Voivatko valmiiksi valmistetut talot kestää maanjärisyksiä, joiden voimakkuus on 8?

Kuinka maanjäristyskoodit vaikuttavat valmiiksi valmistettujen talojen kestävyyteen

IBC- ja ASCE 7 -vaatimukset korkean maanjäristysalttiuden alueille (SDC D–F)

Uusimmat maanjärisyksiä koskevat rakentamismääräykset, kuten IBC ja ASCE 7, asettavat melko tiukat vaatimukset esivalmistettujen rakennusten rakentamiselle maanjäristyksille alttiissa alueilla. Seismisen suunnitteluluokan D–F luokkaan kuuluvien rakennusten on kestettävä sivusuuntaisia voimia 1,5–2-kertaisesti verrattuna niiden alueiden vaatimuksiin, joissa riskitaso on alhaisempi. Tämä tarkoittaa, että rakennustiimit joutuvat vahvistamaan kaikki komponenttien väliset liitokset, luomaan rakenteen läpi kulkevat katkeamattomat voimapolut sekä käyttämään materiaaleja, jotka taipuvat rikkoutumatta. ASCE 7-22 -standardin mukaan SDC F -luokan sijainteihin rakennettavien rakennusten on täytettävä perusleikkauskerroinvaatimukset, jotka vaihtelevat 0,5g:n ja 1,0g:n välillä; tästä syystä monet insinöörit sisällyttävät nykyisin suunnittelemiinsa teräsraitejärjestelmiä tai momenttikehyksiä. Tarkoituksena on saada nämä esivalmistetut yksiköt absorboimaan iskun hallitulla taipumisella eikä äkillisellä pettämisellä. Tätä nähtiin toimivan käytännössä Chilessä vuoden 2010 valtavassa maanjäristyksessä, jonka voimakkuus oli Richterin asteikolla 8,8. Päivitettyjä määräyksiä noudattaneet modulaariset rakennukset kärsivät yhteensä alle 10 %:n vaurioita, mikä osoittaa, kuinka tehokkaita nämä nykyaikaiset vaatimukset ovat asianmukaisesti toteutettuina.

Miksi nykyaikaiset valmisrakennusten suunnittelut ylittävät usein koodien vähimmäisvaatimukset

Johtavat valmistajat ylittävät jatkuvasti perustason maanjäristysvaatimukset – ei ainoastaan noudattamisen takia, vaan myös kestävyyden parantamiseksi, elinkaaren riskin vähentämiseksi ja markkina-aseman vahvistamiseksi. Tätä kehityssuuntaa ajavat kolme toisiinsa liittyvää tekijää:

• Vakuutusedut : Hankkeet, jotka täyttävät IBC:n vähimmäisvaatimukset 25 % yli, oikeuttavat maksualennuksiin jopa 30 %, kuten FEMA P-2078 (2023) määrittelee.
• Toimitusketjun kestävyys : Toistuvat leikkausseinät ja vahvat perustusten kiinnitykset vähentävät tapahtuman jälkeisiä uudelleenrakennuksia, mikä säilyttää tehdasvalmistuksen tuotantokapasiteetin ja toimitusaikataulut.
• Suorituskykyperusteinen suunnittelu : Edistyneet mallinnusmenetelmät mahdollistavat tarkan painonjakautuman ja liitosten yksityiskohtaisten ratkaisujen optimoinnin – mikä vähentää materiaalin käyttöä samalla kun turvamarginaalit laajenevat. Tuloksena on, että Japanissa valmisrakennukset saavuttavat nykyisin yleisesti 150 % koodissa määritellyistä siirtymärajoista, mikä mahdollistaa nopean uudelleen asumisen merkittävien maanjäristysten jälkeen.

Keskeiset rakenteelliset järjestelmät, jotka mahdollistavat valmisrakennusten suorituskyvyn luokassa M8

Teräsrunkorakentaminen, diaphragman jatkuvuus ja varalla olevat kuormien kulkureitit

Korkean maanjäristyskestävyyden saavuttaminen valmiiksi valmistettujen talojen rakenteissa perustuu kolmen pääjärjestelmän yhteistoimintaan: teräskehikölle, jatkuville diaphragmeille ja niille varauskuormituspoluille, joista jatkuvasti kuulemme. Teräskehiköt sisältävät luonnollista joustavuutta, joka mahdollistaa niiden kestää melko voimakkaita järistyksiä. Ne voivat itse asiassa siirtyä noin 3 % kerrosten välillä romahtamatta suurten maanjäristysten aikana. Sitten on nämä jatkuvat diaphragmit, jotka muodostavat lattioista ja katoista suuria tasaisia pintoja. Nämä pinnat jakavat järistysten aiheuttamat voimat siten, ettei yksikään kohta kokee liiallista rasitusta. Älkäämme myöskään unohtako näitä varauskuormituspolkuja. Periaatteessa ne luovat varareittejä voimien kulkeutumiselle rakenteen läpi. Jos jokin osa rikkoutuu tai antaa periksi, naapuriosat ottavat tehtävän hoitaakseen. Kun näitä järjestelmiä testattiin tavallisen puukehikon kanssa vertailussa, niiden suorituskyky oli noin 40 % parempi siinä, kuinka paljon ne liikkuvat maanjäristysten aikana, vaikka kyseessä olisivatkin hankalat lähimaanjäristyspulssit, joita esiintyy magnitudeltaan 8:n maanjäristysten yhteydessä. Lisäksi, koska kaikki valmistetaan tehtaissa eikä rakennustontilla, laadun vaihtelu on huomattavasti pienempi. Ei enää tarvitse huolehtia epäyhtenäisestä työnlaadusta, joka johtuu eri työryhmistä tai rakentamisen aikana ilmenevistä sääolosuhteiden aiheuttamista ongelmista.

Edistynyt liitosten yksityiskohtainen suunnittelu: ruuvit, hitsausliitokset ja taivutusmomenttia kestävät liitokset

Yhteyksien suunnittelutapa vaikuttaa ratkaisevasti siihen, kuinka hyvin valmiiksi valmistetut rakennukset kestävät maanjäristyksiä. Korkean lujuuden ruuvit yhdessä niiden Belleville-kierrelevyjen kanssa pitävät kaiken tiukasti yhdessä, vaikka useat maanjäristykset ravistelisivat rakennusta. Teräsliitokset, jotka on hitsattu läpi kokonaan, vähentävät äkillisten halkeamien muodostumisen riskiä, kun jännitys kasvaa. Momenttia vastustavat kehiköt eli MRF:t (moment-resisting frames) on suunniteltu erityisesti tähän tarkoitukseen, ja niissä on usein liitoksia, jotka tahallisesti antautuvat järistysten aikana. Nämä erityisliitokset absorboivat iskun taipuen hallituilla tavoilla sen sijaan, että ne rikkoutuisivat täysin. Testausprotokollat edellyttävät, että nämä liitokset kestävät yli kaksikymmentä jaksoa noin 2,5 %:n kerrosvälin siirtymällä. Chilessä vuonna 2010 tapahtuneen suuren maanjäristyksen seuraukset tarjoavat myös todellista maailmanlaajuista näyttöä: rakennukset, jotka oli rakennettu näillä edistyneillä liitosmenetelmillä, saivat vain 15 %:n verran liitosvirheitä verrattuna lähellä sijainneisiin tavallisemmin rakennettuihin rakennuksiin. Hyvä liitosrakenne muuttaa muuten jäykät rakenteet sellaisiksi, jotka voivat itse asiassa liikkua maanjäristysvoimien mukana sen sijaan, että ne vastustaisivat niitä ja romahdaisivat paineen alaisena.

Todellisen maailman näyttö: Mitä M8:n jälkeiset kenttätutkimukset paljastavat valmiiksi valmistettujen talojen selviytymisestä

Tapauskuvaukset säilyneistä ja epäonnistuneista valmiiksi valmistettujen talojen yksiköistä Japanissa ja Chilessä

Tarkasteltaessa, mitä tapahtuu maanpinnalla suurten maanjäristysten jälkeen – kun järistyksen voimakkuus on yli 8 – ilmenee selvästi, kuinka paljon rakennussuunnittelu merkitsee, kun kyseessä ovat ihmiselämät. Otetaan esimerkiksi Chilen suuri maanjäristys vuonna 2010 (voimakkuus 8,8). Teräsrajoitettuja rakennuksia, joiden kuormien kulkureitit olivat oikein suunniteltuja, epäonnistui yhteensä alle 18 prosenttia. Sen sijaan rakennukset, joissa oli heikkoja liitoksia tai rikkoutuneita diaphragmoja, romahtivat kolme kertaa useammin. Sama tilanne toistui Japanissa valtavan Tōhokun maanjäristyksen aikana vuonna 2011 (voimakkuus 9,0). Rakennukset, joissa oli vahvat liitokset, toimivat edelleen moitteettomasti, kun taas niissä, joissa oli heikkoja hitsausliitoksia, tapahtui osittainen romahdus. Mikä teki kaiken eron? Rakennusten kyky ottaa vastaan ja jakaa energiaa järistyksen aikana. Rakennukset, jotka oli rakennettu joustavista materiaaleista ja joiden liitokset oli suunniteltu kestämään rasitusta, selvisivät molemmissa katastrofeissa paremmin kuin niiden jäykät vastineensa.

Eirakenteelliset vauriomallit ja niiden vaikutus käytön jatkamiseen

Kyky toipua katastrofien jälkeen riippuu yhtä paljon siitä, kuinka hyvin ei-rakenteelliset elementit toimivat, kuin siitä, pysyvätkö rakennukset paikoillaan. Tietoja valmiiksi valmistettujen rakennusten käyttäytymisestä maanjäristyksissä, joiden voimakkuus on 8, tarkasteltaessa havaitaan mielenkiintoinen ilmiö: noin 70 prosenttia väliaikaisesti asumattomiksi julistetuista taloista ei itse asiassa ollut vakavia rakenteellisia ongelmia. Mikä teki niistä turvattomia? Pääasiassa esimerkiksi väliseinien irtoaminen paikoiltaan (noin 42 tapausta), seinien läpi kulkevien käyttövesi- ja sähköjohtojen vaurioituminen (noin kolmasosa tapauksista) sekä huonekalujen kaatumiset hyllyistä (noin 25 tapausta). Kun rakentajat sisällyttivät erityisiä maanjäristyskiinnikkeitä putkille, ilmastointikanaville, kattoverkoille ja jopa kiinteisiin kaappeihin, ihmiset voivat muuttaa takaisin 65 % nopeammin kuin tavallisesti. Tämä onkin täysin loogista. Oikea huomiointi kaikista niistä pienistä järjestelmistä seinien takana voi vähentää odotusaikaa maanjäristysten jälkeen jopa kuukauden verran. Tämä lähestymistapa ei ainoastaan täytä vähimmäisvaatimuksia, vaan muuttaa tavallisesta vaatimustenmukaisista rakennuksista paikkoja, joissa ihmiset voivat asua taas muutamassa päivässä eikä viikoissa.