То, как сталь гнется, а не ломается, делает ее особенно пригодной для районов, где часто происходят землетрясения. Хрупкие материалы просто трескаются под нагрузкой, тогда как сталь способна растягиваться и поглощать энергию колебаний за счёт так называемого контролируемого текучести. Современные проекты зданий используют это свойство с помощью таких решений, как рамы, сопротивляющиеся изгибающим моментам, и эксцентричные системы связей, которые помогают распределить усилия при движении грунта. Например, системы базового изолятора, которые устанавливаются между зданием и его фундаментом. Было показано, что они способны сократить боковое перемещение примерно на три четверти; в районах, подверженных землетрясениям, таких как Япония и некоторые части Калифорнии, именно благодаря этим инновациям здания выдерживали сильные толчки.
Стальные каркасы, обладающие пластичностью, могут поглощать и рассеивать энергию при землетрясениях, что предотвращает их мгновенное разрушение. Концепция избыточности подразумевает создание дополнительных маршрутов передачи нагрузки, чтобы вся конструкция оставалась устойчивой даже при повреждении отдельных элементов. Согласно исследованиям, опубликованным в документе FEMA P-750, здания с такими гибкими стальными каркасами имеют примерно на треть меньшую вероятность обрушения по сравнению с теми, которые построены из жесткого бетона. Такая система безопасности особенно важна в районах Тихоокеанского огненного кольца, где здания многократно подвергаются воздействию афтершоков после крупных землетрясений.
| Критерии | Стальные конструкции | Бетонные конструкции |
|---|---|---|
| Вес | на 60% легче | Тяжелые, увеличивают сейсмическую нагрузку |
| Восстановление | Локализованные повреждения; простой ремонт | Часты катастрофические разрушения |
| Диссипация энергии | Высокая (за счёт пластической деформации) | Низкая (хрупкое разрушение) |
Легкий стальной каркас уменьшает инерционные силы при колебаниях, в то время как жесткость бетона зачастую приводит к дорогостоящему и необратимому повреждению. Оценки после землетрясения в Турции (2023) показали, что здания со стальным каркасом понесли на 40% меньшие расходы на ремонт по сравнению с аналогами из бетона.
Компания FEMA P-750 рекомендации подтверждают превосходство стали, демонстрируя, что правильно спроектированные пластичные каркасы снижают вероятность обрушения с 1 к 50 до 1 к 167 при сильных землетрясениях. Это соответствует международным нормам, таким как ASCE 7-22, которые отдают предпочтение способности стали обеспечивать гистерезисное демпфирование в критически важной инфраструктуре в сейсмически активных зонах.
Современные здания из стали, устойчивые к землетрясениям, зачастую используют так называемое проектирование по эксплуатационным характеристикам, или сокращённо PBD. Этот подход гарантирует, что конструкции действительно способны функционировать при землетрясениях, соответствовать определённым стандартам безопасности и обеспечивать бесперебойную работу. Традиционные строительные нормы просто указывают инженерам, что делать шаг за шагом, тогда как PBD применяет иной подход. Он оценивает, какой уровень повреждений допустим во время землетрясений, при этом позволяя зданию продолжать функционировать должным образом. Представьте такие объекты, как больницы, где людям необходима медицинская помощь даже после землетрясения, или центры обработки данных, которые должны поддерживать работу серверов в любых условиях. Исследования нескольких инженерных компаний показывают, что применение PBD может сократить расходы на ремонт примерно на 40 процентов по сравнению со старыми методами. Экономия достигается благодаря более рациональному выбору материалов без ущерба для безопасности, что весьма впечатляет с учётом серьёзности последствий сейсмических событий.
То, как здания воспринимают сейсмические нагрузки, во многом зависит от непрерывности пути передачи нагрузок от крыши до фундамента. Стальные здания решают эту задачу в основном с помощью рам сопротивления изгибу, а также стеновых диафрагм, расположенных в ключевых точках конструкции для контроля боковых колебаний. Особенно для высотных зданий растёт интерес к гибридным решениям, где традиционные раскосные связи комбинируются со стальными диафрагмами жёсткости. Такие комбинации могут повысить жёсткость конструкции на 25–35 %, что существенно влияет на поведение здания при сильных землетрясениях. Однако правильное конструктивное оформление имеет огромное значение, поскольку даже незначительные ошибки в соединениях этих элементов могут снизить их эффективность при реальных сейсмических воздействиях.
Эффективное сейсмостойкое проектирование основывается на трёх принципах:
Естественная пластичность стали позволяет контролируемо деформироваться в узлах соединений, поглощая сейсмическую энергию без внезапного разрушения. Анализ 2023 года модернизированных конструкций показал, что использование стержней с подавлением потери устойчивости увеличивает рассеяние энергии на 50% по сравнению с традиционными проектами.
Передовые технологии, такие как сменные предохранительные элементы, безусловно, повышают устойчивость зданий к землетрясениям, однако около двух третей подрядчиков по-прежнему сопротивляются их внедрению, считая это ненужным увеличением расходов. Однако если взглянуть на ситуацию в целом, исследования жизненного цикла затрат выявляют интересную закономерность при правильных инвестициях в детали, обеспечивающие сейсмостойкость стальных конструкций. Данные показывают, что дополнительные первоначальные расходы могут сэкономить в четыре раза больше средств в будущем, поскольку не потребуется масштабное восстановление после землетрясения. Это создает веские основания для разработки стандартных методов расчета таких преимуществ, чтобы инженеры и лица, принимающие решения о бюджете, наконец могли быть согласованы в вопросах, действительно важных для строительных проектов.
Стальные конструкции зависят от тщательно спроектированных узлов и соединений, чтобы сохранять целостность во время сейсмических событий. Каркасы, сопротивляющиеся моментам, с жесткими соединениями балок и колонн равномерно распределяют нагрузки, в то время как усиленные детали в точках соединения предотвращают локальные разрушения. Правильно выполненные стальные узлы снижают расходы на ремонт после землетрясений до 40% по сравнению с традиционными проектами.
Современные болтовые соединения теперь включают поверхности, критичные к проскальзыванию, и предварительно напряжённые высокопрочные болты, что позволяет контролируемое перемещение без остаточной деформации. Гибридные сварно-болтовые конфигурации сочетают скорость монтажа с сейсмостойкостью, обеспечивая сокращение сроков строительства на 25% при одновременном соблюдении требований ASCE 7-22 к эксплуатационным характеристикам.
Модернизация развязки I-395 в Калифорнии в 2022 году заменила хрупкие шарнирные соединения на стальные балочные системы с использованием энергопоглощающих пластичных связей. Этот проект стоимостью 85 млн долларов выдержал семь последующих землетрясений магнитудой 4,0 и выше в 2023 году без каких-либо повреждений конструкции, что демонстрирует соотношение затрат и выгод от применения передовых стальных решений при модернизации критически важной инфраструктуры.
Фрикционные демпферы Pall, установленные в диагональных распорках в форме буквы «V», поглощают до 35% сейсмической энергии в зданиях средней этажности. В сочетании с вязкоупругими демпферами в ядрах стен эти системы снижают межэтажные перемещения на 50–70% согласно данным испытаний на сейсмостолах ведущих научно-исследовательских учреждений.
В отличие от традиционных распорок, которые внезапно выходят из строя при сжатии, распорки с подавлением выпучивания (BRBs) используют стальные сердечники, заключённые в трубы, заполненные бетоном. Такая конструкция увеличивает способность рассеивания энергии на 300%, сохраняя при этом стабильные петли гистерезиса, что подтверждено в руководстве FEMA P-795.
55-этажная башня Тораномон-Адзабудай в Токио оснащена настраиваемыми массовыми демпферами весом 1200 тонн, которые работают совместно с вязкостными стеновыми демпферами. Этот гибридный подход обеспечил рекордное снижение вибраций от ветра и землетрясений на 60% во время тайфуна Нанмадол в 2023 году.
Более 78% небоскрёбов на стальном каркасе, построенных с 2020 года в сейсмоопасных зонах, оснащаются тем или иным видом демпфирующих технологий, по сравнению с 42% в 2010 году. Ожидается, что к 2028 году мировой рынок сейсмических демпферов достигнет 4,2 млрд долларов США, что обусловлено ужесточением строительных норм в районах, подверженных землетрясениям.
Сплавы с памятью формы на основе никеля и титана, известные как NiTi SMAs, меняют подход к созданию зданий, устойчивых к землетрясениям, поскольку способны возвращаться к своей первоначальной форме после деформации. Когда здания испытывают колебания во время землетрясений, эти специальные материалы поглощают часть энергии, а затем возвращаются в исходное положение после завершения колебаний, что приводит к меньшему объёму остаточных повреждений. Исследования показывают, что при использовании технологии SMA в соединениях балок и колонн такие узлы могут выдерживать примерно на 12 процентов большую боковую нагрузку по сравнению с обычными стальными соединениями. Наиболее интересной особенностью этих материалов является их способность реагировать на изменения температуры, что позволяет определённым частям зданий фактически самовосстанавливаться после незначительных повреждений. Это решает одну из самых слабых сторон конструкций, расположенных вблизи активных разломов.
Стальные рамы, предназначенные для самовыравнивания, как правило, включают предварительно напряжённые тросы или балки с фрикционным демпфированием, которые помогают зданиям возвращаться в исходное положение после землетрясений. Эта технология значительно снижает остаточные смещения — в некоторых случаях до 80 %, — поэтому здания не остаются наклонёнными, как это часто наблюдается при использовании устаревших методов строительства. В качестве примера можно привести недавний случай в Токио, где инженеры испытали этот подход на 40-этажном здании в прошлом году. После землетрясения конструкция практически не сместилась и осталась пригодной к использованию примерно на 92 % от изначальных возможностей. Такая эффективность логична с учётом современных строительных норм, ориентированных не только на сохранение устойчивости зданий, но и на возможность быстрого возвращения людей внутрь после стихийных бедствий, а не просто на предотвращение полного обрушения.
Использование сменных деталей, поглощающих энергию при землетрясениях, таких как специальные упоры с ограничением выпучивания или жертвенные концы балок, позволяет сосредоточить ремонт на конкретных участках после землетрясения. Представьте себе распределительную коробку в вашем доме: эти элементы принимают на себя основной урон, чтобы их можно было заменить примерно за три дня, вместо того чтобы ждать недели или даже месяцы для традиционного ремонта. У большинства современных зданий от четверти до трети боковых опорных систем состоит из этих сменных компонентов, при этом сохраняется структурная целостность всего здания. Такой подход экономит и время, и деньги в случае стихийного бедствия, поскольку инженерам не нужно разбирать целые секции, чтобы отремонтировать повреждённые участки.
Самовосстанавливающиеся стальные системы изначально имеют цену на 18–22 процента выше, чем традиционные варианты. Однако при рассмотрении долгосрочной перспективы исследования показывают, что эксплуатационные расходы снижаются примерно на 40% в течение пятидесяти лет. Некоторые отмечают, что дополнительные первоначальные затраты сдерживают внедрение таких технологий в бедных регионах, где финансовые вопросы особенно важны с самого начала. С другой стороны, страховые компании начинают предоставлять скидки от 15 до 20% на здания, оснащённые такими «умными» материалами, поскольку они значительно снижают риски. В последнее время активно обсуждается вопрос обновления строительных норм с требованием использовать такие технологии в сейсмически активных районах, даже если это потребует более высоких начальных затрат. Остается открытым вопрос, перевешивают ли преимущества для безопасности финансовые издержки в этих критически важных районах.
Современные оценки сейсмических рисков разделяют территории на различные категории опасности на основе прогнозов движений земной поверхности и данных о прошлых землетрясениях. При анализе районов с высоким уровнем риска, таких как знаменитый разлом Сан-Андреас в Калифорнии или активная вулканическая зона вокруг Индонезии, известная как Огненное кольцо, большинство инженеров предпочитают стальное строительство, поскольку сталь лучше гнётся и эффективнее поглощает удары. Недавние исследования 2024 года показали интересный результат — здания со стальным каркасом, расположенные в так называемых зонах 4, где землетрясения происходят наиболее часто, имели примерно на 40 процентов меньше повреждений по сравнению с аналогичными по размеру бетонными конструкциями при испытаниях на смоделированных землетрясениях магнитудой 7. Все эти данные существенно влияют на выбор материалов для строительных проектов. Мы фактически наблюдаем ежегодный рост использования стали примерно на 18 процентов в крупных городах, таких как Токио и Лос-Анджелес, начиная с начала десятилетия.
Землетрясение в Турции и Сирии в 2023 году (магнитуда 7,8) выявило серьёзные недостатки в строительстве с преобладанием бетона: 92 % обрушившихся зданий имели недуктильные бетонные каркасы. В отличие от этого, землетрясение Тохоку в Японии в 2011 году (магнитуда 9,1) продемонстрировало устойчивость стальных конструкций — лишь 0,3 % высотных зданий со стальным каркасом в Сендай потребовали сноса. Основные выводы:
Развивающиеся экономики сталкиваются с уникальными вызовами, пытаясь совместить ограниченные бюджеты с требованиями сейсмической безопасности. Экономически эффективный подход включает в себя:
Обзор умных демпфирующих систем 2023 года показывает, что развивающиеся страны, такие как Чили и Непал, теперь внедряют упрощённые стальные антисейсмические распорки с ограничением выпучивания по цене на 60% ниже, чем у традиционных систем. Эта методика позволяет таким городам, как Катманду, ежегодно модернизировать более 150 важнейших зданий, сохраняя 85% исходного строительного бюджета.
Сталь предпочтительна благодаря своей пластичности и способности поглощать и рассеивать энергию во время сейсмических событий, предотвращая обрушение и минимизируя повреждения.
Стальные конструкции на 60% легче, их проще ремонтировать, и они лучше рассеивают энергию по сравнению с бетоном, который часто получает необратимые повреждения.
Передовые соединения, такие как болтовые и сварные соединения, обеспечивают целостность под нагрузкой, повышая долговечность во время и после землетрясений.
Интеллектуальные материалы, такие как сплавы с памятью формы, обладают способностью к самовосстановлению, что снижает затраты на долгосрочное обслуживание и повышает прочность конструкции.
Copyright © 2025 by Bao-Wu(Tianjin) Import & Export Co.,Ltd. - Политика конфиденциальности
EN
