Те, як сталь гнеться, а не ламається, робить її дуже придатною для регіонів, де часто трапляються землетруси. Крихка речовина просто тріскається під навантаженням, тоді як сталь фактично розтягується й поглинає енергію коливань через так зване контрольоване текучість, яке використовують інженери. Сучасні конструкції будівель використовують цю властивість за допомогою таких елементів, як рами, що чинять опір моменту, та ексцентричні системи зв'язування, які допомагають розподілити зусилля під час руху ґрунту. Візьмемо, наприклад, системи базової ізоляції — їх розміщують між будівлею та її фундаментом. Дослідження показали, що вони можуть зменшити бічний рух приблизно на три чверті в районах, схильних до землетрусів, таких як Японія та окремі частини Каліфорнії, де будівлі витримали сильні поштовхи завдяки цим інноваціям.
Сталеві каркаси, які є пластичними, насправді можуть поглинати та розподіляти енергію під час землетрусів, завдяки чому будівля не руйнується одразу. Концепція надлишковості передбачає додаткові шляхи підтримки, щоб уся конструкція залишалася стійкою навіть у разі пошкодження окремих частин. Згідно з дослідженням, опублікованим у документі FEMA P-750, будівлі, побудовані з такими гнучкими сталевими каркасами, мають приблизно на третину меншу ймовірність обвалення, ніж ті, що збудовані з жорсткого бетону. Такий запобіжний механізм особливо важливий в районах Тихоокеанського вогняного кільця, де будівлі багаторазово піддаються впливу післятрусів після сильних землетрусів.
| Критерії | Стальні конструкції | Бетонні конструкції |
|---|---|---|
| Вага | на 60% легше | Важкі, збільшують сейсмічне навантаження |
| Ремонтопридатність | Локальні пошкодження; простий ремонт | Часті катастрофічні руйнування |
| Дисипація енергії | Висока (за рахунок деформації) | Низька (крихке руйнування) |
Завдяки легкості сталі зменшуються інерційні сили під час струсу, тоді як жорсткість бетону часто призводить до дорогих, несумісних пошкоджень. Післяземельні оцінки в Туреччині (2023) показали, що будівлі зі сталевим каркасом мали на 40% нижчі витрати на ремонт порівняно з бетонними аналогами.
The FEMA P-750 вказівки підтверджують перевагу сталі, демонструючи, що правильно деталізовані пластичні каркаси знижують імовірність обвалення з 1 до 50 до 1 до 167 під час сильних землетрусів. Це узгоджується з глобальними нормами, такими як ASCE 7-22, які віддають пріоритет можливостям сталі щодо гістерезисного демпфування для критичної інфраструктури в сейсмічно активних зонах.
Сучасні будівлі зі сталевим каркасом, стійкі до землетрусів, часто використовують так званий проектний підхід, орієнтований на експлуатаційні характеристики, або скорочено PBD. Цей підхід забезпечує фактичну працездатність споруд під час поштовхів, відповідно до певних стандартів безпеки та безперебійне функціонування об'єктів. Традиційні будівельні норми просто вказують інженерам, що робити крок за кроком, тоді як PBD використовує інший підхід. Він враховує допустимий рівень пошкоджень під час землетрусів, забезпечуючи при цьому належну функціональність будівлі. Уявіть заклади, такі як лікарні, де пацієнтам потрібна медична допомога навіть після землетрусу, або центри обробки даних, які мають тримати сервери в робочому стані за будь-яких обставин. Дослідження кількох інженерних компаній показують, що використання PBD може зменшити витрати на ремонт приблизно на 40 відсотків у порівнянні зі старішими методами. Економія досягається за рахунок більш раціонального вибору матеріалів без компромісу щодо безпеки, що є досить вражаючим, враховуючи серйозність наслідків сейсмічних подій.
Те, як будівлі сприймають сейсмічні навантаження, дуже залежить від наявності неперервних траєкторій передачі навантаження від даху аж до фундаменту. Сталеві будівлі забезпечують цю вимогу головним чином за рахунок рам, що сприймають згинальні моменти, а також стін зсуву, розташованих у ключових точках конструкції для контролю бічного хитання. Особливо для висотних будівель все більше зростає інтерес до гібридних підходів, де традиційні розкосні рами поєднуються зі сталевими плитами стін зсуву. Такі комбінації можуть збільшити жорсткість конструкції на 25–35%, що має велике значення під час сильних землетрусів. Проте важливе значення має правильне детальне проектування, оскільки навіть невеликі помилки у з'єднаннях цих елементів можуть порушити їхню ефективність під час реальних сейсмічних подій.
Ефективний сейсмічний дизайн базується на поєднанні трьох принципів:
Природна пластичність сталі дозволяє контрольовану пластичну деформацію в місцях з'єднань, поглинаючи сейсмічну енергію без раптового руйнування. Аналіз 2023 року реконструйованих будівель показав, що використання стержнів із обмеженим випинанням збільшує розсіювання енергії на 50% порівняно з традиційними конструкціями.
Передові функції, такі як замінні запобіжні елементи, безперечно роблять будівлі міцнішими під час землетрусів, але близько двох третин підрядників досі чинять опір, вважаючи це зайвими витратами. Однак, якщо подивитися на ситуацію в цілому, дослідження життєвого циклу витрат показує цікаві результати щодо інвестування в сейсмостійкі деталі сталевих будівель. Дані свідчать про те, що додаткові витрати на початку можуть заощадити в чотири рази більше згодом, коли не знадобиться масштабне відновлення після землетрусу. Це створює досить переконливий аргумент на користь розробки стандартних методів розрахунку таких переваг, щоб інженери та ті, хто приймає рішення щодо бюджетів, нарешті могли говорити однією мовою про те, що справді важливо в будівельних проектах.
Сталеві конструкції залежать від точно розроблених вузлів та з'єднань, щоб зберігати цілісність під час сейсмічних подій. Каркаси, що сприймають згинальні моменти, із жорсткими з'єднаннями балок і колон рівномірно розподіляють навантаження, тоді як армування деталей у місцях з'єднань запобігає локальним пошкодженням. Належним чином деталізовані сталеві вузли зменшують витрати на ремонт після землетрусу до 40% порівняно з традиційними проектами.
Сучасні болтові з'єднання тепер включають ковзальнокритичні поверхні та попередньо напружені високоміцні болти, що дозволяє контролювати рух без залишкових деформацій. Гібридні зварно-болтові конфігурації поєднують швидкість монтажу з сейсмостійкістю, забезпечуючи скорочення термінів будівництва на 25%, при одночасному дотриманні вимог ASCE 7-22 до робочих характеристик.
Модернізація розв'язки швидкісної дороги I-395 в Каліфорнії у 2022 році замінила крихкі шарнірні з'єднання на системи стальних коробчастих балок із використанням енергопоглинальних пластичних зв'язків. Цей проект вартістю 85 млн дол. витримав сім післятрусів магнітудою 4,0 і вище в 2023 році без жодних пошкоджень конструкцій, що демонструє співвідношення вартості та ефективності передових сталевих модернізацій для критичної інфраструктури.
Фрикційні демпфери Палла, встановлені в діагональних стяжках у формі літери "V", поглинають до 35% сейсмічної енергії в будівлях середньої висоти. У поєднанні з в’язкопружними демпферами в ядерних стінах ці системи зменшують міжповерхові переміщення на 50–70% згідно з даними випробувань на стенді зі струшуванням від провідних науково-дослідних установ.
На відміну від традиційних розпірок, які раптово руйнуються при стисненні, розпірки з обмеженим випинанням (BRBs) використовують сталеві стрижні, укладені в бетоновані труби. Така конструкція збільшує здатність до розсіювання енергії на 300%, одночасно забезпечуючи стабільні петлі гістерезису, що підтверджено в рекомендаціях FEMA P-795.
55-поверховий будинок Toranamon-Azabudai Tower у Токіо використовує демпфери з налагодженими масами вагою 1200 тонн, які працюють у поєднанні з в’язкими стіновими демпферами. Цей гібридний підхід дозволив досягти рекордного скорочення вібрацій від вітру та землетрусів на 60% під час тайфуну Нанмадол у 2023 році.
Понад 78% хмарочосів із стальним каркасом, побудованих після 2020 року в сейсмічних зонах, мають ту чи іншу форму технології демпфування, порівняно з 42% у 2010 році. Очікується, що до 2028 року глобальний ринок сейсмічних демпферів досягне 4,2 млрд доларів США завдяки посиленню будівельних норм у районах із підвищеною сейсмічною активністю.
Сплави нікелю та титану з пам'яттю форми, відомі як NiTi SMAs, змінюють спосіб будівництва сталевих конструкцій, стійких до землетрусів, оскільки можуть повертатися до своєї початкової форми після деформації. Коли будівлі хитаються під час землетрусів, ці спеціальні матеріали поглинають частину цієї енергії, а потім повертаються на місце, коли все стабілізується, що означає менший залишковий ушкодження в цілому. Дослідження показують, що коли інженери впроваджують технологію SMA в з'єднання балок і колон, такі з'єднання можуть витримувати приблизно на 12 відсотків більше бічного навантаження, ніж звичайні сталеві з'єднання. Насправді цікавою їх рисою є здатність реагувати на зміни температури, що дозволяє певним частинам будівель фактично самовідновлюватися після незначних пошкоджень. Це допомагає усунути один із найсерйозніших слабких місць у конструкціях, розташованих поблизу активних розломів.
Сталеві рами, призначені для самозцентрування, як правило, включають попередньо напружені кабелі або балки з фрикційним демпфуванням, що допомагає будівлям повернутися у вихідне положення після поштовхів під час землетрусів. Ця технологія значно зменшує залишкове зміщення — у деяких випадках до 80%, завдяки чому будівлі не нахиляються, як це часто трапляється зі старими методами будівництва. Візьмемо останній приклад із Токіо, де минулого року інженери випробували цей підхід на 40-поверховій будівлі. Після землетрусу конструкція майже не зрушилася і залишилася придатною для використання на рівні приблизно 92% порівняно з показниками до події. Така ефективність логічна, якщо враховувати сучасні будівельні стандарти, які роблять акцент не лише на тому, щоб утримати споруди від руйнування, а й забезпечити швидке повернення людей всередину після стихійного лиха, а не просто уникнути повного обвалення.
Використання замінних деталей, які поглинають енергію під час землетрусів, таких як спеціальні стійкі до вигину розпірки або жертвенні кінці балок, дозволяє зосередити ремонт на певних ділянках після поштовху. Уявіть собі електричний щит у вашому будинку: ці елементи приймають на себе основну частину пошкоджень, щоб їх можна було замінити приблизно за три дні, замість того щоб чекати тижнів або навіть місяців для традиційного ремонту. У більшості сучасних будівель близько чверті до третини систем бічного підтримування складається з цих замінних компонентів, і при цьому зберігається структурна цілісність усієї будівлі. Такий підхід економить час і кошти, коли стикаєшся з лихом, оскільки інженерам не потрібно руйнувати цілі ділянки, щоб виправити пошкоджене.
Системи самовідновлюваної сталі спочатку мають ціну приблизно на 18–22 відсотки вищу, ніж традиційні варіанти. Але з урахуванням того, що відбувається з часом, дослідження показують, що витрати на обслуговування знижуються приблизно на 40% протягом п’ятдесяти років. Деякі люди вказують, що ці додаткові початкові витрати стримують впровадження таких технологій у бідніших регіонах, де кошти мають найбільше значення відразу на початку. З іншого боку, страхові компанії починають надавати знижки від 15 до 20% на будівлі, оснащені цими «розумними» матеріалами, оскільки вони просто краще зменшують ризики. Останнім часом ведеться чимала дискусія щодо оновлення будівельних норм з метою обов’язкового використання таких технологій у сейсмічно небезпечних зонах, навіть якщо це означає початкові витрати. Питання залишається відкритим: чи переважають переваги для безпеки фінансові міркування в цих критичних місцях.
Сучасні оцінки сейсмічного ризику розподіляють території на різні категорії небезпеки на основі прогнозів руху ґрунту та історичних даних про землетруси. Розглядаючи місця з високим рівнем ризику, такі як знаменита зона розлому Сан-Андреас у Каліфорнії чи активна вулканічна зона навколо Індонезії, відому як Вогняне кільце, більшість інженерів надають перевагу сталевим конструкціям, оскільки вони краще гнуться й ефективніше поглинають удари. Нещодавні дослідження 2024 року показали цікавий результат — будівлі зі сталевим каркасом, розташовані в так званих зонах 4, де землетруси відбуваються найчастіше, отримували приблизно на 40 відсотків менше пошкоджень у порівнянні з аналогічними за розміром залізобетонними спорудами під час випробувань на моделювання землетрусів магнітудою 7. Усі ці висновки суттєво впливають на вибір матеріалів для будівельних проектів. Ми спостерігаємо зростання використання сталі приблизно на 18 відсотків щороку в таких великих містах, як Токіо та Лос-Анджелес, починаючи з початку десятиліття.
Землетруси в Туреччині та Сирії 2023 року (магнітудою 7,8) виявили критичні недоліки конструкцій із великим вмістом бетону, де 92% обвалених будівель мали недуктильні бетонні каркаси. Натомість землетрус Тохоку в Японії 2011 року (магнітудою 9,1) продемонстрував стійкість сталевих конструкцій — лише 0,3% висотних будівель із сталевим каркасом у Сендай потребували знесення. Основні висновки:
Країни з формуючоюся економікою стикаються з унікальними викликами, поєднуючи обмежені бюджети з вимогами до сейсмічної безпеки. Ефективний підхід поєднує:
Огляд розумних демпферних систем 2023 року показує, що такі країни, як Чилі та Непал, тепер впроваджують спрощені сталеві зв'язки з обмеженим випинанням за ціною на 60% нижчою, ніж традиційні системи. Цей підхід дозволяє містам, таким як Катманду, щороку модернізувати понад 150 важливих будівель, зберігаючи 85% початкового будівельного бюджету.
Сталь використовують через її пластичність і здатність поглинати та розсіювати енергію під час сейсмічних подій, запобігаючи обваленню та мінімізуючи пошкодження.
Сталеві конструкції на 60% легші, простіші у ремонті та краще розсіюють енергію, ніж бетон, який часто отримує непоправні пошкодження.
Сучасні з'єднання, такі як болтові та зварні з'єднання, забезпечують цілісність під навантаженням, підвищуючи довговічність під час і після землетрусів.
Розумні матеріали, такі як сплави з пам'яттю форми, забезпечують здатність до самовідновлення, зменшуючи тривалі витрати на обслуговування та підвищуючи структурну цілісність.
Авторське право © 2025 Bao-Wu(Tianjin) Import & Export Co., Ltd. - Політика конфіденційності
EN
