Устойчиво на земетресения строителство: Глобално ръководство за изграждане на устойчивост

Земетресенията са опустошителни природни бедствия, които могат да причинят мащабни разрушения и загуба на човешки животи. Изграждането на сгради, които могат да устоят на сеизмичните сили, е от решаващо значение за смекчаване на въздействието на тези събития. Това ръководство предоставя цялостен преглед на принципите, техниките и технологиите за земетръсоустойчиво строителство, използвани по света, като предлага прозрения за инженери, архитекти, строители и политици.

Разбиране на сеизмичните сили

Преди да се задълбочим в строителните техники, е важно да разберем силите, които действат по време на земетресение. Сеизмичните вълни генерират движение на земната основа, което упражнява хоризонтални и вертикални сили върху конструкциите. Големината и продължителността на тези сили зависят от фактори като магнитуда на земетресението, разстоянието от епицентъра и местните почвени условия. Сградите трябва да бъдат проектирани така, че да устояват на тези сили, без да се срутват.

Ключови сеизмични понятия

• Магнитуд: Размерът на земетресението, обикновено измерван по скалата на Рихтер или скалата на моментния магнитуд.
• Интензивност: Степента на разтърсване, изпитана на определено място, измерена по Модифицираната скала на Меркали за интензивност.
• Земно ускорение: Скоростта на промяна на скоростта на земната основа по време на земетресение, критичен фактор в конструктивното проектиране.
• Резонанс: Тенденцията на една конструкция да вибрира с определена честота. Ако честотата на земетресението съвпада с резонансната честота на сградата, това може да доведе до усилено разтърсване и увеличени щети.
• Втечняване: Явление, при което рохка, наситена почва губи своята якост и коравина по време на земетресение, което кара сградите да потъват или да се преобръщат.

Принципи на земетръсоустойчивото проектиране

Земетръсоустойчивото проектиране има за цел да създаде конструкции, които могат да устоят на сеизмичните сили, без да се срутят или да претърпят значителни щети. Следните принципи ръководят този процес на проектиране:

1. Якост

Сградите трябва да бъдат достатъчно здрави, за да устоят на страничните сили, генерирани от земетресения. Това се постига чрез използване на материали с висока якост, като стоманобетон и стомана, и чрез проектиране на конструктивни елементи, които могат да издържат на големи натоварвания.

Пример: Стоманобетонните колони и греди са проектирани да устояват както на натискови, така и на опънни сили, осигурявайки повишена якост и дуктилност.

2. Дуктилност

Дуктилността се отнася до способността на конструкцията да се деформира, без да се разруши. Дуктилните конструкции могат да поемат енергия по време на земетресение, намалявайки силите, предавани към носещата конструкция на сградата. Това често се постига чрез използване на материали, които могат да претърпят значителна пластична деформация преди разрушаване.

Пример: Стоманата е силно дуктилен материал, което я прави идеална за земетръсоустойчиво строителство. Стоманените рамки могат да се деформират значително, без да се срутят, осигурявайки на обитателите повече време за евакуация.

3. Коравина

Коравината е съпротивлението на конструкцията срещу деформация. Докато прекомерната коравина може да доведе до по-високи сеизмични сили, адекватната коравина е необходима за предотвратяване на прекомерно люлеене и нестабилност. Оптималната коравина зависи от височината, формата и предназначението на сградата.

Пример: Противоземетръсни шайби и укрепени рамки се използват за увеличаване на коравината на сградата и предотвратяване на прекомерно странично изместване по време на земетресение.

4. Регулярност

Регулярните, симетрични форми на сградите се представят по-добре по време на земетресения от неправилните форми. Нерегулярностите могат да създадат концентрации на напрежение и усукващи сили, които могат да доведат до локални разрушения.

Пример: Сградите с прости правоъгълни или квадратни планове обикновено са по-устойчиви на земетресения от Г-образни или Т-образни сгради.

5. Резервираност

Резервираността се отнася до наличието на множество пътища за поемане на натоварването в една конструкция. Ако един конструктивен елемент се повреди, други елементи могат да поемат неговото натоварване, предотвратявайки катастрофално срутване.

Пример: Множество противоземетръсни шайби или укрепени рамки могат да осигурят резервираност в системата на сградата, поемаща страничните натоварвания.

Техники за земетръсоустойчиво строителство

Могат да се използват различни строителни техники за подобряване на земетръсната устойчивост на сградата. Тези техники имат за цел да подобрят якостта, дуктилността, коравината и регулярността.

1. Стоманобетонни конструкции

Стоманобетонът е широко използван материал в земетръсоустойчивото строителство. Стоманената армировка осигурява якост на опън на бетона, който е силен на натиск, но слаб на опън. Правилно проектираните стоманобетонни конструкции могат да издържат на значителни сеизмични сили.

Техники:

• Ограничен бетон: Обвиването на бетонни колони и греди със стоманени стремена или спирали увеличава тяхната дуктилност и предотвратява преждевременното разрушаване.
• Противоземетръсни шайби: Стоманобетонни стени, проектирани да устояват на странични сили. Те обикновено се поставят стратегически в цялата сграда, за да осигурят коравина и якост.
• Рамки, поемащи моменти: Рамки, проектирани да устояват на огъващи моменти, осигуряващи дуктилност и разсейване на енергия.

Примери от света: Стоманобетонът се използва широко във високи сгради и инфраструктурни проекти в сеизмично активни региони като Япония, Чили и Калифорния.

2. Стоманени конструкции

Стоманата е друг популярен материал за земетръсоустойчиво строителство поради своята висока якост, дуктилност и капацитет за поемане на енергия. Стоманените конструкции могат да бъдат проектирани така, че да се деформират значително, без да се срутят, осигурявайки на обитателите по-голям шанс за оцеляване.

Техники:

• Стоманени рамки: Стоманените рамки обикновено се изграждат от греди и колони, свързани с моментоносещи връзки. Тези връзки позволяват на рамката да се деформира пластично по време на земетресение, разсейвайки енергия.
• Укрепени рамки: Стоманени диагонали се използват за увеличаване на коравината и якостта на стоманените рамки. Те обикновено са подредени в диагонални схеми, за да устояват на странични сили.
• Ексцентрично укрепени рамки (EBFs): Тип укрепена рамка, която включва къса, умишлено отслабена секция, наречена „връзка“. Връзката е проектирана да се поддаде и да разсее енергия по време на земетресение, предпазвайки останалата част от конструкцията.

Примери от света: Стоманените конструкции се използват често в промишлени сгради, мостове и високи сгради в сеизмично активни райони като Нова Зеландия и Турция.

3. Дървени конструкции

Дървото може да бъде изненадващо ефективен материал за земетръсоустойчиво строителство, особено в нискоетажни сгради. Дървото е леко, гъвкаво и може да поеме значителна енергия. Въпреки това, правилното проектиране и строителни техники са от решаващо значение за осигуряване на адекватно представяне.

Техники:

• Противоземетръсни шайби: Дървените противоземетръсни шайби се изграждат от шперплат или плочи с ориентирани частици (OSB), заковани към дървена рамка. Те осигуряват странично съпротивление и предотвратяват деформации.
• Диафрагми: Дървените диафрагми са хоризонтални конструктивни елементи, които разпределят страничните сили към противоземетръсните шайби.
• Връзки: Здравите и дуктилни връзки са от съществено значение, за да се гарантира, че дървените конструкции могат да издържат на сеизмични сили.

Примери от света: Дървено-рамковото строителство е широко използвано в жилищни сгради в Северна Америка, Япония и други региони с история на земетресения.

4. Сеизмоизолация на основите

Сеизмоизолацията на основите е техника, която отделя сградата от земята, намалявайки количеството сеизмична енергия, предавана на конструкцията. Това се постига чрез поставяне на гъвкави лагери или изолатори между основата на сградата и земята.

Техники:

• Еластомерни лагери: Изработени от слоеве гума и стомана, тези лагери осигуряват гъвкавост и демпфиране.
• Фрикционни махални системи: Тези системи използват извита повърхност и плъзгач за разсейване на енергия чрез триене.

Примери от света: Сеизмоизолацията е използвана в множество сгради и мостове по света, включително сградата на градския и окръжен съвет в Солт Лейк Сити, Юта, САЩ, и Международния терминал на летището в Сан Франциско.

5. Демпферни системи

Демпферните системи са устройства, които разсейват енергия по време на земетресение, намалявайки вибрациите и напреженията в сградата. Тези системи могат да бъдат инсталирани в конструкцията на сградата или като част от системата за сеизмоизолация на основите.

Техники:

• Вискозни демпфери: Тези демпфери използват съпротивлението на флуид за разсейване на енергия.
• Фрикционни демпфери: Тези демпфери използват триенето между повърхностите за разсейване на енергия.
• Настроени масови демпфери (TMDs): Тези демпфери се състоят от маса, прикрепена към сградата чрез пружини и демпфери. Те са настроени на резонансната честота на сградата, за да намалят вибрациите.

Примери от света: Демпферни системи са използвани в сгради като небостъргача Тайпе 101 в Тайван и моста Милениум в Лондон.

Сеизмично укрепване

Сеизмичното укрепване включва подсилване на съществуващи сгради, за да ги направи по-устойчиви на земетресения. Това често е необходимо за по-стари сгради, които не са проектирани според съвременните сеизмични стандарти.

Техники за укрепване

• Добавяне на противоземетръсни шайби: Инсталирането на нови противоземетръсни шайби може значително да увеличи страничното съпротивление на сградата.
• Укрепване на връзки: Укрепването на връзките между конструктивните елементи може да подобри цялостното представяне на сградата.
• Композити от влакнесто-армирани полимери (FRP): FRP композитите могат да се използват за обвиване на колони и греди, увеличавайки тяхната якост и дуктилност.
• Сеизмоизолация на основите: Сеизмоизолация може да се инсталира под съществуващи сгради, за да се намали количеството сеизмична енергия, предавана на конструкцията.

Примери от света: Програми за сеизмично укрепване са приложени в много страни, включително САЩ, Япония и Италия, за подобряване на безопасността на съществуващите сгради.

Строителни норми и разпоредби

Строителните норми и разпоредби играят решаваща роля за гарантирането, че сградите са проектирани и конструирани така, че да устояват на земетресения. Тези норми определят минимални изисквания за сеизмично проектиране, включително свойства на материалите, конструктивни детайли и строителни практики.

Международен строителен кодекс (IBC)

Международният строителен кодекс (IBC) е широко приет модел на строителен кодекс, който предоставя всеобхватни изисквания за земетръсоустойчиво проектиране. Той се основава на най-новите научни познания и инженерни практики.

Еврокод 8

Еврокод 8 е европейският стандарт за земетръсоустойчиво проектиране. Той предоставя подробни насоки за проектирането и изграждането на сгради и други съоръжения в сеизмично активни региони на Европа.

Национални строителни норми

Много държави имат свои собствени национални строителни норми, които включват специфични изисквания за земетръсоустойчиво проектиране. Тези норми често са съобразени с местните сеизмични условия и строителни практики.

Ролята на технологиите и иновациите

Напредъкът в технологиите и иновациите непрекъснато подобрява способността ни да проектираме и изграждаме земетръсоустойчиви сгради. Някои ключови области на иновации включват:

• Напреднали материали: Разработват се нови материали, като високоякостен бетон и сплави с памет на формата, за да се подобрят якостта, дуктилността и трайността на конструкциите.
• Умни конструкции: Умните конструкции включват сензори и изпълнителни механизми, които могат да наблюдават и реагират на сеизмични събития в реално време.
• Строително-информационно моделиране (BIM): BIM позволява на инженерите и архитектите да създават подробни 3D модели на сгради, което им позволява да анализират тяхното сеизмично представяне и да оптимизират дизайна им.
• Изкуствен интелект (AI): AI може да се използва за анализ на големи масиви от данни за земетресения и идентифициране на модели, които могат да послужат за проектиране на по-устойчиви конструкции.

Значението на общностното планиране и образование

Земетръсоустойчивото строителство не е единственият фактор за смекчаване на въздействието на земетресенията. Общностното планиране и образованието също са от решаващо значение. Това включва:

• Планиране на земеползването: Избягване на строителство в райони с висок потенциал за втечняване или в близост до активни разломи.
• Готовност при извънредни ситуации: Разработване на планове за реагиране при извънредни ситуации и обучение на обществеността относно безопасността при земетресения.
• Обществена осведоменост: Повишаване на осведомеността за важността на земетръсоустойчивото строителство и сеизмичното укрепване.

Заключение

Земетръсоустойчивото строителство е сложна и многостранна област, която изисква дълбоко разбиране на сеизмичните сили, принципите на строителното инженерство и строителните техники. Чрез прилагането на принципите и техниките, описани в това ръководство, можем да изградим по-безопасни и по-устойчиви общности, които могат да устоят на опустошителните последици от земетресенията. Непрекъснатите иновации, сътрудничеството и спазването на строителните норми са от съществено значение за гарантиране на безопасността и благосъстоянието на хората, живеещи в сеизмично активни региони по света.

Не забравяйте, че „земетръсоустойчив“ е донякъде погрешно наименование. По-точно е да се стремим към „устойчиво на земетресения“ или „сеизмично устойчиво“ строителство, тъй като дори най-добре проектираните сгради могат да претърпят известни щети по време на голямо земетресение. Целта е да се сведат до минимум щетите и да се предотврати срутването, като се защитят животи и имущество.