Hoe Aardbevingbestendige Gebouwen Werken

{h1}

Aardbevingsbestendige gebouwen zijn bestand tegen seismische golven. Leer hoe aardbevingsbestendige gebouwen werken bij WordsSideKick.com.

Kijk eens naar de recente seismische activiteit en je zou de indruk kunnen krijgen dat de aarde, misschien een beetje te overcaffair, een slecht geval van de shakes heeft. Aardbevingen deden Chili aan en uit ratelen in 2010-11, te beginnen met een magnitude-8.8 temblor (of aardbeving) die vlak voor de kust bij Concepcion plaatsvond in februari 2010. Toen, in maart 2011, schokte een aardbeving met een kracht van 9,0 in Japan, wat leidde tot een tsunami die naar schatting 29.000 mensen heeft gedood en kernreactoren heeft beschadigd [bron: Amazing Planet]. En ten slotte, in augustus 2011, een magnitude -5,8 aardbeving gecentreerd in de buurt van Mineral, Va., Schrikken bewoners op en neer langs de Atlantische kust en beschadigde het Washington Monument.

Hoewel deze gebeurtenissen een onheilspellende toekomst lijken te suggereren met een trillende, bevende korst, zijn aardbevingen altijd algemeen geweest, net als de menselijke vastberadenheid om ze te overleven. Door de eeuwen heen hebben ingenieurs één ding met groeiende zekerheid leren kennen: aardbevingen doden geen mensen; gebouwen doen. Dit is natuurlijk een grove oversimplificatie, omdat tsunami's ook veel levens vragen, maar niet alle aardbevingen veroorzaken tsunami's. Ze veroorzaken echter dat gebouwen, bruggen en andere structuren plotselinge zijwaartse versnellingen ervaren. Dit alles leidt tot een logische vraag: is het mogelijk om gebouwen rechtop en intact te houden tijdens catastrofale aardbevingen zoals die in Chili in februari 2010 en Japan in maart 2011 troffen?

Veel ingenieurs en architecten geloven nu dat het mogelijk is om een aardbevingsbestendig gebouw - een die de golven van de meest angstaanjagende schok zou berijden en zo goed als nieuw zou blijven als het schudden eenmaal was gestopt. De kosten van een dergelijk gebouw zouden echter enorm zijn. In plaats daarvan streven bouwexperts naar iets minder ambitieus - aardbevingsbestendige gebouwen, die zijn ontworpen om totale instorting en behoud van het leven te voorkomen, evenals bouwbudgetten.

De laatste jaren is de wetenschap van het bouwen van aardbevingsbestendige constructies enorm vooruitgegaan, maar het is geen geheel nieuw onderwerp. Sterker nog, een paar oude gebouwen staan ​​er nog steeds, ondanks hun ligging in actieve seismische zones. Een van de meest opvallende is de Hagia Sophia, een koepelkerk (nu museum) gebouwd in Istanboel, Turkije, in 537 na Christus. Ongeveer 20 jaar nadat het voltooid was, stortte de massieve koepel in nadat een aardbeving het gebied schudde. Ingenieurs evalueerden de situatie en besloten om de dome opnieuw te bouwen, maar dan op een kleinere schaal. Ze versterkten ook de hele kerk van buitenaf [bron: PBS].

Tegenwoordig zijn de technieken een beetje anders, maar de basisprincipes zijn hetzelfde. Voordat we ingaan op de moeren en bouten van het bouwen van aardbevingsbestendige constructies, laten we eens kijken naar enkele basisprincipes, namelijk welke krachten worden gegenereerd tijdens een aardbeving en hoe deze de door de mens gemaakte structuren beïnvloeden.

Het effect van aardbevingen op gebouwen

Je kunt het volledige verhaal krijgen over aardbevingen in How Earthquakes Work, maar een bespreking van de basisbeginselen zal hier helpen. Aardbevingen komen voor wanneer massa's stenen in de aardkorst uitglijden en tegen elkaar glijden. Dit soort beweging komt het meest voor langs a fout, een breuk in een rotsblok dat zich kilometers of zelfs honderden kilometers kan uitstrekken. Wanneer stukken aardkorst plotseling wegglijden en bewegen, geven ze enorme hoeveelheden energie af, die zich vervolgens door de korst verspreiden seismische golven. Aan het oppervlak van de aarde zorgen deze golven ervoor dat de grond schudt en trilt, soms heftig.

Geologen classificeren seismische golven in twee brede categorieën: lichaams- en oppervlaktegolven. Lichaamsgolven, waaronder P- en S-golven, reizen door het binnenste van de aarde. P-golven lijken op geluidsgolven, wat betekent dat ze materiaal comprimeren en uitbreiden wanneer ze passeren. S golven lijken op watergolven, wat betekent dat ze materiaal op en neer bewegen. P-golven reizen door zowel vaste stoffen als vloeistoffen, terwijl S-golven alleen door vaste stoffen reizen.

Nadat een aardbeving toeslaat, golfen P golven eerst door de planeet, gevolgd door S-golven. Dan komt het langzamer oppervlaktegolven - wat geologen noemen Liefde en Rayleigh zwaait. Beide soorten verplaatsen de grond horizontaal, maar alleen Rayleigh-golven verplaatsen de grond ook verticaal. Oppervlaktegolven vormen lange golftreinen die grote afstanden afleggen en het grootste deel van het schudden - en veel van de schade - veroorzaken in verband met een aardbeving.

Als aardbevingen de grond alleen verticaal verplaatsen, kunnen gebouwen weinig schade oplopen omdat alle constructies zijn ontworpen om verticale krachten te weerstaan ​​- die welke verband houden met de zwaartekracht - tot op zekere hoogte. Maar de rollende golven van een aardbeving, vooral Love-golven, oefenen extreme horizontale krachten uit op staande structuren. Deze krachten veroorzaken laterale versnellingen, welke wetenschappers meten als G-krachten. Een magnitude-6.7-aardbeving kan bijvoorbeeld een versnelling van 1 G en een pieksnelheid van 40 inch (102 centimeter) per seconde produceren. Een dergelijke plotselinge beweging naar de zijkant (bijna alsof iemand je heftig heeft geduwd) veroorzaakt enorme spanningen voor de structurele elementen van een gebouw, inclusief balken, kolommen, muren en vloeren, evenals de verbindingsstukken die deze elementen bij elkaar houden. Als die spanningen groot genoeg zijn, kan het gebouw instorten of verlammende schade aanrichten.

Een andere kritische factor is het substraat van een huis of een wolkenkrabber. Gebouwen gebouwd op gesteente presteren vaak goed omdat de grond stevig is. Structuren die bovenop zachte of ingevulde grond zitten, mislukken vaak volledig. Het grootste risico in deze situatie is een fenomeen dat bekend staat als vloeibaar maken, wat gebeurt wanneer losjes gepakte, watervervuilde bodems zich tijdelijk als vloeistoffen gedragen, waardoor de grond wegzakt of glijdt en de gebouwen erbij.

Het is duidelijk dat ingenieurs hun sites zorgvuldig moeten kiezen. Vervolgens zullen we ontdekken hoe ingenieurs aardbevingsbestendige gebouwen plannen en ontwerpen.

De fijnere punten van frequentie

Wanneer seismische golven het aardoppervlak bereiken, zorgen ze ervoor dat de grond en alles wat daarop zit op bepaalde frequenties trilt. Tijdens een aardbeving zal een gebouw de neiging hebben te trillen rond een bepaalde frequentie die bekend staat als de frequentie natuurlijkof fundamenteel, frequentie. Wanneer het gebouw en de grond de natuurlijke frequentie van het gebouw delen, wordt gezegd dat ze resoneren. Dat is slecht. Resonantie versterkt de effecten van een aardbeving, waardoor gebouwen meer schade oplopen. In september 1985 creëerde een gemeente in Mexico-Stad golven met een frequentie die perfect in lijn was met de natuurlijke frequentie van een gebouw met 20 verdiepingen. Als gevolg hiervan waren meer gebouwen van deze hoogte beschadigd dan hogere of kortere constructies. In sommige gevallen stond een beschadigd gebouw met 20 verdiepingen naast een onbeschadigd gebouw van een andere hoogte.

Aardbevingsbestendige bouwontwerpen: U.S. Geological Survey to the Rescue

Een voorbeeldgevarenkaart die een ingenieur kan gebruiken

Een voorbeeldgevarenkaart die een ingenieur kan gebruiken

Voordat een groot bouwproject begint, moeten ingenieurs eerst de seismische activiteit van de bouwplaats evalueren. In de Verenigde Staten hebben ze toegang tot een bron om te helpen bij dit proces - Nationale seismische gevarenkaarten opgesteld door de U.S. Geological Survey (USGS). Deze kaarten tonen de waarschijnlijkheid dat grondbewegingen de komende 50 jaar een bepaalde waarde zullen overschrijden. Om de waarde op een specifieke locatie te berekenen, nemen geologen historische aardbevingsgegevens en maken vervolgens een onderbouwde schatting van grondbewegingen van alle toekomstige mogelijke aardbevingsgroottes op alle mogelijke afstanden vanaf die locatie. Het resultaat is een gekleurde contourkaart die laat zien in welke delen van het land het grootste gevaar voor aardbevingen bestaat. Zoals je zou verwachten, is de hele kust van Californië een gebied met veel gevaar. Andere hotspots voor aardbevingen in de Verenigde Staten omvatten Alaska, Hawaii, South Carolina en een gebied dat zuidoost Missouri, zuidelijk Illinois, westelijk Kentucky en Tennessee en noordoostelijk Arkansas omvat.

Bouwcodes, zoals de International Building Code die in het grootste deel van de VS wordt gebruikt, stellen seismische ontwerpvoorzieningen vast op basis van de USGS Seismic Hazard Maps. In gebieden met een hoog risico moeten ingenieurs en architecten zich aan strengere normen houden bij het ontwerpen van gebouwen, bruggen en snelwegen om te zorgen dat deze gebouwen bestand zijn tegen aardbevingen. Tegelijkertijd worden ingenieurs in gebieden met weinig gevaar gespaard voor het ontwerpen van gebouwen met een lage kans op ernstige grondbewegingen als gevolg van een aardbeving.

Zodra ingenieurs de seismische risico's van een site bepalen, moeten ze een passend ontwerp van het gebouw voorstellen. Over het algemeen vermijden ze ten koste van alles onregelmatige of asymmetrische ontwerpen. Deze omvatten L- of T-vormige gebouwen of split-level structuren. Hoewel dergelijke ontwerpen de visuele interesse vergroten, zijn ze ook gevoeliger voor draaiingof draaien om hun lengteassen. In plaats daarvan geven seismische ingenieurs er de voorkeur aan om gebouwen symmetrisch te houden, zodat krachten gelijkmatig over de structuur worden verdeeld. Ze beperken ook versiering, zoals kroonlijsten, verticale of horizontale uitkragingen van de cantilever of fasciastenen, omdat aardbevingen gemakkelijk deze architecturale elementen kunnen losmaken en ze naar de grond kunnen laten vallen.

Symmetrie alleen zal geen gebouw opslaan. We zullen meer praten over wat kan - volgende.

Aardbevingsbestendige bouwontwerpen: zet je schrap

Zelfs symmetrische gebouwen moeten bestand zijn tegen aanzienlijke zijdelingse krachten. Ingenieurs werken deze krachten tegen in zowel het horizontale als het verticale structurele systeem van een gebouw. membranen zijn een belangrijk onderdeel van de horizontale structuur. Ze omvatten de vloeren van een gebouw, evenals het dak. Ingenieurs plaatsen over het algemeen elk diafragma op zijn eigen dek en versterken het horizontaal zodat het zijwaartse krachten kan delen met de verticale structurele delen. Op het dak, waar een sterk dek niet altijd mogelijk is, versterken de ingenieurs het diafragma spanten, diagonale structurele elementen ingebracht in de rechthoekige gebieden van het frame.

Het verticale constructiesysteem van een gebouw bestaat uit kolommen, balken en verstevigingen en functies om seismische krachten over te brengen naar de grond. Ingenieurs hebben verschillende opties bij het bouwen van de verticale structuur. Ze bouwen vaak muren met verstevigde frames, die afhankelijk zijn van spanten om zijdelingse beweging te weerstaan. Cross-bracing, dat twee diagonale elementen in een X-vorm gebruikt, is een populaire manier om muurspanten te bouwen. In plaats van geschoorde frames of in aanvulling daarop, kunnen technici dit gebruiken schuif muren - verticale wanden die het structurele frame van een gebouw verstijven en weerstand bieden tegen schommelkrachten. Ingenieurs plaatsen ze vaak op muren zonder openingen, zoals die rond liftschachten of trappenhuizen.

Schuifmuren beperken echter de flexibiliteit van het ontwerp van het gebouw. Om dit te overwinnen, kiezen sommige ontwerpers voor moment-weerstaan ​​frames. In deze structuren mogen de kolommen en liggers buigen, maar de verbindingen of verbindingsstukken ertussen zijn stijf. Het resultaat is dat het hele frame beweegt als reactie op een zijdelingse kracht en toch een gebouw biedt dat minder intern wordt belemmerd dan structuren met schuifwanden. Dit geeft de ontwerper meer flexibiliteit bij het plaatsen van architecturale elementen, zoals buitenmuren, scheidingswanden en plafonds, evenals de inhoud van het gebouw, zoals meubels en losse apparatuur.

Natuurlijk, de structurele leden van een gebouw rusten op zijn fundament.Op de volgende pagina zullen we bekijken hoe ingenieurs bouwfundamenten verbeteren om ze weerbaarder te maken bij sterke aardbevingen.

Casestudy: de Transamerica-piramide in San Francisco

De Transamerica Pyramid zweeft 853 voet (260 meter) de lucht in en staat sinds 1972 als een symbool van San Francisco. De esthetische schoonheid alleen al is genoeg om ontzag en bewondering te inspireren, maar het is geen flauwekul als het gaat om ontwerp en engineering. De piramide ontleent zijn kracht aan een uniek truss-systeem, met X-bracing, dat boven de eerste verdieping wordt gebruikt. Het truss-systeem ondersteunt zowel verticale als horizontale belasting, maar is vooral bestand tegen torsiekrachten die worden gegenereerd door seismische gebeurtenissen. Naast de buitenframes reiken de binnenste frames tot de 45e verdieping. Het resultaat is een sterke structuur die goed heeft gepresteerd in seismische gebeurtenissen. Tijdens de aardbeving met magnitude 7.1 van Loma Prieta, die het gebergte van Santa Cruz in 1989 trof, zwiepte het topverhaal van de piramide meer dan 30 cm van de ene naar de andere kant, maar leed geen schade.

Aardbevingenbestendige fundamenten en materialen

Als de fundering van een gebouw op zachte of ingesloten grond staat, kan het hele gebouw mislukken bij een aardbeving, ongeacht de geavanceerde toegepaste engineeringtechnieken. Aangenomen echter dat de bodem onder een constructie stevig en solide is, kunnen ingenieurs aanzienlijk verbeteren hoe het funderingsysteem op seismische golven zal reageren. Aardbevingen slaan bijvoorbeeld gebouwen vaak van hun fundament af. Eén oplossing bestaat uit het verbinden van de fundering met het gebouw, zodat de hele constructie als een geheel beweegt.

Een andere oplossing - bekend als basis isolatie - houdt in dat een gebouw boven zijn fundering zweeft op een systeem van lagers, veren of opgevulde cilinders. Ingenieurs gebruiken verschillende lagerkussenontwerpen, maar kiezen vaak voor loodrubberlagers, die een solide loodkern bevatten, gewikkeld in afwisselende lagen rubber en staal. De loodkern maakt het lager stijf en sterk in de verticale richting, terwijl de rubberen en stalen banden het lager flexibel maken in de horizontale richting. Lagers hechten zich vast aan het gebouw en de fundering via stalen platen en, wanneer een aardbeving toeslaat, laat de fundering bewegen zonder de structuur erboven te verplaatsen. Dientengevolge wordt de horizontale versnelling van het gebouw gereduceerd en heeft het veel minder vervorming en schade.

Zelfs met een basisisolatiesysteem op zijn plaats, ontvangt een gebouw tijdens een aardbeving nog steeds een bepaalde hoeveelheid trillingsenergie. Het gebouw zelf kan deze energie tot op zekere hoogte verdrijven of dempen, hoewel het vermogen om dit te doen direct gerelateerd is aan de taaiheid van het materiaal dat in de constructie wordt gebruikt. buigzaamheid verwijst naar het vermogen van het materiaal om grote plastische vervormingen te ondergaan. Bakstenen en betonnen gebouwen hebben een lage taaiheid en absorberen daarom zeer weinig energie. Dit maakt ze bijzonder kwetsbaar in zelfs kleine aardbevingen. Gebouwen uit staalversterkt beton presteren daarentegen veel beter omdat het ingebedde staal de vervormbaarheid van het materiaal vergroot. En gebouwen gemaakt van constructiestaal - stalen onderdelen die verschillende voorgevormde vormen hebben, zoals balken, hoeken en platen, bieden de hoogste vervormbaarheid, waardoor gebouwen aanzienlijk kunnen buigen zonder te breken.

Idealiter hoeven ingenieurs niet alleen te vertrouwen op het inherente vermogen van een structuur om energie te dissiperen. In steeds meer aardbevingsbestendige gebouwen, installeren ontwerpers dempingssystemen. Actieve massademping, bijvoorbeeld, vertrouwt op een zware massa gemonteerd op de bovenkant van een gebouw en verbonden met viskeuze dempers die werken als schokdempers. Wanneer het gebouw begint te oscilleren, beweegt de massa in de tegenovergestelde richting, waardoor de amplitude van mechanische trillingen wordt verminderd. Het is ook mogelijk om kleinere dempingsapparaten in het beugelsysteem van een gebouw te gebruiken.

Zelfs met uitgebreide tests op laboratoriumschudtafels, blijft een ontwerpconcept voor seismische engineering een prototype totdat het een echte aardbeving ervaart. Alleen dan kan de grotere wetenschappelijke gemeenschap haar prestaties evalueren en gebruiken wat zij leren om innovatie te stimuleren. In het volgende gedeelte zullen we enkele van die innovaties onderzoeken, evenals wat de toekomst kan brengen voor seismische engineering.

Casestudy: Taipei 101 in Taiwan

Taipei 101 stond als 's werelds hoogste wolkenkrabber tot de Burj Dubai haar deuren opende in 2010. En toch vertegenwoordigt de enorme toren van 507 meter nog steeds een wonder van ontwerpinnovatie. Een van de meest indrukwekkende functies is een actieve massademper van 730 ton (662-metrieke ton) die zich op de top van het gebouw bevindt, tussen de 88e en 92e verdieping. De enorme bol zit in een wieg gevormd door acht stalen kabels en is verbonden met acht viskeuze dempers. Als het gebouw begint te zwaaien, gaat de demper de beweging tegen, waardoor trillingen worden verminderd die de bewoners ongemakkelijk kunnen maken en die de structuur kunnen belasten.

De toekomst van aardbevingsbestendige constructie

Het doel van gebouwen die bestand zijn tegen aardbevingen is om het leven te behouden. Dat betekent dat een gebouw dat niet instort en zijn inwoners laat ontsnappen, als een succes wordt beschouwd - zelfs als het uiteindelijk wordt gesloopt. Maar wat als een gebouw vervorming zou kunnen ervaren tijdens een aardbeving en dan terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm? Voor sommige onderzoekers, zoals Greg Deierlein van Stanford University en Jerome Hajjar van Northeastern University, is dat de toekomst van seismische engineering.

Deierlein en Hajjar werken samen om een ​​innovatieve technologie te ontwikkelen die bekend staat als de schommelframe, dat uit drie basiscomponenten bestaat - stalen frames, stalen kabels en stalen lonten. Zo werkt het: wanneer een aardbeving toeslaat, schommelen de stalen frames naar hartelust op en neer.Alle energie wordt naar beneden gericht naar een fitting die meerdere tandvormige lonten herbergt. De tanden van de lontjes knarsen samen en kunnen zelfs falen, maar het frame zelf blijft intact. Zodra het schudden is gestopt, trekken de stalen kabels in het frame het gebouw terug in een rechtopstaande positie. Werknemers inspecteren de zekeringen en vervangen beschadigde exemplaren. Het resultaat is een gebouw dat snel opnieuw bezet kan worden na een aardbeving.

Een andere innovatie is iets dat de seismisch onzichtbaarheidsmantel, wat suggereert dat een gebouw transparant gemaakt kan worden voor de oppervlaktegolven die door een aardbeving worden geproduceerd. Om dit te bereiken, zouden ingenieurs een reeks van maximaal 100 concentrische plastic ringen begraven onder de fundering van een gebouw. Wanneer golven de ringen tegenkomen, komen ze binnen en worden vervolgens samengedrukt als ze in een flessenhals worden gedwongen. De golven zinken in principe langs, net onder de fundering van het gebouw en verlaten de ringen aan de andere kant, waar ze hun oorspronkelijke snelheid en amplitude hervatten.

Interessant is dat een groot deel van de toekomst van seismische engineering bestaat uit terugkijken, niet vooruit. Dat komt omdat het achteraf aanbrengen van oude gebouwen met verbeterde ontwerpen en materialen net zo belangrijk is als het bouwen van nieuwe gebouwen. Ingenieurs hebben ontdekt dat het toevoegen van isolatie-basissystemen aan structuren zowel haalbaar als economisch aantrekkelijk is. Volgens het National Earthake Reddingsplan, hebben meer dan 200 gebouwen in de Verenigde Staten, waaronder veel overheidsgebouwen en brandweer- en noodgebouwen, nu isolatiesystemen. Na de aardbeving in Loma Prieta in 1989 alleen al hebben technici achteraf verschillende gebouwen ingebouwd, waaronder de stadhuizen van San Francisco, Oakland en Los Angeles. De aardbevingsbestendige structuren in deze gebouwen zullen zeker een test ondergaan in de vorm van een ernstige seismische gebeurtenis. De enige vraag is wanneer en in welke mate.

Casestudy: San Francisco City Hall in Californië

Ingenieurs beschouwen meer dan de hoogte van een gebouw bij het evalueren van de aardbevingsbestendige technologieën die ze kunnen bevatten. Ze moeten ook de civiele of culturele betekenis van een constructie wegen. Een ziekenhuis kan bijvoorbeeld meer aandacht vragen dan een magazijn. Na de aardbeving in Loma Prieta in 1989, waarbij 3.500 mensen werden gedood en 100.000 gebouwen in San Francisco, Oakland en Santa Cruz werden beschadigd, pasten ingenieurs en stadsplanners verschillende belangrijke bouwwerken aan met aardbevingsbestendige technologieën, zoals het stadhuis van San Francisco. Ingenieurs sneden het twee blokken lange gebouw vanaf de basis en dreef het op 530 basisisolatoren. Als seismische golven zich in de toekomst een weg banen, zal het gebouw horizontaal zwaaien tot 66 centimeter zonder uit elkaar te schudden.


Video Supplement: Eerste aardbevingsbestendige zorgwoning in Groningen.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com