Сейсмостойкое строительство

Сейсмостойкое строительство — раздел гражданского строительства, специализирующийся в области изучения поведения зданий и сооружений под сейсмическим воздействием^[1] в виде сотрясений земной поверхности, потери грунтом своей несущей способности, волн цунами и разработки методов и технологий строительства зданий, устойчивых к сейсмическим воздействиям.

Сейсмостойкое строительство может рассматривать любой строительный объект как фортификационное сооружение, но предназначенное для обороны от специфического противника — землетрясения и/или вызванных землетрясением катастроф (например, цунами). В обоих случаях основной принцип проектирования общий: замедлить или ослабить возможную атаку, вплоть до невозможности победы для атакующего.

20-этажный жилой дом [1], упавший при разрушительном землетрясении в Чили, 2010

Taipei 101, второй по высоте в мире небоскрёб, оборудованный инерционным демпфером

Сейсмически прочная и массивная Пирамида Кукулькана города Чичен-Ица

Главные задачи сейсмостойкого строительства:

• Знать и понимать, что происходит при взаимодействии строительных объектов с трясущимся основанием.

• Предвидеть последствия возможного сейсмического воздействия.

• Проектировать, возводить и поддерживать в надлежащем состоянии сейсмостойкие объекты^[2]

Сейсмостойкое сооружение не обязательно должно быть громоздким и дорогим как, например, Пирамида Кукулькана в городе Чичен-Ица^[3].

В настоящее время наиболее эффективным и экономически целесообразным инструментом в сейсмостойком строительстве является вибрационный контроль cейсмической нагрузки и, в частности, сейсмическая изоляция, позволяющая возводить сравнительно легкие и недорогие постройки^[4].

Сейсмическое нагружение

Сейсмическое нагружение (seismic loading) является одним из основных понятий в сейсмостойком строительстве и теории сейсмостойкости и означает приложение колебательного возбуждения землетрясения к различным постройкам.

Величина сейсмической нагрузки в большинстве случаев зависит от:

Гараж в Нортридже после землетрясения 1994 года [2]

Штаб-квартира ООН в Порт-о-Пренс, Гаити после землетрясения 12 января 2010 г.

• Интенсивности, продолжительности и частотных характеристик ожидаемого землетрясения
• Геологических условий площадки строительства
• Динамических параметров сооружения

Сейсмическое нагружение происходит на поверхностях контакта сооружения с грунтом ^[5], либо с соседним сооружением ^[6], либо с порождённой землетрясением гравитационной волной цунами ^[7]. Оно постоянно экзаменует сейсмостойкость сооружения и иногда превышает его возможность выстоять без разрушений.

Сейсмическая защита

Наружная антисейсмическая стальная ферма спального корпуса Университета Беркли

Исходя из того, что прочность стали примерно в 10 раз выше, чем у самого прочного бетона и каменной или кирпичной кладки, понятие сейсмостойкость ассоциируется с достаточно прочной постройкой, с мощным стальным каркасом или стенами, способными выдержать расчётное землетрясение без полного разрушения и с минимальными человеческими жертвами. Примером такой постройки может служить изображенный рядом спальный корпус Университета Беркли, усиленный наружной антисейсмической стальной фермой.

Модель 18-этажного здания на сейсмопротекторе ^[8]

Однако не следует навязывать зданию почти непосильную задачу — сопротивляться сокрушительному землетрясению. Лучше дать этому зданию возможность как бы парить над трясущейся землей. Провозгласить такую цель, конечно, значительно проще, чем достичь её практически.

На фото справа показана модель 18-этажного здания на виброплатформе, на котором проводятся испытания в режиме Нортриджского землетрясения, записанного недалеко от его эпицентра. Блок из четырёх сейсмопротекторов (вид сейсмической изоляции) поможет зданию резко повысить его сейсмостойкость и выдержать сотрясение.

Испытания проводились на мощной виброплатформе (12.2 м на 7.6м) одного из крупнейших в Соединенных Штатах специализированных испытательных полигонов, который принадлежит Университету Калифорния Сан-Диего и входит в национальную систему Сети Имитации Сильных Землетрясений ^[9]. С помощью этой виброплатформы можно создавать и воссоздавать землетрясения любой амплитуды и частотного спектра сидя за пультом управления.

Сейсмический анализ

Сейсмический анализ или анализ сейсмостойкости является интеллектуальным инструментом в сейсмостойком строительстве, который разбивает эту сложную тему на ряд подразделов для лучшего понимания работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Трехмерная диаграмма сейсмостойкости модели здания

Анализ сейсмостойкости основывается на принципах динамики сооружений ^[10] и антисейсмического проектирования. В течение десятилетий, самым распространённым методом анализа сейсмостойкости являлся метод спектров реакции ^[11], который получил свое развитие в настоящее время ^[12].

Однако спектры реакции хороши лишь для систем с одной степенью свободы. Использование пошагового интегрирования с трехмерными диаграммами сейсмостойкости ^[13] оказываются более эффективным методом для систем со многими степенями свободы и со значительной нелинейностью в условиях переходного процесса кинематической раскачки.

Экспериментальная проверка сейсмостойкости

Экспериментальная проверка сейсмостойкости, или исследование сейсмостойкости, необходимо для понимания действительной работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой. Онa бывает, в основном, двух видов: полевaя (натурнaя) и на сейсмоплатформе.

Две идентичные модели здания [3] при испытании на сейсмоплатформе до разрушения

Испытание железобетонного здания на сейсмоплатформе ^[14]

Удобнее всего испытывать модель здания на сейсмоплатформе, воссоздающей сейсмические колебания — если, конечно, у вас нет времени дождаться настоящего землетрясения.

Такие лабораторные испытания проводятся на больших или меньших моделях зданий и сооружений уже в течение многих лет, однако стоимость их довольно высока. Чтобы снизить эту стоимость, рекомендуется применять Performance Factor Procedure ^[15], впервые предложенную для экспериментальной проверки эффективности сейсмической изоляции.

Сопутствующие испытания

Сопутствующие испытания (англ.:Concurrent testings) на сейсмоплатформе обычно проводятся, когда необходимо сравнить поведение различных модификаций сооружения при одном и том же сейсмическом нагружении^[16]; см., например, ниже:

• 
• 
• 
• 

Виброконтроль

Виброконтроль (vibration control) является системой устройств для уменьшения сейсмической нагрузки на здания и сооружения. Все эти устройства можно классифицировать как пассивные, активные и гибридные ^[17]. Ниже кратко описаны некоторые устройства и методы виброконтроля.

Сухая кладка стен

Первыми строителями, обратившим особое внимание на сейсмостойкость капитальных построек, в частности, стен зданий, были инки и др. древние жители Перу.

Сухая кладка стен в замке Солнца в Мачу-Пикчу, Перу

Особенностями архитектуры инков является необычайно тщательная и плотная (так, что между блоками нельзя просунуть и лезвия ножа) подгонка каменных блоков (часто неправильной формы и очень различных размеров) друг к другу без использования строительных растворов ^[18].

Благодаря этим особенностям кладка инков не имела резонансных частот и точек концентрации напряжений, обладая дополнительной прочностью свода. При землетрясениях небольшой и средней силы такая кладка оставалась практически неподвижной, а при сильных — камни «плясали» на своих местах, не теряя взаимного расположения и при окончании землетрясения укладывались в прежнем порядке ^[19].

Эти обстоятельства позволяют считать сухую кладку стен инками одним из первых в истории устройств пассивного виброконтроля зданий.

Сейсмический амортизатор

Сейсмический амортизатор: общий вид [4]

Испытание сейсмического амортизатора в CSUN [5]

Сейсмический амортизатор — это разновидность сейсмической изоляции для защиты зданий и сооружений от потенциально разрушительных землетрясений ^[20].

Недавно сейсмические амортизаторы под именем Metallic Roller Bearings были установлены в жилом 17-этажном комплексе в г.Токио, Япония ^[21].

Инерционный демпфер

Инерционный демпфер на высотном здании Тайбэй 101

Обычно, инерционный демпфер (Tuned Mass Damper), называемый также инерционный гаситель, который является одним из устройств для вибрационного контроля, представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой.

Для этой цели, например, инерционный демпфер небоскреба Тайбэй 101 оборудован двумя маятниковыми подвесками, на 92-ом и 88-ом этажах, весящими 660 тонн каждая.

Гистерезисный демпфер

Жидкостный вязкоупругий демпфер в здании [6]

Гистерезисный демпфер (Hysteretic damper) предназначен для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт диссипации сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Имеются, в основном, четыре группы гистерезисных демпферов, а именно:

• Жидкостный вязкоупругий демпфер
• Твердый вязкоупругий демпфер
• Металлический вязкотекучий демпфер
• Демпфер сухого трения

Каждая группа демпферов имеет свою специфику, свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при их применении.

Демпфирование вертикальной конфигурацией

Здание Transamerica Pyramid в Сан-Франциско, Калифорния

Демпфирование вертикальной конфигурацией (Building elevation control) предназначено для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт предотвращения резонансных колебаний с помощью дисперсии сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Пирамидальные постройки не перестают привлекать внимание архитекторов и инженеров также благодаря их большей устойчивости при ураганах и землетрясениях.

Сравнительные испытания на вибростоле: слева — обычная модель здания, справа — модель, демпфированная вертикальной конфигурацией здания [7]

Конический профиль здания не является обязательным для этого метода вибрационного контроля. Аналогичный эффект может быть достигнут с помощью соответствующей конфигурации таких характеристик как массы этажей и их жесткости [11].

Многочастотный успокоитель колебаний

Высотное здание [8] с многочастотным успокоителем

Многочастотный успокоитель колебаний (Multi-Frequency Quieting Building System) или, сокращенно, МУК является системой устройств для вибрационного контроля, установленной на высотном здании или другом сооружении, которая колеблется с определёнными резонансными частотами данного объекта под сейсмической нагрузкой.

Каждый МУК включает в себя ряд междуэтажных диафрагм, обрамленных набором выступающих консолей с различными периодами собственных колебаний и работающих как инерционные демпферы. Использование МУК позволяет сделать здание как функциональным, так и архитектурно привлекательным.

Приподнятое основание здания

Реконструкция пяты свода Приподнятого основания^[22]

Приподнятое основание здания (Elevated building foundation) является инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Эффект Приподнятого основания здания (ПОЗ) основан на следующем. В результате многократных отражений, дифракций и диссипаций сейсмических волн в процессе их распространения внутри ПОЗ, передача сейсмической энергии в надстройку (верхнюю часть здания) оказывается сильно ослабленной [12].

Эта цель достигается за счёт соответствующего подбора строительных материалов, конструктивных размеров, а также конфигурации НОЗ для конкретной площадки строительства.

Свинцово-резиновая опора

Вибрационное испытание свинцово-резиновой опоры [9]

Свинцово-резиновая опора (Lead Rubber Bearing) — это сейсмическая изоляция, предназначенная для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт интенсивного демпфирования сейсмической энергии, проникающей через фундаменты в эти здания и сооружения. На фото справа показано испытание свинцово-резиновой опоры сделанной из резинового цилиндра со свинцовым сердечником.

Однако механически податливые системы, какими являются сейсмически изолированные сооружения со сравнительно низкой горизонтальной жесткостью, но со значительной так называемой демпфирующей силой, могут испытывать значительные перегрузки, вызванные при землетрясении как раз этой силой [13].

Пружинный демпфер

Пружинный демпфер под трехэтажным домом

Пружинный демпфер (springs-with-damper base isolator) является изолирующим устройством, подобным по замыслу свинцово-резиновой опоре. Два небольших трехэтажных дома с такими устройствами, расположенными в Санта Монике (Калифорния), были проэкзаменованы Нортриджским землетрясением в 1994 году [14] [15].

Фрикционно-маятниковая опора

Фрикционно-маятниковая опора: вибро-испытание [10]

Фрикционно-маятниковая опора (Friction Pendulum Bearing) — это сейсмическая изоляция, являющаяся инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.

Основные элементы фрикционно-маятниковой опоры (ФМО):

• сферически вогнутая поверхность скольжения;
• сферический ползунок;
• ограничительный цилиндр.

Стоп-кадр испытания жесткого каркаса на ФМО показан справа.

Исследование сейсмостойкости

Исследование сейсмостойкости (Earthquake engineering research) включает в себя как полевые так и аналитические и лабораторные эксперименты, имеющие целью объяснение известных фактов либо пересмотр общепринятых взглядов в свете вновь открытых фактов и теоретических разработок в области сейсмостойкого строительства.

Тем не менее, основным практическим методом получения новых знаний в этoй области до сих пор является обследование поврежденных при землетрясениях сооружений.

Главные мировые исследовательские центры по сейсмостойкости и сейсмостойкому строительству приведены ниже:

Файл:Earthquake Shelter.jpg

Встроенное сейсмоубежище: видео демонстрация, см. Video

• Earthquake Engineering Research Institute (EERI)
• Earthquake Engineering Research Center
• Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER)
• John A. Blume Earthquake Engineering Center
• Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering (CUREE)
• Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research (MCEER)
• Earthquake Engineering Research Projects of CSUN
• Сеть инженерно-сейсмического моделирования, США,
• USGS Earthquake Hazards Program
• Office of Earthquake Engineering at Caltrans
• Earthquake Engineering Research Centre of Iceland
• Earthquake Engineering New Zealand
• Canadian Research Centers and Research Groups on Earthquake Engineering
• Hyogo Earthquake Engineering Research Center
• Laboratory for Earthquake Engineering of NTUA
• Earthquakes and Earthquake Engineering in The Library of Congress
• International Institute of Earthquake Engineering and Seismology
• National Center for Research on Earthquake Engineering

См. также

	Сейсмостойкое строительство в Викисловаре?
	Category:Earthquake engineering на Викискладе?
	Сейсмостойкое строительство в Викиновостях?

• Сейсмостойкость
• Оценка сейсмической работы
• Introduction to seismic fitness
• Антисейсмическое проектирование
• Сейсмическая изоляция

Ссылки

• Сейсмические воздействия на фундаменты
• Микросейсморайонирование, исследование сейсмичности слабых грунтов
• Сейсмическая приспособленность
• Строительство в сейсмозоне
• NEESit's Channel
• Antifriction and Multi-Step Base Isolation
• Vibration control videos
• Сейсмостойкое строительство в каталоге ссылок Open Directory Project (dmoz).
• Google's results for earthquake engineering images
• ShakeZone for kids

Примечания

1. ↑ Внимание! Землетрясение!
2. ↑ BUILDING DESIGN CODE and EARTHQUAKE INSURANCE
3. ↑ El_Castillo,_Chichen_Itza
4. ↑ Earthquake Protector: Shake Table Crash Testing
5. ↑ Geotechnical Earthquake Engineering Portal
6. ↑ Seismic Pounding between Adjacent Building Structures
7. ↑ Tsunami
8. ↑ Advanced Structural Control: Earthquake Protector
9. ↑ Earthquake Protector: Shake Table Crash Testing
10. ↑ Chopra, Anil K. Dynamics of Structures. — Prentice Hall - 1995. — ISBN 0138552142
11. ↑ И.Л. Корчинский и др. Сейсмостойкое строительство зданий. — Высшая Школа - 1971.
12. ↑ A NEW CONCEPT OF DESIGN CODE FOR SEISMIC PERFORMANCE
13. ↑ PERFORMANCE CHARTING FOR DYNAMIC STRUCTURAL CONTROL PROJECTS
14. ↑ Japan collapse video
15. ↑ MODAL PERFORMANCE FACTOR TESTING PROCEDURE
16. ↑ Concurrent Shake-Table Testing
17. ↑ Chu, S.Y.; Soong, T.T.; Reinhorn, A.M. Active, Hybrid and Semi-Active Structural Control. — John Wiley & Sons. — ISBN 0470013524
18. ↑ Live Event Q&As
19. ↑ Clark,Liesl; First Inhabitants PBS online, Nova; updated Nov. 2000
20. ↑ Earthquake-Protective Building Buffer
21. ↑ Base Isolated Building Construction Method by Metallic Roller Bearing
22. ↑ Elevated Foundation for Earthquake Protection of Building Structures