Maanjäristystä kestävä rakentaminen on maa- ja vesirakentamisen ala , joka on erikoistunut rakennusten ja rakenteiden käyttäytymisen tutkimukseen maanpinnan tärinän, maaperän kantokyvyn heikkenemisen, tsunamiaaltojen sekä menetelmien ja teknologiat rakennusten rakentamiseen, jotka kestävät seismiset vaikutukset.
Maanjäristyksen kestävä rakenne voi pitää mitä tahansa rakennustyömaa linnoituksena , mutta se on suunniteltu puolustamaan tiettyä vihollista - maanjäristystä tai maanjäristyksen aiheuttamia katastrofeja (esimerkiksi tsunamia) vastaan.
Maanjäristyksen kestävän rakentamisen päätehtävät:
Maanjäristyksen kestävän rakenteen ei tarvitse olla tilaa vievä ja kallis, kuten esimerkiksi Kukulkanin pyramidi Chichen Itzan kaupungissa . Tällä hetkellä tehokkain ja kustannustehokkain työkalu seismisessä rakentamisessa on seismisen kuormituksen värähtelyn hallinta ja erityisesti seisminen eristys , joka mahdollistaa suhteellisen kevyiden ja edullisien rakennusten rakentamisen.
Seisminen kuormitus on yksi seismisen tekniikan ja seismisen vastusteorian peruskäsitteitä ja tarkoittaa maanjäristyksen värähtelyvirityksen soveltamista erilaisiin rakenteisiin.
Seismisen kuormituksen suuruus riippuu useimmissa tapauksissa:
Seisminen kuormitus tapahtuu rakenteen kosketuspinnoilla maan kanssa , joko viereisen rakenteen [2] tai maanjäristyksen synnyttämän tsunamin gravitaatioaallon kanssa. Se testaa jatkuvasti rakenteen seismisen kestävyyttä ja joskus ylittää sen kyvyn kestää ilman tuhoa.
Teräksen lujuus on noin 10 kertaa suurempi kuin vahvimman betonin ja muurauksen tai muurauksen lujuus, joten rakenteen maanjäristyskestävyys saavutetaan yleensä käyttämällä voimakasta teräsrunkoa tai -seiniä , jotka kestävät lasketun maanjäristyksen ilman täydellistä tuhoa ja minimaalisella häviöllä. elämästä. Esimerkki tällaisesta rakennuksesta on Berkeleyn yliopiston asuntolarakennus , joka on vahvistettu ulkoisella seismistenkestävällä teräsristikolla.
Maanjäristyksen kestävällä rakentamisella ei kuitenkaan pyritä rakentamaan käytännöllisesti katsoen tuhoutumatonta rakennusta: järkevämpää ja taloudellisesti kannattavampaa on antaa rakennuksen "kellua" tärisevän maan päällä. Tämän ongelman ratkaisemiseksi käytetään seismisä suojia - eräänlaista seismistä eristystä , joka lisää dramaattisesti rakennusten seismistä vastustuskykyä [3] .
Seisminen analyysi on maanjäristystekniikan työkalu, joka auttaa ymmärtämään paremmin rakennusten ja rakenteiden suorituskykyä seismisessä kuormituksessa . Seismisen vastustuskyvyn analyysi perustuu rakennedynamiikan [4] ja antiseismisen suunnittelun periaatteisiin . Yleisin seismisen kestävyyden analysointimenetelmä oli tällä hetkellä kehitetty reaktiospektrien menetelmä [5] [6] . Reaktiospektrit ovat kuitenkin hyviä vain järjestelmille, joissa on yksi vapausaste . Vaiheittaisen integroinnin käyttö kolmiulotteisten seismisten vastuskaavioiden kanssa [7] osoittautuu tehokkaammaksi järjestelmissä, joissa on useita vapausasteita ja joilla on merkittävä epälineaarisuus kinemaattisen kasvun ohimenevän prosessin olosuhteissa.
Seismisen kestävyyden tutkimus on tarpeen rakennusten ja rakenteiden todellisen toiminnan ymmärtämiseksi seismisessä kuormituksessa. Tutkimukset ovat kenttä (luonnollinen) ja seismisellä alustalla . On kätevintä testata rakennusmalli seismisellä alustalla, joka luo uudelleen seismiset värähtelyt.
Samanaikaisia kokeita seismisellä alustalla tehdään yleensä silloin, kun on tarpeen verrata rakenteen erilaisten muunnelmien käyttäytymistä samalla seismisellä kuormituksella [8] .
Tärinänhallinta on laitejärjestelmä, joka vähentää rakennusten seismistä kuormitusta. Nämä laitteet voidaan luokitella passiivisiin, aktiivisiin ja hybrideihin [9] .
Kuivat muuratut seinätPääartikkeli: Kuiva muuraus
Ensimmäiset rakentajat, jotka kiinnittivät erityistä huomiota pääomarakenteiden (erityisesti rakennusten seinien) seismiseen kestävyyteen, olivat inkat ja muut Perun muinaiset asukkaat. Inka-arkkitehtuurin erityispiirteitä ovat epätavallisen perusteellinen ja tiheä (jotta veitsen teriä ei voi laittaa lohkojen väliin) kivipalojen (usein epäsäännöllisen muotoisia ja erikokoisia) sovittaminen toisiinsa ilman laastia [10] . Tästä johtuen muurauksessa ei ollut resonanssitaajuuksia ja jännityskeskittymispisteitä, mikä lisäsi holvin lujuutta . Pienten ja keskivahvojen maanjäristysten aikana tällainen muuraus pysyi käytännössä liikkumattomana, ja voimakkaiden maanjäristysten aikana kivet "tanssiivat" paikoillaan menettämättä suhteellista asemaansa, ja maanjäristyksen lopussa ne pinottiin samassa järjestyksessä [11 ] . Nämä olosuhteet antavat mahdollisuuden pitää seinien kuivaa asettamista yhtenä ensimmäisistä laitteista rakennusten passiivisen tärinänhallinnan historiassa.
Seisminen iskunvaimenninSeisminen vaimennin on seismisen eristyksen tyyppi, jota käytetään suojelemaan rakennuksia ja rakenteita mahdollisesti vahingollisilta maanjäristyksiltä [13] .
Tokioon 17-kerroksiseen asuinkompleksiin asennettiin seismiset iskunvaimentimet rullalaakereihin [14] .
InertiapeltiTyypillisesti viritetty massavaimennin , jota kutsutaan myös inertiavaimentimeksi ja joka on yksi tärinänhallintalaitteista, on massiivinen betonilohko, joka on asennettu kerrostaloon tai muuhun rakenteeseen, joka värähtelee tämän kohteen resonanssitaajuudella käyttämällä erityinen jousimainen mekanismi seismisen kuormituksen alaisena.
Tätä tarkoitusta varten esimerkiksi Taipei 101 pilvenpiirtäjän inertiapelti on varustettu 660 tonnin teräskuulaheilurijousituksella, joka sijaitsee kerrosten 92 ja 88 välissä. Kaksi muuta 6 tonnin tärinänvaimenninta sijaitsevat tornin yläosassa ja ne on suunniteltu vaimentamaan rakennuksen yläosan tärinää.
HystereesipeltiHystereettinen vaimennin on suunniteltu parantamaan rakennusten ja rakenteiden toimintaa seismisessä kuormituksessa, koska seismisen energian hajoaminen tunkeutuu näihin rakennuksiin ja rakenteisiin. Hystereesivaimentimia on periaatteessa neljä ryhmää , nimittäin:
Jokaisella vaimentimien ryhmällä on omat erityispiirteensä, omat etunsa ja haittansa, jotka tulee ottaa huomioon niitä käytettäessä.
Vaimennus pystyasennossaVaimennus pystysuora konfiguraatio ( eng. Building elevation control ) on suunniteltu parantamaan rakennusten ja rakenteiden toimintaa seismisessä kuormituksessa estämällä resonanssivärähtelyjä käyttämällä seismisen energian leviämistä näihin rakennuksiin ja rakenteisiin. Pyramidirakennukset herättävät edelleen arkkitehtien ja insinöörien huomion myös niiden paremman kestävyyden vuoksi hurrikaaneja ja maanjäristyksiä vastaan.
Tässä tärinänhallintamenetelmässä ei tarvita kartiomaista rakennusprofiilia. Samanlainen vaikutus voidaan saavuttaa sopivalla konfiguraatiolla sellaisilla ominaisuuksilla kuin lattioiden massat ja niiden jäykkyys [16] .
Monitaajuinen tärinänvaimenninMonitaajuinen tärinänvaimennin ( Multi-Frequency Quieting Building System , MUK) on korkeaan kerrostaloon tai muuhun rakenteeseen asennettu tärinänhallintalaitteiden järjestelmä, joka tärisee tietyn kohteen tietyillä resonanssitaajuuksilla seismisen kuormituksen alaisena.
Jokainen MUK sisältää useita lattianvälisiä kalvoja, joita kehystää joukko ulkonevia konsoleita, joissa on eri jaksot luonnolliset värähtelyt ja jotka toimivat inertiavaimentimina . MUKin käyttö mahdollistaa rakennuksen tekemisen sekä toimivaksi että arkkitehtonisesti houkuttelevaksi.
Rakennuksen korotettu pohjaKohotettu rakennuksen perustus on maanjäristystekniikan tärinänhallintatyökalu, joka voi parantaa rakennusten ja rakenteiden suorituskykyä seismisessä kuormituksessa.
Rakennuksen korotetun pohjan (BEZ) vaikutus perustuu seuraavaan. Monien heijastusten, diffraktioiden ja seismisten aaltojen hajoamisen seurauksena niiden leviämisen aikana POS:n sisällä seismisen energian siirtyminen päällirakenteeseen (rakennuksen yläosaan) heikkenee suuresti [19] .
Tämä tavoite saavutetaan valitsemalla sopivat rakennusmateriaalit, rakenteelliset mitat sekä POS:n konfiguraatio tietylle rakennustyömaalle.
Lyijy-kumitukiLead Rubber Bearing on seisminen eristys, joka on suunniteltu parantamaan rakennusten ja rakenteiden toimintaa seismisen kuormituksen alaisena perustusten kautta näihin rakennuksiin ja rakenteisiin tunkeutuvan seismisen energian intensiivisen vaimennuksen vuoksi. Kuvassa on lyijyytimellä varustetusta kumisylinteristä valmistetun lyijy-kumituen testi.
Kuitenkin mekaanisesti yhteensopivissa järjestelmissä, kuten seismisesti eristetyt rakenteet, joilla on suhteellisen alhainen vaakajäykkyys, mutta joilla on merkittävä ns. vaimennusvoima, voivat kuitenkin kokea merkittäviä maanjäristyksen aiheuttamia ylikuormituksia jo tämän voiman vaikutuksesta [20] .
JousipeltiJousilla ja vaimentimella Base Isolator on eristyslaite, joka on rakenteeltaan samanlainen kuin lyijy-kumipylväs. Kaksi pientä kolmikerroksista taloa, joissa oli tällaisia laitteita ja jotka sijaitsevat Santa Monicassa, Kaliforniassa , testattiin Northridgen maanjäristyksessä vuonna 1994. Tulosten analyysi osoitti, että rakennusten todellinen kestävyys osoittautui useita kertoja ennustettua huonommaksi [21] [22] .
Kitkaheilurin tukiKitkaheilurilaakeri on seisminen eristys, joka on tärinänhallintatyökalu maanjäristystä kestävässä rakenteessa, joka voi parantaa rakennusten ja rakenteiden suorituskykyä seismisessä kuormituksessa ja joka koostuu seuraavista pääelementeistä:
Seismisen vastustuskyvyn tutkimukseen kuuluu sekä kenttä- että analyyttisiä ja laboratoriokokeita, joiden tarkoituksena on selittää tunnettuja tosiasioita tai tarkistaa yleisesti hyväksyttyjä näkemyksiä vasta löydettyjen tosiasioiden ja teoreettisen kehityksen valossa. Tärkein käytännön menetelmä uuden tiedon hankkimiseksi on edelleen maanjäristysten vahingoittamien rakenteiden tutkiminen.
Johtavat seismisen vastustuskyvyn tutkimusorganisaatiot ovat: