Сейсмикалық белдеулерде болат құрылымдардың артықшылықтары

Болат құрылымдардағы созылғыштық пен бақыланатын энергияны шашу

Созылғыш болат рамалардың құлауға ұшырамай, ірі пластикалық емес деформацияларға төзімділігі

Бұрыштық күштерге қарсы төзімділік қасиеті бар болат ғимараттары сейсмикалық күштерге қарсы төзімділігін арттыру үшін болат конструкциялардың иілгіштігін пайдаланады: олар серпімділіктен тыс, бірақ бақыланатын шекте иілуіне мүмкіндік береді. Сынық материалдар бірден сынады, ал болат өзінің әдеттегі беріктік шегінен кейін болжанатын тәсілмен иіледі және созылады. Аумақтық элементтер — арқалықтар мен тіректердің қосылу нүктелерінде болат белгілі бір пластикалық бұрышқа иіледі, бірақ әлі де жүктемені ұстап тұрады. Бұл қасиеттің жұмыс істеуінің негізі — болаттың сейсмикалық әсер кезінде созылу мен қайта қалпына келу циклдары арқылы энергияны сіңіру қабілетінде жатыр. ASTM A992 және A572 сияқты заманауи болат маркалары соңғы сынғыштық шегіне дейін шамамен 20% созылады. Инженерлер ғимараттың белгілі бір бөліктерінің (әдетте критикалық тіректер емес, арқалықтар) басқа бөліктерге қарағанда бірінші «қауіпсіздік механизмдері» ретінде бұзылуын қамтамасыз ететін сыйымдылықтық проекциялау принциптерін қолданады. Тіректер мен фундаменттік жүйелер өзінің беріктігін сақтайды және өзгеріссіз қалады. Бұл мақсатты проекциялау тәсілі ғимараттың толығымен құлауын болдырмауға, сонымен қатар күшті жер сілкіністері кезінде қабаттардың бір-біріне қатысты ығысуы 2,5%-дан асқан жағдайда да адамдардың қауіпсіздігін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.

Салыстырмалы энергия жұту: циклдық жүктеме кезіндегі болат пен күшейтілген темірбетон мен құрылыс кірпіші

Ғимараттар қайталанатын жер сілкінісі күштеріне ұшырағанда, ауытқу кезінде сіңірілетін энергия мөлшері бойынша болат басқа материалдарға қарағанда жалпы алғанда жақсы әрекет етеді. Зертханалық сынақтар нәтижесінде болат каркастардың энергияны құрылыстың ұқсас темірбетон конструкцияларына қарағанда шамамен 25–40 пайызға артық сіңіре алатыны анықталды. Неге? Себебі болат темірбетон сияқты біртіндеп трещиналанбайды, сонымен қатар оның материалдық қасиеттері иілу кезінде тұрақты беріктенуіне мүмкіндік береді. Көпшілік кірпіш ғимараттары тек 0,3–0,5 пайыздық деформация коэффициентінде ғана қиратыла бастайды, ал қазіргі заманғы нормаларға сай салынған болат каркастар құлаусыз 2,5–4 пайыздық деформацияға шыдайды. Бұл қасиет болаттың біртекті ішкі құрылымына байланысты: ол максималды қабілетіне жеткенше қайталанып иіле алады және жер сілкінісінің энергиясының шамамен 70 пайызын құрылымдық зақымдануға әкелмей, жылуға айналдырады. Осындай төзімді әрекет қатты жер сілкіністері әсер ететін аймақтарда ғимараттарды жобалаған кезде инженерлердің болатқа қаншалықты сенетінін түсіндіреді.

Стальдың жоғары беріктік-салмақ қатынасына байланысты сейсмикалық инерциялық күштердің азаюы

Құрылымдық болаттың ерекше беріктік-салмақ қатынасы — темірбетон немесе құрылыс кірпішіне қарағанда екі еседен жеті есеге дейін жоғары — тікелей сейсмикалық инерциялық күштерді азайтады. Төмен масса жер қозғалысы кезіндегі табанға әсер ететін кесу күшінің талаптарын пропорционалды түрде азайтады, бұл динамикалық жауапты негізінен жақсартады және фундаментке түсетін жүктемелерді азайтады.

ASCE 7-22 §12.8.1 бойынша төменгі табан кесуінің есептелуі және фундаменттің жобалануына әсері

ASCE 7-22 §12.8.1 бойынша сейсмикалық табан кесуі тікелей тиімді сейсмикалық салмаққа пропорционал. Болат құрылымдары әдетте салыстырмалы темірбетонды ғимараттарға қарағанда есептелген табан кесуін 20–30% азайтады — бұл азайту нақты жобалау тиімділіктеріне әкеледі:

• Көлемі мен арматурасы азайтылған кішірек және тереңдігі аз фундаменттер
• фундамент құрылысының құрылыс циклінің 15–25% қысқаруы
• Жер сілкінісі кезінде суға қанығуға бейім немесе жұмсақ топырақтағы құрылыс аймақтарында, жеңіл массаның арқасында дифференциалды отыру қаупінің төмендеуіне байланысты жер-құрылыс әсерінің қаупі азайтылды

Бұл артықшылықтар бастапқы шығындарды үнемдеуден тыс, құрылыс процесінің орындалуын жақсартады және ұзақ мерзімді геотехникалық сенімділікті арттырады.

Крайстчерч іс-тәжірибесі: 6 қабатты суытудан қалыпталған болат пәтерлер ғимараты — тез қалпына келу мен төменгі зақымдану көрсеткіштері

Крайстчерчте орналасқан 6 қабатты суытудан қалыпталған болат пәтерлер ғимараты 2011 жылғы Кентерберидегі жер сілкінісі кезінде тек қана құрылымдық емес незначительды зақымдану алды — ал көршілес бетон және арматурасыз кірпіш ғимараттары қолдануға жарамсыз деп танылды. Оқиғадан кейінгі бағалау нәтижесінде мыналар анықталды:

• Қалдық ауытқу мәні 0,28% құрады, бұл ASCE 7-22 нормативтік құжатындағы 0,5% шегінен айтарлықтай төмен
• Ғимаратқа қайта кіру 70 күн ішінде қамтамасыз етілді — ал салыстырмалы бетон ғимараттары үшін бұл көрсеткіш 18 айдан асады
• Тамырлы ғимараттардың құнына қарағанда жөндеу шығындары алмастыру құнының 5%-дан аспайды, ал кірпіш ғимараттары үшін бұл көрсеткіш 35–60% құрайды

Ғимараттың төзімділігі оның сынуға ұшырамай, кері айналмалы пластикалық деформацияларға ұшырау қабілетінен туындады — бұл болашақта ғимараттың тек адамдардың өмір қауіпсіздігін ғана емес, сонымен қатар жылдам қызметтік қалпына келуін қамтамасыз ету үшін болаттың рөлін растайды.

Жергілікті аумаққа арналған болат құрылымдарының өнімділігі үшін жетілдірілген бүйірлік күштерді қарсыластыратын жүйелер

Орталықтан тепкіш көтергіш рамалар, иілуге қарсы шектеулі көтергіштер және болат пластинкалық жанама қабырғалар арасындағы конструкциялық компромисстік шешімдер

Дұрыс көлденең жүйені таңдау үшін тек максималды беріктік көрсеткіштеріне ғана емес, сонымен қатар орындалу сапасына, құрылыс орындалуының оңайлығына және ғимараттың конструкциялық шешімдеріне назар аудару қажет. Центрлік бекітілген каркастар (ЦБК) немесе CBF-тар әдетте қолайлы құнымен ерекшеленеді және жүктемеге ұшыраған кезде болжанатын әрекет көрсетеді, бірақ осы диагональді элементтер ғимаратта ашық кеңістіктерді құруға нақты кедергі болады. Бұқылануға төзімді бекітпелер (БТБ) жалпы бұқылану мәселелерін шешеді және қалыпты бекітпелерге қарағанда екіден үш есе көп энергия жұтып алады, бірақ осы жүйелерді өндіру кезінде ұсақ-түйек бақылау қажет және орнатылғаннан кейін құрылыс алаңында терең зерттеулер жүргізілуі тиіс. Стальдан жасалған қабырғалар (СҚҚ) бастапқы қаттылықты жоғары деңгейде қамтамасыз етеді және керілу өрісі әсері арқылы ішкі резервтік қорғанысқа ие болады, сондықтан олар биік ғимараттар үшін өте жақсы таңдау болып табылады. Кемшілігі неде? Осы қалың шеттік элементтер фундаментке қосымша жүктеме тудырады және механикалық жабдықтарды кеңістікке орналастыру кезінде қиындықтар туғызады.

Негізгі салыстырмалы қарастырылатын факторлар:

• Дрейфтің бақылануы : SPSWs жоғары сейсмикалық аймақтарда CBF-ке қарағанда қабат арасындағы дрейфті 40–60% азайтады
• Құрылысқа ыңғайлылық : BRB-лер қосылу деталдарын ыңғайландырады, бірақ сертификатталған дәнекерлеушілер мен үшінші жақтың тексеруін талап етеді
• Кеңістік тиімділігі : SPSWs құрылымдық биіктікті азайтады, бірақ таван биіктігін және MEP трассаларын шектейді

Қаттылық, пластикалық деформацияға төзімділік пен әртүрлі қауіптілік деңгейлері мен бағдарламалық талаптарға сай икемділікті теңестіру мақсатында BRB-SPSW комбинациялары сияқты гибридтік жүйелер барынша кеңінен қолданылады.

Стандарттарға сәйкестік және болат құрылымдардың сейсмикалық жобалауындағы келесі ұрпақ инновациялары

Жер сілкінісіне төзімді болат құрылымдарды жобалау әдістері соңғы кездерде ASCE 7-22 және Eurocode 8 сияқты құжаттарда белгіленген жаңа нұсқауларға байланысты қатты өзгерді. Бұл ережелер инженерлерге бұрынғыдан басқаша ойлауды талап етеді. Олар тек негізгі күштік формулаларға сүйенбеуі керек, сонымен қатар сызықтық емес модельдерді қолданып, ығысу шамаларын белгілі бір шектермен салыстырып, жер сілкінісі кезінде барлық жүйенің қандай дәрежеде пластикалық (тозымды) қалатынына әсіресе көңіл бөлуі қажет. Қазір зерттеу саласы өте жылдам дамып келеді. Мысалы, арнайы керілген арқалықтар мен есте сақтау қабілеті бар қорытпалардан жасалған өзін-өзі орталықтандыратын каркастары бар ғимараттар жер сілкінісінен кейін тұрақты зақымдану қалдырмай, толығымен қалпына келуге қабілетті. Кейбір компаниялар энергияны тербеліс кезінде қайда жұтылатынын дәлірек бақылау үшін қосымша бөлшектерді үшөлшемді басып шығаруда. Сонымен қатар, құрылым ішіне орнатылған оптикалық талшықты датчиктер бар қызықты технология бар — олар кернеу деңгейлері мен деформациялар туралы нақты уақытта ақпарат береді. Өткен жылы «Journal of Structural Engineering» журналында жарияланған зерттеу бойынша, жасанды интеллектке негізделген компьютерлік құралдар жобалау итерацияларына кететін уақытты шамамен 40% қысқартқан. Бұл инженерлердің идеяларын тезірек сынауына және ғимараттардың экстремалды жағдайларда қалай ұстағанына көбірек сенімділік танытуына мүмкіндік береді. Барлық бұл технологиялар кеңінен таралған сайын болат құрылымдар қауіпті жағдайларды күтіп отырған қарапайым объектілер болып қалмайды. Олар нақты әлемдегі деректерге негізделген, қалаларымыздағы жер сілкінісінен қорғау стандарттарын жаңартатын ақылды жүйелерге айналады.

Сұрақтар мен жауаптар бөлімі

Балқытылған болат құрылымдар зілзала кезінде серпімсіз деформацияларға қалай төтеп береді?

Болат серпімсіз деформацияларды бақыланатын түрде өткізу үшін жобаланған, бұл болжанатын иілу мен созылу арқылы энергияны шашуға мүмкіндік береді.

Неге зілзалаға ұшырайтын аймақтарда болатты темірбетонға қарағанда қолдануға үлкен үстемдік беріледі?

Болат темірбетонға қарағанда көбірек энергия жұтады, бұл құрылымдық зақымдануды азайтады және циклдық жүктемелер кезінде жақсырақ өнімділік көрсетеді.

Болаттың беріктік-салмақ қатынасы сейсмикалық жобалауға қалай әсер етеді?

Болаттың жоғары беріктік-салмақ қатынасы сейсмикалық күштерді азайтады, нәтижесінде фундаментке түсетін жүктеме кемиді және динамикалық жауап жақсарылады.

Болат құрылымдарының өнімділігін арттыруға арналған кейбір ілгері жүйелер қандай?

Ілгері жүйелерге центрлік бекітілген рамалар, иілуінен қорғалған көтергіштер және болат пластинкалық кесіліс қабырғалары кіреді; әрқайсысы өзіндік артықшылықтарын ұсынады.