Stavebnictví odolné proti zemětřesení je obor pozemního stavitelství , který se specializuje na studium chování budov a konstrukcí při seismických dopadech v podobě otřesů zemského povrchu, ztráty únosnosti půdy, vln tsunami a vývoj metod a technologie pro stavbu budov, které jsou odolné vůči seismickým vlivům.
Konstrukce odolná proti zemětřesení může považovat jakékoli staveniště za opevnění , ale určené k obraně proti konkrétnímu nepříteli - zemětřesení nebo katastrofám způsobeným zemětřesením (například tsunami).
Hlavní úkoly konstrukce odolné proti zemětřesení:
Konstrukce odolná proti zemětřesení nemusí být objemná a drahá, jako například pyramida Kukulkan ve městě Chichen Itza . V současné době nejúčinnějším a cenově nejvýhodnějším nástrojem v seismické výstavbě je vibrační regulace seismického zatížení a zejména seismická izolace , která umožňuje výstavbu relativně lehkých a levných budov.
Seismické zatížení je jedním ze základních pojmů v seismickém inženýrství a teorii seismického odporu a znamená aplikaci vibračního buzení zemětřesení na různé konstrukce.
Velikost seismického zatížení ve většině případů závisí na:
K seismickému zatížení dochází na kontaktních plochách konstrukce se zemí , buď se sousední konstrukcí [2] , nebo gravitační vlnou tsunami generovanou zemětřesením. Neustále testuje seismickou odolnost konstrukce a někdy překračuje její schopnost odolat bez destrukce.
Pevnost oceli je asi 10krát vyšší než pevnost nejpevnějšího betonu a zdiva nebo zdiva , takže odolnost konstrukce proti zemětřesení se obvykle dosahuje použitím silného ocelového rámu nebo stěn , které vydrží vypočítané zemětřesení bez úplného zničení a s minimálními ztrátami. života. Příkladem takové budovy je budova koleje University of Berkeley , vyztužená vnějším antiseismickým ocelovým příhradovým nosníkem.
Konstrukce odolná proti zemětřesení si ale neklade za cíl postavit prakticky nezničitelnou budovu: schůdnější a ekonomicky schůdnější je nechat budovu „vznášet se“ nad třesoucí se zemí. K řešení tohoto problému se používají seismické chrániče - typ seismické izolace , který dramaticky zvyšuje seismickou odolnost budov [3] .
Seismická analýza je nástroj v inženýrství zemětřesení, který slouží k lepšímu pochopení chování budov a konstrukcí při seismickém zatížení . Analýza seismické odolnosti je založena na principech strukturální dynamiky [4] a antiseismického návrhu . Nejběžnější metodou pro analýzu seismické odolnosti byla v současné době vyvinutá metoda reakčních spekter [5 ] . Reakční spektra jsou však dobrá pouze pro systémy s jedním stupněm volnosti . Použití postupné integrace s trojrozměrnými diagramy seismické odolnosti [7] se ukazuje jako efektivnější pro systémy s mnoha stupni volnosti a s výraznou nelinearitou za podmínek přechodného procesu kinematického nahromadění.
Studium seismické odolnosti je nezbytné pro pochopení skutečného provozu budov a konstrukcí seismicky zatížených. Studie jsou terénní (přírodní) a na seismické platformě . Nejpohodlnější je testovat model budovy na seismické platformě, která obnovuje seismické vibrace.
Doprovodné zkoušky na seismické platformě se obvykle provádějí, když je potřeba porovnat chování různých modifikací konstrukce při stejném seismickém zatížení [8] .
Vibrační kontrola je systém zařízení, která slouží ke snížení seismického zatížení budov. Tato zařízení lze rozdělit na pasivní, aktivní a hybridní [9] .
Suché zdivoHlavní článek: Suché zdivo
Prvními staviteli, kteří věnovali zvláštní pozornost seismické odolnosti kapitálových staveb (zejména zdí budov), byli Inkové a další starověcí obyvatelé Peru. Zvláštností incké architektury je neobvykle důkladné a husté (takže mezi bloky nelze vložit ani čepele nožů) slícování kamenných bloků (často nepravidelného tvaru a různých velikostí) k sobě bez použití malt [10] . Díky tomu zdivo nemělo rezonanční frekvence a body koncentrace napětí, což mělo dodatečnou pevnost klenby . Při zemětřesení malé a střední síly zůstalo takové zdivo prakticky nehybné a při silných zemětřesení kameny „tančily“ na svých místech, aniž by ztratily svou relativní polohu, a na konci zemětřesení byly naskládány ve stejném pořadí [11 ] . Tyto okolnosti umožňují uvažovat o suchém kladení zdí jako o jednom z prvních zařízení v historii pasivní regulace vibrací budov.
Seismický tlumičSeismický tlumič je druh seismické izolace používané k ochraně budov a konstrukcí před potenciálně škodlivými zemětřeseními [13] .
Seismické tlumiče na válečkových ložiskách byly instalovány v 17patrovém obytném komplexu v Tokiu [14] .
Inerciální tlumičTypicky je Tuned Mass Damper , nazývaný také inerciální tlumič, který je jedním ze zařízení pro kontrolu vibrací, je masivní betonový blok instalovaný na výškové budově nebo jiné konstrukci, který kmitá na rezonanční frekvenci tohoto objektu pomocí speciální pružinový mechanismus při seismickém zatížení.
Pro tento účel je například inerciální tlumič mrakodrapu Taipei 101 vybaven 660tunovým kyvadlovým závěsem z ocelové koule umístěným mezi 92. a 88. patrem. Dva další 6tunové tlumiče vibrací jsou umístěny v horní části věže a jsou určeny k tlumení vibrací horní části budovy.
Hysterezní tlumičHysteretická klapka je určena ke zlepšení provozu budov a staveb seismicky zatížených v důsledku rozptylu seismické energie pronikající do těchto budov a staveb. V zásadě existují čtyři skupiny tlumičů hystereze , a to:
Každá skupina tlumičů má svá specifika, své výhody a nevýhody, které je třeba zohlednit při jejich používání.
Tlumení ve vertikální konfiguraciTlumící vertikální konfigurace ( ang. Building elevation control ) je navržena pro zlepšení provozu budov a staveb pod seismickým zatížením zabráněním rezonančních vibrací pomocí rozptylu seismické energie pronikající do těchto budov a konstrukcí. Pyramidové stavby nadále přitahují pozornost architektů a inženýrů také díky větší odolnosti vůči hurikánům a zemětřesením.
Pro tento způsob regulace vibrací není vyžadován kónický profil budovy. Obdobného efektu lze dosáhnout vhodnou konfigurací takových charakteristik, jako jsou hmoty podlah a jejich tuhost [16] .
Vícefrekvenční tlumič vibracíMultifrekvenční tlumič vibrací ( Multi -Frequency Quieting Building System , MUK) je systém zařízení pro kontrolu vibrací instalovaných na výškové budově nebo jiné konstrukci, která vibruje při určitých rezonančních frekvencích daného objektu při seismickém zatížení.
Každý MUK obsahuje řadu mezipodlahových membrán, orámovaných sadou vyčnívajících konzol s různou dobou vlastních kmitů a fungujících jako inerciální tlumiče . Použití MUK umožňuje, aby byla budova funkční i architektonicky atraktivní.
Zvýšená základna budovyVyvýšený základ budovy je nástroj pro kontrolu vibrací v inženýrství zemětřesení, který může zlepšit výkon budov a konstrukcí při seismickém zatížení.
Efekt zvýšené základny budovy (BEZ) je založen na následujícím. V důsledku mnohonásobných odrazů, difrakce a disipace seismických vln v procesu jejich šíření uvnitř POS je přenos seismické energie do vrchní stavby (horní části budovy) značně oslaben [19] .
Tohoto cíle je dosaženo vhodným výběrem stavebních materiálů, konstrukčních rozměrů a také konfigurací POS pro konkrétní staveniště.
Podpěra z olověné pryžeLead Rubber Bearing je seismická izolace určená ke zlepšení provozu budov a konstrukcí seismicky zatížených v důsledku intenzivního tlumení seismické energie pronikající přes základy do těchto budov a konstrukcí. Obrázek ukazuje test olověné pryžové podpěry vyrobené z pryžového válce s olověným jádrem.
Mechanicky poddajné systémy, jako jsou seismicky izolované konstrukce s relativně nízkou horizontální tuhostí, ale s významnou tzv. tlumící silou, však mohou zaznamenat značné přetížení způsobené zemětřesením právě touto silou [20] .
Pružinový tlumičPružiny s tlumičem Base Isolator je izolační zařízení podobné konstrukce jako olověná gumová tyč. Dva malé třípatrové domy s takovými zařízeními, které se nacházejí v Santa Monice v Kalifornii , byly testovány zemětřesením v Northridge v roce 1994. Analýza výsledků ukázala, že skutečná životnost budov se ukázala být několikanásobně horší, než se předpokládalo [21] [22] .
Podpora třecího kyvadlaLožisko třecího kyvadla je seismická izolace, což je nástroj pro kontrolu vibrací v konstrukcích odolných proti zemětřesení, který může zlepšit výkon budov a konstrukcí pod seismickým zatížením, sestávající z následujících hlavních prvků:
Studium seismické odolnosti zahrnuje jak terénní, tak analytické a laboratorní experimenty zaměřené na vysvětlení známých skutečností nebo revizi obecně uznávaných názorů ve světle nově zjištěných skutečností a teoretického vývoje. Hlavní praktickou metodou získávání nových poznatků je stále zkoumání konstrukcí poškozených zemětřesením.
Přední výzkumné organizace v oblasti seismické odolnosti jsou: