Высокая сейсмостойкость стальных зданий: обеспечение безопасности

Понимание сейсмических сил и роль стали в сопротивлении боковым нагрузкам

Как сейсмические силы влияют на целостность конструкций

Когда происходят землетрясения, они создают мощные боковые силы, заставляя здания раскачиваться горизонтально вперед и назад. Это движение вызывает сдвиговое напряжение, которое может привести к трещинам в таких материалах, как бетон, плохо выдерживающих изгиб. Обычный вес, действующий под действием силы тяжести, работает иначе, чем колебания при землетрясении, поскольку сейсмические волны продолжают отражаться и нагружать уже ослабленные участки конструкций. Возьмём, к примеру, сильное землетрясение в Крайстчерче в 2011 году. Грунт там колебался настолько сильно, что ускорение достигало более чем 1,8 от нормальной силы тяжести, что выявило серьёзные недостатки в зданиях, спроектированных без достаточной гибкости. Сталь в этом плане выделяется тем, что при нагрузке гнётся, а не ломается. Её эластичность позволяет поглощать часть энергии колебаний и распределять её по всей конструкции, не допуская одновременного разрушения всех элементов.

Почему стальные здания лучше сопротивляются боковым смещениям

Сталь действительно выделяется в районах, подверженных землетрясениям, поскольку при нагрузке она гнётся, а не ломается, и при этом обладает высокой прочностью при относительно небольшом весе. Бетон же менее гибкий. Согласно испытаниям специальных соединений, устойчивых к изгибающим моментам, стальные каркасы могут растягиваться примерно на 10 % перед разрушением. Это означает, что здания из стали фактически лучше поглощают энергию землетрясений по сравнению с бетонными. Кроме того, поскольку сталь легче бетона, здания из неё испытывают приблизительно на 40 % меньшие инерционные силы во время землетрясений. Это существенно влияет на уровень напряжения, передаваемого по всей конструкции при реальном землетрясении.

Пример из практики: поведение зданий со стальным каркасом во время землетрясения в Крайстчерче в 2011 году

После анализа последствий выяснилось, что здания с металлическим каркасом в Крайстчерче оказались значительно устойчивее, чем построенные из железобетона. Согласно отчетам, повреждения в этих стальных конструкциях были примерно на 60 процентов меньше. Стальные офисные здания сохраняли целостность даже при сильных смещениях фундаментов из-за эффекта разжижения грунта. Это произошло главным образом благодаря специальным сварным соединениям, которые обеспечивали правильное распределение нагрузок по зданию. В то время как около четверти всех бетонных зданий пришлось снести из-за серьезных повреждений колонн во время сейсмических толчков. Это наглядно демонстрирует, почему стальное строительство выделяется с точки зрения устойчивости к землетрясениям.

Системы сопротивления боковым силам (LFRS) в стальных конструкциях: раскосные системы против моментных рам

Стальные здания полагаются на специализированные системы сопротивления боковым силам (LFRS) для управления сейсмическими и ветровыми нагрузками. Эти системы образуют структурный каркас, передавая боковые нагрузки через балки, колонны и распорки, обеспечивая при этом устойчивость и работоспособность.

Обзор систем сопротивления поперечным силам и их важность при сейсмическом проектировании

Последние сейсмические нормы от ASCE 7 и AISC 341 теперь требуют, чтобы системы сопротивления поперечным силам находились в тонком балансе между достаточной жесткостью — чтобы люди не испытывали дискомфорта во время слабых толчков — и достаточной пластичностью, чтобы здания оставались стоящими после сильных землетрясений. Инженеры обычно выбирают либо раскосные, либо моментные рамы как основные решения для этой задачи. Согласно тому, что большинство строительных инженеров знают из практики, выбор одной системы вместо другой имеет решающее значение для того, насколько эффективно конструкция сможет поглощать сейсмические воздействия и какие дорогостоящие ремонтные работы потребуются после окончания землетрясения.

Раскосные рамы: концентрические (CBFs) и эксцентрические (EBFs) системы

• Концентрические раскосные рамы (CBFs): Диагональные элементы, расположенные в виде X или V, обеспечивают высокую жесткость при низкой стоимости, что делает их идеальными для складов и малоэтажных стальных зданий.
• Эксцентричные раскосные рамы (EBFs): Имеют специально смещённые соединения, которые концентрируют деформации в промежуточных элементах, поглощая на 30% больше сейсмической энергии по сравнению с CBFs (FEMA P-58). Их повышенная производительность делает их подходящими для больниц и среднеэтажных ответственных объектов.

Моментные рамы (MRFs): Жёсткие соединения и изгибная способность

Моментные рамы используют жёсткие узлы между балками и колоннами — сварные или болтовые — для противодействия боковым нагрузкам за счёт изгибных деформаций, устраняя необходимость в диагональных связях. Эта конструкция обеспечивает открытые планировки, необходимые для высотных коммерческих зданий, но, как правило, требует на 15–20% больше стали, чем раскосные системы, согласно данным AISC 2023 года о стоимости.

Сравнительный анализ: жесткость, пластичность и применение в многоэтажных стальных зданиях

Гибридные системы, сочетающие эксцентричное раскрепление с моментными рамами, всё чаще используются в многофункциональных стальных зданиях, где требуется переменная жесткость по этажам.

Основные принципы сейсмического проектирования: пластичность, избыточность и устойчивость в стальных зданиях

Пластичность как защита от хрупкого разрушения

Способность стали пластически деформироваться под напряжением фактически предотвращает полный обрушение зданий во время землетрясений. Современные стальные сплавы могут поглощать около 25 процентов энергии деформации до разрушения согласно стандартам ASCE, что означает, что они гнутся, а не ломаются в критических зонах, таких как балки, колонны и узлы соединений. Такая гибкость лежит в основе специальных моментных рам, предусмотренных в руководящих указаниях AISC 341. По сути, это позволяет зданиям изменять и перераспределять воздействие сейсмических сил, делая всю конструкцию значительно безопаснее во время землетрясений.

Структурная избыточность для повышенной безопасности при сейсмических событиях

Когда отдельные части здания начинают разрушаться, избыточность включается за счёт активации резервных путей передачи нагрузки. Стальные здания получают такую защиту из нескольких источников. Они часто используют одновременно две разные боковые системы, например, комбинируют раскосные рамы с моментными рамами. Второстепенные конструктивные элементы также выполняются прочнее, чем требуется, обеспечивая дополнительные запасы безопасности. Кроме того, применяются подходы, основанные на несущей способности, которые предотвращают распространение разрушений по всей конструкции. Согласно исследованиям, опубликованным FEMA в 2023 году, здания, спроектированные с такими избыточными характеристиками, показали примерно на две трети меньший остаточный перекос после землетрясений магнитудой 7 и выше по шкале Рихтера по сравнению со зданиями без таких мер защиты.

Инновации в области устойчивости: самовыравнивающиеся системы и технологии рассеивания энергии

Системы следующего поколения повышают функциональность после землетрясений благодаря передовым инженерным решениям:

При интеграции с системой мониторинга состояния конструкций в реальном времени эти технологии повышают восстановительную способность. В руководящих принципах NEHRP 2022 года теперь рекомендуется использовать гибридные системы, включающие устройства рассеивания энергии в традиционные сейсмостойкие каркасы для объектов критической инфраструктуры.

Проектирование критически важных соединений и непрерывность пути передачи нагрузки для оптимальной сейсмостойкости

Сейсмостойкость стальных зданий зависит от тщательно спроектированных соединений, которые обеспечивают надежную передачу нагрузки при одновременной возможности контролируемой деформации. Согласно Отчету о строительных соединениях 2024 года, здания с оптимизированными соединениями получили на 40% меньше повреждений при землетрясениях магнитудой 7,0 и выше по сравнению с зданиями со стандартными решениями.

Роль соединений в сохранении целостности конструкции под действием напряжений

Соединения работают как преобразователи энергии во время сейсмических событий, преобразуя боковые силы в распределенные напряжения. Стандарт AISC 341 требует, чтобы эти узлы сохраняли 90% своей прочности после поворота на 4% радиан — что эквивалентно боковому смещению на 12 дюймов у балки длиной 30 футов — обеспечивая работоспособность в экстремальных условиях.

Сварные и болтовые соединения: эксплуатационные характеристики в сейсмических условиях

Недавние исследования показывают, что гибридные системы — с использованием сварных сдвиговых планок и болтовых соединений по полкам — снижают количество отказов соединений на 63% в многоэтажных стальных зданиях, обеспечивая сбалансированный подход к прочности и гибкости.

Обеспечение бесшовной передачи нагрузки от кровли до фундамента

Эффективные сейсмические характеристики требуют непрерывности пути передачи нагрузки от дисков перекрытий до анкеров фундамента. Большинство проектов модернизации (85 %) повышают надежность за счет добавления вторичных распорок или усиления существующих узлов. Ключевое значение имеет обеспечение целостности каждого конструктивного элемента — от соединителей диска до закладных пластин — при циклических нагрузках.

Сейсмические стандарты и будущие тенденции в проектировании стальных зданий

Соответствие стандартам AISC 341, ASCE 7 и сейсмическим нормам IBC

Сегодня стальные здания проектируются в соответствии со строгими нормами, такими как AISC 341, ASCE 7 и новый Свод правил по строительству 2024 года. Все эти правила помогают повысить устойчивость конструкций к землетрясениям. Недавние изменения в Своде правил по строительству ввели новые методы проектирования стеллажных систем, которые снижают сейсмические нагрузки, которые должны выдерживать складские помещения, иногда до 30%. Теперь нормы определяют конкретные материалы, способы соединений и требуют непрерывных путей передачи нагрузки по всей конструкции. Эти требования были разработаны не на пустом месте. Они основаны на уроках, извлеченных после того, как во время сильного землетрясения в Нортридже в 1994 году многие здания оказались разрушенными.

Переход к рамочным системам проектирования, основанным на эксплуатационных характеристиках

Инженеры переходят от нормативного соблюдения кодексов к проектированию на основе эксплуатационных характеристик, которое количественно оценивает ожидаемое поведение конструкций при различных сценариях землетрясений. С помощью передовых инструментов моделирования проектировщики оптимизируют пластичность и избыточность, избегая необоснованного завышения параметров. Этот переход имеет решающее значение, поскольку 68% перебоев в бизнесе после землетрясений вызваны неустранимыми повреждениями конструкций (FEMA 2022).

Перспективы развития: умные материалы и непрерывный контроль состояния стальных зданий

Новые материалы, такие как сплавы с памятью формы для соединений и стальные колонны, усиленные углеродным волокном, меняют то, как здания противостоят землетрясениям. Исследование, опубликованное в журнале Engineering Structures в прошлом году, показало, что такие самовыравнивающиеся стальные каркасы уменьшают остаточные смещения после землетрясений примерно на три четверти по сравнению с традиционными методами строительства. В то же время около сорока процентов недавних проектов модернизации начали внедрять интеллектуальные датчики деформации, подключённые через интернет. Эти устройства постоянно контролируют соединения по всей конструкции здания. Такая система раннего оповещения может ежегодно экономить около 740 миллионов долларов США на ущербе, согласно оценкам NIST, опубликованным в 2024 году. Эти цифры говорят нам о важных тенденциях в развитии строительной инженерии.

Часто задаваемые вопросы

Что такое сейсмические нагрузки?

Сейсмические нагрузки — это боковые силы, возникающие во время землетрясения, которые заставляют здания колебаться горизонтально, создавая сдвиговые напряжения.

Почему сталь предпочтительнее в районах, подверженных землетрясениям?

Сталь предпочтительнее, потому что при нагрузке она гнется, а не ломается, эффективно поглощая сейсмическую энергию и уменьшая повреждения зданий.

Что такое системы сопротивления боковым силам (LFRS)?

Системы сопротивления боковым силам — это конструктивные элементы, такие как балки, колонны и распорки, которые передают боковые нагрузки, обеспечивая устойчивость зданий во время сейсмических явлений.

Чем стойки с подкосами отличаются от рам с жесткими узлами?

Стойки с подкосами используют диагональные элементы для обеспечения жесткости, тогда как рамы с жесткими узлами используют жесткие соединения для изгибных действий, поддерживая открытую планировку помещений и зачастую требуя больше стали.

Что такое конструктивная избыточность?

Конструктивная избыточность включает резервные пути передачи нагрузки и более прочные, чем необходимо, элементы для предотвращения масштабного разрушения во время сейсмических явлений.

Какие инновации повышают устойчивость стальных зданий к землетрясениям?

Инновации включают фрикционные демпферы, стержни из сплавов с памятью формы и заменяемые стальные «предохранители» для лучшего рассеивания энергии и повышенной устойчивости.