Жер сілкінісі көп болатын аймақтардағы болат құрылымдардың сейсмологиялық өнімділігін талдау

Жер сілкінісіне қарсы есептеу принциптері мен болат құрылымдарға арналған нормативтік құжаттарға сәйкестік

Қазіргі заманғы жер сілкінісіне қарсы болат нормаларындағы қабілеттілік негізіндегі есептеу философиясы мен өнімділікке негізделген мақсаттар

Қазіргі заманғы болат құрылымдар үшін құрылыс нормалары «қабілеттілік дизайны» философиясын қолданады. Негізінде бұл, бірінші кезекте адамдардың өмірін қорғайтындай жағдайларда ғимараттардың қирауын қалаймыз дегенді білдіреді. Осы идея ғимараттың нағыз маңызды күштерді қабылдайтын элементтерінен зиянды әсерлерді алыстауға бағытталған. Бұл нормалар белгілі бір өнімділік мақсаттарына негізделген. Құрылымдар әртүрлі жер сілкіністеріне төзімді болуы керек: онша күшті емес жер сілкіністерінен кейін ғимараттың әрі қарай жұмыс істеуінен бастап, сирек кездесетін үлкен жер сілкіністері кезінде оның толығымен құлауын болдырмауға дейін. Бұл үшін инженерлер қандай да бір беріктік иерархиясын құрады. Мысалы, кронштейндер, арқалық ұштары және арқалықтар арасындағы панель аймақтары сияқты элементтер басты құрылымдық бөліктер — бағаналар сынғанға дейін иілуі мен энергияны сіңіруі үшін есептеледі. SAC II кезеңінің зерттеулері бағана-арқалық қосылыстары туралы қызықты нәтиже көрсетті: дұрыс салынған қосылыстар сызаттар пайда болмайтындай етіп шамамен 0,04 радианға дейін бұрылуы мүмкін. Жер сілкіністерінен кейінгі нақты әлемдегі сынақтар да бұл қорытындыны растады: бұл ережелерге сай салынған ғимараттарда қосылыс нүктелеріндегі ақаулар саны шамамен 40 пайызға азаяды. Сонымен қатар, қаржылық тұрғыдан айтқанда, бұл принциптерге сүйеніп салынған ғимараттардың ұзақ мерзімді жөндеу шығындары ескі әдістермен салынған ғимараттарға қарағанда шамамен үш есе аз болады. Сондықтан да бұл тек қана бір инженерлік ерекшелік емес, дұрыс серпімділік ұзақ мерзімді тұрғыдан қарағанда адамдардың қауіпсіздігін қамтамасыз етуге де, қаржылық тұрғыдан да маңызды үлес қосады.

Дуктильді болат рамалық жүйелер үшін AISC 341, Eurocode 8 және GB 50011 стандарттарындағы негізгі талаптар

Әлемдегі сейсмикалық ғимараттар кодтары құрылымдардың жер сілкінісі кезінде сынбай иілуін қамтамасыз ету үшін қатал, бірақ әртүрлі ережелер орнатады. Американың болат құрылымдар институтының AISC 341 стандарты арнайы моменттік рамалар үшін нақты талаптар қояды, соның ішінде қабаттардың бір-біріне қатысты ығысуын шамамен 2,5% шегінде шектейді. Сондай-ақ, кейбір байланыстардың CVN сынақтары деп аталатын, минус 20 градус Цельсий температурасында болат үлгілерінің энергия сіңіру қабілетін 27 джоульден кем емес ететін сынақтардан өтуін талап етеді. Ал Еуропада Eurocode 8 материалдың беріктігіне назар аударады және минус 20 градус Цельсий температурасында CVN сынақтарын қолданып, болат үлгілерінің кемінде 27 джоуль энергия сіңіруін талап етеді. Қытайдың GB 50011 коды басқаша тәсіл қолданады: арқалықтардың жергілікті иілуін бақылайды және арқалықтардың ені мен қалыңдығы арасындағы максималды қатынасты, квадрат түбірлер мен ағу шегінің беріктігіне негізделген формулалар арқылы анықтайды. Барлық бұл әртүрлі стандарттар кейбір негізгі идеяларды бірдей қолданады:

• Байланыстың пластикалық деформациялану қабілеті алдын ала сарапталған моменттік қосылыстар 0,04 рад бұрылу қабілетін (GB 50011) көрсетуі тиіс; AISC 341 және Eurocode 8 стандарттары сәйкесінше 0,03 рад және 0,025 рад мәндерін белгілейді
• Бекітілу күші иерархиясы колонна-арқалық номиналдық беріктік қатынастары пластиктік шарнирлердің арқалықтарда басымдықпен пайда болуын қамтамасыз ету үшін 1,2-ден асуы тиіс
• Сапаны қамтамасыз ету сынақтың маңызды аймақтарындағы толық тереңдікке дейінгі ойықтық дәнекерлеулерінің ультрадыбыстық сынақтан өтуі міндетті

Бұл жиналу — әсіресе 1994 жылғы Солтүстік Ридж зілзалағы кезінде кең таралған қосылыс сызғыштары арқылы жеткіліксіз пластикалық деформацияның салдары ашылғаннан кейін қатты қазыған сабақтардың нәтижесі. Келісімге келген ережелер халықаралық деңгейдегі жобалар бойынша біркелкі қауіпсіздік стандарттарын қамтамасыз етеді және бір уақытта аймақтық қауп-қатер деңгейлеріне қарай реттеуге мүмкіндік береді.

Болат құрылымдар үшін жетілдірілген сейсмикалық талдау әдістері

Жауап спектрін талдау: Қалыпты және қалыпсыз болат рамалар үшін қолданылуы, шектеулері және түсіндірмесі

RSA әзірше инженерлердің жер сілкінісі кезінде болат ғимараттарға қандай шайқалу күштері әсер етуі мүмкін екенін анықтау үшін қолданатын негізгі әдістердің бірі болып қала береді, әсіресе салмағы мен қаттылығы құрылым бойынша біркелкі таралған қарапайым каркас конструкцияларымен жұмыс істеген кезде. Бұл тәсілдің өте тиімді жұмыс істеуінің себебі — модальды суперпозиция деп аталатын құбылыс, ол әдетте барлық тербеліс тәртіптерінің шамамен 90%-ын жалпы үштен беске дейінгі әртүрлі тербеліс режимдері арқылы қамтиды. Дегенмен, бұнда айтып өтуге тұрарлық бір «тұйық» бар. Құрылымдар күрделенген кезде — мысалы, ғимараттар қосымша бұрылуға ұшырайды, қабаттар арасында биіктік қағазы түседі немесе бірнеше бөліктер басқаларына қарағанда белгілі бір дәрежеде иілгіш болады — RSA әдісі өз мүмкіндіктерінен шыға бастайды. Мұндай қиын жағдайлар ғимараттың әртүрлі бөліктері арасындағы күрделі өзара әрекеттерді қамтиды, ал бұл өз кезегінде RSA әдісі толықтай ескере алмайды. Сондықтан тәжірибелі құрылымдық талдаушылар мұндай проблемалы конструкциялармен жұмыс істеген кезде SRSS немесе CQC сияқты бағытты комбинациялау әдістерін міндетті түрде қолданады. Сонымен қатар, олар RSA нәтижелеріне көзқарасын қатал қабылдамайтынын, өйткені кейде RSA маңызды түйінді біріктерде шынымен қанша кернеу пайда болатыны туралы маңызды егжей-тегжейлерді өткізіп жібереді. Кейбір соңғы зерттеулер RSA нәтижелерінің нақты өлшеулерге қарағанда 25%-дан астам қателікке ұшырауын көрсетті («Journal of Constructional Steel Research», 2022 ж.). Сондықтан, қандай да бір конструкция белгілі бір ретсіздік шектерінен асып кеткен кезде, көптеген мамандар қауіпсіздік үшін қосымша ретінде сызықты емес талдау құралдарын қолданады.

Уақыт-тарихы бойынша талдау жаңғыртуы: Крайстчерчтегі 12 қабатты моментке қарсы болат ғимаратынан алынған сабақтар

Сызықты емес уақыт-тарихы бойынша талдау (немесе оның қысқартылған түрі THA) 2011 жылы болған үлкен жер сілкінісі кезінде Крайстчерчтегі 12 қабатты болат ғимаратының нақты қалай әрекет еткенін анықтауда маңызды рөл атқарды. Инженерлер нақты жердің қозғалыс деректерін өз модельдеріне енгізді және орында болған нәрсені қанағаттанарлықтай дәл жаңғыртты. Олар құрылымның әлсізденген жерлерінде қабаттар арасында шамамен 10% ауытқу байқады, кейбір арқалықтар мен бағандардың бөлшекті пластикалық деформацияға ұшырағанын байқады және бағандардың табан плиталарының кернеу әсерінен қалай деформацияланғанын бақылады. Компьютерлік модельдерді шынайы әлемдегі болған жағдайлармен салыстырғанда, қызығушылық тудыратын кейбір ерекшеліктер байқалды, олар жер сілкінісі кезіндегі құрылымдық әрекетті түсінуімізді өзгертті.

• Төмен циклды усталғаншылықтың нашарлануын сипаттау үшін қосылыс сыну моделдерін жетілдіру қажет болды
• Жер-құрылым әрекеттесуі ішкі күштердің қайта таратылуына маңызды әсер етті
• Қалдық ауытқуларды болжау үшін P-дельта әсерлері маңызды болды — оларды ескермеу ығысуларды 40% кем бағалауға әкелді

Бұл табыстар THA-ның өнімділікке негізделген жобалауда, әсіресе күрделі немесе жоғары салдарлы құрылымдар үшін дәлелденбеген құндылығын растайды. Дәл болат материалдарын моделдеу — Бойшингер әсерін, изотропты/кинематикалық қатайту мен деформация жылдамдығына сезімталдықты қоса есепке ала отырып — THA-ны кодтармен белгіленген тексерулерден асырып, шыныға сейсмикалық тұрақтылықты сандық бағалауға мүмкіндік береді.

Болат құрылымдардағы пластикалық деформациялану, энергияны шашырату және материалдың қасиеттері

Гистерезистік энергияны жұту сандық бағаланған: W-пішінді арқалық-бағана қосылыстары бойынша SAC II кезеңінің табыстары

SAC фазасы II жобасы бізге жер сілкініс кезінде болат моменттік рамалардың энергияны қалай сіңіретіні туралы нақты әлемдегі деректер берді. Сынақтар көрсеткендей, W-тәрізді арқалық-бағана қосылыстары қайталанатын жүктемелерге ұшырағанда әрқайсысы шамамен 740 килоджоуль энергияны сіңіре алды. Арқалықтың қанаттары да қатты иілді, бастапқы беріктігінің шамамен 80 пайызын сақтай отырып, 0,06 радианнан астам бұрышқа бұрылды. Қызығы, панельдік аймақтар шынында да рамадағы энергияның шашылуының 35–40 пайызын құрады. Бұл аймақтар конструкциялық кемшілік емес, керісінше, олар бақыланатын тәсілмен деформациялану үшін мақсатты түрде жобаланған. Бұл түсінік қосылыстардың қанша бұрылуға төтеп беруі керек екендігі мен панельдік аймақтарға қандай күшейту қажет екендігі туралы ғимараттардың нормативтік құжаттарын толығымен өзгертті. Негізгі қорытынды: болат ғимараттарды жер сілкінісіне төзімді ету үшін барлығын әрқашан қатты ұстап тұру керек емес. Керісінше, белгілі бір бөліктердің болжанатын тәсілмен иілуін рұқсат ету сейсмикалық қауіпсіздік үшін негізгі фактор болып табылады.

Пластикалықтың–беріктіктің айырбасы: Аса жоғары деңгейде жобаланған байланыстар жүйелік деңгейдегі жер сілкінісіне төзімділікті қалай нашарлатады

Байланыстардың күшін артық көтеру қабілеттік жобалауға негізделген күштер тепе-теңдігін бұзады. Егер жер сілкінісі кезінде байланыстар серпімді қалса, онда осы пластикалық шарнирлер күтпеген жерлерде — бағандарда, едендерде немесе тіпті фундаменттерде пайда болады, ал бұл элементтер әдетте осындай кернеулерді шыдай алмайды. Мұндай орынсыз күштің болуы жағдайын тіпті нашарлатады, себебі бұл қауіпті, қатты қирану ықтималдығын арттырады. Зерттеулер байланыстардың беріктігі қажетті мәннен 1,5 есе артық болған кезде бағандардағы зақымдану шамамен 40% өсетінін көрсетеді. Қабілеттік жобалаудың негізгі мақсаты — негізгі конструкциялық бөліктерден бұрын байланыстардың бірінші болып бұзылуын қамтамасыз ету. Бұл энергияны бір нүктеде шоғырлануына қарамастан, ғимарат бойымен бақыланатын тәсілмен таралуын қамтамасыз етеді. Сапалы детальдау — қауіпсіздікті жеңілдету деген емес. Керісінше, бұл құрылымдарды тірі жүйелерге ұқсас етеді: олар үлкен соққыларды сіңіре алады және негізгі күштерді қабылдау қабілетін сақтайды.

Биік өнімділікті эластик қосылу жүйелері

Қазіргі заманғы жер сілкінісіне төзімді құрылыста инженерлер болат ғимараттардағы тербеліс кезіндегі қатты зақымдануларды тоқтатып, энергияны басқаруға көмектесетін арнайы пластикті байланыстарға үлкен сенім арттырады. Біз осындай нәрселер туралы сөйлейміз: белгілі бір нүктелерде арқалықтың жұқаруын қамтамасыз ететін RBS байланыстары; сығылған кезде де иілуге қарсы тұратын BRB жүйелері; сонымен қатар сынғанша белгілі бір қозғалысқа рұқсат ететін маңызды болттық қосылыстар. Бұл компоненттер кернеу әсерінен болжанған тәртіппен иілу мен бұралуға арналған, олар қатты деформацияларды бірнеше рет қайталап төтеп береді, бірақ толықтай сынбайды. Өнімділікке негізделген инженерлік әдістің негізгі мақсаты — бұл байланыс нүктелерін бірнеше жер сілкініс циклы бойынша беріктігі мен қаттылығын сақтауға қабілетті ету, бұл ғимараттың толықтай құлау ықтималдығын айтарлықтай төмендетеді — бұл құбылыс әлем бойынша ірі жер сілкіністерінен кейін бірнеше рет бақыланған. SAC Phase II зерттеулерінің нәтижелері көрсеткендей, моменттік рамаларда осы жақсартылған пластикті байланыстар болса, олар қозғалыс кезінде ескі дәстүрлі қатты байланыстарға қарағанда 15%-дан астам энергияны сіңіре алады. Қазіргі құрылыс нормалары бұл байланыстардың сынғанға дейін қанша бұрышқа (радианмен) бұрылуы мүмкін екендігін қатаң сынақтан өткізуді талап етеді, әдетте олардың қозғалыс қабілеті кемінде 0,03 радиан болуын талап етеді. Дұрыс орындалған жағдайда бұл байланыстар әдеттегі болат конструкцияларды ақылды құрылымға айналдырады: олар белгілі бір бөліктерді мақсатты түрде деформациялау арқылы жер сілкінісінің соққысын сіңіреді, ал негізгі құрылымдық жүйе адамдар мен жабдықтарды қауіпсіз ұстай алатындай деңгейде сақталады.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Сейсмикалық нормалардағы көлемдік жобалау философиясы дегеніміз не?

Көлемдік жобалау философиясы ғимараттардың адамдардың өмірін қорғауды басымдыққа ала отырып, зақымдануын маңызды күштік элементтерден алыстау арқылы белгілі бір тәртіппен құлауын қамтамасыз етеді.

AISC 341, Eurocode 8 және GB 50011 стандарттары болат құрылымдарға қойылатын талаптарды қалай бірыңғайластырады?

Бұл нормалар болат ғимараттардың жер сілкінісіне төзімділігін қамтамасыз ету үшін пластиктылық, күштік иерархия және сапаны бақылау бойынша нақты критерийлер орнатады; осылайша әлем бойынша ұқсас қауіпсіздік деңгейлері қамтамасыз етіледі.

Инженерлер жауап спектрі талдауының орнына сызықтық емес талдауды қашан қолдануы керек?

Инженерлер жауап спектрі талдауы (ЖСТ) күрделі өзара әсерлер мен кернеу таралуын ескере алмайтын құрылымдардың қисық сызықты болуы жағдайында сызықтық емес талдауды таңдауы керек.

Жер сілкінісі кезінде болат құрылымдарда пластиктылық қандай рөл атқарады?

Пластиктылық болат ғимаратының кейбір бөліктерінің кернеу әсерінен болжанатын тәртіппен серпімділік шегінен тыс пластикалық деформацияға ұшырауына мүмкіндік береді, бұл энергияны шашыратып, сейсмикалық қауіпсіздікті арттырады.

Қазіргі заманғы болат құрылымдарда арнайы пластикты қосылыстар неге маңызды?

Бұл байланыстар жер сілкінісі кезіндегі сейсмикалық энергияны сіңіреді, олар қатты зақымдануларды болдырмауға және ғимараттың бүтіндігін сақтауға көмектеседі.