Які характеристики стійкості до землетрусів мають будівлі зі сталевого каркаса?

Пластичність та сейсмічна поведінка будівель зі сталевого каркаса

Розуміння пластичності сталевих конструкцій у сейсмічних зонах

Будівлі, збудовані зі сталевих конструкцій, краще витримують землетруси, оскільки сталь може значно вигинатися перед тим, як розірватися. Бетон, навпаки, просто тріскається і руйнується під час поштовхів. Сталь фактично поглинає енергію коливань, пружно деформуючись і розтягуючись у контрольованих межах. Нещодавнє дослідження Чжана та його колег показало ще один цікавий факт: з'єднання між балками та колонами в сталевих каркасах зберігають близько 85 відсотків своєї несучої здатності навіть після того, як їх розтягнули за межі нормальних лімітів. Це робить такі конструкції надзвичайно стійкими до різних видів руху, спричиненого землетрусами.

Як пластичність запобігає крихкому руйнуванню під час землетрусів

Здатність сталі розтягуватися та згинатися під тиском допомагає будівлям із неї перетворювати сейсмічну енергію на реальні рухи, замість того щоб просто раптово обвалитися. Візьмемо, наприклад, сталь Q690: дослідження, опубліковане минулого року, показало, що ці високоміцні матеріали можуть розтягуватися приблизно на 22%, перш ніж остаточно руйнуються. Це означає, що коли ґрунт починає сильно труситися, сталь згинається таким чином, який ми насправді можемо передбачити. Наступне теж досить розумно: сталеві каркаси гнуться й переміщують напруження від найважливіших місць — критичних точок з'єднання різних частин будівлі. Саме тому повних катастроф з в'язкою стальлю трапляється значно рідше, ніж із більш жорсткими матеріалами, які ламаються замість поступового деформування.

Проектування, орієнтоване на продуктивність, з використанням пластичності

Сучасні норми, такі як ASCE 7-22, наголошують проектування, орієнтоване на продуктивність, з урахуванням сейсмічного ризику , де інженери адаптують пластичність будівлі до конкретного сейсмічного ризику. Основні параметри включають:

• Коефіцієнти пластичності (µ ≥ 6 для зон підвищеного ризику) для вимірювання здатності до деформації
• Коефіцієнти надміцності (Ω ≥ 3), що забезпечує залишкову міцність після досягнення межі текучості
  Виявлено, що такий підхід дозволяє знизити витрати на ремонт після землетрусів на 40% порівняно з традиційними проектами (Fang et al., 2022).

Приклад дослідження: Стальні каркаси з високою пластичністю у сейсмічних нормах проектування Японії

Закон Японії про будівельні стандарти 2022 року передбачає використання сталі марки SN490B для висотних будівель, розташованих у сейсмічно небезпечних зонах. Ця сталь має межу текучості близько 325 МПа та досягає 490 МПа за межею міцності. Після масштабного землетрусу Тохоку у 2011 році інженери помітили цікавий факт щодо будівель, побудованих з цієї спеціальної марки сталі, у порівнянні зі звичайними будівельними матеріалами. Виявилося, що такі конструкції демонстрували приблизно на 30 відсотків менший залишковий дрейф після коливань. Чому це відбувається? Справа в тому, що японські архітектори розробили так звані гібридні пластичні каркаси. Ці системи поєднують стійкі до втрати стійкості стяжки разом із моментними з'єднаннями, розподіленими по всій будівельній конструкції. Деталі того, як усе це працює разом, детально описані в стандартному документі JIS G 3136:2022.

Системи моментного опору та зв'язкових рам у сталевих будівлях

Принципи рам зі стійкістю до моменту в проектуванні сталевих будівель

Сталеві будівлі часто залежать від рам зі стійкістю до моменту (MRF) як основного захисту від землетрусів. Ця система працює завдяки міцним з'єднанням між балками та колонами, що дозволяє конструкції гнутися замість руйнування під дією бічних сил. Коли відбувається землетрус, ці зварні з'єднання дозволяють будівлі хитатися в межах приблизно 4 відсотків її загальної висоти, зберігаючи стабільність усієї споруди. Такий контрольований рух допомагає поглинати значну частину енергії поштовхів, перш ніж вона зможе спричинити реальні пошкодження або, ще гірше, повне обвалення конструкції.

Жорсткі з'єднання та контрольована гнучкість під дією бічних сейсмічних навантажень

Те, що робить рами з жорстким каркасом (MRF) настільки ефективними, полягає в ідеальному поєднанні жорсткості та достатньої гнучкості. Якщо подивитися на конструктивні деталі, повні проварені зварні шви в поєднанні з високоміцними болтами утворюють з'єднання, які залишаються досить міцними під час звичайної експлуатації, але при надмірному навантаженні деформуються контрольованим чином. Згідно з недавніми моделюваннями, проведеними Асоціацією структурних інженерів Каліфорнії у 2023 році, будівлі з такими системами витримують на 25–40 % менші пікові напруження порівняно зі звичайними залізобетонними каркасами під час сильних подій. Така різниця в ефективності має велике значення для структурної цілісності в довгостроковій перспективі.

Стрижні з обмеженим випиранням (BRBs) та розсіювання енергії в зв'язаних каркасах

BRBs покращують роботу зв'язаних рам, поєднуючи сталеве ядро для розсіювання енергії з бетонними оболонками, що запобігають втраті стійкості. Під час землетрусу Тохоку 2011 року будівлі з BRB мали на 60% менший залишковий перекіс у порівнянні з тими, що мали традиційні зв'язки. Їхні стандартизовані, замінні ядра також спрощують ремонт після подій, підвищуючи економічну ефективність та стійкість.

Конструктивні переваги ексцентрично зв'язаних рам (EBF) для пластичної відповіді

Ексцентрично зв'язані рами (EBF) розташовують зв'язки збоку, щоб створити спеціальні зони «запобіжників», які зазнають пластичних деформацій під час сейсмічної дії, захищаючи критичні конструкційні вузли. Згідно з Радою прикладних технологій (2023), системи EBF скорочують витрати на ремонт на 30–50% після помірних землетрусів у порівнянні з конструкціями лише з MRF, забезпечуючи кращий контроль пошкоджень і економічні переваги.

Практичний приклад: Впровадження BRB у будівлі Тайпей 101

Відома вежа Тайпей 101 має висоту 508 метрів і має дещо унікальне у своєму дизайні. Будівля фактично має 16 спеціальних опорних систем, які називаються обмежувальними від згинання стояками, розташованими на восьми різних поверхах. Вони були встановлені спеціально для протидії сильним вітрам тайфунів, а також для захисту від поштовхів під час землетрусів. Після додавання цих підсилювальних елементів, випробування показали вражаючі результати. Рух, спричинений вітром, зменшився приблизно на 35%, тоді як кількість енергії землетрусу, що досягає людей всередині, знизилася майже на половину — на 50%. Це доводить, наскільки ефективні системи BRB у забезпеченні стабільності надвисоким сталевим будівлям під час екстремальних погодних явищ, згідно з дослідженням Центру досліджень сейсмостійкого будівництва Тайваню 2022 року.

Технології розсіювання енергії та запобігання пошкодженню

Щілинні демпфери, демпфери здвигових панелей та конструкційні запобіжники в сталевих будівлях

Сучасні сталеві конструкції часто включають складні технології розсіювання енергії, зокрема щілинні демпфери, зварні панелі та конструкційні запобіжники, виготовлені з високодуктильних сталевих матеріалів. Цінність цих компонентів полягає в їх здатності поглинати сейсмічну енергію шляхом контрольованого текучості, що допомагає захистити основні несучі елементи будівлі. Дослідження показують, що правильно спроектовані системи можуть приймати на себе близько 70 відсотків зусиль, що виникають під час землетрусів, перш ніж ці зусилля досягнуть важливих конструктивних елементів. Така ефективність змушує багатьох інженерів використовувати ці рішення в проектах критичної інфраструктури, де необхідно максимізувати запаси міцності.

Замінні запобіжники та ефективність ремонту після землетрусу

Конструкційні запобіжники локалізують пошкодження в наперед спроектованих, легко замінюваних компонентах, значно прискорюючи відновлення. У рамках останніх проектів модернізації в Каліфорнії будівлі, оснащені замінними запобіжниками, скоротили терміни повторного відкриття на 58%. Модульні конструкції дозволяють замінювати пошкоджені блоки протягом кількох годин, мінімізуючи простої та складність ремонту.

Системи самовирівнювання, що зменшують залишкове зміщення в стальних конструкціях

Самоцентрувальні системи працюють за рахунок поєднання попередньо напружених стальних тросів із спеціальними сплавами з пам'яттю форми, які ми називаємо SMA. Такі конструкції допомагають будівлям повернутися у вихідне положення після землетрусу. Згідно з дослідженням, опублікованим Університетом Невади у 2023 році, такі системи не дають будівлям зміщуватися більше ніж на піввідсотка після закінчення поштовхів, що означає, що ліфти продовжують нормально функціонувати, а зовнішні стіни будівлі залишаються цілими без пошкоджень. Що робить це можливим? Напруження, створене в стальних тросах, разом із здатністю сплавів SMA змінювати форму при нагріванні чи охолодженні, створює своєрідну вбудовану кнопку скидання для конструкцій, роблячи їх набагато функціональнішими з часом, незважаючи на повторювані поштовхи.

Аналітика даних: 40% зменшення деформації після землетрусу завдяки використанню запобіжників (NIST, 2022)

Дослідження, проведені Національним інститутом стандартів і технологій, показали, що сталеві каркаси, оснащені предохранителями, мають приблизно на 40 відсотків меншу залишкову деформацію порівняно з традиційними конструкціями. Чому? Ці системи концентрують пластичне шарнірування в окремих замінних елементах, а не поширюють пошкодження по всій конструкції, завдяки чому основний каркас залишається пружним навіть після значних навантажень. Коли дослідники моделювали в лабораторних умовах наслідки землетрусу магнітудою 7,0, вони також виявили досить вражаючий результат — цим будинкам потрібно було приблизно на дві третини менше ремонтних робіт у порівнянні зі стандартними моделями. Така різниця робить їх значно довговічнішими в довгостроковій перспективі та дозволяє економити на витратах з обслуговування.

Базова ізоляція та сучасні матеріали в сучасних сталевих конструкціях

Системи базової ізоляції для сейсмічного розділення в сталевих будівлях

Системи базового ізоляції працюють шляхом відокремлення верхньої частини будівлі від поштовхів, спричинених землетрусами. Ці системи, як правило, використовують шари гуми або ковзні плити, які можуть поглинати близько 80 відсотків енергії землетрусу, згідно з дослідженням Інституту досліджень сейсмостійкого будівництва ще за 2023 рік. Аналіз реальних прикладів допомагає краще зрозуміти це. Коли дослідники вивчали промислові будівлі, розташовані в районах, схильних до землетрусів, вони виявили цікавий факт. Будівлі, оснащені такими ізоляційними системами, мали приблизно на 68% менше пошкоджень конструкцій у порівнянні зі звичайними будівлями, що не мають такого захисту. Це створює велику різницю з точки зору безпеки та витрат на ремонт після удару землетрусу.

Сплави з пам'яттю форми (NiTi SMA) у проектуванні сталевих конструкцій, стійких до землетрусів

Сплави нікелю та титану з пам'яттю форми, які зазвичай відомі як NiTi SMA, дозволяють стальним деталям повертатися до своєї первісної форми після деформації під час землетрусів. Ці матеріали можуть забезпечувати приблизно 94% відновлення форми, навіть якщо їх розтягнути на 6%. Інженери почали впроваджувати ці розумні матеріали в вузли з'єднання балок і колон, де вони допомагають будівлям залишатися стійкими, мінімізуючи постійні пошкодження від поштовхів. Багато провідних будівельних норм для сейсмічних зон тепер рекомендують використовувати армування SMA в районах, схильних до поштовхів, що стає стандартною практикою згідно з останніми оновленнями специфікацій розумних матеріалів у будівельній галузі.

Інтеграція датчиків та адаптивних технологій демпфування

Сучасні сталеві будівлі використовують датчики вібрації, які працюють у поєднанні з напівактивними демпферами, що коригують жорсткість у реальному часі. Ці системи реагують на сейсмічний рух протягом 0,2 секунди, оптимізуючи розсіювання енергії. Алгоритми машинного навчання аналізують дані датчиків, щоб передбачити концентрації напружень і проактивно перерозподіляти навантаження під час тривалих серій поштовхів, підвищуючи загальну стійкість.

ЧаП

1. Що таке пластичність і чому вона важлива для сталевих конструкцій під час землетрусів?
Пластичність — це здатність матеріалу значно деформуватися перед руйнуванням. У сталевих конструкціях пластичність дозволяє вигинатися та розтягуватися під час землетрусу, що сприяє розсіюванню енергії і запобігає крихкому руйнуванню.

2. Яку перевагу дають рами з моментним опором (MRF) сталевим будівлям під час сейсмічних подій?
MRF забезпечують міцні з'єднання між балками та колонами, дозволяючи контрольоване згинання під час землетрусів. Ця гнучкість поглинає енергію поштовхів і зменшує пошкодження, зберігаючи цілісність будівельних конструкцій.

3. Що таке стрижні обмеження втрати стійкості (BRB) і яку роль вони відіграють у будівництві?
BRB складаються зі сталевого сердечника та бетонного корпусу, що запобігають втраті стійкості. Вони сприяють розсіюванню енергії в рамах зі зв'язками, зменшуючи залишкове переміщення під час землетрусів і спрощуючи ремонт після події.

4. Як системи базового ізолювання допомагають у сейсмічно небезпечних районах?
Системи базового ізолювання відокремлюють будівельну конструкцію від сейсмічної дії за допомогою гумових або ковзних шарів. Вони поглинають значну енергію землетрусу, зменшуючи потенційні пошкодження конструкції.