Сейсмостойкое строительство

Сейсмостойкое строительство— раздел гражданскогостроительства, специализирующийся в области изучения поведениязданийисооруженийподсейсмическимвоздействием в виде сотрясений земной поверхности, потери грунтом своей несущей способности, волнцунамии разработки методов и технологий строительства зданий, устойчивых к сейсмическим воздействиям.
Сейсмостойкое строительство может рассматривать любой строительный объект какфортификационное сооружение, но предназначенное для обороны от специфического противника —землетрясенияили вызванных землетрясением катастроф (например, цунами).
Главные задачи сейсмостойкого строительства:
Сейсмостойкое сооружение не обязательно должно быть громоздким и дорогим как, например,пирамида Кукульканав городеЧичен-Ица. В настоящее время наиболее эффективным и экономически целесообразным инструментом в сейсмостойком строительстве является вибрационный контрольсейсмической нагрузкии, в частности,сейсмическая изоляция, позволяющая возводить сравнительно лёгкие и недорогие постройки.
Сейсмическое нагружение является одним из основных понятий в сейсмостойком строительстве и теории сейсмостойкости и означает приложение колебательного возбуждения землетрясения к различным сооружениям.
Величина сейсмической нагрузки в большинстве случаев зависит от:
Сейсмическое нагружение происходит на поверхностях контакта сооружения сгрунтом, либо с соседним сооружением, либо с порождённой землетрясением гравитационной волной цунами. Оно постоянно экзаменует сейсмостойкость сооружения и иногда превышает его возможность выстоять без разрушений.
Прочностьсталипримерно в 10 раз выше, чем у самого прочногобетонаикаменнойиликирпичнойкладки, поэтому сейсмостойкость строения обычно достигается использованием мощного стальногокаркасаилистен, способных выдержать расчётное землетрясение без полного разрушения и с минимальными человеческими жертвами. Примером такой постройки может служить спальный корпусУниверситета Беркли, усиленный наружной антисейсмической стальной фермой.
Сейсмостойкое строительство, однако, не ставит цели построить практически неразрушимое здание: более целесообразным и экономически обоснованным является задача дать зданию возможность «парить» над трясущейся землёй. Для решения этой задачи применяютсясейсмопротекторы— видсейсмической изоляции, которая резко повышает сейсмостойкость строений.
Анализ сейсмостойкости является инструментом в сейсмостойком строительстве, который служит для лучшего понимания работы зданий и сооружений подсейсмической нагрузкой. Анализ сейсмостойкости основывается на принципах динамики сооруженийиантисейсмического проектирования. Самым распространённым методом анализа сейсмостойкости являлся метод спектров реакции, который получил своё развитие в настоящее время. Однако спектры реакции хороши лишь для систем с однойстепенью свободы. Использование пошагового интегрирования с трёхмерными диаграммами сейсмостойкостиоказываются более эффективным  для систем со многими степенями свободы и со значительной нелинейностью в условияхпереходного процессакинематической раскачки.
Исследование сейсмостойкости необходимо для понимания действительной работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой. Исследования бывают полевые (натурные) и насейсмоплатформе. Удобнее всего испытывать модель здания на сейсмоплатформе, воссоздающей сейсмические колебания.
Сопутствующие испытания на сейсмоплатформе обычно проводятся, когда необходимо сравнить поведение различных модификаций сооружения при одном и том же сейсмическом нагружении.
Виброконтрольявляется системой устройств, служащих для уменьшения сейсмической нагрузки на здания. Эти устройства можно классифицировать на пассивные, активные и гибридные.
Основная статья:Сухая кладка
Первыми строителями, обратившим особое внимание на сейсмостойкость капитальных построек (в частности, стен зданий), былиинкии другие древние жители Перу. Особенностями архитектуры инков является необычайно тщательная и плотная (так, что между блоками нельзя просунуть и лезвия ножа) подгонка каменных блоков (часто неправильной формы и различных размеров) друг к другу без использования строительных растворов. Благодаря этому, кладка не имела резонансных частот и точек концентрации напряжений, обладая дополнительной прочностьюсвода. При землетрясениях небольшой и средней силы такая кладка оставалась практически неподвижной, а при сильных — камни «плясали» на своих местах, не теряя взаимного расположения и при окончании землетрясения укладывались в прежнем порядке. Эти обстоятельства позволяют считать сухую кладку стен одним из первых в истории устройств пассивного виброконтроля зданий.
Сейсмический амортизатор— это разновидностьсейсмической изоляциидля защиты зданий и сооружений от потенциально разрушительных землетрясений.
Сейсмические амортизаторы на роликовых подшипниках были установлены в жилом 17-этажном комплексе вТокио.
Обычно инерционный демпфер (англ.Tuned Mass Damper), называемый также инерционный гаситель, который является одним из устройств для вибрационного контроля, представляет собой массивный бетонный блок, установленный на высотном здании или другом сооружении, который колеблется с резонансной частотой данного объекта с помощью специального пружиноподобного механизма под сейсмической нагрузкой.
Для этой цели, например, инерционный демпфер небоскрёбаТайбэй 101оборудован маятниковым подвесом в виде стального шара весом 660 тонн, расположенным между 92-м и 88-м этажами. Два других 6-тонных гасителя колебаний расположены на вершине шпиля и призваны гасить колебания верхней части здания.
Гистерезисный демпфер (англ.Hysteretic damper) предназначен для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт диссипации сейсмической энергии, проникающей в эти здания и сооружения. Имеются, в основном, четыре группы гистерезисныхдемпферов, а именно:
Каждая группа демпферов имеет свою специфику, свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при их применении.
Демпфирование вертикальной конфигурацией (англ.Building elevation control) предназначено для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт предотвращениярезонансныхколебаний с помощью дисперсии сейсмической энергии проникающей в эти здания и сооружения. Пирамидальные постройки не перестают привлекать внимание архитекторов и инженеров также благодаря их большей устойчивости при ураганах и землетрясениях.
Конический профиль здания не является обязательным для этого метода вибрационного контроля. Аналогичный эффект может быть достигнут с помощью соответствующей конфигурации таких характеристик как массы этажей и их жёсткости.
Многочастотный успокоитель колебаний (англ.Multi-Frequency Quieting Building System, МУК) является системой устройств для вибрационного контроля, установленной на высотном здании или другом сооружении, которая колеблется с определёнными резонансными частотами данного объекта под сейсмической нагрузкой.
Каждый МУК включает в себя ряд междуэтажных диафрагм, обрамлённых набором выступающих консолей с различными периодами собственных колебаний и работающих какинерционные демпферы. Использование МУК позволяет сделать здание как функциональным, так и архитектурно привлекательным.
Приподнятое основание здания (англ.Elevated building foundation) является инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой.
Эффект приподнятого основания здания (ПОЗ) основан на следующем. В результате многократных отражений, дифракций и диссипацийсейсмических волнв процессе их распространения внутри ПОЗ, передача сейсмической энергии в надстройку (верхнюю часть здания) оказывается сильно ослабленной.
Эта цель достигается за счёт соответствующего подбора строительных материалов, конструктивных размеров, а также конфигурации ПОЗ для конкретной площадки строительства.
Свинцово-резиновая опора (англ.Lead Rubber Bearing) — это сейсмическая изоляция, предназначенная для улучшения работы зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой за счёт интенсивного демпфирования сейсмической энергии, проникающей черезфундаментыв эти здания и сооружения. На изображении показано испытание свинцово-резиновой опоры сделанной из резинового цилиндра со свинцовым сердечником.
Однако механически податливые системы, какими являются сейсмически изолированные сооружения со сравнительно низкой горизонтальной жёсткостью, но со значительной так называемой демпфирующей силой, могут испытывать значительные перегрузки, вызванные при землетрясении как раз этой силой.
Пружинный демпфер (англ.Springs-with-damper Base Isolator) является изолирующим устройством, подобным по замыслу свинцово-резиновой опоре. Два небольших трёхэтажных дома с такими устройствами, расположенными вСанта-Монике (Калифорния), были проэкзаменованыНортриджским землетрясениемв 1994 году. Анализ результатов показал, что реальная стойкость зданий оказалась в несколько раз хуже прогнозируемых.
Фрикционно-маятниковая опора (англ.Friction Pendulum Bearing) — это сейсмическая изоляция, являющаяся инструментом вибрационного контроля в сейсмостойком строительстве, который может улучшить работу зданий и сооружений под сейсмической нагрузкой, состоящая из следующих основных элементов:
Исследование сейсмостойкости включает в себя как полевые, так и аналитические и лабораторные эксперименты, имеющие целью объяснение известных фактов либо пересмотр общепринятых взглядов в свете вновь открытых фактов и теоретических разработок. Основным практическим методом получения новых знаний по-прежнему остаётся обследование повреждённых при землетрясениях сооружений.
Ведущими научно-исследовательскими организациями в области сейсмостойкойсти являются: