Сейсмическая инженерия — это междисциплинарная отрасль инженерии, которая проектирует и анализирует конструкции , такие как здания и мосты , с учетом землетрясений . Его общая цель — сделать такие конструкции более устойчивыми к землетрясениям. Инженер по землетрясениям (или сейсморазведке) стремится построить конструкции, которые не будут повреждены при незначительном сотрясении и избежат серьезных повреждений или обрушений при сильном землетрясении. Правильно спроектированная конструкция не обязательно должна быть чрезвычайно прочной или дорогой. Он должен быть правильно спроектирован, чтобы выдерживать сейсмические воздействия, сохраняя при этом приемлемый уровень ущерба.
Сейсмическая инженерия — это научная область, занимающаяся защитой общества, окружающей среды и антропогенной среды от землетрясений путем ограничения сейсмического риска до социально-экономически приемлемых уровней. [1] Традиционно это узко определялось как изучение поведения конструкций и геоструктур, подверженных сейсмическим нагрузкам ; он рассматривается как подмножество строительного проектирования , геотехнической инженерии , машиностроения , химического машиностроения , прикладной физики и т. д. Однако огромные затраты, понесенные в результате недавних землетрясений, привели к расширению его сферы охвата, включив в него дисциплины из более широкой области гражданского строительства . машиностроение , машиностроение , ядерная энергетика , а также социальные науки , особенно социология , политология , экономика и финансы . [2]
Основными задачами сейсмической инженерии являются:
Сейсмическая нагрузка означает приложение землетрясения к сооружению (или геосооружению). Это происходит при контакте поверхностей конструкции либо с землей, [5] с соседними конструкциями, [6] или с гравитационными волнами цунами . Нагрузка, ожидаемая в данном месте на поверхности Земли, оценивается методами инженерной сейсмологии . Это связано с сейсмической опасностью местности.
Сейсмические или сейсмические характеристики определяют способность конструкции сохранять свои основные функции, такие как безопасность и работоспособность , во время и после определенного землетрясения. Конструкция обычно считается безопасной, если ее частичное или полное обрушение не ставит под угрозу жизнь и благополучие тех, кто находится в ней или вокруг нее. Сооружение может считаться исправным, если оно способно выполнять свои эксплуатационные функции, для которых оно было спроектировано.
Основные концепции сейсмостойкости, реализованные в основных строительных нормах и правилах, предполагают, что здание должно пережить редкое, очень сильное землетрясение, получив значительный ущерб, но без глобального разрушения. [7] С другой стороны, он должен оставаться работоспособным в случае более частых, но менее серьезных сейсмических явлений.
Инженерам необходимо знать количественный уровень фактических или ожидаемых сейсмических характеристик, связанных с прямым ущербом отдельному зданию, подверженному определенному сотрясению грунта. Такая оценка может быть выполнена либо экспериментально, либо аналитически.
Экспериментальные оценки — это дорогостоящие испытания, которые обычно проводятся путем размещения (масштабированной) модели конструкции на вибростоле , имитирующем сотрясение земли, и наблюдения за ее поведением. [8] Впервые подобные эксперименты были проведены более века назад. [9] Лишь недавно стало возможным проводить испытания полных конструкций в масштабе 1:1.
Из-за дорогостоящего характера таких испытаний их, как правило, используют в основном для понимания сейсмического поведения конструкций, проверки моделей и методов анализа. Таким образом, после правильной проверки вычислительные модели и численные процедуры, как правило, несут основную нагрузку при оценке сейсмических характеристик конструкций.
Оценка сейсмических характеристик или сейсмический структурный анализ — это мощный инструмент сейсмической инженерии, который использует детальное моделирование конструкции вместе с методами структурного анализа, чтобы лучше понять сейсмические характеристики строительных и нестроительных конструкций . Техника как формальная концепция возникла сравнительно недавно.
В целом сейсмоструктурный анализ основан на методах структурной динамики . [10] На протяжении десятилетий наиболее известным инструментом сейсмического анализа был метод спектра реакции на землетрясение , который также внес свой вклад в сегодняшнюю концепцию предлагаемых строительных норм и правил. [11]
Однако такие методы хороши только для линейных упругих систем и в значительной степени неспособны моделировать поведение конструкции при появлении повреждений (т. е. нелинейности ). Численное пошаговое интегрирование оказалось более эффективным методом анализа многостепенных структурных систем со значительной нелинейностью в условиях переходного процесса возбуждения колебаний грунта . [12] Использование метода конечных элементов является одним из наиболее распространенных подходов к анализу компьютерных моделей нелинейного взаимодействия грунтовых конструкций .
В основном численный анализ проводится для оценки сейсмических характеристик зданий. Оценки производительности обычно выполняются с использованием нелинейного статического анализа или нелинейного временного анализа. В таком анализе важно добиться точного нелинейного моделирования конструктивных элементов, таких как балки, колонны, соединения балок с колоннами, стены, работающие на сдвиг и т. д. Таким образом, экспериментальные результаты играют важную роль в определении параметров моделирования отдельных компонентов, особенно те, которые подвержены значительным нелинейным деформациям. Затем отдельные компоненты собираются для создания полной нелинейной модели конструкции. Созданные таким образом модели анализируются для оценки эффективности зданий.
Возможности программного обеспечения для структурного анализа являются основным фактором в описанном выше процессе, поскольку они ограничивают возможные модели компонентов, доступные методы анализа и, что наиболее важно, численную надежность. Последнее становится основным соображением для структур, которые рискуют войти в нелинейный диапазон и приближаются к глобальному или локальному коллапсу, поскольку численное решение становится все более нестабильным и, следовательно, труднодостижимым. Существует несколько коммерчески доступных программ для анализа методом конечных элементов, таких как CSI-SAP2000 и CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS и Ansys , каждое из которых можно использовать для оценки сейсмических характеристик зданий. Кроме того, существуют основанные на исследованиях платформы анализа методом конечных элементов, такие как OpenSees , MASTODON, основанные на MOOSE Framework , RUAUMOKO и более старая версия DRAIN-2D/3D, некоторые из которых теперь имеют открытый исходный код.
Исследования в области сейсмической инженерии означают как полевые, так и аналитические исследования или эксперименты, направленные на открытие и научное объяснение фактов, связанных с сейсмической инженерией, пересмотр традиционных концепций в свете новых результатов и практическое применение разработанных теорий.
Национальный научный фонд (NSF) — главное правительственное учреждение США, которое поддерживает фундаментальные исследования и образование во всех областях сейсмической инженерии. В частности, основное внимание уделяется экспериментальным, аналитическим и вычислительным исследованиям в области проектирования и повышения производительности структурных систем.
Институт инженерных исследований землетрясений (EERI) является лидером в распространении информации, связанной с инженерными исследованиями землетрясений, как в США, так и во всем мире.
Полный список вибростолов , связанных с инженерными сейсмическими исследованиями по всему миру, можно найти в разделе «Экспериментальные установки для инженерного моделирования землетрясений по всему миру». [14] Самым известным из них сейчас является E-Defense Shake Table в Японии . [15]
NSF также поддерживает Сеть Джорджа Э. Брауна-младшего по инженерному моделированию землетрясений.
Программа NSF по снижению рисков и структурному проектированию (HMSE) поддерживает исследования новых технологий для улучшения поведения и реакции структурных систем, подверженных опасности землетрясений; фундаментальные исследования по безопасности и надежности построенных систем; инновационные разработки в области анализа и моделирования поведения и реакции конструкций на основе моделей, включая взаимодействие грунта и конструкции; концепции проектирования, улучшающие характеристики и гибкость конструкции ; и применение новых методов управления структурными системами. [16]
(NEES), который способствует открытию знаний и инновациям в области уменьшения потерь гражданской инфраструктуры страны от землетрясений и цунами , а также новых методов и приборов экспериментального моделирования. [17]
Сеть NEES включает 14 географически распределенных лабораторий совместного использования, которые поддерживают несколько типов экспериментальной работы: [17] геотехнические исследования на центрифугах, испытания на вибростоле , крупномасштабные структурные испытания, эксперименты в бассейне волн цунами и полевые исследования. [18] В число участвующих университетов входят: Корнеллский университет ; Университет Лихай ; Государственный университет Орегона ; Политехнический институт Ренсселера ; Университет в Буффало , Государственный университет Нью-Йорка ; Калифорнийский университет в Беркли ; Калифорнийский университет в Дэвисе ; Калифорнийский университет, Лос-Анджелес ; Калифорнийский университет, Сан-Диего ; Калифорнийский университет, Санта-Барбара ; Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн ; Университет Миннесоты ; Университет Невады, Рино ; и Техасский университет в Остине . [17]
Площадки оборудования (лаборатории) и центральное хранилище данных подключены к глобальному сообществу инженеров по землетрясениям через веб-сайт NEEShub. Веб-сайт NEES создан на базе программного обеспечения HUBzero, разработанного в Университете Пердью для nanoHUB специально для того, чтобы помочь научному сообществу обмениваться ресурсами и сотрудничать. Киберинфраструктура, подключенная через Интернет2 , предоставляет инструменты интерактивного моделирования, зону разработки инструментов моделирования, курируемое центральное хранилище данных, анимированные презентации, поддержку пользователей, телеприсутствие, механизм загрузки и совместного использования ресурсов, а также статистику о пользователях и моделях использования.
Эта киберинфраструктура позволяет исследователям: безопасно хранить, систематизировать и обмениваться данными в рамках стандартизированной структуры в центральном месте; удаленно наблюдать и участвовать в экспериментах за счет использования синхронизированных данных и видео в реальном времени; сотрудничать с коллегами для облегчения планирования, проведения, анализа и публикации исследовательских экспериментов; и проводить вычислительное и гибридное моделирование, которое может объединять результаты нескольких распределенных экспериментов и связывать физические эксперименты с компьютерным моделированием, чтобы обеспечить исследование общей производительности системы.
Эти ресурсы совместно предоставляют средства для сотрудничества и открытий для улучшения сейсмического проектирования и производительности систем гражданской и механической инфраструктуры.
Самое первое моделирование землетрясений было выполнено путем статического применения некоторых горизонтальных сил инерции , основанных на масштабированных пиковых ускорениях грунта, к математической модели здания. [19] С дальнейшим развитием вычислительных технологий статические подходы стали уступать место динамическим .
Динамические эксперименты со строительными и нестроительными конструкциями могут быть физическими, например испытания на вибростоле , или виртуальными. В обоих случаях для проверки ожидаемых сейсмических характеристик конструкции некоторые исследователи предпочитают иметь дело с так называемыми «историями в реальном времени», хотя последние не могут быть «реальными» для гипотетического землетрясения, указанного либо строительными нормами, либо некоторыми конкретными исследовательскими требованиями. . Таким образом, существует сильный стимул использовать моделирование землетрясения, которое представляет собой сейсмические данные, обладающие только существенными характеристиками реального события.
Иногда под имитацией землетрясения понимают воссоздание локальных эффектов сильного землетрясения.
Теоретическая или экспериментальная оценка ожидаемых сейсмических характеристик чаще всего требует моделирования конструкции , основанного на концепции структурного подобия или подобия. Сходство – это некоторая степень аналогии или сходства между двумя или более объектами. Понятие сходства основывается либо на точном, либо на приблизительном повторении закономерностей в сравниваемых предметах.
В общем, говорят, что модель здания имеет сходство с реальным объектом, если они имеют геометрическое , кинематическое и динамическое сходство . Наиболее ярким и эффективным видом подобия является кинематическое . Кинематическое подобие существует, когда пути и скорости движущихся частиц модели и ее прототипа подобны.
Высшим уровнем кинематического подобия является кинематическая эквивалентность , когда в случае землетрясения временные графики боковых смещений модели и ее прототипа на каждом этаже будут одинаковыми.
Сейсмовибрационный контроль – комплекс технических средств, направленных на смягчение сейсмических воздействий на строительные и нестроительные конструкции. Все устройства контроля сейсмической вибрации можно разделить на пассивные , активные или гибридные [21] , где:
Когда наземные сейсмические волны поднимаются вверх и начинают проникать в основание здания, плотность их потока энергии за счет отражений резко снижается: обычно до 90%. Однако оставшиеся части падающих волн во время сильного землетрясения по-прежнему несут в себе огромный разрушительный потенциал.
После того как сейсмические волны проникают в надстройку , существует ряд способов контролировать их, чтобы смягчить их разрушительное воздействие и улучшить сейсмические характеристики здания, например:
Устройства последнего вида, сокращенно соответственно TMD для настроенных ( пассивных ), AMD для активных и HMD для гибридных демпферов массы , изучаются и устанавливаются в высотных зданиях , преимущественно в Японии, в течение квартала. века. [24]
Однако существует совсем другой подход: частичное подавление потока сейсмической энергии в надстройку, известное как сейсмическая или базовая изоляция .
Для этого во все основные несущие элементы в основании здания или под них вставляются подкладки, которые должны существенно отделять надстройку от ее основания , опирающегося на трясущуюся почву.
Первые свидетельства защиты от землетрясений с использованием принципа изоляции оснований были обнаружены в Пасаргадах , городе в древней Персии, ныне Иране, и датируются VI веком до нашей эры. Ниже приведены некоторые образцы современных технологий контроля сейсмической вибрации.
Перу — страна с высокой сейсмичностью ; на протяжении веков строительство из сухого камня оказалось более сейсмоустойчивым, чем строительство из строительного раствора. Люди цивилизации инков были мастерами полированных «стен из сухого камня», называемых тесаным камнем , 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 [25] , и многие соединения в их кладке были настолько совершенны, что даже травинки не могли поместиться между камнями.
Камни стен из сухого камня, построенных инками, могли слегка перемещаться и перемещаться без разрушения стен - метод пассивного структурного контроля , использующий как принцип рассеивания энергии (кулоновское затухание), так и принцип подавления резонансного усиления. [26]
Обычно настроенные демпферы массы представляют собой огромные бетонные блоки, установленные в небоскребах или других сооружениях и перемещающиеся в противовес колебаниям резонансной частоты конструкций с помощью какого-то пружинного механизма.
Небоскреб Тайбэй 101 должен выдерживать тайфуны и землетрясения, распространенные в этом регионе Азиатско-Тихоокеанского региона. Для этой цели был спроектирован и установлен на вершине конструкции стальной маятник весом 660 тонн, служащий настроенным демпфером масс. Подвешенный с 92 по 88 этаж маятник качается для уменьшения резонансных усилений боковых смещений здания, вызванных землетрясениями и сильными порывами ветра .
Гистерезисный демпфер предназначен для обеспечения лучших и более надежных сейсмических характеристик, чем у обычной конструкции, за счет увеличения рассеяния входной сейсмической энергии. [27] Для этой цели используются пять основных групп гистерезисных демпферов, а именно:
Преимущество вязкостных демпферов заключается в том, что они являются дополнительной системой демпфирования. Они имеют овальную гистерезисную петлю, а демпфирование зависит от скорости. Хотя потенциально требуется незначительное техническое обслуживание, вязкостные демпферы обычно не требуют замены после землетрясения. Хотя они более дороги, чем другие технологии демпфирования, они могут использоваться как для сейсмических, так и для ветровых нагрузок и являются наиболее часто используемыми гистерезисными демпферами. [28]
Фрикционные демпферы, как правило, доступны в двух основных типах: линейных и вращательных, и рассеивают энергию за счет тепла. Демпфер работает по принципу кулоновского демпфера . В зависимости от конструкции фрикционные демпферы могут испытывать явление прерывистого движения и холодную сварку . Основным недостатком является то, что поверхности трения могут со временем изнашиваться, и по этой причине их не рекомендуется использовать для рассеивания ветровых нагрузок. При использовании в сейсмических условиях износ не является проблемой и не требует технического обслуживания. Они имеют прямоугольную петлю гистерезиса, и пока здание достаточно эластично, они имеют тенденцию возвращаться в исходное положение после землетрясения.
Металлические демпферы, как следует из названия, поддаются, чтобы поглотить энергию землетрясения. Этот тип демпферов поглощает большое количество энергии, однако после землетрясения их необходимо заменять, и они могут помешать зданию вернуться в исходное положение.
Вязкоупругие демпферы полезны тем, что их можно использовать как для ветровых, так и для сейсмических применений, обычно они ограничиваются небольшими перемещениями. Существует определенная обеспокоенность по поводу надежности этой технологии, поскольку некоторые бренды запрещено использовать в зданиях в Соединенных Штатах.
Изоляция основания направлена на предотвращение перехода кинетической энергии землетрясения в упругую энергию здания. Эти технологии делают это, изолируя конструкцию от земли, что позволяет ей передвигаться в некоторой степени независимо. Степень передачи энергии в конструкцию и способы ее рассеивания будут варьироваться в зависимости от используемой технологии.
Свинцово-резиновый подшипник или LRB — это тип изоляции основания , в котором используется сильное демпфирование . Его изобрел Билл Робинсон , новозеландец. [29]
Тяжелый демпфирующий механизм, встроенный в технологии контроля вибрации и, в частности, в устройства изоляции основания, часто считается ценным источником подавления вибраций, тем самым повышая сейсмические характеристики здания. Однако для достаточно податливых систем, таких как опорно-изолированные конструкции, с относительно низкой несущей жесткостью, но с высоким демпфированием, так называемая «сила демпфирования» может оказаться основной толкающей силой при сильном землетрясении. На видео [30] показаны испытания подшипника из свинцовой резины на предприятии UCSD Caltrans-SRMD. Подшипник изготовлен из резины со свинцовым сердечником. Это было одноосное испытание, в ходе которого подшипник также находился под полной нагрузкой конструкции. Многие здания и мосты как в Новой Зеландии, так и в других местах защищены свинцовыми демпферами, а также свинцовыми и резиновыми опорами. Подшипниками были оснащены Те Папа Тонгарева , национальный музей Новой Зеландии и здание парламента Новой Зеландии. Оба находятся в Веллингтоне , который расположен на активном разломе . [29]
Пружинный изолятор основания, установленный под трехэтажным таунхаусом в Санта-Монике , Калифорния, показан на фотографии, сделанной перед землетрясением в Нортридже в 1994 году . Это базовое изолирующее устройство, концептуально похожее на свинцово-резиновый подшипник .
Один из двух подобных трехэтажных таунхаусов, который был хорошо оборудован для регистрации как вертикальных, так и горизонтальных ускорений на полу и земле, пережил сильное сотрясение во время землетрясения в Нортридже и оставил ценную записанную информацию для дальнейшего изучения.
Простой роликоподшипник представляет собой опорное изолирующее устройство, предназначенное для защиты различных строительных и нестроительных конструкций от потенциально разрушительных боковых ударов сильных землетрясений.
Эта металлическая несущая опора может быть адаптирована с определенными мерами предосторожности в качестве сейсмоизолятора для небоскребов и зданий на мягком грунте. Недавно он был использован под названием « металлический роликоподшипник» в жилом комплексе (17 этажей) в Токио, Япония . [31]
Фрикционный маятниковый подшипник (ФПБ) — другое название маятниковой системы трения (ФПС). Оно основано на трёх столпах: [32]
Справа представлен снимок со ссылкой на видеоклип испытаний на вибростоле системы ФПБ, поддерживающей жесткую модель здания.
Сейсмическое проектирование основано на утвержденных инженерных процедурах, принципах и критериях, предназначенных для проектирования или модернизации конструкций, подверженных сейсмическому воздействию. [19] Эти критерии соответствуют только современному состоянию знаний о сейсмических инженерных сооружениях . [33] Таким образом, проект здания, который точно соответствует нормам сейсмической безопасности, не гарантирует безопасность от обрушения или серьезного ущерба. [34]
Цена плохого сейсмического проектирования может быть огромной. Тем не менее, сейсмическое проектирование всегда было процессом проб и ошибок, независимо от того, было ли оно основано на физических законах или на эмпирических знаниях о структурных характеристиках различных форм и материалов.
Чтобы практиковать сейсмическое проектирование , сейсмический анализ или сейсмическую оценку новых и существующих проектов гражданского строительства, инженер обычно должен сдать экзамен по сейсмическим принципам [35] , который в штате Калифорния включает:
Для создания сложных структурных систем [36] 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 проектирования.
Обычно, согласно строительным нормам, конструкции проектируются так, чтобы «выдержать» самое сильное землетрясение определенной вероятности, которое может произойти в месте их расположения. Это означает, что человеческие жертвы должны быть сведены к минимуму путем предотвращения обрушения зданий.
Сейсмическое проектирование осуществляется путем понимания возможных режимов разрушения конструкции и обеспечения конструкции соответствующей прочности , жесткости , пластичности и конфигурации [37] , чтобы гарантировать невозможность возникновения этих режимов.
Требования к сейсмическому проектированию зависят от типа конструкции, местоположения проекта и его полномочий, которые предусматривают применимые нормы и критерии сейсмического проектирования. [7] Например, требования Министерства транспорта Калифорнии под названием «Критерии сейсмического проектирования» (SDC) и направленные на проектирование новых мостов в Калифорнии [38] включают инновационный подход, основанный на сейсмических характеристиках.
Наиболее важной особенностью философии проектирования SDC является переход от оценки сейсмических требований, основанной на силе, к оценке спроса и мощности, основанной на перемещении . Таким образом, недавно принятый подход к смещению основан на сравнении потребности в упругом смещении с способностью к неупругому смещению основных компонентов конструкции, обеспечивая при этом минимальный уровень неупругой способности во всех потенциальных местах пластического шарнира.
Помимо самой проектируемой конструкции, требования к сейсмическому проектированию могут включать стабилизацию грунта под конструкцией: иногда сильно потрясенный грунт разрушается, что приводит к обрушению находящейся на нем конструкции. [40] Следующие темы должны вызывать первоочередное внимание: сжижение; динамическое боковое давление грунта на подпорные стенки; сейсмическая устойчивость склонов; поселение, вызванное землетрясением. [41]
Ядерные объекты не должны ставить под угрозу свою безопасность в случае землетрясений или других враждебных внешних событий. Поэтому их сейсмическое проектирование основано на гораздо более строгих критериях, чем те, которые применяются к неядерным объектам. [42] Однако авария на АЭС Фукусима-1 и повреждение других ядерных объектов , последовавшие за землетрясением и цунами в Тохоку в 2011 году , привлекли внимание к продолжающейся обеспокоенности по поводу японских стандартов ядерного сейсмического проектирования и заставили правительства многих других стран пересмотреть свои ядерные программы . Сомнения были также высказаны по поводу сейсмической оценки и проектирования некоторых других электростанций, включая атомную электростанцию Фессенхайм во Франции.
Режим отказа – это способ наблюдения разрушения, вызванного землетрясением. Обычно он описывает способ возникновения сбоя. Несмотря на то, что обучение на основе каждого реального землетрясения обходится дорого и требует много времени, оно остается рутинным рецептом совершенствования методов сейсмического проектирования . Ниже представлены некоторые типичные виды отказов, вызванных землетрясением.
Отсутствие армирования в сочетании с некачественным раствором и неадекватными связями между крышей и стеной может привести к существенному повреждению здания из неармированной каменной кладки . Сильно потрескавшиеся или наклонившиеся стены являются одними из наиболее распространенных повреждений при землетрясении. Также опасны повреждения, которые могут возникнуть между стенами и диафрагмами крыши или пола. Разделение каркаса и стен может поставить под угрозу вертикальную поддержку систем крыши и пола.
Мягкий сюжетный эффект . Отсутствие достаточной жесткости на уровне земли привело к повреждению этой конструкции. При внимательном рассмотрении изображения видно, что грубый сайдинг, когда-то покрытый кирпичной облицовкой , был полностью демонтирован из каркасной стены. Только жесткость пола наверху в сочетании с поддержкой с двух скрытых сторон сплошными стенами, не прорезанными большими дверями, как со стороны улицы, предотвращает полное обрушение конструкции.
Разжижение почвы . В тех случаях, когда грунт состоит из рыхлых зернистых отложений, склонных к развитию избыточного гидростатического давления поровой воды достаточной величины и компактности, разжижение этих рыхлых насыщенных отложений может привести к неравномерной осадке и крену сооружений. Это нанесло серьезный ущерб тысячам зданий в Ниигате, Япония, во время землетрясения 1964 года . [43]
.jpg/1280px-Smashed_Car_in_Dujiangyan_-_2008_Sichuan_earthquake_(1).jpg)
Оползневой камнепад . Оползень — это геологическое явление, которое включает в себя широкий спектр движений грунта, включая камнепады . Обычно действие гравитации является основной движущей силой возникновения оползня, хотя в этом случае был еще один фактор, влиявший на первоначальную устойчивость склона : оползню требовалось спровоцировать землетрясение , прежде чем он разразится.
Удары по соседнему зданию . Это фотография обрушившейся пятиэтажной башни семинарии Св. Иосифа в Лос-Альтосе, Калифорния , в результате которой погиб один человек. Во время землетрясения в Лома-Приете башня ударилась о независимо вибрившее соседнее здание позади. Возможность ударов зависит от боковых смещений обоих зданий, которые необходимо точно оценить и учесть.
Во время землетрясения в Нортридже у бетонного каркаса офисного здания Kaiser Permanente были полностью разрушены стыки, обнажив неадекватную герметизирующую сталь , что привело к обрушению второго этажа. В поперечном направлении композитные торцевые сдвиговые стены , состоящие из двух кирпичных кирпичей и слоя торкрет-бетона , несущего боковую нагрузку, отслоились из-за неадекватных сквозных связей и разрушились.
Эффект соскальзывания фундамента относительно жесткой конструкции жилого дома во время землетрясения в Уиттиер-Нарроуз в 1987 году . Землетрясение магнитудой 5,9 обрушилось на жилой дом Гарви-Уэст в Монтерей-Парке, штат Калифорния, и сместило его фундамент примерно на 10 дюймов к востоку.
Если надстройка не смонтирована на системе изоляции фундамента , следует предотвратить ее смещение по фундаменту.
Железобетонная колонна лопнула при землетрясении в Нортридже из -за недостаточного режима поперечной арматуры , что позволило основной арматуре прогнуться наружу. Палуба соскользнула с шарнира и не сдвинулась. В результате обрушился участок подземного перехода Ла-Сьенега-Венеция на автостраде № 10.
Землетрясение в Лома-Приете : вид сбоку на обрушение железобетонных опорных колонн , которое привело к обрушению верхнего этажа на нижний этаж двухуровневого виадука Сайпресс на межштатной автомагистрали 880, Окленд, Калифорния.
Обрушение подпорной стены при землетрясении в Лома-Приета в районе гор Санта-Крус: заметные трещины растяжения, простирающиеся на северо-запад, шириной до 12 см (4,7 дюйма) в бетонном водосбросе, ведущем к Австрийской плотине, северном устое .
Сотрясение грунта вызвало разжижение почвы в подземном слое песка , что вызвало дифференциальное боковое и вертикальное движение в вышележащем панцире из несжиженного песка и ила . Этот тип разрушения грунта , называемый боковым распространением , является основной причиной землетрясений, связанных с разжижением. [44]
Сильно поврежденное здание Банка сельскохозяйственного развития Китая после землетрясения в провинции Сычуань в 2008 году : большая часть балок и колонн опор срезана . Большие диагональные трещины в каменной кладке и облицовке возникают из-за плоских нагрузок, а резкое оседание правого конца здания следует отнести к свалке , которая может быть опасной даже без землетрясения. [45]
Двойное воздействие цунами : гидравлическое давление морских волн и наводнение . Так, землетрясение в Индийском океане 26 декабря 2004 года с эпицентром у западного побережья Суматры , Индонезия, спровоцировало серию разрушительных цунами, унесших жизни более 230 000 человек в одиннадцати странах, затопив окружающие прибрежные поселения огромными волнами силой до 30 баллов. метров (100 футов) в высоту. [47]
Сейсмическое строительство означает реализацию сейсмического проектирования , позволяющего строительным и нестроительным конструкциям выдержать ожидаемое воздействие землетрясения в соответствии с ожиданиями и в соответствии с применимыми строительными нормами и правилами .
Проектирование и строительство тесно связаны. Для достижения хорошего качества детализация элементов и их соединений должна быть максимально простой. Как и любое строительство в целом, сейсмическое строительство представляет собой процесс, который состоит из строительства, модернизации или монтажа инфраструктуры с учетом имеющихся строительных материалов. [48]
Дестабилизирующее воздействие землетрясения на сооружения может быть прямым (сейсмическое движение грунта) или косвенным (вызванные землетрясением оползни, разжижение грунта и волны цунами).
Конструкция может иметь все признаки устойчивости, но при этом нести в себе ничего, кроме опасности в случае землетрясения. [49] Важным фактом является то, что для безопасности сейсмостойкие методы строительства так же важны, как контроль качества и использование правильных материалов. Подрядчик по сейсмическим работам должен быть зарегистрирован в штате/провинции/стране места реализации проекта (в зависимости от местных правил), иметь обязательства и застрахован [ нужна ссылка ] .
Чтобы минимизировать возможные потери , процесс строительства следует организовать с учетом того, что землетрясение может произойти в любой момент до окончания строительства.
Для каждого строительного проекта требуется квалифицированная команда профессионалов, разбирающихся в основных особенностях сейсмостойкости различных сооружений, а также управления строительством .
Около тридцати процентов населения мира живет или работает в земляных постройках. [50] Сырцовый кирпич сырцового типа — один из старейших и наиболее широко используемых строительных материалов. Использование самана очень распространено в некоторых наиболее подверженных опасностям регионах мира, традиционно в Латинской Америке, Африке, Индийском субконтиненте и других частях Азии, Ближнего Востока и Южной Европы.
Здания из самана считаются очень уязвимыми при сильных землетрясениях. [51] Однако существует множество способов сейсмического усиления новых и существующих глинобитных зданий. [52]
Ключевыми факторами улучшения сейсмических характеристик глинобитных конструкций являются:
Известняк очень распространен в архитектуре, особенно в Северной Америке и Европе. Многие достопримечательности по всему миру построены из известняка. Многие средневековые церкви и замки в Европе построены из известняка и песчаника . Это долговечные материалы, но их довольно большой вес не способствует обеспечению адекватных сейсмических характеристик.
Применение современных технологий при сейсмической модернизации может повысить живучесть неармированных каменных конструкций. Например, с 1973 по 1989 год здание округа Солт-Лейк-Сити в штате Юта было полностью отремонтировано и отремонтировано с упором на сохранение исторической достоверности внешнего вида. Это было сделано одновременно с сейсмической модернизацией, в результате которой слабая конструкция из песчаника была помещена на изоляционный фундамент, чтобы лучше защитить ее от землетрясений.
Деревянный каркас возник тысячи лет назад и использовался во многих частях мира в различные периоды, например, в древней Японии, Европе и средневековой Англии в местах, где древесина была в достаточном количестве, а строительный камень и навыки для его обработки отсутствовали.
Использование деревянного каркаса в зданиях обеспечивает их полный скелетный каркас, что дает некоторые структурные преимущества, поскольку деревянный каркас, если он правильно спроектирован, обеспечивает лучшую сейсмическую выживаемость . [54]
Конструкции с легким каркасом обычно приобретают сейсмостойкость за счет стенок из жесткой фанеры и диафрагм из деревянных структурных панелей . [55] Специальные условия для систем, устойчивых к сейсмическим нагрузкам, для всех инженерных деревянных конструкций требуют учета коэффициентов диафрагмы, горизонтальных и вертикальных сдвигов диафрагмы, а также значений соединителей / крепежей . Кроме того, требуются коллекторы или распорки для распределения сдвига по длине диафрагмы.
Строительная система, в которой стальная арматура заделывается в растворные швы кладки или помещается в отверстия и заполняется бетоном или раствором, называется армированной каменной кладкой . [56] Существуют различные методы и методы укрепления каменной кладки. Наиболее распространенным типом является армированная пустотелая кладка .
Для достижения пластичного поведения каменной кладки необходимо, чтобы прочность стены на сдвиг превышала прочность на изгиб . [57] Эффективность как вертикального, так и горизонтального армирования зависит от типа и качества каменной кладки и раствора .
Разрушительное землетрясение в Лонг-Бич в 1933 году показало, что каменная кладка подвержена повреждениям при землетрясении, что привело к тому, что Кодекс штата Калифорния сделал армирование каменной кладки обязательным на всей территории Калифорнии.
Железобетон — это бетон, в который включены стальные арматурные стержни ( арматура ) или волокна для усиления материала, который в противном случае был бы хрупким . Его можно использовать для изготовления балок , колонн , полов или мостов.
Предварительно напряженный бетон — это разновидность железобетона , используемая для преодоления естественной слабости бетона при растяжении. Его можно применять к балкам , перекрытиям или мостам с более длинными пролетами, чем это практично для обычного железобетона. Предварительно напряженные арматуры (обычно из высокопрочных стальных тросов или стержней) используются для обеспечения зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение , компенсирующее растягивающее напряжение , которое в противном случае испытал бы бетонный сжимающий элемент из-за изгибающей нагрузки.
Чтобы предотвратить катастрофическое обрушение в результате сотрясения земли (в интересах безопасности жизни), традиционный железобетонный каркас должен иметь пластичные соединения. В зависимости от используемых методов и приложенных сейсмических сил такие здания могут быть пригодны к немедленному использованию, требовать капитального ремонта или могут быть снесены.
Предварительно напряженная конструкция – это такая конструкция, общая целостность , устойчивость и безопасность которой зависят, прежде всего, от предварительного напряжения . Предварительное напряжение означает намеренное создание постоянных напряжений в конструкции с целью улучшения ее характеристик в различных условиях эксплуатации. [58]
Существуют следующие основные виды предварительного напряжения:
Сегодня концепция предварительно напряженных конструкций широко используется при проектировании зданий , подземных сооружений, телебашен, электростанций, плавучих хранилищ и морских объектов, корпусов ядерных реакторов и многочисленных видов мостовых систем. [59]
Полезная идея предварительного напряжения , по-видимому, была знакома древнеримским архитекторам; посмотрите, например, на высокую чердачную стену Колизея , служащую стабилизирующим устройством для опор стены под ней.
Стальные конструкции считаются в основном сейсмостойкими, но случались и некоторые разрушения. Большое количество зданий со сварным стальным каркасом, выдерживающим момент , которые выглядели сейсмостойкими, на удивление оказались хрупкими и были серьезно повреждены во время землетрясения в Нортридже в 1994 году . [60] После этого Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) инициировало разработку методов ремонта и новых подходов к проектированию, чтобы минимизировать ущерб зданиям со стальным моментным каркасом при будущих землетрясениях. [61]
Для сейсмического проектирования стальных конструкций на основе подхода расчета коэффициентов нагрузки и сопротивления (LRFD) очень важно оценить способность конструкции развивать и поддерживать свое несущее сопротивление в неупругом диапазоне. Мерой этой способности является пластичность , которую можно наблюдать в самом материале , в структурном элементе или во всей конструкции .
В результате землетрясения в Нортридже Американский институт стальных конструкций представил стандарт AISC 358 «Предварительно проверенные соединения для специальных и промежуточных стальных моментных рам». Положения AISC по сейсмическому проектированию требуют, чтобы во всех стальных моментоустойчивых рамах использовались либо соединения, содержащиеся в AISC 358, либо соединения, прошедшие предварительные квалификационные циклические испытания. [62]
Оценка потерь от землетрясения обычно определяется как коэффициент ущерба ( DR ), который представляет собой отношение стоимости ремонта ущерба от землетрясения к общей стоимости здания. [63] Вероятные максимальные потери ( PML ) – это общий термин, используемый для оценки потерь при землетрясении, но ему не хватает точного определения. В 1999 году было выпущено ASTM E2026 «Стандартное руководство по оценке повреждений зданий при землетрясениях» с целью стандартизировать номенклатуру оценки сейсмических потерь, а также установить руководящие принципы в отношении процесса проверки и квалификации рецензента. [64]
Оценки потерь от землетрясения также называются оценками сейсмического риска . Процесс оценки риска обычно включает в себя определение вероятности различных колебаний грунта в сочетании с уязвимостью или повреждением здания под этими движениями грунта. Результаты определяются как процент восстановительной стоимости здания. [65]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)