Эксплуатационные характеристики различных типов зданий во время землетрясения

Различные типы зданий получают различные повреждения во время землетрясений, и здесь изучается этот вопрос.

1. Глинобитные и глинобитные дома во время землетрясения

Необожженные кирпичи, высушенные на солнце, уложенные в грязевой раствор, называются саманными постройками. Глинобитные дома – это традиционное строительство для бедных слоев населения, наиболее подходящее с точки зрения их первоначальной стоимости, легкой доступности, низкого уровня навыков для строительства и отличной изоляции от жары и холода. Более 100 миллионов человек в Индии живут в домах такого типа.
Есть многочисленные примеры полного разрушения таких зданий в 1906 году в Ассаме, 1948 году в Ашхабаде, 1960 году в Агадире, 1966 году в Ташкенте, 1967 году в Койне, 1975 году в Киннауре, 1979 году в Индо-Непале, 1980 году в Джамму и Кашмире и 1982 году в Дхамаре.
Он очень слаб на сдвиг, растяжение и сжатие. Разделение стен на углах и стыках легко происходит при подземных толчках. Трещины проходят через некачественные стыки. После того, как стены разрушаются либо из-за изгиба, либо из-за сдвига в сочетании со сжимающими нагрузками, весь дом рушится. Обширные повреждения наблюдались во время землетрясения, особенно если оно произошло после дождя (Krishna and Chandra, 1983).
Лучшие характеристики достигаются при смешивании грязи с глиной для обеспечения когезионной прочности. Добавление соломы улучшает прочность на разрыв. Покрытие наружной стены водонепроницаемым веществом, таким как битум, улучшает защиту от атмосферных воздействий.
Прочность глинобитных стен может быть значительно повышена за счет расщепленного бамбука или деревянной арматуры. Деревянная рама или горизонтальные деревянные прогоны на уровне перемычек с вертикальными элементами по углам еще больше повышают устойчивость к боковым нагрузкам, что наблюдалось во время землетрясений.

2. Здания из каменной кладки во время землетрясений

Кладка зданий из кирпича и камня превосходит по долговечности, огнестойкости, жаропрочности и формообразующим свойствам. Каменные здания состоят из различных материалов и размеров:

(i) крупные блоки (размер блока >50 см) – бетонные блоки, каменные блоки или известковые камни

(ii) бетонный кирпич – полнотелый и пустотелый

(iii) кладка из природного камня.

Из-за своей легкой доступности, экономических причин и вышеупомянутых достоинств этот тип строительства широко используется. В очень отдаленных районах Гималаев здания строятся из штабелей беспорядочных кусков камня без какого-либо раствора. В большинстве новых построек используется глиняный раствор, однако, в некоторых случаях применяется и цементный раствор.

Причины разрушения каменных зданий:

Эти здания очень тяжелые и притягивают большие силы инерции. Стены из неармированной кладки слабы на растяжение (горизонтальные силы) и сдвиг, и поэтому плохо работают во время землетрясений. Эти здания имеют большую жесткость в плоскости и поэтому имеют малые временные периоды колебаний, что приводит к большой сейсмической силе.
Эти здания разваливаются и рушатся из-за отсутствия целостности. Отсутствие структурной целостности может быть вызвано отсутствием “сквозных” камней, отсутствием связи между поперечными стенами, отсутствием диафрагменного действия крыш и отсутствием действия коробчатого света.

Распространенные виды повреждений в каменной кладке зданий:

Все они подвергаются серьезным повреждениям, приводящим к полному обрушению и нагромождению камней. Силы инерции, возникающие из-за крыши или пола, передаются на верхнюю часть стен, и если кровельный материал неправильно привязан к стене, он будет смещен.
Слабое опорное соединение крыши является причиной отделения крыши от опоры и приводит к полному обрушению. Несостоятельность нижнего пояса фермы крыши также может привести к полному обрушению фермы и всего здания.
Если материал крыши/пола должным образом привязан к верхним стенам, что приводит к его диагональному сдвигу в направлении движения через швы перекрытия. Трещины обычно возникают в углах проемов. Разрушение пирса происходит из-за комбинированного действия изгиба и сдвига. Возникают почти вертикальные трещины вблизи угловых стыков стен, указывающие на разделение стен.
При движении перпендикулярно стенам изгибающий момент на концах приводит к растрескиванию и отделению стен из-за плохого сцепления. Как правило, разрушается торцевая стена фронтона. Из-за больших сил инерции, действующих на стены, вайт кладки выпячивается наружу или внутрь.
Отпадение половины толщины стены на выпуклой стороне является обычным явлением. Связующий камень оказался эффективным, как при землетрясении в Джамму-Кашмире 24 августа 1980 года.
Неармированная бутовая кладка с перевязкой (DRM) показала немного лучшие характеристики, чем бутовая кладка с произвольным расположением камней. Наиболее распространенное повреждение связано с трещинами в стенах. Кладка с меньшей удельной массой и большей прочностью связи показывает лучшие характеристики. Неармированную кладку, как правило, следует избегать в качестве строительного материала, насколько это возможно в сейсмических районах.

3. Здания из армированной кладки во время землетрясений

Здания из армированной кладки хорошо переносят землетрясения без ощутимых повреждений. При горизонтальном изгибе жесткие элементы, способные выдерживать изгиб, лучше работают во время землетрясений.
Если угловые секции или проемы усилены стальными прутьями, достигается еще большая прочность. Даже стена из сухой каменной кладки с непрерывной перемычкой над проемами и поперечными стенами не получила никаких повреждений.

4. Кирпично-железобетонные каркасные здания во время землетрясения

Этот тип зданий состоит из каркасных конструкций и кирпичной кладки на цементном растворе в качестве заполнителя. Этот тип конструкции подходит для сейсмических районов.

Причины разрушения каркасных зданий:

Неудачи происходят в основном из-за отсутствия хорошего проектирования балок / колонн каркаса и фундамента. Низкое качество строительства, неадекватная детализация или укладка арматуры в различных компонентах, особенно в стыках и в колоннах / балках для пластичности. Неадекватное действие диафрагм крыши и перекрытий. Неадекватная обработка каменной кладки стен.

Распространенный тип повреждений в каркасных зданиях:

Повреждения в основном связаны с разрушением заполнителей, разрушением колонн или балок. Растрескивание бетона в колоннах. Трещины или смятие из-за чрезмерного изгиба в сочетании с мертвой нагрузкой могут повредить колонну. Смятие колонн значительно, если колонны тонкие и расстояние между стременами в колонне большое.
Серьезные трещины возникают вблизи жестких соединений каркаса из-за сдвига, что может привести к полному разрушению. Дифференциальная осадка также вызывает чрезмерные моменты в раме и может привести к разрушению. Конструкция рамы должна быть такой, чтобы пластический шарнир ограничивался только балкой, так как разрушение балки менее разрушительно, чем общее разрушение..

5. Деревянные здания во время землетрясений

Это наиболее распространенный тип строительства в районах с высокой сейсмичностью. Он также является наиболее подходящим материалом для сейсмостойкого строительства благодаря своему небольшому весу и прочности на сдвиг по зерну, как это наблюдалось во время землетрясений в Лонг-Бич в 1933 году, в округе Керн в 1952 году, в Скопье в 1963 году и в Анкоридже в 1964 году. Однако во время землетрясения в Токачи (1968) более 4 000 деревянных зданий были либо полностью, либо частично повреждены.
Кроме того, произошли разрушения из-за скольжения и обрушения из-за мягкости грунта. Основной причиной разрушения стали маложесткие соединения, которые действуют как шарниры. Разрушение также связано с ухудшением качества древесины с течением времени. Деревянные рамы без стен практически не оказывают сопротивления горизонтальным силам.
Устойчивость наиболее высока для стен с диагональными распорками. Здания с диагональным армированием как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости работают гораздо лучше. Традиционная деревянная каркасная конструкция Ikra в Ассаме и дома на Никобарах, основанные на деревянных сваях, отделенных от земли, очень хорошо показали себя во время землетрясений. Деревянные дома, как правило, подходят для двухэтажных домов.

6. Железобетонные здания во время землетрясений

Этот тип конструкции состоит из несущих стен и каркасов из бетона. Значительные повреждения железобетонных зданий наблюдались во время землетрясения в Канто (1923). Позже при землетрясениях в Ниигате (1964), Офф-Токачи (1968) и Венесуэле (1967) они получили сильные повреждения.
Повреждения железобетонных зданий можно разделить на вибрационное разрушение и наклонное или неравномерное оседание. При строительстве железобетонного здания на сравнительно твердом грунте наблюдается вибрационное разрушение, а на мягком грунте – крен, неравномерная осадка или проседание.
В случае вибрационного разрушения причины повреждения могут рассматриваться как различные для каждого случая, но в основном, сейсмические силы, которые действовали на здание во время землетрясения, превышали нагрузки, учтенные при проектировании, и здания не обладали достаточной устойчивостью и пластичностью, чтобы противостоять им. В целом эти здания показали хорошие результаты, как это наблюдалось при землетрясениях в Скопье (1963) и Керне (1952).
Стенки сдвига считаются эффективными для обеспечения достаточной прочности зданий. Наблюдается серьезное повреждение спандрельной стены между вертикальными проемами.
Наклон и пение железобетонных зданий во время землетрясений наблюдались при землетрясениях в Канто и Ниигате. Большинство из них разрушились из-за того, что после оседания грунта не выдержали собственного веса. Такие повреждения характерны для зданий на мягком грунте, причем повреждения становятся выше в следующем порядке: свайный фундамент, матовый фундамент, непрерывный фундамент и независимый фундамент.
Здания из пустотелых бетонных блоков со стальной арматурой в отдельных ячейках, заполненных цементным раствором, показали хорошие эксплуатационные характеристики. Сборные и предварительно напряженные железобетонные здания также получили серьезные повреждения в основном из-за плохого поведения соединений или опор. Сборные и предварительно напряженные элементы, как правило, не были разрушены, как это наблюдалось при землетрясениях в Керне в 1952 году и Анкоридже в 1964 году.

7. Характеристики зданий со стальным каркасом во время землетрясений

Здания со стальным каркасом сильно различаются по форме поперечных сечений и способу соединения. В целом их можно разделить на две разновидности: те, в которых в качестве сейсмостойких элементов используются скобы, и те, которые представляют собой жесткие каркасные конструкции. Первые используются в малоэтажном строительстве, а вторые – в высотных зданиях.
Когда скобы используются в качестве сейсмостойких элементов, обычно проектируют так, чтобы все горизонтальные силы воспринимались скобами. Этот тип зданий, как правило, легкий, и влияние ветровой нагрузки в большинстве случаев преобладает. Тем не менее, существует множество случаев, когда скобы показали разрушение или смятие, при котором соединения вышли из строя (Wiegel, 1970).
Стальная скелетная конструкция, особенно структурный тип, в котором рамы состоят из балок и колонн, состоящих из одночленных двутавровых балок, часто используется в высотных зданиях. Неструктурные повреждения встречаются часто, но ни одно из этих зданий не получило серьезных повреждений, как это наблюдалось при землетрясении 1906 года в Сан-Франциско.

8. Композитные здания из стали и железобетона во время землетрясений

Композитные конструкции из стали и железобетона состоят из стального каркаса и железобетона и обладают динамическими характеристиками обоих. По сравнению со стальным каркасом он лучше в отношении огнестойкости и надежности на изгиб.
В то время как по сравнению с железобетонными конструкциями она обладает лучшей пластичностью после деформации. Эти характеристики являются свойствами, которые эффективны для придания зданию сейсмостойкости и, как оказалось, лучше проявляют себя во время землетрясений (Wiegel, 1970).
Читать далее:

Принципы концептуального проектирования сейсмостойких сооружений

Типы строительства сейсмостойких каменных стен

Мягкие этажи в зданиях и их уязвимость перед землетрясениями

Характеристики и поведение каменных конструкций во время землетрясений

Читайте далее: