Күшті желдің жүктемесіне төзімді болат құрылымдардың жобалау ерекшеліктері

Бұрыштық құрылымдар үшін негізгі желдің жүктемесін есептеу принциптері

Бұрыштық ғимараттардың сыртқы қабығындағы жел қысымы мен сорғыш әсерінің таралуы

Жел болат ғимараттарға соғып түскен кезде, құрылыстың барлық бетінде әртүрлі қысым аймақтары пайда болады. Желге қарама-қарсы жағы оң қысыммен қысылады, ал қарама-қарсы жағында инженерлер қабырғаларда, төбеде және әсіресе сүйір бұрыштарда «сіңіру» әсері деп атайтын құбылыс байқалады. Кейде бұл күштер өте күшті болып келеді: ASCE 7-22 стандарттарына сәйкес, үлкен дауыл кезінде олар шамамен 60 фунт/квадрат футтан (2,87 кПа) асады. Ғимараттың сыртқы пішіні желдің оны қоршағандағы әрекетіне өте көп әсер етеді. Дөңгелек немесе иілген беттер жазық қабырғаларға қарағанда жел кедергісін шамамен 30%–ға дейін азайтады. Алайда, ғимараттардың қисық немесе кездейсоқ пішіндері немесе бұрыштары белгілі бір нүктелерде ауаның қиыншылық туғызатын айналымдары — вортекс деп аталатын ауа құйындарын тудырады. Сапалы болат құрылыс жобасы бұл факторлардың барлығын ескере отырып, желдің қарсы әрекетіне қарсы емес, керісінше, оған ыңғайлы болатындай ғимарат элементтерінің пішінін қалыптастырады, сонымен қатар сіңіру күші ең күшті болатын, яғни әлсіз бұрыштар сияқты қауіпті аймақтарға қосымша беріктік қосады. Қазіргі заманғы көптеген жобалар құрылыс басталмас бұрын осы күрделі қысым үлгілерін карталау үшін компьютерлік симуляцияларға — CFD моделдеуге сүйенеді; бұл инженерлерге қай жерге күшейтпе орнату керектігін және жоғары өнімділік қамтамасыз ету үшін әртүрлі компоненттерді қалай пішіндеу керектігін туралы ақылды шешім қабылдауға көмектеседі.

ASCE 7-16 стандарты бойынша желдің жүктемесін есептеу тәртібі мен маңызды болат құрылымдар үшін маңыздылық коэффициенттері

ASCE 7-16 стандарты міндетті желдің жүктемесін есептеу әдістерін орнатады, оларға орналасқан аймаққа сәйкес желдің жылдамдығы карталары мен 3D бағыттылық коэффициенттері енгізілген. Оның негізгі ерекшелігі — маңыздылық коэффициенті (I _w ), ол ауруханалар мен авариялық орталықтар сияқты маңызды объектілер үшін қауіп санатына сәйкес конструкциялық жүктемелерді 15–40% арттырады.

Сәйкестік талаптары қосылулардың нақтылауын күшейтуді, созылу аймақтарында материал қалыңдығын арттыруды және тәуелсіз қатысушылардың қайта қарауын қамтиды. Стандарттағы желдің жылдамдық қысымын есептеу горизонталь және вертикаль жел компоненттерін ескере отырып жасалады — бұл экстремалды жел оқиғаларына қарсы толық қарсылық көрсетуді қамтамасыз етеді.

Болат каркастың жүк берілу жолдарының бүтіндігі мен қосылулардың жобалануы

Жоғары желді болат құрылымдарда сыртқы қабырға қаптамасынан негізге дейінгі үздіксіз жүк берілу жолдарын қамтамасыз ету

Жоғары желді аймақтарда болат құрылымдармен жұмыс істеген кезде жел күштері сыртқы қаптауыштан бастап, каркас жүйесі арқылы негізге дейін дұрыс таратылуы міндетті. Егер осы жолда кез келген үзілістер немесе саңылаулар болса, осы нүктелерде кернеу жиналады, бұл ауыр ауа райы кезінде құрылымдық тұрақтылықты нағыз қаупқа ұшыратуы мүмкін. 2022 жылы Флорида университетінің жүргізген зерттеуі қызығушылық тудыратын нәтиже берді: осы күштің тасымалдану жолы бұзылған ғимараттарда 3-ші категориялық тропиктік циклондар кезінде шамамен 47% артық түйіндік ақаулар бақыланған. Моментке қарсы тұратын түйінділер мен кесілу күшін тасымалдау орындары сияқты маңызды байланыс нүктелері үшін қолданылатын нақты физикалық сынақтар мен компьютерлік модельдеулер қажет. 2023 жылғы FEMA-ның соңғы нұсқаулықтары маңызды ғимараттар үшін көп деңгейлі күштің тасымалдану жолдарын қамтамасыз ету маңызын атап өтеді. Бұл интегралды болат каркас жүйелері әдеттегі тәсілдерге қарағанда жақсы нәтиже береді, себебі олар кернеуді бір нүктеде жинақтамай, бірнеше әртүрлі құрылымдық элементтер арқылы таратады. Ал қозғалыс өлшеуіштері (стрейн-гаугелер) бұл жүйелердің шынайы жағдайларда қаншалықты тұрақты екендігін растайды, бірақ көптеген инженерлер күштің тасымалдану жолын дұрыс жобалау практикада әлі де қиындық туғызады.

Суықтатылған болат қосылыстарындағы кемшілікті шешу: Неге рамалар қосылыстардан озып тұрады

Суық тәсілмен өңделген болат (СТӨБ) құрылымдарындағы қосылыстар әдетте олардың жұқа материалдары мен шектеулі бекіткіш опциялары салдарынан әлсіз аймақтар болып табылады. 2024 жылы Ұлттық стандарттар және технологиялар институты (NIST) жүргізген зерттеулерге сәйкес, қайталанатын желдік кернеу кезінде СТӨБ-ның барлық ақауларының шамамен екі үштен бірі әлбетте қосылыстар үшін қолданылатын осы қадалар мен болттарда басталады. Альтернативаларға назар аударғанда, біртұтас болат рамалар — не дәл осындай жағдайда дәл қосылыс арқылы немесе ыстық дөңгелектелген болаттан жасалған — басқаша жұмыс істейді. Бұл түрдегі рамалар бөлшектер арасындағы жеке қосылыстарға сүйенбейді. Олардың орнына жүктемелер барлық рама бойынша табиғи түрде таратылатын біртұтас құрылымдық бүтіндік қасиеті бар. Бұл рамалардың құрамындағы болат қосылу аймақтарында, мысалы, арқалықтар бағандармен қосылатын жерлерде, қатты иілу күштері әсер етсе де, оның беріктік сипаттамаларын сақтайтынын білдіреді. Бұл рамалардың біртұтас бірлік ретінде әрекет етуі оларды жеке қосылыс нүктелеріне сүйенетін дәстүрлі әдістерге қарағанда құрылымдық ақауға қарсы көпке қауіпсіз етеді.

Желге төзімді болат құрылымдар үшін керілткіш жүйелер мен жанама кедергілер

Циклдық жел жүктемесі астындағы ленталық керілткіштер, К-керілткіштер және болат жанама қабырғалардың салыстырмалы өнімділігі

Болат құрылымдар жел жүктемесінің қайталанатын, көпбағытты сипатына (әсіресе құйынды аймақтарда) ерекше назар аударатын бүйірлік күшке қарсы қорғаныс жүйелеріне сүйенеді. Үш негізгі жүйе әртүрлі компромиссті шешімдер ұсынады:

• Ленталық керілткіштер құндылығы төмен, тек созылу кезіндегі жанама кедергі беретін, бірақ күрделі жел желпігі профилі астында сенімділігін төмендететін симметриялық емес әрекет көрсетеді
• К-керілткіштер диагональдар бағандарда қиылысу арқылы жоғары қаттылық қамтамасыз етеді, бірақ қосылуларды дәлме-дәл есептеу қажет ететін күрделі күш траекторияларын туғызады
• Болат көлденең қабырғалар , үздіксіз болат пластинкалардан тұратын, жел туннелінде сынақтан өткенде керілткіш рамаларға қарағанда энергияны шашуы 40% артық

Біз оларды моментке қарсы қабырғалармен және жақсы бекітпе жүйелерімен бірге қолданған кезде болат құрылымдар 150 миль/сағаттан астам желді төтеп береді. Бұл мүмкіндікті құрылымдық болаттың өзінің иілгіштігі қамтамасыз етеді. Ол қатты қысымның әсерінен қатты сынып кету орнына иіледі және иіледі, сондықтан жел күшін толығымен ыдырамай сіңіруге көмектеседі. Бұл иілгіштік ұзақ уақыт бойы күшті желдің әсерінде өте маңызды. Кіші ғимараттар үшін белбеу тәрізді бекітпелер жеткілікті, бірақ биік ғимараттар үшін одан да жақсы шешім керек. Желге төтеп беретін көпқабатты ғимараттар үшін болат кесілу қабырғалары – ең жақсы таңдау. Олар кернеуді барлық ғимарат бойынша тең бөледі және компоненттер арасындағы жеке бекіту нүктелеріне тәуелділігі аз.

Желге төтеп беретін болат құрылымдардың жобалауы бойынша нормативті талаптарға сәйкестік пен интеграцияланған стандарттар

Күшті желдерге төзімді ғимараттарды жобалау негізінен әртүрлі ғимараттық нормалары мен материалдардың стандарттарының қаншалықты жақсы ынтымақтастығына байланысты. Халықаралық ғимараттық нормасы (IBC) негізгі жел жүктемелерін орнатқанда ASCE 7-ге сілтеме жасайды. Ал AISC 341-22 стандарты желге төзімділік бойынша нақты талаптарды қамтиды, бірақ бұл талаптар алғашқыда жер сілкінісіне төзімді құрылымдар үшін әзірленген. Бұл логикалық, себебі екі жағдайда да күтпеген күштерді бірнеше тірек нүктелері арқылы қабылдай алатын икемді жобалар қажет. Жергілікті нормалар жиі одан да қатаң болады. Мысалы, Флориданың Жоғары Жылдамдықты Желсіз Аймағында (HVHZ) ғимараттың байланыс элементтері 2023 жылғы соңғы құрылымдық сынақтарға сәйкес стандартты IBC талап ететіннен кемінде 25% күштірек болуы тиіс. Бұл барлық қабаттасатын ережелер инженерлер ғимараттық жүйелердегі бірнеше негізгі әлсіздіктерді анықтап, оларды толық қамтитын нормативті талаптар арқылы шешуге тырысқаннан пайда болған.

1. Желдеткіштен негізге дейінгі жүктеме траекториясының тексерілген үздіксіздігі
2. Қосылу қабілеттілігі есептелген желдің көтеру күшінен 40–60% асып түрі
3. Физикалық сынақтар арқылы расталған резервтік бекіту жүйелері

2022 жылғы желдің әсерінен пайда болған зақымдануларға қайта оралсақ, бұл қызығушылық тудыратын нәрсе: проблемалардың шамамен үштен төрті ғана ғимараттың нормативтік талаптарына сай келмеген қосылулардан басталды. Бұл құрылыс нормаларының әртүрлі бөлімдерін жобалар бойынша біркелкі қолданбау кезіндегі ауыр ақауларға көрсеткіш болып табылады. Жақсы жағы — қазіргі заманғы ғимараттардың ақпараттық модельдеу жүйелерінде енді автоматты сәйкестік тексерулері өз ішіне алатын жұмыс үдерістері қарастырылған. Бұл құралдар инженерлерге ASCE 7-22 (желдің әсерін есепке алу), AISC 360-22 (құрылымдық болаттың есебі) және ASTM A653 (жалпақ болаттың сипаттамалары) сияқты маңызды халықаралық болат стандарттарын қоса алғанда, 17-ден астам халықаралық болат стандарттары бойынша жобаларды уақытылы тексеруге мүмкіндік береді. Бұл тәсілдің маңызы — барлық маңызды талаптарды жобалау сатысында өз уақытында қамтамасыз ете отырып, қосымша анықтамалық құжаттарға сілтеме жасаудың қажетін жоюда.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Балқытылған болат конструкциялардың жобасын құру кезінде қандай негізгі желдік жүктеме принциптерін ескеру керек?

Негізгі принциптерге жел қысымының таратылуын түсіну, ASCE 7-16 желдік жүктемелер бойынша нормаларын енгізу және жүктеме траекториясының бүтіндігін сақтау үшін берік байланыс конструкцияларын қамтамасыз ету кіреді.

Дөңгелек немесе иілген беттер желге төзімділік тұрғысынан болат ғимараттарға қандай пайда әкеледі?

Дөңгелек немесе иілген беттер тегіс қабырғаларға қарағанда желге төзімділікті шамамен 30% азайтады, бұл құрылыстың жел қысымын тиімдірек қабылдауына көмектеседі.

ASCE 7-16 желдік жүктемелер бойынша нормаларында маңыздылық коэффициенттері неге маңызды?

Маңыздылық коэффициенттері өте күшті жел оқиғалары кезінде олардың тұрақтылығы мен қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін негізгі объектілер үшін жобалық жүктемелерді 15–40% арттырады.

Жоғары желдерге қарсы құрылымдық бүтіндікті қамтамасыз ету үшін болат каркас қалай жұмыс істейді?

Үздіксіз жүктеме траекториялары мен резервті конструкциялар арқылы болат каркас жел күштерін сыртқы қабырғадан негізге дейін таратуға мүмкіндік береді, соның нәтижесінде жеке нүктедегі кернеуді азайтады.