Construcția rezistentă la cutremur este o ramură a ingineriei civile care este specializată în studiul comportării clădirilor și structurilor sub impact seismic sub formă de scuturare a suprafeței pământului, pierderea solului a capacității sale portante, valurile de tsunami și dezvoltarea de metode și tehnologii pentru construirea de clădiri rezistente la impactul seismic.
Construcția rezistentă la cutremur poate considera orice șantier ca o fortificație , dar concepută pentru a se apăra împotriva unui anumit inamic - un cutremur sau dezastre induse de cutremur (de exemplu, un tsunami).
Principalele sarcini ale construcției rezistente la cutremur:
O structură rezistentă la cutremur nu trebuie să fie voluminoasă și costisitoare, cum ar fi, de exemplu, piramida Kukulkan din orașul Chichen Itza . În prezent, cel mai eficient și mai rentabil instrument în construcția seismică este controlul vibrațiilor sarcinii seismice și, în special, izolarea seismică , care permite construirea de clădiri relativ ușoare și ieftine.
Încărcarea seismică este unul dintre conceptele de bază în inginerie seismică și teoria rezistenței seismice și înseamnă aplicarea excitației vibraționale a unui cutremur la diferite structuri.
Mărimea sarcinii seismice în majoritatea cazurilor depinde de:
Încărcarea seismică are loc pe suprafețele de contact ale unei structuri cu solul , fie cu o structură învecinată [2] , fie cu o undă gravitațională de tsunami generată de un cutremur. Testează constant rezistența seismică a unei structuri și uneori depășește capacitatea acesteia de a rezista fără distrugere.
Rezistența oțelului este de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a celui mai puternic beton și zidărie sau zidărie , astfel încât rezistența la cutremur a unei structuri este de obicei obținută prin utilizarea unui cadru sau pereți puternici din oțel care pot rezista cutremurului calculat fără distrugere completă și cu pierderi minime. de viață. Un exemplu de astfel de clădire este clădirea căminului Universității din Berkeley , întărită cu o ferme de oțel antiseismică externă.
Cu toate acestea, construcția rezistentă la cutremur nu urmărește construirea unei clădiri practic indestructibile: este mai fezabil și mai fezabil din punct de vedere economic să se permită clădirii să „plutească” deasupra solului tremurător. Pentru a rezolva această problemă , se folosesc protectori seismici - un tip de izolare seismică , care mărește dramatic rezistența seismică a clădirilor [3] .
Analiza seismică este un instrument în ingineria cutremurelor care servește la o mai bună înțelegere a performanței clădirilor și structurilor sub încărcare seismică . Analiza rezistenței seismice se bazează pe principiile dinamicii structurale [4] și proiectarea antiseismică . Cea mai comună metodă de analiză a rezistenței seismice a fost metoda spectrelor de reacție [5] , care a fost dezvoltată în prezent [6] . Cu toate acestea, spectrele de reacție sunt bune numai pentru sistemele cu un grad de libertate . Utilizarea integrării pas cu pas cu diagrame tridimensionale de rezistență seismică [7] se dovedește a fi mai eficientă pentru sistemele cu multe grade de libertate și cu neliniaritate semnificativă în condițiile procesului tranzitoriu de acumulare cinematică.
Studiul rezistenței seismice este necesar pentru a înțelege funcționarea efectivă a clădirilor și structurilor sub sarcină seismică. Studiile sunt de teren (naturale) și pe o platformă seismică . Cel mai convenabil este să testați un model de clădire pe o platformă seismică care recreează vibrațiile seismice.
Testele concomitente pe o platformă seismică sunt de obicei efectuate atunci când este necesar să se compare comportamentul diferitelor modificări ale unei structuri sub aceeași încărcare seismică [8] .
Controlul vibrațiilor este un sistem de dispozitive care servesc la reducerea sarcinii seismice asupra clădirilor. Aceste dispozitive pot fi clasificate în pasive, active și hibride [9] .
Pereți de zidărie uscatăArticolul principal: zidărie uscată
Primii constructori care au acordat o atenție deosebită rezistenței seismice a structurilor de capital (în special, pereții clădirilor) au fost incașii și alți locuitori antici ai Peru. Particularitățile arhitecturii Inca sunt neobișnuit de minuțioase și dense (astfel încât nici măcar lamele de cuțit nu pot fi introduse între blocuri) potrivirea blocurilor de piatră (adesea de formă neregulată și de diferite dimensiuni) între ele fără utilizarea mortarelor [10] . Din acest motiv, zidăria nu avea frecvențe de rezonanță și puncte de concentrare a tensiunilor, având o rezistență suplimentară a bolții . În timpul cutremurelor de putere mică și medie, astfel de zidărie au rămas practic imobile, iar în timpul cutremurelor puternice, pietrele au „dansat” la locurile lor, fără a-și pierde poziția relativă, iar la sfârșitul cutremurului au fost stivuite în aceeași ordine [11]. ] . Aceste circumstanțe fac posibilă considerarea așezării uscate a pereților ca fiind unul dintre primele dispozitive din istoria controlului pasiv al vibrațiilor clădirilor.
Amortizor seismicUn amortizor seismic este un tip de izolare seismică utilizat pentru a proteja clădirile și structurile de cutremure potențial dăunătoare [13] .
Amortizoarele seismice pe rulmenți au fost instalate într-un complex rezidențial de 17 etaje din Tokyo [14] .
Amortizor inerțialDe obicei , un amortizor de masă reglat , numit și amortizor inerțial, care este unul dintre dispozitivele pentru controlul vibrațiilor, este un bloc masiv de beton instalat pe o clădire înaltă sau altă structură, care oscilează la frecvența de rezonanță a acestui obiect folosind un mecanism special sub formă de arc sub sarcină seismică.
În acest scop, de exemplu, amortizorul inerțial al zgârie-norilor Taipei 101 este echipat cu o suspensie pendulară cu bile de oțel de 660 de tone situată între etajele 92 și 88. Alte două amortizoare de vibrații de 6 tone sunt situate în partea de sus a turnului și sunt proiectate pentru a amortiza vibrațiile din partea superioară a clădirii.
Amortizor de histerezisAmortizorul histeretic este conceput pentru a îmbunătăți funcționarea clădirilor și structurilor sub sarcină seismică datorită disipării energiei seismice care pătrunde în aceste clădiri și structuri. Există, practic, patru grupuri de amortizoare de histerezis , și anume:
Fiecare grup de amortizoare are propriile sale particularități, propriile avantaje și dezavantaje, care trebuie luate în considerare atunci când le utilizați.
Amortizare într-o configurație verticalăConfigurația verticală de amortizare ( de exemplu, controlul cotei clădirii ) este concepută pentru a îmbunătăți funcționarea clădirilor și structurilor sub sarcină seismică prin prevenirea vibrațiilor rezonante folosind dispersia energiei seismice care pătrunde în aceste clădiri și structuri. Clădirile piramidale continuă să atragă atenția arhitecților și inginerilor și datorită rezistenței mai mari la uragane și cutremure.
Pentru această metodă de control al vibrațiilor nu este necesar un profil conic al clădirii. Un efect similar poate fi obținut cu configurarea adecvată a unor caracteristici precum masele pardoselilor și rigiditatea acestora [16] .
Amortizor de vibrații cu mai multe frecvențeUn amortizor de vibrații cu mai multe frecvențe ( Multi-Frequency Quieting Building System , MUK) este un sistem de dispozitive de control al vibrațiilor instalate pe o clădire mare sau altă structură care vibrează la anumite frecvențe de rezonanță ale unui obiect dat sub sarcină seismică.
Fiecare MUK include o serie de diafragme între podea, încadrate de un set de console proeminente cu diferite perioade de oscilații naturale și care funcționează ca amortizoare inerțiale . Utilizarea MUK vă permite să faceți clădirea atât funcțională, cât și atractivă din punct de vedere arhitectural.
Baza ridicată a clădiriiFundația ridicată a clădirii este un instrument de control al vibrațiilor în ingineria cutremurelor care poate îmbunătăți performanța clădirilor și structurilor sub încărcare seismică.
Efectul bazei ridicate a clădirii (BEZ) se bazează pe următoarele. Ca urmare a reflexiilor multiple, difracției și disipării undelor seismice în procesul de propagare a acestora în interiorul POS, transferul energiei seismice către suprastructură (partea superioară a clădirii) este foarte slăbit [19] .
Acest obiectiv este atins prin selectarea adecvată a materialelor de construcție, a dimensiunilor structurale, precum și prin configurarea POS-ului pentru un anumit șantier.
Suport din plumb-cauciucLead Rubber Bearing este o izolație seismică concepută pentru a îmbunătăți funcționarea clădirilor și structurilor sub sarcină seismică datorită amortizarii intensive a energiei seismice care pătrunde prin fundații în aceste clădiri și structuri. Imaginea prezintă testul unui suport de plumb-cauciuc realizat dintr-un cilindru de cauciuc cu miez de plumb.
Cu toate acestea, sistemele conforme din punct de vedere mecanic, cum ar fi structurile izolate seismic cu rigiditate orizontală relativ scăzută, dar cu o așa-numită forță de amortizare semnificativă, pot suferi suprasarcini semnificative cauzate de un cutremur doar de această forță [20] .
Amortizor cu arcIzolatorul de bază cu arcuri cu amortizor este un dispozitiv de izolare similar ca design cu un stâlp din cauciuc cu plumb. Două case mici cu trei etaje cu astfel de dispozitive, situate în Santa Monica, California , au fost testate de cutremurul Northridge din 1994. O analiză a rezultatelor a arătat că durabilitatea reală a clădirilor s-a dovedit a fi de câteva ori mai proastă decât cea prevăzută [21] [22] .
Suport pendul de frecareLagărul cu pendul de frecare este o izolație seismică, care este un instrument de control al vibrațiilor în construcții rezistente la cutremur, care poate îmbunătăți performanța clădirilor și structurilor sub sarcină seismică, constând din următoarele elemente principale:
Studiul rezistenței seismice include atât experimente pe teren, cât și analitice și de laborator care vizează explicarea faptelor cunoscute sau revizuirea opiniilor general acceptate în lumina faptelor nou descoperite și a dezvoltărilor teoretice. Principala metodă practică de obținere a noilor cunoștințe este încă examinarea structurilor deteriorate de cutremur.
Cele mai importante organizații de cercetare în domeniul rezistenței seismice sunt: