Seismilise disaini ja optimeerimise lahendused teraskarkassile ja terasest tugedega raamkonstruktsioonidele
Teraskarkass ja terasest tugedega raamkonstruktsioonid on domineerivad külgmised jõule vastupidavad süsteemid kaasaegsetes kesk- ja kõrghoonetes, tööstuslikes töökodades ja suurte avalike rajatiste jaoks. Võrreldes betoon- ja müüritisega on teraskonstruktsioonidel kerge omakaal, kõrge elastsus, paindlik paigutus ja suurepärane deformatsiooniga kohanemisvõime seismilise koormuse korral. Kuid puhtast terasest momentraamid kannatavad liigse lugudevahelise triivi tõttu, samas kui traditsioonilised kontsentrilised raamid seisavad silmitsi trakside paindumise ja ebaühtlase energia hajumise riskiga. Mõistlik seismiline seadistus ja süsteemi optimeerimine on kriitilise tähtsusega teraskonstruktsioonide seismilise vastupidavuse maksimeerimiseks ja rahvusvaheliste ehitusnormide, sealhulgas AISC 341 ja ASCE 7 järgimiseks. Selles artiklis tutvustatakse praktilisi, koodidele vastavaid seismilisi skeeme terasraami ja terasest karkasskonstruktsioonide jaoks, et juhendada ehitusinsenere tõhusa seismilise projekteerimisel.
Terasest konstruktsioonisüsteemide seismilised põhiomadused
Teraskonstruktsioonid tuginevad seismilise energia hajutamiseks terase suurele plastilisusele ja plastilisele deformatsioonile, mis erineb põhimõtteliselt rabedast müüritisest ja kontrollitava jäikusega betoonkonstruktsioonidest. Terasest momendiraamid taluvad külgkoormust jäikade tala-samba ühenduste ja tala paindedeformatsiooni kaudu, moodustades maavärinaenergia tarbimiseks plastist hinged. Terasest tugedega raamid kasutavad aksiaalpingega traksid, mis tagavad suure külgjäikuse, kontrollides tõhusalt konstruktsiooni nihkumist sagedaste maavärinate korral.
Terasesüsteemide peamisteks seismilisteks nõrkusteks on puhta momendiga raamide liigne elastne triiv, tavaliste terasklambrite kokkusurumise purunemine ja jääkdeformatsioon pärast tugevaid maavärinaid. Ilma sihipärase optimeerimiseta võivad terashooned haruldaste maavärinate korral kogeda suurt vibratsioonikiirendust, mittekonstruktsiooniliste komponentide kahjustusi või isegi lokaalseid konstruktsioonitõrkeid. Disaini põhiprintsiip on luua selge seismiline kaitsmemehhanism, mis tagab abikomponentide esmase jõudluse ja põhiraami osade kaitsmise.
1. Steel Moment Frame struktuuride seismiline seadistus
Steel moment raamid (SMF) on laialdaselt kasutusel hoonetes, mis nõuavad paindlikku siseruumi, ilma arhitektuurset paigutust piiravate diagonaalsete traksideta. Nende seismiline disain keskendub plastilisuse kontrollile ja plastist hingede ratsionaalsele paigutusele, järgides rangelt sedatugev-sammas nõrk-talakriteerium.
Projekteerijad peavad tagama, et tala otstes tekiksid plastist hinged, mitte samba otstes või samba põhjades, vältides üldist konstruktsiooni ebastabiilsust. Tala-samba ühendused on peamised seismilised detailid; jäigad keevis- või poltühendused tagavad usaldusväärse momendiülekande. Vuugipaneelidele tuleb paigaldada järjepidevusplaadid ja topeltplaadid, et vältida lokaalset nihkekahjustust ja paneeli kõverdumist tsükliliste seismiliste koormuste korral.
Ülemäärase lugudevahelise triivi kontrollimiseks on AISC-i spetsifikatsioonide kohaselt vaja lugude nihkenurkadele rangeid piiranguid. Keskmiste seismiliste tsoonide keskmise kõrgusega terasmomentraamide puhul võib standardne vuukide tugevdamine ja elemendi sektsioonide optimeerimine vastata kindlustusnõuetele. Kõrge seismilisusega piirkondades on soovitatav kasutada täiendavaid summutusseadmeid, et vähendada konstruktsiooni vibratsiooni ja parandada seismilist liiasust.
2. Seismiline optimeerimine terasest raamisüsteemide jaoks
Teraskarkassidega raamid liigitatakse kontsentriliselt toestatud raamideks (CBF) ja ekstsentriliselt toestatud raamideks (EBF), mis toimivad terashoonete kõrge jäikusega seismiliste süsteemidena. Traditsioonilised tavalised kontsentrilised traksid on tsükliliste seismiliste koormuste korral altid korduvale paindumisele, mille tulemuseks on energia hajumise võime vähenemine, mistõttu need ei sobi kõrge intensiivsusega tsoonidesse.
Spetsiaalsed kontsentriliselt traksidega raamid (SCBF) on täiustatud lahendus kõrgseismiliste rakenduste jaoks. Läbilaskevõime kavandamise põhimõtetel põhinevad traksid toimivad seismiliste kaitsmetena, mis annavad ja hajutavad kõigepealt energiat, samal ajal kui raami talad, sambad ja klambriplaadid on tugevdatud, et taluda maksimaalset kandevõimet tõrgeteta. Tavaliselt kasutatakse V-tüüpi ja ümberpööratud V-tüüpi trakse, samas kui K-tüüpi traksid on seismilises disainis keelatud tasakaalustamata vertikaaljõuriskide tõttu.
Ekstsentriliselt traksidega raamid (EBF) tasakaalustavad kontsentriliste trakside suurt jäikust ja momentraamide ülimat elastsust. Seades lühikesed ühendustalad trakside ja sammaste vahele, koondavad EBF-id seismilised kahjustused vahetatavatele ühendustaladele. Ühendused annavad maavärinate ajal nihke või painde, hajutades stabiilselt energiat ja kaitstes peamisi raami komponente, mis on ideaalne keskmise kuni kõrge kõrgusega terashoonete jaoks kõrge seismilisusega piirkondades.
3. Täiustatud energia hajumise seismiline skeem (BRB ja siibrid)
Traditsiooniliste trakside paindumisdefekti lahendamiseks ja seismilise jõudluse edasiseks parandamiseks on Buckling Restrained Braces (BRB) muutunud terasest traksidega raamide optimaalseks seismiliseks uuenduseks. Terasest südamikust ja välisest piiravast korpusest koosnevad BRB-d kõrvaldavad kokkusurumise kõverdumise, saavutades ühtlase tõmbe- ja survekandevõime ning stabiilse hüstereetilise energia hajumise.
BRB-d toimivad juhitavate seismiliste kaitsmetena, koondades kõik mitteelastsed deformatsioonid vahetatavale tugisüdamikule. Peamine terasraam jääb mõõdukate ja tugevate maavärinate ajal elastseks, minimeerides jääkdeformatsiooni ja maavärinajärgseid remondikulusid. Kõrget seismilist vastupidavust nõudvate terashoonete jaoks saab viskoosse vedeliku siibrid paigaldada koostöös BRB-dega. Need kiirusest sõltuvad amortisaatorid summutavad tõhusalt konstruktsiooni vibratsiooni, vähendavad põranda kiirendust ja korrustevahelist triivi ning kaitsevad mittekonstruktsioonilisi rajatisi.
4. Seismiliste teraskonstruktsioonide standardsed paigutus- ja detailipõhimõtted
Regulaarne struktuurne paigutus on terase seismilise disaini alus. Sümmeetriline tasapind ja vertikaalne paigutus välistavad asümmeetrilise jäikuse ja massijaotuse põhjustatud väändeefektid. Vältida tuleb järske jäikuse muutusi ja vertikaalsete komponentide katkestusi, et vältida kontsentreeritud seismilisi kahjustusi nõrkadel põrandatel.
Gusset-plaadi konstruktsioon on kriitiline seismiline detail toestatud raamide jaoks. Standardse 8tp vaba kauguse reegli järgimine tagab piisava deformatsiooniruumi trakside pöörlemiseks ja järeleandmiseks, vältides hapra ühenduse katkemist. Kõik seismilised keevisõmblused ja poltühendused peavad vastama AISC 341 seismiliste detailide nõuetele ning kohapealse valmistamise ja paigaldamise range kvaliteedikontrolliga.
5. Seismilise skeemi valiku juhend teraskonstruktsioonide jaoks
Madala kuni keskmise seismiliste tsoonide madala kõrgusega terashoonete jaoks piisab tavalistest kontsentrilistest tugiraamidest või standardsetest momentraamidest, et rahuldada põhilisi seismilised vajadused koos kulueelistega. Kõrge intensiivsusega tsoonide keskmise ja kõrge kõrgusega teraskonstruktsioonide puhul eelistatakse SCBF- või EBF-süsteeme tasakaalustatud jäikuse ja plastilisuse tagamiseks.
Tähtsate avalike hoonete, tööstuslike rajatiste ja maavärinajärgset kiiret taastumist vajavate ehitiste jaoks on parim valik BRB energia hajutamise süsteemid või hübriidsed sumbuvad seismilised skeemid. See lahendus keskendub kahjustustele vahetatavatele energiat neelavatele komponentidele, saavutades madala kahjustuse ja hõlpsa parandamise pärast maavärinaid.
Järeldus
Terasraami ja terasest raami seismiline disain tugineb mõistlikule süsteemivalikule, standardvõimsuse disainile ja optimeeritud energia hajumise konfiguratsioonile. Puhta momendiga raamid eelistavad plastilise liigendi kujundust, traditsioonilised toestatud raamid uuendatakse standardiseeritud seismiliselt vastupidavatele tugisüsteemidele ning suure jõudlusega hooned võtavad kasutusele BRB ja siibri komposiitskeemid. Vastavus AISC-i seismilistele spetsifikatsioonidele ja ebakorrapärase konstruktsiooni paigutuse kõrvaldamine võib täielikult ära kasutada teraskonstruktsioonide plastilisuse eeliseid, tagades hoone ohutuse, stabiilsuse ja vastupidavuse seismilistele koormustele.
