Teräsrakenteiset rakennukset ja niiden maanjäristyskestävyys

Tärkeimmät maanjäristyksiä kestävät järjestelmät nykyaikaisissa teräs rakennusrakenteissa

Terästukirakenteet: Taipumisenestävät vs. perinteiset tukirakenteet

Tänä päivänä teräsrakennukset käyttävät maanjäristyksiä vastaan parempana vaihtoehtona niin sanottuja buckling restrained brace -tukirakenteita (BRB). Tavallisissa tukirakenteissa koko rakenne yleensä romahtaa yhdellä kerralla puristettaessa, mutta BRB:t toimivat eri tavalla. Ne sisältävät joustavan teräskappaleen betonilla täytetyssä teräsputkessa. Tämä rakenne estää koko rakenteen romahdumisen ja mahdollistaa materiaalin ennustettavan taipumisen edestakaisin järistysten aikana. Testit ovat osoittaneet, että nämä erityiset tukirakenteet absorboivat noin kahdeksan kertaa enemmän maanjäristysenergiaa verrattuna tavallisiin tukirakenteisiin. Tuloksena on, että rakennukset pysyvät pystyssä jopa voimakkaiden maanjäristysten jälkeen ja niiden korjaustarve vähenee huomattavasti. Joissakin arvioissa arvioidaan, että korjauskulut laskevat 30–40 prosenttia, kun BRB:t on asennettu asianmukaisesti.

Epäkeskiset raiteet ja ruuvatut leikkausliitokset dissipatiivisina elementteinä

Epäkeskisissä ripustuskehyksissä (EBF) insinöörit asentavat ruuvattuja leikkausliitoksia vinosti palkkien ja pilarien välille. Nämä komponentit toimivat kuin uhrikytkimiä, jotka vaurioituvat ensimmäisenä maanjäristystapahtumien aikana. Kun maanjäristys iskee, leikkausliitokset muotoutuvat hallitusti ja ottavat iskun itseensä, jolloin päärakenteellinen kehikko säilyy ehjänä. Tutkimukset osoittavat, että EBF-järjestelmillä varustettujen rakennusten jäljelle jäävä liike on noin 60 % pienempi kuin perinteisillä momenttikehyksillä varustettujen rakennusten tapauksessa. Tämän järjestelmän erityinen arvo ilmenee siinä, että kun leikkausliitokset vaurioituvat, ne voidaan irrottaa ruuveista ja vaihtaa nopeasti uusiin. Paikoissa, joissa toiminta on jatkettava myös katastrofien jälkeen – kuten sairaaloissa tai hätäpalvelukeskuksissa – tämä tarkoittaa paluuta toimintaan huomattavasti nopeammin. Rakenteiden korjaaminen sen sijaan, että niitä joudutaan kokonaan uudelleenrakentamaan, edustaa merkittävää etua joustavien teräs rakennusten suunnittelussa pitkäaikaisen suorituskyvyn varmistamiseksi.

Todellisen maailman validointi: Teräsraenkenteisten rakennusten suorituskyky suurissa maanjäristyksissä

vuoden 2010 Maule-maanjäristys (Chile): Vähäinen vahinko rakentamismääräysten mukaisissa teräsrunkoisissa rakennuksissa

Kun maanlaajuinen 8,8 magnitudin Maule-maanjäristys iski Chileen, teräsrunkoiset rakennukset, jotka oli rakennettu nykyaikaisten maanjäristysstandarttien mukaisesti, kestivät yllättävän hyvin. FEMA:n arvion mukaan maanjäristyksen jälkeen useimmat rakennusmääräysten mukaiset teräsrakenteet kärsivät todella vähän todellista rakenteellista vahinkoa. Vaurioita saivat sen sijaan esimerkiksi seinät, kattotilat ja muut rakennuksen seisomiseen ei kriittisesti vaikuttavat osat. Teräsilla on tämä hämmästyttävä ominaisuus: se voi taipua ja vääntyä ilman, että se hajoaa kokonaan. Siksi monet näistä rakennuksista pysyivät pystyssä ja toiminnassa edes niin voimakkaan järistyksen aikana. Se, että suurin osa rakennuksen käyttäjistä pystyi jatkamaan normaalia toimintaansa heti järistyksen loputtua, osoittaa, kuinka tehokkaita hyvät teräsrakentamisen käytännöt ovat ihmisten suojelemisessa ja normaalin toiminnan ylläpitämisessä katastrofin sattuessa.

2016 Kumamoto-maanjäristys (Japani): Nopea korjaus ja vaihdettavuus käytännössä

Suuren Kumamoton maanjäristyksen jälkeen vuonna 2016 (joka sai arvon 7 Japanin asteikolla) teräsrakenteiset rakennukset osoittautuivat erinomaisiksi nopeassa toipumisessa. Japanin arkkitehtuuriliitto seurasi tätä ilmiötä ja teki mielenkiintoisen havainnon: teräsrakenteet, joissa käytettiin kiinnitysruuveja hitsausten sijaan sekä modulaarisia osia, kuten vaihdettavia leikkausliitoksia, korjattiin huomattavasti nopeammin kuin niiden läheisyydessä sijainneet betonirakennukset. Joissakin raporteissa kerrotaan, että ne saatiin palautettua noin puolessa ajassa. Tässä yhteydessä ratkaisevaa on se, että teräs mahdollistaa rakennusinsinöörien tarkentaa tarkasti vauriokohtien sijainnin ja vaihtaa vain tietyt osat sen sijaan, että koko rakennus pitäisi purkaa. Tämä tarkoittaa lyhyempää katkosta yritystoiminnalle ja yhteisöille sekä säästöjä uudelleenrakentamiskustannuksissa pitkällä aikavälillä.

Elinikäresilienssi: teräsrakenteisten rakennusten alkuinvestoinnin ja pitkän aikavälin arvon tasapainottaminen

Teräsrakennukset tuovat todellisia säästöjä ajan mittaan, eivätkä ne ole pelkästään turvallisempia rakennuksia. Todellakin, alustavat kustannukset saattavat olla korkeammat kuin perinteisten rakennusmateriaalien, mutta ajattele asiaa pitkällä aikavälillä. Teräs kestää käytännössä ikuisesti, koska se ei mätäne, ruostu eikä sitä syö taudit. Useimmat teräsrakennukset voivat kestää puoli vuosisataa tai pidemmän aikaa vähäisellä huollolla. Maanjäristysten sattuessa teräsrakennukset toimivat myös paremmin: niiden rakentamistapa mahdollistaa taipumisen ilman murtumista järistysten aikana, mikä tarkoittaa yleisesti ottaen vähäisempää vahinkoa. Tämä kääntyy pienemmin korjauskustannuksin katastrofien jälkeen ja nopeampana paluuna toimintaan. Tutkimukset, jotka ovat tarkastelleet kokonaiskustannuksia useiden vuosikymmenten ajan, ovat toistuvasti osoittaneet, että teräsrakennukset ovat noin 20–30 prosenttia edullisempia kuin betonirakennukset. Miksi? Vähemmän korjauksia tarvitaan, päivitykset ovat helpompia tarvittaessa, hyödyllinen elinikä on pidempi ja lisäksi vanhaa terästä voidaan kierrättää sen sijaan, että se päätyy kaatopaikalle. Älykkäät kiinteistönomistajat tietävät tämän jo nyt. He näkevät teräksen ei pelkästään rakennusmateriaalina vaan sijoituksena, joka muuttaa maanjäristysuojan todelliseksi rahallisiksi säästöiksi koko rakennuksen elinkaaren ajan.

UKK-osio

Mitä ovat niin sanotut Buckling Restrained Braces (BRB):t?

BRB:t ovat rakennuksen teräsrakenteisiin kuuluvia rakenteellisia komponentteja, joita käytetään maanjäristysten kestämiseen. Ne koostuvat joustavasta teräskappaleesta, joka on sijoitettu betonilla täytettyyn teräsputkeen, mikä estää rakenteen romahtamisen ja absorboi maanjäristysenergian.

Kuinka epäkeskiset ristikkorakenteet (EBF) toimivat?

EBF:t käyttävät pultattuja leikkauslinkkejä palkkien ja pilarien välillä, jotka toimivat uhrielementteinä maanjäristysten aikana. Ne muodonmuuttavat hallitusti suojatakseen päärakenteellista kehää.

Miksi teräsrakennukset ovat maanjäristyksissä kestävämpiä?

Teräsrakennukset ovat joustavia, mikä mahdollistaa niiden taipumisen rikkoutumatta järistysten aikana. Tämä johtaa vähäisempään rakenteelliseen vaurioon ja nopeampaan toipumisaikaan.

Ovatko teräsrakennukset pitkällä aikavälillä kalliimpia?

Vaikka alkuinvestointikustannukset voivat olla korkeammat, teräsrakennukset tarjoavat pitkän aikavälin säästöjä vähentämällä huoltokustannuksia, parantamalla maanjäristyskestävyyttä ja käyttämällä kierrätettäviä materiaaleja.