Как Работят Сгради, Устойчиви На Земетресение

{h1}

Устойчиви на земетресения сгради са в състояние да издържат на сеизмични вълни. Научете как работят устойчиви на земетресения сгради в WordsSideKick.com.

Обърнете внимание на скорошната сеизмична активност и може да създадете впечатление, че Земята, може би малко прекалено кофеинова, има лош случай на шейкове. Земетресенията разтърсиха Чили и изчезнаха през 2010-11 г., като започнаха магнитуд с магнитуд 8,8 (или земетресение), който удари точно край брега близо до Консепсион през февруари 2010 г. цунами, което уби приблизително 29 000 души и повреди ядрени реактори [източник: Amazing Planet]. И накрая, през август 2011 г., земетресение с магнитуд 5,8, близо до Минерал, Вашингтон, плаши жителите нагоре и надолу по атлантическото крайбрежие и повреди паметника на Вашингтон.

Докато тези събития изглежда предполагат зловещо бъдеще с трепереща, трепереща кора, земетресенията винаги са били обичайни, както и човешката решимост да ги оцелее. През вековете инженерите са опознали едно нещо с нарастваща сигурност: Земетресенията не убиват хора; сградите правят. Това, разбира се, е грубо опростяване, защото цунамито също отнема много животи, но не всички земетресения пораждат цунами. Те обаче причиняват сгради, мостове и други структури да изпитват внезапни странични ускорения. Всичко това води до един логичен въпрос: Възможно ли е сградите да са изправени и непокътнати по време на катастрофални земетресения като тези, които разтърсиха Чили през февруари 2010 г. и Япония през март 2011 г.?

Много инженери и архитекти сега вярват, че е възможно да се изгради земетръсна сграда - такъв, който ще язди вълните на най-страховития тамплер и ще остане толкова добър, колкото нов, след като треперенето спря. Цената на такава сграда обаче ще бъде потресаваща. Вместо това строителните експерти се стремят към нещо малко по-малко амбициозно - устойчиви на земетресения сгради, които са предназначени да предотвратят тотален срив и да запазят живота, както и бюджетите за строителство.

През последните години науката за изграждане на устойчиви на земетресения структури е напреднала изключително много, но това не е съвсем нова тема. Всъщност няколко древни сгради стоят и до днес, въпреки местоположението им в активни сеизмични зони. Една от най-забележителните е Света София, куполна църква (сега музей), построена в Истанбул, Турция, през А. Д. 537. Около 20 години след завършването й, масивният купол се срути, след като трус разтърси района. Инженерите оцениха ситуацията и решиха да възстановят купола, но в по-малък мащаб. Те също подсилиха цялата църква отвън [източник: PBS].

Днес техниките са малко по-различни, но основните принципи са същите. Преди да се задълбочим в гайките и болтовете на изграждането на устойчиви на земетресения структури, нека да разгледаме някои основи, а именно какви сили се генерират по време на земетресение и как те влияят на създадени от човека структури.

Влиянието на земетресенията върху сградите

Можете да получите пълната история за земетресенията в Как работят земетресенията, но преглед на основите ще помогне тук. Земетресенията се случват, когато масиви скали в земната кора се плъзгат и се плъзгат една върху друга. Този вид движение се среща най-често по a вина, пробив в скално тяло, който може да се простира с километри или дори стотици мили. Когато парчета кора от камъни внезапно се изплъзват и се движат, те отделят огромни количества енергия, която след това се разпространява през кора като сеизмични вълни, На земната повърхност тези вълни предизвикват треперенето и вибрирането на земята, понякога силно.

Геолозите класифицират сеизмичните вълни в две широки категории: телесни и повърхностни вълни. Телесни вълни, които включват P и S вълни, пътуват през вътрешността на Земята. P вълни приличат на звукови вълни, което означава, че притискат и разширяват материала, докато преминават. S вълни приличат на водни вълни, което означава, че движат материал нагоре и надолу. P вълните пътуват през твърди частици и течности, докато S вълни пътуват само през твърди частици.

След удара на земетресение, P вълни пръскат първо през планетата, последвани от S вълни. След това идвайте по-бавно повърхностни вълни - за какво се отнасят геолозите обичам и Рейли вълни, И двата вида движат земята хоризонтално, но само Rayleigh вълните също движат земята вертикално. Повърхностните вълни образуват влакове с дълги вълни, които изминават големи разстояния и причиняват по-голямата част от треперенето - и голяма част от щетите - свързани със земетресение.

Ако земетресенията се движат само по вертикала, сградите могат да претърпят малки щети, тъй като всички структури са проектирани да издържат до известна степен вертикалните сили - тези, свързани с гравитацията. Но подвижните вълни на земетресение, особено Любовните вълни, упражняват крайни хоризонтални сили върху стоящи конструкции. Тези сили предизвикват странични ускорения, което учените измерват като G-сили, Земетресение с магнитуд 6,7, например, може да доведе до ускорение от 1 G и максимална скорост от 40 инча (102 сантиметра) в секунда. Подобно внезапно движение встрани (почти сякаш някой ви насилва буйно) създава огромни натоварвания за структурни елементи на сградата, включително греди, колони, стени и подове, както и съединителите, които държат тези елементи заедно. Ако тези напрежения са достатъчно големи, сградата може да се срути или да понесе осакатяващи щети.

Друг критичен фактор е субстратът на къща или небостъргач. Сградите, изградени на основата, често се представят добре, защото земята е твърда. Конструкциите, които седят на мека или запълнена почва, често се провалят напълно. Най-големият риск в тази ситуация е явление, известно като втечняване, което се случва, когато слабо опакованите, замърсени с вода замърсявания временно се държат като течности, в резултат на което земята потъва или се плъзга, а сградите заедно с нея.

Ясно е, че инженерите трябва да избират внимателно своите сайтове. След това ще разберем как инженерите планират и проектират сгради, устойчиви на земетресения.

По-фините точки на честотата

Когато сеизмичните вълни достигнат земната повърхност, те причиняват земята и всичко, което седи на нея, да вибрира с определени честоти. По време на земетресение сградата ще има тенденция да вибрира около една конкретна честота, известна като нейната естествен, или основен, честота, Когато сградата и земята споделят естествената честота на сградата, се казва, че са в резонанс. Това е лошо. резонанс усилва последиците от земетресение, причинявайки на сградите по-големи щети. През септември 1985 г. тамплер в Мексико Сити създаде вълни с честота, перфектно приведена в съответствие с естествената честота на 20-етажна сграда. В резултат на това повече сгради с тази височина са били повредени, отколкото по-високи или по-къси конструкции. В някои случаи повредена 20-етажна сграда стоеше точно до неповредена сграда с различна височина.

Проекти на сгради, устойчиви на земетресения: Геологическо проучване на САЩ до спасителните

Примерна карта на опасността, която може да използва инженер

Примерна карта на опасността, която може да използва инженер

Преди да започне голям строителен проект, инженерите трябва първо да оценят сеизмичната активност на строителната площадка. В САЩ те имат достъп до ресурс, който да помогне в този процес - Национални сеизмични карти за опасност изготвен от американския геологичен преглед (USGS). Тези карти показват вероятността движенията на земята да надхвърлят определена стойност през следващите 50 години. За да изчислят стойността на конкретно място, геолозите вземат исторически данни за земетресението и след това правят образовани предположения за движения на земята от всички възможни бъдещи магнитуди на земетресение на всички възможни разстояния от това място. Резултатът е цветна контурна карта, която показва кои райони на страната имат най-голяма опасност от земетресение. Както може би очаквате, цялото крайбрежие на Калифорния е зона с висока опасност. Други горещи точки на земетресението в САЩ включват Аляска, Хаваи, Южна Каролина и регион, обхващащ Югоизточна Мисури, Южен Илинойс, западен Кентъки и Тенеси и североизточен Арканзас.

Строителните кодове, като Международния строителен кодекс, използван в по-голямата част от Съединените щати, установяват сеизмични разпоредби за проектиране на базата на USGS сеизмичните карти на опасност. В райони с висока опасност инженерите и архитектите трябва да се придържат към по-строги стандарти при проектирането на сгради, мостове и магистрали, за да се уверят, че тези структури издържат на клатене от земетресение. В същото време в районите с ниска опасност инженерите са пощадени от свръхпроектиращи сгради, които имат малка вероятност да получат силно движение на земята в резултат на земетресение.

След като инженерите определят сеизмичните рискове на даден обект, те трябва да предложат подходящ проект на сградата. Като цяло те избягват на всяка цена неправилни или асиметрични дизайни. Те включват сгради с форма на L или Т или структури с ниско ниво. Въпреки че подобни дизайни повишават визуалния интерес, те също са по-податливи на усукванеили усукване около надлъжните им оси. Вместо това сеизмичните инженери предпочитат да поддържат сградите симетрични, така че силите да се разпределят равномерно по цялата структура. Те също така ограничават орнаментите, като корнизи, вертикални или хоризонтални конзолни издатини или камъни на фасции, тъй като земетресенията могат лесно да изместят тези архитектурни елементи и да ги изпратят да се разбият на земята.

Само симетрията няма да спести сграда. Ще поговорим повече за това, което може - следващо.

Строителни конструкции, устойчиви на земетресения: Оформете сами

Дори симетричните сгради трябва да могат да издържат на значителни странични сили. Инженерите противодействат на тези сили както в хоризонталната, така и във вертикалната структурна система на сградата. Диафрагми са ключов компонент на хоризонталната структура. Те включват етажите на сграда, както и нейният покрив. Обикновено инженерите поставят всяка диафрагма на своя палуба и я укрепват хоризонтално, за да може тя да споделя странични сили с вертикалните конструктивни елементи. На покрива, където силната палуба не винаги е възможна, инженерите укрепват диафрагмата ферми, които са диагонални конструктивни елементи, вкарани в правоъгълните зони на рамката.

Вертикалната структурна система на сградата се състои от колони, греди и укрепващи елементи и функции за прехвърляне на сеизмични сили към земята. При изграждането на вертикалната структура инженерите имат няколко опции. Те често изграждат стени, използвайки скосени рамки, които разчитат на фермите, за да устоят на движението настрани. Cross-разпънки, който използва два диагонални елемента в X-образна форма, е популярен начин за изграждане на стенни ферми. Вместо подправени рамки или в допълнение към тях, инженерите могат да използват срязване на стени - вертикални стени, които втвърдяват структурната рамка на сградата и помагат да се противопоставят на люлеещите се сили. Инженерите често ги поставят на стени без отвори, като тези около асансьорните шахти или стълбищните стени.

Ножичните стени ограничават гъвкавостта на дизайна на сградата. За да преодолеят този спад, някои дизайнери избират моментноустойчиви рамки, В тези структури колоните и гредите се оставят да се огъват, но фугите или съединителите между тях са твърди. В резултат на това цялата рамка се движи в отговор на странична сила и въпреки това осигурява сграда, която е по-малко преградена от вътрешните конструкции. Това дава на дизайнера повече гъвкавост при поставянето на архитектурни елементи, като външни стени, прегради и тавани, както и строително съдържание, като мебели и насипно оборудване.

Разбира се, конструктивните членове на една сграда почиват върху нейната основа. На следващата страница ще разгледаме как инженерите подобряват основите на сградите, за да ги направят по-устойчиви при силни земетресения.

Казус: Пирамидата Трансамерика в Сан Франциско

Пирамидата Трансамерика извисява във въздуха 853 фута (260 метра) и стои като символ на Сан Франциско от 1972 г. Естетичната й красота сама по себе си е достатъчна, за да вдъхне страхопочитание и учудване, но не е нищожна, що се отнася до дизайна и инженерството. Пирамидата черпи силата си от уникална система от ферми, която разполага с рентгенография, използвана над първия етаж. Фрезеровата система поддържа вертикално и хоризонтално натоварване, но е особено устойчива на торсионни сили, генерирани от сеизмични събития. Освен външните рамки, вътрешните се простират до 45-ия етаж. Резултатът е силна структура, която се е справила добре при сеизмични събития. По време на земетресението в Лома Приета с магнитуд 7,1, което сполетя планините Санта Круз през 1989 г., най-горната история на пирамидата се люлееше на повече от 12 инча (30 сантиметра) отстрани, но все пак не претърпя щети.

Фондации и материали, устойчиви на земетресения

Ако основата на сградата седи на мека или запълнена почва, цялата сграда може да се провали при земетресение, независимо от използваните съвременни инженерни техники. Приемайки обаче, че почвата под конструкцията е твърда и твърда, инженерите могат значително да подобрят как системата за изграждане на фундаменти ще реагира на сеизмичните вълни. Например земетресенията често събарят сгради от техните основи. Едното решение включва обвързването на основата към сградата, така че цялата структура да се движи като цяло.

Друго решение - известно като изолация на основата - включва плаваща сграда над нейната основа върху система от лагери, пружини или подплатени цилиндри. Инженерите използват най-различни дизайни на лагери, но често избират оловно-каучукови лагери, които съдържат твърда оловна сърцевина, обвита в редуващи се слоеве от каучук и стомана. Водещата сърцевина прави лагера твърд и здрав във вертикална посока, докато гумените и стоманените ленти правят лагера гъвкав в хоризонтална посока. Лагерите се закрепват към сградата и основата чрез стоманени плочи и след това, когато се стигне до земетресение, позволяват на фундамента да се движи, без да движи конструкцията над него. В резултат на това хоризонталното ускорение на сградата е намалено и претърпява много по-малко деформации и повреди.

Дори със система за изолиране на основата сградата все още получава определено количество вибрационна енергия по време на земетресение. Самата сграда може да разсее или влага до известна степен тази енергия, въпреки че способността й да прави това е пряко свързана с пластичността на материала, използван в конструкцията. еластичност се отнася до способността на материала да претърпи големи пластични деформации. Тухлените и бетонните сгради имат ниска пластичност и затова абсорбират много малко енергия. Това ги прави особено уязвими при дори малки земетресения. Сградите, изградени от стоманобетон, от друга страна, се представят много по-добре, защото вградената стомана повишава пластичността на материала. И сгради, направени от конструкционна стомана - стоманени компоненти, които се предлагат в различни предварително формовани форми, като греди, ъгли и плочи - предлагат най-висока пластичност, позволявайки на сградите да се огъват значително, без да се счупят.

В идеалния случай инженерите не трябва да разчитат само на присъщата на структурата способност да разсейва енергията. Във все по-устойчиви на земетресения сгради дизайнерите инсталират амортизационни системи. Активно амортизиране на масанапример разчита на тежка маса, монтирана в горната част на сградата и свързана с вискозни амортисьори, които действат като амортисьори. Когато сградата започне да се колебае, масата се движи в обратна посока, което намалява амплитудата на механичните вибрации. Възможно е също така да се използват по-малки амортисьорни устройства в скобата на сградата.

Дори при обширни тестове на лабораторни разклащащи таблици, всяка концепция за сеизмично инженерно проектиране остава прототип, докато не изпита действително земетресение. Едва тогава по-голямата научна общност може да оцени нейните резултати и да използва наученото, за да стимулира иновациите. В следващия раздел ще разгледаме някои от тези новости, както и какво може да има бъдещето за сеизмичното инженерство.

Пример: Тайпе 101 в Тайван

Тайпе 101 застана като най-високият небостъргач в света, докато Бурж Дубай отвори врати през 2010 г. И въпреки това масивната 1667-футова (508-метрова) кула все още представлява чудо на дизайнерските иновации. Една от най-впечатляващите му характеристики е 730-тонна (662-метрична тона) активна амортисьорна система, която се намира в горната част на сградата, между 88-ия и 92-ия етаж. Огромната сфера седи в люлка, оформена от осем стоманени кабели и се свързва с осем вискозни амортисьори. Ако сградата започне да се люлее, амортисьорът противодейства на движението, намалявайки вибрациите, които биха могли да направят обитателите неудобни и да причинят стрес върху конструкцията.

Бъдещето на устойчиво на земетресение строителство

Целта на устойчиви на земетресения сгради е да запазят живота. Това означава, че сграда, която не се срутва и позволява на жителите й да избягат, се счита за успех - дори и в крайна сметка да бъде съборена. Но какво, ако една сграда може да изпита деформация по време на трус, след което да се върне в първоначалната си форма? За някои изследователи, като Грег Дейерлейн от Станфордския университет и Джером Хайджар от Североизточния университет, това е бъдещето на сеизмичното инженерство.

Deierlein и Hajjar се обединиха, за да разработят иновативна технология, известна като люлееща се рамка, която се състои от три основни компонента - стоманени рамки, стоманени кабели и стоманени предпазители. Ето как става: Когато земетресение удари, стоманените рамки се клатят нагоре и надолу до съдържанието на сърцето им. Цялата енергия се насочва надолу към фитинга, в който са разположени няколко зъбни предпазители. Зъбите на предпазителите се стискат и дори могат да се провалят, но самата рамка остава непокътната. След като треперенето е спряло, стоманените кабели в рамката извеждат сградата обратно в изправено положение. След това работниците проверяват предпазителите и заменят всички повредени. Резултатът е сграда, която може да бъде заета бързо след земетресение.

Друга иновация е нещо, което е наречено сеизмичен наметало за невидимост, което предполага, че една сграда може да бъде прозрачна за повърхностните вълни, причинени от земетресение. За да постигнат това, инженерите биха погребали серия от до 100 концентрични пластмасови пръстена под основата на сградата. Когато вълните се сблъскат с пръстените, те влизат и след това се компресират, тъй като се принуждават в затруднение. Вълните по принцип ципират точно под основата на сградата и излизат от пръстените от другата страна, където възобновяват първоначалната си скорост и амплитуда.

Интересно е, че голяма част от бъдещето на сеизмичната техника включва поглед назад, а не напред. Това е така, защото преоборудването на стари сгради с подобрен дизайн и материали е също толкова важно, колкото изграждането на нови сгради от нулата. Инженерите откриха, че добавянето на основни системи за изолация към конструкции е възможно и икономически привлекателно. Според Националната програма за намаляване на опасностите от земетресение, повече от 200 сгради в Съединените щати, включително много градски управи и пожарни и аварийни сгради, сега разполагат с изолационни системи. След труса в Лома Приета през 1989 г. инженерите са модернизирали няколко сгради, включително градските зали на Сан Франциско, Оукланд и Лос Анджелис. Устойчивите на земетресения структури в тези сгради най-сигурно ще бъдат изправени пред изпитание под формата на сериозно сеизмично събитие.Единственият въпрос е кога и в каква степен.

Пример: кметство Сан Франциско в Калифорния

Инженерите вземат предвид повече от височината на сградата, когато оценяват устойчивите на земетресения технологии, които биха могли да включват. Те трябва също да претеглят гражданското или културното значение на дадена структура. Например, болница може да изисква повече внимание, отколкото склад. След земетресението в Лома Приета през 1989 г., което загина 3500 души и повреди 100 000 сгради в Сан Франциско, Оукланд и Санта Круз, инженерите и градоустройствениците преоборудват няколко важни структури с устойчиви на земетресения технологии, като кметството в Сан Франциско. Инженерите отрязаха сградата с дължина два блока от основата й и я плаваха на 530 базови изолатори. Ако сеизмичните вълни се търкалят в бъдеще, сградата ще се люлее хоризонтално до 26 инча (66 сантиметра), без да се разклаща.


Видео Добавка: Земетресение с магнитуд 5,6 по Рихтер разлюля Румъния.




Изследване


Защо Елон Мъск Се Оттегля От Групата За Безопасност На Ai, Който Е Съосновател
Защо Елон Мъск Се Оттегля От Групата За Безопасност На Ai, Който Е Съосновател

Вр В Кан: Как Виртуалната Реалност Ще Промени Филма?
Вр В Кан: Как Виртуалната Реалност Ще Промени Филма?

Наука Новини


Снимки: Най-Големите Лъвове На Земята
Снимки: Най-Големите Лъвове На Земята

Втората Поправка И Правото Да Носят Оръжие
Втората Поправка И Правото Да Носят Оръжие

Това Древно Общество Погребва Деца С Увреждания Като Крале
Това Древно Общество Погребва Деца С Увреждания Като Крале

Как Да Станем Армейски Преводач Или Преводач
Как Да Станем Армейски Преводач Или Преводач

Мозъчният Растеж В Тотовете Е Свързан С Аутизма
Мозъчният Растеж В Тотовете Е Свързан С Аутизма


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2019 BG.WordsSideKick.com