Сейсмическая модернизация

Для более широкого освещения этой темы см. Сейсмостойкое проектирование .

Сейсмическая модернизация – это модификация существующих конструкций , чтобы сделать их более устойчивыми к сейсмической активности , движению грунта или разрушению грунта в результате землетрясений . Благодаря лучшему пониманию сейсмических требований к конструкциям и недавнему опыту сильных землетрясений вблизи городских центров, необходимость сейсмической модернизации общепризнана. До введения современных сейсмических норм в конце 1960-х годов для развитых стран (США, Япония и т. д.) и в конце 1970-х годов для многих других частей мира (Турция, Китай и т. д.) многие конструкции были спроектированы без должной детализации и усиления сейсмической защиты. Ввиду надвигающейся проблемы были проведены различные исследовательские работы. Во всем мире опубликованы новейшие технические руководства по сейсмической оценке, модернизации и восстановлению, такие как ASCE-SEI 41. и рекомендации Новозеландского общества сейсмостойкой инженерии (NZSEE). Эти коды должны регулярно обновляться; Например, землетрясение в Нортридже в 1994 году выявило хрупкость сварных стальных рам.

Методы модернизации, описанные здесь, также применимы к другим опасным природным явлениям, таким как тропические циклоны , торнадо и сильные ветры , вызванные грозами . Хотя текущая практика сейсмостойкой модернизации преимущественно связана с конструктивными усовершенствованиями для снижения сейсмической опасности использования конструкций, не менее важно снизить опасности и потери от ненесущих элементов. Также важно помнить, что не существует такого понятия, как сейсмостойкая конструкция, хотя сейсмические характеристики можно значительно повысить за счет правильного первоначального проектирования или последующих модификаций.

заполнения Сдвиговые фермы - общежитие Калифорнийского университета, Беркли.

Усиление фермой на 1 этаже в кондоминиуме в Токио

Внешнее крепление существующего железобетонного гаража (Беркли)

Автовокзал Port Authority в Нью-Йорке

Стратегии

Стратегии сейсмической модернизации (или реабилитации) были разработаны в последние несколько десятилетий после введения новых положений по сейсмостойкости и доступности современных материалов (например, армированных волокном полимеров (FRP) , армированного волокном бетона и высокопрочной стали).

• Увеличение глобального потенциала (усиление). Обычно это делается путем добавления поперечных раскосов или новых несущих стен.
• Снижение сейсмических требований за счет дополнительного демпфирования и/или использования систем изоляции основания .
• Увеличение местной емкости элементов конструкции. Эта стратегия признает внутреннюю способность существующих структур и, следовательно, применяет более экономичный подход к выборочному повышению локальной способности (деформация/пластичность, прочность или жесткость) отдельных структурных компонентов.
• Выборочная ослабляющая модернизация. Это противоречащая здравому смыслу стратегия изменения неэластичного механизма конструкции, признающая при этом присущую конструкции способность.
• Обеспечение скользящих соединений, таких как переходные мосты, для обеспечения дополнительного перемещения между сейсмически независимыми конструкциями.
• Добавлены демпферы сейсмического трения для одновременного усиления демпфирования и дополнительной жесткости по выбору.

В последнее время изучаются более целостные подходы к модернизации зданий, включая комбинированную сейсмическую и энергетическую модернизацию. Такие комбинированные стратегии направлены на экономию средств за счет одновременного применения мер по энергетической модернизации и сейсмостойкости, тем самым улучшая сейсмические и тепловые характеристики зданий.

Цели производительности

В прошлом сейсмическая модернизация в основном применялась для обеспечения общественной безопасности, а инженерные решения были ограничены экономическими и политическими соображениями. Однако с развитием сейсмостойкого проектирования, основанного на характеристиках (PBEE), постепенно выделяются несколько уровней целей эффективности:

• Только общественная безопасность. Цель состоит в том, чтобы защитить человеческую жизнь, гарантируя, что конструкция не обрушится на ее жителей или прохожих, а также чтобы из конструкции можно было безопасно выйти. В тяжелых сейсмических условиях конструкция может быть полностью списана с экономической точки зрения и потребует сноса и замены.
• Живучесть конструкции. Цель состоит в том, чтобы сооружение, оставаясь безопасным для выхода, могло потребовать масштабного ремонта (но не замены), прежде чем оно станет вообще полезным или будет признано безопасным для проживания. Обычно это самый низкий уровень модернизации мостов.
• Функциональность структуры. Первичная структура не повреждена, и ее полезность для основного применения не уменьшилась. Высокий уровень модернизации гарантирует, что любой необходимый ремонт будет только «косметическим» — например, незначительные трещины в штукатурке , гипсокартоне и штукатурке . Это минимально приемлемый уровень модернизации больниц .
• Структура не затронута. Этот уровень модернизации предпочтителен для исторических сооружений, имеющих большое культурное значение.

Техники

Общие методы сейсмической модернизации делятся на несколько категорий:

Один из многих «сейсмических болтов», обнаруженных в старинных домах в городе Чарльстон после землетрясения в Чарльстоне 1886 года. Их можно было затягивать и ослаблять, чтобы поддерживать дом, без необходимости сносить дом иным образом из-за нестабильности. Болты непосредственно свободно соединялись с несущим каркасом дома.

Внешнее пост-натяжение

Использование внешнего пост-напряжения для новых структурных систем было разработано в последнее десятилетие. ПОД ПРЕССОМ (Сборные сейсмические конструктивные системы), В рамках крупномасштабной совместной исследовательской программы США и Японии были использованы несвязанные высокопрочные стальные арматуры с последующим натяжением для создания системы, сопротивляющейся моменту, обладающей способностью к самоцентрированию. Расширение той же идеи для сейсмической модернизации было экспериментально проверено на сейсмической модернизации калифорнийских мостов в рамках исследовательского проекта Caltrans. и для сейсмической модернизации каркасов из непластичного железобетона. Предварительное напряжение может увеличить несущую способность конструктивных элементов, таких как балки, колонны и соединения балок с колоннами. Внешнее предварительное напряжение используется для модернизации конструкции при гравитационных/подвижных нагрузках с 1970-х годов.

Базовые изоляторы

Основная статья: Изоляция базы

Изоляция основания — это совокупность конструктивных элементов здания , которые должны существенно изолировать конструкцию здания от трясущегося грунта, тем самым защищая целостность здания и повышая его сейсмические характеристики . Эта технология сейсмического проектирования , которая представляет собой своего рода контроль сейсмической вибрации , может применяться как к вновь проектируемому зданию, так и к сейсмической модернизации существующих конструкций. Обычно раскопки производятся вокруг здания и отделяют его от фундамента. Стальные или железобетонные балки заменяют соединения с фундаментами, а под ними изолирующие прокладки или изоляторы основания заменяют удаленный материал. Хотя изоляция основания имеет тенденцию ограничивать передачу колебаний грунта зданию, она также удерживает здание в правильном положении над фундаментом. Требуется пристальное внимание к деталям там, где здание соприкасается с землей, особенно у входов, лестниц и пандусов, чтобы обеспечить достаточное относительное движение этих структурных элементов.

Дополнительные амортизаторы

Дополнительные демпферы поглощают энергию движения и преобразуют ее в тепло, гася тем самым резонансные воздействия в конструкциях, жестко прикрепленных к земле. Помимо увеличения способности конструкции рассеивать энергию, дополнительное демпфирование может уменьшить потребность в смещении и ускорении внутри конструкции. В некоторых случаях угроза повреждения исходит не от самого первоначального толчка, а скорее от периодического резонансного движения конструкции, которое вызывает повторяющееся движение грунта. В практическом смысле дополнительные амортизаторы действуют аналогично амортизаторам, используемым в автомобильных подвесках .

Настроенные массовые демпферы

В амортизаторах настроенной массы (TMD) используются подвижные грузы на своего рода пружинах. Обычно они используются для уменьшения влияния ветра в очень высоких и легких зданиях. Подобные конструкции могут быть использованы для придания сейсмостойкости восьми-десятиэтажным зданиям, склонным к разрушительным резонансам, вызванным землетрясениями.

Слякотный бак

Резервуар для выплескивания — это большой контейнер с жидкостью низкой вязкости (обычно водой), который можно разместить в местах конструкции, где боковые раскачивания являются значительными, например, на крыше, и настроить для противодействия локальному резонансному динамическому движению. Во время сейсмического (или ветрового) явления жидкость в резервуаре будет раскачиваться взад и вперед, причем движение жидкости обычно направляется и контролируется внутренними перегородками – перегородками, которые предотвращают резонанс самого резервуара с конструкцией, см. Динамика выплескивания . Чистая динамическая реакция всей конструкции снижается как из-за противодействующего движения массы, так и из-за рассеивания энергии или гашения вибрации, которые происходят, когда кинетическая энергия жидкости преобразуется в тепло с помощью перегородок. Как правило, повышение температуры в системе будет минимальным и система пассивно охлаждается окружающим воздухом. One Rincon Hill в Сан-Франциско — это небоскреб с резервуаром для выплесков на крыше, который был спроектирован в первую очередь для уменьшения величины боковых раскачиваний от ветра. Сляш-танк — это пассивный настроенный массовый демпфер . Чтобы быть эффективной, масса жидкости обычно составляет порядка 1–5% от массы, которой она противодействует, и часто для этого требуется значительный объем жидкости. В некоторых случаях эти системы предназначены для использования в качестве аварийных цистерн с водой для тушения пожара.

Активная система управления

Очень высокие здания (« небоскребы »), построенные с использованием современных легких материалов, могут некомфортно (но не опасно) раскачиваться при определенных ветровых условиях. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы разместить на каком-то верхнем этаже большую массу, ограниченную, но свободно перемещающуюся в ограниченном диапазоне и перемещающуюся на какой-либо несущей системе, такой как воздушная подушка или гидравлическая пленка. Гидравлические поршни , приводимые в действие электрическими насосами и аккумуляторами, активно приводятся в действие, противодействуя силам ветра и естественным резонансам. Они также могут, если они правильно спроектированы, быть эффективными в борьбе с чрезмерным движением – с приложенной силой или без нее – во время землетрясения. Однако в целом современные высотные здания со стальным каркасом не так подвержены опасному движению, как здания средней этажности (от восьми до десяти этажей ), поскольку резонансный период высокого и массивного здания длиннее, чем удары, возникающие примерно в одну секунду. землетрясение.

Специальное добавление структурной поддержки/армирования

Наиболее распространенной формой сейсмической модернизации нижних зданий является добавление прочности существующей конструкции для противостояния сейсмическим воздействиям. Усиление может быть ограничено соединениями между существующими элементами здания или может включать добавление основных противостоящих элементов, таких как стены или каркасы, особенно на нижних этажах. Обычные меры по модернизации зданий из неармированной кладки на западе США включают добавление стальных каркасов, добавление железобетонных стен и, в некоторых случаях, добавление изоляции основания.

Соединения между зданиями и их расширения

Зачастую пристройки к зданию не сильно связаны с существующей конструкцией, а просто располагаются рядом с ней, с незначительной непрерывностью пола, сайдинга и крыши. В результате резонансный период добавки может отличаться от исходной структуры, и они могут легко отделяться друг от друга. Относительное движение приведет к столкновению двух частей, что приведет к серьезному повреждению конструкции. Сейсмическая модификация либо жестко свяжет два компонента здания вместе, чтобы они вели себя как единая масса, либо будет использовать демпферы для расходования энергии относительного движения с соответствующими поправками на это движение, такими как увеличение расстояния и раздвижные мосты между секциями.

Наружные бетонные колонны

Исторические здания, построенные из неармированной каменной кладки, могут иметь важные с культурной точки зрения детали интерьера или фрески, которые не следует нарушать. В этом случае решением может быть установка снаружи нескольких стальных, железобетонных или постнапряженных бетонных колонн. Особое внимание необходимо уделять соединениям с другими элементами, такими как опоры, верхние пластины и фермы крыши.

Заполняющие сдвиговые фермы

 

Здесь показана наружная поперечная арматура обычного железобетонного здания общежития. В этом случае колонны здания имели достаточную вертикальную прочность и достаточную прочность на сдвиг на нижних этажах, поэтому требовалось лишь ограниченное армирование на сдвиг, чтобы сделать его сейсмостойким для этого места рядом с разломом Хейворд .

Массивная внешняя конструкция

 

В других обстоятельствах требуется гораздо большее усиление. В конструкции, показанной справа — гараже над магазинами — размещение, детализация и покраска арматуры сами по себе становятся архитектурным украшением.

Типичные решения по модернизации

Мягкая история провала

Основная статья: Мягкое сюжетное здание

Частичный отказ из-за неадекватной конструкции сдвига на уровне гаража. Повреждения в Сан-Франциско в результате события в Лома Приета .

Этот режим свертывания известен как мягкое свертывание истории . Во многих зданиях первый этаж предназначен для иного использования, чем верхние уровни. Невысокие жилые постройки могут быть построены над гаражом, имеющим большие двери с одной стороны. В отелях может быть высокий первый этаж, позволяющий разместить парадный вход или бальные залы. В офисных зданиях на первом этаже могут располагаться магазины розничной торговли со сплошными витринами .

Традиционный сейсмический расчет предполагает, что нижние этажи здания прочнее верхних; в противном случае - если нижний этаж менее прочный, чем верхняя конструкция - конструкция не будет реагировать на ожидаемые землетрясения. мода. Используя современные методы проектирования, можно учесть слабый нижний этаж. Несколько аварий такого типа в одном большом жилом комплексе стали причиной большинства смертей во время землетрясения в Нортридже в 1994 году .

Обычно при возникновении проблем такого типа слабый этаж армируют, чтобы сделать его более прочным, чем этажи выше, путем добавления стенок сдвига или моментных рам. Моментные рамы, состоящие из перевернутых U- образных изгибов, полезны для сохранения доступа к нижнему гаражу, в то время как более дешевое решение может заключаться в использовании несущих стенок или ферм в нескольких местах, что частично снижает полезность для автомобильной парковки, но все же позволяет использовать пространство для другое хранилище.

Соединения балок и колонн

Стальное усиление углового соединения и высокопрочные стержни с залитой в бетон противовзрывной оболочкой внизу.

Соединения балок и колонн являются распространенным конструктивным недостатком при сейсмической модернизации. До введения современных сейсмических норм и правил в начале 1970-х годов соединения балок и колонн обычно не проектировались и не проектировались. Лабораторные испытания подтвердили сейсмическую уязвимость этих плохо детализированных и недостаточно спроектированных соединений. Нарушение соединений балок и колонн обычно может привести к катастрофическому обрушению каркаса здания, что часто наблюдается при недавних землетрясениях.

Для железобетонных соединений балок и колонн за последние 20 лет были предложены и опробованы различные решения по модернизации. С философской точки зрения, различные стратегии сейсмической модернизации, обсуждавшиеся выше, могут быть реализованы для железобетонных соединений. Бетонная или стальная оболочка была популярным методом модернизации до появления композитных материалов, таких как полимер, армированный углеродным волокном (FRP). Композитные материалы, такие как углеродный стеклопластик и арамический стеклопластик, с некоторым успехом были тщательно протестированы на предмет использования в сейсмостойкой модернизации. Один из новых методов включает в себя использование выборочного ослабления балки и добавление внешнего пост-напряжения соединения. для достижения изгибного шарнира в балке, что более желательно с точки зрения сейсмического расчета.

Широко распространенные разрушения сварных швов на стыках балок и колонн в стальных зданиях малой и средней этажности во время землетрясения в Нортридже в 1994 году, например, продемонстрировали структурные недостатки этих «современно спроектированных» сварных соединений, сопротивляющихся моменту, созданных после 1970-х годов. Последующий исследовательский проект SAC [4] задокументировал, протестировал и предложил несколько решений по модернизации этих сварных стальных моментоустойчивых соединений. Для этих сварных соединений были разработаны различные решения по модернизации, такие как а) усиление сварных швов и б) добавление стального фланца в форме ступни или собачьей кости.

После землетрясения в Нортридже в ряде зданий со стальным каркасом были обнаружены хрупкие разрушения соединений балок с колоннами. Обнаружение этих неожиданных хрупких разрушений соединений каркаса вызвало тревогу среди инженеров и строительной индустрии. Начиная с 1960-х годов инженеры начали рассматривать здания со сварным стальным каркасом как одну из наиболее пластичных систем, предусмотренных строительными нормами. Многие инженеры полагали, что здания со стальным моментным каркасом по существу неуязвимы для повреждений, вызванных землетрясением, и полагали, что в случае возникновения повреждения оно будет ограничено пластической текучестью элементов и соединений. Наблюдение за ущербом, нанесенным зданиям во время землетрясения в Нортридже в 1994 году, показало, что, вопреки запланированному поведению, во многих случаях хрупкие разрушения инициировались внутри соединений при очень низком уровне потребности в пластике. В сентябре 1994 года совместное предприятие SAC, AISC, AISI и NIST совместно созвали международный семинар в Лос-Анджелесе, чтобы скоординировать усилия различных участников и заложить основу для систематического исследования и решения проблемы. В сентябре 1995 года совместное предприятие SAC заключило контрактное соглашение с FEMA на выполнение второго этапа проекта SAC Steel. В рамках фазы II компания SAC продолжила обширное проблемно-ориентированное исследование характеристик моментоустойчивых стальных рам и соединений различных конфигураций с конечной целью разработки критериев сейсмического проектирования для стальных конструкций. В результате этих исследований теперь известно, что типичная моментоустойчивая соединительная деталь, использовавшаяся в конструкции стальной моментной рамы до землетрясения в Нортридже в 1994 году, имела ряд особенностей, которые делали ее по своей природе подверженной хрупкому разрушению.

Разрушение при сдвиге внутри диафрагмы пола

Полы в деревянных зданиях обычно строятся на относительно глубоких деревянных пролетах, называемых балками , покрытых диагональными деревянными досками или фанерой, образующими черновой пол, на который укладывается чистовая поверхность пола. Во многих структурах все они ориентированы в одном направлении. Чтобы балки не опрокидывались на бок, на каждом конце используется блокировка, а для дополнительной жесткости между балками в одной или нескольких точках их пролетов можно размещать блокировку или диагональные деревянные или металлические распорки. На внешнем крае обычно используется одинаковая глубина блокировки и общая балка по периметру.

Если блокировка или гвозди недостаточны, каждую балку можно уложить ровно за счет срезающих усилий, приложенных к зданию. В этом положении им не хватает большей части своей первоначальной прочности, и конструкция может в дальнейшем разрушиться. В рамках модернизации блокировку можно увеличить вдвое, особенно на внешних краях здания. Может оказаться целесообразным добавить дополнительные гвозди между подоконной пластиной стены по периметру, возведенной на диафрагме пола, хотя для этого потребуется обнажить подоконную пластину путем удаления внутренней штукатурки или внешнего сайдинга. Поскольку подоконная пластина может быть довольно старой и сухой и необходимо использовать прочные гвозди, может потребоваться предварительно просверлить отверстие для гвоздя в старой древесине, чтобы избежать раскола. Когда для этой цели стена открывается, может быть также целесообразно прикрепить вертикальные элементы стены к фундаменту с помощью специальных соединителей и болтов , приклеенных эпоксидным цементом в отверстия, просверленные в фундаменте.

Соскальзывание с фундамента и разрушение «повреждённой стены»

Дом съехал с фундамента

Обрушение низкой разрушенной стены и отрыв конструкции от бетонной лестницы

Одно- или двухэтажные жилые постройки с деревянным каркасом, построенные на фундаменте по периметру или на плитном фундаменте, относительно безопасны при землетрясении, но во многих строениях, построенных до 1950 года, подоконная пластина, которая находится между бетонным фундаментом и диафрагмой перекрытия (фундамент по периметру) или каркасной стеной (плитный фундамент) может быть недостаточно закреплен болтами. Кроме того, старые крепления (без существенной защиты от коррозии) могли подвергнуться коррозии до точки слабости. Боковой удар может полностью сдвинуть здание с фундамента или плиты.

Часто такие здания, особенно если они построены на умеренном уклоне, возводятся на платформе, соединенной с фундаментом по периметру низкими каркасными стенами, называемыми «каленой стеной» или «пин-ап» . Эта конструкция с низкой стеной сама по себе может разрушиться при сдвиге или в соединениях с собой по углам, что приведет к тому, что здание сдвинется по диагонали и обрушит низкие стены. Вероятность выхода из строя пин-ап можно уменьшить, обеспечив хорошее усиление углов при сдвиге и хорошее соединение панелей друг с другом через угловые стойки. Для этого требуется листовая фанера конструкционного класса, часто обработанная для защиты от гниения. Этот сорт фанеры изготавливается без внутренних незаполненных сучков и с большим количеством более тонких слоев, чем обычная фанера. В новых зданиях, спроектированных так, чтобы противостоять землетрясениям, обычно используются OSB ( ориентированно-стружечные плиты ), иногда с металлическими соединениями между панелями и с хорошо прикрепленной штукатуркой для повышения их эксплуатационных характеристик. Во многих современных домах, особенно построенных на обширном (глинистом) грунте, здание построено на единой и относительно толстой монолитной плите, удерживаемой в целости с помощью высокопрочных стержней, которые подвергаются напряжению после затвердевания плиты. Это постнапряжение подвергает бетон сжатию – состоянию, при котором он чрезвычайно прочен на изгиб и поэтому не растрескивается при неблагоприятных почвенных условиях.

Несколько опор в неглубоких ямах

Некоторые старые недорогие конструкции возводятся на конических бетонных пилонах, установленных в неглубоких ямах. Этот метод часто используется для крепления наружных настилов к существующим зданиям. Это наблюдается в условиях влажной почвы, особенно в тропических условиях, поскольку под домом остается сухое вентилируемое пространство, а также в условиях вечной мерзлоты (замерзшей грязи) на крайнем севере, поскольку она предохраняет тепло здания от дестабилизации грунта под ним. Во время землетрясения пилоны могут опрокинуться, и здание рухнет на землю. Эту проблему можно решить, используя глубокие отверстия для установки монолитных армированных пилонов, которые затем прикрепляются к панели пола в углах здания. Другой метод заключается в добавлении достаточного количества диагональных связей или секций бетонной стены между пилонами.

Железобетонная колонна лопнула

Колонна с рубашкой и цементным раствором слева, без изменений справа

Железобетонные колонны обычно содержат вертикальную арматуру большого диаметра (арматурные стержни), расположенную в виде кольца и окруженную обручами из арматуры более легкого диаметра. После анализа отказов из-за землетрясений выяснилось, что слабость заключалась не в вертикальных стержнях, а, скорее, в недостаточной прочности и количестве обручей. Как только целостность обручей нарушается, вертикальный арматурный стержень может прогнуться наружу, создавая нагрузку на центральную колонну бетона. Бетон затем просто рассыпается на мелкие кусочки, теперь не ограниченные окружающей арматурой. В новом строительстве используется большее количество обручеобразных конструкций.

Одна из простых модификаций — окружить колонну кожухом из стальных пластин, сформированных и сваренных в один цилиндр. Затем пространство между рубашкой и колонной заполняется бетоном. Этот процесс называется цементацией. Если условия почвы или конструкции требуют такой дополнительной модификации, дополнительные сваи могут быть забиты рядом с основанием колонны, а бетонные подушки, соединяющие сваи с пилоном, изготавливаются на уровне земли или ниже. В показанном примере не все колонны необходимо модифицировать, чтобы обеспечить достаточную сейсмостойкость для ожидаемых условий. (Это место находится примерно в миле от зоны разлома Хейворд .)

Железобетонная стена лопнула

Бетонные стены часто используются на переходе между надземной насыпью и эстакадными конструкциями. Стена используется как для удержания почвы и, таким образом, позволяет использовать более короткий пролет, так и для передачи веса пролета непосредственно вниз на опоры в ненарушенной почве. Если эти стены неадекватны, они могут рухнуть под воздействием движения грунта, вызванного землетрясением.

Одна из форм модернизации — просверлить множество отверстий в поверхности стены и прикрепить короткие L -образные отрезки арматуры к поверхности каждого отверстия с помощью эпоксидного клея . Затем к новым элементам крепят дополнительную вертикальную и горизонтальную арматуру, возводят опалубку и заливают дополнительный слой бетона. Эту модификацию можно комбинировать с дополнительными опорами в выкопанных траншеях, а также с дополнительными опорными ригелями и подвязками для сохранения пролета ограничивающих стен.

Повреждения каменных (заполненных) стен

В каменных конструкциях кирпичные строительные конструкции армируются покрытиями из стекловолокна и соответствующей смолы (эпоксидной или полиэфирной). На нижних этажах их можно наносить на всю открытую поверхность, а на верхних этажах — на узкие участки вокруг оконных и дверных проемов. Это приложение обеспечивает прочность на растяжение, которая укрепляет стену от изгиба в сторону, где установлено приложение. Эффективная защита всего здания требует тщательного анализа и проектирования для определения подходящих мест, подлежащих обработке.

В железобетонных зданиях каменные стены заполнения считаются ненесущими элементами, но повреждение заполнений может привести к большим затратам на ремонт и изменить поведение конструкции, даже приводя к вышеупомянутым разрушениям при сдвиге в соединениях мягких этажей или балок с колоннами. Локальное разрушение панелей заполнения из-за механизмов, находящихся в плоскости и вне плоскости, а также из-за их комбинации может привести к внезапному падению несущей способности и, следовательно, вызвать глобальное хрупкое разрушение конструкции. Даже при землетрясениях меньшей интенсивности повреждение заполненных каркасов может привести к большим экономическим потерям и человеческим жертвам.

Чтобы предотвратить повреждение и выход из строя каменного заполнения, типичные стратегии модернизации направлены на усиление заполнения и обеспечение адекватного соединения с каркасом. Примеры методов модернизации каменной кладки включают армированные сталью штукатурки, инженерные цементные композиты , тонкие слои армированных волокном полимеров (FRP), а в последнее время также минометы, армированные тканью (ТРМ).

Поднимать

Там, где влажная или плохо консолидированная аллювиальная почва образует «пляжную» структуру с нижележащим твердым материалом, сейсмические волны, проходящие через аллювиум, могут усиливаться, так же, как волны воды на наклонном пляже . В этих особых условиях были измерены вертикальные ускорения , вдвое превышающие силу тяжести. Если здание не закреплено на прочном фундаменте, оно может быть подброшено из фундамента (или вместе с ним) в воздух, обычно с серьезными повреждениями при приземлении. Даже если оно хорошо обосновано, более высокие части, такие как верхние этажи или конструкции крыши, или пристроенные конструкции, такие как навесы и веранды, могут отсоединиться от основной конструкции.

Передовая практика в современных сейсмостойких конструкциях требует наличия хороших вертикальных соединений во всех компонентах здания, от ненарушенного или спроектированного грунта до фундамента, подоконной пластины, вертикальных стоек и крышки пластины через каждый этаж и до конструкции крыши. Над фундаментом и подоконной пластиной соединения обычно выполняются с использованием стальных лент или штампованных листов, прибитых к деревянным элементам с помощью специальных закаленных гвоздей с высокой прочностью на сдвиг, а также тяжелых угловых штамповок, закрепленных сквозными болтами с использованием больших шайб для предотвращения прорыва. Если между подоконными пластинами и фундаментом в существующей конструкции предусмотрены неподходящие болты (или им не доверяют из-за возможной коррозии), можно добавить специальные зажимные пластины, каждая из которых крепится к фундаменту с помощью дюбелей, вставленных в отверстия, просверленные в фундаменте. открытая поверхность бетона. Остальные элементы затем необходимо прикрепить к пластинам порогов с помощью дополнительных фитингов.

Земля

Одной из самых сложных модификаций является модернизация, необходимая для предотвращения повреждений из-за разрушения грунта. Разрушение грунта может произойти на склоне, обвале склона или оползне , или на ровной местности из-за разжижения водонасыщенного песка и/или грязи. Как правило, глубокие сваи необходимо забивать в устойчивую почву (обычно в твердую грязь или песок) или в подстилающую скальную породу, либо необходимо стабилизировать склон. Для зданий, построенных на месте предыдущих оползней, практичность модернизации может быть ограничена экономическими факторами, поскольку стабилизировать большой и глубокий оползень нецелесообразно. Вероятность оползня или разрушения почвы может также зависеть от сезонных факторов, поскольку почва может быть более стабильной в начале сезона дождей, чем в начале засушливого сезона. Такой «двухсезонный» средиземноморский климат наблюдается по всей Калифорнии .

В некоторых случаях лучшее, что можно сделать, — это уменьшить поступление водного стока с более высоких и устойчивых отметок путем улавливания и обхода через каналы или трубы, а также отводить воду, проникающую непосредственно или из подземных источников, путем установки горизонтальных перфорированных труб. В Калифорнии есть множество мест, где обширные застройки были построены на архаичных оползнях, которые не двигались в исторические времена, но которые (если они одновременно насыщены водой и сотрясены землетрясением) имеют высокую вероятность массового перемещения , унося с собой целые участки оползней. загородная застройка на новые локации. Хотя самые современные конструкции дома (хорошо привязанные к монолитным бетонным фундаментным плитам, армированным натяжными тросами) могут пережить такое перемещение практически неповрежденными, здание больше не будет находиться на своем надлежащем месте.

Инженерные трубы и кабели: риски

Трубы подачи природного газа и пропана к сооружениям часто оказываются особенно опасными во время и после землетрясений. Если здание сдвинется с фундамента или упадет из-за обрушения поврежденной стены, трубы из ковкого чугуна, транспортирующие газ внутри конструкции, могут быть сломаны, обычно в местах резьбовых соединений. В этом случае газ все еще может подаваться в регулятор давления из линий более высокого давления и, таким образом, продолжать поступать в значительных количествах; затем он может воспламениться от ближайшего источника, например, от зажженной контрольной лампы или дугового электрического соединения.

Существует два основных метода автоматического ограничения потока газа после землетрясения, которые устанавливаются на стороне низкого давления регулятора и обычно после газового счетчика.

• Металлический шарик в сепараторе может быть расположен на краю отверстия. При сейсмическом ударе шар катится в отверстие, закрывая его и предотвращая поток газа. Позже шар можно будет вернуть в исходное состояние с помощью внешнего магнита . Это устройство будет реагировать только на движение земли.
• Устройство, чувствительное к расходу, можно использовать для закрытия клапана, если поток газа превышает установленный порог (очень похоже на электрический выключатель ). Это устройство будет работать независимо от сейсмических движений, но не будет реагировать на незначительные утечки, которые могут быть вызваны землетрясением.

Похоже, что наиболее безопасной конфигурацией будет последовательное использование каждого из этих устройств.

Туннели

Если туннель не проходит через разлом, который может соскользнуть, наибольшую опасность для туннелей представляет оползень, блокирующий вход. Дополнительная защита вокруг входа может быть применена для отвода любого падающего материала (аналогично тому, как это делается для отвода снежных лавин ) или можно каким-либо образом стабилизировать уклон над туннелем. Там, где ожидается падение только камней и валунов небольшого и среднего размера, весь склон может быть покрыт проволочной сеткой, прикрепленной к склону металлическими стержнями. Это также распространенная модификация разреза шоссе при наличии соответствующих условий.

Подводные трубы

Безопасность подводных труб во многом зависит от грунтовых условий, в которых был построен туннель, используемых материалов и арматуры, а также от максимального прогнозируемого землетрясения и других факторов, некоторые из которых могут оставаться неизвестными в соответствии с текущими знаниями.

БАРТ трубка

Труба, представляющая особый структурный, сейсмический, экономический и политический интерес, представляет собой BART (Bay Area Rapid Transit) трубу Transbay . Эта труба была построена на дне залива Сан-Франциско с помощью инновационного процесса. Вместо того, чтобы проталкивать щит сквозь мягкую грязь залива, труба была построена на суше по частям. Каждая секция состояла из двух внутренних туннелей поездов круглого сечения, центрального туннеля доступа прямоугольного сечения и внешней овальной оболочки, охватывающей три внутренние трубы. Промежуточное пространство было залито бетоном. На дне залива была выкопана траншея и подготовлена ​​плоская подушка из щебня для размещения секций труб. Затем секции были установлены на место и затоплены, а затем соединены болтовыми соединениями с ранее размещенными секциями. Затем на трубку поместили перелив, чтобы удерживать ее. После завершения пути от Сан-Франциско до Окленда были установлены гусеницы и электрические компоненты. Прогнозируемая реакция трубки во время сильного землетрясения была аналогична реакции цепочки (приготовленных) спагетти в миске с желатиновым десертом . Чтобы избежать перенапряжения трубы из-за дифференциальных движений на каждом конце, было установлено скользящее соединение на конечной остановке в Сан-Франциско под знаковым зданием Ferry Building .

Инженеры строительного консорциума PBTB (Parsons Brinckerhoff-Tudor-Bechtel) использовали лучшие оценки движения грунта, доступные на тот момент, которые, как теперь известно, недостаточны, учитывая современные методы вычислительного анализа и геотехнические знания. Неожиданная осадка трубки уменьшила величину проскальзывания, которую можно устранить без сбоев. Эти факторы привели к тому, что скользящее соединение было спроектировано слишком коротким, чтобы обеспечить выживание трубы при возможных (возможно, даже вероятных) сильных землетрясениях в регионе. Чтобы исправить этот недостаток, скользящее соединение необходимо удлинить, чтобы обеспечить дополнительное перемещение, и эта модификация, как ожидается, будет дорогостоящей, технически и логистически сложной. Другие модификации трубки BART включают вибрационное уплотнение переполненной трубки, чтобы избежать потенциального разжижения переполненной трубки, которое теперь завершено. (В случае сбоя перелива существует опасность подъема частей трубки снизу, что потенциально может привести к выходу из строя соединений секций.)

Модернизация моста

Мосты имеют несколько режимов отказа.

Расширительные рокеры

Многие короткие пролеты мостов статически закреплены на одном конце и прикреплены к коромыслам на другом. Этот балансир обеспечивает вертикальную и поперечную поддержку, позволяя пролету моста расширяться и сжиматься при изменении температуры. Изменение длины пролета компенсируется разрывом в проезжей части с помощью гребнеобразных компенсаторов . Во время сильного движения грунта коромысла могут соскочить со своих гусениц или выйти за пределы расчетных пределов, в результате чего мост отсоединится от точки покоя, а затем либо сместится, либо полностью выйдет из строя. Движение можно ограничить, добавив ограничители из пластичной или высокопрочной стали, которые прижимаются к балкам с помощью трения и предназначены для скольжения при экстремальных нагрузках, при этом ограничивая движение относительно крепления.

Жесткость палубы

Под оба пролета этого моста были вставлены дополнительные диагонали.

Подвесные мосты могут реагировать на землетрясения раскачиванием из стороны в сторону, превышающим то, которое было рассчитано на реакцию на порывы ветра. Такое движение может вызвать фрагментацию дорожного покрытия, повреждение подшипников, пластическую деформацию или поломку компонентов. Могут быть добавлены такие устройства, как гидравлические демпферы или зажимные скользящие соединения, а также дополнительное диагональное усиление.

Решетчатые балки, балки и связи

Устаревшие клепаные элементы решетки

Решетчатые фермы состоят из двух двутавровых балок, соединенных крест-накрест решеткой из плоской ленты или уголка. Их можно значительно усилить, заменив открытую решетку пластинчатыми элементами. Обычно это делается одновременно с заменой горячих заклепок на болты.

Замена болтовой пластинчатой ​​решетки, образующей элементы короба

Горячие заклепки

Многие старые конструкции были изготовлены путем вставки раскаленных заклепок в предварительно просверленные отверстия; Затем мягкие заклепки подвергаются наклейке с помощью пневматического молотка с одной стороны и распорки на головной части. Поскольку они медленно охлаждаются, они остаются в отожженном (мягком) состоянии, в то время как пластина, подвергнутая горячей прокатке и закалке во время производства, остается относительно твердой. При сильном напряжении твердые пластины могут срезать мягкие заклепки, что приведет к выходу соединения из строя.

Решение — выжечь каждую заклепку кислородной горелкой . Затем отверстие подготавливается до точного диаметра с помощью развертки . Специальный фиксирующий болт , состоящий из головки, стержня, соответствующего рассверленному отверстию, и конца с резьбой вставляется и фиксируется гайкой, а затем затягивается гаечным ключом . Поскольку болт изготовлен из соответствующего высокопрочного сплава , а также подвергнут термообработке, он не подвержен ни пластическому разрушению при сдвиге, типичному для горячих заклепок, ни хрупкому разрушению обычных болтов. Любое частичное разрушение будет связано с пластическим течением металла, закрепленного болтом; при правильном проектировании любой такой отказ не должен быть катастрофическим.

Заполнить и преодолеть

Надземные дороги обычно строятся на участках возвышенной земляной насыпи, соединенных мостообразными сегментами, часто поддерживаемыми вертикальными колоннами. Если грунт разрушается там, где заканчивается мост, мост может отсоединиться от остальной части проезжей части и оторваться. Модернизация для этого заключается в добавлении дополнительного усиления к любой несущей стене или в добавлении глубоких кессонов, прилегающих к краю на каждом конце, и соединении их с опорной балкой под мостом.

Другой сбой происходит, когда наполнитель на каждом конце перемещается (за счет резонансных эффектов) в противоположных направлениях. Если для эстакады недостаточно фундаментной полки, то она может упасть. Могут быть добавлены дополнительные полки и гибкие стойки для крепления эстакады к фундаментам на одном или обоих концах. Стойки могут быть не прикреплены к балкам, а прижаты к ним. При умеренной нагрузке они удерживают эстакаду по центру зазора, так что вероятность ее соскальзывания с опорной полки на одном конце снижается. Способность фиксированных концов скользить, а не ломаться, предотвратит полное падение конструкции, если она не сможет удержаться на опорах.

Виадуки

Большие участки проезжей части могут полностью состоять из виадука, участков, не имеющих связи с землей, кроме как через вертикальные колонны. При использовании бетонных колонн детализация имеет решающее значение. Типичным отказом может быть опрокидывание ряда колонн из-за нарушения соединения с грунтом или недостаточного покрытия цилиндрической части арматурой. Оба разрушения были замечены во время Великого землетрясения Хансин в 1995 году в Кобе, Япония , когда целый виадук, центрально поддерживаемый одним рядом больших колонн, был заложен в одну сторону. Такие колонны армируются путем выкапывания грунта до фундаментной подушки, забивания дополнительных свай и добавления новой, более крупной подушки, хорошо связанной с арматурой рядом с колонной или внутри нее. Колонна с недостаточным охватывающим стержнем, которая склонна к разрыву, а затем шарнирному соединению в месте разрыва, может быть полностью заключена в круглую или эллиптическую оболочку из сварного стального листа и залита цементным раствором, как описано выше.

Обрушение виадука Cypress Freeway . Обратите внимание на неадекватную защиту от взрыва и отсутствие соединения между верхними и нижними вертикальными элементами.

Иногда виадуки могут выходить из строя в соединениях между компонентами. Это было видно на примере обрушения автострады Сайпресс в Окленде, штат Калифорния , во время землетрясения в Лома-Приета . Этот виадук представлял собой двухуровневую конструкцию, и верхние части колонн плохо соединялись с нижними частями, поддерживающими нижний уровень; это привело к обрушению верхней палубы на нижнюю. Слабые соединения, подобные этим, требуют дополнительной внешней оболочки – либо посредством внешних стальных компонентов, либо посредством полной оболочки из железобетона, часто с использованием заглушек, которые вклеиваются (с помощью эпоксидного клея) в многочисленные просверленные отверстия. Затем эти заглушки соединяются с дополнительными обертками, возводятся внешние формы (которые могут быть временными или постоянными) и в пространство заливается дополнительный бетон. Большие соединенные конструкции, подобные Кипарисовому виадуку, также необходимо полностью проанализировать с помощью динамического компьютерного моделирования.

Модернизация жилых помещений

Боковые силы причиняют наибольший ущерб землетрясениям. Прикрепление подоконника болтами к фундаменту и применение фанеры для разрушения стен — это несколько основных методов модернизации, которые домовладельцы могут применять к жилым конструкциям с деревянным каркасом для смягчения последствий сейсмической активности. Город Сан-Леандро разработал правила для этих процедур, изложенные в следующей брошюре . Осведомленность и инициатива общественности имеют решающее значение для модернизации и сохранения существующего фонда зданий, и такие усилия, как усилия Ассоциации правительств районов залива, играют важную роль в предоставлении информационных ресурсов сейсмически активным сообществам.

Каркасная конструкция из дерева

Большинство домов в Северной Америке представляют собой конструкции с деревянным каркасом. Дерево является одним из лучших материалов для сейсмостойкого строительства, поскольку оно легкое и более гибкое, чем каменная кладка. С ним легко работать, и он дешевле, чем сталь, каменная кладка или бетон. В старых домах наиболее существенными недостатками являются соединения стен с деревянным каркасом и фундаментом, а также относительно слабые «каленые стены». (Каленые стены — это короткие деревянные стены, которые простираются от верха фундамента до самого нижнего уровня этажа в домах с фальшполами.) Добавление соединений от основания деревянного каркаса к фундаменту почти всегда является важной частью проекта. сейсмическая модернизация. Крепление покалеченных стен для противодействия боковым силам имеет важное значение в домах с покалеченными стенами; Крепление обычно делается фанерой . Ориентированно-стружечная плита (OSB) не работает так стабильно, как фанера, и не является предпочтительным выбором проектировщиков или монтажников, занимающихся модернизацией.

Методы модернизации старых деревянных каркасных конструкций могут включать следующие, а также другие методы, не описанные здесь.

• Самые низкие пластинчатые направляющие стен (обычно называемые «подоконниками» или «подоконниками» в Северной Америке) прикрепляются болтами к сплошному фундаменту или закрепляются с помощью жестких металлических соединителей, прикрепленных болтами к фундаменту, чтобы противостоять поперечным силам.
• Покатые стены обшиты фанерой.
• Выбранные вертикальные элементы (обычно стойки на концах фанерных стеновых панелей) соединяются с фундаментом. Эти соединения предназначены для предотвращения раскачивания связанных стен вверх и вниз при воздействии возвратно-поступательных сил в верхней части связанных стен, а также для предотвращения «спрыгивания» стены или дома с фундамента (что почти никогда не происходит). .
• В двухэтажных зданиях с «платформенным каркасом» (иногда называемым «западным» стилем, где стены постепенно возводятся на верхней диафрагме нижнего этажа, в отличие от «восточного» или воздушного каркаса ), верхние стены соединяются с нижними стенами с помощью натяжные элементы. В некоторых случаях соединения могут быть расширены по вертикали, чтобы обеспечить удержание определенных элементов крыши. Такое усиление обычно обходится очень дорого по сравнению с полученной силой.
• Вертикальные стойки крепятся к балкам или другим элементам, которые они поддерживают. Это особенно важно, когда потеря опоры может привести к обрушению части здания. Соединения стоек с балками не могут противостоять значительным поперечным силам; Гораздо важнее укрепить по периметру здания (укрепить каркасные стены и дополнить соединения фундамента с деревянным каркасом), чем укрепить соединения стоек с балками.

Деревянный каркас эффективен в сочетании с каменной кладкой, если конструкция правильно спроектирована. В Турции традиционные дома (багдади) строятся по этой технологии. В Сальвадоре для жилищного строительства используются дерево и бамбук.

Армированная и неармированная кладка

Во многих частях развивающихся стран, таких как Пакистан, Иран и Китай, неармированная или в некоторых случаях армированная кладка является преимущественной формой построек для сельских жилых домов. Каменная кладка также была распространенной формой строительства в начале 20-го века, а это означает, что значительное количество этих каменных построек, находящихся в зоне риска, будет иметь значительную историческую ценность. Особенно опасны каменные стены, которые не армированы. Такие конструкции могут быть более подходящими для замены, чем для модернизации, но если стены являются основными несущими элементами в конструкциях скромных размеров, их можно соответствующим образом укрепить. Особенно важно, чтобы балки пола и потолка были надежно прикреплены к стенам. Могут быть добавлены дополнительные вертикальные опоры в виде стали или железобетона.

На западе Соединенных Штатов большая часть того, что считается каменной кладкой, на самом деле представляет собой кирпичную или каменную облицовку. Действующие строительные правила диктуют необходимое количество креплений , которые состоят из металлических лент, прикрепленных к вертикальным элементам конструкции. Эти ремни проходят в ряды раствора, прикрепляя шпон к основной конструкции. Старые конструкции могут не обеспечивать достаточную сейсмическую безопасность. Слабо закрепленная облицовка в интерьере дома (иногда используемая для облицовки камина от пола до потолка) может быть особенно опасна для жильцов. Старые каменные дымоходы также опасны, если они имеют значительное вертикальное расширение над крышей. Они склонны ломаться по линии крыши и могут упасть в дом одним большим куском. При модернизации могут быть добавлены дополнительные опоры; однако укрепить существующий каменный дымоход, чтобы он соответствовал современным стандартам проектирования, чрезвычайно дорого. Лучше всего просто снять удлинитель и заменить его более легкими материалами: специальный металлический дымоход заменяет плитку дымохода, а деревянную конструкцию заменяет каменную кладку. Это можно сопоставить с существующей кирпичной кладкой, используя очень тонкую облицовку (похожую на плитку, но с внешним видом кирпича).

См. также

• Разрушающий контроль
• Сейсмостойкая инженерия
• Научно-исследовательский институт сейсмостойкости
• Моделирование землетрясений
• Смягчение сейсмических движений
• OpenSees - открытая система для моделирования сейсмостойкости
• Мост Сан-Франциско – Окленд через залив
  • Модернизация западного пролета
  • Замена восточного пролета
• Сейсмическая опасность
• Сейсмические характеристики
• Суперадоб
• Здание, устойчивое к цунами
• Контроль вибрации

Внешние ссылки

• Retrofit Solutions for New Zealand – Retrofit Solutions for New Zealand – исследовательская группа, занимающаяся сейсмической модернизацией. Доступны контакты и публикации.
• ABAG Home Quake Safety Toolkit , Ассоциации ABAG Веб-сайт правительств районов Залива, содержит много ценной информации и инструментов интерактивного анализа. Если вы знаете или можете в худшем случае разумно оценить ожидаемый индекс тряски для вашего региона, вы все равно можете использовать прилагаемый тест для оценки безопасности дома, даже если вы находитесь за пределами района залива Сан-Франциско . Существуют и другие разделы, которые обычно применимы для любого потенциального уровня сейсмической активности, например, крепление мебели. Это особенно ценный справочник для любого жителя района, подверженного сейсмической активности.
• Стандартные комплекты инженерных планов для сейсмостойкой модернизации жилых домов. Также от ABAG, они потребуют дальнейшего одобрения местным представителем строительной службы.
• Обширная статья, включающая некоторые структурные модификации и сравнение различных отключений для обеспечения безопасности природного газа: Руководство домовладельца по сейсмической безопасности ( BYU ).
• Проект исследования инфраструктурных рисков в Университете Британской Колумбии, Ванкувер, Канада
• Как город Сан-Леандро может помочь вам укрепить ваш дом… Брошюра в Сан-Леандро, Калифорния, иллюстрирующая простые конструктивные улучшения дома, которые может выполнить домовладелец.
• Справочник по сейсмической реабилитации
• Калькулятор стоимости модернизации сейсмостойкости FEMA
• Характеристики искусственной среды (землетрясение в Лома-Приета), Профессиональный документ Геологической службы США 1152–A
• Поднимая планку: проектирование нового восточного пролета моста через залив: основные моменты крупномасштабного строительства мостов и инженерных технологий в сейсмически активной сейсмической зоне