Meer

7.3.3: Basisisolatie - Geowetenschappen

7.3.3: Basisisolatie - Geowetenschappen


Overzicht

De normale benadering voor het bieden van seismische weerstand is om de constructie stevig aan de grond te bevestigen. Alle grondbewegingen worden overgebracht naar de constructie, die is ontworpen om de traagheidskrachten van de grondbeweging te overleven. Dit is de reden waarom uw huis op zijn fundament is vastgeschroefd en uw kreupele muur is versterkt.

In grote gebouwen kunnen deze traagheidskrachten de sterkte overtreffen van elke constructie die binnen redelijke economische grenzen is versterkt. De ingenieur ontwerpt het gebouw om zeer ductiel te zijn, zodat het uitgebreid zal vervormen en deze traagheidskrachten zal absorberen zonder in te storten. Momentvaste stalen frameconstructies zijn hiervoor geschikt, evenals speciale betonconstructies met een grote hoeveelheid staalwapening.

Deze gebouwen storten niet in, maar hebben zoals gezegd een groot nadeel. Door te vervormen, kunnen ze grote schade aanrichten aan plafonds, scheidingswanden en de inhoud van gebouwen (Figuur 12-7), zoals archiefkasten en computers. Apparatuur, inclusief nutsvoorzieningen, stopt met werken. Hoogbouw zal wiegen en kan ervoor zorgen dat de bewoners bewegingsziek en paniekerig worden. Bovendien kunnen trappen uitvallen, waardoor de evacuatie van het gebouw na een aardbeving wordt belemmerd.

Het probleem met het stevig aan de grond bevestigen van het gebouw is dat de aardbevingsgolven worden geabsorbeerd door het gebouw en de inhoud ervan, vaak destructief. Is er een manier om de energie in de fundering af te voeren voordat deze de hoofdverdiepingen van het gebouw bereikt?

In basis isolatie, neemt de ingenieur de tegenovergestelde benadering: het doel is om te voorkomen dat de grondbeweging wordt overgebracht naar het gebouw. Dit is hetzelfde doel als bij het ontwerpen van auto's: voorkomen dat de passagiers alle hobbels op de weg voelen. Om dit te bereiken, is de auto ontworpen met luchtbanden, veren en schokdempers om de passagiers comfortabel te houden.

Een manier om dit te doen is door het gebouw op rollagers te plaatsen, zodat het gebouw stil blijft staan ​​als de grond horizontaal beweegt (Figuur 12-8). Een probleem met deze oplossing is dat rollagers nog steeds door wrijving kracht in het gebouw zouden overbrengen. Bovendien, zodra het gebouw begon te rollen, zou zijn traagheid de neiging hebben om het in beweging te houden. We hebben een structuur nodig die horizontale beweging ten opzichte van de grond mogelijk maakt, maar deze beweging beperkt of dempt, zodat als de grond snel trilt, het gebouw veel langzamer trilt met lagere snelheden en versnellingen.

De oplossing is om de eis voor dragende (verticale belastingen) te scheiden van die voor beweging (horizontale belastingen). Een manier om dit te doen is een loden-rubberlager (Figuur 12-9). Dit lager bestaat uit afwisselende lamellen van rubber en staal, die een horizontale beweging van maximaal 15 cm mogelijk maken zonder te breken, maar die sterk genoeg zijn om het gebouw te ondersteunen. Een cilindrische loden plug wordt in het midden van dit lager geplaatst om de trillingen in de grond die door een aardbeving worden veroorzaakt, te dempen, net als de schokdempers in een auto. De energie van de aardbevingsgolven wordt geabsorbeerd door de loden plug in plaats van door het gebouw zelf. De loden stekkers vervormen niet bij kleine aardbevingen of harde wind; in dat opzicht dienen ze als 'seismische zekeringen'.

Lood herstelt bijna al zijn mechanische eigenschappen na elke vervorming van een aardbeving. Dit is analoog aan de ductiele vervorming in vaste toestand van gesteenten in de onderste aardkorst zonder aardbevingen te veroorzaken. De loodrubberlagers zorgen ervoor dat de grond onder een gebouw snel kan bewegen, maar het gebouw zelf beweegt veel langzamer, waardoor de versnellingen en maximale schuifkrachten die op het gebouw worden uitgeoefend, worden verminderd. Het gebouw mag horizontaal ongeveer zes centimeter bewegen. Voor dit doel is een zes-inch sleuf rond het gebouw gebouwd en afgedekt door een vervangbaar metalen rooster. De schade aan architectonische en mechanische onderdelen van het gebouw en de daaruit voortvloeiende kostbare reparaties worden sterk verminderd en in sommige gevallen bijna geëlimineerd.

Er zijn enkele nieuwe systemen die verder gaan dan de isolator van de looddragende basis. Voorbeelden zijn de enkelvoudige en driedubbele pendellagersystemen. Het enkele slingersysteem handhaaft constante wrijving, laterale stijfheid en dynamische periode voor alle niveaus van aardbevingsbeweging en verplaatsingen. Het drievoudige slingersysteem omvat drie slingermechanismen die achtereenvolgens worden geactiveerd naarmate de bewegingen van de aardbeving intenser worden.

Hoewel isolatie van de fundering de bouwkosten verhoogt, zijn er enkele kostenbesparingen mogelijk binnen het gebouw zelf, omdat zoveel van de aardbevingskracht wordt geabsorbeerd aan de basis van het gebouw in plaats van in de structuur overgebracht.

Het Pioneer Courthouse in Portland, gebouwd in 1875, is het oudste nog bestaande federale gebouw in de Pacific Northwest en is aangewezen als nationaal historisch monument. Het herbergt de Negende District Court of Appeals. De uitdaging van seismische renovatie van dit ongewapende metselwerkgebouw was om het gebouw te versterken zonder het karakter ervan volledig te verstoren, inclusief de muren van zandsteenblokken. De oplossing was basisisolatie, geïnstalleerd onder de bestaande funderingen van het gebouw, waardoor de constructie in de historische delen van de constructie tot een minimum werd beperkt. De renovatie is in 2005 afgerond.

In Japan, Nieuw-Zeeland en de Verenigde Staten wordt onderzoek gedaan naar het ontwerpen van andere methoden voor basisisolatie en andere manieren om seismische energie in een gebouw af te voeren. Na de Loma Prieta-aardbeving in 1989 heeft de Californische staatswetgever Bill 920 van de Senaat aangenomen, waarbij de staatsarchitect een nieuwe en twee bestaande gebouwen moest selecteren om nieuwe technische technologieën te demonstreren, inclusief basisisolatie. De nieuwe internationale luchthaventerminal in Istanbul, Turkije, is het grootste basisisolatiegebouw op aarde.