Землетрясение - Earthquake engineering

Землетрясение - это междисциплинарная отрасль инженерии, которая проектирует и анализирует конструкции, такие как здания и мосты, с учетом землетрясений . Его главная цель - сделать такие конструкции более устойчивыми к землетрясениям. Инженер по сейсморазведке (или сейсмике) стремится построить конструкции, которые не будут повреждены при незначительном сотрясении и позволят избежать серьезных повреждений или обрушения при сильном землетрясении. Инженерия землетрясений - это научная область, занимающаяся защитой общества, окружающей среды и антропогенной среды от землетрясений путем ограничения сейсмического риска до социально-экономически приемлемого уровня. Традиционно, это было узко определено как изучение поведения структур и геоструктур, подверженных сейсмической нагрузке ; он рассматривается как подмножество структурной инженерии , геотехнической инженерии , машиностроения , химического машиностроения , прикладной физики и т. д. Однако огромные затраты, понесенные в результате недавних землетрясений, привели к расширению его объема, чтобы охватить дисциплины из более широкой области гражданского строительства. инженерия , машиностроение , ядерная инженерия и социальные науки , особенно социология , политология , экономика и финансы .

Основными задачами сейсмологической инженерии являются:

Правильно спроектирована структура не обязательно должны быть очень сильными или дорогими. Он должен быть правильно спроектирован, чтобы выдерживать сейсмические воздействия при приемлемом уровне повреждений.

Краш- тестирование обычной модели здания (слева) и модели здания с изолированным основанием (справа) с помощью встряхивающего стола в UCSD

Сейсмическая нагрузка

Под сейсмической нагрузкой понимается воздействие на конструкцию (или геоструктуру) возбуждения, вызванного землетрясением. Это происходит на контактных поверхностях конструкции либо с землей, либо с прилегающими конструкциями, либо с гравитационными волнами от цунами . Нагрузка, которая ожидается в данном месте на поверхности Земли, оценивается с помощью инженерной сейсмологии . Это связано с сейсмической опасностью местности.

Сейсмические характеристики

Землетрясение или сейсмические характеристики определяют способность конструкции поддерживать свои основные функции, такие как безопасность и работоспособность , при воздействии определенного землетрясения и после него. Строение обычно считается безопасным, если оно не подвергает опасности жизнь и благополучие находящихся внутри или вокруг людей в результате частичного или полного обрушения. Конструкция может считаться пригодной к эксплуатации, если она способна выполнять свои эксплуатационные функции, для которых она была спроектирована.

Основные концепции сейсмической инженерии, реализованные в основных строительных нормах и правилах, предполагают, что здание должно выдержать редкое, очень сильное землетрясение, выдержав значительный ущерб, но без глобального обрушения. С другой стороны, он должен оставаться в рабочем состоянии при более частых, но менее серьезных сейсмических событиях.

Оценка сейсмостойкости

Инженеры должны знать количественный уровень фактических или ожидаемых сейсмических характеристик, связанных с прямым повреждением отдельного здания, подверженного определенному сотрясению грунта. Такая оценка может быть проведена экспериментально или аналитически.

Экспериментальная оценка

Экспериментальные оценки - это дорогостоящие испытания, которые обычно проводятся путем размещения (масштабированной) модели конструкции на вибростоле , имитирующем сотрясение земли, и наблюдении за ее поведением. Подобные эксперименты были впервые проведены более века назад. Только недавно стало возможным проводить испытания в масштабе 1: 1 на полных конструкциях.

Из-за дорогостоящего характера таких испытаний они, как правило, используются в основном для понимания сейсмического поведения конструкций, проверки моделей и проверки методов анализа. Таким образом, после надлежащей проверки расчетные модели и численные процедуры, как правило, несут основную нагрузку для оценки сейсмических характеристик конструкций.

Аналитическая / числовая оценка

Кадр из видеоролика о вибростоле при разрушающих испытаниях 6-этажного здания из непластичного бетона

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 не строительных конструкций . Техника как формальная концепция появилась сравнительно недавно.

В целом сейсмический структурный анализ основан на методах структурной динамики . На протяжении десятилетий наиболее известным инструментом сейсмического анализа был метод определения спектра реакции на землетрясение, который также внес свой вклад в сегодняшнюю концепцию предлагаемых строительных норм.

Однако такие методы подходят только для линейных упругих систем, поскольку они в значительной степени не могут моделировать поведение конструкции при появлении повреждений (т. Е. Нелинейности ). Численное пошаговое интегрирование оказалось более эффективным методом анализа структурных систем с несколькими степенями свободы и значительной нелинейностью в переходном процессе возбуждения колебаний грунта. Использование метода конечных элементов - один 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 вытеснения или нелинейного анализа истории изменений. При таком анализе важно добиться точного нелинейного моделирования конструктивных элементов, таких как балки, колонны, соединения балка-колонна, стены с поперечным сдвигом 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 характеристик зданий.

Возможности программного обеспечения для структурного анализа являются основным соображением в вышеупомянутом процессе, поскольку они ограничивают возможные модели компонентов, доступные методы анализа и, что наиболее важно, численную надежность. Последнее становится важным фактором для структур, которые решаются на 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 , которые можно использовать для оценки сейсмических характеристик зданий. Кроме того, существуют платформы для анализа методом конечных элементов, основанные на исследованиях, такие как OpenSees , MASTODON, основанная на MOOSE Framework , RUAUMOKO и более старых версиях DRAIN-2D / 3D, некоторые из которых теперь имеют открытый исходный код.

Исследования для сейсмической инженерии

Встряска стол тестирования из Friction Pendulum подшипников в содейтвии

Исследования в области инженерии землетрясений означают как полевые, так и аналитические исследования или эксперименты, предназначенные для открытия и научного объяснения фактов, связанных с инженерией землетрясений, пересмотра традиционных концепций в свете новых открытий и практического применения разработанных теорий.

Национальный научный фонд (NSF) является основным правительственным учреждением Соединенных Штатов , который поддерживает фундаментальные исследования и образование во всех областях инженерной сейсмологии. В частности, он фокусируется на экспериментальных, аналитических и вычислительных исследованиях по проектированию и повышению производительности структурных систем.

Стол встряхивания E-Defense

Институт инженерных исследований землетрясений (EERI) является лидером в распространении информации о инженерных исследованиях землетрясений как в США, так и во всем мире.

Окончательный список землетрясений инженерных исследований , связанный с встряхиванием таблиц по всему миру можно найти в экспериментальных установках для сейсмостойкого строительства Simulation по всему миру. Самым известным из них сейчас является встряхивающий стол E-Defense в Японии .

Основные исследовательские программы США

NSF также поддерживает Сеть Джорджа Брауна-младшего по инженерному моделированию землетрясений.

Программа NSF по снижению рисков и проектированию конструкций (HMSE) поддерживает исследования новых технологий для улучшения поведения и реакции структурных систем, подверженных опасности землетрясений; фундаментальные исследования 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 дизайна, улучшающие характеристики и гибкость конструкции; и применение новых методов управления структурными системами.

(NEES), которая способствует открытию знаний и инновациям в области снижения потерь от землетрясений и цунами в гражданской инфраструктуре страны, а также новых экспериментальных методов моделирования и оборудования.

Сеть Nees имеет 14 территориально-распределенные, разделяемое использование лабораторий , которые поддерживают несколько типов экспериментальных работ: геотехническая центрифуга исследований, встряска стол тесты, крупномасштабные структурные испытания, эксперименты бассейновых волн цунами и полевые исследования на сайте. Участвующие университеты включают: Корнельский университет ; Лихайский университет ; Государственный университет Орегона ; Политехнический институт Ренсселера ; Университет Буффало , Государственный университет Нью-Йорка ; Калифорнийский университет в Беркли ; Калифорнийский университет в Дэвисе ; Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе ; Калифорнийский университет в Сан-Диего ; Калифорнийский университет в Санта-Барбаре ; Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн ; Университет Миннесоты ; Университет Невады, Рино ; и Техасский университет в Остине .

NEES в испытательном центре Buffalo

Площадки с оборудованием (лаборатории) и центральное хранилище данных подключены к глобальному сообществу специалистов по сейсмостойкости через веб-сайт NEEShub. Веб-сайт NEES основан на программном обеспечении HUBzero, разработанном в Университете Пердью для nanoHUB специально, чтобы помочь научному сообществу обмениваться ресурсами и сотрудничать. Киберинфраструктура, подключенная через Интернет2 , предоставляет интерактивные инструменты моделирования, область разработки инструментов моделирования, курируемое центральное хранилище данных, анимированные презентации, поддержку пользователей, дистанционное присутствие, механизм загрузки и совместного использования ресурсов, а также статистику о пользователях и шаблонах использования.

Эта киберинфраструктура позволяет исследователям: безопасно хранить, организовывать и обмениваться данными в рамках стандартизированной структуры в центральном месте; удаленно наблюдать и участвовать в экспериментах с помощью синхронизированных данных и видео в реальном времени; сотрудничать с коллегами для облегчения планирования, выполнения, 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 исследовать общую производительность системы.

Эти ресурсы совместно обеспечивают средства для сотрудничества и открытия с целью улучшения сейсмического проектирования и производительности систем гражданской и механической инфраструктуры.

Моделирование землетрясения

Самые первые симуляции землетрясений были выполнены путем статического приложения некоторых горизонтальных сил инерции, основанных на масштабированных пиковых ускорениях грунта, к математической модели здания. С дальнейшим развитием вычислительных технологий статические подходы стали уступать место динамическим .

Динамические эксперименты со строительными и ненастроенными конструкциями могут быть физическими, например, испытания на вибростоле , или виртуальными. В обоих случаях, чтобы проверить ожидаемые сейсмические характеристики конструкции, некоторые исследователи предпочитают иметь дело с так называемыми «историями в реальном времени», хотя последняя не может быть «реальной» для гипотетического землетрясения, указанного либо строительными нормами, либо некоторыми конкретными исследовательскими требованиями. . Следовательно, есть сильный стимул к использованию моделирования землетрясения, которое представляет собой входные сейсмические данные, обладающие только существенными характеристиками реального события.

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

Моделирование конструкции

Параллельные эксперименты с двумя моделями зданий, кинематически эквивалентными реальному прототипу.

Теоретическая или экспериментальная оценка ожидаемых сейсмических характеристик в основном требует моделирования конструкции , основанной на концепции структурного сходства или подобия. Сходство - это некоторая степень аналогии или сходства между двумя или более объектами. Понятие сходства основывается либо на точном, либо на приблизительном повторении паттернов в сравниваемых предметах.

В общем, считается, что модель здания имеет сходство с реальным объектом, если они имеют геометрическое сходство , кинематическое сходство и динамическое сходство . Самый яркий и эффектный вид подобия - кинематический . Кинематическое сходство существует, когда пути и скорости движущихся частиц модели и ее прототипа одинаковы.

Наивысший уровень кинематического сходства - это кинематическая эквивалентность, когда в случае сейсмической инженерии временные характеристики горизонтальных смещений модели и ее прототипа на каждом этаже будут одинаковыми.

Контроль сейсмической вибрации

Контроль сейсмической вибрации - это комплекс технических средств, направленных на снижение сейсмических воздействий в строительных и не строительных конструкциях. Все устройства контроля сейсмических колебаний можно разделить на пассивные , активные или гибридные, если:

  • устройства пассивного управления не имеют обратной связи между собой, элементами конструкции и землей;
  • активные устройства управления включают в себя приборы регистрации в реальном времени на земле, интегрированные с оборудованием для обработки данных о землетрясениях и исполнительными механизмами внутри конструкции;
  • В гибридных устройствах управления сочетаются функции активных и пассивных систем управления.

Когда земные сейсмические волны достигают и начинают проникать в основание здания, их плотность потока энергии из-за отражений резко снижается: обычно до 90%. Однако оставшиеся части падающих волн во время сильного землетрясения по-прежнему обладают огромным разрушительным потенциалом.

После того, как сейсмические волны попадают в надстройку , есть несколько способов контролировать их, чтобы смягчить их разрушительное воздействие и улучшить сейсмические характеристики здания, например:

Мавзолей Кира , старейшее фундаментно-изолированное сооружение в мире.

Устройства последнего типа, обозначаемые соответственно как TMD для настроенного ( пассивного ), AMD для активного и HMD для гибридных массовых демпферов , уже четверть исследуются и устанавливаются в высотных зданиях , преимущественно в Японии. века.

Однако есть совершенно другой подход: частичное подавление потока сейсмической энергии в надстройку, известное как сейсмическая изоляция или изоляция основания .

Для этого некоторые подкладки вставляются во все основные несущие элементы в основании здания или под ними, что должно существенно отделять надстройку от ее основания, покоящегося на трясущейся земле.

Первые свидетельства защиты от землетрясений с использованием принципа изоляции базы были обнаружены в Пасаргадах , городе в древней Персии, ныне Иран, и датируются VI веком до нашей эры. Ниже приведены некоторые примеры современных технологий контроля сейсмической вибрации.

Стены из сухого камня в Перу

Стены из сухого камня Храма Солнца Мачу-Пикчу , Перу

Перу - очень сейсмическая земля; на протяжении веков конструкция из сухого камня оказалась более сейсмостойкой, чем строение из строительного раствора. Люди цивилизации инков владели полированными «каменными стенами», называемыми тесаным камнем , где каменные блоки разрезались так, чтобы они плотно прилегали друг к другу без какого-либо раствора . Инки были одними из лучших каменщиков, которых когда-либо видел мир, и многие стыки в их каменной кладке были настолько идеальными, что даже травинки не могли уместиться между камнями.

Камни стен из сухого камня, построенные инками, могли слегка двигаться и оседать без разрушения стен - метод пассивного структурного контроля , использующий как принцип рассеяния энергии (кулоновское демпфирование), так и принцип подавления резонансных усилений.

Настроенный массовый демпфер

Обычно настроенные демпферы массы представляют собой огромные бетонные блоки, установленные в небоскребах или других конструкциях и движущиеся против колебаний резонансной частоты конструкций с помощью какого-то пружинного механизма.

Taipei 101 небоскреб должен выдерживать тайфуна ветры и землетрясения толчки распространены в этой области Азии / Тихого океана. Для этого был спроектирован и установлен наверху стальной маятник весом 660 метрических тонн, служащий демпфером настроенной массы. Подвешенный с 92-го по 88-й этаж, маятник качается, чтобы уменьшить резонансное усиление боковых смещений в здании, вызванных землетрясениями и сильными порывами ветра .

Гистерезисные демпферы

Гистерезисный демпфер предназначен для обеспечения лучшего и более надежную сейсмическую производительность , чем у обычной структуры за счет увеличения диссипации сейсмической входной энергии. Для этой цели используются пять основных групп гистерезисных демпферов, а именно:

  • Гидравлические вязкостные демпферы (FVD)

Преимущество вязких демпферов заключается в том, что они являются дополнительной системой демпфирования. Они имеют овальную гистерезисную петлю, а демпфирование зависит от скорости. Хотя потенциально требуется небольшое техническое обслуживание, вязкие демпферы обычно не нуждаются в замене 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.

  • Демпферы трения (FDs)

Демпферы трения, как правило, доступны двух основных типов: линейные и вращательные, они рассеивают энергию за счет тепла. Демпфер работает по принципу кулоновского демпфера . В зависимости от конструкции гасители трения могут испытывать скачкообразное скольжение и холодную сварку . Основным недостатком является то, что поверхности трения могут изнашиваться со временем, и по этой причине они не рекомендуются для рассеивания ветровых нагрузок. При использовании в сейсмических условиях износ не является проблемой, и нет необходимости в техническом обслуживании. У них есть прямоугольная гистерезисная петля, и пока здание достаточно эластично, они имеют тенденцию возвращаться в исходное положение после землетрясения.

  • Металлические демпферы податливости (MYD)

Металлические амортизаторы, как следует из названия, податливы, чтобы поглотить энергию землетрясения. Этот тип амортизаторов поглощает большое количество энергии, однако их необходимо заменять после землетрясения, и они могут помешать зданию вернуться в исходное положение.

  • Вязкоупругие демпферы (ВЭД)

Вязкоупругие демпферы полезны тем, что их можно использовать как для ветровых, так и для сейсмических применений, они обычно ограничиваются небольшими смещениями. Существует некоторая озабоченность по поводу надежности технологии, поскольку некоторым брендам запрещено использовать в зданиях в Соединенных Штатах.

  • Подвижные маятниковые демпферы (качели)

Базовая изоляция

Изоляция основания направлена ​​на предотвращение преобразования кинетической энергии землетрясения в упругую энергию в здании. Эти технологии делают это, изолируя конструкцию от земли, что позволяет им двигаться в некоторой степени независимо. Степень, в которой энергия передается в структуру, и то, как энергия рассеивается, будет варьироваться в зависимости от используемой технологии.

  • Свинцовый резиновый подшипник
LRB проходит испытания на объекте UCSD Caltrans-SRMD

Свинцовый резиновый подшипник или LRB - это тип изоляции основания, использующий сильное демпфирование . Его изобрел Билл Робинсон , новозеландец.

Механизм тяжелого демпфирования, включенный 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 довольно гибких систем, таких как изолированные конструкции основания, с относительно низкой несущей жесткостью, но с высоким демпфированием, так называемая «демпфирующая сила» может превратиться в основную толкающую силу при сильном землетрясении. Видео показывает ведущий Резиновая опора проходит испытания на UCSD Колтранс-SRMD объекта. Подшипник резиновый со свинцовым сердечником. Это было одноосное испытание, в котором подшипник также подвергался полной нагрузке на конструкцию. Многие здания и мосты как в Новой Зеландии, так и за ее пределами защищены свинцовыми амортизаторами и свинцовыми и резиновыми опорами. Те Папа Тонгарева , национальный музей Новой Зеландии, и здания парламента Новой Зеландии были оснащены подшипниками. Оба находятся в Веллингтоне, который находится на активном разломе .

  • Изолятор основания пружины с демпфером
Пружины с демпфером крупным планом

Изолятор основания пружины с демпфером, установленный под трехэтажным таунхаусом в Санта-Монике , Калифорния, показан на фотографии, сделанной до землетрясения в Нортридже в 1994 году . Это базовое изолирующее устройство, концептуально похожее на свинцовый резиновый подшипник .

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

  • Простой роликовый подшипник

Подшипник роликовый простой - это базовое изолирующее устройство, которое предназначено для защиты различных строительных и не строительных конструкций от потенциально разрушительных боковых ударов сильных землетрясений.

Эта металлическая опора может быть адаптирована с определенными мерами предосторожности в качестве сейсмического изолятора для небоскребов и зданий на мягком грунте. Недавно он использовался под названием металлических роликовых подшипников для жилого комплекса (17 этажей) в Токио, Япония .

  • Маятниковый подшипник качения

Маятниковый подшипник качения (FPB) - это еще одно название маятниковой системы трения (FPS). В его основе лежат три столпа:

  • шарнирно-фрикционный слайдер;
  • сферическая вогнутая поверхность скольжения;
  • закрывающий цилиндр для ограничения бокового смещения.

Снимок со ссылкой на видео прижим сотрясения стола тестирования системы ФПБА поддерживающей жесткую модель здания представлен на рисунке справа.

Сейсмический дизайн

Сейсмическое проектирование основано на утвержденных инженерных процедурах, принципах и критериях, предназначенных для проектирования или модернизации конструкций, подверженных воздействию землетрясений. Эти критерии соответствуют только современному уровню знаний о сейсмических инженерных сооружениях . Следовательно, конструкция здания, которая точно соответствует нормам сейсмических норм, не гарантирует безопасность от обрушения или серьезных повреждений.

Цена плохого сейсмического проектирования может быть огромной. Тем не менее, сейсмическое проектирование всегда было методом проб и ошибок, независимо от того, основывалось ли оно на законах физики или на эмпирических знаниях структурных характеристик различных форм и материалов.

Чтобы практиковать сейсмическое проектирование , сейсмический анализ или сейсмическую оценку новых и существующих проектов гражданского строительства, инженер , как правило, должен сдать экзамен по принципам сейсмики, которые в штате Калифорния включают:

  • Сейсмические данные и критерии сейсмического проектирования
  • Сейсмические характеристики инженерных систем
  • Сейсмические силы
  • Процедуры сейсмического анализа
  • Сейсмическая обработка и контроль качества строительства

Для создания сложных структурных систем в сейсмическом проектировании в основном используется такое же относительно небольшое количество основных структурных элементов (не говоря уже об устройствах контроля вибрации), что и в любом несейсмическом проекте.

Обычно, согласно строительным нормам, конструкции проектируются таким образом, чтобы «выдерживать» сильнейшее землетрясение с определенной вероятностью, которое может произойти в месте их расположения. Это означает, что гибель людей должна быть сведена к минимуму, предотвращая обрушение зданий.

Сейсмическое проектирование выполняется путем понимания возможных режимов разрушения конструкции и обеспечения конструкции соответствующей прочности , жесткости , пластичности и конфигурации, чтобы гарантировать, что эти режимы не могут возникнуть.

Требования к сейсмическому проектированию

Требования к сейсмическому проектированию зависят от типа конструкции, местоположения проекта и его полномочий, которые определяют применимые нормы и критерии сейсмического проектирования. Например, Калифорния Департамент транспортных требований называеться Критериями , сейсмическая Дизайн (SDC) и направлен на разработке новых мостов в Калифорнии включать инновационный сейсмический подход , основанные на характеристики.

Наиболее важной особенностью философии проектирования SDC является переход от оценки потребности в сейсморазведке на основе силы к оценке потребности и мощности на основе смещения . Таким образом, недавно принятый подход к смещению основан на сравнении потребности в упругом смещении с неупругой способностью к смещению основных структурных компонентов при обеспечении минимального уровня неупругой способности во всех возможных местах расположения пластических шарниров.

В дополнение к самой спроектированной конструкции, требования к сейсмическому проектированию могут включать стабилизацию грунта под конструкцией: иногда сильно сотрясенный грунт разрывается, что приводит к обрушению конструкции, лежащей на ней. Следующие темы должны быть в центре внимания: ожижение; динамическое поперечное давление грунта на подпорные стены; сейсмическая устойчивость откосов; поселение, вызванное землетрясением.

Ядерные объекты не должны ставить под угрозу свою безопасность в случае землетрясений или других враждебных внешних событий. Поэтому их сейсмический расчет основан на критериях гораздо более строгих, чем те, которые применяются к неядерным объектам. Однако ядерные аварии на Фукусиме I и повреждение других ядерных объектов , последовавшие за землетрясением и цунами в Тохоку в 2011 году , привлекли внимание к сохраняющейся озабоченности по поводу японских стандартов проектирования ядерной сейсмики и заставили многие другие правительства пересмотреть свои ядерные программы . Высказывались также сомнения по поводу сейсмической оценки и проектирования некоторых других станций, в том числе АЭС Фессенхайм во Франции.

Режимы отказа

Режим отказа - это способ, которым наблюдается отказ, вызванный землетрясением. Он, как правило, описывает способ возникновения отказа. Хотя это и требует больших затрат и времени, извлечение уроков из каждого реального землетрясения остается рутинным рецептом для совершенствования методов сейсмического проектирования . Ниже представлены некоторые типичные режимы отказов, вызванных землетрясениями.

Типичные повреждения неармированных каменных зданий при землетрясениях

Отсутствие арматуры в сочетании с плохим строительным раствором и несоответствующими связями между кровлей и стеной может привести к значительному повреждению неармированного каменного здания . Сильно потрескавшиеся или наклонные стены - одни из наиболее частых повреждений, вызванных землетрясениями. Также опасны повреждения, которые могут возникнуть между стенами и мембранами крыши или пола. Разделение каркаса и стен может поставить под угрозу вертикальную опору систем крыши и пола.

Мягкое обрушение этажа из-за недостаточной прочности на сдвиг на уровне земли, землетрясение в Лома-Приета

Мягкий сюжетный эффект . Отсутствие достаточной жесткости на уровне земли привело к повреждению этой конструкции. При внимательном рассмотрении изображения видно, что грубый сайдинг из досок, когда-то покрытый кирпичным шпоном , был полностью отделен от каркасной стены. Только жесткость верхнего этажа в сочетании с опорой на двух скрытых сторонах сплошными стенами, не проникающими большими дверями, как со стороны улицы, предотвращает полное обрушение конструкции.

Разжижение почвы . Вслучаяхкогда почва состоит из сыпучих гранулированных материаловосажденных с тенденцией к развитию чрезмерного гидростатического давления воды пор достаточной величины и компактного, сжижение этих насыщенным сыпучих отложений может привести к неравномерным расчетам и наклону конструкций. Это нанесло серьезный ущерб тысячам зданий в Ниигате, Япония, во время землетрясения 1964 года .

Автомобиль разбился обрушившейся скалой во время землетрясения в провинции Сычуань , 2008 г.

Падение оползня . Оползней является геологическим явлением , которое включает в себя широкий диапазон движения земли, в том числе обвалов . Как правило, действие силы тяжести является основной движущей силой возникновения оползня, хотя в этом случае имелся еще один способствующий фактор, который повлиял на исходную устойчивость склона : оползень требовал срабатывания триггера землетрясения, прежде чем его сработало .

Последствия удара по соседнему зданию, Лома Приета

Удары по соседнему зданию . Это фотография обрушившейся пятиэтажной башни семинарии Святого Иосифа, Лос-Альтос, Калифорния, в результате которой погиб один человек. Во время землетрясения в Лома-Приета башня ударилась о независимо вибрирующее соседнее здание позади нее. Возможность удара зависит от бокового смещения обоих зданий, которое необходимо точно оценить и учесть.

Последствия полностью разрушенных стыков бетонного каркаса, северный мост

Во время землетрясения в Нортридже у офисного здания с бетонным каркасом Kaiser Permanente были полностью разрушены стыки, обнажая несоответствующие стальные конструкции , что привело к обрушению второго этажа. В направлении поперечной, композитный конца сдвиговых стенки , состоящие из двух wythes из кирпича и слоем торкрет , который нес боковую нагрузку, очищенные друг от друга из - за недостаточных сквозных связей и не удалось.

переход от основания, Уиттиер

Эффект соскальзывания фундамента относительно жесткой конструкции жилого дома во время землетрясения 1987 года в Уиттиер-Нарроуз . Землетрясение магнитудой 5,9 ударило по жилому дому Гарви Уэст в Монтерей-парке, Калифорния, и сместило его надстройку примерно на 10 дюймов к востоку от фундамента.

Ущерб от землетрясения в Пичилему

Если надстройка не установлена на базовой изоляции системы, должно быть предотвращено ее смещение на цокольном этаже.

Недостаточная сдвигающая арматура, из-за которой основные арматурные стержни изгибаются, северный мост

Железобетонная колонна разорвалась при землетрясении в Нортридже из-за недостаточного режима армирования сдвигом, который позволяет основной арматуре выгибаться наружу. Палуба сошла с петель и не выдержала сдвига. В результате обрушился участок подземного перехода Ла-Сьенега-Венеция автострады 10.

Разрушение опорных колонн и верхней палубы, землетрясение Лома-Приета

Землетрясение в Лома-Приета : вид сбоку на обрушение железобетонных опор и колонн, которое привело к обрушению верхней палубы на нижнюю часть двухуровневого виадука Кипарис межштатной автомагистрали 880, Окленд, Калифорния.

Разрушение подпорной стены из-за движения грунта, Лома-Приета

Разрушение подпорной стены при землетрясении в Лома-Приэте в районе гор Санта-Крус: заметные трещины растяжения северо-западного простирания шириной до 12 см (4,7 дюйма) в бетонном водосбросе к австрийской плотине, северной опоре .

Режим бокового распределения при разрыве грунта, Loma Prieta

Сотрясение почвы вызвало разжижение грунта в подповерхностном слое песка , вызывая разное поперечное и вертикальное движение в вышележащем панцире из неразжиженного песка и ила . Этот режим разрушения грунта , называемый боковым распространением , является основной причиной землетрясения, связанного с разжижением.

Диагональные трещины в балках и колоннах опор, землетрясение в провинции Сычуань , 2008 г.

Сильно поврежденное здание Банка сельскохозяйственного развития Китая после землетрясения в провинции Сычуань в 2008 году : большая часть балок и колонн опоры срезана . Большие диагональные трещины в кирпичной кладке и шпона обусловлены в плоскости нагрузки в то время как резкое заселение правого торца здания следует отнести к свалке , которая может представлять опасность даже без землетрясения.

Цунами обрушивается на Ао Нанг ,

Двойное воздействие цунами : гидравлическое давление морских волн и затопление . Так, землетрясение в Индийском океане 26 декабря 2004 г. с эпицентром у западного побережья Суматры , Индонезия, вызвало серию разрушительных цунами, унесших жизни более 230000 человек в одиннадцати странах, затопив окружающие прибрежные поселения огромными волнами до 30 метров (100 футов) в высоту.

Сейсмостойкая конструкция

Строительство при землетрясении означает реализацию сейсмического проектирования, чтобы позволить строительным и не строительным конструкциям пережить ожидаемое землетрясение в соответствии с ожиданиями и в соответствии с применимыми строительными нормами .

Строительство крестообразных распорок башни Жемчужной реки для противодействия боковым силам землетрясений и ветров.

Дизайн и конструкция неразрывно связаны. Чтобы добиться хорошего качества изготовления, детализация элементов и их соединений должна быть как можно более простой. Как и любое строительство в целом, землетрясение - это процесс, который состоит из строительства, модернизации или сборки инфраструктуры с учетом имеющихся строительных материалов.

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

Сооружение может иметь вид устойчивости, но при землетрясении нести в себе ничего, кроме опасности. Решающим фактом является то, что для безопасности сейсмостойкие строительные методы так же важны, как контроль качества и использование правильных материалов. Подрядчик по землетрясениям должен быть зарегистрирован в штате / провинции / стране местонахождения проекта (в зависимости от местного законодательства), иметь залог и застраховаться .

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

Каждый строительный проект требует квалифицированной команды профессионалов, которые разбираются в основных характеристиках сейсмических характеристик различных конструкций, а также в управлении строительством .

Структуры Adobe

Частично обрушившееся глинобитное здание в Уэстморленде, Калифорния

Около тридцати процентов населения мира живет или работает в строительстве из земли. Adobe типа грязевых кирпичей является одним из старейших и наиболее широко используемых строительных материалов. Использование самана является очень распространенным явлением в некоторых из наиболее подверженных опасности регионах мира, традиционно в Латинской Америке, Африке, Индии и других частях Азии, Ближнего Востока и Южной Европы.

Здания из самана считаются очень уязвимыми при сильных землетрясениях. Однако доступны несколько способов сейсмического усиления новых и существующих зданий из кирпича.

Ключевыми факторами улучшения сейсмических характеристик строительства из сырцового кирпича являются:

  • Качество строительства.
  • Компактная, коробчатая компоновка.
  • Сейсмическое армирование.

Структуры из известняка и песчаника

Изолированное от базы здание города и округа, Солт-Лейк-Сити , Юта

Известняк очень распространен в архитектуре, особенно в Северной Америке и Европе. Многие достопримечательности по всему миру сделаны из известняка. Многие средневековые церкви и замки в Европе построены из каменной кладки из известняка и песчаника . Это долговечные материалы, но их довольно большой вес не способствует адекватным сейсмическим характеристикам.

Применение современных технологий для сейсмического переоборудования может повысить живучесть неармированных каменных конструкций. Например, с 1973 по 1989 год здание Солт-Лейк-Сити и округа в штате Юта было полностью отремонтировано и отремонтировано с упором на сохранение исторической точности внешнего вида. Это было сделано в сочетании с сейсмической модернизацией, в ходе которой слабая структура из песчаника была помещена на фундамент изолирующего фундамента, чтобы лучше защитить ее от повреждений в результате землетрясения.

Каркасные конструкции из дерева

Дом Анны Хвиде , Дания (1560 г.)

Деревянный каркас насчитывает тысячи лет и использовался во многих частях света в разные периоды, такие как древняя Япония, Европа и средневековая Англия, в местах, где древесина была в хорошем запасе, а строительный камень и не имел навыков работы с ним.

Использование деревянных каркасов в зданиях обеспечивает их полное каркасное обрамление, что дает некоторые структурные преимущества, поскольку деревянный каркас, если он правильно спроектирован, обеспечивает лучшую сейсмическую живучесть .

Легко-каркасные конструкции

Двухэтажный деревянный каркас для конструкции жилого дома.

Легкие каркасные конструкции обычно получают сейсмостойкость за счет жестких стенок из фанеры и диафрагм из деревянных конструкционных панелей . Специальные положения для сейсмостойких систем для всех спроектированных деревянных конструкций требуют учета соотношения диафрагм, горизонтальных и вертикальных ножниц диафрагмы, а также значений соединителя / крепежа . Кроме того, требуются коллекторы или распорки для распределения сдвига по длине диафрагмы.

Армированные кладочные конструкции

Стена из армированной пустотелой кладки

Система строительства , где стальная арматура встраивается в растворных швов из каменной кладки или помещены в отверстия и которые заполнены бетоном или цементным раствором , называется армированного кладки . Существуют различные методы и методы усиления кладки. Самый распространенный вид - это армированная пустотелая кладка .

Для достижения пластичности кирпичной кладки необходимо, чтобы прочность стены на сдвиг превышала прочность на изгиб . Эффективность как вертикального, так и горизонтального армирования зависит от типа и качества кладочных блоков и раствора .

Разрушительное землетрясение в Лонг-Бич в 1933 году показало, что кладка подвержена землетрясениям, что привело к Кодексу штата Калифорния, согласно которому усиление кладки стало обязательным по всей Калифорнии.

Железобетонных конструкций

Подчеркнутый пешеходный мост с лентой через реку Роуг, Грантс-Пасс, Орегон
Вантовый мост из предварительно напряженного бетона через реку Янцзы

Армированный бетон - 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 , перекрытий или мостов.

Предварительно напряженный бетон - это разновидность железобетона, используемая для преодоления естественной слабости бетона при растяжении. Его можно наносить на балки , перекрытия или мосты с более длинным пролетом, чем это практично для обычного железобетона. Предварительно напряженные арматуры (обычно из высокопрочного стального троса или стержней) используются для обеспечения зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение, которое компенсирует растягивающее напряжение, которое в противном случае испытывал бы бетонный сжимающий элемент из-за изгибающей нагрузки.

Чтобы предотвратить катастрофическое обрушение при сотрясении земли (в интересах безопасности жизни), традиционный железобетонный каркас должен иметь пластичные соединения. В зависимости от используемых методов и наложенных сейсмических сил такие здания могут быть немедленно использованы, потребуют капитального ремонта или могут быть снесены.

Предварительно напряженные конструкции

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

Естественно предварительно сжатая внешняя стена Колизея в Риме

Различают следующие основные виды предварительного напряжения:

Сегодня концепция предварительно напряженной конструкции широко используется при проектировании зданий , подземных сооружений, телебашен, электростанций, плавучих хранилищ и морских объектов, корпусов ядерных реакторов и многих видов мостовых систем.

Полезная идея предварительного напряжения была, по-видимому, знакома архитекторам Древнего Рима; Взгляните, например, на высокую чердачную стену Колизея, работающую как стабилизирующее устройство для опор стены под ней.

Стальные конструкции

Стальные конструкции считаются в основном сейсмостойкими, но случались и их отказы. Большое количество сварных стальных каркасных зданий, устойчивых к моменту , которые выглядели сейсмоустойчивыми, неожиданно подверглись хрупкому поведению и были серьезно повреждены во время землетрясения в Нортридже в 1994 году . После этого Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) инициировало разработку методов ремонта и новых подходов к проектированию для минимизации повреждений зданий со стальным каркасом при будущих землетрясениях.

Для сейсмического проектирования стальных конструкций, основанного на методе расчета факторов нагрузки и сопротивления (LRFD), очень важно оценить способность конструкции развиваться и поддерживать свое несущее сопротивление в неупругом диапазоне. Мерилом этой способности является пластичность , которую можно наблюдать в самом материале , в структурном элементе или в конструкции в целом .

После землетрясения в Нортридже Американский институт стальных конструкций представил AISC 358 «Предварительно квалифицированные соединения для специальных и промежуточных стальных рам с моментом». Положения AISC по сейсмическому проектированию требуют, чтобы во всех стальных стойках, устойчивых к моменту, использовались либо соединения, указанные в AISC 358, либо соединения, прошедшие предварительные циклические испытания.

Прогноз потерь от землетрясений

Оценка потерь в результате землетрясения обычно определяется как коэффициент ущерба ( DR ), который представляет собой отношение стоимости ремонта повреждений в результате землетрясения к общей стоимости здания. Вероятные максимальные потери ( PML ) - это общий термин, используемый для оценки потерь от землетрясений, но ему не хватает точного определения. В 1999 г. было выпущено ASTM E2026 «Стандартное руководство по оценке разрушаемости зданий при землетрясениях», чтобы стандартизировать номенклатуру для оценки сейсмических потерь, а также установить руководящие принципы в отношении процесса проверки и квалификации рецензента.

Оценка потерь от землетрясения также называется оценкой сейсмического риска . Процесс оценки риска обычно включает определение вероятности различных колебаний грунта в сочетании с уязвимостью или повреждением здания в результате этих колебаний грунта. Результаты определяются как процент от стоимости замещения здания.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки