Землетрясения происходят, когда массы горных пород в земной коре смещаются и скользят друг по другу. Этот вид движения наиболее распространен вдоль разлома, разлома в массиве горных пород, который может простираться на мили или даже сотни миль. Когда куски породы земной коры внезапно соскальзывают и движутся, они выделяют огромное количество энергии, которая затем распространяется по земной коре в виде сейсмических волн. На поверхности Земли эти волны вызывают сотрясение и вибрацию грунта, иногда сильную.
Геологи подразделяют сейсмические волны на две широкие категории: объемные и поверхностные волны. Объемные волны, которые включают P- и S-волны, распространяются внутри Земли. Волны P напоминают звуковые волны, что означает, что они сжимают и расширяют материал при прохождении. Волны S напоминают волны на воде, что означает, что они перемещают материал вверх и вниз. Волны P проходят как через твердые тела, так и через жидкости, в то время как волны S проходят только через твердые тела.
Если бы землетрясения смещали грунт только вертикально, зданиям мог бы быть нанесен незначительный ущерб, поскольку все конструкции спроектированы так, чтобы в некоторой степени противостоять вертикальным силам— связанным с гравитацией. Но накатывающие волны землетрясения, особенно волны любви, оказывают экстремальные горизонтальные силы на стоячие конструкции. Эти силы вызывают боковые ускорения, которые ученые измеряют как G-силы. Например, землетрясение магнитудой 6,7 может вызвать ускорение в 1 G и пиковую скорость в 40 дюймов (102 сантиметра) в секунду. Такое резкое движение в сторону (почти как если бы кто-то сильно толкнул вас) создает огромные напряжения для конструктивных элементов здания, включая балки, колонны, стены и полы, а также соединители, которые скрепляют эти элементы вместе. Если эти напряжения достаточно велики, здание может рухнуть или получить серьезные повреждения.
Другим важным фактором является основание дома или небоскреба. Здания, построенные на скальном основании, часто работают хорошо, потому что грунт твердый. Конструкции, которые расположены на мягком или насыпанном грунте, часто полностью разрушаются. Наибольший риск в этой ситуации представляет явление, известное как разжижение, которое возникает, когда неплотно уплотненный, заболоченный грунт временно ведет себя как жидкость, вызывая проседание грунта и скольжение зданий вместе с ним.
Сейсмическая способность стальных конструкций
Стальные конструкции всегда считались подходящим решением для строительства в районах с высокой сейсмичностью из-за очень хорошей прочности и пластичности конструкционного материала, высокого качества, гарантируемого промышленным производством стальных профилей и пластин, и надежности соединений.
Использование конструкционной стали в качестве основного конструкционного материала дает возможность воспользоваться преимуществами меньшей массы стальных зданий и способностью материала пластически деформироваться и поглощать энергию при этом. Энергопоглощающие компоненты могут быть легко включены в конструктивное решение.
Опыт показал, что правильно спроектированные стальные конструкции хорошо работают при землетрясениях. Значительные повреждения конструкций и обрушения, а также связанные с ними человеческие жертвы в основном были связаны со старыми зданиями из каменной кладки и бетона, которые не были сейсмически спроектированы. Ключевыми преимуществами зданий со стальным каркасом являются: • Пластичность стали и стальных каркасов • Гибкость и малый вес стальных зданий.
Пластичность описывает степень, в которой материал (или конструкция) может подвергаться большим деформациям без разрушения. Этот термин используется в сейсмостойкости для обозначения того, насколько хорошо здание выдержит большие боковые смещения, вызванные сотрясением грунта.
Жесткость — это мера того, какое усилие требуется для смещения здания на определенную величину. Если для смещения здания А требуется большее усилие, чем для здания В, мы бы сказали, что здание А более жесткое. Жесткость может быть выгодной с точки зрения ущерба от землетрясения, поскольку она может ограничить требования к деформации здания.
Однако вы можете иметь слишком много хорошего. Слишком жесткая конструкция (часто называемая хрупкой) будет подвержена разрушению при относительно небольших требованиях к деформации. Примером хрупкой конструкции является здание из неармированной каменной кладки, которое выдержит очень небольшое смещение до начала повреждения и разрушения.
Следовательно, способность пластичной конструкции искажать и рассеивать энергию во время землетрясения также выгодна, поскольку она будет продолжать деформироваться, не доходя до окончательного разрушения. Примером пластичной конструкции является должным образом проработанный стальной каркас со степенью эластичности, которая позволит ему подвергаться большим деформациям до начала разрушения.
Стальные конструкции особенно хорошо рассеивают энергию землетрясений благодаря: • пластичности стали как материала; • множеству возможных механизмов пластичности, достижимых в конструкционных стальных элементах и их соединениях; • надежным геометрическим и физическим свойствам. Конструктивные элементы, такие как рамы с эксцентричным креплением, спроектированы таким образом, что крепежный элемент обрамляет балку, эксцентричную по отношению к колонне.
Оценка сейсмичности Из-за экономических и человеческих издержек землетрясений за последнее столетие значительные усилия были вложены в понимание и оценку воздействия землетрясений на здания и разработку норм, регулирующих проектирование и строительство сейсмостойких зданий. Для анализа реакции сооружения, подвергшегося землетрясению, может быть использовано несколько методов. Выбор метода зависит от конструкции и целей анализа и включает:
- Стандартным методом, используемым при проектировании, является модальный отклик с использованием расчетного спектра. Это линейный метод, в котором неупругое поведение учитывается при определении расчетного спектра посредством использования коэффициента поведения.
- Метод ‘поперечной силы’ является упрощенной версией метода модального отклика и представляет собой статический анализ, который может быть использован только для обычных конструкций, которые реагируют по существу на один единственный режим вибрации.
- Анализ ‘толчка’ — это нелинейный статический анализ, выполняемый при постоянных гравитационных нагрузках и монотонно возрастающих горизонтальных нагрузках
- Нелинейный анализ во времени — это динамический анализ, полученный путем прямого численного интегрирования дифференциальных уравнений движения. Действие землетрясения представлено акселерограммами. Этот тип анализа используется для исследований и подготовки кода.
Гибкость и малый вес
Существуют и другие преимущества стальных конструкций в сейсмической зоне, а именно их гибкость и малый вес. Более жесткие и тяжеловесные конструкции притягивают большие силы при землетрясении. Стальные конструкции, как правило, более гибкие, чем конструкции других типов, и имеют меньший вес (как обсуждается ниже). Поэтому силы в конструкции и ее фундаментах ниже. Это уменьшение расчетных усилий значительно снижает стоимость как надстройки, так и фундамента здания.
Стальные конструкции, как правило, легкие по сравнению с конструкциями из других материалов. Поскольку силы землетрясения связаны с инерцией, они связаны с массой конструкции, и поэтому уменьшение массы неизбежно приводит к снижению расчетных сейсмических сил. Действительно, некоторые стальные конструкции достаточно легкие, чтобы сейсмическая конструкция не была критичной. Это особенно относится к залам / ангарам: они создают оболочку вокруг большого объема, поэтому их вес на единицу площади поверхности невелик, а силы ветра, а не сейсмические воздействия, обычно определяют конструкцию. Это означает, что здание, рассчитанное на гравитационные и ветровые нагрузки, косвенно обеспечивает достаточную устойчивость к землетрясениям. Это объясняет, почему при прошлых землетрясениях такие здания, как наблюдалось, работали намного лучше, чем здания, построенные из тяжелых материалов.
Сейсмическое проектирование стальных конструкций
Руководящими принципами концептуального сейсмического проектирования являются: • простота конструкции; • однородность, симметрия и избыточность; • двунаправленное сопротивление и жесткость (сопротивление кручению и жесткость). • использование прочных и негнущихся диафрагм на уровнях этажей • использование надлежащих фундаментов. Сейсмическое проектирование, основанное на эксплуатационных характеристиках, в настоящее время широко используется проектировщиками. Определены эксплуатационные характеристики для землетрясений различной магнитуды, и конструкция здания спроектирована для достижения этих целей. Общепринятые формы конструкционной стали, принятые для сейсмостойкости, включают: • Моментостойкие рамы • Рамы с концентрическими креплениями • Рамы с концентрическими креплениями и рассеивающими соединениями • Рамы с эксцентрическими креплениями • Композитные сталебетонные решения, включающие каркасы со скобами и моментостойкие рамы, стены и колонны. В стальных зданиях легко внедряются такие инновации, как сердечники из стальных пластин, которые также поглощают энергию за счет деформации при сдвиге; энергопоглощающие поперечные крепления, позволяющие поднимать основания колонн.