Болат ғимараттардың үлкен сейсмикалық төзімділігі: Қауіпсіздікті қамтамасыз ету

Сейсмикалық күштерді және болаттың жанама жүктемелерге қарсы тұрудағы рөлін түсіну

Сейсмикалық күштер құрылымдық беріктікке қалай қауіп төндіреді

Жер сілкінісі болған кезде, ғимараттардың горизонталь бағытта алға-артқа тербелеуіне әкелетін күшті жанама күштер туындайды. Бұл қозғалыс биік иілулерге төзімсіз заттарды, мысалы, темір-бетонды трескеудің алдын ала әлсіз нүктелерін үнемі шайқалу толқындары әсер етеді. Мысалы, 2011 жылғы Крайстчерчтегі үлкен жер сілкінісін алып қарастырайық. Жер беті 1,8 естественный гравитациялық күштен аса шайқалып, серпімділігі жеткіліксіз құрылымдардағы құрылыстардың айқын кемшіліктерін ашты. Бұл жерде болат ерекше орын алады, себебі ол қысым астында сынбай, майысады. Оның серпімділігі тербеліс энергиясының біразын жұтып, құрылымның бойына бірқалыпты таралуына мүмкіндік береді және барлығының бір уақытта істен шығуын болдырмауға көмектеседі.

Неліктен болаттан жасалған ғимараттар жанама орын ауыстырудың әсеріне жақсы төзеді

Болат жер сілкінісі болуы мүмкін аймақтарда кернеу әсерінен сынғанда шайқалуы арқасында ерекше көзге түседі, сонымен қатар массасына қарай қатты беріктік иеленеді. Тұтас құрылымды темір-бетон оңай иілмейді. Арнайы иілу моменттеріне төзімді қосылыстарды сынақтан өткізген кезде болат каркастар бүлінуіне дейін шамамен 10% созылатыны анықталды. Бұл болаттан жасалған ғимараттардың жер сілкінісінің энергиясын темір-бетон ғимараттарға қарағанда жақсырақ жұтуы дегенді білдіреді. Сонымен қатар болат темір-бетонға қарағанда жеңіл болғандықтан, онымен жасалған ғимараттар жер сілкінісі кезінде инерциялық күштерді шамамен 40% аз ұстайды. Бұл нақты жер сілкінісі кезінде құрылымның бойымен таралатын кернеудің деңгейіне үлкен әсер етеді.

Зерттеу жағдайы: 2011 жылғы Крайстчерч жер сілкінісі кезіндегі болат каркасты ғимараттардың өнімділігі

Соқырдан кейінгі жағдайды қарастырғаннан кейін Крайстчерчтегі болаттан жасалған құрылыстар темірбетоннан жасалғандарға қарағанда әлдеқайда жақсырақ өте алды. Есеп берулерге сәйкес, осындай болат құрылымдарда шамамен 60 пайызға аз зақымдану байқалды. Болаттан жасалған ғимараттар негіздер ликвация әсерінен қатты ығысқан кезде де тіпті өз бітін ретінде қалды. Бұл негізінен жүктемелерді ғимарат бойымен дұрыс таратып отыратын арнайы дәнекерленген бұйымдар арқасында болды. Ал темірбетоннан жасалған ғимараттардың шамамен төрттен бір бөлігі дірілдеу кезінде бағандардың құлауынан кейін қирауға тиіс болды. Бұл жер сілкінісіне төзімді құрылыс салуда болат құрылыстың неге ерекше тұратынын көрсетеді.

Болат құрылымдардағы жанама күшке қарсы жүйелер (LFRS): Арқалықты рамалар мен моментті рамалар

Болат құрылыстар арнайы жанама күшке қарсы жүйелер (LFRS) жер сілкінісі мен жел күштерін басқару үшін. Бұл жүйелер сәулелер, тіреулер және арқалықтар арқылы жанама жүктемелерді бағыттай отырып, тұрақтылық пен пайдаланылуын сақтай отырып, құрылымдық негізді құрайды.

Жер сілкінісіне қарсы жобалаудағы LFRS және оның маңызына шолу

ASCE 7 және AISC 341 стандарттарының соңғы жер сілкінісіне қарсы нормалары бүгінде жанама күштерге қарсы тұратын жүйелердің адамдар кішігірім дүмілістер кезінде ыңғайсыз сезінбейтіндей қаттылықты сақтау және үлкен жер сілкіністері кезінде ғимараттардың тұруын қамтамасыз ететін жеткілікті серпімділікке ие болу арасындағы ұсақ-түйек тепе-теңдікті сақтауды талап етеді. Инженерлер бұл мәселеге шешім ретінде жиі арқалықты рамалар немесе моментке төзімді рамаларды таңдайды. Көптеген құрылымдық инженерлердің тәжірибесіне сүйенсек, бір жүйені екіншісінің орнына таңдау ғимараттың жер сілкінісін қаншалықты жақсы сіңіре алатынына және дауылдан кейін қаншалықты қымбатқа түсетін жөндеу жұмыстары қажет болатынына тікелей әсер етеді.

Арқалықты рамалар: Концентрлі (CBFs) және эксцентрикалық (EBFs) жүйелер

• Концентрлік көтергіш рамалар (CBF): X немесе V пішінді диагоналды элементтер төменгі құнымен жоғары қаттылық қамтамасыз етеді, сондықтан қоймалар мен төменгі қабатты болаттан жасалған ғимараттар үшін идеалды нұсқа болып табылады.
• Эксцентрикалық көтергіш рамалар (EBF): Линк элементтерінде пластикалық деформацияны жинақтау үшін арнайы ығыстырылған қосылыстар қолданылады, бұл CBF-ге қарағанда сейсмикалық энергияны 30% артық жұтады (FEMA P-58). Олардың жақсартылған өнімділігі оларды ауруханалар мен орташа биіктіктегі маңызды құрылымдар үшін қолайлы етеді.

Иілу кедергісі бар рамалар (MRF): Қатты қосылыстар және иілу қасиеттері

Иілу кедергісі бар рамалар латералды күштерге иілу әрекеті арқылы кедергі көрсету үшін қатты балка-бағана біріктірулерін — дәнекерленген немесе болтталған — қолданады, диагоналды көтергіштердің қажетін болдырмайды. Бұл конструкция көпқабатты коммерциялық ғимараттар үшін қажетті ашық қабат жоспарларын қолдайды, бірақ AISC 2023 жылғы құн мәліметтері бойынша әдетте көтергіш жүйелерге қарағанда 15–20% артық болатты талап етеді.

Салыстырмалы талдау: Көпқабатты болаттан жасалған ғимараттардағы қаттылық, серпімділік және қолданылуы

Әртүрлі қаттылық қажет болатын көп мақсатты болаттан жасалған ғимараттарда эксцентриситетті крест тіреулер мен моменттік рамалардың гибридті жүйелері бірте-бірте кеңейіп отыр.

Болаттан жасалған ғимараттардың сейсмикалық негізгі қағидалары: пластикалық деформация, артықшылық және серпінділік

Сынуға қарсы пластикалық деформация

Болаттың кернеу кезінде пластикалық деформациялану қабілеті жер сілкінісі кезінде ғимараттардың толығымен құлауын болдырмақшы. Қазіргі болат қоспалары ASCE стандарттарына сәйкес ыдырау алдында шамамен 25 пайыздық деформация энергиясын қабылдай алады, яғни олар сәулелерде, тіректерде және қосылу нүктелері сияқты өзекті аймақтарда сынбайды, иіледі. Мұндай икемділік AISC 341 басшылығында көрсетілген арнайы моменттік рамалардың негізін құрайды. Негізінде, бұл жер сілкінісі кезінде ғимараттың жер сілкінісі күштерінің қозғалуын өзгертуіне және реттеуіне мүмкіндік береді, бұл бүкіл құрылымның сейсмикалық оқиғалар кезінде әлдеқайда қауіпсіз болуын қамтамасыз етеді.

Жер сілкінісі кезінде қауіпсіздікті арттыру үшін құрылымдық артықшылық

Ғимараттың бір бөлігі істен шыққан кезде, резервтік жүктеме бағыттарын іске қосу арқылы артықшылық әсер етеді. Болат ғимараттар бұл қорғанысты бірнеше жағдайдан алады. Олар жиі екі түрлі жанама жүйелерді бір мезгілде қолданады, мысалы рамаларға арналған жабдықтарды моменттік рамалармен араластырады. Екінші реттік құрылымдық элементтер де қажетінен гөрі берік болып жасалады, бұл қосымша қауіпсіздік шекарасын қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, құрылым бойынша таралуды тоқтататын сыйымдылық негізіндегі тәсілдер де бар. 2023 жылы FEMA жариялаған зерттеулерге сәйкес, мұндай артықшылықтары бар ғимараттар Рихтер шкаласы бойынша 7 немесе одан жоғары өлшенген жер сілкіністерінен кейін қорғанысы жоқ ғимараттармен салыстырғанда қалдық ығысуы жағынан шамамен үштен екісіндей аз болды.

Төзімділіктегі жаңалықтар: Өзін-өзі орталандыру жүйелері мен энергияны шашырату технологиялары

Келесі ұрпақ жүйелері алдыңғы қатарлы инженерлік шешімдер арқылы жер сілкінісінен кейінгі функционалдылықты арттырады:

Нақты уақыттағы құрылымдық денсаулықты бақылаумен интеграцияланған кезде бұл технологиялар қалпына келуді жақсартады. 2022 жылғы NEHRP нұсқаулықтары қазіргі заманғы сейсмикалық каркастарға энергияны шашырату құрылғыларын енгізетін гибридті жүйелерді маңызды инфрақұрылымдар үшін ұсынады.

Оптималды сейсмикалық өнімділік үшін Маңызды Байланыс Дизайны және Жүктеме Траекториясының Үздіксіздігі

Болаттан жасалған ғимараттардағы сейсмикалық төзімділік жоғары дәлдіктегі байланыстарға байланысты, олар сенімді жүктеме берілуін қамтамасыз етеді және бақыланатын деформацияға мүмкіндік береді. 2024 жылғы Құрылымдық Байланыстар Хабарламасына сәйкес, оптимизацияланған байланыстары бар ғимараттар стандартты детальдары бар ғимараттарға қарағанда 7,0 немесе одан жоғары шамадағы жерсілкіністер кезінде 40% аз зақымданған.

Қажу Кезіндегі Құрылымдық Бүтіндікті Сақтаудағы Байланыстардың Рөлі

Қосылыстар құрылымдық жүктемелер кезінде энергияның тасымалдаушысы ретінде әрекет етеді, бүйірлік күштерді таралған кернеуге айналдырады. AISC 341 стандарты осындай бұйымдардың 4% радиан айналу өткеннен кейін беріктігінің 90% сақталуын талап етеді — бұл 30 футтық арқалықта 12 дюймдік бүйірлік орын ауыстыруға эквивалентті, сонымен қатаң жағдайларда жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.

Дәнекерленген және бұрандалы қосылыстар: Сейсмикалық жағдайлардағы өнімділік

Соңғы зерттеулер көпқабатты болаттан жасалған ғимараттарда құймалы қосылыстардың (желілік пластиналарды дәнекерлеп, фланец қосылыстарын бұрандалау) бұзылуын 63% азайтатынын көрсетті, беріктік пен икемділікке теңдестірілген тәсіл ұсынады.

Шатырдан негізге дейінгі жүктеменің үздіксіз берілуін қамтамасыз ету

Тиімді сейсмикалық өнімділік шатыр диафрагмаларынан фундаменттің тірегіне дейінгі түсірілген жүктеме жолының үздіксіздігін талап етеді. Көбінесе ретрофиттік жобалардың (85%) сенімділігі екіншілік көлденең бекітулерді орнату немесе бар түйіндерді нығайту арқылы артады. Негізгі мәселе циклдік жүктеме кезінде диафрагманың бекітпелерінен бастап орынға орнатылатын пластиналарға дейінгі әрбір құрылымдық элементтің беріктігін сақтауда.

Болаттан жасалған ғимараттарды жобалаудағы сейсмикалық стандарттар мен болашақтағы бағыттар

AISC 341, ASCE 7 және IBC Сейсмикалық кодексімен сәйкестік

Қазіргі уақытта болаттан жасалған ғимараттар AISC 341, ASCE 7 және 2024 жылғы халықаралық ғимараттық нормалар сияқты қатаң ережелерге сәйкес жобаланады. Бұл ережелердің барлығы құрылыстардың жер сілкінісіне төзімді болуына көмектеседі. IBC-ге енгізілген соңғы өзгерістер қоймалардағы сейсмикалық күштерді 30% дейін азайтуға мүмкіндік беретін жаңа сақтау сөредерін жобалау әдістерін енгізді. Нормалар қазір құрылымның барлық бөлігінде материалдардың нақты түрін, қосылыстардың орындалуын және тіршілік жолының үздіксіздігін көрсетеді. Бұл талаптар кенеттен пайда болған жоқ. Олар 1994 жылы Солтүстік Риджде болған үлкен жер сілкінісі кезінде көптеген ғимараттардың қирауынан алынған сабақтар негізінде қалыптасты.

Өнімділікке негізделген сейсмикалық жобалау нысандарына өту

Инженерлер әртүрлі жер сілкінісі сценарийлерінде күтілетін құрылымдық мінез-құлықты сандық анықтайтын нәтижеге бағытталған құрылымдауға қарай нормативтік кодекс талаптарынан шығып келеді. Күрделі симуляциялық құралдарды пайдалана отырып, дизайнерлер пластикалық оқшаулануды және дубликацияны оптимизациялайды, сонымен қатар асыра құрылымдаудан аулақ болады. Бұл өзгеріс жер сілкінісінен кейінгі бизнес үзілулердің 68%-ы түзетуі мүмкін болмайтын құрылымдық зақымданумен байланысты болғандықтан маңызды (FEMA 2022).

Болашақ көзқарас: Болат ғимараттардағы ақылды материалдар мен нақты уақытта құрылымды бақылау

Желілер мен көміртегі талшықтарымен күшейтілген болат бағандар сияқты жаңа материалдар ғимараттардың жер сілкінісіне қалай төтеп беретінін өзгертуде. Engineering Structures журналының өткен жылғы зерттеуі бойынша, мұндай өздігінен орталанатын болат каркастар дәстүрлі құрылыс әдістерімен салыстырғанда жер сілкінісінен кейінгі қалдық қозғалысты шамамен үштен бір бөлігіне дейін азайтады. Сонымен қатар, соңғы кездегі жаңарту жобаларының шамамен 40 пайызы интернет арқылы қосылатын ақылды деформациялық датчиктерді енгізе бастады. Бұл құрылғылар ғимарат конструкциясының бүкіл байланыстарын үнемі тексеріп отырады. Мұндай ерте ескерту жүйесі 2024 жылы NIST ұсынған бағалаулар бойынша әр жыл сайын 740 миллион доллар шығынды үнемдеуге мүмкіндік береді. Бұл сандар құрылымдық инженерияның қай жаққа қарай дамып бара жатқаны туралы маңызды нәрсе айтады.

Жиі қойылатын сұрақтар

Сейсмикалық күштер дегеніміз не?

Сейсмикалық күштер — жер сілкінісі кезінде пайда болатын және ғимараттарды горизонтальды түрде тербелеуіне әкеліп соғатын, қиылу кернеуін туғызатын көлденең күштер.

Жер сілкінісі жиі болатын аймақтарда неге болат құрылыста үстемдік иеленеді?

Болат кернеу кезінде сынбай, иіледі, сондықтан жер сілкінісінің энергиясын тиімді жұтады және ғимараттарға зиян келтіруді азайтады.

Жанама күштерге қарсы тұратын жүйелер (LFRS) дегеніміз не?

Жанама күштерге қарсы тұратын жүйелер — бұл сейсмикалық оқиғалар кезінде ғимараттардың тұрақтылығын сақтау үшін жанама жүктемелерді бағыттайтын арқалықтар, тіреулер және бекітпелер сияқты құрылымдық элементтер.

Көлденең рамалар мен иілуі қатты рамалар қалай өзгешелеу?

Көлденең рамалар қаттылық үшін диагональдарды пайдаланса, иілуі қатты рамалар иілу әрекеті үшін қатты бекітулерді пайдаланады, ашық қабат жоспарларын қолдайды және жиі болаттың көбірек қажет етеді.

Құрылымдық резервтеу дегеніміз не?

Құрылымдық резервтеу — бұл сейсмикалық оқиғалар кезінде кең таралған бұзылуларды болдырмау үшін артық жүктеме жолдары мен қажеттен гөрі берік элементтерді қамтиды.

Болат ғимараттардағы жер сілкінісіне төзімділікті жақсарту үшін қандай инновациялар қолданылады?

Инновацияларға үйкелістік демпферлер, пішінін есте сақтайтын құймалы құймалар және энергияны жұту мен төзімділікті жақсарту үшін ауыстырылатын болат «сақтандырғыштар» жатады.