Jordbävningsteknik
| Del av en serie om |
| jordbävningar |
|---|
 |
Jordbävningsteknik är en tvärvetenskaplig gren av teknik som designar och analyserar strukturer, såsom byggnader och broar, med jordbävningar i åtanke. Dess övergripande mål är att göra sådana strukturer mer motståndskraftiga mot jordbävningar. En jordbävningsingenjör (eller seismisk) syftar till att konstruera strukturer som inte kommer att skadas vid mindre skakningar och som kommer att undvika allvarliga skador eller kollaps i en större jordbävning. En korrekt konstruerad struktur behöver inte nödvändigtvis vara extremt stark eller dyr. Den måste vara korrekt utformad för att motstå de seismiska effekterna samtidigt som den upprätthåller en acceptabel skadenivå.
Definition
Jordbävningsteknik är ett vetenskapligt område som sysslar med att skydda samhället, den naturliga miljön och den konstgjorda miljön från jordbävningar genom att begränsa den seismiska risken till socioekonomiskt acceptabla nivåer. Traditionellt har det snävt definierats som studiet av beteendet hos strukturer och geostrukturer som utsätts för seismisk belastning ; det betraktas som en delmängd av konstruktionsteknik , geoteknisk ingenjörskonst , maskinteknik , kemiteknik , tillämpad fysik , etc. De enorma kostnaderna som upplevts under de senaste jordbävningarna har dock lett till att dess omfattning har utökats till att omfatta discipliner från det bredare fältet civila . teknik , maskinteknik , kärnteknik och från samhällsvetenskaperna , särskilt sociologi , statsvetenskap , ekonomi och finans .
De huvudsakliga målen för jordbävningsteknik är:
- Förutse de potentiella konsekvenserna av kraftiga jordbävningar på stadsområden och civil infrastruktur.
- Designa, konstruera och underhålla strukturer för att prestera vid jordbävningsexponering upp till förväntningarna och i enlighet med byggnormer .
Seismisk belastning
Seismisk belastning betyder applicering av en jordbävningsgenererad excitation på en struktur (eller geostruktur). Det händer vid kontaktytor av en struktur antingen med marken, med intilliggande strukturer eller med gravitationsvågor från tsunamin . Den belastning som förväntas på en given plats på jordens yta uppskattas av teknisk seismologi . Det är relaterat till den seismiska faran på platsen.
Seismisk prestanda
Jordbävning eller seismisk prestanda definierar en strukturs förmåga att upprätthålla sina huvudfunktioner, såsom dess säkerhet och användbarhet , vid och efter en viss jordbävningsexponering. En byggnad anses normalt vara säker om den inte äventyrar liv och välbefinnande för dem som befinner sig i eller omkring den genom att helt eller delvis kollapsa. En konstruktion kan anses vara användbar om den kan uppfylla sina operativa funktioner som den är konstruerad för.
Grundläggande begrepp för jordbävningsteknik, implementerade i de stora byggreglerna, förutsätter att en byggnad ska överleva en sällsynt, mycket allvarlig jordbävning genom att upprätthålla betydande skada men utan att kollapsa globalt. Å andra sidan bör den förbli i drift för mer frekventa men mindre allvarliga seismiska händelser.
Seismisk prestandabedömning
Ingenjörer behöver känna till den kvantifierade nivån av den faktiska eller förväntade seismiska prestandan som är förknippad med den direkta skadan på en enskild byggnad utsatt för en specificerad markskakning. En sådan bedömning kan utföras antingen experimentellt eller analytiskt.
Experimentell bedömning
Experimentella utvärderingar är dyra tester som vanligtvis görs genom att placera en (skalig) modell av strukturen på ett skakbord som simulerar jordens skakningar och observerar dess beteende. Sådana typer av experiment utfördes först för mer än ett sekel sedan. Först nyligen har det blivit möjligt att utföra tester i skala 1:1 på hela strukturer.
På grund av den kostsamma karaktären hos sådana tester tenderar de att användas främst för att förstå strukturers seismiska beteende, validera modeller och verifiera analysmetoder. Så snart de väl har validerats, tenderar beräkningsmodeller och numeriska procedurer att bära den största bördan för den seismiska prestandabedömningen av strukturer.
Analytisk/Numerisk bedömning
Seismisk prestandabedömning eller seismisk strukturanalys är ett kraftfullt verktyg för jordbävningsteknik som använder detaljerad modellering av strukturen tillsammans med metoder för strukturanalys för att få en bättre förståelse av seismisk prestanda hos byggnader och icke-byggnadsstrukturer . Tekniken som formellt koncept är en relativt ny utveckling.
I allmänhet är seismisk strukturanalys baserad på metoderna för strukturell dynamik . I decennier har det mest framträdande instrumentet för seismisk analys varit jordbävningsresponsspektrummetoden som också bidragit till den föreslagna byggnadskodens koncept av idag.
Sådana metoder är dock bara bra för linjära elastiska system, eftersom de till stor del inte kan modellera det strukturella beteendet när skada (dvs icke-linjäritet) uppstår. Numerisk steg-för-steg-integrering visade sig vara en mer effektiv analysmetod för strukturella system med flera frihetsgrader med betydande icke-linjäritet under en övergående process av markrörelseexcitation . Användning av finita elementmetoden är en av de vanligaste metoderna för att analysera icke-linjära jordstrukturinteraktionsdatormodeller .
I grund och botten utförs numerisk analys för att utvärdera byggnaders seismiska prestanda. Prestandautvärderingar utförs i allmänhet genom att använda ickelinjär statisk pushover-analys eller icke-linjär tidshistorikanalys. I sådana analyser är det väsentligt att uppnå noggrann icke-linjär modellering av strukturella komponenter såsom balkar, pelare, balk-pelare skarvar, skjuvväggar etc. Således spelar experimentella resultat en viktig roll för att bestämma modelleringsparametrarna för enskilda komponenter, särskilt de som är föremål för betydande icke-linjära deformationer. De enskilda komponenterna sätts sedan ihop för att skapa en fullständig icke-linjär modell av strukturen. Sålunda skapade modeller analyseras för att utvärdera byggnaders prestanda.
Mjukvaran för strukturanalys är en viktig faktor i processen ovan eftersom de begränsar möjliga komponentmodeller, tillgängliga analysmetoder och, viktigast av allt, den numeriska robustheten. Det senare blir en viktig faktor för strukturer som vågar sig in i det icke-linjära området och närmar sig global eller lokal kollaps eftersom den numeriska lösningen blir allt mer instabil och därmed svår att nå. Det finns flera kommersiellt tillgängliga Finite Element Analysis-programvara som CSI-SAP2000 och CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECTools, ABAQUS och Ansys , som alla kan användas för seismisk prestandautvärdering av byggnader. Dessutom finns det forskningsbaserade analysplattformar för finita element som OpenSees , MASTODON, som är baserad på MOOSE Framework , RUAUMOKO och den äldre DRAIN-2D/3D, varav flera nu är öppen källkod.
Forskning för jordbävningsteknik
Forskning för jordbävningsteknik betyder både fält- och analytisk undersökning eller experimentering avsedd för upptäckt och vetenskaplig förklaring av jordbävningstekniska relaterade fakta, revidering av konventionella begrepp i ljuset av nya rön och praktisk tillämpning av de utvecklade teorierna.
National Science Foundation (NSF) är USA:s huvudmyndighet som stöder grundläggande forskning och utbildning inom alla områden av jordbävningsteknik. I synnerhet fokuserar det på experimentell, analytisk och beräkningsforskning om design och prestandaförbättring av strukturella system.
Earthquake Engineering Research Institute (EERI) är ledande inom spridning av jordbävningsteknisk forskningsrelaterad information både i USA och globalt.
En definitiv lista över jordbävningsteknisk forskning relaterade skakbord runt om i världen kan hittas i Experimental Facilities for Earthquake Engineering Simulation Worldwide. Den mest framträdande av dem är nu E-Defense Shake Table i Japan .
USA:s stora forskningsprogram
NSF stöder också George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation
NSF Hazard Mitigation and Structural Engineering-programmet (HMSE) stöder forskning om ny teknik för att förbättra beteendet och reaktionen hos strukturella system som är utsatta för jordbävningsrisker; grundläggande forskning om säkerhet och tillförlitlighet hos konstruerade system; innovativa utvecklingar inom analys och modellbaserad simulering av strukturellt beteende och respons inklusive jord-strukturinteraktion; designkoncept som förbättrar strukturens prestanda och flexibilitet; och tillämpning av nya styrtekniker för strukturella system.
(NEES) som främjar kunskapsupptäckt och innovation för jordbävningar och tsunamiförluster för att minska landets civila infrastruktur och nya experimentella simuleringstekniker och instrumentering.
NEES-nätverket har 14 geografiskt distribuerade laboratorier för delad användning som stöder flera typer av experimentellt arbete: geoteknisk centrifugforskning, skakbordstester , storskaliga strukturella tester, tsunamivågbassängexperiment och fältforskning. Deltagande universitet inkluderar: Cornell University ; Lehigh University ; Oregon State University ; Rensselaer Polytechnic Institute ; University at Buffalo , State University of New York ; University of California, Berkeley ; University of California, Davis ; University of California, Los Angeles ; University of California, San Diego ; University of California, Santa Barbara ; University of Illinois, Urbana-Champaign ; University of Minnesota ; University of Nevada, Reno ; och University of Texas, Austin .
Utrustningsplatserna (labb) och ett centralt datalager är anslutna till den globala jordbävningsingenjörsgemenskapen via NEEShub-webbplatsen. NEES-webbplatsen drivs av programvaran HUBzero som utvecklats vid Purdue University för nanoHUB specifikt för att hjälpa forskarvärlden att dela resurser och samarbeta. Cyberinfrastrukturen, ansluten via Internet2 , tillhandahåller interaktiva simuleringsverktyg, ett utvecklingsområde för simuleringsverktyg, ett kurerat centralt datalager, animerade presentationer, användarstöd, telenärvaro, mekanism för att ladda upp och dela resurser och statistik om användare och användningsmönster.
Denna cyberinfrastruktur tillåter forskare att: säkert lagra, organisera och dela data inom ett standardiserat ramverk på en central plats; observera på distans och delta i experiment genom användning av synkroniserade realtidsdata och video; samarbeta med kollegor för att underlätta planering, utförande, analys och publicering av forskningsexperiment; och genomföra beräknings- och hybridsimuleringar som kan kombinera resultaten av flera distribuerade experiment och koppla fysiska experiment med datorsimuleringar för att möjliggöra undersökning av systemets övergripande prestanda.
Dessa resurser tillhandahåller tillsammans medlen för samarbete och upptäckt för att förbättra den seismiska designen och prestandan hos civila och mekaniska infrastruktursystem.
Jordbävningssimulering
De allra första jordbävningssimuleringarna utfördes genom att statiskt applicera några horisontella tröghetskrafter baserade på skalade toppmarkaccelerationer på en matematisk modell av en byggnad. Med vidareutvecklingen av beräkningsteknologier statiska tillvägagångssätt ge vika för dynamiska .
Dynamiska experiment på byggnader och icke-byggnadsstrukturer kan vara fysiska, som skakbordstestning, eller virtuella. I båda fallen, för att verifiera en strukturs förväntade seismiska prestanda, föredrar vissa forskare att ta itu med så kallade "realtidshistorier", även om den sista inte kan vara "riktig" för en hypotetisk jordbävning som specificeras av vare sig en byggnadskod eller av vissa särskilda forskningskrav . Därför finns det ett starkt incitament att göra en jordbävningssimulering som är den seismiska ingången som bara har väsentliga egenskaper för en verklig händelse.
Ibland förstås jordbävningssimulering som en återskapande av lokala effekter av en kraftig jordskakning.
Struktursimulering
Teoretisk eller experimentell utvärdering av förväntad seismisk prestanda kräver oftast en struktursimulering som är baserad på konceptet strukturell likhet eller likhet. Likhet är en viss grad av analogi eller likhet mellan två eller flera objekt. Uppfattningen om likhet vilar antingen på exakta eller ungefärliga upprepningar av mönster i de jämförda objekten.
I allmänhet sägs en byggnadsmodell ha likhet med det verkliga objektet om de två delar geometrisk likhet , kinematisk likhet och dynamisk likhet . Den mest levande och effektiva typen av likhet är den kinematiska . Kinematisk likhet finns när banorna och hastigheterna för rörliga partiklar i en modell och dess prototyp är lika.
Den ultimata nivån av kinematisk likhet är kinematisk ekvivalens när, i fallet med jordbävningsteknik, tidshistorier för varje berättelses sidoförskjutningar av modellen och dess prototyp skulle vara desamma.
Seismisk vibrationskontroll
Seismisk vibrationskontroll är en uppsättning tekniska medel som syftar till att mildra seismiska effekter i byggnader och icke-byggnadsstrukturer . Alla seismiska vibrationskontrollanordningar kan klassificeras som passiva , aktiva eller hybrider där:
- passiva styrenheter har ingen återkopplingsförmåga mellan dem, strukturella element och marken;
- aktiva kontrollanordningar inkluderar instrumentering för realtidsregistrering på marken integrerad med jordbävningsinmatningsutrustning och ställdon i strukturen;
- hybridstyrenheter har kombinerade egenskaper hos aktiva och passiva styrsystem.
När seismiska markvågor når upp och börjar penetrera en bas i en byggnad, minskar deras energiflödestäthet, på grund av reflektioner, dramatiskt: vanligtvis upp till 90 %. Men de återstående delarna av de infallande vågorna under en stor jordbävning har fortfarande en enorm förödande potential.
Efter att de seismiska vågorna kommer in i en överbyggnad finns det ett antal sätt att kontrollera dem för att lindra deras skadliga effekt och förbättra byggnadens seismiska prestanda, till exempel:
- att avleda vågenergin inuti en överbyggnad med korrekt konstruerade dämpare;
- att sprida vågenergin mellan ett bredare frekvensområde;
- att absorbera resonanspartierna av hela vågfrekvensbandet med hjälp av så kallade massdämpare .
Enheter av det sista slaget, motsvarande förkortade TMD för trimmade ( passiva ), som AMD för aktiva och som HMD för hybridmassdämpare , har studerats och installerats i höghus, främst i Japan, under en fjärdedel av ett sekel.
Det finns dock ett helt annat tillvägagångssätt: partiell undertryckning av det seismiska energiflödet in i överbyggnaden som kallas seismisk eller basisolering .
För detta sätts en del kuddar in i eller under alla större lastbärande element i byggnadens bas, vilket väsentligen bör frikoppla en överbyggnad från dess underkonstruktion vilande på en skakande mark.
Det första beviset på jordbävningsskydd genom att använda principen om basisolering upptäcktes i Pasargadae , en stad i det antika Persien, nu Iran, och går tillbaka till 600-talet f.Kr. Nedan finns några exempel på dagens seismiska vibrationskontrolltekniker.
Torrstensväggar i Peru
Peru är ett mycket seismiskt land; i århundraden visade sig torrstenskonstruktionen vara mer jordbävningsbeständig än att använda murbruk . Inka-civilisationens invånare var mästare på de polerade "torrstensväggarna", kallade ashlar , där stenblock skars för att passa ihop tätt utan murbruk . Inkafolket var bland de bästa stenhuggare som världen någonsin sett och många korsningar i deras murverk var så perfekta att inte ens grässtrån fick plats mellan stenarna.
Stenarna i de torra stenmurarna som byggdes av inkafolket kunde röra sig något och flytta sig tillbaka utan att väggarna kollapsade, en passiv strukturell kontrollteknik som använder både principen om energiförlust (coulomb-dämpning) och den att undertrycka resonansförstärkningar .
Avstämd massdämpare
Typiskt är de avstämda massdämparna enorma betongblock monterade i skyskrapor eller andra strukturer och rör sig i motsats till strukturernas resonansfrekvenssvängningar med hjälp av någon form av fjädermekanism.
Taipei 101- skyskrapan måste stå emot tyfonvindar och jordbävningsskakningar som är vanliga i detta område i Asien/Stillahavsområdet. För detta ändamål designades och installerades en stålpendel som väger 660 ton som fungerar som en avstämd massdämpare ovanpå strukturen. Pendeln är upphängd från 92:a till 88:e våningen och svajar för att minska resonansförstärkningar av sidoförskjutningar i byggnaden orsakade av jordbävningar och kraftiga vindbyar .
Hysteretiska dämpare
En hysteretisk dämpare är avsedd att ge bättre och mer tillförlitlig seismisk prestanda än den för en konventionell struktur genom att öka förlusten av seismisk ingångsenergi . Det finns fem huvudgrupper av hysteretiska dämpare som används för ändamålet, nämligen:
- Vätskeviskösa spjäll (FVD)
Viskösa dämpare har fördelen av att vara ett kompletterande dämpningssystem. De har en oval hysteretisk slinga och dämpningen är hastighetsberoende. Även om visst mindre underhåll eventuellt krävs, behöver trögflytande dämpare i allmänhet inte bytas ut efter en jordbävning. Även om de är dyrare än andra dämpningstekniker, kan de användas för både seismiska och vindlaster och är den mest använda hysteretiska dämparen.
- Friktionsdämpare (FD)
Friktionsdämpare tenderar att finnas i två huvudtyper, linjära och roterande och avleder energi genom värme. Spjället fungerar enligt principen om en coulomb-dämpare . Beroende på design kan friktionsdämpare uppleva stick-slip-fenomen och kallsvetsning . Den största nackdelen är att friktionsytor kan slitas med tiden och av denna anledning rekommenderas de inte för att avleda vindlaster. Vid användning i seismiska applikationer är slitage inget problem och det krävs inget underhåll. De har en rektangulär hysteretisk slinga och så länge byggnaden är tillräckligt elastisk tenderar de att sätta sig tillbaka till sina ursprungliga positioner efter en jordbävning.
- Metallic yielding dämpare (MYDs)
Metalliska dämpare, som namnet antyder, ger efter för att absorbera jordbävningens energi. Denna typ av spjäll absorberar en stor mängd energi men de måste bytas ut efter en jordbävning och kan förhindra att byggnaden sätter sig tillbaka till sin ursprungliga position.
- Viskoelastiska dämpare (VED)
Viskoelastiska dämpare är användbara genom att de kan användas för både vind- och seismiska tillämpningar, de är vanligtvis begränsade till små förskjutningar. Det finns en viss oro för teknikens tillförlitlighet eftersom vissa märken har förbjudits att användas i byggnader i USA.
- Gränsöverskridande pendeldämpare (swing)
Basisolering
Basisolering syftar till att förhindra att jordbävningens kinetiska energi överförs till elastisk energi i byggnaden. Dessa tekniker gör det genom att isolera strukturen från marken, vilket gör det möjligt för dem att röra sig något självständigt. I vilken grad energin överförs till strukturen och hur energin försvinner kommer att variera beroende på vilken teknik som används.
- Blygummilager
Blygummilager eller LRB är en typ av basisolering som använder en kraftig dämpning . Den uppfanns av Bill Robinson , en nyzeeländare.
Tung dämpningsmekanism som är inbyggd i vibrationskontrollteknik och, särskilt i basisoleringsanordningar, anses ofta vara en värdefull källa för att undertrycka vibrationer och därmed förbättra en byggnads seismiska prestanda. För de ganska böjliga systemen, såsom basisolerade strukturer, med en relativt låg lagerstyvhet men med hög dämpning, kan den så kallade "dämpningskraften" bli den huvudsakliga tryckkraften vid en kraftig jordbävning. Videon visar ett blygummilager som testas vid UCSD Caltrans-SRMD-anläggningen. Lagret är tillverkat av gummi med en blykärna. Det var ett enaxligt test där lagret också var under full strukturbelastning. Många byggnader och broar, både i Nya Zeeland och på andra håll, är skyddade med blydämpare och bly- och gummilager. Te Papa Tongarewa , Nya Zeelands nationalmuseum och Nya Zeelands parlamentsbyggnader har försetts med lagren. Båda är i Wellington som sitter på ett aktivt fel .
- Fjädrar-med-dämpare basisolator
Fjädrar-med-dämpare-basisolator installerad under ett trevåningshus i Santa Monica, Kalifornien, visas på bilden som togs före exponeringen för jordbävningen i Northridge 1994. Det är en basisoleringsanordning som konceptuellt liknar Lead Rubber Bearing .
Ett av två trevåningshus som detta, som var väl instrumenterat för att registrera både vertikala och horisontella accelerationer på sina golv och marken, har överlevt en kraftig skakning under jordbävningen i Northridge och lämnat värdefull inspelad information för vidare studier.
- Enkelt rullager
Enkelt rullager är en basisoleringsanordning som är avsedd för skydd av olika byggnads- och icke-byggnadskonstruktioner mot potentiellt skadliga sidopåverkan från kraftiga jordbävningar.
Detta metalliska lagerstöd kan, med vissa försiktighetsåtgärder, anpassas som en seismisk isolator till skyskrapor och byggnader på mjuk mark. Nyligen har det använts under namnet metalliska rullager för ett bostadskomplex (17 våningar) i Tokyo, Japan .
- Friktionspendellager
Friktionspendellager (FPB) är ett annat namn på friktionspendelsystem (FPS). Den bygger på tre pelare:
- ledat friktionsreglage;
- sfärisk konkav glidyta;
- omslutande cylinder för sidoförskjutning.
Snapshot med länken till videoklippet av en skakbordstestning av FPB-system som stöder en stel byggnadsmodell presenteras till höger.
Seismisk design
Seismisk design är baserad på auktoriserade tekniska procedurer, principer och kriterier avsedda att designa eller eftermontera strukturer som är utsatta för jordbävningsexponering. Dessa kriterier är endast förenliga med den nutida kunskapen om jordbävningstekniska strukturer . Därför garanterar inte en byggnadskonstruktion som exakt följer seismiska bestämmelser säkerhet mot kollaps eller allvarliga skador.
Priset för dålig seismisk design kan vara enormt. Ändå har seismisk design alltid varit en trial and error- process, oavsett om den baserades på fysiska lagar eller på empirisk kunskap om strukturella prestanda hos olika former och material.
För att öva seismisk design , seismisk analys eller seismisk utvärdering av nya och befintliga anläggningsprojekt, bör en ingenjör normalt klara examen på Seismiska principer som, i delstaten Kalifornien, inkluderar:
- Seismiska data och seismiska designkriterier
- Seismiska egenskaper hos tekniska system
- Seismiska krafter
- Seismiska analysprocedurer
- Seismisk detaljering och konstruktionskvalitetskontroll
För att bygga upp komplexa strukturella system använder seismisk design till stor del samma relativt lilla antal grundläggande strukturella element (för att inte säga något om vibrationskontrollanordningar) som alla icke-seismiska designprojekt.
Normalt, enligt byggnormer, är strukturer utformade för att "stå emot" den största jordbävningen med en viss sannolikhet som sannolikt kommer att inträffa på deras plats. Detta innebär att förlusten av liv bör minimeras genom att förhindra kollaps av byggnaderna.
Seismisk design utförs genom att förstå de möjliga fellägen för en struktur och förse strukturen med lämplig styrka , styvhet , duktilitet och konfiguration för att säkerställa att dessa lägen inte kan inträffa.
Seismiska designkrav
Seismiska konstruktionskrav beror på typen av struktur, lokalisering av projektet och dess myndigheter som anger tillämpliga seismiska konstruktionskoder och kriterier. Till exempel, California Department of Transportations krav som kallas The Seismic Design Criteria (SDC) och som syftar till designen av nya broar i Kalifornien innehåller en innovativ seismisk prestandabaserad metod.
Den viktigaste egenskapen i SDC-designfilosofin är ett skifte från en kraftbaserad bedömning av seismisk efterfrågan till en förskjutningsbaserad bedömning av efterfrågan och kapacitet. Sålunda baseras den nyligen antagna förskjutningsmetoden på att jämföra det elastiska förskjutningsbehovet med den oelastiska förskjutningskapaciteten hos de primära strukturella komponenterna samtidigt som man säkerställer en miniminivå av oelastisk kapacitet vid alla potentiella plastgångjärnsplatser.
Förutom den designade strukturen i sig kan seismiska designkrav innefatta en markstabilisering under strukturen: ibland bryter kraftigt skakade mark upp vilket leder till kollaps av strukturen som sitter på den. Följande ämnen bör vara av primära bekymmer: kondensering; dynamiska laterala jordtryck på stödmurar; seismisk sluttningsstabilitet; jordbävningsinducerad bosättning.
Kärnkraftsanläggningar bör inte äventyra deras säkerhet i händelse av jordbävningar eller andra fientliga yttre händelser. Därför är deras seismiska design baserad på kriterier som är mycket strängare än de som gäller för icke-nukleära anläggningar. Fukushima I kärnkraftsolyckor och skador på andra kärnkraftsanläggningar som följde efter jordbävningen och tsunamin i Tōhoku 2011 har dock uppmärksammat pågående oro över japanska kärntekniska seismiska designstandarder och fått många andra regeringar att omvärdera sina kärnkraftsprogram . Det har också uttryckts tvivel om den seismiska utvärderingen och designen av vissa andra anläggningar, inklusive kärnkraftverket Fessenheim i Frankrike.
Fellägen
Felläge är det sätt på vilket ett jordbävningsinducerat fel observeras. Den beskriver generellt hur felet uppstår. Även om det är kostsamt och tidskrävande, förblir att lära av varje verkligt jordbävningsfel ett rutinmässigt recept för framsteg inom seismiska designmetoder . Nedan presenteras några typiska sätt för jordbävningsgenererade fel.
Bristen på armering i kombination med dålig murbruk och otillräckliga tak-till-vägg-band kan resultera i betydande skador på en oförstärkt murbyggnad . Svårt spruckna eller lutande väggar är några av de vanligaste jordbävningsskadorna. Farliga är också de skador som kan uppstå mellan väggar och tak- eller golvmembran. Separation mellan inramning och väggar kan äventyra det vertikala stödet av tak- och golvsystem.
Mjuk berättelseeffekt . Frånvaron av tillräcklig styvhet på marknivån orsakade skador på denna struktur. En närmare granskning av bilden avslöjar att den grova brädbeklädnaden, en gång täckt av en tegelfaner , har demonterats helt från regelväggen. Endast styvheten hos golvet ovan i kombination med stödet på de två dolda sidorna av kontinuerliga väggar, inte genomträngda med stora dörrar som på gatusidorna, förhindrar fullständig kollaps av strukturen.
Jordflyttning . I de fall där jorden består av lösa granulära avsatta material med en tendens att utveckla för högt hydrostatiskt porvattentryck av tillräcklig storlek och kompakt, kan flytande av dessa lösa mättade avlagringar resultera i ojämna sättningar och lutning av strukturer. Detta orsakade stora skador på tusentals byggnader i Niigata, Japan under jordbävningen 1964 .
.jpg)
Jordskred stenfall . Ett jordskred är ett geologiskt fenomen som inkluderar ett brett spektrum av markrörelser, inklusive stenfall . Vanligtvis är gravitationens verkan den primära drivkraften för att ett jordskred ska inträffa, även om det i detta fall var en annan bidragande faktor som påverkade den ursprungliga sluttningsstabiliteten : skredet krävde en jordbävningsutlösare innan den släpptes.
Dunkar mot intilliggande byggnad . Det här är ett fotografi av det kollapsade femvåningstornet, St. Joseph's Seminary, Los Altos, Kalifornien, vilket resulterade i ett dödsfall. Under jordbävningen i Loma Prieta slog tornet mot den oberoende vibrerande intilliggande byggnaden bakom. Möjligheten att dunka beror på båda byggnadernas sidoförskjutningar som bör uppskattas noggrant och redovisas.
Vid jordbävningen i Northridge , hade Kaiser Permanente-kontorsbyggnaden i betongram fogarna helt krossade, vilket avslöjade otillräckligt instängningsstål , vilket resulterade i att den andra våningen kollapsade. I tvärriktningen skalade ändskjuvväggar av sammansatta ändstycken , bestående av två tegelskivor och ett lager sprutbetong som bar sidobelastningen, isär på grund av otillräckliga genomgångar och gick sönder.
- Olämplig byggarbetsplats vid en fot .
- Dålig detaljering av armeringen (avsaknad av betonginneslutning i pelare och vid balk-pelare skarvar, otillräcklig skarvlängd).
- Seismiskt svag mjuk historia på första våningen.
- Långa konsoler med tung egenlast .
Glidande av grundeffekten av en relativt stel bostadsbyggnadsstruktur under jordbävningen i Whittier Narrows 1987 . Jordbävningen med magnituden 5,9 slog till i lägenhetsbyggnaden Garvey West i Monterey Park, Kalifornien och flyttade dess överbyggnad cirka 10 tum österut på grunden.
Om en överbyggnad inte är monterad på ett sockelisoleringssystem bör dess förskjutning på källaren förhindras.
Armerad betongpelare brast vid jordbävningen i Northridge på grund av otillräckligt skjuvförstärkningsläge som tillåter huvudarmeringen att buckla utåt. Däcket lossnade vid gångjärnet och misslyckades vid skjuvning. Som ett resultat kollapsade tunnelbanan La Cienega-Venedig på motorväg 10.
Jordbävningen i Loma Prieta : sidovy av fel på stödpelare i armerad betong som utlöste det övre däckets kollaps på det nedre däcket av Cypress-viadukten med två nivåer på Interstate Highway 880, Oakland, CA.
Stödmursbrott vid jordbävningen i Loma Prieta i området Santa Cruz Mountains: framträdande nordvästtrendande sprickor upp till 12 cm (4,7 tum) breda i betongbrunnen till den österrikiska dammen, den norra distansen .
Markskakning utlöste vätskebildning av jorden i ett underjordiskt lager av sand , vilket skapade differentiella laterala och vertikala rörelser i en överliggande kropp av icke flytande sand och silt . Detta sätt av markfel , som kallas lateral spridning , är en huvudorsak till likvefaktionsrelaterade jordbävningsskador.
Allvarligt skadad byggnad av Agriculture Development Bank of China efter jordbävningen i Sichuan 2008 : de flesta bjälkar och pirpelare är klippta . Stora diagonala sprickor i murverk och faner beror på belastningar i planet medan abrupt sättning av byggnadens högra ände bör hänföras till en deponi som kan vara farlig även utan jordbävning.
Tvåfaldig tsunaminverkan : havsvågornas hydrauliska tryck och översvämning . Således utlöste jordbävningen i Indiska oceanen den 26 december 2004, med epicentrum utanför Sumatras västkust, Indonesien, en serie förödande tsunamier som dödade mer än 230 000 människor i elva länder genom att översvämma omgivande kustsamhällen med enorma vågor upp till 30 meter (100 fot) hög.
Jordbävningsbeständig konstruktion
Jordbävningskonstruktion innebär implementering av seismisk design för att göra det möjligt för byggnader och icke-byggnadsstrukturer att leva genom den förväntade jordbävningsexponeringen upp till förväntningarna och i enlighet med tillämpliga byggregler .
Design och konstruktion är intimt förknippade. För att uppnå ett bra utförande bör detaljeringen av medlemmarna och deras kopplingar vara så enkel som möjligt. Som alla konstruktioner i allmänhet är jordbävningskonstruktion en process som består av att bygga, eftermontera eller montera infrastruktur med tanke på de konstruktionsmaterial som finns tillgängliga.
Den destabiliserande verkan av en jordbävning på konstruktioner kan vara direkt (seismisk rörelse av marken) eller indirekt (jordbävningsinducerade jordskred, vätskebildning i marken och vågor av tsunami).
En struktur kan ha alla sken av stabilitet, men ändå erbjuda bara fara när en jordbävning inträffar. Det avgörande är att för säkerheten är jordbävningsbeständiga byggtekniker lika viktiga som kvalitetskontroll och att använda rätt material. Jordbävningsentreprenören bör vara registrerad i staten/provinsen/landet där projektet befinner sig (beroende på lokala bestämmelser), säkrad och försäkrad [ citat behövs ] .
För att minimera eventuella förluster , bör byggprocessen organiseras med tanke på att jordbävningar kan inträffa när som helst före slutet av bygget.
Varje byggprojekt kräver ett kvalificerat team av proffs som förstår de grundläggande egenskaperna hos olika strukturers seismiska prestanda samt byggledning .
Adobes strukturer
Omkring trettio procent av världens befolkning lever eller arbetar i jordbyggd konstruktion. Adobes typ av lerstenar är ett av de äldsta och mest använda byggmaterialen. Användningen av adobe är mycket vanligt i några av världens mest riskbenägna regioner, traditionellt i Latinamerika, Afrika, den indiska subkontinenten och andra delar av Asien, Mellanöstern och södra Europa.
Adobe-byggnader anses vara mycket sårbara vid kraftiga skalv. Det finns dock flera sätt för seismisk förstärkning av nya och befintliga Adobe-byggnader tillgängliga.
Nyckelfaktorer för den förbättrade seismiska prestandan hos adobekonstruktion är:
- Kvaliteten på konstruktionen.
- Kompakt layout av lådtyp.
- Seismisk förstärkning.
Strukturer av kalksten och sandsten
Kalksten är mycket vanlig inom arkitektur, särskilt i Nordamerika och Europa. Många landmärken över hela världen är gjorda av kalksten. Många medeltida kyrkor och slott i Europa är gjorda av kalksten och sandstensmurverk . De är de långvariga materialen men deras ganska tunga vikt är inte fördelaktigt för adekvat seismisk prestanda.
Tillämpning av modern teknik för seismisk eftermontering kan förbättra överlevnadsförmågan hos oförstärkta murverk. Som ett exempel, från 1973 till 1989, renoverades och reparerades Salt Lake City och County Building i Utah grundligt med betoning på att bevara historisk noggrannhet i utseende. Detta gjordes i samverkan med en seismisk uppgradering som placerade den svaga sandstensstrukturen på basisoleringsgrunden för att bättre skydda den från jordbävningsskador.
Konstruktioner av timmerstomme
Timmerstommar går tillbaka tusentals år och har använts i många delar av världen under olika perioder som det antika Japan, Europa och det medeltida England på orter där det fanns gott om timmer och byggnadssten och kompetensen att arbeta det inte var.
Användningen av timmerstomme i byggnader ger deras kompletta skelettram, vilket erbjuder vissa strukturella fördelar eftersom timmerstommen, om den är korrekt konstruerad, ger bättre seismisk överlevnadsförmåga .
Ljusramsstrukturer
Strukturer med lätta ramar får vanligtvis seismiskt motstånd från styva plywood - skjuvväggar och trästrukturpanelmembran . Särskilda bestämmelser för seismiska lastbeständiga system för alla konstruerade träkonstruktioner kräver hänsyn till membranförhållanden, horisontella och vertikala membransaxar och värden för kopplingar / fästen . Dessutom krävs kollektorer, eller dragstag, för att fördela skjuvning längs en membranlängd.
Förstärkta murverk
Ett konstruktionssystem där stålarmering gjuts in i murbrukets bruksfogar eller placeras i hål och som fylls med betong eller injekteringsbruk kallas för armerat murverk . Det finns olika metoder och tekniker för att förstärka murverk. Den vanligaste typen är den förstärkta hålmuren .
För att uppnå ett segt beteende i murverk är det nödvändigt att väggens skjuvhållfasthet är större än böjhållfastheten . Effektiviteten av både vertikala och horisontella förstärkningar beror på typen och kvaliteten på murverk och murbruk .
Den förödande jordbävningen i Long Beach 1933 avslöjade att murverk är benäget att få jordbävningsskador, vilket ledde till att California State Code gjorde murverksförstärkning obligatoriskt över hela Kalifornien.
Armerade betongkonstruktioner
Armerad betong är betong där stålarmeringsstänger ( armeringsjärn ) eller fibrer har införlivats för att stärka ett material som annars skulle vara sprött . Den kan användas för att producera balkar , pelare , golv eller broar.
Spännbetong är en slags armerad betong som används för att övervinna betongens naturliga spänningssvaghet. Den kan appliceras på balkar , golv eller broar med längre spännvidd än vad som är praktiskt med vanlig armerad betong. Förspännande senor (i allmänhet av stålkabel eller stänger med hög draghållfasthet) används för att åstadkomma en klämbelastning som ger en tryckspänning som uppväger den dragspänning som betongkompressionselementet annars skulle utsättas för på grund av en böjbelastning.
För att förhindra katastrofal kollaps till följd av jordskakning (i livssäkerhetens intresse) bör en traditionell armerad betongram ha formbara fogar. Beroende på de metoder som används och de pålagda seismiska krafterna kan sådana byggnader vara omedelbart användbara, kräva omfattande reparationer eller behöva rivas.
Förspända konstruktioner
Förspänd struktur är den vars övergripande integritet , stabilitet och säkerhet i första hand beror på en förspänning . Förspänning innebär avsiktligt skapande av permanenta spänningar i en struktur i syfte att förbättra dess prestanda under olika driftsförhållanden.
Det finns följande grundläggande typer av förspänning:
- Förkomprimering (oftast med en strukturs egen vikt)
- Förspänning med höghållfasta inbäddade senor
- Efterspänning med höghållfasta bundna eller obundna senor
Idag är begreppet förspänd struktur brett engagerat i design av byggnader , underjordiska strukturer, TV-torn, kraftverk, flytande lagrings- och offshoreanläggningar, kärnreaktorfartyg och många typer av brosystem .
En fördelaktig idé om förspänning var tydligen bekant för de antika Roms arkitekter; titta till exempel på den höga vindsväggen i Colosseum som fungerar som en stabiliseringsanordning för väggpelarna under .
Stålkonstruktioner
Stålkonstruktioner anses mestadels vara jordbävningsbeständiga men vissa fel har inträffat. Ett stort antal momentbeständiga rambyggnader av svetsat stål , som såg jordbävningssäkra ut, upplevde överraskande spröda beteende och skadades farligt i jordbävningen i Northridge 1994 . Efter det Federal Emergency Management Agency ( FEMA) utveckling av reparationstekniker och nya designmetoder för att minimera skador på byggnader av stålmomentram i framtida jordbävningar.
För seismisk design av konstruktionsstål baserad på Load and Resistance Factor Design (LRFD) tillvägagångssätt är det mycket viktigt att bedöma förmågan hos en struktur att utveckla och bibehålla sin bärighet i det oelastiska området. Ett mått på denna förmåga är duktilitet , som kan observeras i själva materialet , i ett strukturellt element eller i en hel struktur .
Som en konsekvens av Northridges jordbävningserfarenhet har American Institute of Steel Construction introducerat AISC 358 "Pre-Qualified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames." AISC Seismic Design Provisions kräver att alla Steel Moment Resisting Frames använder antingen anslutningar som ingår i AISC 358, eller användning av anslutningar som har utsatts för förkvalificerande cykliska tester.
Förutsägelse av jordbävningsförluster
Uppskattning av jordbävningsförlust definieras vanligtvis som en skadekvot ( DR ) som är ett förhållande mellan reparationskostnaden för jordbävningen och det totala värdet av en byggnad. Probable Maximum Loss ( PML ) är en vanlig term som används för uppskattning av jordbävningsförluster, men den saknar en exakt definition. 1999 producerades ASTM E2026 'Standardguide för uppskattning av byggnadsskada vid jordbävningar' för att standardisera nomenklaturen för uppskattning av seismiska förluster, samt fastställa riktlinjer för granskningsprocessen och kvalifikationerna för granskaren.
Jordbävningsförlustuppskattningar kallas också seismiska riskbedömningar . Riskbedömningsprocessen innebär i allmänhet att bestämma sannolikheten för olika markrörelser tillsammans med sårbarheten eller skadan på byggnaden under dessa markrörelser. Resultaten definieras som en procent av byggnadens återanskaffningsvärde.
Se även
- Ankarplatta
- Earthquake Engineering Research Institute
- Jordbävningsbeständiga strukturer
- Beredskapsledning
- Fasad
- Geoteknik
- International Institute of Earthquake Engineering and Seismology
- Lista över internationella jordbävningsaccelerationskoefficienter
- Nationellt centrum för forskning om jordbävningsteknik
- Probabilistisk riskbedömning
- Seismiska intensitetsskalor
- Seismiska magnitudskalor
- Seismisk reaktion från deponi
- Seismisk eftermontering
- Seismisk platsrespons
- Interaktion med markstruktur
- Spektral acceleration
externa länkar
- Jordbävningsteknik på Curlie
- Earthquake Engineering Research Institute
- Konsortium av universitet för forskning inom jordbävningsteknik (CUREE)
- NHERI: En teknisk forskningsinfrastruktur för naturrisker
- Jordbävningar och jordbävningsteknik i The Library of Congress
- Infrastructure Risk Research Project vid University of British Columbia, Vancouver, Kanada Arkiverad 2019-12-18 på Wayback Machine
|
Specialiteter och tvärvetenskap |
|
 |
||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ingenjörsutbildning | ||||||||||||
| Relaterade ämnen | ||||||||||||
| Ordlistor | ||||||||||||
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
