EN
Неге болат құрылымдар апатқа төзімділікте үстемдік етеді?
Жоғары беріктік-салмақ қатынасы — экстремалды жүктемелер кезінде тез және болжанатын реакцияға мүмкіндік береді
Бұрыштық күштерді (мысалы, жер сілкінісі кезіндегі) төзімділігіне әсер ететін болаттың беріктік-салмақ қатынасы ғимараттардың табиғи апаттарға төзімділігінде үлкен рөл атқарады. Болат рамалар ғимараттың негізіне артық күш түсірмей-ақ жер сілкінісі кезіндегі күшті бүйірлік күштерді қабылдай алады. Жер сілкінген кезде жеңіл материалдар ғимарат арқылы берілетін күшті азайтады, бірақ барлық элементтер әлі де бекітіліп тұрады. Болаттың осындай қасиетінің себебі неде? Оның молекулалары біркелкі орналасқан, сондықтан инженерлер оның кернеу әсерінен қалай реакция беретінін дәл болжай алады. Осы сенімділік ғимараттардың жер сілкінісі, күшті жел немесе құрылыс жобаларындағы қауіпсіздік пен тұрақтылықты қатерге ұшырататын басқа да қауіпті факторларға қарсы жақсы жұмыс істеуіне көмектеседі.
Пластикалық деформация және энергия шашырауы: жер сілкінісі кезінде болаттың қауіпсіз деформациялануы
Балқытқыштық қасиеті болғандықтан, болат жер сілкінісі кезінде қатты сынбай, бақыланатын тәсілмен деформацияға ұшырайды, бұл оның құрылыс материалдарының әртүрлі қатты түрлеріне қарағанда қауіпсіздік жағынан айтарлықтай артықшылығын қамтамасыз етеді. Тербеліске ұшыраған кезде болат құрылымдары инженерлердің гистерезис циклдары деп атайтын процестерден өтеді: олар бірнеше рет иіледі де, одан кейін қайта орнына келеді; бұл кезде қауіпті жер сілкініс энергиясы ғимаратты разрушить етпей, зияны жоқ жылуға айналады. Жер сілкінісінен кейінгі нақты зақымдануларға арналған зерттеулер көрсеткендей, болаттан жасалған ғимараттардың жер сілкінісінен кейін қажетті жөндеу жұмыстары темірбетоннан салынған ғимараттарға қарағанда шамамен 60 пайызға аз болады — бұл сейсмикалық инженерия журналдарында жарияланған зерттеулер негізінде айтылған. Болат құрылымдары құлауға ұшырамай, осындай көп ретті иілулерге төзімді болғандықтан, көптеген архитекторлар мен инженерлер жиі немесе күшті жер сілкіністері әсер ететін аймақтарда ғимараттарды жобалаған кезде оны қолдануды ұсынады.
Жер сілкінісіне төзімді жобалаудағы болат құрылымының өнімділігі
Біріктірілген сейсмикалық жүктеме жағдайларында моментке төзімді және қосымша қосылған рамалық жүйелер
Бұл ғимараттардың жер сілкінісі кезіндегі зақымдануын негізінен екі түрлі жанама күштерге қарсы тұратын жүйелер арқылы азайтады: иілу моментіне қарсы қатарлар (MRF) және центрлік бекітілген қатарлар (CBF). MRF жүйесінде арқалықтар бағандарға берік бекітіледі, сондықтан олар діріл кезінде бақыланатын тәсілмен иіле алады. Бұл жүйе архитекторларға кеңістіктің икемділігін қажет ететін орта деңгейдегі ғимараттар үшін жақсы жұмыс істейді, себебі көрінетін тірек элементтері аз болады. CBF жүйесі қатарға диагональды болат таяқшаларды қосу арқылы басқаша тәсіл қолданады. Бұл жанама қозғалысқа қарсы қаттылықты айтарлықтай арттырады, сондықтан күшті жер сілкіністері жиі болатын аймақтардағы көптеген ғимараттар осы әдісті қолдануды ұсынады. Кейбір инженерлер күрделі, әртүрлі бағыттардан келетін жер қозғалысы кезінде қосымша қорғаныс үшін екі жүйені де біріктіреді. Қосымша резервтілік ғимарат иелеріне құрылыстарының бір жүйелі конструкцияларға қарағанда күтпеген кернеулерді тиімдірек шыдай алатынына сенім береді.
| Жүйе түрі | Энергияны шашырату механизмі | Ең жақсы қолданулар | Ығысу бақылауының тиімділігі |
|---|---|---|---|
| Иілу моментіне қарсы | Қосылыстардағы пластикті шарнирлер | Ашық жоспарлы коммерциялық кеңістіктер | Орташа (0,7–1,2% ауытқу) |
| Бекітілген каркас | Бекітпе элементтерінің иілуі/ағуы | Күшті жел/жер сілкінісі аймақтары | Жоғары (0,3–0,5% ауытқу) |
MRF-тар AISC 341-22 стандартына сәйкес қатаң байланыс деталдарын талап етеді, бірақ олардың пластикалық деформациялану қабілеті CBF-тарға қарағанда 25% жоғары. CBF-тар арасындағы қабаттық ауытқуды 40%-ға дейін азайтады, бірақ бекітпе элементтерін орналастыру қабат жоспарлауын шектеуі мүмкін (FEMA P-2098, 2023).
Жаңалықтар: Қалдық ауытқуды азайту үшін өзін-өзі орталықтандыратын байланыстар мен болат саңылаулы тежегіштер
Ғимараттарға апаттардан кейін қайта кіріп, пайдалануға берілуі қажет болғанда қалдық ауытқуды азайту өте маңызды. Өзін-өзі орталықтандыратын болат қосылыстары мұнда ғажайып нәтиже береді. Бұл жүйелер құрылымдарды түсірілген күштердің әсерінен пластикалық деформацияға ұшырағаннан кейін оларды қайта бастапқы орнына қайтару үшін немесе пост-кереулік арқаншаларды, немесе арнайы есте сақтау қабілеті бар қорытпаларды қолданады. Зерттеулер көрсеткендей, бұл әдістер қалдық ауытқуды шамамен 60–80 пайызға азайтады (бұл туралы соңғы жылы ASCE Журналы «Структуралық инженерия» журналында жарияланған зерттеулерде айтылған). Бұл жаңалықтармен қатар, әртүрлі типтегі болат сақтандырғыштар да көмекке келеді. Иілуге төзімді бекітпе элементтері (BRB) және басқа да кесілу ауытқуын қабылдайтын құрылғылар жер сілкінісі кезінде серпінділікті жұтады және құрылымдық бүтіндікті сақтайды. Мысал ретінде Осакада жүргізілген соңғы модернизация жұмыстарын алуға болады. Ондағы инженерлер жер сілкінісі кезінде ғимараттың қозғалысын сынақтық модельдеу кезінде қауіпсіз шектерде ұстайтын BRB-лер орнатқан. Нәтижесінде ең жоғарғы ауытқу тек 1,8% құрады, ал қалдық ауытқу 0,2%-ға дейін төмендеді. Мұндай жетістік бюджетті шектеулері бар апаттан кейінгі қалпына келтіру жұмыстарын жүргізуге тырысқан қоғамдар үшін өте маңызды.
Жоғары жылдамдықтағы жел және тайфун оқиғаларына қарсы болат құрылымның төзімділігі
Циклонды желдер әсерінен иілгіш болат ғимараттардың динамикалық әрекеті: Жапония мен АҚШ-тың Мексика шығанағы жағалауы бойынша жағдайларды зерттеу нәтижелері
Болат ғимараттар циклондарға қарсы жақсы көрсеткіш береді, себебі олар энергияны болжанған тәсілмен сіңіре отырып, динамикалық түрде иіле алады. Өте күшті желдерге ұшырағанда осындай иілгіш құрылымдар қатты сыну орнына бақыланатын тәсілмен тербеледі. Олар жел күшін ғимарат қауіпсіз басқара алатын тербелістерге айналдырады. Жапонияның тайфун аймақтары мен Американың Мексика шығанағы жағалауындағы деректер бұған жақсы дәлел болып табылады. Сол жердегі инженерлер көп рет бақылаған — дұрыс салынған болат каркастар 150 миль/сағ (шамамен 4-ші категориялық құйындың аймағы) жел жылдамдығында да бүтіндігін сақтайды. Болаттың осындай күштерге қарсы жоғары төзімділігінің бірнеше себебі бар, олар мыналардан басталады...
- Материалдық гибкость болаттың жоғары беріктік-салмақ қатынасы арқасында қамтамасыз етіледі, бұл тұрақтылықтың жоғалуынсыз қауіпсіз бүйірлік қозғалысқа мүмкіндік береді
- Рама деңгейіндегі энергияның шашылуы мұнда бекітпе элементтері мен конструкциялық бөліктер жел күштерін сыйымды тербелістерге айналдырады
- Аэродинамикалық икемділік жіңішке профильдер мен оптималды сыртқы қабықтар арқылы жел кедергісін азайту және тізбекті құлауды болдырмау
Жылдар бойы жиналған өрістік деректер циклонды аймақтарда нормативті талаптарға сай салынған болат ғимараттардың 90%-дан астамының тірі қалу көрсеткішін көрсетеді — бұл болаттың желге төзімді инфрақұрылымдар үшін эталон болып табылатынын растайды.
Болат конструкциялық жүйелеріндегі өртке қаупін шешу
Болат сейсмикалық және желге төзімділікте өте жақсы көрсеткішке ие болса да, оның механикалық қасиеттері 550°C (1022°F) асқанда нашарлайды, мұнда ол өзінің көтеретін жүктің жартысына дейін жоғалта алады. Қазіргі заманғы өртке төзімді конструкциялар бұл проблеманы пассивті және активті стратегиялардың біріктірілген қолданысы арқылы шешеді:
- Пассивті өрт қорғанысы (PFP) мысалы, ісіретін қаптаулар — қыздырған кезде изоляциялық көпіршік тәрізді қабаттарға ісіреді, нәтижесінде конструкциялық элементтердегі температураның көтерілуі баяулайды
- Белсенді жүйелер , соның ішінде ерте анықтауға арналған тұтасқын құрылғылары мен өшіру шашыратқыштары, оттың бастапқы сатысында жалынның таралуын шектейді
- Бөлмелерге бөлу , отқа төзімді қабырғалар, едендер және қуыс кедергілері арқылы отты шектеп, құрылымдық үздіксіздікті сақтайды
Бұл шаралар бірігіп, критикалық зақымдануға дейінгі уақытты ұзартады: қорғалған болат арқалықтар стандартты от әсеріне әдетте 60–120 минут төзеді, ал қорғалмаған бөліктер — 15 минутқа. Қандай да бір құрылымдық материал отқа толық төзімді емес, бірақ болаттың күшті, нормативті талаптарға сай отқа төзімділік инженериясымен үйлесімділігі оның жылулық әлсіздігін сенімді басқарылатын қауп-қатерге айналдырады.
ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)
Неге жер сілкінісіне төзімді ғимараттардың конструкциясында болат қолданылады?
Болат жер сілкінісі кезінде құлаусыз қауіпсіз деформациялануға мүмкіндік беретін жоғары эластиктілігі мен энергияны шашырату қабілеті салдарынан қолданылады. Бұл қасиет пен кернеу әсерінен болаттың болжанатын реакциясы болат құрылымдарын сейсмикалық жағдайларда төзімді етеді.
Болат жел мен тайфунға төзімділікке қалай үлес қосады?
Балалар құрылымдары динамикалық түрде иіле алады, жел күштерін басқарылатын тербелістерге айналдырады, сондықтан олар тайфундар мен құйындар сияқты күшті желді оқиғалар кезінде бүтіндігін сақтай алады. Оның аэродинамикалық бейімделуі мен икемділігі жел кедергісін азайтады және құлауын болдырмауға ықпал етеді.
Балалар құрылымдарын өрттен қорғау үшін қандай шаралар қолданылады?
Балалар құрылымдарын өрттен қорғау үшін архитекторлар интумесцентті қаптаулар сияқты пассивті өрт қорғанысын қолданады және тұтқындағыш құрылғылар мен су шашуыштар сияқты белсенді жүйелерді іске асырады. Компартменттеу өртті шектеуге қосымша көмектеседі, сондықтан балалар құрылымдары өртке ұшыраған кезде ұзағырақ бүтіндігін сақтайды.