Проектирование сейсмостойких зданий зависит от придания зданию прочности, жесткости и способности к неупругой деформации, которые достаточно велики, чтобы выдержать заданный уровень силы, вызванной землетрясением.
Обычно это достигается путем выбора соответствующей конфигурации конструкции и тщательной детализации конструктивных элементов, таких как балки и колонны, а также соединений между ними.
Но более продвинутые методы повышения сейсмостойкости заключаются не в укреплении здания, а в том, чтобы уменьшить действующие на него силы, вызванные землетрясением.
Методы сейсмостойкого проектирования зданий и сооружений
К наиболее важным передовым методам сейсмостойкого проектирования и строительства относятся:
- изоляция основания
- Устройства для рассеивания энергии
Метод изоляции основания
Изолированная от основания конструкция поддерживается рядом опорных площадок, которые устанавливаются между зданием и фундаментом здания. (См. Рисунок 1.) В настоящее время разработано множество различных типов опорных площадок для изоляции основания.
Опора является очень жесткой и прочной в вертикальном направлении, но гибкой в горизонтальном направлении.
Здания с изолированным основанием и здания с фиксированным основанием
Силы, генерируемые землетрясением
Чтобы получить основное представление о том, как работает изоляция основания, рассмотрим рисунок 2. Здесь показано землетрясение, действующее как на изолированное от основания здание, так и на обычное, здание с фиксированным основанием, здание. В результате землетрясения грунт под каждым зданием начинает двигаться. На рисунке 2 он показан движущимся влево.
Каждое здание реагирует на это движением, направленным вправо. Здание подвергается смещение в направлении вправо. Смещение здания в направлении, противоположном движению грунта, происходит по причине инерции. Инерционные силы, действующие на здание, являются наиболее важными из всех сил, возникающих во время землетрясения.
Важно знать, что инерционные силы, которые испытывает здание, пропорциональны его ускорению во время движения грунта.
Также важно понимать, что здания на самом деле смещаются не только в одном направлении. Из-за сложной природы движения грунта при землетрясении здание на самом деле имеет тенденцию вибрировать в разных направлениях.
Изолированные от основания здания с фиксированным основанием
Деформация и повреждения конструкций
Помимо смещения вправо, неизолированное здание также меняет свою форму – из прямоугольника оно превращается в параллелограмм. Оно деформируется. Основной причиной разрушения зданий в результате землетрясения является деформация, которую претерпевает здание в результате действия на него инерционных сил.
Реакция изолированного от основания здания
Напротив, несмотря на смещение, здание, изолированное от основания, сохраняет свою первоначальную прямоугольную форму. Деформируются именно свинцово-резиновые опоры, поддерживающие здание.
Само изолированное от основания здание избегает деформации и повреждений, что означает, что инерционные силы, действующие на изолированное от основания здание, уменьшились.
Эксперименты и наблюдения за изолированными от основания зданиями во время землетрясений показали, что ускорения зданий снижаются до 1/4 от ускорения сопоставимых зданий с фиксированным основанием, которое каждое здание испытывает под действием силы тяжести.
Как мы отметили выше, инерционные силы увеличиваются и уменьшаются пропорционально увеличению или уменьшению ускорения.
Ускорение уменьшается, потому что система изоляции основания удлиняет период вибрации, время, необходимое зданию для раскачивания вперед-назад, а затем снова назад. И в целом, конструкции с более длительными периодами вибрации имеют тенденцию к уменьшению ускорения, в то время как конструкции с более короткими периодами имеют тенденцию к увеличению или усиливают ускорение.
Наконец, поскольку подшипники с резиновой изоляцией обладают высокой эластичностью, они не получают никаких повреждений. Но свинцовая пробка в центре нашего примера подшипника испытывает ту же деформацию, что и резина. Однако она выделяет тепло.
Другими словами, свинцовая пробка уменьшает, или рассеивает, энергию движения, т.е, кинетическую энергию–преобразуя эту энергию в тепло. А уменьшая энергию, поступающую в здание, она помогает замедлить и в конечном итоге остановить вибрации здания раньше, чем это произошло бы в противном случае, другими словами, она гасит другими словами, гасит вибрации здания.
Устройства для рассеивания энергии
Второй из основных новых методов повышения сейсмостойкости зданий также основан на демпфировании и рассеивании энергии, но он значительно расширяет возможности демпфирования и рассеивания энергии, обеспечиваемые свинцово-резиновыми подшипниками.
Как мы уже говорили, определенное количество энергии вибрации передается зданию в результате движения грунта при землетрясении. Сами здания обладают врожденной способностью рассеивать, или демпфировать, эту энергию. Однако способность зданий рассеивать энергию до того, как они начнут испытывать деформацию и повреждения, весьма ограничена.
Здание рассеивает энергию либо за счет крупномасштабного движения, либо за счет увеличения внутренних деформаций в таких элементах, как колонны и балки здания. Оба этих способа в конечном итоге приводят к различным степеням повреждения.
Таким образом, оснастив здание дополнительными устройствами, обладающими высокой демпфирующей способностью, мы можем значительно снизить сейсмическую энергию, поступающую в здание, и тем самым уменьшить ущерб зданию.
Соответственно, широкий спектр устройств для рассеивания энергии были разработаны и в настоящее время устанавливаются в реальных зданиях. Устройства рассеивания энергии также часто называют демпфирующими устройствами. Большое количество разработанных демпфирующих устройств можно разделить на три большие категории:
Вязкостные демпферы для жидкостей
Общие принципы работы демпфирующих устройств иллюстрируются на примере вязкостного демпфера. В следующем разделе описаны основные характеристики жидкостно-вязких демпферов, процесс их разработки и испытания, а также установка жидкостно-вязких демпферов в реальном здании для повышения его сейсмостойкости.
Демпфирующие устройства и системы укрепления
Демпфирующие устройства обычно устанавливаются как часть системы укрепления. На рисунке 3 показан один из типов расположения демпфера-крепления, один конец которого прикреплен к колонне, а другой – к балке перекрытия. В основном, такое расположение обеспечивает колонну дополнительную опору.
Большинство колебаний грунта при землетрясении происходит в горизонтальном направлении, поэтому колонны здания обычно подвергаются наибольшему смещению. смещение относительно движения грунта. На рисунке 3 также показано демпфирующее устройство, установленное как часть системы крепления, и дано некоторое представление о его действии.
Демпфирующее устройство, установленное вместе со скобой
Читайте далее:- Сейсмические демпферы – типы, механизм работы и компоненты.
- Демпфер с настроенной массой – компоненты, работа и применение.
- Концептуальный сейсмический проект моста с вантовой опорой и его компоненты.
- Мостовые подшипники – типы подшипников для мостовых конструкций и детали.
- Как уменьшить вызванную человеком вибрацию в железобетонных конструкциях?.
- Взаимодействие грунта со структурой – эффекты, анализ и применение в проектировании.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.