Seismiskā dizaina un optimizācijas risinājumi tērauda karkasam un tērauda karkasa konstrukcijām
Tērauda karkass un tērauda stiprinājuma rāmja konstrukcijas ir dominējošas sānu spēka noturīgas sistēmas modernām vidēja un daudzstāvu ēkām, rūpnieciskām darbnīcām un liela laiduma sabiedriskām iekārtām. Salīdzinot ar betona un mūra konstrukcijām, tērauda konstrukcijām ir viegls pašsvars, augsta elastība, elastīgs izkārtojums un lieliska deformācijas pielāgošanās spēja seismisko slodžu apstākļos. Tomēr tīra tērauda momentu rāmji cieš no pārmērīgas starpstāvu novirzes, savukārt tradicionālie koncentriskie stiprinājumi ir pakļauti stiprinājuma izliekumam un nevienmērīgas enerģijas izkliedes riskiem. Saprātīga seismiskā iestatīšana un sistēmas optimizācija ir ļoti svarīga, lai maksimāli palielinātu tērauda konstrukciju seismisko noturību un nodrošinātu atbilstību starptautiskajiem būvnormatīviem, tostarp AISC 341 un ASCE 7. Šajā rakstā ir ieviestas praktiskas, kodeksam atbilstošas seismiskās shēmas tērauda karkasa un tērauda skavām karkasa konstrukcijām, lai palīdzētu būvinženierim veikt efektīvu seismisko projektēšanu.
Tērauda konstrukciju sistēmu galvenie seismiskie raksturlielumi
Tērauda konstrukcijas balstās uz tērauda augsto elastību un plastisko deformāciju, lai izkliedētu seismisko enerģiju, kas būtiski atšķiras no trauslām mūra konstrukcijām un betona konstrukcijām ar kontrolētu stingumu. Tērauda momenta rāmji iztur sānu slodzes, izmantojot stingrus siju un kolonnu savienojumus un sijas lieces deformāciju, veidojot plastmasas eņģes, kas patērē zemestrīces enerģiju. Tērauda stiprinājumiem ir aksiālas slodzes stiprinājumi, lai nodrošinātu augstu sānu stingrību, efektīvi kontrolējot konstrukcijas pārvietošanos biežu zemestrīču gadījumā.
Tērauda sistēmu galvenās seismiskās vājās vietas ir tīra momenta rāmju pārmērīga elastīga novirze, parasto tērauda balstu saspiešanas izliekuma kļūme un atlikušās deformācijas pēc spēcīgām zemestrīcēm. Bez mērķtiecīgas optimizācijas retu zemestrīču laikā tērauda ēkās var rasties liels vibrācijas paātrinājums, nestrukturālu sastāvdaļu bojājumi vai pat lokālas konstrukcijas kļūmes. Projektēšanas pamatprincips ir izveidot skaidru seismisko drošinātāju mehānismu, nodrošinot, ka palīgkomponenti vispirms ienes un aizsargā galvenos rāmja elementus.
1. Seismiskā iestatīšana tērauda momenta rāmja konstrukcijām
Tērauda momenta rāmji (SMF) tiek plaši izmantoti ēkās, kurām nepieciešama elastīga iekšējā telpa, bez diagonālām stiprinājumiem, kas ierobežo arhitektonisko izkārtojumu. To seismiskais dizains ir vērsts uz elastības kontroli un plastmasas eņģu racionālu izkārtojumu, stingri ievērojotstipra kolonna vāja sijakritērijs.
Projektētājiem jānodrošina, lai siju galos veidojas plastmasas eņģes, nevis kolonnu galos vai kolonnu pamatnēs, izvairoties no vispārējas konstrukcijas nestabilitātes. Siju un kolonnu savienojumi ir galvenās seismiskās detaļas; stingri metinātie vai skrūvju savienojumi garantē uzticamu momenta pārvadi. Nepārtrauktības plāksnes un dubultplāksnes jāuzstāda pie savienojuma paneļiem, lai novērstu lokālu bīdes bojājumu un paneļa izliekšanos ciklisku seismisko slodžu ietekmē.
Lai kontrolētu pārmērīgu stāstu novirzi, saskaņā ar AISC specifikācijām ir nepieciešami stingri stāstu nobīdes leņķu ierobežojumi. Vidēja augstuma tērauda momentu rāmjiem vidējās seismiskās zonās standarta savienojumu pastiprināšana un elementu sekciju optimizācija var atbilst nocietinājuma prasībām. Apgabalos ar augstu seismisko līmeni ieteicams izmantot papildu slāpēšanas ierīces, lai samazinātu strukturālo vibrāciju un uzlabotu seismisko dublēšanu.
2. Seismiskā optimizācija tērauda skavām karkasu sistēmām
Tērauda stiprinājumi tiek iedalīti koncentriski nostiprinātajos rāmjos (CBF) un ekscentriski nostiprinātajos rāmjos (EBF), kas kalpo kā augstas stingrības seismiskās sistēmas tērauda ēkām. Tradicionālās parastās koncentriskās bikšturi ir pakļauti atkārtotai izliekumam ciklisku seismisko slodžu ietekmē, kā rezultātā samazinās enerģijas izkliedes spēja, padarot tās nepiemērotas augstas intensitātes zonām.
Speciālie koncentriski nostiprināti rāmji (SCBF) ir modernizēts risinājums augstas seismiskiem lietojumiem. Izstrādāti, pamatojoties uz jaudas projektēšanas principiem, stiprinājumi darbojas kā seismiski drošinātāji, kas vispirms padod un izkliedē enerģiju, savukārt rāmja sijas, kolonnas un izciļņu plāksnes ir pastiprinātas, lai bez bojājumiem izturētu maksimālo stiprinājuma kapacitāti. Parasti tiek izmantotas V veida un apgrieztās V veida breketes, savukārt K veida breketes seismiskajā projektēšanā ir aizliegtas nesabalansēta vertikālā spēka risku dēļ.
Ekscentriski iestiprinātie rāmji (EBF) līdzsvaro koncentrisko lencēm lielo stingrību un momentu rāmju izcilo elastību. Iestatot īsas saites sijas starp stiprinājumiem un kolonnām, EBF koncentrē seismiskos bojājumus uz nomaināmām saišu sijām. Savienojumi zemestrīču laikā rada bīdi vai lieces, stabili izkliedējot enerģiju un aizsargājot galvenās karkasa sastāvdaļas, kas ir ideāli piemērots vidēja līdz augsta stāva tērauda ēkām reģionos ar augstu seismisko līmeni.
3. Uzlabota enerģijas izkliedes seismiskā shēma (BRB un amortizatori)
Lai novērstu tradicionālo breketu izliekuma defektu un vēl vairāk uzlabotu seismisko veiktspēju, Buckling Restrained Braces (BRB) ir kļuvuši par optimālu seismisko jauninājumu tērauda skavām. BRB, kas sastāv no tērauda serdes un ārējā ierobežojošā apvalka, novērš saspiešanas izliekuma traucējumus, panākot nemainīgu stiepes un spiedes nestspēju un stabilu histerētisku enerģijas izkliedi.
BRB kalpo kā vadāmi seismiskie drošinātāji, koncentrējot visas neelastīgās deformācijas uz maināmo kronšteinu serdi. Galvenais tērauda rāmis saglabā elastību mērenu un spēcīgu zemestrīču laikā, samazinot atlikušās deformācijas un remonta izmaksas pēc zemestrīces. Tērauda ēkām, kurām nepieciešama augsta seismiskā noturība, viskozu šķidrumu slāpētājus var uzstādīt sadarbībā ar BRB. Šie no ātruma atkarīgie slāpētāji efektīvi nomāc konstrukcijas vibrācijas, samazina grīdas paātrinājumu un starpstāvu novirzi, kā arī aizsargā nestrukturālas telpas.
4. Seismisko tērauda konstrukciju standarta izkārtojuma un detalizācijas principi
Regulārs konstrukcijas izkārtojums ir tērauda seismiskās konstrukcijas pamats. Simetriskā plakne un vertikālais izvietojums novērš vērpes efektus, ko izraisa asimetriskā stingrība un masas sadalījums. Jāizvairās no pēkšņām stingrības izmaiņām un vertikālu komponentu pārtraukumiem, lai novērstu koncentrētus seismiskos bojājumus vājās grīdās.
Gussetu plāksnes dizains ir kritiska seismiska detaļa nostiprinātiem rāmjiem. Standarta 8tp skaidra attāluma noteikuma ievērošana nodrošina pietiekamu deformācijas telpu kronšteina rotācijai un piekāpšanai, izvairoties no trausliem savienojuma bojājumiem. Visām seismiskajām šuvēm un skrūvju savienojumiem jāatbilst AISC 341 seismisko detaļu prasībām ar stingru ražošanas un uzstādīšanas kvalitātes kontroli.
5. Seismiskās shēmas izvēles rokasgrāmata tērauda konstrukcijām
Mazstāvu tērauda ēkām zemas vai vidējas seismiskās zonās ar parastajiem koncentriskiem stiprinājumiem vai standarta momenta rāmjiem pietiek, lai apmierinātu pamata seismiskās vajadzības ar izmaksu priekšrocībām. Vidēja un daudzstāvu tērauda konstrukcijām augstas intensitātes zonās priekšroka dodama SCBF vai EBF sistēmām, lai nodrošinātu līdzsvarotu stingrību un elastību.
Nozīmīgām sabiedriskām ēkām, rūpnieciskām iekārtām un konstrukcijām, kurām nepieciešama ātra atveseļošanās pēc zemestrīces, labākā izvēle ir BRB enerģijas izkliedes sistēmas vai hibrīda slāpēšanas seismiskās shēmas. Šis risinājums realizē bojājumu koncentrāciju uz nomaināmām enerģiju izkliedējošām sastāvdaļām, panākot zemu bojājumu un vieglu remontu pēc zemestrīcēm.
Secinājums
Tērauda rāmja un tērauda stiprinājuma rāmja seismiskā konstrukcija balstās uz saprātīgu sistēmas izvēli, standarta jaudas dizainu un optimizētu enerģijas izkliedes konfigurāciju. Tīra momenta rāmji dod priekšroku kaļamo savienojumu dizainam, tradicionālie stiprinājumi tiek modernizēti uz standartizētām seismiski izturīgām stiprinājumu sistēmām, un augstas veiktspējas ēkās tiek izmantotas BRB un slāpētāju kompozītmateriālu shēmas. Atbilstība AISC seismiskajām specifikācijām un neregulāru konstrukciju izkārtojumu novēršana var pilnībā izmantot tērauda konstrukciju elastīgās priekšrocības, nodrošinot ēkas drošību, stabilitāti un noturību seismisko slodžu ietekmē.
