EN
Почему стальные конструкции по своей природе устойчивы к сейсмическим воздействиям
Высокое соотношение прочности к массе и пластичность: ключевые преимущества материала стальных конструкций
Сталь обладает значительно более высоким соотношением прочности к массе по сравнению с бетонными или каменными конструкциями — согласно последним исследованиям, она примерно на 30 % легче. Эту информацию подтверждает Национальная программа снижения землетрясений (NEHRP) в своём отчёте за 2023 год. Благодаря тому, что сталь одновременно лёгкая и прочная, здания из неё могут быть гибкими и при этом выдерживать значительные нагрузки. Однако главное преимущество стали заключается в её поведении под нагрузкой. В отличие от хрупких материалов, которые внезапно ломаются, сталь значительно деформируется — изгибается и растягивается — перед тем, как разрушиться. Это означает, что при землетрясениях стальные каркасы способны «следовать» за колебаниями грунта, а не растрескиваться. Такая особенность была подтверждена после землетрясений в Риджкресте в 2019 году: согласно отчётам Геологической службы США (USGS), количество обрушений зданий со стальным каркасом было примерно на 40 % ниже по сравнению с аналогичными зданиями из бетона.
Поведение при циклической нагрузке: упрочнение при деформации и устойчивое гистерезисное поведение стальных конструкций
Сталь демонстрирует исключительно стабильные характеристики при многократном воздействии сейсмических нагрузок, что особенно важно во время афтершоков и продолжительных периодов колебаний. Особенность стали заключается в том, что она становится прочнее по мере начала изгиба и растяжения. После первых признаков деформации материал фактически повышает свою устойчивость к дальнейшим повреждениям по мере продолжения пластической деформации. Когда здания раскачиваются вперёд-назад во время землетрясений, сталь формирует надёжные петли рассеяния энергии — так называемые петли гистерезиса, — которые предсказуемо работают в течение множества циклов движения. Исследования экспертов в области сейсмостойкого проектирования показывают, что при правильном изготовлении стальные каркасы способны выдержать более 50 интенсивных циклов колебаний, потеряв менее 5 % своей первоначальной прочности. Причина такой надёжности кроется в однородной внутренней структуре стали. В отличие от материалов, состоящих из различных компонентов или обладающих неоднородными свойствами, сталь не имеет слабых мест, где напряжения могут внезапно концентрироваться и вызывать непредвиденный обрушение.
Основные стальные конструктивные системы, обеспечивающие сейсмостойкость
Рамные конструкции, воспринимающие изгибающие моменты (MRF): логика проектирования и адаптация к сейсмическим зонам для стальных конструкций
Каркасы, воспринимающие моменты (сокращённо — MRF), работают за счёт противодействия боковым сейсмическим нагрузкам посредством специальных соединений балок и колонн. Эти соединения спроектированы так, чтобы изгибаться и деформироваться в определённой последовательности во время землетрясений, что способствует поглощению значительной части сейсмической энергии без разрушения всего здания. Сталь особенно хорошо подходит для этой цели, поскольку она может безопасно растягиваться и гнуться, не разрушаясь хрупко. При проектировании зданий в сейсмоопасных регионах, например в Калифорнии, инженеры вносят в такие каркасы определённые корректировки: уделяют повышенное внимание детализации узловых соединений, предусматривают дополнительную резервную поддержку по всей конструкции и тщательно согласуют требуемую жёсткость отдельных элементов. В результате здания, оснащённые правильно спроектированными стальными каркасами MRF, способны выдерживать горизонтальные ускорения грунта до примерно 0,4g. Исследования показывают, что при землетрясениях такие здания получают более чем вдвое меньший ущерб по сравнению с обычными бетонными зданиями. Таким образом, стальные каркасы MRF обеспечивают не только повышенную безопасность, но и оказывают экономию в долгосрочной перспективе при строительстве средних и высотных зданий в непосредственной близости от активных разломов, где землетрясения происходят регулярно.
Ограничители продольного изгиба (BRB) и эксцентрично-связанные каркасы (EBF): стальные конструктивные решения с рассеиванием энергии
Скользящие распорки с ограничением потери устойчивости (BRB) в сочетании с эксцентрично-связанными каркасами (EBF) были специально разработаны для концентрации и рассеяния сейсмической энергии в местах, где повреждения будут минимальными. BRB работают за счёт размещения стального сердечника внутри бетонных или стальных оболочек, обладающих высокой жёсткостью на изгиб. Такая конструкция предотвращает потерю устойчивости (выпучивание) стали и обеспечивает сбалансированное поглощение энергии как при растяжении, так и при сжатии. В случае EBF инженеры намеренно смещают точки крепления распорок относительно центра, чтобы направить энергию в небольшие участки, называемые сдвиговыми связями. Эти связи предназначены для необратимой деформации при необходимости, поглощая энергию и одновременно сохраняя целостность основного несущего каркаса здания. Стальные здания, оснащённые такими системами, способны поглотить более 70 % энергии колебаний во время землетрясения, что помогает ограничить взаимное смещение перекрытий и уменьшить остаточные перемещения после окончания сейсмического воздействия. Особую ценность этих решений определяет их простота ремонта и замены. Именно поэтому многие важнейшие объекты — такие как больницы и школы — выбирают именно их: восстановление работоспособности после землетрясения не терпит отлагательств.
Инновации, снижающие ущерб и ускоряющие восстановление стальных конструкций
Самоцентрирующиеся системы стальных конструкций с использованием фрикционных устройств и сплавов с памятью формы
Самоцентрирующиеся системы объединяют фрикционные демпферы и специальные сплавы с памятью формы, известные как SMA, для решения, пожалуй, самой серьёзной проблемы после землетрясений — остаточного смещения. Эти небольшие фрикционные устройства работают весьма эффективно, поскольку рассеивают энергию контролируемым образом при проскальзывании элементов за заранее заданные пределы. Это помогает снизить нагрузку на основные несущие конструкции зданий. Кроме того, сплавы с памятью формы (SMA) часто применяются в самоцентрирующихся тягах или соединениях между различными частями конструкций. Их отличительная особенность — удивительное свойство сверхупругости, позволяющее им практически полностью восстанавливать исходную форму даже после значительного растяжения или изгиба. В совокупности эти технологические решения способны сократить остаточное смещение примерно на 80 % и снизить расходы на ремонт приблизительно на 40 %, согласно исследованию Института инженерных землетрясений, опубликованному в 2023 году. Для таких объектов, как больницы и центры экстренной помощи, где каждая минута имеет решающее значение, это означает значительно более быстрое восстановление работоспособности без колоссальных затрат на повторное выравнивание конструкций или полную реконструкцию. Критически важные службы продолжают функционировать бесперебойно, а не останавливаются полностью.
Уроки практики: Крайстчерч, 2011 г. — проверка на практике устойчивости стальных конструкций
Когда в 2011 году произошло землетрясение в Крайстчерче, оно фактически подтвердило то, что инженеры давно утверждали о прочности стали при сейсмических воздействиях, особенно в сочетании с новыми системами поглощения энергии. Здания со стальным каркасом и специальными противоизгибающими связями (BRB) получили примерно на 30 % меньше повреждений по сравнению с аналогичными бетонными конструкциями. Особенно примечательным оказалось то, что большинство повреждений оказались легко устранимыми. Ни одно из стальных зданий с системами каркаса с моментным сопротивлением (MRF) или противоизгибающими связями (BRB) не обрушилось, а около трёх четвертей таких зданий возобновили эксплуатацию в течение полугода — во многих случаях даже раньше этого срока. Анализируя последствия землетрясения, эксперты указали на высокую гибкость стали как на главную причину того, что эти здания продемонстрировали столь высокую устойчивость, в отличие от бетона, который при недостаточно продуманном проектировании склонен к внезапному растрескиванию под нагрузкой. Опыт Крайстчерча привёл к существенным изменениям в строительных нормах Новой Зеландии в части сейсмостойкости и до сих пор влияет на подходы стран мира к обеспечению сейсмической безопасности. По сути, если архитекторы уделяют достаточное внимание детализации стальных конструкций и комбинируют их с интеллектуальными системами обеспечения требуемых характеристик, они получают здания, которые защищают жизни людей и сохраняют работоспособность даже после стихийных бедствий.
Раздел часто задаваемых вопросов
Что делает стальные конструкции более устойчивыми во время землетрясений? Стальные конструкции обладают высоким отношением прочности к массе и пластичностью, что позволяет им изгибаться и поглощать энергию во время сейсмических событий без обрушения.
Какие функции выполняют рамы с моментным сопротивлением (MRFs) в обеспечении устойчивости к землетрясениям? Рамы с моментным сопротивлением используют специализированные соединения балок и колонн, способные поглощать интенсивную сейсмическую энергию за счёт контролируемого изгиба и деформации, предотвращая обрушение конструкции.
Какую роль играют элементы с ограничением потери устойчивости (BRBs) и эксцентрично-связанные рамы (EBFs) в проектировании зданий, устойчивых к землетрясениям? BRBs и EBFs предназначены для рассеивания сейсмической энергии в определённых точках, чтобы минимизировать повреждения и позволить конструкциям выдерживать значительные колебания без катастрофического разрушения.