Каковы принципы сейсмостойкого проектирования стальных конструкций?

Сейсмостойкое проектирование стальных конструкций основано на нескольких ключевых принципах, направленных на обеспечение безопасности жизнедеятельности, минимизацию ущерба и сохранение функциональности во время и после землетрясения. Эти принципы используют присущие стали свойства, такие как прочность и пластичность.

Принципы сейсмостойкого проектирования стальных конструкций

Пластичность и рассеяние энергии (неупругое поведение):

Как правило, неэкономично проектировать конструкции, сохраняющие чисто упругую форму во время сильного землетрясения. Вместо этого философия проектирования допускает контролируемую неупругую деформацию (текучесть) в определённых, заранее определённых местах конструкции.

Сталь — отличный материал для этого благодаря своей высокой пластичности, то есть она может деформироваться значительно выше предела упругости без разрушения.

Эта неупругая деформация рассеивает сейсмическую энергию, уменьшая усилия, передаваемые на остальную часть конструкции и содержимое здания.

Это часто достигается за счёт образования «пластических шарниров» в балках или других специально предназначенных для этого элементах.

Проектная мощность:

Это важнейший принцип, обеспечивающий иерархию прочности в конструктивной системе. Идея заключается в том, чтобы вызвать неупругое воздействие (рассеивание энергии) в пластичных элементах (например, балках, специальных соединениях), обеспечивая при этом упругость и прочность хрупких элементов (например, колонн, фундаментов, ответственных соединений).

Это предотвращает внезапное и катастрофическое обрушение. Например, в каркасах, воспринимающих момент, применяется концепция «прочная колонна – слабая балка», когда колонны проектируются прочнее балок, входящих в их каркас, что обеспечивает образование пластических шарниров в балках, а не в колоннах.

Избыточность:

Резервная структурная система обеспечивает распределение нагрузки по нескольким путям. Это означает, что в случае выхода из строя одного элемента или пути нагрузки могут быть перераспределены на другие элементы, предотвращая прогрессирующее обрушение. Это повышает общую устойчивость конструкции к сейсмическим нагрузкам.

Регулярность в плане и по высоте:

Здания с правильной, симметричной конфигурацией (как в плане, так и по высоте) обычно более устойчивы к землетрясениям. Неравномерность жесткости, массы или прочности может привести к возникновению крутильных эффектов и концентрированных напряжений, повышая уязвимость.

Это включает в себя избегание «мягких этажей» (когда один этаж значительно более гибкий или слабый, чем предыдущие) и разрывов в системе, противодействующей боковым силам.

Особенности, связанные с местом расположения:

Сейсмостойкое проектирование должно учитывать особенности строительной площадки, включая:

Сейсмическая опасность: ожидаемая интенсивность и частота землетрясений в регионе (например, вблизи линий разломов).

Грунтовые условия: различные типы грунтов усиливают или ослабляют колебания грунта. Особого внимания требуют рыхлые или склонные к разжижению грунты.

Возможность возникновения вторичных опасностей: оползни, цунами или сейши.

Проектирование, ориентированное на производительность (PBD):

В современном сейсмостойком проектировании всё чаще используется подход, основанный на эксплуатационных характеристиках, который определяет конкретные эксплуатационные характеристики для землетрясений различной интенсивности. Эти цели могут варьироваться от «немедленного заселения» (минимальные повреждения, отсутствие помех) до «безопасности жизнедеятельности» (допускается повреждение конструкции, но предотвращается обрушение) и «предотвращения обрушения».

Это позволяет инженерам адаптировать проект к желаемому уровню риска и функциональности.

Стабильное истерическое поведение:

Стальные элементы, предназначенные для рассеивания энергии, должны обладать стабильными гистерезисными свойствами, то есть выдерживать многократные циклы нагрузки и разгрузки в неупругом диапазоне без существенного снижения прочности или жёсткости. Это критически важно для противодействия повторяющимся колебаниям грунта при землетрясениях.

Правильная детализация и соединения:

Соединения играют решающую роль в стальных конструкциях. Они должны быть спроектированы и детализированы для обеспечения требуемой пластичности и передачи нагрузки. Хрупкие разрушения в соединениях — частая причина повреждений во время землетрясений. Это включает в себя требования к качеству сварных швов, конфигурации болтов и обеспечению достаточной пластической деформации.

Предотвращение P-дельта-эффектов:

Эффекты P-Delta относятся к вторичным моментам, вызванным гравитационными нагрузками, действующими на смещенную вбок конструкцию. В высоких или гибких конструкциях эти эффекты могут значительно усиливать сейсмические силы и приводить к потере устойчивости. Сейсмическое проектирование должно учитывать и смягчать эти эффекты.

Эти принципы закреплены в национальных и международных стандартах сейсмического проектирования, таких как AISC 341 (Сейсмические требования к стальным зданиям) в США, Eurocode 8 и Закон о строительных стандартах Японии, которые содержат подробные требования и рекомендации по проектированию и строительству сейсмостойких стальных конструкций.