Сейсмическая деталь стальных резистентных рам

Введение в сейсмическую детализацию в стальных резистентных к моменту рамах

Сейсмическая детализация стальных механической резистентности кадров (SMRFs) представляет собой одну из самых сложных и критических дисциплин в рамках землетрясения устойчивой структурной инженерии. В отличие от обычной стальной обрамления, предназначенного в первую очередь для гравитации и ветровых нагрузок, SMRFs, предназначенные для сейсмических регионов требуют тщательного внимания к поведению соединения, материалопроницаемости и предсказуемых режимов отказа. Фундаментальная предпосылка сейсмической детализации заключается в том, чтобы гарантировать, что стальной каркас может подвергаться повторной неупругой циклической нагрузке без катастрофической деградации, эффективно «слияние» в контролируемых местах для рассеивания энергии землетрясения при сохранении гравитационной нагрузки несущей способности. Эта статья обеспечивает авторитетное изучение принципов, практик и стандартов, регулирующих сейсмическую детализацию SMRFs, служа практическим справочником для инженеров-строителей, изготовителей и специалистов по строительству.

Эволюция сейсморазведки стальных рамок моментов была глубоко сформирована производительностью реальных структур во время крупных землетрясений. Землетрясение Нортриджа в Калифорнии 1994 года выявило критические уязвимости в том, что тогда считалось современными сварными соединениями моментов. Тысячи стальных зданий получили неожиданные хрупкие трещины в соединениях луч-столб, что привело к фундаментальной переоценке проектных предположений и привело к разработке улучшенных протоколов детализации, теперь кодифицированных в современных стандартах. Современная сейсморазведка отражает эти с трудом выигранные уроки, подчеркивая пластичное поведение, строгую гарантию качества и предсказуемое образование пластиковых шарниров.

Основы стальных резистентных рам

Стальная механическая рама представляет собой конструкционную систему, в которой балки и колонны соединены жесткими соединениями, способными передавать изгибающие моменты, силы сдвига и осевые силы между членами. Это жесткое соединение позволяет раме противостоять боковым нагрузкам посредством гибкого действия балок и колонн, а не через диагональные крепления или стенки сдвига. Врожденная гибкость и пластичность стали делают SMRF исключительно хорошо подходящими для сейсмических применений, при условии, что соединения и члены детализированы для размещения циклических неупругих деформаций, налагаемых землетрясениями.

Механизм сопротивления нагрузки SMRF при сейсмическом событии предполагает образование пластиковых шарниров в заранее определенных местах, как правило, на концах балок и у основания колонн. Эти пластиковые шарниры действуют как энергорассеивающие «сбои», которые защищают общую структурную систему, ограничивая силы, передаваемые другим компонентам. Разрыв и конфигурация моментальных рамок в плане здания должны быть тщательно организованы, чтобы избежать торсионных неровностей и обеспечить однородную боковую жесткость. Современные сейсмические коды требуют, чтобы SMRF были спроектированы с достаточной избыточностью, чтобы выход в одном месте не ускорил глобальную нестабильность или коллапс.

Поведение при циклической загрузке

Стальные рамы с моментами, подвергнутые движениям земли землетрясения, испытывают развороты нагрузки, которые заставляют структуру повторяться циклами неупругой деформации. Детализация должна учитывать это циклическое поведение, предотвращая локальное пристегивание, разрушение и деградацию прочности. Ключевые поведенческие характеристики, которые сейсмическая детализация стремится достичь, включают стабильные петли гистерезиса (реакция циклической деформации силы), адекватную способность вращения при соединениях и способность поддерживать несколько неупругих циклов без значительной потери прочности или жесткости. Эти цели производительности непосредственно связаны с конкретными решениями детализации относительно пропорций члена, геометрии соединения, процедур сварки и схем усиления.

Основные принципы сейсмического детализации для SMRF

Сейсмическая детализация стальных моментных рам регулируется несколькими взаимосвязанными принципами, которые в совокупности обеспечивают удовлетворительную производительность во время землетрясений.Эти принципы определяют каждый аспект проектирования соединения, выбора элемента и методологии строительства.

Дюктильность и ротационная способность

Плотность — это способность структурного элемента или соединения подвергаться значительной неупругой деформации без существенной потери прочности. В контексте SMRFs пластичность наиболее критически выражается как способность вращения в соединениях пучка к столбу и в областях пластикового шарнира. Детализация для пластичной шарнирности включает в себя контроль соотношений ширины к толщине фланцев и паутины для предотвращения преждевременного локального пряжения, обеспечение адекватной боковой крепления в местах пластикового шарнира и обеспечение того, чтобы сварные швы и болты не выходили из строя хрупким образом до того, как подключенные члены уступили. Сейсмические положения для структурных стальных зданий классифицируют члены в сейсмически компактные категории на основе стройных ограничений, которые обеспечивают пластичное поведение при циклической нагрузке.

Контролируемое рассеивание энергии через пластиковые печи

Энергия землетрясения должна рассеиваться где-то внутри структурной системы. В правильно детализированных SMRF эта диссипация происходит в основном за счет неупругой деформации на пластиковых шарнирах. Искусство сейсмической детализации заключается в контроле, где эти пластиковые шарниры образуют и обеспечении того, чтобы они обладали достаточной мощностью вращения для размещения требуемых межэтажных дрейфов. Предпочтительный механизм включает в себя пластиковые шарниры, образующиеся в пучках, а не в колоннах, следуя философии сильного-колонного-слабого-луча. Этот подход предотвращает образование механизма коллапса мягкого-этажного, где вся деформация концентрируется на одном уровне. Детализация также должна учитывать, что пластиковые шарниры могут образовываться на основаниях колонн, и эти места требуют особого внимания к связям фундамента и детализации базовой пластины.

Увольнение и множественные пути загрузки

Увольнение обеспечивает, что если одно соединение или элемент не удается, существуют альтернативные пути нагрузки для перераспределения сил и предотвращения прогрессирующего коллапса. В SMRFs избыточность достигается путем предоставления нескольких кадров моментов в каждом основном направлении здания и путем проектирования соединений с достаточной сверхпрочностью для форсирования выхода в балки, а не в суставы. Детализация для уплотнения также включает в себя предоставление пластин непрерывности и пластин двойника в соединениях пучка-столба, чтобы гарантировать, что зона панели (область паутины колонны в глубине соединений пучка) может противостоять большим силам сдвига, генерируемым во время неупругого действия.

Иерархия дизайна силы

Критическим принципом детализации является преднамеренное упорядочивание прочностей компонентов для обеспечения того, чтобы выход происходил в пластических элементах до того, как хрупкие элементы будут перенапряжены. Эта иерархия обычно следует этой последовательности: сначала развиваются пластиковые шарниры пучка, затем сначала происходит выход зоны панели, если это разрешено, затем выход колонки и, наконец, разрыв соединения полностью исключается. Достижение этой иерархии требует тщательного пропорционирования размеров элементов, усиления соединения и деталей сварки. Сейсмические положения AISC определяют, что соединения должны развивать полную емкость пластикового момента подключенного пучка, плюс коэффициент избыточной прочности для учета затвердевания деформации и изменчивости материала, гарантируя достижение предполагаемого механизма проходимости.

Подробная информация о подключении Beam-to-Column

Соединение луч-столбец является наиболее требовательным и критически важным компонентом SMRF. Неудачи, наблюдаемые во время землетрясения в Нортридже, были сосредоточены в сварных моментальных соединениях, в частности, в сварных сварных швах, соединяющих нижний фланец балки с фланцем колонны. Современная сейсмическая детализация развила несколько типов соединений, предназначенных для перемещения пластикового шарнира от поверхности колонны и в балку, защищая сварку от высоких деформаций, которые вызвали перелом.

Соединения с уменьшенным лучом (RBS)

Соединение с уменьшенным сечением пучка, обычно называемое соединением «собачьей кости», является одним из наиболее широко используемых соединений с проходимым моментом. При этом подходе детализации части флангов пучка обрезаются в радиусированном виде на заданном расстоянии от поверхности колонны. Это преднамеренное уменьшение поперечного сечения пучка создает зону слабости, где вынуждено происходить пластиковое натяжение, далеко от сварного соединения. Преимущества соединения RBS существенны: сварка на поверхности колонны испытывает сниженный спрос, а пластиковые шарниры образуются в области, которая может быть боково закреплена и детализирована для высокой вращенной емкости. Детали разреза RBS должны следовать строгим геометрическим ограничениям для предотвращения локального закручивания фланца и обеспечения достаточной прочности, как указано в AISC 358.

Сплит-соединение Flange Plate Connections

В качестве альтернативы сварке на полевых патрубках используются сварные патрубки, которые прикреплены к лучевым флангам. Этот тип соединения обеспечивает отличную пластичность, поскольку болты могут вмещать проскальзывание и деформацию подшипников до выхода пластин. Связи с болтированными фланцевыми пластинами особенно выгодны для участков, где качество сварки на полевых патрубках трудно контролировать или где доступ к проверке ограничен. Подробные соображения включают использование болтов высокой прочности в критических соединениях, адекватные расстояния кромок и пропорции пластин, которые обеспечивают выход в пластине, а не разрыв болтов или луча.

Сварные неукрепленные соединения с флангами с отверстиями сварного доступа

Современные сварные неукрепленные фланцевые соединения (иногда называемые соединениями WUF-W) включают улучшения по сравнению с деталями до Нортриджа. Критические детализирующие элементы включают использование улучшенных отверстий доступа к сварному шву с плавной геометрией, которые снижают концентрации напряжения в корне сварного шва, дополнительных филевых сварных швов на лучевой сети для снижения требований к фланцевым сварным швам и строгого соблюдения процедур сварки, включая предварительный нагрев, контроль температуры пересечения и жесткие наполнители. Эти соединения проверяются посредством квалификационного тестирования, как требуется строительными нормами и в значительной степени зависят от мер обеспечения качества во время изготовления и монтажа.

Обложка Plate и Haunch Connections

Для существующих зданий, требующих дооснащения или для ситуаций, когда глубина луча не может быть уменьшена, крытые пластины и стойкие соединения обеспечивают дополнительное усиление. Соединение чехловых пластин включает сварку пластин к лучевым флангам на поверхности колонны для увеличения прочности соединения и выталкивания пластикового шарнира в луч за пределы усиленной зоны. Для достижения аналогичного эффекта в стойких соединениях используются треугольные застывающие элементы или скобки ниже нижнего фланца луча. Оба подхода требуют тщательной детализации переходных зон, где заканчивается армирование, поскольку концентрации напряжений в этих точках окончания могут вызвать преждевременный перелом, если не обрабатывать их должным образом.

Подробнее о Дюктильное поведение

Помимо соединений, отдельные члены SMRF должны быть детализированы для обеспечения стабильного неэластического поведения. Это включает в себя управление локальным пристегиванием, обеспечение бокового крепления и размещение деформаций зоны панели.

Сейсмично компактные кросс-секторы

Фланцы и паутины балок и колонн в сейсмических рамах должны удовлетворять строгим пределам соотношения ширины и толщины, чтобы оставаться стабильными при циклической пластической деформации. AISC определяет члены как «сейсмично компактные», когда эти соотношения соответствуют наиболее ограничительным пределам, предотвращая локальное пристегивание, прежде чем член сможет достичь требуемой мощности вращения. Детализация настроенных секций, таких как сварные пластинчатые балки, используемые в качестве колонн, требует особого внимания к стройности элементов паутины и фланцев, интервалу жесткости и деталям сварки между компонентными пластинами.

Латеральное сцепление областей пластикового шарнира

Пластиковые шарниры в балках, подвергающихся циклической нагрузке, имеют тенденцию к развитию бокового торсионного пристегивания, если они не являются адекватными. Сейсмическая детализация требует бокового крепления на обоих фланцах пучка внутри и рядом с зоной пластикового шарнира. Это крепление должно быть расположено достаточно близко, чтобы предотвратить боковое движение фланца сжатия, и должно быть спроектировано таким образом, чтобы противостоять части силы фланца сжатия. Общие методы крепления включают боковые брекеты, прикрепленные к фланцу сжатия, поперечные рамы или диафрагмы на концах пучка, и непрерывную боковую опору, обеспечиваемую бетонными плитами, действующими композитно с балкой. Сейсмические положения AISC определяют максимальные нестяжаемые длины для пучков в сейсмических рамах и требуют, чтобы крепежные элементы были прикреплены к обоим фланцам, когда ожидается, что балка будет давать как положительный, так и отрицательный изгиб.

Панельная зона Подробнее

Панельная зона — это область паутины колонны, расположенная на пересечении фланцев пучка. Во время землетрясения эта зона подвергается воздействию больших сил сдвига, которые могут заставить ее уступить. Сейсмическая детализация должна учитывать, допускается или предотвращается выход зоны панели. Некоторые философии дизайна позволяют ограниченную зону панели, дающую дополнительный механизм рассеивания энергии, в то время как другие требуют, чтобы зона панели оставалась эластичной для защиты колонны. Когда выход зоны панели допускается, паутина колонны должна быть достаточно толстой, чтобы предотвратить сдвигание, и пластины двойника должны быть приварены к паутине колонны, чтобы обеспечить дополнительное сопротивление сдвига. Пластины непрерывности (горизонтальные жесткомеры, выровненные с фланцевыми флангами) необходимы для передачи фланцевых сил через колонну и предотвращения сбоя фланцевой локальной изгиба. Детали пластин непрерывности должны учитывать последовательность сварки, доступ к сварке и необходимость избегать концентраций напряжения при сварке.

Материальные соображения в сейсмической детализации

Сталь, указанная для рамы сейсмического момента, должна обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять разрыву при больших неупругих деформациях и при низких температурах, которые могут преобладать во время землетрясений. Подробные спецификации должны требовать, чтобы конструктивные формы и пластины соответствовали требованиям испытания на удар Charpy V-notch (CVN) при заданных температурах. Для сварных соединений металлы наполнителя и процедуры сварки должны быть выбраны для достижения прочности наполнителя, равной или большей, чем базовый металл. Сейсмическая документация детализации должна явно указывать требования к прочности материала для всех компонентов, которые, как ожидается, подвергнутся неупругой деформации, включая балки, колонны, соединительные пластины и сварной металл.

Обеспечение качества и проверка

Сейсмическая детализация является столь же эффективной, как и качество ее выполнения в области и в цехе по изготовлению. Комплексные программы обеспечения качества необходимы и должны включать: квалификацию по спецификации процедуры сварки (WPS) для всех типов сварных швов, используемых в моментальных соединениях, сертификацию и непрерывность сварочных швов, неразрушающий контроль (NDE) полных стыковых канавок с использованием ультразвукового тестирования и визуальный осмотр всех деталей соединения. Использование вкладок сварки и отверстий доступа к сварке должно соответствовать утвержденным деталям, чтобы избежать введения разрывов. Любой ремонт дефектных сварных швов должен следовать утвержденным процедурам и быть пересмотрен. Кодекс стандартной практики AISC и AISC Seismic Provisions обеспечивают конкретные требования к проверке и контролю качества, которые должны быть включены в спецификации проекта.

Применимые стандарты и руководящие документы

Инженеры, занимающиеся сейсморазведкой SMRF, должны ссылаться на следующие ключевые стандарты и ресурсы для обеспечения соответствия текущей передовой практике:

AISC 341 — Сейсмические положения для структурных стальных зданий: Основная ссылка на требования к сейсмической детализации в Соединенных Штатах. Этот документ охватывает типы соединений, пределы стройности членов, требования к креплению и процедуры проектирования для SMRF.

AISC 358 — Практичные соединения для специальных и промежуточных стальных рам с моментом работы: Содержит стандартизированные требования к конструкции и детализации для типов соединений (таких как RBS и болтовая фланцевая пластина), которые были проверены путем тестирования и широко приняты на практике.

FEMA P-751 - NEHRP Рекомендуемые сейсмические положения: Предоставляет комментарии и справочную информацию о требованиях к сейсмической конструкции, включая обширное обсуждение концепций детализации стального момента кадра.

ASCE/SEI 7 — Минимальные проектные нагрузки и связанные критерии для зданий и других сооружений: Указывает критерии сейсмической конструкции, которые информируют о требованиях к детализации для SMRF, включая коэффициенты модификации отклика, коэффициенты усиления отклонения и пределы дрейфа.

ANSI/AWS D1.8 - Кодекс сварки конструкций - Сейсмическое дополнение: Предусматривает требования к сварке, характерные для сейсмических применений, включая требования к прочности для сварных металлов и зон, подверженных тепловому воздействию.

Процесс проектирования и детализации рабочего процесса

Практическая реализация сейсмической детализации следует структурированному рабочему процессу, который объединяет аналитический дизайн с подробными решениями. Первоначально инженер-строитель устанавливает конфигурацию рамы, размеры членов и типы соединений на основе категории сейсмической конструкции и геометрии здания. Детали затем проходят через несколько этапов:

Выбор типа соединения , основанный на требованиях к дрейфу, пропорциях участников и ограничениях конструкции.

Определение местоположения шарнира и проверка того, что соединение может поддерживать требуемое вращение.

Проверка прочности зоны панели и определение требований к пластинам двойника или пластинам непрерывности.

Макет брекетов в зонах шарнирных шарниров и колонн из пластика.

Подробная информация о сварных швах и болтах , включая размеры сварных швов, выбор наполнителей и критерии проверки.

Интеграция с неструктурными компонентами , такими как огнезащита, архитектурная отделка и механические проникновения, гарантируя, что эти элементы не мешают предполагаемому сейсмическому ответу.

Новые тенденции и инновации в SMRF Подробнее

Область сейсморазведки продолжает развиваться с достижениями в области материаловедения, экспериментальных испытаний и вычислительного моделирования. Несколько примечательных тенденций формируют следующее поколение детализации SMRF:

Высокопроизводительные стальные материалы , такие как ASTM A913 закаленных и самовоспаленных форм и ASTM A992 с повышенной жесткостью спецификации становятся все более распространенными. Эти материалы предлагают лучшую свариваемость, более высокую прочность при низких температурах, и более жесткие допуски на механических свойств, все из которых способствуют более надежной пластичное поведение.

Сейсмическая конструкция на основе эксплуатационных характеристик (PBSD) все чаще позволяет инженерам адаптировать требования к детализации к конкретным целям производительности, а не применять предписывающие правила кода единообразно. Этот подход может привести к более экономичным системам обрамления для зданий с более низкой заполняемостью или в регионах с умеренной сейсмичностью, сохраняя при этом безопасность посредством тщательно проверенной детализации.

Передовой анализ конечных элементов позволяет инженерам моделировать циклическое поведение соединений и выявлять потенциальные режимы отказа перед строительством. Эти анализы могут информировать о таких подробных решениях, как геометрия отверстия сварного доступа, размещение жесткости и переходная зона между соединением и секцией пучка. Однако экспериментальная проверка остается необходимой, поскольку численные модели продолжают совершенствоваться.

Модульные и сборные системы соединения набирают обороты за свой потенциал для улучшения контроля качества и сокращения полевого труда. Сборные соединения, которые сварены в магазине и сварены полем, могут минимизировать количество критической сварки поля, которая часто является источником проблем с качеством. Детализация должна учитывать допуски к эрекции и интерфейс между сборными компонентами и установленной на поле рамой.

Общие подводные камни в сейсмической детализации и как их избежать

Несколько повторяющихся проблем в сейсмической детализации SMRFs стоит выделить, чтобы предотвратить проблемы при проектировании и строительстве:

Недостаточная геометрия отверстия для доступа к сварному шву. Отверстия для доступа к сварному шву, которые слишком малы или имеют острые углы для повторного входа, создают концентрации напряжения, которые могут инициировать перелом. Следование стандартным деталям AISC и AWS для размера и формы отверстия доступа имеет важное значение.

Пренебрежение эффектом бетонных плит на брусчатку. Композитные плиты могут обеспечивать боковую крепление к верхнему фланцу балок, но могут не адекватно скреплять нижний фланж при отрицательном изгибе. Часто требуется явная боковая крепление нижнего фланца в местах пластиковых шарниров.

Обращения колонн в местах сплайсинга.] Сплайс колонн в сейсмических моментальных кадрах должен развивать полную изгибающую способность колонны и быть расположенным вдали от потенциальных зон пластиковых шарниров. Сплайсинг колонн на средней высоте истории обычно предпочтительнее сплайсинга на уровнях пола, где требования являются наибольшими.

Недостаточное рассмотрение взаимодействия гравитационного каркаса. Гравитационные связи, которые закрепляются в аналитической модели, могут непреднамеренно обеспечивать сопротивление моменту и притягивать силы при деформации землетрясения. Детализация простых сдвиговых связей в структурах с моментальными кадрами должна позволять ожидать вращение без связывания или разрушения.

Неспособность координировать детализацию фундамента.] Базовые соединения колонны должны быть спроектированы так, чтобы противостоять силам, которые развиваются после выхода в раме выше. Базовые пластины, якорные стержни и укрепление фундамента должны быть детализированы, чтобы разместить эти силы без хрупкого перелома или вытягивания.

Заключение

Сейсмическая детализация стальных механических резистентных рам является требовательной дисциплиной, которая объединяет принципы структурной инженерии с практическими методами строительства. Общая цель состоит в создании структурных систем, которые могут деформироваться неоднократно при нагрузке на землетрясение без катастрофического сбоя, рассеивая энергию за счет контролируемой урожайности в заранее определенных местах. Достижение этой цели требует тщательного внимания к геометрии соединений, пропорциям участников, свойствам материала и процедурам обеспечения качества. Уроки прошлых землетрясений, особенно событие Нортриджа, глубоко улучшили понимание профессии о том, как стальные соединения на самом деле ведут себя при циклической нагрузке и привели к детализации практик, которые намного более надежны, чем те, которые были в предыдущие десятилетия.

Практикующие, занимающиеся проектированием и строительством SMRF, должны поддерживать валюту с последними изданиями Сейсмических положений AISC и предварительно квалифицированными стандартами соединения, а также включать идеи из текущих исследований в улучшенные детали соединения и передовые материалы. Стандарты, упомянутые в этой статье, обеспечивают надежную основу для достижения сейсмически устойчивых стальных рам, но они должны применяться с суждением и пониманием основных поведенческих принципов. В конечном счете, успех сейсмической детализации зависит от эффективного сотрудничества между инженерами-строителями, детализаторами, изготовителями, монтажниками и инспекционным персоналом, все работают над тем, чтобы построенный кадр вел себя так, как задумано, когда подвергается требованиям крупного землетрясения.

Дополнительную авторитетную информацию можно получить из AISC Seismic Provisions (AISC 341-22), AISC Prequalified Connections Standard (AISC 358-22) и FEMA NEHRP Recommended Seismic Provisions (FEMA P-751).