Сейсмостойкое строительство

Сейсмическая техника-это междисциплинарная отрасль техники, которая проектирует и анализирует конструкции, такие как здания и мосты, с учетом землетрясений. Его общая цель состоит в том, чтобы сделать такие структуры более устойчивыми к землетрясениям. Инженер землетрясения (или сейсмики) стремится построить структуры, которые не будут повреждены при незначительном встряхивании и избежат серьезных повреждений или обрушения в крупном землетрясении. Инженерство землетрясения-это научная область, связанная с защитой общества, природной среды и антропогенной среды от землетрясений путем ограничения сейсмического риска до социально-экономического приемлемого уровня. Традиционно он был узко определен как исследование поведения структур и геоструктур, подверженных сейсмическому нагружению ; он рассматривается как подмножество структурной инженерии , геотехнической инженерии , машиностроения , химической инженерии , прикладной физики и др. Однако огромные затраты, понесенные в результате недавних землетрясений, привели к расширению его сферы охвата, включив дисциплины из более широкой области гражданского строительства, машиностроения, ядерной инженерии , а также из социальных наук, особенно социологии, политология, экономика и финансы .

Основными задачами сейсмотехники являются::

• Предвидеть потенциальные последствия сильных землетрясений для городских районов и гражданской инфраструктуры.
• Проектирование, строительство и техническое обслуживание сооружений для выполнения работ при воздействии землетрясений в соответствии с ожиданиями и в соответствии со строительными нормами и правилами .

Правильно спроектированная структура не обязательно должна быть чрезвычайно прочной или дорогой. Он должен быть надлежащим образом спроектирован, чтобы выдерживать сейсмические воздействия при сохранении приемлемого уровня повреждений.

Встряхивание таблицы краш-тестирования регулярной модели здания (слева) и базовой изолированной модели здания (справа) [3] в UCSD

Сейсмическая нагрузка

Основная статья: Сейсмическая нагрузка

Сейсмическое нагружение означает наложение сейсмически обусловленного возбуждения на сооружение (или геоструктуру). Это происходит на контактных поверхностях конструкции либо с Землей, с соседними структурами, или с гравитационными волнами от цунами . Нагрузка, которая ожидается в данном месте на земной поверхности, оценивается инженерной сейсмологией . Это связано с сейсмической опасностью объекта.

Сейсмические характеристики

Основная статья: Сейсмический анализ

Землетрясение или сейсмические характеристики определяют способность структуры поддерживать свои основные функции , такие как ее безопасность и работоспособность, во время и после конкретного воздействия землетрясения. Структура обычно считается безопасной, если она не угрожает жизни и благополучию тех, кто находится в ней или вокруг нее, частично или полностью разрушаясь. Структура может считаться исправной, если она способна выполнять свои эксплуатационные функции, для которых она была разработана.

Основные концепции сейсмической инженерии, реализованные в основных строительных кодексах, предполагают, что здание должно пережить редкое, очень сильное землетрясение, выдержав значительный ущерб, но без глобального обрушения. С другой стороны, он должен оставаться работоспособным для более частых, но менее тяжелых сейсмических событий. Оценка сейсмических характеристик

Инженерам необходимо знать количественный уровень фактических или ожидаемых сейсмических характеристик, связанных с прямым повреждением отдельного здания при условии заданного сотрясения грунта. Такая оценка может быть выполнена либо экспериментально, либо аналитически. Экспериментальная оценка

Экспериментальные оценки-это дорогостоящие тесты, которые обычно выполняются путем размещения (масштабированной) модели структуры на дрожащем столе, который имитирует тряску земли и наблюдает за ее поведением. такие эксперименты впервые были проведены более ста лет назад. только недавно стало возможным выполнить тестирование масштаба 1:1 на полных структурах.

Из-за дороговизны таких испытаний они, как правило, используются главным образом для понимания сейсмического поведения сооружений, проверки моделей и верификации методов анализа. Таким образом, после надлежащей валидации вычислительные модели и численные процедуры, как правило, несут основную нагрузку по оценке сейсмических характеристик сооружений.

Аналитическая / численная оценка

Оценка сейсмических характеристик или сейсмический структурный анализ является мощным инструментом сейсмической инженерии, который использует детальное моделирование структуры вместе с методами структурного анализа, чтобы получить лучшее представление о сейсмических характеристиках строительных и несущих конструкций . Методика как формальное понятие появилась сравнительно недавно.

В целом сейсмический структурный анализ базируется на методах структурной динамики . на протяжении десятилетий наиболее заметным инструментом сейсмического анализа был метод спектра реакции на землетрясения, который также внес свой вклад в предложенную сегодня концепцию строительного кодекса.

Однако такие методы хороши только для линейных упругих систем, будучи в значительной степени неспособными моделировать структурное поведение при появлении повреждения (т. е. нелинейности). Численное пошаговое интегрирование оказалось более эффективным методом анализа для многокомпонентных структурных систем со значительной нелинейностью при нестационарном процессе возбуждения движения грунта. использование метода конечных элементов является одним из наиболее распространенных подходов для анализа компьютерных моделей взаимодействия нелинейных структур грунта.

В основном, численный анализ проводится с целью оценки сейсмических характеристик зданий. Оценки производительности обычно выполняются с помощью нелинейного статического анализа пробоя или нелинейного анализа временной истории. В таких анализах важно достичь точного нелинейного моделирования структурных компонентов, таких как балки, колонны, соединения балка-колонна, сдвиговые стенки и т. д. Таким образом, экспериментальные результаты играют важную роль в определении параметров моделирования отдельных компонентов, особенно тех, которые подвержены значительным нелинейным деформациям. Отдельные компоненты затем собираются для создания полной нелинейной модели структуры. Таким образом, созданные модели анализируются для оценки производительности зданий.

Возможности программного обеспечения структурного анализа являются главным соображением в вышеуказанном процессе, поскольку они ограничивают возможные компонентные модели, доступные методы анализа и, самое главное, численную устойчивость. Последнее становится главным соображением для структур, которые рискуют в нелинейном диапазоне и приближаются к глобальному или локальному коллапсу, поскольку численное решение становится все более нестабильным и поэтому труднодоступным. Существует несколько коммерчески доступных программ анализа конечных элементов, таких как CSI-SAP2000 и CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS, а также Ansys, все из которых могут быть использованы для оценки сейсмических характеристик зданий. Кроме того , существуют исследовательские платформы для анализа конечных элементов, такие как OpenSees , MASTODON, которые основаны на Loose Framework, RUAUMOKO и более старом DRAIN-2D/3D, некоторые из которых теперь являются открытыми исходными кодами.

Исследования для сейсмотехники

Вибростенд для испытания маятниковых подшипников качения на эрц

Исследования для сейсмотехники - это как полевые, так и аналитические исследования или эксперименты, предназначенные для выявления и научного объяснения связанных с сейсмотехникой фактов, пересмотра общепринятых понятий в свете новых открытий и практического применения разработанных теорий.

Национальный научный фонд (NSF) является главным государственным учреждением Соединенных Штатов, которое поддерживает фундаментальные исследования и образование во всех областях сейсмотехники. В частности, основное внимание уделяется экспериментальным, аналитическим и вычислительным исследованиям по проектированию и повышению производительности структурных систем.

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

Окончательный список сейсмических инженерных исследований, связанных со встряхивающими таблицами по всему миру, можно найти в экспериментальных установках для моделирования землетрясений по всему миру. наиболее заметным из них в настоящее время является таблица встряхивания электронной обороны в Японии .

Основные исследовательские программы США

NSF также поддерживает сеть George E. Brown, Jr. для инженерного моделирования землетрясений

НФС смягчения последствий опасных явлений и структурных инженерных программ (HMSE) поддерживает исследования в области новых технологий для совершенствования поведения и реагирования структурных систем, подверженных угрозам землетрясений; фундаментальные исследования на безопасность и надежность возводимых систем; инновационные разработки в области анализа и модели моделирования на основе структурных поведения и реагирования, в том числе взаимодействий между грунтом и сооружением; разработка концепции, которые улучшают структуру производительности и гибкости; и применение новых методов контроля структурных систем.

(NEES) который продвигает открытие знаний и инновации для уменьшения потерь от землетрясений и цунами гражданской инфраструктуры страны и новых методов экспериментального моделирования и инструментария.

Сеть NEES включает в себя 14 территориально распределенных лабораторий общего пользования, которые поддерживают несколько видов экспериментальных работ: геотехнические центрифужные исследования , испытания встряхивающих столов, крупномасштабные структурные испытания, эксперименты в бассейне волны цунами и полевые исследования. участвующие университеты включают: Корнелльский университет; Лихайский университет ; Орегонский государственный университет ; Ренсселерский Политехнический институт ; университет в Буффало, Государственный Университет Нью-Йорка ; Калифорнийский университет в Беркли ; Калифорнийский университет в Дэвисе ; Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе; Калифорнийский университет, Сан-Диего ; Калифорнийский университет, Санта-Барбара ; Иллинойский университет, Урбана-Шампейн ; Миннесотский университет ; Невадский университет, Рино; и Техасский университет, Остин .[

Сайты оборудования (лаборатории) и центральное хранилище данных подключены к глобальному инженерному сообществу землетрясений через веб-сайт NEEShub. Веб-сайт NEES питается от программного обеспечения HUBzero, разработанного в Университете Пердью для nanoHUB специально, чтобы помочь научному сообществу обмениваться ресурсами и сотрудничать. Киберинфраструктура, подключенная через Интернет2, предоставляет интерактивные инструменты моделирования, область разработки инструментов моделирования, кураторское центральное хранилище данных, анимированные презентации, поддержку пользователей, телеприсутствие, механизм загрузки и совместного использования ресурсов, а также статистические данные о пользователях и моделях использования.

Эта киберинфраструктура позволяет исследователям: надежно хранить, организовывать и обмениваться данными в рамках стандартизированной структуры в центральном месте; дистанционно наблюдать и участвовать в экспериментах с использованием синхронизированных данных в реальном времени и видео; сотрудничать с коллегами для облегчения планирования, выполнения, анализа и публикации исследовательских экспериментов; а также проводить вычислительные и гибридные моделирования, которые могут объединять результаты нескольких распределенных экспериментов и связывать физические эксперименты с компьютерным моделированием для обеспечения возможности исследования общей производительности системы.

Эти ресурсы совместно обеспечивают средства для совместной работы и обнаружения для улучшения сейсмического проектирования и производительности систем гражданской и механической инфраструктуры.

Моделирование землетрясений

Самое первое моделирование землетрясения было выполнено путем статического приложения некоторых горизонтальных сил инерции, основанных на масштабированных пиковых ускорениях грунта, к математической модели здания.[18] с дальнейшим развитием вычислительных технологий статические подходы стали уступать место динамическим.

Динамические эксперименты на строительных и несущих конструкциях могут быть физическими, например , встряхивающее тестирование, или виртуальными. В обоих случаях для проверки ожидаемых сейсмических характеристик конструкции некоторые исследователи предпочитают иметь дело с так называемыми" реальными историями времени", хотя последние не могут быть" реальными " для гипотетического землетрясения, определенного либо строительным кодексом, либо некоторыми конкретными исследовательскими требованиями. Поэтому существует сильный стимул к участию в моделировании землетрясения, которое является сейсмическим вводом, обладающим только существенными признаками реального события.

Иногда моделирование землетрясений понимается как воссоздание локальных эффектов сильного сотрясения земли.

Моделирование структуры

Теоретическая или экспериментальная оценка предполагаемых сейсмических характеристик в основном требует моделирования структуры, которое основано 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 паттернов в сравниваемых предметах.

В общем случае модель здания считается имеющей сходство с реальным объектом , если они имеют общее геометрическое сходство, кинематическое сходство и динамическое сходство . Наиболее ярким и эффективным типом подобия является кинематический. Кинематическое подобие существует тогда, когда траектории и скорости движущихся частиц модели и ее прототипа подобны.

Предельным уровнем кинематического подобия является кинематическая эквивалентность, когда в случае сейсмической техники временные истории каждого сюжета боковых перемещений модели и ее прототипа были бы одинаковыми.

Управление сейсмической вибрацией

Сейсмическое виброконтроль - это комплекс технических средств, направленных на смягчение сейсмических воздействий в строительных и несущих конструкциях. Все устройства контроля сейсмической вибрации могут быть классифицированы как пассивные, активные или гибридные , где:

• пассивные устройства управления не имеют возможности обратной связи между собой, конструктивными элементами и грунтом;
• активные управляющие устройства включают в себя записывающую аппаратуру реального времени на земле, интегрированную с входным оборудованием для обработки землетрясений и исполнительными механизмами в структуре;
• гибридные устройства управления имеют совмещенные характеристики систем активного и пассивного управления.

Когда подземные сейсмические волны достигают и начинают проникать в основание здания, их плотность потока энергии, обусловленная отражениями, резко снижается: обычно до 90%. Однако оставшиеся участки падающих волн во время крупного землетрясения все еще несут в себе огромный разрушительный потенциал.

Мавзолей Кира , самое старое основание-изолированное сооружение в мире

После того , как сейсмические волны попадают в надстройку, существует ряд способов управления ими, чтобы смягчить их разрушающее действие и улучшить сейсмические характеристики здания, например:

1. рассеять энергию волны внутри суперструктуры с правильно проектированными демферами;
2. чтобы рассеять энергию волны между более широким диапазоном частот;
3. для поглощения резонансных участков всей полосы частот волн используются так называемые массовые демпферы

Устройства последнего типа, сокращенные соответственно как TMD для настроенного (пассивного), как AMD для активного , и как HMD для гибридных массовых амортизаторов , были изучены и установлены в многоэтажных зданиях, преимущественно в Японии, в течение четверти века.

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

Для этого некоторые колодки вставляются в или под все основные несущие элементы в основании здания, которые должны существенно отделять пролетное строение от его субструктуры, опирающейся на вибрирующий грунт.

Первые свидетельства защиты от землетрясений с использованием принципа изоляции базы были обнаружены в Пасаргаде, городе в Древней Персии, ныне Иран, и датируются 6-м веком до нашей эры. Ниже представлены некоторые образцы современных технологий сейсмического виброконтроля.

Сухие каменные стены в Перу

Перу-это очень сейсмическая страна; в течение многих веков сухое каменное строительство оказалось более сейсмостойким, чем использование раствора. Люди цивилизации инков были мастерами полированных "сухих каменных стен", называемых ashlar, 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 [24], и многие соединения в их каменной кладке были настолько совершенны, что даже травинки не могли поместиться между камнями.

Камни сухих каменных стен, построенных инками, могли немного двигаться и восстанавливаться без разрушения стен-пассивный метод структурного контроля, использующий как принцип рассеивания энергии (кулоновское демпфирование), так и принцип подавления резонансных усилений.[25]

Настроенный массовый демпфер

Основная статья: Настроенный массовый демпфер

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

Как правило, настроенные массовые демпферы представляют собой огромные бетонные блоки, установленные в небоскребах или других конструкциях и перемещающиеся в противоположность колебаниям резонансной частоты конструкций с помощью какого-либо пружинного механизма.

Небоскреб Taipei 101 должен выдерживать тайфунные ветры и землетрясения, распространенные в этой области Азии/Тихого океана. Для этой цели был спроектирован и установлен стальной маятник весом 660 метрических тонн, который служит в качестве настроенного массового демпфера. Подвешенный с 92-го по 88-й этаж, маятник раскачивается для уменьшения резонансных усилений боковых смещений в здании, вызванных землетрясениями и сильными порывами ветра .

Истерические амортизаторы

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

• Жидковязкие амортизаторы (FVDs)

Вязкостные Демферы имеют преимущество быть дополнительной амортизируя системой. Они имеют овальную гистерезисную петлю и демпфирование зависит от скорости. Хотя некоторое незначительное обслуживание потенциально требуется, вязкие амортизаторы, как правило, не нуждаются в замене после землетрясения. Хотя и более дорогие, чем другие технологии демпфирования, они могут быть использованы как для сейсмических, так и для ветровых нагрузок и являются наиболее часто используемым гистерезисным демпфером.

• Фрикционные демпферы (FDs)

Амортизаторы трением клонат быть имеющимися в 2 главных типах, линейно и вращательно и рассеивать энергию жарой. Демпфер работает по принципу кулоновского демпфера . В зависимости от конструкции, амортизаторы трением могут испытать явление ручк-выскальзования и холодную заварку. Главным недостатком является то, что поверхности трения могут изнашиваться с течением времени и по этой причине они не рекомендуются для рассеивания ветровых нагрузок. При использовании в сейсмических приложениях износ не является проблемой, и нет никакого необходимого обслуживания. Они имеют прямоугольную гистерезисную петлю и до тех пор, пока здание достаточно эластично, они стремятся вернуться к своим первоначальным положениям после землетрясения.

• Металлические податливые амортизаторы (MYDs)

Металлические податливые амортизаторы, как следует из названия, поддаются для того, чтобы поглотить энергию землетрясения. Этот тип амортизатора поглощает большое количество энергии, однако они должны быть заменены после землетрясения и могут помешать зданию вернуться в исходное положение.

• Вязкоупругие демпферы (ВЭД)

Вязкоупругие амортизаторы полезны в том, что их можно использовать как для ветра, так и для сейсмических применений, они обычно ограничены небольшими смещениями. Существует определенная озабоченность в отношении надежности этой технологии, поскольку некоторые марки были запрещены к использованию в зданиях в Соединенных Штатах.

• Оседлать демферы маятника (качание)

Базовая изоляция

Низкопробная изоляция изыскивает предотвратить кинетическую энергию землетрясения от быть перенесенным в энергию упругости в здании. Эти технологии делают это путем изоляции структуры от Земли, что позволяет им двигаться несколько независимо. Степень, до которой энергия передается в структуру и как энергия рассеивается будет варьироваться в зависимости от используемой технологии.

• Подшипник резины руководства

Подшипник резины руководства или LRB тип низкопробной изоляции используя тяжелый амортизировать . Он был изобретен Биллом Робинсоном, новозеландцем.

Тяжелый демпфирующий механизм, применяемый в технологиях контроля вибрации и, в частности, в устройствах изоляции оснований, часто считается ценным источником подавления вибраций, что повышает сейсмические характеристики здания. Однако для достаточно податливых систем, таких как базовые изолированные конструкции, с относительно низкой несущей жесткостью, но с высоким демпфированием, так называемая "демпфирующая сила" может оказаться основной толкающей силой при сильном землетрясении. На видео показан ведущий резиновый подшипник, испытываемый на UCSD Объект Caltrans-SRMD. Подшипник выполнен из резины со свинцовым сердечником. Это было одноосное испытание, в котором подшипник также находился под полной нагрузкой на конструкцию. Многие здания и мосты, как в Новой Зеландии, так и в других местах, защищены свинцовыми амортизаторами и свинцовыми и резиновыми подшипниками. Te Papa Tongarewa , Национальный музей Новой Зеландии и здания новозеландского парламента были оборудованы с подшипниками. Оба находятся в Веллингтоне, который сидит на активном разломе .

• Пружинно-демпферный базовый амортизатор

Пружинно-демпферный базовый изолятор, установленный под трехэтажным таунхаусом, Санта-Моника, Калифорния, показан на фотографии, сделанной до землетрясения 1994 года в Нортридже. Это низкопробный прибор изоляции концептуально подобный подшипнику резины руководства .

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

• Простой роликовый подшипник

Простой роликовый подшипник является базовым изолирующим устройством, которое предназначено для защиты различных строительных и несущих конструкций от потенциально опасных боковых воздействий сильных землетрясений.

Эта металлическая опора подшипника может быть приспособлена, с некоторыми мерами предосторожности, как сейсмический изолятор к небоскребам и зданиям на мягкой земле. Недавно, он был использован под названием металлического подшипника ролика для жилого комплекса (17 этажей) в Токио, Япония .

• Фрикционный маятниковый подшипник

Подшипник маятника трением (FPB) другое имя системы маятника трением (FPS). Он основан на трех столпах:

• шарнирный фрикционный ползун;
• сферическая вогнутая поверхность скольжения;
• заключительный цилиндр для ограничения бокового смещения.

Справа представлен снимок со ссылкой на видеоклип Шейк-таблицы тестирования системы FPB, поддерживающей жесткую модель здания.

Сейсмический дизайн

Сейсмическое проектирование основано на утвержденных инженерных процедурах, принципах и критериях, предназначенных для проектирования или модернизации сооружений, подверженных воздействию землетрясений. эти критерии согласуются только с современным состоянием знаний о сейсмических инженерных сооружениях . поэтому, конструкция здания которая точно следует за сейсмическими регулировками кода не гарантирует безопасность против обрушения или серьезного повреждения.

Цена плохого сейсмического дизайна может быть огромной. Тем не менее, сейсмическое проектирование всегда было методом проб и ошибок, независимо от того, было ли оно основано на физических законах или на эмпирическом знании структурных характеристик различных форм и материалов.

Чтобы практиковать сейсмическое проектирование, сейсмический анализ или сейсмическую оценку новых и существующих проектов гражданского строительства, инженер должен, как правило, проходить экспертизу по сейсмическим принципам [34], 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 построения сложных структурных систем в сейсмическом проектировании в основном используется такое же относительно небольшое количество основных конструктивных элементов (не говоря уже о виброрегулирующих устройствах), как и в любом несейсмическом проектном проекте.

Обычно, согласно строительным нормам, конструкции предназначены для того, чтобы "выдержать" самое крупное землетрясение с определенной вероятностью, которое, вероятно, произойдет в их месте. Это означает, что потери жизни должны быть сведены к минимуму путем предотвращения обрушения зданий.

Сейсмическое проектирование осуществляется путем понимания возможных режимов разрушения конструкции и обеспечения конструкции соответствующей прочностью , жесткостью , пластичностью и конфигурацией для обеспечения невозможности возникновения этих режимов.

Требования к сейсмическому проектированию

Требования к сейсмическому проектированию зависят от типа сооружения, местоположения объекта и его органов власти, которые устанавливают применимые нормы и критерии сейсмического проектирования. например, требования Калифорнийского департамента транспорта, называемые критериями сейсмического проектирования (SDC) и направленные на проектирование новых мостов в Калифорнии , включают инновационный подход, основанный на сейсмических характеристиках.

Наиболее существенной особенностью философии проектирования SDC является переход от оценки сейсмического спроса на основе силы к оценке спроса и мощности на основе смещения. Таким образом, вновь принятый подход к вытеснению основан на сравнении спроса на упругое вытеснение с неупругой способностью к вытеснению основных структурных компонентов при обеспечении минимального уровня неупругой способности во всех потенциальных местах расположения пластических шарниров.

В дополнение к самой проектируемой конструкции, требования к сейсмическому проектированию могут включать в себя стабилизацию грунта под конструкцией: иногда сильно встряхнутый грунт разрушается, что приводит к обрушению конструкции, сидящей на нем.[39] Первоочередное внимание следует уделять следующим темам: сжижение; динамическое боковое давление грунта на подпорные стенки; сейсмическая устойчивость откосов; землетрясение, вызванное осадками.

Ядерные объекты не должны подвергать опасности свою безопасность в случае землетрясений или других враждебных внешних событий. Поэтому их сейсмическая конструкция основана на гораздо более жестких критериях, чем те, которые применяются к неядерным объектам. ядерные аварии на АЭС "Фукусима-1" и ущерб другим ядерным объектам, последовавшие за землетрясением и цунами Тохоку в 2011 году, тем не менее, привлекли внимание к сохраняющимся озабоченностям по поводу японских стандартов проектирования ядерной сейсмики и заставили другие правительства многих стран пересмотреть свои ядерные программы. Были также высказаны сомнения в отношении сейсмической оценки и проектирования некоторых других установок, включая атомную электростанцию Фессенхайм во Франции.

Режимы сбоя

Режим отказа-это способ, которым наблюдается землетрясение, вызванное отказом. Он, как правило, описывает способ возникновения сбоя. Хотя это дорого и требует много времени, изучение каждого реального провала землетрясения остается обычным рецептом для развития методов сейсмического проектирования. Ниже представлены некоторые типичные режимы возникновения сейсмических отказов.

Отсутствие подкрепления соединенного с плохим минометом и недостаточными связями крыш-к-стены может привести к в существенном повреждении к unreinforced зданию masonry . Сильно потрескавшиеся или покосившиеся стены являются одними из самых распространенных повреждений от землетрясений. Также опасными являются повреждения, которые могут возникнуть между стенами и крышными или напольными диафрагмами. Разделение между каркасом и стенами может поставить под угрозу вертикальную опору систем кровли и пола.

Мягкий эффект истории . Отсутствие достаточной жесткости на уровне грунта привело к повреждению этой конструкции. Внимательное изучение изображения показывает, что грубая доска сайдинга , когда-то покрытая кирпичным шпоном, была полностью демонтирована со Стад. Только жесткость верхнего этажа в сочетании с опорой на две скрытые стороны сплошными стенами, не пронизанными большими дверями, как на уличных сторонах, препятствует полному обрушению конструкции.

Разжижение почвы . В тех случаях, когда грунт состоит из сыпучих гранулированных осажденных материалов с тенденцией к развитию избыточного гидростатического порового давления воды достаточной величины и компактности, разжижение этих сыпучих насыщенных отложений может привести к неравномерным осадкам и опрокидыванию конструкций. Это привело к серьезному повреждению тысяч зданий в японском городе Ниигата во время землетрясения 1964 года .

Оползень камнепада . Оползень-это геологическое явление, которое включает в себя широкий спектр движения грунта, в том числе камнепады . Как правило, действие силы тяжести является основной движущей силой для оползня, чтобы произойти, хотя в этом случае был еще один способствующий фактор, который повлиял на первоначальную устойчивость склона: оползень требовал запуска землетрясения, прежде чем быть выпущенным.

Колотит по соседнему зданию . Это фотография рухнувшей пятиэтажной башни, семинарии Святого Иосифа, Лос-Альтос, Калифорния, которая привела к одному смертельному исходу. Во время землетрясения в Лома-Приета башня ударилась о независимо вибрирующее соседнее здание позади. Возможность забивания зависит от боковых смещений обоих зданий, которые должны быть точно оценены и учтены.

При землетрясении в Нортридже бетонный каркас офисного здания Kaiser Permanente был полностью разрушен, обнаружив неадекватную сталь для удержания, что привело к обрушению второго этажа. В поперечном направлении композитные торцевые сдвиговые стенки, состоящие из двух витков кирпича и слоя торкрет-бетона, несущего боковую нагрузку, разошлись из-за неадекватных сквозных связей и вышли из строя.

• Неправильная строительная площадка на предгорье .
• Плохая детализация арматуры (отсутствие удержания бетона в колоннах и на стыках балка-колонна, недостаточная длина сращивания).
• Сейсмически слабый мягкий этаж на первом этаже.
• Длинные кантилеверы с тяжелой мертвой нагрузкой .

Соскальзывающий с фундаментов эффект относительно жесткой конструкции жилого дома во время землетрясения 1987 года Уиттиер сужает . Землетрясение магнитудой 5,9 обрушилось на жилой дом Garvey West в Монтерей-Парке, штат Калифорния, и сдвинуло его надстройку примерно на 10 дюймов к востоку от его основания.

Если пролетное строение не монтируется на систему изоляции основания, то его смещение по подвалу должно быть предотвращено.

Re inforced конкретная колонна лопнула на землетрясении Northridge должном к недостаточному режиму подкрепления ножниц который позволяет главному подкреплению сгибать наружу. Палуба откинулась на шарнире и провалилась в срез. В результате рухнул подземный переход Ла-Сьенега-Венеция на участке 10 автострады.

Землетрясение в Лома-Приета: вид сбоку железобетонных опор-колонн, разрушение которых вызвало обрушение верхней палубы на нижнюю палубу двухуровневого кипарисового виадука Межгосударственного шоссе 880, Окленд, Калифорния.

Разрушение подпорной стенки при землетрясении Лома-Приета в районе гор Санта-Крус: заметные северо-западные трендовые экстенсиональные трещины шириной до 12 см (4,7 дюйма) в бетонном водосбросе до австрийской плотины, Северный устои .

Сотрясение грунта вызвало разжижение почвы в подповерхностном слое песка, вызывая дифференциальное боковое и вертикальное перемещение в вышележащем панцире непогашенного песка и ила . Этот режим разрушения грунта, называемый боковым распространением,является основной причиной повреждения, связанного с разжижением землетрясения

Серьезно пострадало здание Банка развития сельского хозяйства Китая после землетрясения в Сычуани в 2008 году: большая часть балок и колонн пирса срезаны . Большие диагональные трещины в кладке и шпоне вызваны внутренними нагрузками, в то время как резкое заселение правого конца здания должно быть отнесено к свалке, которая может быть опасной даже без какого-либо землетрясения.

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

Сейсмостойкая конструкция

Дополнительная информация: Сейсмостойкие сооружения

Сейсмическое строительство означает осуществление сейсмического проектирования, позволяющего строительным и не строительным структурам пережить ожидаемое воздействие землетрясения в соответствии с ожиданиями и в соответствии с применимыми строительными кодексами .

Проектирование и строительство тесно связаны между собой. Чтобы добиться хорошего качества изготовления, детализация элементов и их связей должна быть как можно более простой. Как и любое строительство в целом, землетрясение строительство-это процесс, который состоит из строительства, модернизации или сборки инфраструктуры, учитывая имеющиеся строительные материалы.

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

Структура может иметь все признаки стабильности, но не предлагать ничего, кроме опасности, когда происходит землетрясение.[48] решающим фактом является то, что для обеспечения безопасности сейсмостойкие методы строительства так же важны, как контроль качества и использование правильных материалов. Подрядчик землетрясения должен быть зарегистрирован в штате/провинции/стране расположения проекта (в зависимости от местных правил), связан и застрахован .

Чтобы минимизировать возможные потери, процесс строительства должен быть организован с учетом того, что землетрясение может произойти в любое время до окончания строительства.

Каждый строительный проект требует квалифицированной команды профессионалов, которые понимают основные особенности сейсмического исполнения различных сооружений, а также управления строительством .

Adobe structures

Около тридцати процентов населения мира живет или работает в земельном строительстве.глинобитный кирпич саманного типа является одним из старейших и наиболее широко используемых строительных материалов. Использование adobe очень распространено в некоторых из наиболее опасных регионов мира, традиционно через Латинскую Америку, Африку, Индийский субконтинент и другие части Азии, Ближнего Востока и Южной Европы.

Саманные здания считаются очень уязвимыми при сильных землетрясениях. однако существует множество способов сейсмического укрепления новых и существующих глинобитных зданий.

Ключевые факторы для улучшения сейсмических характеристик объекта саманные конструкции являются:

• Качество строительства.
• Компактная, коробчатая планировка.
• Сейсмическое подкрепление.

Известняковые и песчаниковые структуры

Известняк очень распространен в архитектуре, особенно в Северной Америке и Европе. Многие достопримечательности по всему миру выполнены из известняка. Многие средневековые церкви и замки в Европе сделаны из известняка и песчаника каменной кладки. Они являются долговечными материалами, но их достаточно большой вес не способствует адекватным сейсмическим характеристикам.

Применение современных технологий сейсмического переоснащения позволяет повысить живучесть неармированных кладочных конструкций. Например, с 1973 по 1989 год здание Salt Lake City and County Building в штате Юта было полностью отремонтировано и отремонтировано с акцентом на сохранение исторической точности во внешнем виде. Это было сделано совместно с сейсмической модернизацией, которая поместила слабую структуру песчаника на фундамент изоляции основания, чтобы лучше защитить его от повреждения землетрясением.

Деревянные каркасные конструкции

Древесина обрамление датируется тысячелетиями, и была использована во многих частях мира в различные периоды, такие как Древняя Япония, Европа и средневековая Англия в местах, где древесина была в хорошем запасе и строительного камня и навыков для его обработки не было.

Польза тимберса обрамляя в зданиях обеспечивает их полный скелетный обрамлять который предлагает некоторые структурные преимущества по мере того как рамка тимберса, если правильно проектировано, одалживает к более лучшей сейсмической живучести . Световые каркасные конструкции

Свето-каркасные конструкции обычно приобретают сейсмостойкость от жестких фанерных сдвиговых стен и деревянных конструкционных панельных диафрагм .[54] специальные положения для сейсмических систем сопротивления нагрузкам для всех проектируемых деревянных конструкций требуют рассмотрения коэффициентов диафрагмы, горизонтальных и вертикальных мембранных ножниц и значений соединителя / крепежной детали. Кроме того, для распределения сдвига по длине диафрагмы требуются коллекторы или распорки сопротивления.

Усиленные каменные конструкции

Строительная система, в которой стальная арматура закладывается в растворные стыки кладки или помещается в отверстия и после заполнения бетоном или раствором называется армированной кладкой .

Разрушительное землетрясение 1933 года в Лонг-Бич показало, что строительство каменной кладки должно быть немедленно улучшено. Затем кодекс штата Калифорния сделал усиленную кладку обязательной.

Существуют различные практики и методы для достижения усиленной кладки. Наиболее распространенным типом является армированная пустотелая штучная кладка. Эффективность как вертикального, так и горизонтального армирования сильно зависит от вида и качества каменной кладки, т. е. узлов кладки и раствора .

Для достижения пластичного поведения кладки необходимо, чтобы прочность на сдвиг стены была больше, чем прочность на изгиб .

Железобетонные конструкции

Железобетон-это бетон, в котором стальные арматурные стержни (арматура ) или волокна были включены для укрепления материала, который в противном случае был бы хрупким . Его можно использовать для того чтобы произвести лучи , колонки , пола или мосты.

Предварительно напряженный бетон является своего рода железобетоном, используемым для преодоления естественной слабости бетона в напряжении. Его можно приложить к лучам, полам или мостам с более длинной пядью чем практически с обычным бетоном армированным. Предварительно напряженные сухожилия (как правило, из высокопрочного стального кабеля или стержней) используются для обеспечения зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение, которое компенсирует растягивающее напряжение, которое бетонный сжимающий элемент испытывал бы в противном случае из-за нагрузки на изгиб.

Для предотвращения катастрофического обрушения в ответ на встряхивание земли (в интересах безопасности жизни), традиционный железобетонный каркас должен иметь пластичные соединения. В зависимости от используемых методов и наложенных сейсмических сил, такие здания могут быть немедленно использованы, требуют интенсивного ремонта или могут подлежать сносу.

Предварительно напряженные конструкции

Предварительно напряженная структура-это та , общая целостность, стабильность и безопасность которой зависят, прежде всего, от предварительного напряжения . Предварительное напряжение означает преднамеренное создание постоянных напряжений в конструкции с целью улучшения ее эксплуатационных характеристик при различных условиях эксплуатации.

Существуют следующие основные виды предварительного напряжения:

• Предварительное сжатие (в основном, с собственным весом конструкции)
• Преднатяжитель c высокопрочными закладными сухожилиями
• Пост-напрягать с высокопрочными скрепленными или unbonded сухожилиями

Сегодня концепция предварительно напряженной конструкции широко используется при проектировании зданий, подземных сооружений, телевизионных вышек, электростанций, плавучих хранилищ и морских объектов, корпусов ядерных реакторов, а также различных видов мостовых систем.

Полезная идея предварительного напряжения была, по-видимому, знакома древнеримским архитекторам; посмотрите, например, на высокую чердачную стену Колизея, работающую в качестве стабилизирующего устройства для стеновых опор внизу.

Стальные конструкции

Стальные конструкции считаются в основном сейсмостойкими, но некоторые сбои произошли. Большое количество сваренных стальных момент-сопротивляющихся зданий рамки, которые посмотрели землетрясени-доказательство, удивительно испытали хрупкое поведение и были опасно повреждены в землетрясении 1994 Northridge . После этого Федеральное агентство по управлению чрезвычайными ситуациями (FEMA) инициировало разработку методов ремонта и новых проектных подходов для минимизации повреждений стальных каркасных зданий при будущих землетрясениях.

Для сейсморазведки конструкционных сталей на основе подхода "расчет коэффициента нагрузки и сопротивления" (LRFD) очень важно оценить способность конструкции развивать и поддерживать свое несущее сопротивление в неупругом диапазоне. Мерой этой способности является пластичность , которая может наблюдаться в самом материале , в структурном элементе или в целом строении .

Как следствие опыта землетрясения Northridge, Американский институт стальной конструкции вводил соединения AISC 358 " Pre-квалифицированные для специальных и промежуточных стальных рамок момента."Положения о сейсмической конструкции АСКП требуют, чтобы все стальные каркасы, сопротивляющиеся действию момента, использовали либо соединения, содержащиеся в АСКП 358, либо соединения, подвергнутые предквалификационному циклическому испытанию.

Прогнозирование потерь от землетрясений

Оценка ущерба от землетрясения обычно определяется как отношение ущерба (DR), которое представляет собой отношение стоимости ремонта ущерба от землетрясения к общей стоимости здания. вероятные максимальные потери ( PML) - это общий термин, используемый для оценки потерь от землетрясений, но ему не хватает точного определения. В 1999 году было подготовлено ASTM E2026 "стандартное руководство по оценке повреждаемости зданий при землетрясениях" с целью стандартизации номенклатуры для оценки сейсмических потерь, а также установления руководящих принципов в отношении процесса обзора и квалификации рецензента.

Оценки потерь от землетрясений также называются оценками сейсмического риска . Процесс оценки риска, как правило, включает определение вероятности различных движений грунта в сочетании с уязвимостью или повреждением здания при этих движениях грунта. Результаты определяются как процент от восстановительной стоимости здания.

Смотрите также

• Анкерная плита
• Сейсмотехнический Научно-Исследовательский Институт
• Сейсмостойкие сооружения
• Управление чрезвычайными ситуациями
• Фасад
• Геотехника
• Международный институт Сейсмотехники и сейсмологии
• Список международных коэффициентов ускорения землетрясений
• Национальный исследовательский центр по Сейсмотехнике
• Вероятностная оценка риска
• Сейсмические шкалы интенсивности
• Шкалы сейсмических величин
• Сейсмическая реакция полигона
• Сейсмическая модернизация
• Сейсмическая реакция объекта
• Взаимодействие структуры почвы
• Спектральное ускорение

Пруф

/inrisk.ubc.ca/

• .loc.gov/rr/scitech/tracer-bullets/earthquakestb.html#intro
• .designsafe-ci.org/
• .curee.org/
• .eeri.org/
• curlie.org/Science/Technology/Structural_Engineering/Earthquake_Engineering