Болат құрылымның жер сілкінісіне төзімділігіндегі рөлі

Неліктен болат құрылыстар сейсмикалық жағынан ерекшеленеді

Қаттылық және энергияның шашырауы: циклдік жүктеме кезінде болат құрылымының негізгі артықшылықтары

Бұл арқылы AISC стандарттарына сәйкес болат өзінің бұзылуына дейін шамамен 30% созыла алатын құрылымдық икемділікке ие. Бұл қасиет сейсмикалық әсер кезінде болаттан жасалған ғимараттардың иілуі мен бұралуына мүмкіндік береді, сондықтан олар қайталанатын тербелістерге төтеп береді. Солайша материал өзінің ішінде үйкеліс туғызып, зиянды тербелістерді зияны жоқ жылуға айналдыру арқылы жер сілкінісінің энергиясының белгілі бір бөлігін сіңіреді. Темірбетон немесе кірпіш сияқты басқа материалдармен салыстырғанда болат өз шегінен асып кеткен кезде қатты және қатарынан сынбайды. Тіпті ол тұрақты деформацияланғаннан кейін де құрылым өзінің салмағын ұстап тұрады, сондықтан адамдар қауіпсіз шығу үшін уақыт алады — біз бәріміз бұл қатты тербелістерді тікелей бастан өткермейміз деп үміттенеміз.

Жоғары беріктік-салмақ қатынасы: болат құрылымдарын жобалауда инерциялық күштерді азайту

FEMA-ның P-749 есебіне сәйкес, болаттың беріктікке қатынасы массасы бойынша темірбетонға қарағанда шамамен бес есе жоғары. Бұл оның құрылысындағы болат конструкцияларының салмағы ұқсас темірбетон ғимараттарға қарағанда ACI стандарты 318-ге сәйкес 30–50 пайызға аз болатынын білдіреді. Бұл физикалық құбылыс өте маңызды, себебі инерция массамен қол қосып жұмыс істейді. Жер сілкінісі кезінде қозғалатын масса аз болса, ғимараттың негізі мен бүйірлік қолдау жүйелеріне әсер ететін күштер қатты төмендейді. Ал болаттың ерекшелігі — оның созылуға төзімділігінде. Болат арқылы жұқа, иілгіш конструкцияларды жасауға болады, олар жер сілкінісінің тербелістеріне қарсы тұрып күшпен күреседі, ал олардың қозғалысына иіліп қатысады. Бұл иілгіштік жиі үлкен жер сілкіністері болатын аймақтарда ерекше маңызды болып табылады және табиғат қозғалысқа кіріскен кезде ғимараттарға нағыз артықшылық береді.

Жер сілкінісіне төзімді негізгі болат конструкция жүйелері

Инерциялық қарсыласатын каркастар, иілуі шектелген көлбеу қосымшалар, болат қабырғалы кедергілер

Үш негізгі болат жүйесі әртүрлі, бірақ бір-бірімен үйлесімді механизмдер арқылы дәлелденген сейсмикалық өнімділік береді:

• Моментке төзімді каркастар (MRFs) бұл жүйелер көлденең жүктемелер әсерінен бақыланатын шамада иілетін қатты аралықтар мен бағаналардың қосылуына сүйенеді; осылайша, энергияны аралықтарда пластикалық шарнирлердің пайда болуы арқылы жұтып, вертикаль жүк тасымалдау жолдарын сақтайды.
• Бұрылуға төзімді көлденең бекітпе каркастар (BRBFs) сығылу кезіндегі иілуін болдырмау үшін цемент немесе бетонмен толтырылған қаптамаларға оралған болат өзектерді қолданады — бұл созылу мен сығылу циклдарында симметриялық және қайталанатын энергия шашылуын қамтамасыз етеді.
• Болат көлденең қабырғалар периметрлік каркастар ішіне орналасқан толтырғыш пластинкаларды қолданып, қатты және пластикалық диафрагмалар құрады; бұл көлденең күштерді тиімді таратады және расталған сейсмикалық модельдеулерге сәйкес қалыпты каркастармен салыстырғанда этажаралық ығысуын 40%-ға дейін шектейді.

Барлық үш жүйе болаттың тән артықшылықтарын пайдаланады: жоғары беріктік-салмақ қатынасы инерциялық талаптарды азайтады, ал тұрақты созылғыштық қайталанатын жүктеме кезінде болжанатын, сынықсыз әрекет етуін қамтамасыз етеді. Сәтті іске асу қабілеттілік негізіндегі жобалауға — иеленбейтін деформацияны белгіленген, жөндеуге болатын элементтерге мақсатты түрде шектеуге байланысты.

Жер сілкінісіне төзімді болат құрылымдарды жобалаудың үздік тәжірибелері

Созылғыш болат құрылымдар үшін қабілеттілік негізіндегі жобалау принциптері мен қосылу деталдары

Құрылымдық қабілеттілік концепциясы — бұл арнайы беріктік таралу ретін құрайтын әдіс, онда арқалықтар бағаналардан бұрын қирауға ұшырайды, қосылыстар қосылатын элементтерге қарағанда берік болуы керек, ал негізгі құрылымға кірмейтін қосымша бөлшектер құрылымның жалпы тұрақтылығына әсер етпейтіндей етіп салынады. Бұл тәсіл негізінен зақымдану аймақтарын шектеуге бағытталған, сондықтан ғимараттың толық қирауын қаупінсіз қалпына келтіруге болады. Ерекше маңызды қосылыс нүктелерінде, әсіресе дәнекерлеу қолданылған жағдайда, терең ойықты дәнекерлеулер (бұл дәнекерлеулер қосылатын барлық қабат арқылы өтеді) мен қатты сынуға қарсы жеткілікті күшейту қажет. AISC 358 стандарты толық сынақтан өткен және шынымен де құрылыс ісінің нақты жағдайларында жақсы жұмыс істейтін қосылыс конструкцияларын ұсынады; олар қайталанатын циклдық кернеулерге төзімді болып келеді. FEMA хабарламасы P-1052-ге сәйкес, бұл әдістерді қолданып салынған ғимараттарда жер сілкінісінен кейін жөндеуге кететін шығындар шамамен 60 пайызға азаяды.

Кодқа сәйкестік: АСЕЕ 7, АІСС 341 және ІВС сейсмикалық ережелеріне сәйкес болат құрылымы

Ғимараттарды жер сілкінісіне төзімді ету үшін ASCE 7, AISC 341 және Халықаралық Ғимараттар Кодексі (IBC) талаптарын орындау міндетті. ASCE 7 стандарты әртүрлі аумақтардың орналасқан жеріне байланысты қабырғалық күштердің қандай деңгейлерін шыдай алуы керектігін белгілейді. Ал AISC 341 стандарты сейсмикалық жағдайлар үшін материалдардың белгілі бір деңгейде беріктігін, қосылыстардың детальдық орындалуын және сапа бақылауын нақтылайды. IBC осы нұсқауларды іс жүзінде орындалатын ережелерге айналдырады. Мысалы, жоғары сейсмикалық қауіп аумақтарында IBC-тің 16-тарауында көрсетілгендей, AISC 341 стандартымен расталған әдістер арқылы қосылған арнайы моменттік рамалар қолданылуы тиіс. NIST зерттеулеріне сәйкес, барлық үш стандартқа бір уақытта сай келетін ғимараттар үлкен жер сілкінісі кезінде тұрақты қалу ықтималдығы шамамен 85% артады. Жобалау процесінің барлық кезеңдерінде инженерлер тек құрылымдық беріктікті ғана емес, сонымен қатар ығысу шектерін, әртүрлі жүктеме сценарийлерін бақылауы қажет және әрбір кезеңде қосылыстардың қажетті сынақтардан өтуін қамтамасыз етуі тиіс.

Балқытылған құрылымдар бойынша нақты әлемдегі тексеру және пайда болып келе жатқан жаңалықтар

Жағдайларды зерттеу: Крайстчерч өнер галереясы және 2023 жылғы Түркиядағы жер сілкінісінен кейінгі қалпына келтіру жұмыстары

2011 жылы Кентерберидегі жер сілкінісі кезінде Крайстчерч өнер галереясы өзінің болат каркасы мен негізгі изоляция жүйесі арқасында тұрақты қалды. Құрылыс өзіне қатысты шамамен ешқандай зақым келтірілмеді, сонымен қатар бағасыз саналатын ешбір өнер туындысы жоғалып кетпеді немесе зақымданбады. Соңғы оқиғаларға назар аударсақ, 2023 жылы Түркияда болған қиратқыш жер сілкіністерінен кейін құрылыс шығындары 13 миллиард доллардан асты; осы себепті ауруханалар, мектептер және авариялық орталықтар сияқты маңызды объектілерді қайта құру үшін болат материал таңдалды. Осы арнайы иілуге төзімді көтергіш рамаларды қолданған құрылыс жобалары дәстүрлі темірбетонды әдістерге қарағанда 40 пайызға тез орындалды, сонымен қатар жер сілкінісі тоқтағаннан кейін де жақсы өнімділік көрсетті және ішіндегі адамдардың қауіпсіздігін қамтамасыз етті. Барлық осы дәлелдер болаттың ауыр сейсмикалық белсенділік аймақтарында қаншалықты сенімді болатынын айқын көрсетеді.

Келесі буынның болат құрылымдық технологиялары: өзін-өзі орталаушы жүйелер мен ауыстырылатын сақтандырғыштар

Жаңа дамулар құрылыс конструкцияларындағы зақымдануды басқарудың ақылды әдістері арқасында болат ғимараттарға жер сілкінісіне төзімділік жағынан тағы да үлкен артықшылық беруде. Бұл өзін-өзі орталықтандыратын жүйелер жер сілкінісі тоқтағаннан кейін барлық элементтерді алғашқы орындарына қайтару үшін арнайы болат тетіктерді пайдаланады. Бұл ғимараттардың орындарынан ығысуын азайтады және жөндеу шығындарын төмендетеді — кейде шығындар екі үштен біріне дейін қысқарады. Осы жүйелермен қатар, қосылу нүктелеріне тікелей орнатылған ауыстырылатын «сақтандырғыш» элементтер де қолданылады. Бұл шығынға ұшырайтын компоненттер жер сілкінісі кезіндегі негізгі сейсмикалық күштерді қабылдайды, сондықтан негізгі конструкциялық бөліктер сақталып қалады. Оларды автокөліктегі соққы кезінде зақымданатын, бірақ қауіптілік өткеннен кейін тез ауыстырылатын бөлшектер ретінде елестетуге болады. Қазір инженерлер жер сілкінісінен кейін ғимараттардың алғашқы орындарына қайту қабілетін жақсарту үшін формасын есте сақтайтын қорытпаларды зерттеуде. Мақсат енді тек қана тірі қалу емес; біз жер сілкінісінен кейін қайтадан қалыпты жұмыс істеуге қабілетті ғимараттар туралы сөйлейміз.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Жер сілкінісі жиі болатын аймақтарда неге болат құрылыста үстемдік иеленеді?

Құрылымдардың сейсмикалық күштерге төзімділігін қамтамасыз ету үшін, олардың икемділігін арттыру, энергияны шашу және беріктік-салмақ қатынасын жоғарылату үшін болат қолданылады.

Бұрылуға қарсы кедергілі жақсыланған рамалар (BRBF) дегеніміз не?

BRBF — бұл сығылу кезінде бұрылуға қарсы тұратын, сондай-ақ созылу мен сығылу циклдары арқылы энергияны шашу процесін басқаратын цементті қабықшаларға орналасқан болаттық негізден тұратын құрылымдар.

Өзін-өзі орталықтаушы жүйелер сейсмикалық апат кезінде болат құрылымдарға қандай пайда әкеледі?

Өзін-өзі орталықтаушы жүйелер сейсмикалық апаттан кейін орын ауысқан құрылымдарды қайта орналастыруға көмектеседі, бұл арқылы құрылымның еңкейуі мен жөндеу шығындары азаяды; бұл жүйелер арнайы болаттық керілген арқандарды пайдаланады.