Сейсмическая инженерия — это междисциплинарная отрасль инженерии, которая проектирует и анализирует конструкции , такие как здания и мосты , имея в виду землетрясения . Ее общая цель — сделать такие конструкции более устойчивыми к землетрясениям. Инженер по землетрясениям (или сейсмостойкий) стремится строить конструкции, которые не будут повреждены при незначительном сотрясении и избегут серьезных повреждений или обрушения при сильном землетрясении. Правильно спроектированная конструкция не обязательно должна быть чрезвычайно прочной или дорогой. Она должна быть правильно спроектирована, чтобы выдерживать сейсмические воздействия, выдерживая при этом приемлемый уровень повреждений.
Сейсмостойкость — это научная область, занимающаяся защитой общества, природной среды и искусственной среды от землетрясений путем ограничения сейсмического риска до социально-экономически приемлемых уровней. [1] Традиционно она узко определялась как изучение поведения конструкций и геоструктур, подверженных сейсмической нагрузке ; она рассматривается как подмножество структурной инженерии , геотехнической инженерии , машиностроения , химической инженерии , прикладной физики и т. д. Однако огромные затраты, понесенные в результате недавних землетрясений, привели к расширению ее сферы применения с целью охвата дисциплин из более широкой области гражданского строительства , машиностроения , ядерной инженерии и социальных наук , особенно социологии , политологии , экономики и финансов . [2]
Основными задачами сейсмостойкого строительства являются:
Сейсмическая нагрузка означает приложение возбуждения, вызванного землетрясением, к конструкции (или геоструктуре). Это происходит на контактных поверхностях конструкции либо с землей, [5] с соседними конструкциями, [6] или с гравитационными волнами от цунами . Нагрузка, которая ожидается в данном месте на поверхности Земли, оценивается инженерной сейсмологией . Она связана с сейсмической опасностью местоположения.
Землетрясение или сейсмические характеристики определяют способность конструкции поддерживать свои основные функции, такие как безопасность и пригодность к эксплуатации , во время и после определенного воздействия землетрясения. Конструкция обычно считается безопасной , если она не подвергает опасности жизни и благополучие тех, кто находится внутри или вокруг нее, частично или полностью обрушаясь. Конструкция может считаться пригодной к эксплуатации, если она способна выполнять свои эксплуатационные функции, для которых она была спроектирована.
Базовые концепции сейсмостойкого строительства, реализованные в основных строительных нормах, предполагают, что здание должно выдержать редкое, очень сильное землетрясение, получив значительные повреждения, но не обрушившись в целом. [7] С другой стороны, оно должно оставаться работоспособным при более частых, но менее сильных сейсмических событиях.
Инженерам необходимо знать количественный уровень фактической или ожидаемой сейсмической эффективности, связанной с прямым повреждением отдельного здания, подверженного определенному сотрясению грунта. Такая оценка может быть выполнена либо экспериментально, либо аналитически.
Экспериментальные оценки — это дорогостоящие испытания, которые обычно проводятся путем помещения (масштабированной) модели конструкции на вибростол , который имитирует сотрясение земли, и наблюдения за ее поведением. [8] Такие виды экспериментов впервые были проведены более века назад. [9] Только недавно стало возможным проводить испытания в масштабе 1:1 на целых конструкциях.
Из-за дороговизны таких испытаний они, как правило, используются в основном для понимания сейсмического поведения конструкций, проверки моделей и методов анализа. Таким образом, после надлежащей проверки вычислительные модели и численные процедуры, как правило, несут основную нагрузку для оценки сейсмических характеристик конструкций.
Оценка сейсмических характеристик или сейсмический структурный анализ является мощным инструментом сейсмостойкого строительства, который использует детальное моделирование конструкции вместе с методами структурного анализа для лучшего понимания сейсмических характеристик зданий и не зданий . Методика как формальная концепция является относительно недавней разработкой.
В целом, сейсмический структурный анализ основан на методах структурной динамики . [10] На протяжении десятилетий наиболее известным инструментом сейсмического анализа был метод спектра реакции на землетрясение , который также внес вклад в предлагаемую сегодня концепцию строительных норм. [11]
Однако такие методы хороши только для линейных упругих систем, будучи в значительной степени неспособными моделировать поведение конструкции при появлении повреждений (т. е. нелинейности ). Численное пошаговое интегрирование оказалось более эффективным методом анализа для многостепенных структурных систем со значительной нелинейностью в условиях переходного процесса возбуждения движения грунта . [12] Использование метода конечных элементов является одним из наиболее распространенных подходов для анализа нелинейных компьютерных моделей взаимодействия грунта и конструкции .
В основном, численный анализ проводится для оценки сейсмических характеристик зданий. Оценки характеристик обычно проводятся с использованием нелинейного статического анализа pushover или нелинейного анализа временной истории. В таких анализах важно достичь точного нелинейного моделирования структурных компонентов, таких как балки, колонны, соединения балок и колонн, стены жесткости и т. д. Таким образом, экспериментальные результаты играют важную роль в определении параметров моделирования отдельных компонентов, особенно тех, которые подвержены значительным нелинейным деформациям. Затем отдельные компоненты собираются для создания полной нелинейной модели конструкции. Созданные таким образом модели анализируются для оценки характеристик зданий.
Возможности программного обеспечения для структурного анализа являются основным фактором в вышеуказанном процессе, поскольку они ограничивают возможные модели компонентов, доступные методы анализа и, что наиболее важно, численную надежность. Последнее становится основным фактором для структур, которые выходят в нелинейный диапазон и приближаются к глобальному или локальному разрушению, поскольку численное решение становится все более нестабильным и, следовательно, труднодостижимым. Существует несколько коммерчески доступных программ для анализа методом конечных элементов, таких как CSI-SAP2000 и CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS и Ansys , все из которых могут использоваться для оценки сейсмической эффективности зданий. Более того, существуют исследовательские платформы анализа методом конечных элементов, такие как OpenSees , MASTODON, которая основана на MOOSE Framework , RUAUMOKO и более старая DRAIN-2D/3D, некоторые из которых теперь имеют открытый исходный код.
Исследования в области сейсмостойкого строительства означают как полевые, так и аналитические исследования или эксперименты, направленные на обнаружение и научное объяснение фактов, связанных с сейсмостойкостью, пересмотр традиционных концепций в свете новых открытий и практическое применение разработанных теорий.
Национальный научный фонд (NSF) является основным правительственным агентством США, которое поддерживает фундаментальные исследования и образование во всех областях сейсмостойкого строительства. В частности, он фокусируется на экспериментальных, аналитических и вычислительных исследованиях по проектированию и улучшению характеристик структурных систем.
Научно-исследовательский институт сейсмостойкого строительства (EERI) является лидером в распространении информации, связанной с исследованиями в области сейсмостойкого строительства, как в США, так и во всем мире.
Полный список таблиц вибраций , связанных с исследованиями в области сейсмостойкого строительства по всему миру, можно найти в Experimental Facilities for Earthquake Engineering Simulation Worldwide. [13] Наиболее известным из них в настоящее время является E-Defense Shake Table в Японии . [14]
NSF также поддерживает сеть Джорджа Э. Брауна-младшего по моделированию сейсмостойкого строительства.
Программа NSF по снижению рисков и проектированию конструкций (HMSE) поддерживает исследования новых технологий для улучшения поведения и реагирования структурных систем, подверженных опасности землетрясений; фундаментальные исследования безопасности и надежности построенных систем; инновационные разработки в области анализа и моделирования поведения и реагирования конструкций, включая взаимодействие грунта и конструкции; концепции проектирования, которые улучшают эксплуатационные характеристики и гибкость конструкции ; и применение новых методов управления для структурных систем. [15]
(NEES), которая продвигает открытие знаний и инновации для сокращения ущерба от землетрясений и цунами для гражданской инфраструктуры страны, а также новые экспериментальные методы моделирования и приборы. [16]
Сеть NEES включает 14 географически распределенных лабораторий совместного использования, которые поддерживают несколько типов экспериментальных работ: [16] геотехнические исследования с использованием центрифуг, испытания на вибростенде , крупномасштабные структурные испытания, эксперименты с волновыми бассейнами цунами и полевые исследования на месте. [17] Участвующие университеты включают: Корнельский университет ; Университет Лихай ; Университет штата Орегон ; Политехнический институт Ренсселера ; Университет в Буффало , Государственный университет Нью-Йорка ; Калифорнийский университет в Беркли ; Калифорнийский университет в Дэвисе ; Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе ; Калифорнийский университет в Сан-Диего ; Калифорнийский университет в Санта-Барбаре ; Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне ; Университет Миннесоты ; Университет Невады в Рино ; и Техасский университет в Остине . [16]
Площадки с оборудованием (лаборатории) и центральное хранилище данных подключены к мировому сообществу сейсмостойкого строительства через веб-сайт NEEShub. Веб-сайт NEES работает на программном обеспечении HUBzero, разработанном в Университете Пердью для nanoHUB специально для того, чтобы помочь научному сообществу обмениваться ресурсами и сотрудничать. Киберинфраструктура, подключенная через Internet2 , предоставляет интерактивные инструменты моделирования, область разработки инструментов моделирования, курируемый центральный репозиторий данных, анимированные презентации, поддержку пользователей, телеприсутствие, механизм загрузки и обмена ресурсами, а также статистику о пользователях и моделях использования.
Эта киберинфраструктура позволяет исследователям: безопасно хранить, организовывать и обмениваться данными в стандартизированной структуре в центральном месте; удаленно наблюдать и участвовать в экспериментах с помощью синхронизированных данных и видео в реальном времени; сотрудничать с коллегами для упрощения планирования, проведения, анализа и публикации исследовательских экспериментов; проводить вычислительное и гибридное моделирование, которое может объединять результаты нескольких распределенных экспериментов и связывать физические эксперименты с компьютерным моделированием для исследования общей производительности системы.
Эти ресурсы в совокупности предоставляют средства для сотрудничества и исследований с целью улучшения сейсмического проектирования и эксплуатационных характеристик гражданских и механических инфраструктурных систем.
Самые первые моделирования землетрясений выполнялись 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 начали уступать место динамическим .
Динамические эксперименты на строительных и нестроительных конструкциях могут быть физическими, как испытания на вибростенде , или виртуальными. В обоих случаях для проверки ожидаемых сейсмических характеристик конструкции некоторые исследователи предпочитают иметь дело с так называемыми «историями в реальном времени», хотя последние не могут быть «реальными» для гипотетического землетрясения, указанного либо строительным кодексом, либо некоторыми конкретными исследовательскими требованиями. Поэтому существует сильный стимул для использования моделирования землетрясения, которое является сейсмическим входом, обладающим только существенными характеристиками реального события.
Иногда под моделированием землетрясения понимают воссоздание локальных эффектов сильного сотрясения земли.
Теоретическая или экспериментальная оценка ожидаемых сейсмических характеристик в основном требует структурного моделирования , которое основано на концепции структурного подобия или схожести. Сходство — это некоторая степень аналогии или сходства между двумя или более объектами. Понятие сходства основывается либо на точном, либо на приблизительном повторении шаблонов в сравниваемых объектах.
В общем, модель здания считается похожей на реальный объект, если они имеют геометрическое сходство , кинематическое сходство и динамическое сходство . Наиболее ярким и эффективным типом сходства является кинематическое сходство. Кинематическое сходство существует, когда пути и скорости движущихся частиц модели и ее прототипа похожи.
Предельным уровнем кинематического сходства является кинематическая эквивалентность , когда в случае сейсмостойкого строительства временные истории боковых смещений каждого этажа модели и ее прототипа будут одинаковыми.
Контроль сейсмических колебаний представляет собой комплекс технических средств, направленных на смягчение сейсмических воздействий на строительные и нестроительные конструкции. Все устройства контроля сейсмических колебаний можно разделить на пассивные , активные или гибридные [20] , где:
Когда сейсмические волны достигают основания здания и начинают проникать в него, плотность потока их энергии из-за отражений резко снижается: обычно до 90%. Однако оставшиеся части падающих волн во время сильного землетрясения все еще несут в себе огромный разрушительный потенциал.
После того, как сейсмические волны проникают в надземную часть здания , существует ряд способов их контроля с целью смягчения их разрушительного воздействия и улучшения сейсмостойкости здания, например:
Устройства последнего типа, сокращенно обозначаемые соответственно как TMD для настроенных ( пассивных ), AMD для активных и HMD для гибридных массовых демпферов , изучались и устанавливались в высотных зданиях , преимущественно в Японии, в течение четверти века. [23]
Однако существует и совершенно другой подход: частичное подавление потока сейсмической энергии в надстройку, известное как сейсмическая или фундаментная изоляция .
Для этого в основание здания или под все основные несущие элементы вставляются подкладки, которые должны существенно разъединить надземную часть от ее подземной части, покоящейся на колеблющемся грунте.
Первое свидетельство защиты от землетрясений с использованием принципа изоляции основания было обнаружено в Пасаргадах , городе в древней Персии, ныне Иране, и датируется VI веком до н. э. Ниже приведены некоторые образцы современных технологий контроля сейсмических колебаний.
Перу — высокосейсмичная страна ; на протяжении столетий строительство из сухого камня оказывалось более устойчивым к землетрясениям, чем строительство с использованием раствора. Люди цивилизации инков были мастерами полированных «стен из сухого камня», называемых ашлар , где каменные блоки обрезались 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 кладке были настолько совершенны, что даже травинки не могли протиснуться между камнями.
Камни сухих каменных стен, построенных инками, могли слегка перемещаться и перестраиваться без разрушения стен, что является пассивным методом структурного контроля , использующим как принцип рассеивания энергии (кулоновское затухание), так и принцип подавления резонансных усилений. [25]
Обычно настроенные инерционные демпферы представляют собой огромные бетонные блоки, установленные в небоскребах или других сооружениях, и движутся в направлении, противоположном колебаниям резонансной частоты конструкций с помощью своего рода пружинного механизма.
Небоскреб Тайбэй 101 должен выдерживать тайфуны и толчки землетрясений , распространенные в этом районе Азиатско-Тихоокеанского региона. Для этой цели был спроектирован и установлен на вершине конструкции стальной маятник весом 660 метрических тонн, который служит настроенным массовым демпфером. Подвешенный с 92-го по 88-й этаж, маятник качается, чтобы уменьшить резонансные усиления боковых смещений в здании, вызванных землетрясениями и сильными порывами ветра .
Гистерезисный демпфер предназначен для обеспечения лучших и более надежных сейсмических характеристик, чем у обычной конструкции, за счет увеличения рассеивания сейсмической входной энергии. [26] Существует пять основных групп гистерезисных демпферов, используемых для этой цели, а именно:
Вязкостные демпферы имеют преимущество в том, что являются дополнительной системой демпфирования. Они имеют овальный гистерезисный контур, а демпфирование зависит от скорости. Хотя потенциально требуется некоторое незначительное техническое обслуживание, вязкостные демпферы обычно не требуют замены после землетрясения. Хотя они дороже других технологий демпфирования, их можно использовать как для сейсмических, так и для ветровых нагрузок, и они являются наиболее часто используемым гистерезисным демпфером. [27]
Фрикционные демпферы, как правило, доступны в двух основных типах: линейные и вращательные, и рассеивают энергию за счет тепла. Демпфер работает по принципу кулоновского демпфера . В зависимости от конструкции фрикционные демпферы могут испытывать явление прерывистого скольжения и холодную сварку . Основным недостатком является то, что поверхности трения могут изнашиваться со временем, и по этой причине они не рекомендуются для рассеивания ветровых нагрузок. При использовании в сейсмических приложениях износ не является проблемой, и нет необходимости в обслуживании. Они имеют прямоугольную гистерезисную петлю, и пока здание достаточно эластично, они имеют тенденцию возвращаться в исходное положение после землетрясения.
Металлические демпферы, как следует из названия, деформируются, чтобы поглотить энергию землетрясения. Этот тип демпферов поглощает большое количество энергии, однако их необходимо заменять после землетрясения, и они могут помешать зданию вернуться в исходное положение.
Вязкоупругие амортизаторы полезны тем, что их можно использовать как для ветровых, так и для сейсмических приложений, они обычно ограничены небольшими смещениями. Существует некоторая обеспокоенность относительно надежности технологии, поскольку некоторые бренды были запрещены к использованию в зданиях в Соединенных Штатах.
Изоляция основания направлена на предотвращение перехода кинетической энергии землетрясения в упругую энергию в здании. Эти технологии делают это путем изоляции конструкции от земли, что позволяет им двигаться в некоторой степени независимо. Степень, в которой энергия передается в конструкцию, и то, как она рассеивается, будет зависеть от используемой технологии.
Свинцово-резиновый подшипник или LRB — это тип базовой изоляции, использующий сильное демпфирование . Он был изобретен Биллом Робинсоном , новозеландцем. [28]
Тяжелый демпфирующий механизм, встроенный в технологии контроля вибрации и, в частности, в устройства изоляции фундамента, часто считается ценным источником подавления вибраций, тем самым повышая сейсмические характеристики здания. Однако для довольно гибких систем, таких как конструкции с изоляцией фундамента, с относительно низкой жесткостью подшипника, но с высоким демпфированием, так называемая «сила демпфирования» может оказаться основной толкающей силой при сильном землетрясении. Видео [29] показывает, как свинцово-резиновый подшипник испытывается на объекте UCSD Caltrans-SRMD. Подшипник изготовлен из резины со свинцовым сердечником. Это был одноосный тест, в котором подшипник также находился под полной нагрузкой конструкции. Многие здания и мосты, как в Новой Зеландии, так и в других местах, защищены свинцовыми демпферами и свинцово-резиновыми подшипниками. Te Papa Tongarewa , национальный музей Новой Зеландии и здания парламента Новой Зеландии были оснащены подшипниками. Оба находятся в Веллингтоне, который расположен на активном разломе . [28]
Изолятор основания с пружинами и демпфером, установленный под трехэтажным таунхаусом в Санта-Монике , Калифорния, показан на фотографии, сделанной до землетрясения в Нортридже в 1994 году . Это устройство изоляции основания, концептуально похожее на опору из свинцово-резиновой резины .
Один из двух таких трехэтажных таунхаусов, оснащенный всем необходимым оборудованием для регистрации как вертикальных, так и горизонтальных ускорений на этажах и на земле, пережил сильные толчки во время землетрясения в Нортридже и оставил ценную записанную информацию для дальнейшего изучения.
Простая роликовая опора представляет собой фундаментное изолирующее устройство, предназначенное для защиты различных строительных и нестроительных конструкций от потенциально разрушительных боковых ударов сильных землетрясений.
Эта металлическая опора подшипника может быть адаптирована, с определенными мерами предосторожности, как сейсмоизолятор для небоскребов и зданий на мягком грунте. Недавно она была использована под названием металлической роликовой опоры для жилого комплекса (17 этажей) в Токио, Япония . [30]
Маятниковый подшипник фрикционного типа (МПФ) — это другое название маятниковой системы фрикционного типа (СМТ). Она основана на трех столпах: [31]
Справа представлен снимок со ссылкой на видеоклип испытания на вибростенде системы ФПБ, поддерживающей жесткую модель здания.
Сейсмическое проектирование основано на утвержденных инженерных процедурах, принципах и критериях, предназначенных для проектирования или модернизации конструкций, подверженных воздействию землетрясений. [18] Эти критерии соответствуют только современному уровню знаний о сейсмостойких конструкциях . [32] Поэтому проект здания, который точно следует правилам сейсмостойкого кодекса, не гарантирует безопасности от обрушения или серьезного повреждения. [33]
Цена плохого сейсмического проектирования может быть колоссальной. Тем не менее, сейсмическое проектирование всегда было процессом проб и ошибок , независимо от того, основывалось ли оно на физических законах или на эмпирических знаниях о структурных характеристиках различных форм и материалов.
Для выполнения сейсмического проектирования , сейсмического анализа или сейсмической оценки новых и существующих проектов гражданского строительства инженер , как правило, должен сдать экзамен по принципам сейсмостойкости [34] , который в штате Калифорния включает в себя:
Для создания сложных структурных систем [35] сейсмическое проектирование в основном использует то же относительно небольшое количество основных структурных элементов (не говоря уже об устройствах контроля вибрации), что и любой несейсмический проект.
Обычно, согласно строительным нормам, конструкции проектируются так, чтобы «выдерживать» самое большое землетрясение определенной вероятности, которое может произойти 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 придания ей соответствующей прочности , жесткости , пластичности и конфигурации [36] , чтобы гарантировать невозможность возникновения этих режимов.
Требования к сейсмическому проектированию зависят от типа конструкции, местоположения проекта и его органов, которые устанавливают применимые нормы и критерии сейсмического проектирования. [7] Например, требования Департамента транспорта Калифорнии, называемые «Критерии сейсмического проектирования» (SDC) и направленные на проектирование новых мостов в Калифорнии [37], включают инновационный подход, основанный на сейсмических характеристиках.
Наиболее важной особенностью в философии проектирования SDC является переход от оценки сейсмического спроса на основе силы к оценке спроса и мощности на основе смещения. Таким образом, недавно принятый подход смещения основан на сравнении упругого спроса на смещение с неупругой способностью смещения основных структурных компонентов, обеспечивая при этом минимальный уровень неупругой способности во всех потенциальных местах пластического шарнира.
В дополнение к самой спроектированной конструкции, требования к сейсмическому проектированию могут включать стабилизацию грунта под конструкцией: иногда сильно сотрясаемая почва разрушается, что приводит к обрушению конструкции, на которой она стоит. [39] Следующие темы должны быть в первую очередь предметом внимания: разжижение; динамическое боковое давление грунта на подпорные стенки; сейсмическая устойчивость склона; осадка, вызванная землетрясением. [40]
Ядерные объекты не должны подвергать риску свою безопасность в случае землетрясений или других враждебных внешних событий. Поэтому их сейсмическое проектирование основано на критериях, гораздо более строгих, чем те, которые применяются к неядерным объектам. [41] Аварии на АЭС «Фукусима I» и ущерб другим ядерным объектам , последовавшие за землетрясением и цунами в Тохоку в 2011 году , однако, привлекли внимание к сохраняющейся обеспокоенности по поводу японских стандартов сейсмического проектирования ядерных объектов и заставили многие другие правительства пересмотреть свои ядерные программы . Сомнения также были высказаны по поводу сейсмической оценки и проектирования некоторых других станций, включая атомную электростанцию Фессенхайм во Франции.
Режим отказа — это способ, которым наблюдается отказ, вызванный землетрясением. Он, как правило, описывает, как происходит отказ. Хотя это и затратно и требует много времени, изучение каждого реального отказа при землетрясении остается обычным рецептом для продвижения в методах сейсмического проектирования . Ниже представлены некоторые типичные режимы отказов, вызванных землетрясением.
Отсутствие армирования в сочетании с плохим раствором и ненадлежащими связями между крышей и стеной может привести к существенному повреждению неармированного каменного здания . Сильно потрескавшиеся или наклоненные стены являются одними из наиболее распространенных повреждений от землетрясений. Также опасны повреждения, которые могут возникнуть между стенами и диафрагмами крыши или пола. Разделение между каркасом и стенами может поставить под угрозу вертикальную поддержку систем крыши и пола.
Эффект мягкого этажа . Отсутствие достаточной жесткости на уровне земли привело к повреждению этой конструкции. При внимательном рассмотрении изображения становится ясно, что грубая обшивка, когда-то покрытая кирпичной облицовкой , полностью демонтирована со стойки. Только жесткость пола наверху в сочетании с поддержкой с двух скрытых сторон сплошными стенами, не пронизанными большими дверями, как на уличных сторонах, предотвращает полное обрушение конструкции.
Разжижение почвы . В случаях, когда почва состоит из рыхлых гранулированных отложений с тенденцией к развитию избыточного гидростатического давления поровой воды достаточной величины и компактна, разжижение этих рыхлых насыщенных отложений может привести к неравномерным осадкам и наклону конструкций. Это вызвало серьезные повреждения тысяч зданий в Ниигате, Япония, во время землетрясения 1964 года . [42]
.jpg/1280px-Smashed_Car_in_Dujiangyan_-_2008_Sichuan_earthquake_(1).jpg)
Оползень камнепад . Оползень — это геологическое явление, которое включает в себя широкий спектр движений грунта, включая камнепады . Обычно действие силы тяжести является основной движущей силой для возникновения оползня, хотя в этом случае был еще один способствующий фактор, который повлиял на первоначальную устойчивость склона : для возникновения оползня требовалось землетрясение .
Удар по соседнему зданию . Это фотография рухнувшей пятиэтажной башни семинарии Св. Иосифа в Лос-Альтосе, Калифорния, в результате которой погиб один человек. Во время землетрясения в Лома-Приета башня ударилась о соседнее здание, которое колеблется независимо. Возможность удара зависит от боковых смещений обоих зданий, которые следует точно оценить и учесть.
При землетрясении в Нортридже бетонный каркас офисного здания Kaiser Permanente полностью разрушился, обнажив неадекватную стальную ограждающую конструкцию , что привело к обрушению второго этажа. В поперечном направлении композитные торцевые стены сдвига , состоящие из двух полос кирпича и слоя торкретбетона , который нес боковую нагрузку, развалились из-за неадекватных сквозных связей и рухнули.
Эффект соскальзывания фундамента относительно жесткой конструкции жилого здания во время землетрясения в Уиттьер-Нэрроус в 1987 году . Землетрясение магнитудой 5,9 обрушилось на многоквартирный дом Garvey West в Монтерей-Парке, Калифорния, и сместило его надстройку примерно на 10 дюймов к востоку на фундаменте.
Если надстройка не смонтирована на системе изоляции основания , следует исключить ее смещение на фундаменте.
Железобетонная колонна лопнула при землетрясении в Нортридже из-за недостаточного режима армирования сдвига , что позволило основной арматуре выгнуться наружу. Настил сорвался с места в шарнире и рухнул при сдвиге. В результате обрушился участок подземного перехода La Cienega-Venice на шоссе 10.
Землетрясение в Лома-Приете : вид сбоку на разрушение железобетонных опорных колонн , которое привело к обрушению верхнего настила на нижний настил двухуровневого виадука Cypress межштатного шоссе 880, Окленд, Калифорния.
Разрушение подпорной стенки при землетрясении Лома-Приета в районе гор Санта-Крус: заметные протяженные трещины северо-западного простирания шириной до 12 см (4,7 дюйма) в бетонном водосбросе к Австрийской плотине, северный устой .
Сотрясение земли вызвало разжижение почвы в подповерхностном слое песка , вызывая дифференциальное боковое и вертикальное движение в вышележащем панцире из неразжиженного песка и ила . Этот режим провала земли , называемый боковым распространением , является основной причиной повреждений, вызванных землетрясением, связанных с разжижением. [43]
Здание Сельскохозяйственного банка развития Китая сильно повреждено после землетрясения в Сычуани в 2008 году : большинство балок и колонн опор срезаны . Большие диагональные трещины в кладке и облицовке вызваны нагрузками в плоскости, а внезапная осадка правого конца здания связана со свалкой , которая может быть опасной даже без землетрясения. [44]
Двойное воздействие цунами : гидравлическое давление морских волн и затопление . Так, землетрясение в Индийском океане 26 декабря 2004 года с эпицентром у западного побережья Суматры , Индонезия, вызвало серию разрушительных цунами, в результате которых погибло более 230 000 человек в одиннадцати странах, затопив близлежащие прибрежные поселения огромными волнами высотой до 30 метров (100 футов). [46]
Сейсмостойкое строительство подразумевает реализацию сейсмостойкого проектирования, позволяющего строительным и нестроительным конструкциям выдержать ожидаемое воздействие землетрясения в соответствии с ожиданиями и в соответствии с действующими строительными нормами .
Проектирование и строительство тесно связаны. Для достижения хорошего качества изготовления детализация элементов и их соединений должна быть максимально простой. Как и любое строительство в целом, сейсмостойкое строительство представляет собой процесс, который состоит из строительства, модернизации или сборки инфраструктуры с учетом имеющихся строительных материалов. [47]
Дестабилизирующее воздействие землетрясения на сооружения может быть прямым (сейсмические колебания грунта) или косвенным (оползни, вызванные землетрясением, разжижение грунта и волны цунами).
Конструкция может иметь все признаки стабильности, но при этом представлять собой только опасность, когда происходит землетрясение. [48] Решающим фактом является то, что для безопасности методы строительства, устойчивые к землетрясениям, так же важны, как контроль качества и использование правильных материалов. Подрядчик по землетрясениям должен быть зарегистрирован в штате/провинции/стране, где находится проект (в зависимости от местных правил), иметь гарантии и страховку [ требуется ссылка ] .
Чтобы минимизировать возможные потери , строительный процесс следует организовывать с учетом того, что землетрясение может произойти в любой момент до окончания строительства.
Каждый строительный проект требует наличия квалифицированной команды профессионалов, которые понимают основные особенности сейсмостойкости различных конструкций, а также управления строительством .
Около тридцати процентов населения мира живет или работает в земляном строительстве. [49] Глиняный кирпич типа саман является одним из старейших и наиболее широко используемых строительных материалов. Использование самана очень распространено в некоторых из наиболее опасных регионов мира, традиционно в Латинской Америке, Африке, на Индийском субконтиненте и в других частях Азии, на Ближнем Востоке и в Южной Европе.
Глинобитные здания считаются очень уязвимыми при сильных землетрясениях. [50] Однако существует множество способов сейсмического усиления новых и существующих глинобитных зданий. [51]
Ключевыми факторами улучшения сейсмических характеристик саманных построек являются:
Известняк очень распространен в архитектуре, особенно в Северной Америке и Европе. Многие достопримечательности по всему миру сделаны из известняка. Многие средневековые церкви и замки в Европе сделаны из известняка и песчаниковой кладки. Это долговечные материалы, но их довольно большой вес не способствует адекватной сейсмической эффективности.
Применение современных технологий для сейсмической модернизации может повысить выживаемость неармированных каменных конструкций. Например, с 1973 по 1989 год здание Salt Lake City and County Building в штате Юта было полностью отремонтировано и восстановлено с упором на сохранение исторической точности внешнего вида. Это было сделано совместно с сейсмической модернизацией, которая поместила слабую конструкцию из песчаника на фундамент изоляции основания, чтобы лучше защитить ее от повреждений землетрясением.
Строительство деревянных каркасов насчитывает тысячи лет и использовалось во многих частях света в разные периоды, например, в древней Японии, Европе и средневековой Англии, в местах, где древесина была в изобилии, а строительный камень и навыки его обработки отсутствовали.
Использование деревянного каркаса в зданиях обеспечивает их полную скелетную конструкцию, которая предлагает некоторые структурные преимущества, поскольку деревянный каркас, если он правильно спроектирован, обеспечивает лучшую сейсмическую устойчивость . [53]
Легкие каркасные конструкции обычно получают сейсмическую устойчивость от жестких фанерных стен сдвига и деревянных структурных панелей диафрагм . [54] Специальные положения для систем сопротивления сейсмической нагрузке для всех инженерных деревянных конструкций требуют учета соотношений диафрагм, горизонтальных и вертикальных сдвигов диафрагм и значений соединителей / крепежей . Кроме того, требуются коллекторы или распорки для распределения сдвига по длине диафрагмы.
Строительная система, в которой стальная арматура вмонтирована в растворные швы кладки или помещена в отверстия, которые заполняются бетоном или раствором, называется армированной кладкой . [55] Существуют различные практики и методы армирования кладки. Наиболее распространенным типом является армированная пустотелая кладка .
Для достижения пластичного поведения в кладке необходимо, чтобы прочность стены на сдвиг была больше прочности на изгиб . [56] Эффективность как вертикальной, так и горизонтальной арматуры зависит от типа и качества каменных блоков и раствора .
Разрушительное землетрясение в Лонг-Бич 1933 года показало, что каменная кладка подвержена повреждениям при землетрясениях, что привело к принятию Кодекса штата Калифорния, который сделал армирование каменной кладки обязательным по всей Калифорнии.
Железобетон — это бетон, в который встроены стальные арматурные стержни ( арматура ) или волокна для укрепления материала, который в противном случае был бы хрупким . Его можно использовать для изготовления балок , колонн , полов или мостов.
Предварительно напряженный бетон — это вид железобетона, используемый для преодоления естественной слабости бетона при растяжении. Он может применяться для балок , полов или мостов с более длинным пролетом, чем это практично с обычным железобетоном. Предварительно напряженные арматурные элементы (обычно из высокопрочного стального троса или стержней) используются для обеспечения зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение , компенсирующее растягивающее напряжение , которое в противном случае испытывал бы бетонный элемент сжатия из-за изгибающей нагрузки.
Для предотвращения катастрофического обрушения в ответ на землетрясение (в интересах безопасности жизни) традиционный железобетонный каркас должен иметь пластичные соединения. В зависимости от используемых методов и приложенных сейсмических сил такие здания могут быть пригодны для немедленного использования, требовать масштабного ремонта или, возможно, подлежат сносу.
Предварительно напряженная конструкция — это та, чья общая целостность , устойчивость и безопасность зависят, прежде всего, от предварительного напряжения . Предварительное напряжение означает преднамеренное создание постоянных напряжений в конструкции с целью улучшения ее характеристик в различных условиях эксплуатации. [57]
Существуют следующие основные виды предварительного напряжения:
Сегодня концепция предварительно напряженной конструкции широко применяется при проектировании зданий , подземных сооружений, телебашен, электростанций, плавучих хранилищ и морских сооружений, ядерных реакторов и многочисленных видов мостовых систем. [58]
Полезная идея предварительного напряжения была, по-видимому, знакома древнеримским архитекторам; взгляните, например, на высокую аттическую стену Колизея, которая служила стабилизирующим устройством для опор стены, расположенных ниже.
Стальные конструкции считаются в основном сейсмостойкими, но некоторые поломки все же имели место. Большое количество сварных стальных каркасных зданий, устойчивых к моменту , которые выглядели сейсмостойкими, на удивление показали хрупкое поведение и были опасно повреждены во время землетрясения в Нортридже в 1994 году . [59] После этого Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) инициировало разработку методов ремонта и новых подходов к проектированию, чтобы минимизировать ущерб стальным каркасным зданиям при будущих землетрясениях. [60]
Для сейсмического проектирования стальных конструкций на основе подхода расчета нагрузки и коэффициента сопротивления (LRFD) очень важно оценить способность конструкции развивать и поддерживать ее несущую способность в неупругом диапазоне. Мерой этой способности является пластичность , которая может наблюдаться в самом материале , в структурном элементе или во всей конструкции .
В результате землетрясения в Нортридже Американский институт стальных конструкций ввел стандарт AISC 358 «Предварительно квалифицированные соединения для специальных и промежуточных стальных моментных рам». Положения AISC по сейсмическому проектированию требуют, чтобы все стальные моментные рамы использовали либо соединения, указанные в AISC 358, либо соединения, которые прошли предварительные циклические испытания. [61]
Оценка потерь от землетрясений обычно определяется как коэффициент ущерба ( DR ), который представляет собой отношение стоимости ремонта ущерба от землетрясения к общей стоимости здания. [62] Вероятные максимальные потери ( PML ) — это общий термин, используемый для оценки потерь от землетрясений, но у него нет точного определения. В 1999 году было выпущено ASTM E2026 «Стандартное руководство по оценке повреждаемости зданий при землетрясениях» с целью стандартизации номенклатуры для оценки сейсмических потерь, а также установления руководящих принципов относительно процесса рассмотрения и квалификации проверяющего. [63]
Оценки потерь от землетрясений также называются оценками сейсмического риска . Процесс оценки риска обычно включает определение вероятности различных движений грунта в сочетании с уязвимостью или повреждением здания при этих движениях грунта. Результаты определяются как процент от стоимости замены здания. [64]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)