Сейсмостойкое строительство

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Сейсмостойкое строительство — раздел гражданского строительства, специализирующийся в области изучения поведения зданий и сооружений под сейсмическим воздействием[1] в виде сотрясений земной поверхности, потери грунтом своей несущей способности, волн цунами и разработки методов и технологий строительства зданий, устойчивых к сейсмическим воздействиям.

Сейсмостойкое строительство может рассматривать любой строительный объект как фортификационное сооружение, но предназначенное для обороны от специфического противника — землетрясения и/или вызванных землетрясением катастроф (например, цунами). В обоих случаях основной принцип проектирования общий: замедлить или ослабить возможную атаку, вплоть до невозможности победы для атакующего.

20-этажный жилой дом [1], упавший при разрушительном землетрясении в Чили, 2010
Taipei 101, второй по высоте в мире небоскрёб, оборудованный инерционным демпфером

Главные задачи сейсмостойкого строительства:

  • Знать и понимать, что происходит при взаимодействии строительных объектов с трясущимся основанием.
  • Предвидеть последствия возможного сейсмического воздействия.
  • Проектировать, возводить и поддерживать в надлежащем состоянии сейсмостойкие объекты[2]

Сейсмостойкое сооружение не обязательно должно быть громоздким и дорогим как, например, Пирамида Кукулькана в городе Чичен-Ица[3].

В настоящее время наиболее эффективным и экономически целесообразным инструментом в сейсмостойком строительстве является вибрационный контроль сейсмической нагрузки и, в частности, сейсмическая изоляция, позволяющая возводить сравнительно легкие и недорогие постройки[4].

Сейсмическое нагружение[править | править вики-текст]

Сейсмическое нагружение (seismic loading) является одним из основных понятий в сейсмостойком строительстве и теории сейсмостойкости и означает приложение колебательного возбуждения землетрясения к различным постройкам.

Величина сейсмической нагрузки в большинстве случаев зависит от:

Гараж в Нортридже после землетрясения 1994 года [2]
Штаб-квартира ООН в Порт-о-Пренс, Гаити после землетрясения 12 января 2010 г.
  • Интенсивности, продолжительности и частотных характеристик ожидаемого землетрясения
  • Геологических условий площадки строительства
  • Динамических параметров сооружения

Сейсмическое нагружение происходит на поверхностях контакта сооружения с грунтом [5], либо с соседним сооружением [6], либо с порождённой землетрясением гравитационной волной цунами [7]. Оно постоянно экзаменует сейсмостойкость сооружения и иногда превышает его возможность выстоять без разрушений.

Сейсмическая защита[править | править вики-текст]

Наружная антисейсмическая стальная ферма спального корпуса Университета Беркли

Исходя из того, что прочность стали примерно в 10 раз выше, чем у самого прочного бетона и каменной или кирпичной кладки, понятие сейсмостойкость ассоциируется с достаточно прочной постройкой, с мощным стальным каркасом или стенами, способными выдержать расчётное землетрясение без полного разрушения и с минимальными человеческими жертвами. Примером такой постройки может служить изображенный рядом спальный корпус Университета Беркли, усиленный наружной антисейсмической стальной фермой.

Модель 18-этажного здания на сейсмопротекторе [8]

Однако не следует навязывать зданию почти непосильную задачу — сопротивляться сокрушительному землетрясению. Лучше дать этому зданию возможность как бы парить над трясущейся землей. Провозгласить такую цель, конечно, значительно проще, чем достичь её практически.

На фото справа показана модель 18-этажного здания на виброплатформе, на котором проводятся испытания в режиме Нортриджского землетрясения, записанного недалеко от его эпицентра. Блок из четырёх сейсмопротекторов (вид сейсмической изоляции) поможет зданию резко повысить его сейсмостойкость и выдержать сотрясение.

Испытания проводились на мощной виброплатформе (12.2 м на 7.6м) одного из крупнейших в Соединенных Штатах специализированных испытательных полигонов, который принадлежит Университету Калифорния Сан-Диего и входит в национальную систему Сети Имитации Сильных Землетрясений [9]. С помощью этой виброплатформы можно создавать и воссоздавать землетрясения любой амплитуды и частотного спектра сидя за пультом управления.

Сейсмический анализ[править | править вики-текст]

Сейсмический анализ или анализ сейсмостойкости является интеллектуальным инструментом в сейсмостойком строительстве, который разбивает эту сложную тему на ряд подразделов для лучшего понимания работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Трехмерная диаграмма сейсмостойкости модели здания

Анализ сейсмостойкости основывается на принципах динамики сооружений [10] и антисейсмического проектирования. В течение десятилетий, самым распространённым методом анализа сейсмостойкости являлся метод спектров реакции [11], который получил свое развитие в настоящее время [12].

Однако спектры реакции хороши лишь для систем с одной степенью свободы. Использование пошагового интегрирования с трехмерными диаграммами сейсмостойкости [13] оказываются более эффективным методом для систем со многими степенями свободы и со значительной нелинейностью в условиях переходного процесса кинематической раскачки.

Экспериментальная проверка сейсмостойкости[править | править вики-текст]

Экспериментальная проверка сейсмостойкости, или исследование сейсмостойкости, необходимо для понимания действительной работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой. Онa бывает, в основном, двух видов: полевaя (натурнaя) и на сейсмоплатформе.

Две идентичные модели здания [3] при испытании на сейсмоплатформе до разрушения
Испытание железобетонного здания на сейсмоплатформе [14]

Удобнее всего испытывать модель здания на сейсмоплатформе, воссоздающей сейсмические колебания — если, конечно, у вас нет времени дождаться настоящего землетрясения.

Такие лабораторные испытания проводятся на больших или меньших моделях зданий и сооружений уже в течение многих лет, однако стоимость их довольно высока. Чтобы снизить эту стоимость, рекомендуется применять Performance Factor Procedure [15], впервые предложенную для экспериментальной проверки эффективности сейсмической изоляции.

Сопутствующие испытания[править | править вики-текст]

Сопутствующие испытания (англ.:Concurrent testings) на сейсмоплатформе обычно проводятся, когда необходимо сравнить поведение различных модификаций сооружения при одном и том же сейсмическом нагружении[16]; см., например, ниже:

Виброконтроль[править | править вики-текст]

Виброконтроль (vibration control) является системой устройств для уменьшения сейсмической нагрузки на здания и сооружения. Все эти устройства можно классифицировать как пассивные, активные и гибридные [17]. Ниже кратко описаны некоторые устройства и методы виброконтроля.

Сухая кладка стен[править | править вики-текст]

Первыми строителями, обратившим особое внимание на сейсмостойкость капитальных построек, в частности, стен зданий, были инки и др. древние жители Перу.

Сухая кладка стен в замке Солнца в Мачу-Пикчу, Перу

Особенностями архитектуры инков является необычайно тщательная и плотная (так, что между блоками нельзя просунуть и лезвия ножа) подгонка каменных блоков (часто неправильной формы и очень различных размеров) друг к другу без использования строительных растворов [18].

Благодаря этим особенностям кладка инков не имела резонансных частот и точек концентрации напряжений, обладая дополнительной прочностью свода. При землетрясениях небольшой и средней силы такая кладка оставалась практически неподвижной, а при сильных — камни «плясали» на своих местах, не теряя взаимного расположения и при окончании землетрясения укладывались в прежнем порядке [19].

Эти обстоятельства позволяют считать сухую кладку стен инками одним из первых в истории устройств пассивного виброконтроля зданий.

Сейсмический амортизатор[править | править вики-текст]

Сейсмический амортизатор: общий вид [4]
Испытание сейсмического амортизатора в CSUN [5]

Сейсмический амортизатор — это разновидность сейсмической изоляции для защиты зданий и сооружений от потенциально разрушительных землетрясений [20].

Недавно сейсмические амортизаторы на роликовых подшипниках были установлены в жилом 17-этажном комплексе в г.Токио, Япония [21].

Инерционный демпфер[править | править вики-текст]

Инерционный демпфер на высотном здании Тайбэй 101

Обычно, инерционный демпфер (Tuned Mass Damper), называемый также инерционный гаситель, который является одним из устройств для вибрационного контроля, представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой.

Для этой цели, например, инерционный демпфер небоскреба Тайбэй 101 оборудован маятниковым подвесом в виде стального шара весом 660 тон, расположенным между 92-ым и 88-ым этажами. Два других 6-тонных гасителя колебаний расположены на вершине шпиля и призваны гасить колебания верхней части здания.

Гистерезисный демпфер[править | править вики-текст]

Жидкостный вязкоупругий демпфер в здании [6]

Гистерезисный демпфер (Hysteretic damper) предназначен для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт диссипации сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Имеются, в основном, четыре группы гистерезисных демпферов, а именно:

  • Жидкостный вязкоупругий демпфер
  • Твердый вязкоупругий демпфер
  • Металлический вязкотекучий демпфер
  • Демпфер сухого трения

Каждая группа демпферов имеет свою специфику, свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при их применении.

Демпфирование вертикальной конфигурацией[править | править вики-текст]

Здание Transamerica Pyramid в Сан-Франциско, Калифорния

Демпфирование вертикальной конфигурацией (Building elevation control) предназначено для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт предотвращения резонансных колебаний с помощью дисперсии сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Пирамидальные постройки не перестают привлекать внимание архитекторов и инженеров также благодаря их большей устойчивости при ураганах и землетрясениях.

Сравнительные испытания на вибростоле: слева — обычная модель здания, справа — модель, демпфированная вертикальной конфигурацией здания [7]

Конический профиль здания не является обязательным для этого метода вибрационного контроля. Аналогичный эффект может быть достигнут с помощью соответствующей конфигурации таких характеристик как массы этажей и их жесткости [11].

Многочастотный успокоитель колебаний[править | править вики-текст]

Высотное здание [8] с многочастотным успокоителем

Многочастотный успокоитель колебаний (Multi-Frequency Quieting Building System) или, сокращенно, МУК является системой устройств для вибрационного контроля, установленной на высотном здании или другом сооружении, которая колеблется с определёнными резонансными частотами данного объекта под сейсмической нагрузкой.

Каждый МУК включает в себя ряд междуэтажных диафрагм, обрамленных набором выступающих консолей с различными периодами собственных колебаний и работающих как инерционные демпферы. Использование МУК позволяет сделать здание как функциональным, так и архитектурно привлекательным.

Приподнятое основание здания[править | править вики-текст]

Реконструкция пяты свода Приподнятого основания[22]

Приподнятое основание здания (Elevated building foundation) является инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Эффект Приподнятого основания здания (ПОЗ) основан на следующем. В результате многократных отражений, дифракций и диссипаций сейсмических волн в процессе их распространения внутри ПОЗ, передача сейсмической энергии в надстройку (верхнюю часть здания) оказывается сильно ослабленной [12].

Эта цель достигается за счёт соответствующего подбора строительных материалов, конструктивных размеров, а также конфигурации НОЗ для конкретной площадки строительства.

Свинцово-резиновая опора[править | править вики-текст]

Вибрационное испытание свинцово-резиновой опоры [9]

Свинцово-резиновая опора (Lead Rubber Bearing) — это сейсмическая изоляция, предназначенная для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт интенсивного демпфирования сейсмической энергии, проникающей через фундаменты в эти здания и сооружения. На фото справа показано испытание свинцово-резиновой опоры сделанной из резинового цилиндра со свинцовым сердечником.

Однако механически податливые системы, какими являются сейсмически изолированные сооружения со сравнительно низкой горизонтальной жесткостью, но со значительной так называемой демпфирующей силой, могут испытывать значительные перегрузки, вызванные при землетрясении как раз этой силой [13].

Пружинный демпфер[править | править вики-текст]

Пружинный демпфер под трехэтажным домом

Пружинный демпфер (springs-with-damper base isolator) является изолирующим устройством, подобным по замыслу свинцово-резиновой опоре. Два небольших трехэтажных дома с такими устройствами, расположенными в Санта Монике (Калифорния), были проэкзаменованы Нортриджским землетрясением в 1994 году [14] [15].

Фрикционно-маятниковая опора[править | править вики-текст]

Фрикционно-маятниковая опора: вибро-испытание [10]

Фрикционно-маятниковая опора (Friction Pendulum Bearing) — это сейсмическая изоляция, являющаяся инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Основные элементы фрикционно-маятниковой опоры (ФМО):

  • сферически вогнутая поверхность скольжения;
  • сферический ползунок;
  • ограничительный цилиндр.

Стоп-кадр испытания жесткого каркаса на ФМО показан справа.

Исследование сейсмостойкости[править | править вики-текст]

Исследование сейсмостойкости (Earthquake engineering research) включает в себя как полевые так и аналитические и лабораторные эксперименты, имеющие целью объяснение известных фактов либо пересмотр общепринятых взглядов в свете вновь открытых фактов и теоретических разработок в области сейсмостойкого строительства.

Тем не менее, основным практическим методом получения новых знаний в этoй области до сих пор является обследование поврежденных при землетрясениях сооружений.

Главные мировые исследовательские центры по сейсмостойкости и сейсмостойкому строительству приведены ниже:

Файл:Earthquake Shelter.jpg
Встроенное сейсмоубежище: видео демонстрация, см. Video

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]