Сейсмостойкая инженерия

Сейсмическая инженерия — это междисциплинарная отрасль инженерии, которая проектирует и анализирует конструкции , такие как здания и мосты , с землетрясений учетом . Его общая цель — сделать такие конструкции более устойчивыми к землетрясениям. Инженер по землетрясениям (или сейсморазведке) стремится построить конструкции, которые не будут повреждены при незначительном сотрясении и избежат серьезных повреждений или обрушений при сильном землетрясении. не Правильно спроектированная конструкция обязательно должна быть чрезвычайно прочной или дорогой. Он должен быть правильно спроектирован, чтобы выдерживать сейсмические воздействия, сохраняя при этом приемлемый уровень ущерба.

Определение

Сейсмическая инженерия — это научная область, занимающаяся защитой общества, окружающей среды и антропогенной среды от землетрясений путем ограничения сейсмического риска до социально-экономически приемлемых уровней. Традиционно это узко определялось как исследование поведения конструкций и геоструктур, подверженных сейсмическим нагрузкам ; он рассматривается как подмножество строительного проектирования , геотехнической инженерии , машиностроения , химического машиностроения , прикладной физики и т. д. Однако огромные затраты, понесенные в результате недавних землетрясений, привели к расширению его сферы применения, включив в него дисциплины из более широкой области гражданского строительства. машиностроение , машиностроение , ядерная энергетика , а также социальные науки , особенно социология , политология , экономика и финансы .

Основными задачами сейсмической инженерии являются:

• Предвидеть потенциальные последствия сильных землетрясений для городских территорий и гражданской инфраструктуры.
• Проектируйте, стройте и обслуживайте конструкции, способные работать в условиях землетрясения в соответствии с ожиданиями и в соответствии со строительными нормами и правилами .

на вибростоле Краш- тесты обычной модели здания (слева) и модели здания с изолированным основанием (справа) в Калифорнийском университете в Сан-Франциско

Сейсмическая нагрузка

Tokyo Skytree , оснащенная настроенным демпфером масс , является самой высокой башней в мире и третьим по высоте сооружением в мире .

Основная статья: Сейсмическая нагрузка

Сейсмическая нагрузка означает приложение землетрясения к сооружению (или геосооружению). Это происходит при контакте поверхностей конструкции с землей, с прилегающими постройками, или с гравитационными волнами от цунами . Нагрузка, ожидаемая в данном месте на поверхности Земли, оценивается методами инженерной сейсмологии . Это связано с сейсмической опасностью местности.

Сейсмические характеристики

Основная статья: Сейсмический анализ

Сейсмостойкость или сейсмостойкость определяют способность конструкции сохранять свои основные функции, такие как безопасность и работоспособность , во время и после определенного землетрясения. Конструкция обычно считается безопасной, если она не ставит под угрозу жизнь и благополучие находящихся в ней или вокруг нее в результате частичного или полного обрушения. Сооружение может считаться исправным, если оно способно выполнять свои эксплуатационные функции, для которых оно было спроектировано.

Базовые концепции сейсмостойкости, реализованные в основных строительных нормах и правилах, предполагают, что здание должно пережить редкое, очень сильное землетрясение, получив значительный ущерб, но без глобального разрушения. С другой стороны, он должен оставаться работоспособным при более частых, но менее серьезных сейсмических явлениях.

Оценка сейсмических характеристик

Инженерам необходимо знать количественный уровень фактических или ожидаемых сейсмических характеристик, связанных с прямым ущербом отдельному зданию, подверженному определенному сотрясению грунта. Такая оценка может быть выполнена либо экспериментально, либо аналитически.

Экспериментальная оценка

Экспериментальные оценки — это дорогостоящие испытания, которые обычно проводятся путем размещения (масштабированной) модели конструкции на вибростоле , имитирующем сотрясение земли, и наблюдения за ее поведением. Подобные эксперименты впервые были проведены более века назад. Лишь недавно стало возможным проводить испытания полных конструкций в масштабе 1:1.

Из-за дорогостоящего характера таких испытаний их, как правило, используют в основном для понимания сейсмического поведения конструкций, проверки моделей и методов анализа. Таким образом, после надлежащей проверки вычислительные модели и численные процедуры, как правило, несут основную нагрузку при оценке сейсмических характеристик конструкций.

Аналитическая/Численная оценка

Снимок на вибростоле. 6-этажного здания из непластичного бетона видео разрушающего испытания

Оценка сейсмических характеристик или сейсмический структурный анализ — это мощный инструмент сейсмической инженерии, который использует детальное моделирование конструкции вместе с методами структурного анализа, чтобы лучше понять сейсмические характеристики строительных и нестроительных конструкций . Техника как формальная концепция возникла сравнительно недавно.

В целом сейсмоструктурный анализ основан на методах структурной динамики . На протяжении десятилетий наиболее известным инструментом сейсмического анализа был метод спектра реакции на землетрясение , который также внес свой вклад в сегодняшнюю концепцию предлагаемых строительных норм и правил.

Однако такие методы хороши только для линейных упругих систем и в значительной степени неспособны моделировать поведение конструкции при появлении повреждений (т. е. нелинейности ). Численное пошаговое интегрирование оказалось более эффективным методом анализа многостепенных структурных систем со значительной нелинейностью в условиях переходного процесса возбуждения колебаний грунта . Использование метода конечных элементов является одним из наиболее распространенных подходов к анализу компьютерных моделей нелинейного взаимодействия грунтовых конструкций .

В основном численный анализ проводится для оценки сейсмических характеристик зданий. Оценки производительности обычно выполняются с использованием нелинейного статического анализа или нелинейного временного анализа. В таком анализе важно добиться точного нелинейного моделирования конструктивных элементов, таких как балки, колонны, соединения балок с колоннами, стены, работающие на сдвиг, и т. д. Таким образом, экспериментальные результаты играют важную роль в определении параметров моделирования отдельных компонентов, особенно те, которые подвержены значительным нелинейным деформациям. Затем отдельные компоненты собираются для создания полной нелинейной модели конструкции. Созданные таким образом модели анализируются для оценки эффективности зданий.

Возможности программного обеспечения для структурного анализа являются основным фактором в описанном выше процессе, поскольку они ограничивают возможные модели компонентов, доступные методы анализа и, что наиболее важно, численную надежность. Последнее становится важным фактором для структур, которые выходят за пределы нелинейного диапазона и приближаются к глобальному или локальному коллапсу, поскольку численное решение становится все более нестабильным и, следовательно, труднодостижимым. Существует несколько коммерчески доступных программ для анализа методом конечных элементов, таких как CSI-SAP2000 и CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS и Ansys , каждое из которых можно использовать для оценки сейсмических характеристик зданий. Кроме того, существуют основанные на исследованиях платформы анализа методом конечных элементов, такие как OpenSees , MASTODON, основанные на MOOSE Framework , RUAUMOKO и более старая версия DRAIN-2D/3D, некоторые из которых теперь имеют открытый исходный код.

Исследования в области сейсмостойкости

на вибростоле Испытания маятниковых подшипников трения в EERC

Исследования в области сейсмической инженерии означают как полевые, так и аналитические исследования или эксперименты, направленные на открытие и научное объяснение фактов, связанных с сейсмической инженерией, пересмотр традиционных концепций в свете новых результатов и практическое применение разработанных теорий.

Национальный научный фонд (NSF) — главное правительственное учреждение США, которое поддерживает фундаментальные исследования и образование во всех областях сейсмической инженерии. В частности, основное внимание уделяется экспериментальным, аналитическим и вычислительным исследованиям в области проектирования и повышения производительности структурных систем.

Таблица встряхивания электронной защиты

Институт инженерных исследований землетрясений (EERI) является лидером в распространении информации, связанной с инженерными исследованиями землетрясений, как в США, так и во всем мире.

Полный список вибростолов по всему миру, связанных с инженерными исследованиями в области землетрясений, можно найти в разделе «Экспериментальные установки для инженерного моделирования землетрясений по всему миру». Самым известным из них сейчас является E-Defense Shake Table в Японии .

Крупнейшие исследовательские программы США

NSF также поддерживает Сеть Джорджа Э. Брауна-младшего по инженерному моделированию землетрясений.

Программа NSF по снижению рисков и структурному проектированию (HMSE) поддерживает исследования новых технологий для улучшения поведения и реакции структурных систем, подверженных опасности землетрясений; фундаментальные исследования по безопасности и надежности построенных систем; инновационные разработки в области анализа и моделирования поведения и реакции конструкций на основе моделей, включая взаимодействие грунта и конструкции; концепции проектирования, улучшающие конструкции характеристики и гибкость ; и применение новых методов управления структурными системами.

(NEES), который способствует открытию знаний и инновациям в области землетрясений и цунами , а также новых методов и приборов экспериментального моделирования. уменьшения потерь гражданской инфраструктуры страны от

Сеть NEES включает 14 географически распределенных лабораторий совместного использования, которые поддерживают несколько типов экспериментальной работы: геотехнические исследования на центрифугах, испытания на вибростоле , крупномасштабные структурные испытания, эксперименты в бассейне с волнами цунами и полевые исследования на местах. В число участвующих университетов входят: Корнелльский университет ; Университет Лихай ; Государственный университет Орегона ; Политехнический институт Ренсселера ; Университет в Буффало , Государственный университет Нью-Йорка ; Калифорнийский университет в Беркли ; Калифорнийский университет в Дэвисе ; Калифорнийский университет, Лос-Анджелес ; Калифорнийский университет, Сан-Диего ; Калифорнийский университет, Санта-Барбара ; Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн ; Университет Миннесоты ; Университет Невады, Рино ; и Техасский университет в Остине .

NEES на в Буффало испытательном полигоне

Площадки оборудования (лаборатории) и центральное хранилище данных подключены к глобальному сообществу инженеров по землетрясениям через веб-сайт NEEShub. Веб-сайт NEES создан на базе программного обеспечения HUBzero, разработанного в Университете Пердью для nanoHUB специально для того, чтобы помочь научному сообществу обмениваться ресурсами и сотрудничать. Киберинфраструктура, подключенная через Интернет2 , предоставляет инструменты интерактивного моделирования, зону разработки инструментов моделирования, курируемое центральное хранилище данных, анимированные презентации, поддержку пользователей, телеприсутствие, механизм загрузки и совместного использования ресурсов, а также статистику о пользователях и моделях использования.

Эта киберинфраструктура позволяет исследователям: безопасно хранить, систематизировать и обмениваться данными в рамках стандартизированной структуры в центральном месте; удаленно наблюдать и участвовать в экспериментах за счет использования синхронизированных данных и видео в реальном времени; сотрудничать с коллегами для облегчения планирования, проведения, анализа и публикации исследовательских экспериментов; и проводить вычислительное и гибридное моделирование, которое может объединять результаты нескольких распределенных экспериментов и связывать физические эксперименты с компьютерным моделированием, чтобы обеспечить исследование общей производительности системы.

Эти ресурсы совместно предоставляют средства для сотрудничества и открытий для улучшения сейсмического проектирования и производительности систем гражданской и механической инфраструктуры.

Моделирование землетрясений

Самое первое моделирование землетрясений было выполнено путем статического применения некоторых горизонтальных сил инерции, основанных на масштабированных пиковых ускорениях грунта, к математической модели здания. С дальнейшим развитием вычислительных технологий статические подходы стали уступать место динамическим .

Динамические эксперименты со строительными и нестроительными конструкциями могут быть физическими, например испытания на вибростоле , или виртуальными. В обоих случаях для проверки ожидаемых сейсмических характеристик конструкции некоторые исследователи предпочитают иметь дело с так называемыми «историями в реальном времени», хотя последние не могут быть «реальными» для гипотетического землетрясения, указанного либо строительными нормами, либо некоторыми конкретными исследовательскими требованиями. . Таким образом, существует сильный стимул использовать моделирование землетрясения, которое представляет собой сейсмические данные, обладающие только существенными характеристиками реального события.

Иногда под имитацией землетрясения понимают воссоздание локальных эффектов сильного землетрясения.

Моделирование структуры

Параллельные эксперименты с двумя моделями зданий, кинематически эквивалентными реальному прототипу.

Теоретическая или экспериментальная оценка ожидаемых сейсмических характеристик в основном требует моделирования конструкции , основанного на концепции структурного подобия или подобия. Сходство – это некоторая степень аналогии или сходства между двумя или более объектами. Понятие сходства основывается либо на точном, либо на приблизительном повторении закономерностей в сравниваемых предметах.

В общем, говорят, что модель здания имеет сходство с реальным объектом, если они имеют геометрическое , кинематическое и динамическое сходство . Наиболее ярким и эффективным видом подобия является кинематическое . Кинематическое подобие существует, когда пути и скорости движущихся частиц модели и ее прототипа подобны.

Высшим уровнем кинематического подобия является кинематическая эквивалентность , когда в случае землетрясения временные графики боковых смещений модели и ее прототипа на каждом этаже будут одинаковыми.

Сейсмический вибрационный контроль

Сейсмовибрационный контроль – комплекс технических средств, направленных на смягчение сейсмических воздействий на строительные и нестроительные конструкции. Все устройства контроля сейсмической вибрации можно разделить на пассивные , активные и гибридные. где:

• устройства пассивного управления не имеют возможности обратной связи между собой, элементами конструкции и землей;
• Устройства активного управления включают в себя записывающие приборы в реальном времени на земле, интегрированные с оборудованием обработки данных о землетрясении и исполнительными механизмами внутри конструкции;
• Гибридные устройства управления объединили в себе черты активных и пассивных систем управления.

Когда грунтовые сейсмические волны поднимаются вверх и начинают проникать в основание здания, плотность их потока энергии за счет отражений резко снижается: обычно до 90%. Однако оставшиеся части падающих волн во время сильного землетрясения по-прежнему несут в себе огромный разрушительный потенциал.

После того как сейсмические волны проникают в надстройку , существует ряд способов контролировать их, чтобы смягчить их разрушительное воздействие и улучшить сейсмические характеристики здания, например:

• рассеивать ; энергию волн внутри надстройки помощью правильно спроектированных демпферов с
• распределить энергию волны между более широким диапазоном частот;
• поглощать всего диапазона резонансные части волновых частот с помощью так называемых массовых демпферов .

Мавзолей Кира , старейшее изолированное цокольное сооружение в мире.

Устройства последнего вида, сокращенно соответственно сокращенно TMD для настроенных ( пассивных ), AMD для активных и HMD для гибридных демпферов массы , изучаются и устанавливаются в высотных зданиях , преимущественно в Японии, в течение четверти века.

Однако существует совсем другой подход: частичное подавление потока сейсмической энергии в надстройку, известное как сейсмическая или базовая изоляция .

Для этого во все основные несущие элементы в основании здания или под них вставляются подкладки, которые должны существенно отделять надстройку от ее основания, опирающегося на трясучую почву.

Первые свидетельства защиты от землетрясений с использованием принципа изоляции оснований были обнаружены в Пасаргадах , городе в древней Персии, ныне Иране, и датируются VI веком до нашей эры. Ниже приведены некоторые образцы современных технологий контроля сейсмической вибрации.

Стены из сухого камня в Перу

Стены из сухого камня Мачу-Пикчу Храма Солнца , Перу

Перу — страна с высокой сейсмичностью ; из сухого камня на протяжении веков строительство оказалось более сейсмоустойчивым, чем строительство из строительного раствора. Люди цивилизации инков были мастерами полированных «стен из сухого камня», называемых тесаными , где каменные блоки были вырезаны так, чтобы плотно прилегать друг к другу без какого-либо раствора . Инки были одними из лучших каменщиков, которых когда-либо видел мир. и многие стыки в их кладке были настолько совершенны, что между камнями не могла поместиться даже травинка.

Камни стен из сухого камня, построенных инками, могли слегка перемещаться и перемещаться без разрушения стен - метод пассивного структурного контроля , использующий как принцип рассеяния энергии (кулоновское затухание), так и принцип подавления резонансного усиления.

Настроенный массовый демпфер

Основная статья: Настроенный демпфер массы

Настроенный демпфер масс в Тайбэе 101 в мире , третьем по высоте небоскребе

Обычно настроенные демпферы массы представляют собой огромные бетонные блоки, установленные в небоскребах или других сооружениях и перемещающиеся в противовес колебаниям резонансной частоты конструкций с помощью какого-то пружинного механизма.

Небоскреб Тайбэй 101 должен выдерживать тайфуны и землетрясения, распространенные в этом регионе Азиатско-Тихоокеанского региона. Для этой цели был спроектирован и установлен на вершине конструкции стальной маятник весом 660 тонн, служащий настроенным демпфером масс. Подвешенный с 92 по 88 этаж маятник качается для уменьшения резонансных усилений боковых смещений здания, вызванных землетрясениями и сильными порывами ветра .

Гистерезисные демпферы

Гистерезисный демпфер предназначен для обеспечения лучших и более надежных сейсмических характеристик, чем у обычной конструкции, за счет увеличения рассеивания входной сейсмической энергии. Для этой цели используются пять основных групп гистерезисных демпферов, а именно:

• Жидкостно-вязкостные демпферы (FVD)

Преимущество вязкостных демпферов заключается в том, что они являются дополнительной системой демпфирования. Они имеют овальную гистерезисную петлю, а демпфирование зависит от скорости. Хотя потенциально требуется незначительное техническое обслуживание, вязкостные демпферы обычно не требуют замены после землетрясения. Хотя они более дороги, чем другие технологии демпфирования, они могут использоваться как для сейсмических, так и для ветровых нагрузок и являются наиболее часто используемыми гистерезисными демпферами.

• Фрикционные демпферы (ФД)

Фрикционные демпферы, как правило, доступны в двух основных типах: линейных и вращательных, и рассеивают энергию за счет тепла. Демпфер работает по принципу кулоновского демпфера . В зависимости от конструкции фрикционные демпферы могут испытывать явление прерывистого движения и холодную сварку . Основным недостатком является то, что поверхности трения могут со временем изнашиваться, и по этой причине их не рекомендуется использовать для рассеивания ветровых нагрузок. При использовании в сейсмических условиях износ не является проблемой и не требует технического обслуживания. Они имеют прямоугольную петлю гистерезиса, и пока здание достаточно эластично, они имеют тенденцию возвращаться в исходное положение после землетрясения.

• Металлические демпферы (MYD)

Металлические демпферы, как следует из названия, поддаются, чтобы поглотить энергию землетрясения. Этот тип демпферов поглощает большое количество энергии, однако после землетрясения их необходимо заменять, и они могут помешать зданию вернуться в исходное положение.

• Вискоэластичные демпферы (ВЭД)

Вязкоупругие демпферы полезны тем, что их можно использовать как для ветровых, так и для сейсмических применений, обычно они ограничиваются небольшими перемещениями. Существует определенная обеспокоенность по поводу надежности этой технологии, поскольку некоторые бренды запрещено использовать в зданиях в Соединенных Штатах.

• Перекидные маятниковые демпферы (качание)

Базовая изоляция

Изоляция основания направлена ​​на предотвращение перехода кинетической энергии землетрясения в упругую энергию в здании. Эти технологии делают это, изолируя конструкцию от земли, что позволяет ей передвигаться в некоторой степени независимо. Степень передачи энергии в конструкцию и способы ее рассеивания будут варьироваться в зависимости от используемой технологии.

• Свинцово-резиновый подшипник

LRB проходит испытания на предприятии UCSD Caltrans-SRMD

Свинцово-резиновый подшипник или LRB — это тип изоляции основания, в котором используется сильное демпфирование . Его изобрел Билл Робинсон , новозеландец.

Тяжелый демпфирующий механизм, встроенный в технологии контроля вибрации и, в частности, в устройства изоляции основания, часто считается ценным источником подавления вибраций, тем самым повышая сейсмические характеристики здания. Однако для достаточно податливых систем, таких как опорно-изолированные конструкции, с относительно низкой несущей жесткостью, но с высоким демпфированием, так называемая «сила демпфирования» может оказаться основной толкающей силой при сильном землетрясении. Видео показан свинцово-каучуковый подшипник, проходящий испытания на предприятии UCSD Caltrans-SRMD. Подшипник изготовлен из резины со свинцовым сердечником. Это было одноосное испытание, в ходе которого подшипник также находился под полной нагрузкой конструкции. Многие здания и мосты как в Новой Зеландии, так и в других местах защищены свинцовыми демпферами, а также свинцовыми и резиновыми опорами. Те Папа Тонгарева , национальный музей Новой Зеландии и здание парламента Подшипниками были оснащены Новой Зеландии. Оба находятся в Веллингтоне , расположенном на активном разломе .

• Пружинно-демпферный изолятор основания

Пружины с демпфером крупным планом

Пружинный изолятор основания, установленный под трехэтажным таунхаусом в Санта-Монике , Калифорния, показан на фотографии, сделанной перед землетрясением в Нортридже в 1994 году . Это базовое изолирующее устройство, концептуально похожее на свинцово-резиновый подшипник .

Один из двух подобных трехэтажных таунхаусов, который был хорошо оборудован для регистрации как вертикальных, так и горизонтальных ускорений на полу и земле, пережил сильное сотрясение во время землетрясения в Нортридже и оставил ценную записанную информацию для дальнейшего изучения.

• Простой роликовый подшипник

Простой роликоподшипник представляет собой опорное изолирующее устройство, предназначенное для защиты различных строительных и нестроительных конструкций от потенциально разрушительных боковых ударов сильных землетрясений.

Эта металлическая несущая опора может быть адаптирована с определенными мерами предосторожности в качестве сейсмоизоляции для небоскребов и зданий на мягком грунте. Недавно он был использован под названием «металлический роликовый подшипник» в жилом комплексе (17 этажей) в Токио, Япония .

• Маятниковый подшипник трения

Фрикционный маятниковый подшипник (ФПБ) — другое название маятниковой системы трения (ФПС). Оно основано на трёх столпах:

• шарнирный фрикционный ползунок;
• сферическая вогнутая скользящая поверхность;
• Запирающий цилиндр для ограничения бокового смещения.

снимок со ссылкой на видеоклип испытаний на вибростенде Справа представлен системы ФПБ, поддерживающей жесткую модель здания.

Сейсмическое проектирование

Сейсмическое проектирование основано на утвержденных инженерных процедурах, принципах и критериях, предназначенных для проектирования или модернизации конструкций, подверженных сейсмическому воздействию. Эти критерии соответствуют только современному состоянию знаний о сейсмических инженерных сооружениях . Таким образом, проект здания, который точно соответствует нормам сейсмической безопасности, не гарантирует безопасность от обрушения или серьезного ущерба.

Цена плохого сейсмического проектирования может быть огромной. Тем не менее, сейсмическое проектирование всегда представляло собой процесс проб и ошибок , независимо от того, было ли оно основано на физических законах или на эмпирических знаниях о структурных характеристиках различных форм и материалов.

Мэрия Сан-Франциско разрушена землетрясением и пожаром 1906 года

Сан-Франциско после 1906 года. землетрясения и пожара

Чтобы практиковать сейсмическое проектирование , сейсмический анализ или сейсмическую оценку новых и существующих проектов гражданского строительства, инженер обычно должен сдать экзамен по сейсмическим принципам. которые в штате Калифорния включают:

• Сейсмические данные и критерии сейсмического проектирования
• Сейсмические характеристики инженерных систем
• Сейсмические силы
• Процедуры сейсмического анализа
• Сейсмическая детализация и контроль качества строительства

Для создания сложных структурных систем, В сейсмическом проектировании в основном используется то же относительно небольшое количество основных конструктивных элементов (не говоря уже об устройствах контроля вибрации), что и в любом несейсмическом проектном проекте.

Обычно, согласно строительным нормам, конструкции проектируются так, чтобы «выдержать» самое сильное землетрясение определенной вероятности, которое может произойти в месте их расположения. Это означает, что человеческие жертвы должны быть сведены к минимуму путем предотвращения обрушения зданий.

Сейсмическое проектирование осуществляется путем понимания возможных режимов разрушения конструкции и обеспечения конструкции соответствующей прочности , жесткости , пластичности и конфигурации. чтобы гарантировать, что эти режимы не могут возникнуть.

Требования к сейсмическому проектированию

Требования к сейсмическому проектированию зависят от типа конструкции, местоположения проекта и его полномочий, которые предусматривают применимые нормы и критерии сейсмического проектирования. Например, Министерства транспорта Калифорнии требования под названием «Критерии сейсмического проектирования» (SDC) направлены на проектирование новых мостов в Калифорнии. использовать инновационный подход, основанный на сейсмических характеристиках.

Мецаморская АЭС была закрыта после армянского землетрясения 1988 года .

Наиболее важной особенностью философии проектирования SDC является переход от оценки сейсмических требований, основанной на силе, к основанной на перемещении оценке спроса и мощности, . Таким образом, недавно принятый подход к смещению основан на сравнении потребности в упругом смещении с способностью к неупругому смещению основных компонентов конструкции, обеспечивая при этом минимальный уровень неупругой способности во всех потенциальных местах пластического шарнира.

Помимо самой проектируемой конструкции, требования к сейсмическому проектированию могут включать стабилизацию грунта под конструкцией: иногда сильно потрясенный грунт разрушается, что приводит к обрушению находящейся на нем конструкции. Следующие темы должны вызывать первоочередное внимание: сжижение; динамическое боковое давление грунта на подпорные стенки; сейсмическая устойчивость склонов; поселение, вызванное землетрясением.

Ядерные объекты не должны ставить под угрозу свою безопасность в случае землетрясений или других враждебных внешних событий. Поэтому их сейсмическое проектирование основано на гораздо более строгих критериях, чем те, которые применяются к неядерным объектам. и Однако ядерная авария на Фукусиме-1 повреждение других ядерных объектов , последовавшие за землетрясением и цунами в Тохоку в 2011 году , привлекли внимание к продолжающейся обеспокоенности по поводу японских стандартов ядерного сейсмического проектирования и заставили правительства многих других стран переоценить свои ядерные программы . Сомнения были также высказаны по поводу сейсмической оценки и проектирования некоторых других электростанций, включая атомную электростанцию ​​Фессенхайм во Франции.

Режимы отказа

Режим отказа – это способ наблюдения разрушения, вызванного землетрясением. Обычно он описывает способ возникновения сбоя. Несмотря на то, что обучение на основе каждого реального землетрясения обходится дорого и требует много времени, оно остается рутинным рецептом совершенствования методов сейсмического проектирования . Ниже представлены некоторые типичные виды отказов, вызванных землетрясением.

Типичные повреждения неармированных каменных зданий при землетрясениях, Лома Приета

Отсутствие армирования в сочетании с некачественным раствором и неадекватными связями между крышей и стеной может привести к существенному повреждению здания из неармированной каменной кладки . Сильно потрескавшиеся или наклонившиеся стены являются одними из наиболее распространенных повреждений при землетрясении. Также опасны повреждения, которые могут возникнуть между стенами и диафрагмами крыши или пола. Разделение каркаса и стен может поставить под угрозу вертикальную поддержку систем крыши и пола.

Мягкое обрушение этажа из-за недостаточной прочности на сдвиг на уровне земли, землетрясение в Лома Приета

Мягкий сюжетный эффект . Отсутствие достаточной жесткости на уровне земли привело к повреждению этой конструкции. При внимательном рассмотрении изображения видно, что грубый сайдинг, когда-то покрытый кирпичной облицовкой , был полностью демонтирован из каркасной стены. Только жесткость пола наверху в сочетании с поддержкой с двух скрытых сторон сплошными стенами, не прорезанными большими дверями, как со стороны улицы, предотвращает полное обрушение конструкции.

Последствия разжижения почвы во время землетрясения в Ниигате 1964 года.

Разжижение почвы . В тех случаях, когда грунт состоит из рыхлых зернистых отложений, склонных к развитию избыточного гидростатического давления поровой воды достаточной величины и компактности, разжижение этих рыхлых насыщенных отложений может привести к неравномерной осадке и крену сооружений. Это нанесло серьезный ущерб тысячам зданий в Ниигате, Япония, во время землетрясения 1964 года .

Автомобиль разбит оползнем во время землетрясения в провинции Сычуань в 2008 году.

Оползневой камнепад . Оползень — это геологическое явление, которое включает в себя широкий спектр движений грунта, включая камнепады . Обычно действие гравитации является основной движущей силой возникновения оползня, хотя в этом случае был еще один фактор, влиявший на первоначальную устойчивость склона : оползню требовалось спровоцировать землетрясение, прежде чем он разразится.

Последствия ударов по соседнему зданию, Лома Приета

Удары по соседнему зданию . Это фотография обрушившейся пятиэтажной башни семинарии Св. Иосифа в Лос-Альтосе, Калифорния, в результате которой погиб один человек. Во время землетрясения в Лома-Приете башня ударилась о независимо вибрившее соседнее здание позади. Возможность ударов зависит от боковых смещений обоих зданий, которые необходимо точно оценить и учесть.

Последствия полностью разрушенных стыков бетонного каркаса, Нортридж

Во время землетрясения в Нортридже у бетонного каркаса офисного здания Kaiser Permanente были полностью разрушены стыки, обнажив неадекватную герметизирующую сталь , что привело к обрушению второго этажа. В поперечном направлении композитные торцевые сдвиговые стены , состоящие из двух кирпичных кирпичей и слоя торкрет-бетона , несущего боковую нагрузку, отслоились из-за неадекватных сквозных связей и разрушились.

• Неподходящая строительная площадка в предгорье .
• Плохая детализация арматуры ( отсутствие удержания бетона в колоннах и на стыках балок с колоннами, недостаточная длина стыков).
• Сейсмически слабый мягкий этаж на первом этаже.
• Длинные консоли с большой собственной нагрузкой .

Отходя от фонда, Уиттиер

Эффект соскальзывания фундамента относительно жесткой конструкции жилого дома во время землетрясения в Уиттиер-Нарроуз в 1987 году . Землетрясение магнитудой 5,9 обрушилось на жилой дом Гарви-Уэст в Монтерей-Парке, штат Калифорния, и сместило его фундамент примерно на 10 дюймов к востоку.

Ущерб от землетрясения в Пичилему

Если надстройка не смонтирована на системе изоляции фундамента , следует предотвратить ее смещение по фундаменту.

Недостаточное армирование на сдвиг привело основных арматурных стержней к деформации , Нортридж .

Железобетонная колонна лопнула при землетрясении в Нортридже из-за недостаточного режима поперечной арматуры, что позволило основной арматуре прогнуться наружу. Палуба соскользнула с шарнира и не сдвинулась. В результате обрушился участок подземного перехода Ла-Сьенега-Венеция на автостраде № 10.

Обрушение опорных колонн и верхней палубы, землетрясение в Лома Приета

Землетрясение в Лома-Приете : вид сбоку на разрушение железобетонных опорных колонн , которое привело к обрушению верхнего этажа на нижний этаж двухуровневого виадука Сайпресс на межштатной автомагистрали 880, Окленд, Калифорния.

Обрушение подпорной стены из-за движения грунта, Лома Приета

Обрушение подпорной стены при землетрясении в Лома-Приета в районе гор Санта-Крус: заметные трещины растяжения, простирающиеся на северо-запад, шириной до 12 см (4,7 дюйма) в бетонном водосбросе , ведущем к Австрийской плотине, северном устое .

Боковой режим распространения обрушения грунта, Лома Приета

Сотрясение грунта вызвало разжижение почвы в подземном слое песка , что вызвало дифференциальное боковое и вертикальное движение в вышележащем панцире из несжиженного песка и ила . Этот тип разрушения грунта , называемый боковым распространением , является основной причиной землетрясений, связанных с разжижением.

Диагональные трещины в балках и колоннах опор, землетрясение в Сычуани 2008 г.

Сильно поврежденное здание Банка сельскохозяйственного развития Китая после землетрясения в провинции Сычуань в 2008 году : большая часть балок и колонн опор срезана . Большие диагональные трещины в каменной кладке и облицовке возникают из-за плоских нагрузок, а резкое оседание правого конца здания следует отнести к свалке , которая может быть опасной даже без землетрясения.

Цунами обрушилось на Ао Нанг

Двойное воздействие цунами : морских волн гидравлическое давление и наводнение . Так, землетрясение в Индийском океане 26 декабря 2004 года с эпицентром у западного побережья Суматры , Индонезия, спровоцировало серию разрушительных цунами, унесших жизни более 230 000 человек в одиннадцати странах, затопив окружающие прибрежные поселения огромными волнами силой до 30 баллов. метров (100 футов) в высоту.

Сейсмостойкая конструкция

Дополнительная информация: Сейсмостойкие конструкции.

Сейсмическое строительство означает реализацию сейсмического проектирования , позволяющего строительным и нестроительным конструкциям выдержать ожидаемое воздействие землетрясения в соответствии с ожиданиями и в соответствии с применимыми строительными нормами и правилами .

Строительство X-образных распорок Pearl River Tower для защиты от боковых сил землетрясений и ветров.

Проектирование и строительство тесно связаны. Для достижения хорошего качества детализация элементов и их соединений должна быть максимально простой. Как и любое строительство в целом, сейсмическое строительство представляет собой процесс, который состоит из строительства, модернизации или монтажа инфраструктуры с учетом имеющихся строительных материалов.

Дестабилизирующее воздействие землетрясения на сооружения может быть прямым (сейсмическое движение грунта) или косвенным (вызванные землетрясением оползни, разжижение грунта и волны цунами).

Конструкция может иметь все признаки устойчивости, но при этом нести в себе ничего, кроме опасности в случае землетрясения. Важным фактом является то, что для безопасности сейсмостойкие методы строительства так же важны, как контроль качества и использование правильных материалов. Подрядчик по сейсмическим работам должен быть зарегистрирован в штате/провинции/стране места реализации проекта (в зависимости от местных правил), иметь залог и застрахован. .

Чтобы свести к минимуму возможные потери , процесс строительства следует организовать с учетом того, что землетрясение может произойти в любой момент до окончания строительства.

Для каждого строительного проекта требуется квалифицированная команда профессионалов, разбирающихся в основных особенностях сейсмостойкости различных сооружений, а также управления строительством .

Структуры Adobe

Частично обрушившееся глинобитное здание в Уэстморленде, Калифорния.

Около тридцати процентов населения мира живет или работает в земляных постройках. саманного типа Сырцовый кирпич – один из старейших и наиболее широко используемых строительных материалов. Использование самана очень распространено в некоторых наиболее подверженных опасностям регионах мира, традиционно в Латинской Америке, Африке, Индийском субконтиненте и других частях Азии, Ближнего Востока и Южной Европы.

Здания из самана считаются очень уязвимыми при сильных землетрясениях. Однако существует множество способов сейсмического усиления новых и существующих глинобитных построек.

Ключевые факторы улучшения сейсмических характеристик саманные конструкции это:

• Качество строительства.
• Компактная конструкция коробчатого типа.
• Сейсмическое армирование.

Постройки из известняка и песчаника

Изолированное от базы здание города и округа, Солт-Лейк-Сити , Юта

Известняк очень распространен в архитектуре, особенно в Северной Америке и Европе. Многие достопримечательности по всему миру построены из известняка. Многие средневековые церкви и замки в Европе построены из известняка и песчаника . Это долговечные материалы, но их довольно большой вес не способствует обеспечению адекватных сейсмических характеристик.

Применение современных технологий при сейсмической модернизации может повысить живучесть неармированных каменных конструкций. Например, с 1973 по 1989 год здание округа Солт-Лейк-Сити в штате Юта было полностью отремонтировано и отремонтировано с упором на сохранение исторической точности внешнего вида. Это было сделано одновременно с сейсмической модернизацией, в результате которой слабая конструкция из песчаника была помещена на изоляционный фундамент, чтобы лучше защитить ее от землетрясений.

Деревянные каркасные конструкции

Дом Анны Хвиде , Дания (1560 г.)

Деревянный каркас возник тысячи лет назад и использовался во многих частях мира в различные периоды, например, в древней Японии, Европе и средневековой Англии в местах, где древесина была в достаточном количестве, а строительный камень и навыки для его обработки отсутствовали.

Использование деревянного каркаса в зданиях обеспечивает их полный скелетный каркас, что дает некоторые структурные преимущества, поскольку деревянный каркас, если он правильно спроектирован, обеспечивает лучшую сейсмическую выживаемость .

Легкокаркасные конструкции

Двухэтажный деревянный каркас для конструкции жилого дома.

Конструкции с легким каркасом обычно приобретают сейсмостойкость за счет из жесткой фанеры стенок и диафрагм из деревянных структурных панелей . Специальные условия для систем, устойчивых к сейсмическим нагрузкам, для всех инженерных деревянных конструкций требуют учета коэффициентов диафрагмы, горизонтальных и вертикальных сдвигов диафрагмы, а также соединителей / крепежей значений . Кроме того, требуются коллекторы или распорки для распределения сдвига по длине диафрагмы.

Армированные каменные конструкции

Армированная пустотелая каменная стена

Строительная система, в которой арматура заделывается в растворные швы кладки стальная или помещается в отверстия и заполняется бетоном или раствором, называется армированной каменной кладкой . Существуют различные методы и методы укрепления каменной кладки. Наиболее распространенным типом является армированная пустотелая кладка .

Для достижения пластичного поведения каменной кладки необходимо, чтобы на сдвиг прочность стены превышала прочность на изгиб . Эффективность как вертикального, так и горизонтального армирования зависит от типа и качества каменной кладки и раствора .

Разрушительное землетрясение в Лонг-Бич в 1933 году показало, что каменная кладка склонна к повреждению при землетрясении, что привело к тому, что Кодекс штата Калифорния сделал армирование каменной кладки обязательным на всей территории Калифорнии.

Железобетонные конструкции

Пешеходный мост с напряженной лентой через реку Роуг, Грантс-Пасс, Орегон

из предварительно напряженного железобетона Вантовый мост через реку Янцзы

Железобетон — это бетон, в который стальные арматурные стержни ( арматура ) или волокна включены для усиления материала, который в противном случае был бы хрупким . Его можно использовать для изготовления балок , колонн , полов или мостов.

Предварительно напряженный бетон — это разновидность железобетона, используемая для преодоления естественной слабости бетона при растяжении. Его можно применять к балкам , перекрытиям или мостам с более длинными пролетами, чем это практично для обычного железобетона. Предварительно напряженные арматуры (обычно из высокопрочных стальных тросов или стержней) используются для обеспечения зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение , компенсирующее растягивающее напряжение, которое в противном случае испытал бы бетонный сжимающий элемент из-за изгибающей нагрузки.

Чтобы предотвратить катастрофическое обрушение в результате сотрясения земли (в интересах безопасности жизни), традиционный железобетонный каркас должен иметь пластичные соединения. В зависимости от используемых методов и приложенных сейсмических сил такие здания могут быть пригодны к немедленному использованию, требовать капитального ремонта или могут быть снесены.

Предварительно напряженные конструкции

Предварительно напряженная конструкция – это такая конструкция, общая целостность , устойчивость и безопасность которой зависят, прежде всего, от предварительного напряжения . Предварительное напряжение означает намеренное создание постоянных напряжений в конструкции с целью улучшения ее характеристик в различных условиях эксплуатации.

Естественно предварительно сжатая внешняя стена Колизея , Рим.

Существуют следующие основные виды предварительного напряжения:

• Предварительное сжатие (чаще всего собственным весом конструкции)
• Предварительное натяжение с помощью высокопрочных закладных тросов
• Последующее натяжение с помощью высокопрочных связанных или несвязанных сухожилий.

Сегодня концепция предварительно напряженных конструкций широко используется при проектировании зданий , подземных сооружений, телебашен, электростанций, плавучих хранилищ и морских объектов, корпусов ядерных реакторов и многочисленных видов мостовых систем.

Полезная идея предварительного напряжения , по-видимому, была знакома древнеримским архитекторам; посмотрите, например, на высокую чердачную стену Колизея, служащую стабилизирующим устройством для опор стены под ней.

Стальные конструкции

Обрушившаяся часть моста Сан-Франциско-Окленд через залив в результате землетрясения в Лома-Приета.

Стальные конструкции считаются в основном сейсмостойкими, но случались и некоторые разрушения. Большое количество зданий со сварным стальным каркасом, выдерживающим момент , которые выглядели сейсмостойкими, на удивление оказались хрупкими и были серьезно повреждены во время землетрясения в Нортридже в 1994 году . После этого Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) инициировало разработку методов ремонта и новых подходов к проектированию, чтобы минимизировать повреждение зданий со стальным каркасом при будущих землетрясениях.

Для сейсмического проектирования стальных конструкций на основе подхода расчета коэффициентов нагрузки и сопротивления (LRFD) очень важно оценить способность конструкции развивать и поддерживать свое несущее сопротивление в неупругом диапазоне. Мерой этой способности является пластичность , которую можно наблюдать в самом материале , в структурном элементе или во всей конструкции .

В результате землетрясения в Нортридже Американский институт стальных конструкций представил стандарт AISC 358 «Предварительно проверенные соединения для специальных и промежуточных стальных моментных рам». Положения AISC по сейсмическому проектированию требуют, чтобы во всех стальных моментоустойчивых рамах использовались либо соединения, указанные в AISC 358, либо соединения, прошедшие предварительные квалификационные циклические испытания.

Прогнозирование потерь от землетрясения

Оценка потерь от землетрясения обычно определяется как коэффициент ущерба ( DR ), который представляет собой отношение стоимости ремонта ущерба, нанесенного землетрясением, к общей стоимости здания. Вероятные максимальные потери ( PML ) — это общий термин, используемый для оценки потерь при землетрясении, но ему не хватает точного определения. В 1999 году было выпущено ASTM E2026 «Стандартное руководство по оценке повреждений зданий при землетрясениях» с целью стандартизировать номенклатуру оценки сейсмических потерь, а также установить руководящие принципы в отношении процесса проверки и квалификации рецензента.

Оценки потерь от землетрясения также называются оценками сейсмического риска . Процесс оценки риска обычно включает в себя определение вероятности различных колебаний грунта в сочетании с уязвимостью или повреждением здания под воздействием этих движений грунта. Результаты определяются как процент восстановительной стоимости здания.

См. также

• Анкерная пластина
• Научно-исследовательский институт сейсмостойкости
• Сейсмостойкие конструкции
• Управление в чрезвычайных ситуациях
• Фасад
• Геотехническая инженерия
• Международный институт сейсмической инженерии и сейсмологии
• Список международных коэффициентов ускорения землетрясений
• Национальный центр исследований сейсмостойкости
• Вероятностная оценка риска
• Шкалы сейсмической интенсивности
• Шкалы сейсмических магнитуд
• Сейсмическая реакция полигона
• Сейсмическая модернизация
• Реакция на сейсмическую площадку
• Взаимодействие структуры почвы
• Спектральное ускорение

Внешние ссылки

• Сейсмостойкое проектирование в Керли
• Научно-исследовательский институт сейсмостойкости
• Консорциум университетов по исследованиям в области сейсмической инженерии (CUREE)
• NHERI: Инфраструктура инженерных исследований стихийных бедствий
• Землетрясения и сейсмическая инженерия в Библиотеке Конгресса
• Проект исследования рисков инфраструктуры в Университете Британской Колумбии, Ванкувер, Канада. Архивировано 18 декабря 2019 г. в Wayback Machine.