Проектирование зданий, устойчивых к землетрясениям
Цель укрепления большинства зданий против землетрясений не в том, чтобы они оставались полностью невредимыми при самых сильных землетрясениях, так как это сделало бы строительство неоправданно дорогим. Главная задача сейсмоустойчивых зданий — предотвратить человеческие жертвы и травмы. После этого проектирование направлено на достижение баланса между дополнительными затратами на укрепление здания против землетрясений и возможными расходами на ремонт ущерба от землетрясений в течение срока службы здания.
Основные цели сейсмоустойчивости
Первоочередная задача — защита человеческих жизней путем предотвращения обрушения конструкции. Кроме того, необходимо установить разумное соотношение между дополнительными затратами на укрепление и вероятными расходами на восстановление после землетрясения, чтобы сохранить экономическую эффективность.
Недорогие здания и устойчивость к землетрясениям
Таким образом, основная цель для недорогих сейсмоустойчивых зданий — предотвратить обрушение и связанные с ним жертвы. При сильных землетрясениях следует ожидать, что такие здания могут получить трещины и потребовать ремонта. Еще одно важное соображение заключается в том, что для общества некоторые здания имеют большее значение, чем другие. Если жилой дом пострадает от землетрясения, это затронет только одну семью. Однако если школа обрушится во время занятий, погибнет множество учеников. Кроме того, рухнувшее здание школы не сможет служить временным убежищем для людей, оставшихся без жилья после землетрясения.
Значение общественных зданий
Такие сооружения, как школы или больницы, из-за их более широкого влияния на общество, должны обладать повышенной устойчивостью, чтобы оставаться функциональными в кризисных ситуациях.
Горизонтальная планировка зданий
Горизонтальная планировка здания должна быть по возможности симметричной относительно линий, проходящих через его центр. Отсутствие симметрии может вызвать крутящие эффекты в конструкции, которые могут быть весьма разрушительными и требуют тщательной оценки. Клиновидные формы, такие как L или T, в целом не подходят для горизонтальных планов. Для изучения поведения зданий с асимметричными горизонтальными планировками рассмотрим формы L и T. В таких конструкциях, в зависимости от направления силы землетрясения относительно здания, крылья здания могут подвергаться различным движениям.
Влияние землетрясений на асимметричные формы
Например, если землетрясение действует в направлении север-юг, крыло север-юг здания в форме L или T будет более жестким, чем другое крыло, поскольку его длинная ось совпадает с направлением движения землетрясения, что приводит к меньшему перемещению. С другой стороны, крыло восток-запад, имеющее меньшую длину в направлении землетрясения, может понести больший ущерб — особенно в месте соединения крыльев — если у него недостаточно мощности для поглощения сейсмических сил.
Выбор строительных материалов
Конструкционные материалы часто выбираются исходя из их доступности или экономических соображений. Однако если целью является только устойчивость к землетрясениям, лучшие базовые материалы должны обладать следующими свойствами:
а) Высокая способность поглощать вибрационную энергию и подвергаться значительной пластической деформации.
б) Высокое соотношение прочности к весу.
в) Однородность.
г) Равномерная и высокая прочность как минимум в двух перпендикулярных направлениях.
д) Полностью прочные соединения.
Как правило, чем больше здание, тем важнее становятся эти свойства. Материалы обладают различными неупругими и пластическими характеристиками, которые известны как пластичность. Пластичные материалы, такие как сталь, перед разрушением подвергаются значительной пластической деформации. Напротив, хрупкие материалы, такие как кирпич, под большой нагрузкой практически не проявляют неупругое или пластическое поведение и внезапно ломаются вблизи предела упругости. Стекло и обычный бетон ведут себя аналогично кирпичу. Способность поглощать энергию и пластически деформироваться перед разрушением — одно из ключевых свойств материалов для выживания здания под вибрационными нагрузками землетрясения.
Сравнение пластичных и хрупких материалов
Пластичные материалы, такие как сталь, благодаря своей гибкости эффективно поглощают энергию землетрясения, тогда как хрупкие материалы, такие как кирпич или обычный бетон, быстро ломаются и теряют прочность. Использование инструментов, таких как Купить телескопические стойки по доступной цене, может повысить устойчивость бетонных конструкций во время строительства.
Участки, требующие усиления
Первый шаг к обеспечению безопасности здания — предотвратить расширение верхней части стен наружу во время землетрясения. Способ зависит от материалов, используемых для стен. Если стены сделаны из кирпича или бетонных блоков, лучший метод — использование железобетонных обвязочных балок. Исследования в Индии показали, что после обвязочных балок наиболее эффективный способ укрепления здания — это вертикальное усиление стен сталью в местах их пересечения. Арматурные стальные прутья должны быть соединены с фундаментом с одной стороны и с арматурой обвязочной балки с другой, образуя каркас, который значительно укрепляет здание. Стоит отметить, что высота стен должна быть по возможности минимальной. Проемы, такие как двери и окна, следует проектировать так, чтобы расстояние между ними, а также от углов и мест пересечения стен было максимально большим. Для дополнительного усиления рекомендуется размещать вертикальные стальные прутья по обе стороны всех дверей и окон, а также горизонтальные стальные прутья в стенах над и под проемами.
Укрепление стен с помощью обвязочных балок и стали
Железобетонные обвязочные балки в сочетании с вертикальной и горизонтальной арматурой повышают прочность стен и предотвращают их расширение во время землетрясений.
Расстояние между соседними зданиями
Соседние здания, особенно с разной высотой, должны быть расположены на расстоянии друг от друга. Например, если одноэтажное здание построено вплотную к двухэтажному зданию без зазора, они будут вибрировать по-разному во время землетрясения и могут столкнуться. Силы землетрясения передаются через почву и грунт под зданием к фундаменту, а затем к конструкции. Влияние подстилающей почвы на поведение здания во время землетрясений хорошо изучено. Во многих случаях повреждение зданий вызвано разрушением или нарушением грунта под ними, а не недостаточной прочностью самой конструкции. Основные вопросы, связанные с грунтом и проектированием фундамента, кратко обсуждаются в этом разделе.
Роль грунта и фундамента в устойчивости
Грунт под зданием и правильно спроектированный фундамент играют ключевую роль в передаче сил и защите конструкции от повреждений, требуя тщательного анализа.
Стены из сырцового кирпича и грязи
Использование необожженных глиняных кирпичей, высушенных на солнце, для строительства зданий распространено во многих засушливых регионах Ирана, поскольку материалы для таких зданий доступны на месте, а фермеры могут строить их в периоды, когда сельскохозяйственных работ нет. Стены из сырцового кирпича толстые и тяжелые, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию от холода и жары, но с точки зрения конструкции они очень слабые и имеют высокую вероятность обрушения при землетрясениях средней и большой силы. Эти стены не следует использовать без усиления или армирования. Стены из сырцового кирпича и грязи можно укрепить против землетрясений с помощью трапециевидных контрфорсных стен, которые должны строиться и соединяться с основными стенами одновременно. Если контрфорсы добавляются позже, они могут сжаться при сушке и отделиться от основных стен. В каждом углу здания необходимо построить две контрфорсные стены. Такие стены также должны быть возведены там, где поперечная стена пересекается с продольной или где арка поддерживает тяжелую крышу. Куполообразные здания из сырцового кирпича также можно укрепить контрфорсными стенами.
Укрепление стен из сырцового кирпича
Трапециевидные контрфорсы, построенные одновременно с основными стенами, могут значительно повысить устойчивость стен из сырцового кирпича к землетрясениям.
Водонепроницаемые изоляционные слои
За исключением жарких и сухих регионов, в каждой стене необходимо создать водонепроницаемый слой, чтобы предотвратить проникновение влаги внутрь здания. В сейсмоопасных районах в качестве изоляции следует использовать материалы, которые полностью сцепляются со стенами сверху и снизу. Если такие материалы не используются, в стене может образоваться слабый шов, из-за которого стена может соскользнуть вдоль этого шва во время землетрясения. Самый простой способ создания водонепроницаемого слоя — использование слоя песчано-цементного раствора толщиной 2 см с соотношением 3:1. Стену под этим слоем необходимо увлажнить перед нанесением раствора, а сам слой также следует увлажнить перед возведением стены над ним. Если используются альтернативные изоляционные материалы или есть сомнения в сцеплении песчано-цементного раствора со стеной, лучшим решением будет использование соединительных стержней длиной 40 см и диаметром 12 мм.
Методы гидроизоляции в сейсмоопасных зонах
Использование песчано-цементного раствора с хорошей адгезией или соединительных стержней предотвращает появление слабых мест в стенах, обеспечивая стабильность во время сейсмических событий.
Преимущества и проблемы сборных бетонных элементов
Изготовление бетонных строительных элементов на заводе и их сборка на месте строительства имеют следующие преимущества:
- На заводе можно получить бетон более высокого качества, так как стены можно заливать горизонтально, что позволяет лучше уплотнять бетон.
- Толщину стен можно минимизировать благодаря более высокому качеству заводского бетона и большей точности исполнения. Это уменьшает размеры сборных компонентов, облегчая здание и снижая силы землетрясения.
- Затраты на опалубку значительно сокращаются.
- Контроль качества и инспекции на заводе намного проще и точнее.
- Строительные работы можно проводить зимой, так как бетон отверждается в помещении, где легко контролировать температуру.
- Испарение воды из бетона происходит лучше, так как сборные стены во время отверждения независимо высыхают и сжимаются, ограничивая усадку после строительства стыками.
Использование Основные виды строительных лесов может ускорить и обезопасить процесс сборки этих элементов на месте.
Ключевые преимущества сборного бетона
Производство на заводе повышает качество бетона, снижает вес конструкции и уменьшает строительные затраты, делая его эффективным выбором для сейсмоустойчивого проектирования.
