Може ли префабрикираната къща да издържи земетресение с магнитуд 8?

Как сейсмичните нормативи формират сейсмичната устойчивост на предварително изработените къщи

Изисквания на IBC и ASCE 7 за райони с висока сейсмична активност (SDC D–F)

Най-новите сеизмични строителни норми, като IBC и ASCE 7, установяват доста строги стандарти за предварително изработени (prefab) сгради, построени в райони, склонни към земетресения. Сградите, попадащи в сеизмичните проектирани категории D до F, трябва да издържат хоризонтални сили, които варират от 1,5 до 2 пъти по-големи от тези, изисквани в райони с по-нисък риск. Това означава, че строителните екипи трябва да усилват всички връзки между компонентите, да създават непрекъснати пътища за пренасяне на товарите през цялата конструкция и да използват материали, които могат да се огъват, без да се чупят. Според ASCE 7-22, структурите на обектите в сеизмична проектирана категория F (SDC F) трябва да отговарят на коефициенти на базовия срез в диапазона от 0,5g до 1,0g, което обяснява защо много инженери днес включват в своите проекти стоманени подпорни системи или моментни рамки. Целта е тези предварително изработени единици да абсорбират ударните въздействия чрез контролиран огъв, а не чрез внезапен отказ. Това беше демонстрирано на практика по време на мощното чилийско земетресение през 2010 г. с магнитуд 8,8 по скалата на Рихтер. Модулните сгради, които са следвали актуализираните норми, имаха общо повреди под 10 %, което потвърждава колко ефективни са тези съвременни изисквания при правилното им прилагане.

Защо съвременните проекти на предварително изработени къщи често надвишават минималните изисквания на строителните норми

Водещите производители редовно надвишават базовите сейсмични изисквания — не само за съответствие, но и за подобряване на устойчивостта, намаляване на рисковете през целия жизнен цикъл и засилване на позиционирането им на пазара. Тази тенденция се движи от три взаимосвързани фактора:

• Страхователни стимули : Проектите, които демонстрират надвишаване с 25 % на минималните изисквания на Международния строителен код (IBC), дават право на намаления на премиите до 30 %, според FEMA P-2078 (2023 г.).
• Дълготрайност на веригата за доставки : Резервните стени за срязване и здравите анкерни връзки към основата минимизират необходимостта от следсъбитийни модернизации, запазвайки производствената мощност на фабриката и графиците за доставки.
• Проектиране въз основа на производителност : Напредналото моделиране позволява прецизна оптимизация на разпределението на теглото и детайлите на връзките — намалява употребата на материали, като едновременно с това разширява границите на безопасност. В резултат на това предварително изработените къщи в Япония днес обикновено постигат 150 % от зададените от нормите граници за деформация при земетресения, което осигурява бързо повторно заемане след големи сейсмични събития.

Ключови конструктивни системи, които осигуряват високата производителност на предварително изработените къщи при земетресения с магнитуд 8

Стоманена конструкция, непрекъснатост на диафрагмата и резервни пътища за предаване на товари

Производителността при висока сейсмична устойчивост на префабрицираните къщи се основава на три основни системи, които работят заедно: стоманена каркасна конструкция, непрекъснати диафрагми и онези резервни пътища за предаване на натоварване, за които постоянно слушаме. Стоманените каркаси притежават вградена гъвкавост, която им позволява да поемат доста сериозни трептения. Те всъщност могат да се изместят приблизително с 3 % между етажите, без да се срутят по време на силни земетресения. След това имаме непрекъснатите диафрагми, които по същество превръщат подовете и покривите в големи плоски повърхности. Тези повърхности разпределят силите от трептенето, така че никое отделно място да не бъде прекалено напрегнато. И нека не забравяме резервните пътища за предаване на натоварване. По същество те създават резервни маршрути, по които силите се предават през конструкцията. Ако нещо се счупи или се деформира, съседните части поемат неговата функция. При изпитания спрямо обикновената дървена каркасна конструкция тези системи демонстрират около 40 % по-добра производителност относно величината на изместването им по време на земетресения, дори и при работа с онези неблагоприятни импулси от близост до фокуса при земетресения с магнитуд 8. Освен това, тъй като всичко се произвежда в заводи, а не на строителната площадка, качеството варира значително по-малко. Няма повече тревоги относно непоследователното качество на изпълнение, причинено от различни бригади или проблеми с времето по време на строителството.

Напреднали детайли за връзки: болтове, заварки и възли, устойчиви на огъващ момент

Начинът, по който са проектирани връзките, играе решаваща роля за това колко добре предварително изработените сгради издържат земетресения. Високопрочните болтове в комбинация с тези пружинни шайби от типа Belleville помагат всичко да остане плътно свързано дори след многократни земетресения, които разклащат конструкцията. Стандартните стоманени връзки, заварени напълно през цялото сечение, намаляват риска от внезапно образуване на пукнатини при натрупване на напрежение. Рамки, устойчиви на огъващи моменти (Moment Resisting Frames или MRF), имат връзки, проектирани специално за тази цел, често включващи елементи, които преднамерено се деформират по време на трептене. Тези специални връзки абсорбират ударната енергия чрез контролирано огъване, а не чрез пълно разрушаване. Изпитателните протоколи изискват тези връзки да издържат повече от двадесет цикъла при дрейф от около 2,5 % между етажите. Анализът на последствията от мощното земетресение в Чили през 2010 г. също предоставя реални доказателства от практиката: сградите, построени с тези напреднали техники за връзки, имаха само 15 % от броя на повредите във връзките спрямо обикновените сгради в непосредствена близост. Добре проектираните връзки превръщат това, което иначе биха били твърди конструкции, в нещо, способно да се движи заедно със сейсмичните сили, вместо да се противопоставя на тях и да се срути под нарастващото напрежение.

Реални доказателства от практиката: какво разкриват полевите проучвания след земетресения над магнитуд 8 за устойчивостта на префабрицираните къщи

Случаи на непокътнати срещу провалили се единици префабрицирани къщи в Япония и Чили

Анализът на това, което се случва на място след големи земетресения с магнитуд над 8, показва колко важна е архитектурната конструкция на сградите, когато е засегнато човешкият живот. Вземете, например, мощното земетресение в Чили през 2010 г. (магнитуд 8,8). Стоманените сгради, изградени с правилни пътища за предаване на товара, имаха по-малко от 18 % повреди общо взето. Обаче сградите с лоши връзки или с нарушени диафрагми се срутиха три пъти по-често. Същата картина се наблюдава и в Япония по време на масивното земетресение Тохоку през 2011 г. (магнитуд 9,0). Сградите с издръжливи възли продължиха да функционират нормално, докато тези със слаби заварки частично се срутиха. Каква беше ключовата разлика? Способността на тези конструкции да абсорбират и разпределят енергията по време на трептене. Сградите, изградени от гъвкави материали и с възли, проектирани да понасят механично напрежение, просто оцеляха по-добре от своите по-стегнати аналоги при двете стихийни бедствия.

Неструктурни повредни модели и тяхното влияние върху възобновяването на използването

Способността да се възстановиш след бедствия зависи не по-малко от това колко добре функционират неконструктивните елементи, отколкото от това дали сградите остават устойчиви. Анализът на данни от предварително изработени сгради след земетресения с магнитуд 8 показва нещо интересно: около 70 процента от къщите, които са били обявени за временно негодни за обитаване, всъщност нямат сериозни конструктивни повреди. Какво ги е направило небезопасни? Предимно неща като преградни стени, изместени от местата им (около 42 случая), повредени инсталации, преминаващи през стените (наблюдавани при приблизително една трета от случаите), и мебели, рухнали от рафтовете (около 25 инцидента). Когато строителите включват специални земетръсни ограничители за тръби, вентилационни канали, таванни решетки и дори вградени кабинети, хората могат да се върнат в домовете си с 65 % по-бързо от обичайното. Това наистина е логично. Правилното внимание към всички тези малки системи зад стените понякога намалява времето на чакане след земетресения с почти цял месец. Вместо просто да се спазват минималните изисквания на нормативите, този подход превръща обикновените съответстващи на изискванията сгради в места, където хората могат отново да живеят в рамките на няколко дни, а не седмици.