Сейсмическая модернизация — это модификация существующих конструкций , чтобы сделать их более устойчивыми к сейсмической активности , движению грунта или разрушению грунта из-за землетрясений . С лучшим пониманием сейсмических требований к конструкциям и недавним опытом крупных 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 света (Турция, Китай и т. д.) [1] многие конструкции проектировались без адекватной детализации и усиления для сейсмической защиты. Ввиду надвигающейся проблемы были проведены различные исследовательские работы. Современные технические руководства по сейсмической оценке, модернизации и восстановлению были опубликованы по всему миру, такие как ASCE-SEI 41 [2] и руководства Новозеландского общества сейсмостойкого строительства (NZSEE). [3] Эти кодексы должны регулярно обновляться; Например, землетрясение в Нортридже в 1994 году выявило хрупкость сварных стальных каркасов. [4]
Методы модернизации, описанные здесь, также применимы для других природных опасностей, таких как тропические циклоны , торнадо и сильные ветры от гроз . В то время как текущая практика сейсмической модернизации в основном касается структурных улучшений для снижения сейсмической опасности использования конструкций, также важно уменьшить опасности и потери от неструктурных элементов. Также важно помнить, что не существует такого понятия, как сейсмостойкая конструкция, хотя сейсмические характеристики можно значительно улучшить с помощью правильного первоначального проектирования или последующих модификаций.
Стратегии сейсмической модернизации (или реабилитации) были разработаны в последние несколько десятилетий после введения новых сейсмических положений и появления современных материалов (например, армированных волокном полимеров (FRP) , армированного волокном бетона и высокопрочной стали). [5]
В последнее время изучаются более целостные подходы к модернизации зданий, включая комбинированную сейсмическую и энергетическую модернизацию. Такие комбинированные стратегии направлены на использование экономии средств путем одновременного применения энергетической модернизации и сейсмического усиления, тем самым улучшая сейсмические и тепловые характеристики зданий. [8] [9] [10]
В прошлом сейсмическая модернизация в основном применялась для обеспечения общественной безопасности, а инженерные решения ограничивались экономическими и политическими соображениями. Однако с развитием сейсмостойкого проектирования на основе производительности (PBEE) постепенно признаются несколько уровней целей производительности:
Распространенные методы сейсмической модернизации делятся на несколько категорий:
Использование внешнего пост-напряжения для новых структурных систем было разработано в последнее десятилетие. В рамках PRESS (Precast Seismic Structural Systems), [11] крупномасштабной совместной исследовательской программы США и Японии, были использованы несвязанные пост-напряженные высокопрочные стальные арматурные стержни для достижения системы сопротивления моменту, которая имеет способность самоцентрирования. Расширение той же идеи для сейсмической модернизации было экспериментально проверено для сейсмической модернизации мостов Калифорнии в рамках исследовательского проекта Caltrans [12] и для сейсмической модернизации непластичных железобетонных рам. [13] Предварительное напряжение может увеличить несущую способность структурных элементов, таких как балки, колонны и соединения балка-колонна. Внешнее предварительное напряжение использовалось для структурной модернизации для гравитационной/динамической нагрузки с 1970-х годов. [14]
Изоляция основания представляет собой совокупность структурных элементов здания , которые должны существенно отделить конструкцию здания от трясущегося грунта, тем самым защищая целостность здания и улучшая его сейсмические характеристики . Эта технология сейсмостойкого строительства , которая является своего рода контролем сейсмических колебаний , может применяться как к новому проектируемому зданию, так и к сейсмической модернизации существующих сооружений. [15] [16] Обычно вокруг здания производятся раскопки, и здание отделяется от фундамента. Стальные или железобетонные балки заменяют соединения с фундаментом, в то время как под ними изолирующие прокладки или изоляторы основания заменяют удаленный материал. Хотя изоляция основания имеет тенденцию ограничивать передачу движения грунта зданию, она также удерживает здание в правильном положении над фундаментом. Требуется тщательное внимание к деталям там, где здание соприкасается с землей, особенно на входах, лестницах и пандусах, чтобы обеспечить достаточное относительное движение этих структурных элементов.
Дополнительные демпферы поглощают энергию движения и преобразуют ее в тепло, тем самым демпфируя резонансные эффекты в конструкциях, которые жестко прикреплены к земле. В дополнение к добавлению способности рассеивать энергию к конструкции, дополнительное демпфирование может уменьшить смещение и потребность в ускорении внутри конструкций. [17] В некоторых случаях угроза повреждения исходит не от самого первоначального удара, а от периодического резонансного движения конструкции, которое вызывает повторяющееся движение грунта. В практическом смысле дополнительные демпферы действуют аналогично амортизаторам, используемым в автомобильных подвесках .
Настроенные массовые демпферы (TMD) используют подвижные грузы на некоторых видах пружин. Они обычно используются для уменьшения ветрового колебания в очень высоких, легких зданиях. Аналогичные конструкции могут использоваться для придания сейсмостойкости в восьми-десятиэтажных зданиях, которые подвержены разрушительным резонансам, вызванным землетрясениями. [18]
Бак-уравнитель — это большой контейнер с жидкостью низкой вязкости (обычно водой), который может быть помещен в местах в конструкции, где поперечные колебательные движения значительны, например, на крыше, и настроен на противодействие локальному резонансному динамическому движению. Во время сейсмического (или ветрового) события жидкость в баке будет плескаться вперед и назад, причем движение жидкости обычно направляется и контролируется внутренними перегородками — перегородками, которые не позволяют самому баку входить в резонанс с конструкцией, см. Динамика плескания . Чистый динамический отклик всей конструкции уменьшается как из-за противодействующего движения массы, так и из-за рассеивания энергии или гашения вибрации, которое происходит, когда кинетическая энергия жидкости преобразуется в тепло перегородками. Обычно повышение температуры в системе будет минимальным и пассивно охлаждается окружающим воздухом. One Rincon Hill в Сан-Франциско — это небоскреб с баком-уравнителем на крыше, который был спроектирован в первую очередь для уменьшения величины поперечных колебательных движений от ветра. Бак-уравнитель — это пассивный настроенный массовый демпфер . Чтобы быть эффективным, 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 проектируются так, чтобы они также могли использоваться в качестве аварийных цистерн с водой для тушения пожаров.
Очень высокие здания (« небоскребы »), построенные с использованием современных легких материалов, могут неудобно (но не опасно) раскачиваться при определенных ветровых условиях. Решение этой проблемы заключается в том, чтобы разместить на верхнем этаже большую массу, ограниченную, но свободно перемещающуюся в ограниченном диапазоне, и движущуюся на какой-то системе подшипников, такой как воздушная подушка или гидравлическая пленка. Гидравлические поршни , приводимые в действие электрическими насосами и аккумуляторами, активно приводятся в действие для противодействия силам ветра и естественным резонансам. Они также могут, если они правильно спроектированы, быть эффективными для контроля чрезмерного движения — с приложенной мощностью или без нее — при землетрясении. Однако в целом современные высотные здания со стальным каркасом не так подвержены опасному движению, как здания средней высоты (от восьми до десяти этажей ), поскольку резонансный период высокого и массивного здания длиннее, чем приблизительно односекундные толчки, возникающие при землетрясении.
Наиболее распространенной формой сейсмической модернизации более низких зданий является добавление прочности существующей конструкции для сопротивления сейсмическим силам. Укрепление может быть ограничено соединениями между существующими элементами здания или может включать добавление основных элементов сопротивления, таких как стены или рамы, особенно на нижних этажах. Обычные меры модернизации для неармированных каменных зданий в западной части Соединенных Штатов включают добавление стальных рам, добавление железобетонных стен и, в некоторых случаях, добавление изоляции основания.
Часто пристройки к зданию не будут прочно связаны с существующей конструкцией, а просто будут размещены рядом с ней, с незначительной непрерывностью в напольном покрытии, сайдинге и кровле. В результате пристройка может иметь другой резонансный период, чем исходная конструкция, и они могут легко отделиться друг от друга. Относительное движение затем приведет к столкновению двух частей, что приведет к серьезным структурным повреждениям. Сейсмическая модификация либо жестко свяжет два компонента здания вместе, так что они будут вести себя как единая масса, либо будет использовать демпферы для расходования энергии от относительного движения с соответствующим учетом этого движения, таким как увеличенное расстояние и раздвижные мосты между секциями.
Исторические здания, выполненные из неармированной каменной кладки, могут иметь культурно значимые внутренние детали или фрески, которые не следует трогать. В этом случае решением может быть добавление ряда стальных, железобетонных или постнапряженных бетонных колонн к внешней части. Особое внимание следует уделять соединениям с другими элементами, такими как фундаменты, верхние плиты и стропильные фермы.
Здесь показано внешнее армирование сдвига обычного железобетонного общежития. В этом случае вертикальная прочность колонн здания и прочность сдвига нижних этажей были достаточными, поэтому для обеспечения сейсмостойкости в этом месте вблизи разлома Хейворд требовалось лишь ограниченное армирование сдвига .
В других обстоятельствах требуется гораздо большее армирование. В конструкции, показанной справа — парковке над магазинами — размещение, детализация и покраска арматуры сами по себе становятся архитектурным украшением.
Этот режим обрушения известен как мягкое обрушение этажа . Во многих зданиях первый этаж спроектирован для иного использования, чем верхние этажи. Низкоэтажные жилые здания могут быть построены над парковкой с большими дверями с одной стороны. Отели могут иметь высокий первый этаж, чтобы обеспечить парадный вход или бальные залы. Офисные здания могут иметь розничные магазины на первом этаже с непрерывными витринами .
Традиционное сейсмическое проектирование предполагает, что нижние этажи здания прочнее верхних; если это не так — если нижний этаж менее прочен, чем верхняя конструкция — конструкция не будет реагировать на землетрясения ожидаемым [ требуется разъяснение ] образом. Используя современные методы проектирования, можно учесть слабый нижний этаж. Несколько аварий такого типа в одном большом жилом комплексе стали причиной большинства жертв землетрясения в Нортридже в 1994 году .
Обычно, когда обнаруживается этот тип проблемы, слабый этаж укрепляется, чтобы сделать его прочнее, чем этажи выше, путем добавления стен жесткости или моментных рам. Моментные рамы, состоящие из перевернутых U- образных изгибов, полезны для сохранения доступа к гаражу нижнего этажа, в то время как более дешевым решением может быть использование стен жесткости или ферм в нескольких местах, что частично снижает полезность для парковки автомобилей, но все еще позволяет использовать пространство для другого хранения.
Соединения балок и колонн являются распространенным конструктивным недостатком при сейсмической модернизации. До введения современных сейсмических норм в начале 1970-х годов соединения балок и колонн, как правило, не проектировались и не проектировались. Лабораторные испытания подтвердили сейсмическую уязвимость этих плохо детализированных и недостаточно спроектированных соединений. [19] [20] [21] [22] Разрушение соединений балок и колонн, как правило, может привести к катастрофическому обрушению каркасного здания, что часто наблюдалось во время недавних землетрясений [23] [24]
Для железобетонных соединений балок и колонн за последние 20 лет были предложены и испытаны 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 FRP и арамидный FRP, были тщательно протестированы для использования в сейсмической модернизации с некоторым успехом. [25] [26] [27] Одна из новых технологий включает использование выборочного ослабления балки и добавленное внешнее пост-напряжение к соединению [28] для достижения изгибного шарнира в балке, что более желательно с точки зрения сейсмического проектирования.
Например, широко распространенные отказы сварных швов на стыках балок и колонн стальных зданий малой и средней высоты во время землетрясения в Нортридже в 1994 году показали структурные недостатки этих «современно спроектированных» сварных соединений, выдерживающих момент после 1970-х годов. [29] Последующий исследовательский проект SAC [4] задокументировал, протестировал и предложил несколько решений по модернизации для этих сварных стальных соединений, выдерживающих момент. Для этих сварных соединений были разработаны различные решения по модернизации, такие как a) усиление сварного шва и b) добавление стального хоунча или фланца в форме «собачьей кости». [30]
После землетрясения в Нортридже было обнаружено, что ряд зданий с каркасом из стали подверглись хрупким разрушениям соединений балок с колоннами. Обнаружение этих непредвиденных хрупких разрушений соединений каркаса вызвало тревогу у инженеров и строительной отрасли. Начиная с 1960-х годов инженеры начали рассматривать сварные здания с каркасом из стали как одну из самых пластичных систем, содержащихся в строительных нормах. Многие инженеры считали, что здания с каркасом из стали по сути неуязвимы к повреждениям, вызванным землетрясением, и думали, что если повреждение и произойдет, то оно ограничится пластичной текучестью элементов и соединений. Наблюдение за повреждениями, полученными зданиями во время землетрясения в Нортридже в 1994 году, показало, что вопреки предполагаемому поведению, во многих случаях хрупкие разрушения начались в соединениях при очень низких уровнях пластического спроса. В сентябре 1994 года совместное предприятие SAC, AISC, AISI и NIST совместно провели международный семинар в Лос-Анджелесе для координации усилий различных участников и закладки основы для систематического исследования и решения проблемы. В сентябре 1995 года совместное предприятие SAC заключило договорное соглашение с FEMA на проведение Фазы II проекта SAC Steel. В рамках Фазы II SAC продолжила свое обширное проблемно-ориентированное исследование характеристик стальных рам, выдерживающих момент, и соединений различных конфигураций с конечной целью разработки сейсмических проектных критериев для стальных конструкций. В результате этих исследований теперь известно, что типичная деталь соединения, выдерживающего момент, используемая в конструкции стальных рам, выдерживающих момент, до землетрясения в Нортридже 1994 года имела ряд особенностей, которые делали ее изначально подверженной хрупкому разрушению. [31]
Полы в деревянных зданиях обычно строятся на относительно глубоких пролетах из дерева, называемых балками , покрытых диагональной деревянной обшивкой или фанерой, чтобы сформировать черновой пол, на который укладывается поверхность чистового пола. Во многих конструкциях все они выровнены в одном направлении. Чтобы предотвратить опрокидывание балок на бок, на каждом конце используется блокировка, а для дополнительной жесткости между балками в одной или нескольких точках их пролетов может быть размещена блокировка или диагональная деревянная или металлическая распорка. На внешнем крае обычно используется одна глубина блокировки и периметральная балка в целом.
Если блокировка или гвозди недостаточны, каждую балку можно положить плашмя под действием сдвигающих сил, приложенных к зданию. В этом положении они теряют большую часть своей первоначальной прочности, и конструкция может еще больше обрушиться. В рамках модернизации блокировка может быть удвоена, особенно на внешних краях здания. Может быть целесообразно добавить дополнительные гвозди между плитой подоконника периметральной стены, возведенной на перегородке пола, хотя это потребует обнажения плиты подоконника путем удаления внутренней штукатурки или внешней обшивки. Поскольку плита подоконника может быть довольно старой и сухой, и необходимо использовать прочные гвозди, может потребоваться предварительно просверлить отверстие для гвоздя в старой древесине, чтобы избежать расщепления. Когда стена открывается для этой цели, может также быть целесообразным связать вертикальные элементы стены с фундаментом с помощью специальных соединителей и болтов, приклеенных эпоксидным цементом в отверстия, просверленные в фундаменте.
Одно- или двухэтажные деревянные каркасные жилые строения, построенные на периметральном или плитном фундаменте, относительно безопасны при землетрясении, но во многих строениях, построенных до 1950 года, опорная плита, которая находится между бетонным фундаментом и диафрагмой пола (периметральный фундамент) или каркасной стеной (плитный фундамент), может быть недостаточно закреплена болтами. Кроме того, старые крепления (без существенной защиты от коррозии) могли проржаветь 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 периметральным фундаментом через низкие стены-стойки, называемые «неисправной стеной» или pin-up . Эта низкая стеновая конструкция сама по себе может разрушиться при сдвиге или в своих соединениях с собой по углам, что приведет к диагональному движению здания и обрушению низких стен. Вероятность разрушения pin-up можно уменьшить, обеспечив, чтобы углы были хорошо укреплены при сдвиге, а панели сдвига были хорошо соединены друг с другом через угловые стойки. Для этого требуется структурная листовая фанера, часто обработанная для устойчивости к гниению. Этот сорт фанеры изготавливается без внутренних незаполненных сучков и с большим количеством более тонких слоев, чем обычная фанера. Новые здания, спроектированные для устойчивости к землетрясениям, обычно используют OSB ( ориентированно-стружечную плиту ), иногда с металлическими соединениями между панелями и с хорошо прикрепленным штукатурным покрытием для повышения ее производительности. Во многих современных домах, особенно построенных на расширяющейся (глинистой) почве, здание построено на одной и относительно толстой монолитной плите, удерживаемой в целости высокопрочными стержнями, которые напрягаются после того, как плита схватывается. Это постнапряжение подвергает бетон сжатию — состоянию, при котором он чрезвычайно прочен на изгиб и поэтому не трескается в неблагоприятных почвенных условиях.
Некоторые старые недорогие конструкции возвышаются на конических бетонных пилонах, установленных в неглубоких ямах, метод, часто используемый для прикрепления наружных террас к существующим зданиям. Это наблюдается в условиях влажной почвы, особенно в тропических условиях, поскольку это оставляет сухое вентилируемое пространство под домом, и в условиях вечной мерзлоты (замерзшей грязи) на крайнем севере, поскольку это удерживает тепло здания от дестабилизации грунта под ним. Во время землетрясения пилоны могут наклониться, вылив здание на землю. Это можно преодолеть, используя глубокие отверстия для размещения литой армированной пилоны, которые затем крепятся к панели пола по углам здания. Другой метод заключается в добавлении достаточного количества диагональных связей или секций бетонной стены сдвига между пилонами.
Железобетонные колонны обычно содержат вертикальную арматуру большого диаметра (арматурные стержни), расположенную в кольцо, окруженную более тонкими обручами арматуры. При анализе разрушений, вызванных землетрясениями, было установлено, что слабость была не в вертикальных стержнях, а в недостаточной прочности и количестве обручей. Как только целостность обручей нарушается, вертикальная арматура может выгнуться наружу, напрягая центральную колонну бетона. Затем бетон просто крошится на мелкие куски, теперь не сдерживаемые окружающей арматурой. В новом строительстве используется большее количество конструкций, похожих на обручи.
Одна из простых модернизаций заключается в том, чтобы окружить колонну рубашкой из стальных пластин, сформированных и сваренных в один цилиндр. Затем пространство между рубашкой и колонной заполняется бетоном, этот процесс называется заливкой. Если условия почвы или конструкции требуют такой дополнительной модификации, можно забить дополнительные сваи вблизи основания колонны, а бетонные подушки, соединяющие сваи с пилоном, изготавливаются на уровне земли или ниже. В показанном примере не все колонны требовалось модифицировать, чтобы получить достаточную сейсмостойкость для ожидаемых условий. (Это место находится примерно в миле от зоны разлома Хейворд .)
Бетонные стены часто используются на переходе между приподнятой дорожной насыпью и путепроводными конструкциями. Стена используется как для удержания почвы и, таким образом, для использования более короткого пролета, так и для передачи веса пролета непосредственно вниз на опоры в нетронутой почве. Если эти стены неадекватны, они могут разрушиться под давлением вызванного землетрясением движения грунта.
Одной из форм модернизации является сверление многочисленных отверстий в поверхности стены и крепление коротких L -образных секций арматуры к поверхности каждого отверстия с помощью эпоксидного клея . Затем к новым элементам крепится дополнительная вертикальная и горизонтальная арматура, возводится форма и заливается дополнительный слой бетона. Эту модификацию можно сочетать с дополнительными опорами в вырытых траншеях и дополнительными опорными балками и растяжками для удержания пролета на ограничивающих стенах.
В каменных конструкциях кирпичные конструкции зданий были армированы покрытиями из стекловолокна и соответствующей смолы (эпоксидной или полиэфирной). На нижних этажах они могут быть нанесены на все открытые поверхности, в то время как на верхних этажах это может быть ограничено узкими участками вокруг оконных и дверных проемов. Это применение обеспечивает прочность на растяжение, которая укрепляет стену против изгиба в сторону от применения. Эффективная защита всего здания требует обширного анализа и проектирования для определения соответствующих мест для обработки.
В железобетонных зданиях стены с заполнением каменной кладкой считаются неструктурными элементами, но повреждение заполнений может привести к большим затратам на ремонт и изменить поведение конструкции, даже приводя к вышеупомянутым разрушениям при сдвиге мягких этажей или балок-колонн. Локальное разрушение панелей заполнения из-за механизмов в плоскости и вне плоскости, а также из-за их комбинации может привести к внезапному падению производительности и, следовательно, вызвать глобальное хрупкое разрушение конструкции. Даже при землетрясениях меньшей интенсивности повреждение заполненных рам может привести к высоким экономическим потерям и гибели людей. [32]
Для предотвращения повреждения и разрушения каменной кладки, типичные стратегии модернизации направлены на укрепление заполнителей и обеспечение адекватного соединения с каркасом. Примеры методов модернизации для каменных заполнений включают армированные сталью штукатурки, [33] [34] инженерные цементные композиты , [35] [36] тонкие слои армированных волокном полимеров (FRP), [37] [38] и совсем недавно также армированные текстилем растворы (TRM). [39] [40]
Там, где влажная или плохо консолидированная аллювиальная почва соприкасается в «пляжной» структуре с лежащим под ней твердым материалом, сейсмические волны, проходящие через аллювий, могут усиливаться, так же как и волны воды, проходящие через наклонный пляж . В этих особых условиях были измерены вертикальные ускорения, в два раза превышающие силу тяжести. Если здание не закреплено на прочном фундаменте, оно может быть выброшено из (или вместе с) фундаментом в воздух, обычно с серьезными повреждениями при приземлении. Даже если оно прочно заложено, более высокие части, такие как верхние этажи или конструкции крыши или прикрепленные конструкции, такие как навесы и веранды, могут отделиться от основной конструкции.
Надлежащая практика в современных сейсмостойких конструкциях диктует, что должны быть хорошие вертикальные соединения во всех компонентах здания, от нетронутой или спроектированной земли до фундамента, подоконной плиты, вертикальных стоек и крышки пластины через каждый этаж и далее до конструкции крыши. Выше фундамента и подоконной плиты соединения обычно выполняются с помощью стальной ленты или листовых штамповок, прибитых к деревянным элементам с помощью специальных закаленных гвоздей с высокой прочностью на сдвиг, и тяжелых угловых штамповок, закрепленных сквозными болтами, с использованием больших шайб для предотвращения протаскивания. Если между подоконными плитами и фундаментом в существующей конструкции предусмотрены недостаточные болты (или они не надежны из-за возможной коррозии), могут быть добавлены специальные зажимные пластины, каждая из которых крепится к фундаменту с помощью распорных болтов, вставленных в отверстия, просверленные в открытой поверхности бетона. Затем другие элементы должны быть прикреплены к подоконным плитам с помощью дополнительных фитингов.
Одной из самых сложных модернизаций является та, которая необходима для предотвращения повреждений из-за провала почвы. Провал почвы может произойти на склоне, провал склона или оползень , или на ровной местности из-за разжижения насыщенного водой песка и/или грязи. Как правило, глубокие сваи должны быть забиты в устойчивую почву (обычно твердую грязь или песок) или в лежащую под ней коренную породу, или склон должен быть стабилизирован. Для зданий, построенных на предыдущих оползнях, практичность модернизации может быть ограничена экономическими факторами, так как стабилизировать большой глубокий оползень нецелесообразно. Вероятность оползня или провала почвы может также зависеть от сезонных факторов, так как почва может быть более устойчивой в начале влажного сезона, чем в начале сухого сезона. Такой «двухсезонный» средиземноморский климат наблюдается по всей Калифорнии .
В некоторых случаях лучшее, что можно сделать, — это уменьшить сток воды с более высоких, устойчивых возвышенностей, захватывая и пропуская ее через каналы или трубы, и отводить воду, просочившуюся напрямую и из подземных источников, вставляя горизонтальные перфорированные трубы. В Калифорнии есть множество мест, где обширные застройки были построены на архаичных оползнях, которые не сдвинулись с места в исторические времена, но которые (если они и насыщены водой, и потрясены землетрясением) имеют высокую вероятность массового перемещения , перенося целые секции пригородной застройки на новые места. В то время как самые современные конструкции домов (хорошо привязанные к монолитным бетонным фундаментным плитам, армированным натяжными тросами) могут пережить такое перемещение в значительной степени неповрежденными, здание больше не будет находиться на своем надлежащем месте.
Трубы подачи природного газа и пропана в конструкции часто оказываются особенно опасными во время и после землетрясений. Если здание сдвинется с фундамента или упадет из-за обрушения неисправной стены, трубы из ковкого чугуна, транспортирующие газ внутри конструкции, могут быть повреждены, как правило, в месте резьбовых соединений. Газ затем может по-прежнему подаваться в регулятор давления из линий более высокого давления и, таким образом, продолжать течь в значительных количествах; затем он может воспламениться от близлежащего источника, такого как зажженная контрольная лампа или дуговое электрическое соединение.
Существует два основных метода автоматического ограничения потока газа после землетрясения, которые устанавливаются на стороне низкого давления регулятора и обычно ниже по потоку от газового счетчика.
По-видимому, наиболее безопасной конфигурацией было бы последовательное использование каждого из этих устройств.
Если туннель не проникает в разлом, который может сползти, 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 склон над туннелем может быть стабилизирован каким-либо образом. Там, где ожидается падение только небольших или средних камней и валунов, весь склон может быть покрыт проволочной сеткой, прикрепленной к склону металлическими стержнями. Это также распространенная модификация срезов шоссе, где существуют соответствующие условия.
Безопасность подводных труб во многом зависит от состояния грунта, в котором был построен туннель, используемых материалов и арматуры, а также от максимально прогнозируемого ожидаемого землетрясения и других факторов, некоторые из которых могут оставаться неизвестными на основании имеющихся знаний.
Труба, представляющая особый структурный, сейсмический, экономический и политический интерес, — это транспролетная труба BART (Bay Area Rapid Transit) . Эта труба была построена на дне залива Сан-Франциско с помощью инновационного процесса. Вместо того, чтобы проталкивать щит через мягкий ил залива, труба была построена на суше секциями. Каждая секция состояла из двух внутренних туннелей для поездов круглого сечения, центрального туннеля доступа прямоугольного сечения и внешней овальной оболочки, охватывающей три внутренние трубы. Промежуточное пространство было заполнено бетоном. На дне залива была вырыта траншея и подготовлена ровная подушка из щебня для размещения секций трубы. Затем секции были погружены на место и утоплены, затем соединены болтовыми соединениями с ранее размещенными секциями. Затем на трубу была помещена пересыпка, чтобы удерживать ее. После завершения от Сан-Франциско до Окленда были установлены пути и электрические компоненты. Прогнозируемая реакция трубы во время сильного землетрясения была сравнима с реакцией на нить (вареных) спагетти в миске с желатиновым десертом . Чтобы избежать перенапряжения трубы из-за дифференциальных перемещений на каждом конце, на конечной станции в Сан-Франциско под знаменитым зданием паромной переправы было установлено скользящее скользящее соединение .
Инженеры строительного консорциума PBTB (Parsons Brinckerhoff-Tudor-Bechtel) использовали наилучшие доступные на тот момент оценки движения грунта, которые, как теперь известно, недостаточны с учетом современных методов вычислительного анализа и геотехнических знаний. Неожиданная осадка трубы сократила величину скольжения, которое может быть компенсировано без разрушения. Эти факторы привели к тому, что скользящее соединение было спроектировано слишком коротким, чтобы обеспечить выживание трубы при возможных (возможно, даже вероятных) крупных землетрясениях в регионе. Чтобы исправить этот недостаток, скользящее соединение должно быть удлинено, чтобы обеспечить дополнительное движение, модификация, как ожидается, будет как дорогостоящей, так и технически и логистически сложной. Другие модификации трубы BART включают в себя вибрационное уплотнение переполнения трубы, чтобы избежать возможного разжижения переполнения, что в настоящее время завершено. (В случае отказа переполнения существует опасность того, что части трубы поднимутся со дна, что может потенциально привести к разрушению соединений секций.)
У мостов есть несколько видов отказов.
Многие короткие пролеты моста статически закреплены на одном конце и прикреплены к коромыслам на другом. Этот коромысло обеспечивает вертикальную и поперечную поддержку, позволяя пролету моста расширяться и сжиматься при изменении температуры. Изменение длины пролета компенсируется зазором в проезжей части с помощью гребенчатых компенсаторов . Во время сильного движения грунта коромысла могут соскочить со своих дорожек или выйти за пределы своих проектных пределов, в результате чего мост оторвется от точки покоя, а затем либо сместится, либо полностью разрушится. Движение можно ограничить, добавив вязкие или высокопрочные стальные ограничители, которые крепятся к балкам фрикционным зажимом и рассчитаны на скольжение при экстремальных нагрузках, при этом ограничивая движение относительно крепления.
Подвесные мосты могут реагировать на землетрясения боковым движением, превышающим то, которое было рассчитано на реакцию на порывы ветра. Такое движение может привести к фрагментации дорожного покрытия, повреждению подшипников, пластической деформации или поломке компонентов. Могут быть добавлены такие устройства, как гидравлические амортизаторы или зажимные скользящие соединения, а также дополнительное диагональное усиление.
Решетчатые балки состоят из двух "I"-образных балок, соединенных крестообразной решеткой из плоских полос или уголков. Их можно значительно усилить, заменив открытую решетку пластинчатыми элементами. Обычно это делается совместно с заменой горячих заклепок болтами.
Многие старые конструкции изготавливались путем вставки раскаленных заклепок в предварительно просверленные отверстия; затем мягкие заклепки проковываются с помощью пневматического молотка с одной стороны и рихтовочного бруса с головной части. Поскольку они медленно остывают, они остаются в отожженном (мягком) состоянии, в то время как пластина, прошедшая горячую прокатку и закалку во время изготовления, остается относительно твердой. Под экстремальным напряжением твердые пластины могут срезать мягкие заклепки, что приведет к разрушению соединения.
Решение состоит в том, чтобы выжечь каждую заклепку кислородной горелкой . Затем отверстие подготавливается до точного диаметра с помощью развертки . Специальный болт-локатор , состоящий из головки, вала, соответствующего рассверленному отверстию, и резьбового конца, вставляется и удерживается гайкой, затем затягивается гаечным ключом . Поскольку болт был изготовлен из соответствующего высокопрочного сплава и также прошел термическую обработку, он не подвержен ни пластическому разрушению при сдвиге, типичному для горячих заклепок, ни хрупкому разрушению обычных болтов. Любое частичное разрушение будет в пластическом течении металла, закрепленного болтом; при правильном проектировании любое такое разрушение не должно быть катастрофическим.
Возвышенные дороги обычно строятся на участках возвышенной земляной насыпи, соединенных с мостообразными сегментами, часто поддерживаемыми вертикальными колоннами. Если грунт проваливается там, где заканчивается мост, мост может отсоединиться от остальной части дороги и развалиться. Модернизация для этого заключается в добавлении дополнительного армирования к любой опорной стене или в добавлении глубоких кессонов рядом с краем на каждом конце и соединении их с опорной балкой под мостом.
Другая поломка происходит, когда засыпка на каждом конце перемещается (через резонансные эффекты) в большом объеме в противоположных направлениях. Если для эстакады недостаточно полки основания, то она может упасть. Для крепления эстакады к опорам на одном или обоих концах можно добавить дополнительную полку и пластичные распорки. Распорки, вместо того чтобы быть прикрепленными к балкам, могут быть вместо этого зажаты к ним. При умеренной нагрузке они удерживают эстакаду по центру зазора, так что она менее вероятно соскользнет со своей полки основания на одном конце. Способность фиксированных концов скользить, а не ломаться, предотвратит полное падение конструкции, если она не сможет удержаться на опорах.
Большие участки дороги 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 падение ряда колонн из-за либо отказа связи с грунтом, либо недостаточной цилиндрической обмотки арматурой. Оба отказа наблюдались во время Великого землетрясения Хансин 1995 года в Кобе, Япония , когда целый виадук, центрально поддерживаемый одним рядом больших колонн, был уложен в одну сторону. Такие колонны укрепляются путем выемки грунта до фундаментной площадки, забивания дополнительных свай и добавления новой, большей площадки, хорошо связанной арматурой рядом или внутри колонны. Колонна с недостаточной обмоткой, которая склонна к разрыву и затем шарнирно соединяется в точке разрыва, может быть полностью заключена в круглую или эллиптическую оболочку из сварного стального листа и зацементирована, как описано выше.
Иногда виадуки могут выходить из строя в соединениях между компонентами. Это было видно при обрушении Cypress Freeway в Окленде, Калифорния , во время землетрясения Лома-Приета . Этот виадук представлял собой двухуровневую конструкцию, и верхние части колонн не были хорошо соединены с нижними частями, которые поддерживали нижний уровень; это привело к обрушению верхнего настила на нижний настил. Слабые соединения, такие как эти, требуют дополнительной внешней оболочки — либо через внешние стальные компоненты, либо через полную оболочку из железобетона, часто с использованием соединений заглушек, которые приклеиваются (с помощью эпоксидного клея) в многочисленные просверленные отверстия. Затем эти заглушки соединяются с дополнительными обмотками, возводятся внешние формы (которые могут быть временными или постоянными), и в пространство заливается дополнительный бетон. Большие соединенные конструкции, подобные Cypress Viaduct, также должны быть надлежащим образом проанализированы в целом с использованием динамического компьютерного моделирования.
Боковые силы вызывают большую часть повреждений от землетрясений. Крепление грязевого бруса к фундаменту и установка фанеры на неровные стены — вот несколько основных методов модернизации, которые домовладельцы могут применять к деревянным каркасным жилым конструкциям для смягчения последствий сейсмической активности. Город Сан-Леандро разработал руководящие принципы для этих процедур, которые изложены в следующей брошюре. Общественная осведомленность и инициатива имеют решающее значение для модернизации и сохранения существующего фонда зданий, и такие усилия, как усилия Ассоциации правительств Bay Area, играют важную роль в предоставлении информационных ресурсов сейсмически активным сообществам.
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 оно менее затратно, чем сталь, каменная кладка или бетон. В старых домах наиболее существенными недостатками являются соединение стен с деревянным каркасом с фундаментом и относительно слабые «стены-каверны». (Стены-каверны — это короткие деревянные стены, которые простираются от верха фундамента до самого нижнего уровня пола в домах с фальшполами.) Добавление соединений от основания конструкции с деревянным каркасом к фундаменту почти всегда является важной частью сейсмической модернизации. Укрепление стен-каверны для сопротивления поперечным силам необходимо в домах с неровными стенами; укрепление обычно выполняется с помощью фанеры . Ориентированно-стружечная плита (OSB) не работает так же стабильно, как фанера, и не является предпочтительным выбором проектировщиков или установщиков модернизации.
Методы модернизации старых деревянных каркасных конструкций могут включать следующие, а также другие методы, не описанные здесь.
Деревянный каркас эффективен в сочетании с каменной кладкой, если конструкция правильно спроектирована. В Турции традиционные дома (багдади) строятся по этой технологии. В Сальвадоре для строительства жилых домов используют дерево и бамбук.
Во многих частях развивающихся стран, таких как Пакистан, Иран и Китай, неармированная или в некоторых случаях армированная каменная кладка является преобладающей формой конструкций для сельских жилых и жилых помещений. Каменная кладка также была распространенной формой строительства в начале 20-го века, что подразумевает, что значительное количество этих подверженных риску каменных конструкций будет иметь значительную ценность как историческое наследие. Каменные стены, которые не армированы, особенно опасны. Такие конструкции могут быть более подходящими для замены, чем для модернизации, но если стены являются основными несущими элементами в конструкциях небольшого размера, они могут быть соответствующим образом усилены. 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 США большая часть того, что считается каменной кладкой, на самом деле представляет собой кирпичную или каменную облицовку. Действующие строительные правила диктуют необходимое количество стяжек , которые состоят из металлических ремней, прикрепленных к вертикальным элементам конструкции. Эти ремни простираются в ряды раствора, прикрепляя облицовку к основной конструкции. Старые конструкции могут не обеспечивать достаточной защиты для сейсмической безопасности. Слабо закрепленная облицовка внутри дома (иногда используемая для облицовки камина от пола до потолка) может быть особенно опасна для жильцов. Старые каменные дымоходы также опасны, если имеют значительное вертикальное расширение над крышей. Они склонны к поломке на линии крыши и могут упасть в дом одним большим куском. Для модернизации можно добавить дополнительные опоры; однако укрепление существующей каменной дымоходной трубы в соответствии с современными стандартами дизайна обходится чрезвычайно дорого. Лучше всего просто удалить расширение и заменить его более легкими материалами, заменив плитку дымохода специальным металлическим дымоходом и деревянную конструкцию вместо каменной кладки. Его можно сочетать с существующей кирпичной кладкой, используя очень тонкий шпон (похожий на плитку, но имеющий вид кирпича).