Сейсмостойкое строительство: Глобальное руководство по обеспечению устойчивости зданий

Землетрясения — это разрушительные стихийные бедствия, которые могут вызывать повсеместные разрушения и гибель людей. Строительство зданий, способных выдерживать сейсмические воздействия, имеет решающее значение для смягчения последствий этих событий. В этом руководстве представлен всеобъемлющий обзор принципов, методов и технологий сейсмостойкого строительства, используемых по всему миру, и предлагаются идеи для инженеров, архитекторов, строителей и политиков.

Понимание сейсмических сил

Прежде чем углубляться в строительные технологии, необходимо понять силы, действующие во время землетрясения. Сейсмические волны вызывают движение грунта, которое оказывает на конструкции горизонтальные и вертикальные нагрузки. Величина и продолжительность этих сил зависят от таких факторов, как магнитуда землетрясения, расстояние от эпицентра и местные почвенные условия. Здания должны быть спроектированы так, чтобы противостоять этим силам без обрушения.

Ключевые сейсмические концепции

• Магнитуда: Размер землетрясения, обычно измеряемый по шкале Рихтера или шкале моментной магнитуды.
• Интенсивность: Степень сотрясения, ощущаемая в определенном месте, измеряемая по модифицированной шкале интенсивности Меркалли.
• Ускорение грунта: Скорость изменения скорости грунта во время землетрясения, критический фактор при проектировании конструкций.
• Резонанс: Склонность конструкции к колебаниям на определенной частоте. Если частота землетрясения совпадает с резонансной частотой здания, это может привести к усилению колебаний и увеличению ущерба.
• Разжижение грунта: Явление, при котором рыхлый, насыщенный водой грунт теряет свою прочность и жесткость во время землетрясения, что приводит к оседанию или опрокидыванию зданий.

Принципы сейсмостойкого проектирования

Сейсмостойкое проектирование направлено на создание конструкций, которые могут выдерживать сейсмические силы без обрушения или получения значительных повреждений. Этот процесс проектирования руководствуется следующими принципами:

1. Прочность

Здания должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять боковым силам, создаваемым землетрясениями. Это достигается за счет использования высокопрочных материалов, таких как железобетон и сталь, а также путем проектирования конструктивных элементов, способных выдерживать большие нагрузки.

Пример: Железобетонные колонны и балки проектируются таким образом, чтобы противостоять как сжимающим, так и растягивающим силам, обеспечивая повышенную прочность и пластичность.

2. Пластичность

Пластичность — это способность конструкции деформироваться без разрушения. Пластичные конструкции могут поглощать энергию во время землетрясения, уменьшая силы, передаваемые на каркас здания. Это часто достигается за счет использования материалов, которые могут подвергаться значительной пластической деформации перед разрушением.

Пример: Сталь является высокопластичным материалом, что делает ее идеальной для сейсмостойкого строительства. Стальные каркасы могут значительно деформироваться без обрушения, предоставляя жильцам больше времени для эвакуации.

3. Жёсткость

Жёсткость — это сопротивление конструкции деформации. Хотя избыточная жесткость может привести к более высоким сейсмическим нагрузкам, достаточная жесткость необходима для предотвращения чрезмерного раскачивания и неустойчивости. Оптимальная жесткость зависит от высоты, формы и назначения здания.

Пример: Диафрагмы жёсткости и рамные связи используются для увеличения жесткости здания и предотвращения чрезмерного бокового смещения во время землетрясения.

4. Регулярность

Здания регулярной, симметричной формы лучше ведут себя во время землетрясений, чем здания неправильной формы. Неровности могут создавать концентрации напряжений и крутильные силы, которые могут привести к локальным разрушениям.

Пример: Здания с простым прямоугольным или квадратным планом, как правило, более сейсмостойки, чем Г-образные или Т-образные здания.

5. Избыточность

Избыточность означает наличие в конструкции нескольких путей передачи нагрузки. Если один конструктивный элемент выходит из строя, другие элементы могут взять на себя его нагрузку, предотвращая катастрофическое обрушение.

Пример: Несколько диафрагм жёсткости или рамных связей могут обеспечить избыточность в системе сопротивления боковым нагрузкам здания.

Технологии сейсмостойкого строительства

Для повышения сейсмостойкости здания могут применяться различные строительные технологии. Эти технологии направлены на улучшение прочности, пластичности, жесткости и регулярности.

1. Железобетонные конструкции

Железобетон — широко используемый материал в сейсмостойком строительстве. Стальная арматура придает бетону прочность на растяжение, так как бетон прочен на сжатие, но слаб на растяжение. Правильно спроектированные железобетонные конструкции могут выдерживать значительные сейсмические нагрузки.

Технологии:

• Обоймный железобетон: Армирование бетонных колонн и балок стальными хомутами или спиралями увеличивает их пластичность и предотвращает преждевременное разрушение.
• Диафрагмы жёсткости: Железобетонные стены, предназначенные для сопротивления боковым силам. Они обычно стратегически размещаются по всему зданию для обеспечения жесткости и прочности.
• Рамы, сопротивляющиеся изгибающему моменту: Каркасы, спроектированные для сопротивления изгибающим моментам, обеспечивающие пластичность и рассеивание энергии.

Мировые примеры: Железобетон широко используется в высотных зданиях и инфраструктурных проектах в сейсмически активных регионах, таких как Япония, Чили и Калифорния.

2. Стальные конструкции

Сталь — еще один популярный материал для сейсмостойкого строительства благодаря своей высокой прочности, пластичности и способности поглощать энергию. Стальные конструкции могут быть спроектированы так, чтобы значительно деформироваться без обрушения, предоставляя жильцам больше шансов на выживание.

Технологии:

• Стальные каркасы: Стальные каркасы обычно состоят из балок и колонн, соединенных соединениями, сопротивляющимися изгибающему моменту. Эти соединения позволяют каркасу пластически деформироваться во время землетрясения, рассеивая энергию.
• Рамные связи: Стальные связи используются для увеличения жесткости и прочности стальных каркасов. Они обычно располагаются по диагонали для сопротивления боковым силам.
• Эксцентрично-связевые рамы (ЭСР): Тип связевой рамы, который включает короткий, намеренно ослабленный участок, называемый «звеном». Звено спроектировано так, чтобы поддаваться и рассеивать энергию во время землетрясения, защищая остальную часть конструкции.

Мировые примеры: Стальные конструкции часто используются в промышленных зданиях, мостах и высотных зданиях в сейсмически активных районах, таких как Новая Зеландия и Турция.

3. Деревянные конструкции

Дерево может быть удивительно эффективным материалом для сейсмостойкого строительства, особенно в малоэтажных зданиях. Дерево легкое, гибкое и может поглощать значительную энергию. Однако правильное проектирование и строительные технологии имеют решающее значение для обеспечения надлежащей работы.

Технологии:

• Диафрагмы жёсткости: Деревянные диафрагмы жёсткости изготавливаются из фанеры или ориентированно-стружечных плит (ОСП), прибитых к деревянному каркасу. Они обеспечивают боковое сопротивление и предотвращают перекос.
• Диафрагмы перекрытий: Деревянные диафрагмы — это горизонтальные конструктивные элементы, которые распределяют боковые силы на диафрагмы жёсткости.
• Соединения: Прочные и пластичные соединения необходимы для обеспечения того, чтобы деревянные конструкции могли выдерживать сейсмические нагрузки.

Мировые примеры: Каркасное деревянное домостроение широко используется в жилых зданиях в Северной Америке, Японии и других регионах с историей землетрясений.

4. Сейсмоизоляция фундамента

Сейсмоизоляция фундамента — это метод, который отделяет здание от грунта, уменьшая количество сейсмической энергии, передаваемой на конструкцию. Это достигается путем размещения гибких опор или изоляторов между фундаментом здания и грунтом.

Технологии:

• Эластомерные опоры: Изготовленные из слоев резины и стали, эти опоры обеспечивают гибкость и демпфирование.
• Маятниковые фрикционные опоры: Эти системы используют изогнутую поверхность и ползун для рассеивания энергии за счет трения.

Мировые примеры: Сейсмоизоляция фундамента была использована во многих зданиях и мостах по всему миру, включая здание администрации Солт-Лейк-Сити и округа в штате Юта, США, и Международный терминал в Международном аэропорту Сан-Франциско.

5. Демпфирующие системы

Демпфирующие системы — это устройства, которые рассеивают энергию во время землетрясения, уменьшая вибрации и напряжения в здании. Эти системы могут быть установлены внутри конструкции здания или как часть системы сейсмоизоляции фундамента.

Технологии:

• Вязкостные демпферы: Эти демпферы используют сопротивление жидкости для рассеивания энергии.
• Фрикционные демпферы: Эти демпферы используют трение между поверхностями для рассеивания энергии.
• Динамические гасители колебаний (ДГК): Эти демпферы состоят из массы, прикрепленной к зданию через пружины и амортизаторы. Они настроены на резонансную частоту здания для уменьшения вибраций.

Мировые примеры: Демпфирующие системы были использованы в таких зданиях, как небоскреб Тайбэй 101 на Тайване и мост Миллениум в Лондоне.

Сейсмоусиление

Сейсмоусиление включает в себя укрепление существующих зданий, чтобы сделать их более устойчивыми к землетрясениям. Это часто необходимо для старых зданий, которые не были спроектированы в соответствии с современными сейсмическими стандартами.

Технологии сейсмоусиления

• Добавление диафрагм жёсткости: Установка новых диафрагм жёсткости может значительно увеличить боковое сопротивление здания.
• Усиление соединений: Усиление соединений между конструктивными элементами может улучшить общую производительность здания.
• Композиты из фиброармированного полимера (FRP): Композиты FRP могут использоваться для обертывания колонн и балок, увеличивая их прочность и пластичность.
• Сейсмоизоляция фундамента: Сейсмоизоляция может быть установлена под существующими зданиями для уменьшения количества сейсмической энергии, передаваемой на конструкцию.

Мировые примеры: Программы сейсмоусиления были реализованы во многих странах, включая США, Японию и Италию, для повышения безопасности существующих зданий.

Строительные нормы и правила

Строительные нормы и правила играют решающую роль в обеспечении того, чтобы здания проектировались и строились так, чтобы выдерживать землетрясения. Эти кодексы определяют минимальные требования к сейсмическому проектированию, включая свойства материалов, деталировку конструкций и методы строительства.

Международный строительный кодекс (IBC)

Международный строительный кодекс (IBC) — это широко принятый модельный строительный кодекс, который содержит всеобъемлющие требования к сейсмостойкому проектированию. Он основан на последних научных знаниях и инженерной практике.

Еврокод 8

Еврокод 8 — это европейский стандарт сейсмостойкого проектирования. Он предоставляет подробные руководящие принципы для проектирования и строительства зданий и других сооружений в сейсмически активных регионах Европы.

Национальные строительные кодексы

Многие страны имеют свои собственные национальные строительные кодексы, которые включают конкретные требования к сейсмостойкому проектированию. Эти кодексы часто адаптированы к местным сейсмическим условиям и строительным практикам.

Роль технологий и инноваций

Достижения в области технологий и инноваций постоянно улучшают нашу способность проектировать и строить сейсмостойкие здания. Некоторые ключевые области инноваций включают:

• Передовые материалы: Разрабатываются новые материалы, такие как высокопрочный бетон и сплавы с памятью формы, для повышения прочности, пластичности и долговечности конструкций.
• «Умные» конструкции: «Умные» конструкции включают датчики и исполнительные механизмы, которые могут отслеживать и реагировать на сейсмические события в режиме реального времени.
• Информационное моделирование зданий (BIM): BIM позволяет инженерам и архитекторам создавать подробные 3D-модели зданий, что позволяет им анализировать их сейсмические характеристики и оптимизировать их дизайн.
• Искусственный интеллект (ИИ): ИИ может использоваться для анализа больших наборов данных о землетрясениях и выявления закономерностей, которые могут лечь в основу проектирования более устойчивых конструкций.

Важность общественного планирования и просвещения

Сейсмостойкое строительство — не единственный фактор в смягчении последствий землетрясений. Общественное планирование и просвещение также имеют решающее значение. Это включает:

• Планирование землепользования: Избегание строительства в районах с высоким потенциалом разжижения грунта или вблизи активных разломов.
• Готовность к чрезвычайным ситуациям: Разработка планов реагирования на чрезвычайные ситуации и просвещение общественности о правилах безопасности при землетрясении.
• Осведомленность общественности: Повышение осведомленности о важности сейсмостойкого строительства и сейсмоусиления.

Заключение

Сейсмостойкое строительство — это сложная и многогранная область, требующая глубокого понимания сейсмических сил, принципов проектирования конструкций и строительных технологий. Внедряя принципы и методы, изложенные в этом руководстве, мы можем строить более безопасные и устойчивые сообщества, способные выдерживать разрушительные последствия землетрясений. Непрерывные инновации, сотрудничество и соблюдение строительных норм имеют важное значение для обеспечения безопасности и благополучия людей, живущих в сейсмически активных регионах по всему миру.

Помните, что термин «сейсмонепроницаемый» (earthquake-proof) в некоторой степени является неточным. Более правильно стремиться к «сейсмостойкому» или «сейсмоустойчивому» строительству, так как даже самые хорошо спроектированные здания могут получить некоторые повреждения во время сильного землетрясения. Цель состоит в том, чтобы минимизировать ущерб и предотвратить обрушение, защищая жизни и имущество.