Seismisk Risiko? Forskningsadresser Farer Ved Ældre Betonbygninger I Usa - 2019 | Jorden
Udgivet I: Jorden • Visninger: 9974
Gamle beton er ikke kendt for at stå op til jordskælv, men eftermontering lavet med kulfiber og formhukommelseslegering kan ændre denne antagelse.
I hjertet af de værste amerikanske jordskælvszoner er et alarmerende antal ældre lavkonstruktioner ikke blevet eftermonteret til jordskælvsikkerhed. Disse to-etagers til fem-etages strukturer kan opfylde deres byggekodestandarder, men den dag er længe forbi. Dagens byggekoder afspejler senere jordskælvsforskning og indarbejder strukturelle elementer, der gør det muligt for konkrete bygninger at bøje og strække lidt under et jordskælv. Ældre design mangler disse detaljer.
"Der er hundreder af tusinder af bygninger, der ikke er blevet eftermonteret, at... er meget farlige", siger bygningsingeniør Reginald DesRoches, formand og professor i civil- og miljøteknikskolen ved Georgia Tech.
Teknisk kaldes disse ældre, skøre bygninger "bygninger, der ikke er duktile beton" eller "ikke-duktile armeret beton". ("Duktil" betyder fleksibel, mens "armeret beton" betegner beton, der er indlejret i materiale som stålnet og rebar). Under en jordskælv på 7,8-magneter, som den nylige i Nepal, kan disse bygninger ikke holde op overhovedet.
"Vi kender fra tidligere jordskælv, ikke-duktile armeret beton bygninger fungerer ikke godt i jordskælv, over hele verden", sagde DesRoches, hvis forskning støttes af US National Science Foundation. "De falder sammen."
En konkret fejl
Konstruktion af ikke-duktile beton var fremherskende i de fleste af USA indtil 1980; det sluttede som stater og lokaliteter begyndte at håndhæve nye, forbedrede duktilitetskrav, såsom mere spændte stålforstærkninger. En undtagelse var den jordskælv-udsatte vestkyst, der begyndte at udfase ikke-duktilbetonbygning i 1950'erne.
Selv om mange skøre bygninger er blevet eftermonteret i løbet af de sidste årtier, er der stadig bygninger, der er farer. I Los Angeles er der så mange som 50 ældre betongbygninger, der sandsynligvis vil kollapse i et stort jordskælv, ifølge det mest konservative skøn over journalister Rong-Gong Lin II, Rosanna Xia og Doug Smith i et stykke i Los Angeles Times. Afhængigt af tidspunktet på dagen en temblor ramte, kunne ulykkeslisten fra de 50 sammenbrud være i tusinderne, sagde de i oktober 2013-rapporten.
Selv i jordskælv-tilbøjelige områder, er informationer om, hvilke bygninger der synes at være mest udsatte, svært tilgængelige. I L.A. var flertallet af ældre betongbygninger ikke blevet inspiceret for seismisk sikkerhed før Times-rapporten kom ud. Siden da er byen begyndt at oplagre ældre betongbygninger og har også diskuteret, hvordan man implementerer et retrofitprogram. I 2014 gav forskere fra University of California byforvaltere adresserne på alle ikke-duktile betonbygninger, de havde identificeret i byen, og den resulterende liste er online. Forskerne bemærkede også, at de "ikke afgøre, om en bestemt bygning udgør en større sammenbrudrisiko end andre bygninger."
Denne fortegnelse over betonbygninger i foråret 1976 i Los Angeles var en del af et bredere projekt "NEES Grand Challenge" finansieret af NSF Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES). Projektet samler forskere, undervisere, ingeniører og offentlige politiske eksperter med at udvikle strategier til identificering af farlige ældre betongbygninger og fremme afbødningsstrategier. (NEES er et netværk af 15 store eksperimentelle sites, der indeholder avancerede værktøjer som shake-borde, centrifuger, der simulerer jordskælvseffekter, unikke laboratorier, tsunami-bølgebassin og feltprøvningsudstyr.)
Making bendy bygninger
Et ordsprog i seismiske ingeniører er, at "jordskælv ikke dræber mennesker, bygninger gør." Det er uden tvivl, hvorfor det amerikanske føderale styringsagentur (FEMA) kalder ikke-eftermonterede bygninger "den største enkelt bidragyder" til jordskælvrisiko i USA.
I Nepal, som er ved at komme sig fra det ødelæggende jordskælv og efterskælv den 25. april, er nogle bygninger fremstillet af urenset beton, men de fleste strukturer der - især i landdistrikterne - er konstrueret af ustyret murværk (URM), sagde DesRoches. URM'er, der er fremstillet af mursten, adobe eller andre murværksmaterialer, er ekstremt sårbare i jordskælv. Så meget, at bygningskoder i USA forbyder nybyggeri af denne art inden for områder med høj seismisk aktivitet. (Hvis du er bekymret for en URM-bygning, har FEMA en risikobegrænsningsartikel tilgængelig.) [Smart Materials Improve Earthquake-Resistant Bridge Design]
Et hovedproblem med ældre betongbygninger under jordskælv er svigtet af bærende søjler. I nyere bygninger har kolonner flere og bedre placerede "duktile detaljer", såsom tæt bundet stålbånd eller spiralforstærkning. For at gøre ældre bygninger mere ductile, er eftermontering nødvendig.
De mest almindelige eftermonteringer er konkrete skærevægge og bracing systemer som diagonale stålforstærkninger, sagde DesRoches.Men disse kan være dyre, og kræver brug af tunge maskiner samt midlertidig evakuering af bygninger.
Med støtte fra NSF studerer DesRoches 'team på Georgia Tech, hvordan ikke-duktile bygninger opfører sig under jordskælv og hvordan man placerer de rigtige eftermonteringer på de rigtige steder for at holde strukturerne intakte i bevægelse.
"Vi vil have, at de ikke falder sammen i et moderat til større jordskælv... Vi vil have, at de har meget lidt skade i et lille jordskælv," sagde DesRoches. En høj prioritet er at udvikle løsninger, der er omkostningseffektive, nemme at vedligeholde og ikke kræver, at bygninger forlades under opgraderinger. "Dette projekt er fokuseret på at forsøge at finde en vej... det er mindre forstyrrende end de nuværende tilgange. Det betyder, at vi måske ikke skal forlade bygningen i måneder eller år for at eftermontere det. Det ændrer ikke udseendet af bygningen dramatisk og det er ret nemt og økonomisk at gøre. "
Tester næste generations retrofits
Sidste år havde Georgia Techs struktur- og materialelaboratorium en fuldskala ikke-duktil betonbygning konstrueret til at teste eftermontering. (Se den tilhørende video.) Den to-etages bygning på 3.000 kvadratmeter er en kopi af bygning fra midten til slutningen af ​​det 20. århundrede.
"Det er meget typisk konstruktion i dele af Vestkysten før 1950 og dele af østkysten før 1980. Vi detaljerede det, forstærkede det baseret på præcis, hvad der ville ske på det tidspunkt, og hvad vi ved eksisterer derude, alle over USA, "sagde han.
Holdet gennemførte en række tests ved hjælp af en mobil shaker lånt fra NSF-finansierede Network for Earthquake Engineering Simulation. "Vi lagde det på strukturens tag, og vi klemte det ned. Det pålægger en belastning sideværts på din bygning [og] bygningen oplever faktisk, hvad det ville opleve i et jordskælv."
Testene simulerede omrystning svarende til den af ​​to historiske jordskælv - 1940 El Centro, Californien, jordskælvet og jordskælvet fra Northridge i 1994.
Holdet skåret modellen i fire identiske bugter for at teste tre forskellige eftermonteringer samt ingen eftermontering. Den første retrofit var en carbon fiber jakke designet til at ombryde kolonner og begrænse dem; den anden var også en carbon wrap, med fuger mellem wrap og søjlen; den tredje var et nyt smart materiale DesRoches udviklet - en bøjelig nikkel titanium legering kendt som en formhukommelse legering. "Dette materiale kan gå igennem en betydelig forskydning, og så springer den lige tilbage," sagde DesRoches. [I strukturelt design, mindre er mere]
Forskerne testede også en bugt uden nogen eftermontering for at se, hvordan den udførte. Denne test var meget succesfuld - de måtte stoppe rysteren for at undgå sammenbrud. "Det bekræftede virkelig det, vi vidste", sagde DesRoches. "Disse strukturer kan ikke flytte meget."
Derimod udførte alle tre eftermonterede bugter sig godt, idet hver især efterfølgende giver mere beskyttelse end den foregående (karbonfolie, karbonfolie med fugemasse, formhukommelseslegering). Data analyse vil fortælle mere, men DesRoches mener, baseret på det, han så under shake-testene, at formhukommelsen eftermonterer giver størst styrke og duktilitet, men det vil også være den mest kostbare eftermontering.
DesRoches elever analyserer nu de store mængder data, der genereres af modelbygningen, som var udstyret med tusindvis af sensorer. Målet er at skabe et valg af efterretninger og give bygningskodeorganer som International Code Council (ICC) med forskningsbaserede resultater, som de kan bruge til at opdatere kode. ICC'erne
Det vil tage tid for forskergruppen at færdiggøre resultaterne og få dem til ICC eller andre organer, der skriver og opdaterer byggekoder og efterfølgende retningslinjer - og resultaterne skal genopfyldes af andre forskere.
Med et valg af eftermonteringer vil det være op til ejendomsejere at bestemme, hvilken form for ydeevne de ønsker for deres strukturer, hvilket sandsynligvis vil være en funktion af den slags bygning. Et hospital skulle for eksempel være fuldt operationelt under og efter et jordskælv, men en parkeringsplads ville ikke.
Byerne begynder at tackle den betydelige udfordring for jordskælvsbeskyttelse af ældre bygninger. San Francisco har mandat, at alle trærammehuse af fem eller flere enheder med "bløde" første historier skal eftermonteres senest i 2020.
I Los Angeles opfordrer borgmester Eric Garcetti statslige lovgivere til at aflevere et lovforslag, der vil give skattelettelser til ejendomsejere, der eftermonterer bygninger. Regningen er et led i Garcettis jordskælvs sikkerhedsindsats, som indeholder et obligatorisk eftermonteringsforslag.
Der er så mange som 17.000 ældre betonbygninger i Californien, herunder private bygninger, skoler og offentlige bygninger, ifølge en forskergruppe kaldet Concrete Coalition. I Los Angeles alene er der mere end 1.000, ifølge koalitionen.
"Jeg tror, ​​at mange mennesker tror, ​​at der ikke er noget du kan gøre med et jordskælv andet end håber det sker ikke, mens du er i bygningen eller mens du bor i det område," sagde DesRoches. "Jeg tror, ​​vores test og andre test har vist, at der i virkeligheden er der forholdsvis ligetil måder, du kan eftermontering en struktur til markant at forbedre denne adfærd, så enten det ikke falder sammen eller endda er fuldt operationelt efter et jordskælv. Vi ønsker at redde liv, men vi ønsker også at holde hospitaler, skoler og virksomheder så funktionelle som muligt. "