Жоғары желді аймақтарда темірбетон құрылымды құрылыс

Сталь конструкцияларындағы жел жүктемесінің механизмдерін түсіну

Жоғары желді орталардағы қысым, сору және көтеруші күштер

Бұрыштық құрылымдар желден үш негізгі күшке ұшырайды: желге қарсы жағында қысым, қарама-қарсы жағы мен шатыр аймақтарында сору, сонымен қатар шатырдың жиегі мен еңкейген бөліктерінде көтеруші әсер. Ауа ғимараттардың бетімен өткенде жылдамдығы артады, ол теріс қысым аймақтарын тудырады; қиын ауа райы кезінде бұл теріс қысым кейде алдыңғы қысымнан шамамен бір жарым есе артық болуы мүмкін, сондықтан құрылымға қатты көлденең күштер әсер етеді. Шатырлар осы жағынан ерекше қауіпті болып табылады, себебі шеттеріндегі айналмалы ауа үлгілерінің туғызған көтеруші күштер құрылымның бос күйіндегі салмағының жиырма пайызынан отыз пайызына дейін жетуі мүмкін. Мысалы, металдан жасалған шатыр панельдері желдің жылдамдығы 130 миль/сағаттан төмен болғанда да, бұрандалардың бір-бірінен қашықтығы, шеттерден қашықтығы немесе анкерлердің тереңдігі минималды стандарттарға сай келмесе, шынымен де босап кетуі мүмкін. Жақсы нәтижелерге қол жеткізу үшін сыртқы қаптау элементтерінен бастап тірек арқалықтары, құрылымдық рамалар арқылы жерге дейін вертикаль салмақ пен горизонталь кернеулерді саусақтай жеткізетін сенімді жүктеме берілу жүйелерінің болуына тікелей байланысты.

Тұйықталған болат рамалардағы ішкі қысым және бүйірлік жүктеменің берілуі

Құрылыс қабырғаларының (енvelope) бұзылуы — сынған терезелер, ақаулы есіктер немесе бекітілмеген сыртқы қабырға қаптамасы арқылы — ішкі қысымның көтерілуіне әкеледі, ол қабырғалар мен төбелердегі қысымды шамамен 40% дейін арттырады. Ішкі және сыртқы қысымдар арасындағы айырма ғимарат құрылымына қосымша керілу тудырып, барлық элементтердің тұрақсыздығын арттырады. Ғимараттардың бүйірлік күштерге тиімді қарсылық көрсетуі үшін көшет (diaphragm) ретінде төбе және еден жүйелері сияқты интегралды компоненттер қажет. Бұл компоненттер горизонталь күштерді құрылымның вертикаль бөліктеріне — мысалы, көлбеу рамаларға, моменттік рамаларға немесе жаныту қабырғаларына — таратады. Содан кейін бұл жүйелер күштерді негізге жеткізеді, мұнда олар дұрыс анкерленуі тиіс. Жаңа қатты рамалы қосылыстар күшті дауыл кезінде түйінділердегі қозғалысты азайтады және ғимараттың пішінін сақтайды. Сыртқы қабырға құрылымы үшін қолданылатын суытудан қалыпталған болат (CFS) тіректері мен құрылымдық қаптама да бүйірлік жүктемелерге қарсы күштірек төзімділік көрсетеді. Олар 60 фунт/шаршы футтан (шамамен 2,76 кПа) астам жел қысымына құлаусыз шыдайды, сондықтан олар жел күші ғимарат биіктігімен бірге күшейетін, құйынды аймақтарда орналасқан биік ғимараттар үшін өте құнды.

Жоғары желді аймақтар үшін кодқа негізделген болат құрылымдық жобалау

Жоғары желді аймақтардағы болат құрылымдар үшін қазіргі ғимараттық нормаларға сәйкестік – қауіпсіздікті, төзімділікті және ресурстарды тиімді пайдалануды қамтамасыз ету үшін көптеген жылдар бойы жиналған дауылдардың әсерінің деректерін, материалдар ғылымын және құрылымдық сынақтардың нәтижелерін кодтаған стандарттар. Бұл талаптар міндетті – олардың орындалуы міндетті.

Болат құрылымдар үшін ASCE 7-16 және IBC 2024 желдік жүктемелер бойынша ережелері

ASCE 7-16 ғимараттарға әсер ететін желдік жүктемелерді есептеу бойынша авторитетті әдістемені ұсынады; оның ішінде жылдамдық қысымы, желдің қопарылу әсерінің коэффициенттері және экспозициялық санаттар сияқты маңызды параметрлер анықталады. Оның ережелері Халықаралық Ғимараттық Кодексіне (IBC 2024) тікелей енгізілген, сондықтан болат құрылымдардың негізгі желдік күштерге қарсы қорғаныс жүйелерін (MWFRS) қолдануы қажет. Инженерлер төмендегілерді орындауы керек:

• Желдің есептік жылдамдығы карталарын, ғимараттың биіктігін және жер бетінің экспозициялық классификациясын ескере отырып, есептік желдік қысымдарды анықтау;
• Барлық элементтер мен қосылыстарды көтеруші, боксальды және ауырлық күштерінің біріккен әсеріне қарай жобалау;
• Желдің бағыттық талдауы арқылы жүйенің өнімділігін тексеру — бірнеше жел бұрыштары мен ішкі қысым сценарийлерін қамтиды.

Жоғары жел жағдайларында қолданылатын суытқаннан кейінгі болат үшін AISI S240-20 талаптары

AISI S240-20 стандарты циклдық, жоғары шамалы жел жүктемесі әсерінен жұқа қабырғалы суытқаннан кейінгі болат (СКБ) каркасының ерекше әрекетін қарастырады және ол ASCE/IBC стандартын толықтырады. Ол мыналарды міндеттейді:

• Жүк берілетін траекториялар бойынша үздіксіздікті сақтау үшін күшейтілген байланыс деталдары;
• Қосымша қатаң талаптар: бекіткіштердің орналасу қашықтығы, қырлардан қашықтық және тіреу қабілетіне қойылатын шектеулер;
• Циклдық тозуға бейім орталықтар үшін қажетті минималды материал қалыңдығы мен аққыштық шегінің дәрежелері;
• Қабырға тіректері, төбе жағындағы арқалықтар мен еден каркасы үшін нормативті бекіту стратегиялары.

Бұл сәйкестік СКБ компоненттерінің — сыртқы қабықтардың тірегі, ішкі бөртпелер мен екіншілік каркас ретінде жиі қолданылатын бөліктердің — 150 миль/сағаттан асатын экстремалды оқиғалар кезінде басты құрылымдық жүйелермен үйлесімді жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.

Бүйірлік күшке қарсы қорғаныс жүйелері мен болат құрылымдарының негізіне анкерлену

Көтергіш рамалар, жылжу қабырғалары және металдан жасалған ғимараттарда диафрагмалардың интеграциясы

Боктық күшке қарсы тұратын жүйелер (БКҚЖ) — бұл болат ғимараттарды жел күштеріне қарсы төзімді ететін негізгі каркас. Крестті рамалар боктық энергияны осьтік бағытта әсер ететін диагональды элементтер арқылы қабылдайды. Темірбетонды немесе болат пластинкалық қабырғалар қозғалысқа қатты кедергі көрсетеді. Сол уақытта, егер шатыр мен қабат диафрагмалары дұрыс бекітілсе, олар жел қысымын ғимараттың табаны бойынша біркелкі таратады. ASCE 7-16 бағдарламасына сәйкес, жоғары қауіп аймағында орналасқан ғимараттардың БКҚЖ-і 200 киптен астам жел күштерін ұстауға есептелуі керек. Толық интеграция мұнда өте маңызды. Бұл компоненттерді дәнекерлеу, болттау немесе сырғымалы-критикалық бекіту сияқты әдістермен біріктірген кезде бүкіл жүйе әлдеқайда жақсы жұмыс істейді. Нақты әлемдегі сынақтар көрсеткендей, мұндай интеграцияланған жүйелер жергілікті кернеу нүктелерін азайтады және NIST-тің 2023 жылғы зерттеуінде айтылғандай, 4-ші категориялық тропиктік циклон шарттарында деформацияны шамамен 60 пайызға азайтады.

ICC-, UL- және FM Global — расталған анкерлік жүйелер мен бекіту шешімдері

Фундаментке бекіту — желдік жүктеменің траекториясындағы соңғы, шартты емес буын: көтерілу, аударылу және тізбекті құлау құбылыстарын болдырмау үшін. Үшінші тараптар тарабынан расталған бекіту жүйелері — ICC-ES AC398 стандартына сәйкес сертификатталған — FM Global (2023) деректері бойынша дәстүрлі анкерлерге қарағанда көтерілу кедергісін 40% дейін арттырады. Жүйенің қолданыс сапасы үш негізгі факторға тәуелді:

• Анкердің өткізу тереңдігі — жергілікті топырақтың қиғаш ығысу беріктігі мен анкердің көтергіш қабілетіне сәйкес келеді;
• Сыртқы ортаға төзімді коррозияға төзімді материалдар (мысалы, ыстық батырма әдісімен цинктелген немесе штайнс-болат құрылғылары) — су айдыны жағалауындағы және ылғалды аймақтарда қолданылады;
• Жел мен жер сілкінісінің біріктірілген әсерін қабылдауға мүмкіндік беретін, жалғыз нүктедегі ақаулыққа әкелмейтін қосымша жүктеме жолдары.

FM Global сертификатымен расталған анкерлеу жүйелері 150 миль/сағаттан асатын тұрақты жел жылдамдығында ғимараттың құрылымдық бүтіндігін сақтайды және барлық табиғи апаттар спектрі бойынша тұрақты ғимараттық қызмет көрсетуді қамтамасыз етеді.

Жоғары жел жағдайларында сыртқы қабырға қаптамасы мен каркас құрылымының қызмет көрсету сапасы

Сыртқы қабырға қаптамасы және оның тіреуші рамасы көпшілікте урагандар болатын аймақтарда орналасқан болат ғимараттарда жауын-шашынға қарсы негізгі кедергі ретінде әрі жүктемелерді тасымалдаушы элемент ретінде қызмет етеді. Биік ғимараттар үшін қаптама ауа, су және жылу өтпейтіндей етіп, 5 кПа-дан жоғары қысым айырымын шыдай алуы керек. Осыны қамтамасыз ету үшін қосылыстардың қауіпсіздік шегін нормалды күтілетін мәндерден 4–6 есе артық етіп есептеу қажет, себебі уақыт өте келе материалдар бұзылады және орнату жұмыстары әрқашан да идеалды болмайды. Суықта иілген болат (CFS) немесе CFS рамалық конструкциялар аса күшті желдер кезінде құрылымдық тұрақтылықты сақтауда өте жоғары төзімділік көрсетті. Мысалы, 2022 жылғы Иэн ураганы кезінде желдің жылдамдығы 150 миль/сағаттан асқан кезде CFS рамалы ғимараттардың көптегені құламады. Бұл негізінен олардың массасына қатысты жоғары беріктігі мен жер сілкінісіне шыдай алатындай етіп жасалған қосылыстарына байланысты. Өткен жылы «Constructional Steel Research» журналында жарияланған зерттеу көрсеткендей, тік шовты металл қаптама нақты орнату шарттарына жақын реалистік сынақтар кезінде жел күштерін ғимарат конструкциясы бойынша тиімді таратады. Негізгі қорытынды мынада: барлық элементтер инженерлер «үздіксіз жүктеме траекториясы» деп атайтын жүйемен байланысады — бұл траектория қаптамадан басталып, CFS рамасы мен кесілу қабырғалары арқылы өтеді және негіздің анкерленуіне дейін жетеді. Барлық бұл элементтер ASCE 7-16 стандартында белгіленген көтеруші күштер мен қысым талаптарына сай болуы керек.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Басқа болат құрылымдарға әсер ететін негізгі жел күштері қандай?

Болат құрылымдарға желге қарсы жағынан қысым, қарама-қарсы жағынан сорылу, сондай-ақ шатырдың жиегі мен еңкейген бөліктерінің айналасында көтеруші күш әсер етеді.

Ішкі қысымның болат құрылымдарға қандай әсері бар?

Ішкі қысым ғимараттың сыртқы қабығы бұзылған кезде пайда болады және қабырғалар мен төбелердегі қысымды шамамен 40% арттырады, бұл құрылымға қосымша кернеу мен орнықсыздық тудырады.

ASCE 7-16 және IBC 2024 нормалары дегеніміз не?

Олар жел жүктемелерін есептеу әдістерін береді, соның ішінде жылдамдық қысымы мен дауылдың әсері сияқты параметрлерді анықтайды; бұл әдістер болат құрылымдардың төзімділігін қамтамасыз ету үшін ғимараттардың нормативтік құжаттарына енгізілген.

Неге болат құрылымдарда фундаментке бекіту маңызды?

Фундаментке бекіту көтеруші күшті, айналуын және құлауын болдырмау үшін қолданылады; ол коррозияға төзімді материалдардан жасалған және көп деңгейлі жүк берілетін жолдары бар расталған бекіту жүйелерін қолданады.