Виняткова сейсмічна стійкість сталевих будівель: забезпечення безпеки

Розуміння сейсмічних сил та роль сталі у протидії поперечним навантаженням

Як сейсмічні сили впливають на цілісність конструкцій

Коли відбуваються землетруси, вони створюють потужні бічні сили, які змушують будівлі гойдатися горизонтально то в один, то в інший бік. Цей рух створює зсувні напруження, які можуть спричинити тріщини в матеріалах, таких як бетон, що погано протистоїть вигину. Звичайна вага від сили тяжіння діє інакше, ніж поштовхи під час землетрусу, адже сейсмічні хвилі постійно відбиваються й навантажують уже ослаблені місця в конструкціях. Візьмемо, наприклад, сильний землетрус у Крайстчерчі в 2011 році. Ґрунт там коливався настільки сильно, що перевищував 1,8-кратну силу нормальної гравітації, виявивши серйозні недоліки в будівлях, спроектованих без достатньої пружності. Сталь в цьому плані вирізняється тим, що вона гнеться, а не ламається під навантаженням. Її гнучкість дозволяє поглинати частину енергії поштовхів і розподіляти її по всій конструкції, запобігаючи одночасному руйнуванню всіх елементів.

Чому сталеві будівлі краще протистоять бічним зміщенням

Сталь справді вирізняється в районах, схильних до землетрусів, оскільки вона гнеться, а не ламається під навантаженням, крім того, вона має велику міцність при відносно невеликій вазі. Бетон просто не такий гнучкий. Згідно з випробуваннями спеціальних з'єднань, які чинять опір згинальним моментам, сталеві каркаси можуть розтягуватися приблизно на 10 %, перш ніж руйнуватися. Це означає, що сталеві будівлі фактично краще поглинають енергію землетрусу, ніж бетонні. І оскільки сталь важить менше, ніж бетон, будівлі з неї під час землетрусів піддаються приблизно на 40 % меншим інерційним силам. Це суттєво впливає на те, скільки напруження передається по всій конструкції під час реального землетрусу.

Дослідження випадку: поведінка будівель із сталевим каркасом під час землетрусу в Крайстчерчі 2011 року

Після вивчення наслідків виявилося, що будівлі зі сталевим каркасом у Крайстчерчі постраждали значно менше, ніж ті, що побудовані з залізобетону. Згідно з повідомленнями, ушкодження цих стальних конструкцій було приблизно на 60 відсотків менше. Стальні офісні будівлі фактично залишалися цілісними, навіть коли фундаменти сильно зміщувалися через ефекти ліквідації. Це сталося переважно завдяки спеціальним зварним з'єднанням, які забезпечували правильний розподіл навантажень по всій будівлі. Тим часом близько чверті всіх бетонних будівель довелося знести після серйозних пошкоджень колон під час землетрусів. Це чітко демонструє, чому сталева будівля вирізняється здатністю протистояти землетрусам.

Системи спротиву бічним силам (LFRS) у сталевих конструкціях: розкосні рами проти моментних рам

Сталеві будівлі ґрунтуються на спеціалізованих системах спротиву бічним силам (LFRS) для управління сейсмічними та вітровими навантаженнями. Ці системи утворюють структурний каркас, спрямовуючи бічні навантаження через балки, колони та розкоси, забезпечуючи при цьому стабільність і працездатність.

Огляд систем сприйняття поперечних зусиль та їх важливість у сейсмічному проектуванні

Останні сейсмічні норми від ASCE 7 та AISC 341 тепер вимагають, щоб системи сприйняття поперечних зусиль знаходили делікатний баланс між достатньою жорсткістю, щоб люди не відчували дискомфорту під час незначних поштовхів, і водночас мали достатню пластичність, щоб будівлі залишалися стійкими під час сильних землетрусів. Інженери зазвичай вдаються до рам з розкосами або моментних рам як основних рішень для вирішення цього завдання. Згідно з досвідом більшості конструктивних інженерів, вибір однієї системи замість іншої має принципове значення для того, наскільки добре будівля зможе поглинати сейсмічні зусилля та які саме дорогі ремонти знадобляться після закінчення землетрусу.

Рами з розкосами: концентричні (CBFs) та ексцентричні (EBFs) системи

• Концентричні зв'язані рами (CBFs): Діагональні елементи, розташовані у формі Х або V, забезпечують високу жорсткість при низькій вартості, що робить їх ідеальними для складів та невисоких сталевих будівель.
• Ексцентричні зв'язані рами (EBFs): Мають спеціально зміщені з'єднання, які концентрують деформації в лінкових елементах, поглинаючи на 30% більше сейсмічної енергії, ніж CBFs (FEMA P-58). Їх покращена продуктивність робить їх придатними для лікарень та важливих середньовисотних об'єктів.

Моментні каркаси (MRFs): Жорсткі з'єднання та згинна поведінка

Моментні каркаси використовують жорсткі балково-колонні вузли — зварені або болтові — для протидії бічним силам за рахунок згину, усуваючи необхідність діагональних зв'язок. Ця конструкція підтримує відкриті плани поверхів, необхідні для багатоповерхових комерційних будівель, але, згідно з даними AISC 2023 про вартість, зазвичай вимагає на 15–20% більше сталі, ніж зв'язані системи.

Порівняльний аналіз: жорсткість, пластичність та застосування в багатоповерхових сталевих будівлях

Гібридні системи, що поєднують ексцентричне підкріплення з моментними рамами, все частіше використовуються в багатофункціональних сталевих будівлях, де потрібна змінна жорсткість на різних поверхах.

Основні принципи сейсмічного проектування: пластичність, надлишковість та стійкість у сталевих будівлях

Пластичність як запобігання крихкому руйнуванню

Здатність сталі пластично деформуватися під навантаженням фактично перешкоджає повному обваленню будівель під час землетрусів. Сучасні сталеві сплави можуть поглинати приблизно 25 відсотків енергії деформації перед руйнуванням згідно зі стандартами ASCE, тобто вони гнуться, а не ламаються в критичних місцях, таких як балки, колони та вузли з'єднань. Саме така гнучкість лежить в основі спеціальних моментних рам, передбачених у рекомендаціях AISC 341. По суті, це дозволяє будівлям змінювати та адаптувати розподіл сейсмічних навантажень, значно підвищуючи загальну безпеку конструкції під час сейсмічних подій.

Структурна надлишковість для підвищення безпеки під час сейсмічних подій

Коли окремі частини будівлі починають руйнуватися, надлишковість запускається шляхом активації резервних шляхів передачі навантаження. Сталеві будівлі отримують такий захист із кількох джерел. Найчастіше вони одночасно використовують дві різні бічні системи, наприклад, поєднуючи рами зі зв'язками та моментні рами. Додаткові конструктивні елементи також виготовляються міцнішими, ніж потрібно, забезпечуючи додаткові запаси міцності. Крім того, існують підходи, засновані на розрахунку несучої здатності, які перешкоджають поширенню руйнувань у всій конструкції. Згідно з дослідженням, опублікованим FEMA у 2023 році, будівлі, спроектовані з такими надлишковими характеристиками, демонстрували приблизно на дві третини менший залишковий зсув після землетрусів магнітудою 7 і вище за шкалою Ріхтера порівняно з будівлями без таких заходів безпеки.

Інновації в стійкості: системи самовирівнювання та технології розсіювання енергії

Системи нового покоління підвищують функціональність після землетрусів завдяки передовим інженерним рішенням:

При інтеграції з моніторингом стану конструкцій у реальному часі ці технології покращують можливість відновлення. Настанови NEHRP за 2022 рік тепер рекомендують гібридні системи, що включають пристрої розсіювання енергії в традиційні сейсмостійкі каркаси для критично важливої інфраструктури.

Проектування критичних з'єднань та безперервність передачі навантаження для оптимальної сейсмічної поведінки

Сейсмічна стійкість сталевих будівель залежить від точно розроблених з'єднань, які забезпечують надійну передачу навантажень із одночасним допущенням контрольованих деформацій. Згідно зі Звітом про конструктивні з'єднання за 2024 рік, будівлі з оптимізованими з'єднаннями отримали на 40% менше пошкоджень під час землетрусів магнітудою 7,0 або вище порівняно з будівлями, що мають типові деталізації.

Роль з'єднань у збереженні цілісності конструкції під дією напружень

З'єднання діють як перетворювачі енергії під час сейсмічних подій, перетворюючи бічні зусилля на розподілені напруження. Згідно з AISC 341, ці вузли повинні зберігати 90% своєї міцності після того, як зазнають обертання на 4% радіан — що еквівалентно бічному зміщенню на 12 дюймів у балці довжиною 30 футів — забезпечуючи роботу в екстремальних умовах.

Зварні та болтові з'єднання: робота в сейсмічних умовах

Останні дослідження показують, що гібридні системи — з використанням зварених з’єднувальних планок та болтових фланцевих з'єднань — зменшують кількість відмов з'єднань на 63% у багатоповерхових сталевих будівлях, пропонуючи збалансований підхід до міцності та гнучкості.

Забезпечення безперервного передавання навантаження від даху до фундаменту

Ефективна сейсмічна стійкість вимагає безперервності силового шляху від діафрагм перекриттів до анкерів фундаменту. Більшість проектів модернізації (85%) підвищують надійність шляхом додавання вторинних розпірок або посилення існуючих вузлів. Ключове значення має збереження цілісності кожного конструктивного елемента — від з’єднувальних деталей діафрагм до закладних пластин — при циклічних навантаженнях.

Сейсмічні стандарти та майбутні тенденції у проектуванні сталевих будівель

Дотримання сейсмічних норм AISC 341, ASCE 7 та IBC

Сучасні сталеві будівлі проектуються згідно зі суворими нормами, такими як AISC 341, ASCE 7 та новий Кодекс міжнародних будівельних норм 2024 року. Усі ці правила допомагають зробити конструкції більш стійкими до землетрусів. Останні зміни до IBC ввели нові підходи до проектування стелажів, що зменшують сейсмічні навантаження, які повинні витримувати складські приміщення, іноді аж на 30%. Тепер кодекси передбачають використання певних матеріалів, способів з'єднань та забезпечення безперервних шляхів передачі навантажень у всій конструкції. Ці вимоги були розроблені не на основі припущень. Вони ґрунтуються на досвіді, набутому після того, як багато будівель руйнувалися під час сильного землетрусу в Нортріджі у 1994 році.

Перехід до рамкових систем сейсмічного проектування, орієнтованих на експлуатаційні характеристики

Інженери виходять за межі простої перевірки дотримання норм і переходять до проектування, заснованого на експлуатаційних характеристиках, що дозволяє кількісно оцінити очікувану поведінку конструкції в різних сейсмічних сценаріях. Використовуючи передові інструменти моделювання, проектувальники оптимізують пластичність і надлишковість конструкцій, уникнувши при цьому непотрібного надмірного проектування. Цей перехід є важливим, враховуючи, що 68% перебоїв у бізнесі після землетрусів спричинені непоправними пошкодженнями конструкцій (FEMA 2022).

Майбутнє: Розумні матеріали та реальний моніторинг стану сталевих будівель

Нові матеріали, такі як сплави з пам'яттю форми для з'єднань і сталеві колони, посилені вуглепластиком, змінюють те, як будівлі протистоять землетрусам. Дослідження, опубліковане минулого року в журналі Engineering Structures, показало, що самозцентровані сталеві каркаси зменшують залишковий рух після землетрусів приблизно на три чверті порівняно зі звичайними методами будівництва. Тим часом близько сорока відсотків останніх проектів модернізації почали використовувати розумні датчики деформації, підключені через Інтернет. Ці пристрої постійно контролюють з'єднання по всій конструкції будівлі. Така система раннього попередження може щороку економити близько 740 мільйонів доларів на збитках, згідно з оцінками NIST, опублікованими в 2024 році. Ці цифри багато чого говорять про те, в якому напрямку рухається будівельна інженерія.

ЧаП

Що таке сейсмічні сили?

Сейсмічні сили — це поперечні сили, що виникають під час землетрусу і спричиняють горизонтальне гойдання будівель, створюючи зсувні напруження.

Чому сталь віддають перевагу в сейсмічно активних районах?

Сталь вважається кращою, оскільки вона згинається, а не ламається під навантаженням, ефективно поглинаючи сейсмічну енергію та зменшуючи пошкодження будівель.

Що таке системи спротиву бічним силам (LFRS)?

Системи спротиву бічним силам — це конструктивні елементи, такі як балки, колони та розкоси, які передають бічні навантаження для забезпечення стабільності будівель під час сейсмічних подій.

Чим зв'язані рами відрізняються від моментних жорстких рам?

Зв'язані рами використовують діагональні елементи для жорсткості, тоді як моментні жорсткі рами використовують жорсткі з'єднання для згину, що забезпечує підтримку відкритих планувань приміщень і часто вимагає більше сталі.

Що таке структурна надлишковість?

Структурна надлишковість передбачає наявність резервних шляхів передачі навантаження та елементів, які міцніші, ніж потрібно, щоб запобігти масштабному руйнуванню під час сейсмічних подій.

Які інновації покращують стійкість сталевих будівель до землетрусів?

До інновацій належать фрикційні демпфери, стрижні зі сплавів із пам'яттю форми та замінні сталеві «запобіжники» для кращого розсіювання енергії та підвищення стійкості.