Понимание сейсмических рисков в школьных зданиях

Землетрясения могут вызвать катастрофические структурные сбои, особенно в больших зданиях, таких как гимназии и аудитории. Эти объекты часто имеют широкие интерьеры без колонн, тяжелые фермы на крыше и высокие сидячие платформы, все из которых создают уникальные уязвимости во время тряски земли. Основные опасности включают обрушение конструкций крыши, пристегивание пролетных ферм, отказ неукрепленных каменных стен и падение тяжелых неструктурных элементов, таких как освещение, акустические панели и оборудование HVAC. В сейсмически активных регионах школьные здания должны соответствовать строгим строительным нормам, таким как ASCE 7 и Международный строительный кодекс (IBC) с категориями сейсмического проектирования (SDC), которые диктуют сопротивление боковой силе. Местные геологические условия, такие как тип почвы, потенциал сжижения и близость к активным разломам, дополнительно влияют на риск. Например, мягкие почвы усиливают сейсмические волны, увеличивая спрос на структуры. Понимание этих рисков является основой для каждого дизайнерского решения.

Основные принципы сейсмично-стойкого дизайна

Гибкие структуры и долговечность

Плотность — способность структуры деформироваться без потери прочности — имеет решающее значение. Например, стальные рамы могут подвергаться значительной пластической деформации при циклической нагрузке, поглощая энергию до отказа. В гимназиях и аудиториях высоко пластичные стальные элементы предпочтительнее хрупких материалов. Соединения должны быть спроектированы таким образом, чтобы давать контролируемый выход, избегая хрупких переломов на сварных швах или болтах.

Укрепленные фонды

Глубокие фундаменты (столбы или кессоны) могут передавать нагрузки через нестабильные слои почвы в компетентные несущие пласты. Шапки и балки сортировки должны быть соединены между собой для создания жесткого основания, предотвращая дифференциальное расселение. Сейсмическая изоляция часто начинается у основания: изоляторы основания (эластомерные подшипники или маятники трения) отделяют надстройку от движения грунта, уменьшая ускорения, передаваемые вверх.

Системы диссипатии энергии

Дополнительные демпфирующие устройства — вязкие амортизаторы, настроенные амортизаторы массы или металлические амортизаторы выходного отверстия — могут быть установлены в скошенных рамах или между этажами. В больших аудиториях несколько амортизаторов могут быть скрыты в полости стен или над потолками. Эти устройства преобразуют кинетическую энергию в тепло, уменьшая дрейф и повреждение. Руководство по сейсмической технологии модернизации FEMA предоставляет подробные примеры.

Структурное увольнение

Многомерные пути нагрузки обеспечивают, что при выходе из строя одной колонны или скобки, альтернативные пути перераспределяют силы. Для гимназий с длиннопролетными крышами, избыточными трусовыми линиями и вторичным обрамлением препятствуют прогрессирующему обрушению. Непрерывность стальной арматуры в бетонных рамах также повышает прочность.

Неструктурная безопасность

Неструктурные компоненты представляют наибольший риск для пассажиров: подвесные потолки, огни, табло, акустические оболочки, театральные оснастки и сидячие подъемники должны быть закреплены или закреплены. Подвеска накладных предметов с использованием диагональных проводов или жестких соединений в соответствии с NFPA 13 и ASCE 7 глава 13 обязательна. Тяжелые подвесные элементы, такие как подвески сцены, должны быть закреплены сейсмическими удерживающими устройствами.

Стратегии дизайна для гимназий

Крыша и диафрагма действия

Гимназийные крыши, как правило, представляют собой пролетные конструкции с использованием стальных ферм, рам или глюламовых арок. Диафрагма крыши - часто металлическая палуба с бетонной начинкой или фанерной оболочкой - должна передавать боковые силы вертикальным боковым сила-сопротивляющимся системам (LFRS). Гибкость диафрагмы может вызывать неравномерное распределение нагрузки; использование жестких диафрагм (бетонная или композитная стальная палуба) уменьшает деформацию. Сейсмические соединения (расширяющие или разделительные соединения) разделяют длинные здания на независимые коробки, которые движутся независимо, предотвращая повреждение пудинга.

Латеральная система выбора

  • Моментостойкие рамы (сталь или железобетон) обеспечивают открытые интерьеры, но требуют тщательной пропорции, чтобы ограничить дрейф. Специальные рамы с моментальными соединениями (SMF) с предквалифицированными соединениями распространены в высокосейсмических зонах.
  • Концентрические или эксцентричные скобчатые рамы обеспечивают большую жесткость, но должны быть размещены на стенах периметра или в закрытых помещениях; в тренажерных залах они могут быть замаскированы в стенах каменной кладки или за отбеливателями.
  • Сдвиг стен (замкнутая бетонная или железобетонная кладка) являются экономически эффективными, но препятствующими — они должны быть расположены на границах или в служебных ядрах.
  • Сдержанные скобки (BRBF) дают выход как при натяжении, так и при сжатии, обеспечивая превосходное рассеивание энергии без пристегивания скобки.

Колонна Анкоридж

Колонны, поддерживающие крыши гимназии, должны иметь базовые соединения, предназначенные для подъема и опрокидывания. Якорные болты должны быть встроены достаточно глубоко, чтобы развить полную прочность выхода, а пьедесталы должны иметь достаточную укрепленность удержания. Во многих неудачах вытягивание якорной стоянки колонны привело к частичному коллапсу.

Стратегии проектирования аудиторий

Конструкция аудитории добавляет сложности из-за наклонных полов, сидений (фиксированных сидений), сценического дома с высоким процением и мухобойных башен.Мухобойная башня - это надстройка, которая может быть выше крыши зрительного зала, создавая мягкую или вертикальную неровность, если она не правильно интегрирована.

Сцена и Летающая башня

Летающая башня представляет собой, по сути, высокую узкую раму с одной открытой гранью (процениумное отверстие). Это отверстие создает разрыв диафрагмы. Боковая система должна быть спроектирована для переноса сдвига вокруг отверстия, часто с использованием тяжелых стальных ферм или бетонных стенок сдвига сбоку и сзади сцены. Гридирон, подиумы и точки оснастки должны быть сейсмически закреплены. Сам сценический пол обычно представляет собой поднятую платформу; он должен быть спроектирован как горизонтальная диафрагма или прикреплен к соседним стенам.

Деки для сидения

Фиксированные сидения часто строятся как многоуровневые бетонные плиты. Эти плиты должны быть привязаны к основной боковой системе. Расширение стыков при разрывах стоянки может обеспечить независимое движение. Наклонные сиденья могут создавать силы тяги, которым должны противостоять галстуковые балки или диафрагменное действие. Руководство по сейсмической конструкции ASCE по производительности места проведения предлагает подробную методологию.

Акустические и архитектурные элементы

Тяжелые акустические панели, облачные потолки и декоративные элементы должны быть индивидуально закреплены или закреплены. Легкие тканевые панели могут быть спроектированы так, чтобы безопасно падать, но жесткие подвесные потолки (древесина или гипс) требуют сейсмических зажимов и крепежных проводов. Подтягивание для освещения и звука должно соответствовать стандартам ANSI E1.21 для сейсмических удерживающих устройств.

Базовая изоляция и системы демпфирования

Базовая изоляция особенно эффективна для аудиторий, где деликатное оборудование и подвесные декорации чувствительны к ускорению. Эластомерные подшипники (свинцово-резиновые или высокодемпфирующие резины), размещенные под колоннами, удлиняют период здания, значительно уменьшая спектральные ускорения. Однако изоляция основания требует непрерывной плоскости изоляции под всем отпечатком стопы, что может быть сложным для наклонного сидения. Изоляция только сценического дома (частичная изоляция) возможна, но требует тщательного дизайна интерфейса. Для гимназий изоляция основания может быть менее распространена из-за стоимости, но она используется в высокопроизводительных модернизациях. Дополнительные вязкие амортизаторы могут быть установлены на трусовых концах или между рамами, чтобы добавить демпфирование без изменения жесткости.

Регулярное обслуживание и готовность к чрезвычайным ситуациям

Сейсмическое сопротивление уменьшается с течением времени без инспекции. Коррозия стальных соединений, растрескивание бетона, рыхление якорных болтов и накопление мусора на диафрагмах снижают производительность. Комплексная программа технического обслуживания должна включать ежегодный осмотр критических соединений, неструктурную якорную стоянку и трубопроводы пожаротушения (которые могут стать опасностями для снарядов). Экстренные учения должны учитывать уникальные проблемы эвакуации гимназий с большим полом и сидений аудитории с центральными проходами. Протоколы инспекции после землетрясения (ATC-20 или аналогичные) должны быть доступны для быстрой оценки. Обучение персонала по хранению для распознавания признаков повреждения (пропускные колонны, трещины кладки, сдвинутые потолочные сетки) может предотвратить вторичные коллапсы во время подземных толчков.

Дизайн на основе производительности и соображения стоимости

Традиционный код-предписывающий дизайн направлен на защиту безопасности жизни, но может позволить значительный ущерб, который делает здание непригодным для использования в течение нескольких месяцев. Дизайн на основе производительности (PBD) позволяет владельцам устанавливать более высокие цели, такие как немедленная занятость даже после землетрясения проектного уровня. Для школьных зданий в высокосейсмических зонах PBD может оправдать дополнительные инвестиции в изоляцию базы, пластичную детализацию и неструктурные крепления для поддержания функционирования гимназий и аудиторий для общественных убежищ или функций реагирования. Анализ затрат и выгод обычно показывает, что дополнительные затраты на улучшенный сейсмический дизайн составляют 1-5% от общей стоимости проекта , в то время как стоимость ремонта или замены после крупного землетрясения может составлять 30-50% от первоначальной конструкции. Инструментарий FEMA по льготным затратам может помочь школьным округам в оценке мер по смягчению последствий.

Заключение

Проектирование сейсмически устойчивых школьных гимназий и аудиторий требует многогранного подхода, который учитывает структурные, неструктурные и эксплуатационные риски. Применяя передовые инженерные принципы - пластичные боковые системы, рассеивание энергии, изоляция базы и избыточные пути нагрузки - архитекторы и инженеры могут создавать пространства, которые сохраняют жизнь и функционирование во время сильных землетрясений. Местные строительные кодексы обеспечивают минимальный базовый уровень, но проектирование на основе производительности и активное обслуживание могут достичь гораздо более высокой устойчивости. По мере совершенствования сейсмических исследований и методов строительства эти крупномасштабные школьные здания могут быть одними из самых безопасных пространств в сообществе, служа в качестве убежищ для эвакуации и точек ралли после катастрофы. В конечном счете, каждый доллар, инвестированный в сейсмическую безопасность, является прямым инвестированием в защиту студентов, персонала и будущего сообщества.