Сейсмическая переоборудование - Seismic retrofit

Сейсмическая модернизация - это модификация существующих конструкций, чтобы сделать их более устойчивыми к сейсмической активности , колебаниям грунта или разрушению грунта из-за землетрясений . Благодаря лучшему пониманию сейсмической нагрузки на конструкции и нашему недавнему опыту с сильными землетрясениями вблизи городских центров, необходимость сейсмического переоснащения становится общепризнанной. До введения современных сейсмических кодов в конце 1960-х годов для развитых стран (США, Япония и т. Д.) И в конце 1970-х годов для многих других частей мира (Турция, Китай и т. Д.) Многие конструкции были спроектированы без надлежащей детализации и усиления для сейсмическая защита. В связи с назревающей проблемой были проведены различные исследовательские работы. Современные технические руководства по сейсмической оценке, модернизации и реабилитации были опубликованы во всем мире, такие как ASCE-SEI 41 и рекомендации Новозеландского общества инженеров по сейсмостойкости (NZSEE). Эти коды необходимо регулярно обновлять; Например, землетрясение в Нортридже в 1994 году выявило хрупкость сварных стальных конструкций.

Описанные здесь методы модернизации также применимы к другим опасным природным явлениям, таким как тропические циклоны , торнадо и сильные ветры от гроз . В то время как текущая практика сейсмического переоборудования в основном касается структурных улучшений для снижения сейсмической опасности использования конструкций, также важно уменьшить опасности и потери от неструктурных элементов. Также важно помнить, что сейсмостойких конструкций не существует, хотя сейсмические характеристики могут быть значительно улучшены за счет надлежащего первоначального проектирования или последующих модификаций.

Заполняющие сдвиговые фермы - общежитие Калифорнийского университета, Беркли
Наружное крепление существующей железобетонной автостоянки (Беркли)

Стратегии

Стратегии сейсмической модернизации (или реабилитации) были разработаны в последние несколько десятилетий после введения новых сейсмических положений и доступности современных материалов (например, армированных волокном полимеров (FRP) , армированного волокном бетона и высокопрочной стали).

  • Повышение глобального потенциала (усиление). Обычно это делается путем добавления поперечных распорок или новых несущих стен.
  • Снижение сейсмической нагрузки за счет дополнительного демпфирования и / или использования систем изоляции основания .
  • Повышение местной емкости элементов конструкции. Эта стратегия учитывает способность, присущую существующим структурам, и поэтому использует более экономичный подход для выборочного повышения локальной способности (деформации / пластичности, прочности или жесткости) отдельных структурных компонентов.
  • Модернизация с селективным ослаблением. Это противоречащая интуиции стратегия изменения неупругого механизма конструкции при одновременном признании присущих ей возможностей.
  • Допускаются скользящие соединения, такие как переходные мосты, для компенсации дополнительных перемещений между сейсмически независимыми конструкциями.
  • Добавление сейсмических фрикционных демпферов для одновременного добавления демпфирования и дополнительной жесткости на выбор.

В последнее время изучаются более целостные подходы к переоборудованию зданий, включая комбинированное сейсмическое и энергетическое переоборудование. Такие комбинированные стратегии направлены на использование экономии затрат за счет одновременного применения энергетического переоснащения и сейсмостойких мероприятий, тем самым улучшая сейсмические и тепловые характеристики зданий.

Цели производительности

В прошлом сейсмическая модернизация применялась в первую очередь для обеспечения общественной безопасности, а технические решения ограничивались экономическими и политическими соображениями. Однако с развитием сейсмической инженерии на основе характеристик (PBEE) постепенно признаются несколько уровней целевых показателей эффективности:

  • Только общественная безопасность. Цель состоит в том, чтобы защитить человеческую жизнь, гарантируя, что конструкция не обрушится на находящихся в ней людей или прохожих, и что из нее можно будет безопасно выйти. В тяжелых сейсмических условиях конструкция может быть полностью списана с экономической точки зрения, что потребует сноса и замены.
  • Живучесть конструкции. Цель состоит в том, чтобы сооружение, оставаясь безопасным для выхода, могло потребовать обширного ремонта (но не замены), прежде чем оно станет в целом полезным или считается безопасным для занятия. Обычно это самый низкий уровень модернизации мостов.
  • Функциональность структуры. Первичная структура не повреждена, и ее полезность для ее основного применения не снижается. Высокий уровень модернизации, это гарантирует, что любой требуемый ремонт будет только «косметическим» - например, небольшие трещины в штукатурке , гипсокартоне и штукатурке . Это минимально допустимый уровень модернизации больниц .
  • Структура не затронута. Этот уровень модернизации предпочтителен для исторических сооружений, имеющих большое культурное значение.

Методы

Распространенные методы сейсмического переоснащения делятся на несколько категорий:

Один из многих «болтов от землетрясения», обнаруженных в старинных домах в городе Чарльстон после землетрясения в Чарльстоне 1886 года. Их можно было затягивать и ослаблять, чтобы поддерживать дом, без необходимости сносить дом в противном случае из-за нестабильности. Болты были неплотно соединены непосредственно с несущей рамой дома.

Внешнее пост-натяжение

Использование внешнего дополнительного напряжения для новых структурных систем было разработано в последнее десятилетие. В рамках крупномасштабной совместной исследовательской программы США и Японии PRESS (Сборные сейсмические конструкционные системы) были использованы несвязанные пост-натяжные высокопрочные стальные арматуры для создания противодействующей моменту системы, обладающей самоцентрирующейся способностью. Расширение той же идеи для сейсмической модернизации было экспериментально протестировано для сейсмической модернизации мостов в Калифорнии в рамках исследовательского проекта Caltrans и для сейсмической модернизации неэластичных железобетонных рам. Предварительное напряжение может увеличить несущую способность таких элементов конструкции, как балка, колонна и соединения балка-колонна. Внешнее предварительное напряжение использовалось для модернизации конструкции для гравитационной / динамической нагрузки с 1970-х годов.

Базовые изоляторы

Изоляция основания - это совокупность структурных элементов здания, которые должны существенно отделять конструкцию здания от сотрясений земли, таким образом защищая целостность здания и повышая его сейсмические характеристики . Эта технология сейсмической инженерии , которая представляет собой своего рода контроль сейсмической вибрации , может быть применена как к новому проектируемому зданию, так и к сейсмической модернизации существующих конструкций. Обычно вокруг здания производятся раскопки, и здание отделяется от фундамента. Стальные или железобетонные балки заменяют соединения с фундаментом, а под ними изолирующие прокладки или изоляторы основания заменяют удаленный материал. Хотя изоляция основания имеет тенденцию ограничивать передачу движения грунта к зданию, она также удерживает здание в правильном положении над фундаментом. Особое внимание к деталям требуется там, где здание соприкасается с землей, особенно на входах, лестницах и пандусах, чтобы обеспечить достаточное относительное движение этих структурных элементов.

Дополнительные демпферы

Дополнительные демпферы поглощают энергию движения и преобразуют ее в тепло, тем самым подавляя резонансные эффекты в конструкциях, жестко прикрепленных к земле. В дополнение к добавлению способности рассеивать энергию к конструкции, дополнительное демпфирование может уменьшить потребность в смещении и ускорении внутри конструкций. В некоторых случаях угроза повреждения исходит не от самого первоначального удара, а скорее от периодического резонансного движения конструкции, которое вызывает повторяющееся движение грунта. В практическом смысле дополнительные амортизаторы действуют аналогично амортизаторам, используемым в автомобильных подвесках .

Настроенные массовые демпферы

Амортизаторы настроенной массы (TMD) используют подвижные грузы на каких-то пружинах. Обычно они используются для уменьшения влияния ветра в очень высоких и легких зданиях. Подобные конструкции могут использоваться для придания сейсмостойкости восьми-десятиэтажным зданиям, которые подвержены разрушительным резонансам, вызванным землетрясениями.

Танк для грязи

Гидравлический резервуар - это большой контейнер с жидкостью с низкой вязкостью (обычно водой), который может быть размещен в местах конструкции, где боковые колебательные движения значительны, например на крыше, и настроен на противодействие локальному резонансному динамическому движению. Во время сейсмического (или ветрового) события жидкость в резервуаре будет плескаться взад и вперед, при этом движение жидкости обычно направляется и контролируется внутренними перегородками - перегородками, которые не позволяют резервуару резонировать со структурой, см. Динамику Slosh . Чистый динамический отклик всей конструкции снижается как из-за противодействия движению массы, так и из-за рассеивания энергии или демпфирования колебаний, которые возникают, когда кинетическая энергия жидкости преобразуется в тепло перегородками. Обычно повышение температуры в системе будет минимальным и пассивно охлаждается окружающим воздухом. One Rincon Hill в Сан-Франциско - это небоскреб с отстойником на крыше, который был спроектирован в первую очередь для уменьшения величины бокового покачивания от ветра. Слэш-бак - это пассивный настроенный глушитель массы . Для обеспечения эффективности масса жидкости обычно составляет от 1% до 5% от массы, которой она противодействует, и часто для этого требуется значительный объем жидкости. В некоторых случаях эти системы предназначены для использования в качестве аварийных цистерн с водой для пожаротушения.

Система активного контроля

Очень высокие здания (« небоскребы »), построенные с использованием современных легких материалов, могут неудобно (но не опасно) раскачиваться при определенных ветровых условиях. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы включить в некоторый верхний этаж большую массу, ограниченную, но свободно перемещающуюся в ограниченном диапазоне, и перемещающуюся на какой-то несущей системе, такой как воздушная подушка или гидравлическая пленка. Гидравлические поршни , приводимые в действие электронасосами и аккумуляторами, активно приводятся в действие, чтобы противостоять силам ветра и естественным резонансам. Они также могут, если они правильно спроектированы, быть эффективными при управлении чрезмерным движением - с приложенной мощностью или без нее - во время землетрясения. В целом, однако, современные многоэтажные здания со стальным каркасом не так подвержены опасному движению, как здания средней этажности (от восьми до десяти этажей ), так как период резонанса высокого и массивного здания длиннее, чем удары примерно в одну секунду, прикладываемые к ним. землетрясение.

Adhoc добавление структурной опоры / армирования

Наиболее распространенной формой сейсмической модернизации нижних зданий является добавление прочности существующей конструкции для противодействия сейсмическим воздействиям. Усиление может быть ограничено соединениями между существующими элементами здания или может включать добавление основных сопротивляющихся элементов, таких как стены или рамы, особенно в нижних этажах. Общие меры по модернизации неармированных каменных зданий на западе США включают добавление стальных каркасов, добавление железобетонных стен и, в некоторых случаях, добавление изоляции основания.

Связи между зданиями и пристройки к ним

Часто пристройки здания не будут прочно связаны с существующей структурой, а просто будут размещены рядом с ней, с незначительной непрерывностью полов, сайдинга и кровли. В результате дополнения могут иметь другой резонансный период, чем исходная структура, и они могут легко отделиться друг от друга. В результате относительного движения две части столкнутся, что приведет к серьезным повреждениям конструкции. Сейсмическая модификация либо жестко свяжет два компонента здания вместе, так что они будут вести себя как единая масса, либо будут использовать демпферы для расходования энергии от относительного движения с соответствующим учетом этого движения, например, увеличенное расстояние и скользящие мосты между секциями.

Внешнее армирование здания

Наружные бетонные колонны

Исторические здания, построенные из неармированной кирпичной кладки, могут иметь важные в культурном отношении детали интерьера или фрески, которые нельзя нарушать. В этом случае решением может быть добавление нескольких стальных, железобетонных или предварительно напряженных бетонных колонн снаружи. Особое внимание следует уделять соединениям с другими элементами, такими как опоры, верхние плиты и фермы крыши.

Срезные фермы для заполнения

 

Здесь показана внешняя сдвиговая арматура обычного железобетонного общежития. В этом случае в колоннах здания была достаточная вертикальная прочность и достаточная прочность на сдвиг в нижних этажах, поэтому требовалось только ограниченное усиление сдвига, чтобы сделать его сейсмоустойчивым для этого места вблизи разлома Хейворд .

Массивная внешняя конструкция

 

В других обстоятельствах требуется гораздо большее подкрепление. В структуре, показанной справа - гараж над магазинами - размещение, детализация и окраска арматуры сами по себе становятся архитектурным украшением.

Типовые решения по модернизации

Мягкая история провала

Частичный отказ из-за несоответствующей конструкции сдвига на уровне гаража. Повреждения в Сан-Франциско из-за события в Лома-Приете .

Этот режим коллапса известен как мягкий коллапс истории . Во многих зданиях нижний уровень предназначен для использования не так, как верхние уровни. Малоэтажные жилые дома могут быть построены над гаражом с большими дверями с одной стороны. В отелях может быть высокий цокольный этаж, чтобы можно было разместить парадный вход или бальные залы. В офисных зданиях на первом этаже могут быть магазины розничной торговли со сплошными витринами .

Традиционный сейсмический расчет предполагает, что нижние этажи здания прочнее верхних этажей; там, где это не так - если нижний этаж менее прочен, чем верхняя конструкция, конструкция не будет реагировать на землетрясения ожидаемым образом. Используя современные методы проектирования, можно учесть слабый нижний этаж. Несколько отказов этого типа в одном большом жилом комплексе стали причиной большинства жертв землетрясения в Нортридже в 1994 году .

Как правило, там, где обнаруживается этот тип проблемы, слабый этаж усиливается, чтобы сделать его более прочным, чем перекрытия выше, путем добавления стен с поперечным срезом или рам, действующих на момент. Моментные рамы, состоящие из перевернутых U- образных изгибов, полезны для сохранения доступа к гаражу на нижнем этаже, в то время как решение с меньшими затратами может заключаться в использовании поперечных стен или ферм в нескольких местах, что частично снижает полезность для автомобильной парковки, но все же позволяет использовать пространство для другое хранилище.

Соединения балка-колонна

Стальная арматура угловых швов и высокопрочные стержни с залитой противоразрывной оболочкой внизу

Соединения балки с колонной - это обычная структурная слабость при сейсмическом переоборудовании. До введения современных сейсмических кодов в начале 1970-х годов соединения балка-колонна, как правило, не проектировались или проектировались. Лабораторные испытания подтвердили сейсмическую уязвимость этих плохо проработанных и плохо спроектированных соединений. Разрушение соединений балки с колонной обычно может привести к катастрофическому обрушению каркасного здания, что часто наблюдается при недавних землетрясениях.

Для соединений железобетонных балок и колонн - за последние 20 лет были предложены и испытаны различные варианты модернизации. С философской точки зрения, различные стратегии сейсмической модернизации, описанные выше, могут быть реализованы для железобетонных швов. Бетонные или стальные оболочки были популярной техникой модернизации до появления композитных материалов, таких как полимер, армированный углеродным волокном (FRP). Композитные материалы, такие как углеродный стеклопластик и керамический стеклопластик, были тщательно протестированы для использования в сейсмической модернизации с некоторым успехом. Один новый метод включает использование выборочного ослабления балки и добавление внешнего дополнительного напряжения к стыку для достижения изгибного шарнира балки, что более желательно с точки зрения сейсмической конструкции.

Например, широко распространенные разрушения сварных швов на стыках балок и колонн стальных зданий малой и средней этажности во время землетрясения в Нортридже в 1994 году продемонстрировали конструктивные недостатки этих «современных» сварных соединений, устойчивых к моменту после 1970-х годов. В последующем исследовательском проекте SAC [4] было задокументировано, испытано и предложено несколько решений по модернизации этих сварных стальных сопротивляющихся моменту соединений. Для этих сварных соединений были разработаны различные решения по модернизации, такие как а) усиление сварного шва и б) добавление стальной втулки или фланца в форме «собачьей кости».

После землетрясения в Нортридже было обнаружено, что в нескольких зданиях со стальными опорными каркасами произошли хрупкие трещины в соединениях балок с колоннами. Обнаружение этих непредвиденных хрупких трещин в соединениях каркаса встревожило инженеров и строительную промышленность. Начиная с 1960-х годов инженеры начали рассматривать здания со сварной стальной рамой с моментным каркасом как одну из самых пластичных систем, предусмотренных строительными нормами. Многие инженеры полагали, что стальные конструкции с моментным каркасом по существу неуязвимы для повреждений, вызванных землетрясением, и полагали, что в случае повреждения они будут ограничены пластической деформацией элементов и соединений. Наблюдение за повреждениями, нанесенными зданиям во время землетрясения в Нортридже в 1994 году, показало, что, вопреки предполагаемому поведению, во многих случаях хрупкие трещины возникают внутри соединений при очень низком уровне спроса на пластик. В сентябре 1994 года совместное предприятие SAC, AISC, AISI и NIST совместно организовали международный семинар в Лос-Анджелесе, чтобы скоординировать усилия различных участников и заложить основу для систематического исследования и решения проблемы. В сентябре 1995 года совместное предприятие SAC заключило контракт с FEMA на проведение второй фазы проекта SAC Steel. В рамках Фазы II SAC продолжила обширное проблемно-ориентированное исследование характеристик моментных стальных рам и соединений различных конфигураций с конечной целью разработки критериев сейсмического проектирования стальных конструкций. В результате этих исследований теперь известно, что типичная деталь соединения с сопротивлением моменту, использованная в конструкции стальной моментной рамы до землетрясения 1994 года в Нортридже, имела ряд особенностей, которые сделали ее по своей природе уязвимой к хрупкому разрушению.

Разрушение при сдвиге в диафрагме пола

Полы в деревянных зданиях обычно строятся на относительно глубоких деревянных пролетах, называемых балками , покрытых диагональной деревянной обшивкой или фанерой, которые образуют черный пол, на который укладывается чистовая поверхность пола. Во многих структурах все они выровнены в одном направлении. Для предотвращения опрокидывания балок на бок на каждом конце используется блокировка, а для дополнительной жесткости блокировка или диагональные деревянные или металлические распорки могут быть размещены между балками в одной или нескольких точках их пролетов. На внешнем крае обычно используется блокировка единой глубины и балка по периметру в целом.

Если блокировка или гвоздь недостаточны, каждую балку можно уложить плоско под действием сдвигающих сил, приложенных к зданию. В этом положении им не хватает большей части своей первоначальной прочности, и конструкция может в дальнейшем разрушиться. В рамках модернизации блокировка может быть увеличена вдвое, особенно на внешних краях здания. Может оказаться целесообразным добавить дополнительные гвозди между пластиной подоконника стены по периметру, возведенной на диафрагму пола, хотя для этого потребуется обнажить пластину подоконника, удалив внутреннюю штукатурку или наружную обшивку. Поскольку подоконник может быть довольно старым и сухим, и необходимо использовать прочные гвозди, может потребоваться предварительно просверлить отверстие для гвоздя в старой древесине, чтобы избежать раскола. Когда стена открыта для этой цели, также может оказаться целесообразным прикрепить вертикальные элементы стены к фундаменту с помощью специальных соединителей и болтов, приклеенных эпоксидным цементом в отверстия, просверленные в фундаменте.

Сползание фундамента и обрушение «стены покалечить»

Дом соскользнул с фундамента
Низкое повреждение стены и отрыв конструкции от бетонной лестницы

Одно- или двухэтажные жилые конструкции с деревянным каркасом, построенные по периметру или плиточному фундаменту, относительно безопасны при землетрясении, но во многих конструкциях, построенных до 1950 года, подоконная плита, которая находится между бетонным фундаментом и диафрагмой пола (фундамент по периметру) или стойкой (фундамент из плиты) может быть недостаточно прикручен болтами. Кроме того, старые приспособления (без существенной защиты от коррозии) могли подвергнуться коррозии до слабого места. Боковой удар может полностью сорвать здание с фундамента или плиты.

Часто такие здания, особенно если они построены на умеренном уклоне, возводятся на платформе, соединенной с фундаментом по периметру через низкие стены с гвоздями, называемые «калечащей стеной» или « пин-ап» . Сама эта конструкция с низкой стенкой может разрушиться при сдвиге или в ее соединениях с собой по углам, что приведет к перемещению здания по диагонали и обрушению низких стен. Вероятность выхода из строя пин-ап может быть уменьшена путем обеспечения того, чтобы углы были хорошо усилены при сдвиге и чтобы панели, работающие на сдвиг, были хорошо соединены друг с другом через угловые стойки. Для этого требуется листовая фанера конструкционного качества, которую часто обрабатывают для предотвращения гниения. Этот сорт фанеры изготавливается без внутренних незаполненных сучков и с более тонкими слоями, чем обычная фанера. В новых зданиях, спроектированных для защиты от землетрясений, обычно используется OSB ( ориентированно-стружечная плита ), иногда с металлическими соединениями между панелями и с хорошо прикрепленным штукатурным покрытием для улучшения его характеристик. Во многих современных жилых домах, особенно построенных на обширной (глинистой) почве, здание построено на единой и относительно толстой монолитной плите, удерживаемой как единое целое с помощью стержней с высоким растяжением, которые подвергаются напряжению после застывания плиты. Это последующее напряжение подвергает бетон сжатию - состоянию, при котором он чрезвычайно прочен на изгиб и поэтому не трескается в неблагоприятных почвенных условиях.

Множественные опоры в неглубоких карьерах

Некоторые старые недорогие конструкции возводятся на конических бетонных опорах, установленных в неглубокие ямы. Этот метод часто используется для прикрепления наружных настилов к существующим зданиям. Это наблюдается в условиях влажной почвы, особенно в тропических условиях, поскольку она оставляет сухое вентилируемое пространство под домом, а также в условиях вечной мерзлоты (замерзшей грязи) на крайнем севере, поскольку она не дает теплу здания дестабилизировать почву под ним. Во время землетрясения опоры могут опрокинуться, и здание упадет на землю. Эту проблему можно решить, используя просверленные отверстия для монолитных армированных пилонов, которые затем прикрепляются к панели пола по углам здания. Другой способ - добавить достаточное количество диагональных распорок или секций бетонной стены между пилонами.

Разрыв железобетонной колонны

Колонна с рубашкой и цементным раствором слева, без изменений справа

Усиленные колонны бетонные обычно содержат большого диаметра вертикальной арматуры (арматурные стержни) , расположенных в кольце, в окружении зажигалки калибра обручи арматуры. При анализе отказов из-за землетрясений было установлено, что слабость была не в вертикальных стержнях, а скорее в недостаточной силе и количестве обручей. Как только целостность обручей нарушена, вертикальный арматурный стержень может прогнуться наружу, создавая нагрузку на центральную колонну бетона. Затем бетон просто рассыпается на мелкие кусочки, которые теперь не удерживаются окружающей арматурой. В новом строительстве используется большее количество обручей.

Одним из простых способов модернизации является окружение колонны кожухом из стальных пластин, сформированных и сваренных в единый цилиндр. Затем пространство между рубашкой и колонной заполняется бетоном. Этот процесс называется затиркой. Если условия почвы или конструкции требуют такой дополнительной модификации, дополнительные сваи могут быть забиты рядом с основанием колонны, а бетонные опоры, соединяющие сваи с пилоном, изготавливаются на уровне земли или ниже. В показанном примере не все колонны нужно было модифицировать, чтобы обеспечить достаточную сейсмостойкость для ожидаемых условий. (Это место находится примерно в миле от зоны разлома Хейворд .)

Прорыв железобетонной стены

Бетонные стены часто используются на переходах между надземными насыпями и путепроводами. Стена используется как для удержания грунта, что позволяет использовать более короткий пролет, так и для передачи веса пролета прямо вниз на опоры в ненарушенной почве. Если эти стены не соответствуют требованиям, они могут рухнуть под воздействием землетрясения, вызванного движением грунта.

Одна из форм модернизации - просверлить множество отверстий в поверхности стены и прикрепить короткие L- образные секции арматуры к поверхности каждого отверстия с помощью эпоксидного клея . Затем к новым элементам прикрепляется дополнительная вертикальная и горизонтальная арматура, возводится форма и заливается дополнительный слой бетона. Эту модификацию можно комбинировать с дополнительными опорами в выкопанных траншеях и дополнительными опорными ригелями и анкерами для удержания пролета на ограничивающих стенах.

Повреждение кладки (шпатлевки) стен

В каменных конструкциях кирпичные строительные конструкции усилены покрытиями из стекловолокна и соответствующей смолы (эпоксидной или полиэфирной). На нижних этажах их можно наносить на все открытые поверхности, а на верхних этажах - на узких участках вокруг оконных и дверных проемов. Это приложение обеспечивает прочность на растяжение, которая делает стену жесткой, предотвращая прогиб со стороны приложения. Эффективная защита всего здания требует обширного анализа и проектирования для определения подходящих участков, подлежащих обработке.

В железобетонных зданиях стены с заполнением из каменной кладки считаются неструктурными элементами, но повреждение заполнения может привести к большим затратам на ремонт и изменить поведение конструкции, даже приводя к вышеупомянутым нарушениям сдвига в стыках мягких этажей или балок с колоннами. Локальный отказ заполняющих панелей из-за механизмов в плоскости и вне плоскости, а также из-за их комбинации может привести к внезапному падению пропускной способности и, следовательно, вызвать глобальное хрупкое разрушение конструкции. Даже при землетрясениях меньшей интенсивности повреждение заделанных каркасов может привести к большим экономическим потерям и гибели людей.

Чтобы предотвратить повреждение и разрушение заполнения кирпичной кладки, типичные стратегии модернизации направлены на усиление заполнения и обеспечение надлежащего соединения с каркасом. Примеры методов модернизации заполнителей кладки включают армированные сталью штукатурки, инженерные цементные композиты , тонкослойные полимеры, армированные волокном (FRP), а в последнее время также армированные текстилем растворы (TRM).

Поднимать

Там, где влажная или плохо уплотненная аллювиальная почва соприкасается в «пляжной» структуре с подстилающим твердым материалом, сейсмические волны, проходящие через аллювий, могут усиливаться, так же как волны на воде против наклонного пляжа . В этих особых условиях было измерено вертикальное ускорение , вдвое превышающее силу тяжести. Если здание не прикреплено к хорошо заделанному фундаменту, возможно, что здание будет отброшено от фундамента (или вместе с ним) в воздух, обычно с серьезными повреждениями при приземлении. Даже если это хорошо обосновано, более высокие части, такие как верхние этажи или конструкции крыши, или прикрепленные конструкции, такие как навесы и подъезды, могут отделиться от основной конструкции.

Хорошая практика в современных сейсмоустойчивых конструкциях требует наличия хороших вертикальных соединений по всем компонентам здания, от ненарушенного или искусственного грунта до фундамента и подоконной плиты, от вертикальных стоек до пластинчатой ​​крышки через каждый этаж и до конструкции крыши. Над фундаментом и подоконной плитой соединения обычно выполняются с использованием стальной ленты или листовой штамповки, прибиваемой к деревянным элементам с помощью специальных закаленных гвоздей с высокой прочностью на сдвиг, и тяжелых угловых штамповок, закрепляемых сквозными болтами с использованием больших шайб для предотвращения протаскивания. Если между пластинами порога и фундаментом в существующей конструкции предусмотрены несоответствующие болты (или они не заслуживают доверия из-за возможной коррозии), могут быть добавлены специальные зажимные пластины, каждая из которых крепится к фундаменту с помощью распорных болтов, вставленных в отверстия, просверленные в отверстиях. открытая поверхность бетона. Затем другие элементы должны быть прикреплены к пластинам порога с помощью дополнительных приспособлений.

Почва

Одна из самых сложных модификаций - это модернизация, необходимая для предотвращения повреждений из-за разрушения почвы. Разрушение почвы может произойти на склоне, обвале склона или оползне , или на ровной местности из-за разжижения водонасыщенного песка и / или грязи. Как правило, глубокие сваи необходимо забивать в устойчивую почву (обычно твердый ил или песок) или в нижележащую скальную породу, или необходимо стабилизировать склон. Для зданий, построенных на месте предыдущих оползней, практичность модернизации может быть ограничена экономическими факторами, поскольку стабилизация большого глубокого оползня нецелесообразна. Вероятность оползня или разрушения почвы также может зависеть от сезонных факторов, поскольку почва может быть более стабильной в начале сезона дождей, чем в начале сезона засухи. Такой «двухсезонный» средиземноморский климат наблюдается по всей Калифорнии .

В некоторых случаях лучшее, что можно сделать, - это уменьшить попадание стока воды с более высоких устойчивых возвышенностей путем захвата и обхода через каналы или трубы, а также слить воду, просочившуюся напрямую и из подземных источников, путем вставки горизонтальных перфорированных труб. Есть множество мест в Калифорнии , где обширные разработки были построены на вершине архаических оползни, которые не перешли в исторические времена , но которые (если оба насыщены водой и встряхивают в результате землетрясения) имеют высокую вероятность перемещения скопом , неся все разделы дачная застройка на новые локации. В то время как самые современные конструкции домов (хорошо привязанные к монолитным бетонным фундаментным плитам, армированным тросами для последующего натяжения) могут выдержать такое движение в значительной степени неповрежденными, здание больше не будет находиться на своем должном месте.

Коммунальные трубы и кабели: риски

Трубы для подачи природного газа и пропана в конструкции часто оказываются особенно опасными во время и после землетрясений. Если здание сдвинется с фундамента или упадет из-за обрушения стены, трубы из высокопрочного чугуна, транспортирующие газ внутри конструкции, могут сломаться, обычно в местах резьбовых соединений. После этого газ может по-прежнему подаваться в регулятор давления из линий более высокого давления и, таким образом, продолжать течь в значительных количествах; затем он может быть воспламенен от ближайшего источника, такого как горящая сигнальная лампа или электрическое соединение от электрической дуги .

Существует два основных метода автоматического ограничения потока газа после землетрясения, которые устанавливаются на стороне низкого давления регулятора и обычно после газового счетчика.

  • Металлический шар с обоймой может быть расположен на краю отверстия. При сейсмическом ударе шар катится в отверстии, закрывая его, чтобы предотвратить поток газа. Позже мяч может быть сброшен с помощью внешнего магнита . Это устройство будет реагировать только на движение земли.
  • Устройство, чувствительное к потоку, может использоваться для закрытия клапана, если поток газа превышает установленный порог (очень похоже на автоматический выключатель ). Это устройство будет работать независимо от сейсмических колебаний, но не будет реагировать на незначительные утечки, которые могут быть вызваны землетрясением.

Похоже, что наиболее безопасной конфигурацией было бы последовательное использование одного из этих устройств.

Туннели

Если туннель не пересекает разлом, который может проскользнуть, наибольшую опасность для туннелей представляет оползень, блокирующий вход. Дополнительная защита вокруг входа может быть применена для отвода падающего материала (аналогично тому, как это делается для отвода снежных лавин ), или уклон над туннелем может быть каким-то образом стабилизирован. Там, где ожидается падение камней и валунов небольшого и среднего размера, весь склон можно покрыть проволочной сеткой, прикрепленной к склону металлическими прутьями. Это также обычная модификация сокращения автомагистралей при наличии соответствующих условий.

Подводные трубы

Безопасность подводных труб в значительной степени зависит от грунтовых условий, в которых был построен туннель, используемых материалов и армирования, максимального прогнозируемого землетрясения и других факторов, некоторые из которых могут оставаться неизвестными при текущих знаниях.

Трубка BART

Труба, представляющая особый структурный, сейсмический, экономический и политический интерес, - это трансбэй-труба BART (Bay Area Rapid Transit) . Эта труба была построена на дне залива Сан-Франциско с помощью инновационного процесса. Вместо того, чтобы проталкивать щит через мягкий грязь залива, труба была построена на суше по частям. Каждая секция состояла из двух внутренних железнодорожных туннелей круглого сечения, центрального проходного туннеля прямоугольного сечения и внешней овальной оболочки, охватывающей три внутренние трубы. Промежуточное пространство было заполнено бетоном. На дне бухты вырыли траншею и подготовили плоское основание из щебня для размещения секций труб. Затем секции были поставлены на место и опущены, а затем соединены болтовыми соединениями с ранее размещенными секциями. Затем на пробирку помещали переполнение, чтобы удерживать ее. После завершения пути из Сан-Франциско в Окленд были установлены гусеницы и электрические компоненты. Прогнозируемый отклик трубки во время сильного землетрясения можно сравнить с реакцией на цепочку (приготовленных) спагетти в миске с желатиновым десертом . Чтобы избежать перенапряжения трубы из-за дифференциальных перемещений на каждом конце, на конечной остановке в Сан-Франциско под знаковым зданием Ferry Building было установлено скользящее скользящее соединение .

Инженеры строительного консорциума PBTB (Parsons Brinckerhoff-Tudor-Bechtel) использовали лучшие оценки движения грунта, доступные в то время, которые теперь считаются недостаточными с учетом современных методов вычислительного анализа и геотехнических знаний. Неожиданное оседание трубы привело к уменьшению скольжения, которое можно выдержать без сбоев. Эти факторы привели к тому, что скользящее соединение было спроектировано слишком коротким, чтобы гарантировать выживание трубы при возможных (возможно, даже вероятных) сильных землетрясениях в регионе. Чтобы исправить этот недостаток, скользящий шарнир должен быть удлинен, чтобы обеспечить дополнительное движение, что, как ожидается, будет дорогостоящим, а также сложным с технической и логистической точек зрения. Другие модификации трубы BART включают виброуплотнение переполнения трубы, чтобы избежать потенциального разжижения переполнения, что в настоящее время завершено. (В случае сбоя переполнения существует опасность того, что части трубы поднимутся снизу, что может потенциально вызвать отказ соединений секций.)

Модернизация моста

У мостов есть несколько режимов отказа.

Рокеры расширения

Многие короткие пролеты моста статически закреплены на одном конце и прикреплены к коромыслам на другом. Этот коромысел обеспечивает вертикальную и поперечную поддержку, позволяя пролету моста расширяться и сжиматься при изменении температуры. Изменение длины пролета компенсируется зазором в проезжей части с помощью гребенчатых компенсаторов . Во время сильного колебания грунта качели могут соскочить со своих гусениц или выйти за пределы своих проектных ограничений, в результате чего мост будет отсоединен от точки покоя, а затем либо смещен, либо полностью сломан. Движение можно ограничить, добавив ограничители из пластичной или высокопрочной стали, которые закреплены трением на балках и предназначены для скольжения при экстремальных нагрузках, при этом ограничивая движение относительно анкерного крепления.

Жесткость палубы

Дополнительные диагонали были вставлены под обе палубы этого моста.

Подвесные мосты могут реагировать на землетрясения поперечным движением, превышающим то, которое было разработано для реакции на порывы ветра. Такое движение может вызвать фрагментацию дорожного покрытия, повреждение подшипников, пластическую деформацию или поломку компонентов. Могут быть добавлены такие устройства, как гидравлические демпферы или зажимные скользящие соединения, а также дополнительная диагональная арматура.

Решетчатые фермы, балки и связи

Устаревшие клепаные элементы решетки

Решетчатые балки состоят из двух двутавров, соединенных крестообразной решеткой из плоской планки или уголка. Их можно значительно усилить, заменив открытую решетку пластинчатыми элементами. Обычно это делается одновременно с заменой горячих заклепок болтами.

Замена решетки пластин на болтах, формирование коробчатых элементов

Горячие заклепки

Многие старые конструкции изготавливались путем вставки раскаленных заклепок в предварительно просверленные отверстия; затем мягкие заклепки обтачиваются с помощью пневматического молотка с одной стороны и противооткатного стержня на головной части. Поскольку они медленно охлаждаются, они остаются в отожженном (мягком) состоянии, в то время как лист, подвергнутый горячей прокатке и закалке во время производства, остается относительно твердым. При сильном напряжении твердые пластины могут срезать мягкие заклепки, что приведет к выходу из строя соединения.

Решение состоит в том, чтобы выжечь каждую заклепку кислородной горелкой . Затем отверстие подготавливается до точного диаметра с помощью развертки . Специальный болт-фиксатор , состоящий из головки, вала, соответствующего расточенному отверстию, и резьбового конца вставляется и фиксируется гайкой, затем затягивается гаечным ключом . Поскольку болт изготовлен из соответствующего высокопрочного сплава и подвергался термообработке, он не подвержен ни пластическому разрушению при сдвиге, типичному для горячих заклепок, ни хрупкому разрушению обычных болтов. Любая частичная поломка будет связана с пластическим течением металла, закрепленного болтом; при правильном проектировании любой такой отказ не должен быть катастрофическим.

Заливка и эстакада

Надземные проезды обычно строятся на участках надземной насыпи, соединенных мостовыми сегментами, часто поддерживаемыми вертикальными колоннами. Если грунт развалится в месте окончания моста, мост может отсоединиться от остальной части проезжей части и оторваться. Модернизация для этого состоит в том, чтобы добавить дополнительное усиление к любой опорной стене или добавить глубокие кессоны, примыкающие к краю на каждом конце, и соединить их с поддерживающей балкой под мостом.

Другой сбой происходит, когда заполнитель на каждом конце перемещается (за счет резонансных эффектов) навалом в противоположных направлениях. Если фундаментной полки эстакады недостаточно, она может упасть. Могут быть добавлены дополнительные полки и эластичные опоры для прикрепления эстакады к опорам с одного или обоих концов. Стойки вместо того, чтобы быть прикрепленными к балкам, можно вместо этого прикрепить к ним. При умеренной нагрузке они удерживают эстакаду по центру зазора, так что вероятность ее соскальзывания с опорной полки на одном конце меньше. Способность закрепленных концов скользить, а не ломаться, предотвратит полное падение конструкции, если она не останется на опорах.

Виадуки

Большие участки проезжей части могут полностью состоять из виадуков, участков, не связанных с землей, кроме как через вертикальные колонны. Когда используются бетонные колонны, важна детализация. Типичный отказ может быть при опрокидывании ряда колонн либо из-за нарушения соединения с грунтом, либо из-за недостаточной обмотки цилиндра арматурой. Оба разрушения произошли во время Великого землетрясения Хансин в 1995 году в Кобе, Япония , когда целый виадук, поддерживаемый по центру одним рядом больших колонн, был уложен с одной стороны. Такие колонны укрепляются путем выемки грунта на фундаментную подушку, забивки дополнительных свай и добавления новой, большей площадки, хорошо связанной с арматурой рядом с колонной или внутри нее. Колонна с недостаточной оборачивающей полосой, которая склонна к разрыву, а затем шарнирно поворачивается в точке разрыва, может быть полностью заключена в круглую или эллиптическую рубашку из сварного стального листа и залита раствором, как описано выше.

Обрушение виадука Cypress Freeway . Обратите внимание на неисправность из-за недостаточной защиты от разрыва и отсутствия соединения между верхними и нижними вертикальными элементами.

Иногда виадуки могут выйти из строя в соединениях между компонентами. Это было замечено в обрушении автострады Cypress Freeway в Окленде, штат Калифорния , во время землетрясения в Лома-Приета . Этот виадук представлял собой двухуровневую конструкцию, и верхние части колонн не были хорошо связаны с нижними частями, поддерживающими нижний уровень; это привело к обрушению верхней палубы на нижнюю. Такие слабые соединения требуют дополнительной внешней оболочки - либо через внешние стальные компоненты, либо с помощью полной оболочки из железобетона, часто с использованием коротких соединений, которые приклеиваются (с помощью эпоксидного клея) в многочисленные просверленные отверстия. Затем эти заглушки соединяются с дополнительными обертками, возводятся внешние формы (которые могут быть временными или постоянными), и в пространство заливается дополнительный бетон. Большие связанные структуры, подобные Виадуку Кипарис, также должны быть полностью проанализированы с использованием динамического компьютерного моделирования.

Переоборудование жилых домов

Боковые силы вызывают наибольший ущерб от землетрясений. Прикрепление грязевого отвала к фундаменту и применение фанеры для повреждения стен - это несколько основных методов модернизации, которые домовладельцы могут применять к деревянным жилым конструкциям для смягчения последствий сейсмической активности. Город Сан - Леандро созданы руководящие принципы для этих процедур, как указано в следующей брошюре . Осведомленность и инициатива общественности имеют решающее значение для модернизации и сохранения существующего фонда зданий, и такие усилия, как усилия Ассоциации правительств области залива, играют важную роль в предоставлении информационных ресурсов сейсмически активным общинам.

Деревянная каркасная конструкция

Большинство домов в Северной Америке - это конструкции с деревянным каркасом. Дерево - один из лучших материалов для сейсмоустойчивого строительства, поскольку он легче и более гибок, чем кладка. С ним легко работать, и он дешевле, чем сталь, кладка или бетон. В старых домах наиболее существенными недостатками являются соединение деревянных каркасных стен с фундаментом и относительно слабые «поврежденные стены». (Калечащие стены - это короткие деревянные стены, которые простираются от верха фундамента до самого нижнего уровня пола в домах с фальшполом.) Добавление соединений от основания деревянного каркаса к фундаменту почти всегда является важной частью сейсмическая модернизация. В домах с поврежденными стенами очень важно укрепить стены, чтобы противостоять поперечным силам; раскосы обычно делают фанерой . Ориентированно-стружечная плита (OSB) не работает так же стабильно, как фанера, и не является предпочтительным выбором проектировщиков или монтажников.

Методы модернизации старых деревянных каркасных конструкций могут состоять из следующих, а также других методов, не описанных здесь.

  • Самые нижние пластинчатые рельсы стен (обычно называемые в Северной Америке «грязевыми отливами» или «фундаментными подоконниками») привинчиваются к сплошному фундаменту или закрепляются жесткими металлическими соединителями, прикрепленными болтами к фундаменту, чтобы выдерживать поперечные силы.
  • Калечащие стены укреплены фанерой.
  • Выбранные вертикальные элементы (обычно стойки на концах стеновых распорок из фанеры) соединяются с фундаментом. Эти соединения предназначены для предотвращения раскачивания скрепленных стен вверх и вниз под действием возвратно-поступательных сил в верхней части скрепленных стен, а не для сопротивления стене или дому, «спрыгивающим» с фундамента (что почти никогда не происходит). .
  • В двухэтажных зданиях, использующих «платформенный каркас» (иногда называемый конструкцией «западного» стиля, где стены постепенно возводятся на верхней диафрагме нижнего этажа, в отличие от «восточного» или баллонного каркаса ), верхние стены соединяются с нижними стенами с помощью элементы натяжения. В некоторых случаях соединения могут быть удлинены по вертикали для удержания определенных элементов крыши. Такое усиление обычно очень дорогое по отношению к полученной силе.
  • Вертикальные стойки прикрепляются к балкам или другим элементам, которые они поддерживают. Это особенно важно, если потеря опоры может привести к обрушению сегмента здания. Соединения столбов с балками не могут противостоять значительным поперечным силам; Гораздо важнее укрепить по периметру здания (закрепить поврежденные стены и дополнить соединения фундамента с деревянным каркасом), чем усилить соединения стоек с балками.

Деревянный каркас эффективен в сочетании с кладкой, если конструкция правильно спроектирована. В Турции по этой технологии строят традиционные дома (багдади). В Сальвадоре для жилищного строительства используются дерево и бамбук.

Армированная и неармированная кладка

Во многих частях развивающихся стран, таких как Пакистан, Иран и Китай, неармированная или в некоторых случаях армированная кладка является преобладающей формой конструкций для жилых и жилых домов в сельской местности. Каменная кладка также была распространенной формой строительства в начале 20-го века, что означает, что значительное количество этих каменных конструкций, находящихся под угрозой, будет иметь значительную ценность для наследия. Особую опасность представляют каменные стены без армирования. Такие конструкции могут быть более подходящими для замены, чем для модернизации, но если стены являются основными несущими элементами в конструкциях небольших размеров, они могут быть соответствующим образом усилены. Особенно важно, чтобы балки перекрытия и потолка были надежно прикреплены к стенам. Могут быть добавлены дополнительные вертикальные опоры в виде стали или железобетона.

В западной части Соединенных Штатов большая часть того, что считается кладкой, на самом деле представляет собой кирпич или каменный шпон. По существующим правилам строительств диктуют количество надставного требуемое, которые состоят из металлических лент , закрепленных на вертикальные конструктивные элементы. Эти ремни переходят в слои раствора, прикрепляя шпон к основной конструкции. Более старые конструкции могут не обеспечить этого в достаточной мере для сейсмической безопасности. Слабо закрепленный шпон в интерьере дома (иногда используется для облицовки камина от пола до потолка) может быть особенно опасен для жителей. Старые каменные дымоходы также опасны, если они имеют значительную вертикальную протяженность над крышей. Они склонны к поломке на линии крыши и могут упасть в дом целой большой частью. Для модернизации могут быть добавлены дополнительные опоры; однако усилить существующий дымоход из каменной кладки в соответствии с современными стандартами проектирования - чрезвычайно дорого. Лучше всего просто удалить пристройку и заменить ее более легкими материалами, со специальным металлическим дымоходом вместо дымовой плитки и деревянной конструкцией, заменяющей кладку. Это можно сопоставить с существующей кирпичной кладкой, используя очень тонкий шпон (похожий на плитку, но с внешним видом кирпича).

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки