из ведущих строительных норм для сейсмоопасных зон теперь рекомендуют использовать армирование из СМА в районах, подверженных колебаниям, что становится стандартной практикой согласно последним обновлениям спецификаций умных материалов в строительной отрасли.

Интеграция датчиков и адаптивных технологий демпфирования

В современных стальных зданиях используются датчики вибрации в сочетании с полупассивными демпферами, которые в реальном времени регулируют жесткость. Эти системы реагируют на сейсмические колебания в течение 0,2 секунды, оптимизируя рассеивание энергии. Алгоритмы машинного обучения анализируют данные датчиков для прогнозирования концентраций напряжений и проактивного перераспределения нагрузок во время продолжительных серий толчков, повышая общую устойчивость.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое пластичность и почему она важна для стальных конструкций во время землетрясений?
Пластичность — это способность материала претерпевать значительные деформации перед разрушением. В стальных конструкциях пластичность позволяет изгибаться и растягиваться во время землетрясения, что способствует рассеиванию энергии и предотвращает хрупкое разрушение.

2. Какие преимущества дают рамы с моментным сопротивлением (MRF) для стальных зданий при сейсмических воздействиях?
MRF обеспечивают прочные соединения между балками и колоннами, позволяя контролируемое изгибание во время землетрясений. Эта гибкость поглощает энергию колебаний и снижает повреждения, сохраняя целостность конструкции зданий.

3. Что такое стойки с подавлением потери устойчивости (BRB) и какова их роль в строительстве?
BRB состоят из стального сердечника и бетонного кожуха, которые предотвращают выпучивание. Они способствуют рассеиванию энергии в раскосных системах, уменьшая остаточные смещения при землетрясениях и упрощая ремонт после аварий.

4. Как системы базового изолирования помогают в районах, подверженных землетрясениям?
Системы базового изолирования отделяют конструкцию здания от сейсмической активности за счёт использования резиновых или скользящих слоёв. Они поглощают значительную энергию землетрясения, уменьшая потенциальный ущерб конструкции.