3 kluczowe kryteria projektowania budynków odpornych na trzęsienia ziemi

Projektowanie budynków odpornych na trzęsienia ziemi jest podstawowym warunkiem tworzenia odpornych obiektów w regionach sejsmicznych. Nie chodzi wyłącznie o zapobieganie zawaleniu podczas silnego trzęsienia ziemi, ale także o ograniczanie uszkodzeń, ochronę użytkowników i szybsze przywrócenie działania obiektów krytycznych po zdarzeniu sejsmicznym.

W tym artykule gbc engineers omawia trzy kluczowe kryteria decydujące o zachowaniu konstrukcji podczas trzęsienia ziemi: planowanie i układ budynku, system konstrukcyjny oraz analizę i detalowanie stref krytycznych. Artykuł odnosi się również do aktualnych norm, takich jak Eurocode 8, ASCE 7 oraz przepisów regionalnych stosowanych w Europie i Azji Południowo-Wschodniej.

Czym jest projektowanie budynków odpornych na trzęsienia ziemi?

Projektowanie budynków odpornych na trzęsienia ziemi, czyli projektowanie sejsmiczne, polega na zastosowaniu zasad inżynierii konstrukcyjnej, wiedzy materiałowej i metod analizy opartych na normach, aby budynki mogły bezpiecznie przenosić ruchy podłoża wywołane trzęsieniem ziemi. Podstawowym celem jest bezpieczeństwo życia, czyli zapobieganie zawaleniu, natomiast podejścia oparte na wymaganiach użytkowych obejmują również ograniczenie uszkodzeń konstrukcyjnych i zachowanie funkcjonalności po trzęsieniu ziemi.

Jak trzęsienia ziemi oddziałują na budynki?

Podczas trzęsienia ziemi fale sejsmiczne powodują ruchy gruntu, które wywołują dynamiczne, zmienne w czasie siły działające na konstrukcje. W przeciwieństwie do statycznych obciążeń grawitacyjnych siły sejsmiczne działają jednocześnie w kilku kierunkach, głównie poziomo, i mogą zmieniać kierunek wiele razy na sekundę. Powoduje to szybkie cykliczne obciążanie elementów konstrukcyjnych.

Typowe mechanizmy uszkodzeń sejsmicznych obejmują:

• Zniszczenie ścinające słupów i ścian z niewystarczającym zbrojeniem poprzecznym
• Zawalenie kondygnacji typu soft story, czyli koncentrację uszkodzeń w kondygnacji o znacznie niższej sztywności bocznej niż kondygnacje sąsiednie
• Uszkodzenie fundamentów w wyniku upłynnienia gruntu w nasyconych wodą, luźnych gruntach niespoistych
• Uszkodzenia kolizyjne między sąsiednimi budynkami o niezgodnych wysokościach kondygnacji
• Uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych, takich jak elewacje, ścianki działowe, systemy MEP i podłogi podniesione, co jest szczególnie istotne w centrach danych

Hierarchia poziomów użytkowych we współczesnym projektowaniu sejsmicznym

Podstawowym celem projektowania odpornego na trzęsienia ziemi nie jest wyeliminowanie wszystkich uszkodzeń podczas największego możliwego trzęsienia ziemi. Kluczowe jest zapewnienie następującej hierarchii poziomów zachowania, ujętej we współczesnych normach sejsmicznych:

 

Normy projektowania sejsmicznego: globalny przewodnik referencyjny

Właściwa norma projektowania sejsmicznego zależy od lokalizacji projektu. gbc engineers pracuje z następującymi podstawowymi normami na rynkach europejskich i południowoazjatyckich:

 

Czytaj więcej: Koncepcje projektowania odpornych na trzęsienia ziemi: jak pomagają chronić budynki w Azji Południowo-Wschodniej

Jakie są 3 kluczowe kryteria projektowania budynków odpornych na trzęsienia ziemi?

Skuteczne projektowanie sejsmiczne integruje trzy wzajemnie zależne kryteria. Brak spełnienia któregokolwiek z nich może osłabić ogólną odporność sejsmiczną konstrukcji, nawet jeśli pozostałe dwa kryteria zostały dobrze uwzględnione.

Kryterium 1: planowanie i układ budynku

Decyzje architektoniczne i konstrukcyjne podejmowane na najwcześniejszych etapach projektu mają największy wpływ na zachowanie sejsmiczne. Jednocześnie koszty ich korekty są wtedy najniższe, jeśli problemy zostaną wykryte odpowiednio wcześnie.

• Regularność konstrukcyjna w rzucie i w elewacji: Budynki nieregularne, takie jak układy w kształcie litery L, uskoki, naroża wklęsłe lub obiekty z nieregularnościami masy albo sztywności, doświadczają wzmocnionej odpowiedzi skrętnej i koncentracji uszkodzeń podczas trzęsień ziemi. Zarówno Eurocode 8 (EN 1998-1 pkt 4.2), jak i ASCE 7-22 (Section 12.3) definiują konkretne kryteria regularności, które decydują o możliwości zastosowania uproszczonych metod analizy.
• Minimalizacja mimośrodu skrętnego: Pozioma odległość między środkiem masy (CM) a środkiem sztywności (CR) każdej kondygnacji powoduje odpowiedź skrętną. Eurocode 8 wymaga ograniczenia stosunku mimośrodu, typowo e/L ≤ 0,30, aby można było stosować uproszczone metody analizy.
• Rozmieszczenie elementów przenoszących siły poziome: Ściany usztywniające, stężenia lub ramy momentowe powinny być rozmieszczone symetrycznie w rzucie i możliwie blisko obwodu budynku, aby maksymalizować sztywność skrętną.
• Unikanie krótkich i uwięzionych słupów: Ściany wypełniające o częściowej wysokości, które ograniczają słupy tylko na części ich wysokości, tworzą warunki krótkiego lub uwięzionego słupa. To jedna z najczęstszych przyczyn zniszczenia ścinającego słupów w minionych trzęsieniach ziemi.
• Wybór lokalizacji i ocena geotechniczna: Eurocode 8 definiuje 5 typów podłoża (A-E) oraz 2 specjalne typy podłoża (S1: podatne na upłynnienie/wrażliwe; S2: głębokie osady o szczególnych właściwościach). Dla typów S1 i S2 wymagane są lokalne spektra odpowiedzi. W Azji Południowo-Wschodniej częste występowanie miękkich gruntów aluwialnych (typ D/E według Eurocode 8) w miastach nadbrzeżnych, takich jak Dżakarta, Bangkok i Ho Chi Minh City, znacząco wzmacnia ruchy sejsmiczne gruntu i musi być uwzględnione w projektowaniu fundamentów.

Kryterium 2: system konstrukcyjny

System konstrukcyjny musi zapewniać ciągłą, ciągliwą i redundantną ścieżkę przenoszenia sił sejsmicznych z każdego punktu budynku do fundamentów.

Filozofia capacity design: Konstrukcja jest projektowana tak, aby nieelastyczne rozpraszanie energii następowało w wybranych wcześniej elementach ciągliwych, na przykład w przegubach plastycznych belek, natomiast elementy kruche, takie jak słupy i połączenia, były chronione przez zamierzoną nadwytrzymałość. Jest to podstawowa filozofia Eurocode 8 Ductility Class Medium (DCM) i High (DCH), a także systemów Special i Intermediate seismic force-resisting systems według ASCE 7-22.

Typowe systemy konstrukcyjne odporne na trzęsienia ziemi i ich zakres zastosowania obejmują:

 

• Unikanie kondygnacji typu soft story: Soft story, czyli kondygnacja o znacznie mniejszej sztywności niż kondygnacje sąsiednie, lub weak story, czyli kondygnacja znacznie słabsza, powoduje koncentrację odkształceń nieelastycznych i jest jedną z głównych przyczyn częściowego lub całkowitego zawalenia budynków podczas trzęsień ziemi. ASCE 7-22 i Eurocode 8 definiują ilościowe progi nieregularności, które uruchamiają obowiązkowe wymagania analityczne.
• Projektowanie fundamentów na obciążenia sejsmiczne: Fundamenty muszą przenosić sejsmiczne momenty wywracające i siły tnące u podstawy na nośne warstwy gruntu. Belki ściągające między stopami fundamentowymi, fundamenty płytowo-palowe oraz techniki ulepszania gruntu, takie jak wibrokompakcja i deep mixing, są często stosowane w miękkich warunkach gruntowych Azji Południowo-Wschodniej.

Czytaj więcej: 5 najważniejszych korzyści z projektów odpornych na trzęsienia ziemi dla nowoczesnych budynków

Kryterium 3: analiza i detalowanie stref krytycznych

Detalowanie konstrukcyjne stref krytycznych, zwłaszcza połączeń i stref przegubów plastycznych, decyduje o tym, czy zaprojektowana zdolność do odkształceń plastycznych zostanie rzeczywiście osiągnięta podczas trzęsienia ziemi.

• Detalowanie węzłów belka-słup: Węzły w żelbetowych ramach momentowych należą do najbardziej obciążonych elementów podczas działania sejsmicznego. Eurocode 8 Section 5.4.3.3 (DCM) i 5.5.3.3 (DCH) określają minimalne wymagania dotyczące zbrojenia na ścinanie węzłów i strzemion. ACI 318-19 Chapter 18 zawiera analogiczne wymagania dla praktyki północnoamerykańskiej.
• Konfinacja w słupach i strefach brzegowych ścian: Gęsto rozmieszczone strzemiona i przewiązki w strefach krytycznych, takich jak strefy przegubów plastycznych u podstawy słupów i ścian, są niezbędne dla zachowania ciągliwego. Eurocode 8 DCH wymaga minimalnych współczynników zbrojenia konfinującego (mechaniczny udział objętościowy αωwd ≥ 0,08).
• Lokalizacja zakładów prętów: Zakłady prętów w słupach nie mogą znajdować się w strefach krytycznych, zwykle w odległości 1,5× głębokości przekroju od lica węzła. Eurocode 8 pkt 5.4.3.2.2 zakazuje zakładów w strefach krytycznych podstawowych słupów sejsmicznych. ASCE 7-22 / ACI 318-19 wprowadzają równoważne ograniczenia.
• Specyfikacje materiałowe: Stal zbrojeniowa musi spełniać klasę ciągliwości C (wysoka ciągliwość) zgodnie z EN 1992-1-1 / EN 10080 dla konstrukcji EC8 DCH. W Ameryce Północnej do zastosowań sejsmicznych stosuje się ASTM A706 Grade 60, czyli niskostopową stal zbrojeniową o kontrolowanym równoważniku węgla. Wytrzymałość betonu na ściskanie powinna wynosić co najmniej ≥20 MPa dla DCM i ≥25 MPa dla DCH zgodnie z Eurocode 8.
• Izolacja sejsmiczna i dodatkowe tłumienie dla centrów danych: Centra danych i inne obiekty krytyczne są szczególnie dobrymi kandydatami do stosowania izolacji sejsmicznej podstawy ze względu na wysokie koszty przestojów po trzęsieniu ziemi oraz wrażliwość sprzętu IT na przyspieszenia stropów. Izolacja podstawy zmniejsza szczytowe przyspieszenia stropów 3-5 razy, chroniąc zarówno konstrukcję, jak i jej wyposażenie. EN 15129 (Anti-seismic devices) reguluje w Europie projektowanie, badania i zapewnienie jakości urządzeń izolacyjnych i rozpraszających energię.
• Sejsmiczna ochrona elementów niekonstrukcyjnych: Uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych odpowiadają za 50-80% całkowitych strat ekonomicznych podczas umiarkowanych trzęsień ziemi (FEMA P-58). W centrach danych sejsmiczne kotwienie szaf serwerowych, systemów UPS, podpór podłóg podniesionych, urządzeń chłodniczych i tras kablowych musi być zaprojektowane jako część całościowej strategii sejsmicznej. ASCE 7-22 Chapter 13 oraz Eurocode 8 pkt 4.3.5 stanowią ramy projektowania sejsmicznego elementów niekonstrukcyjnych.

 

Gotowy na budowę obiektu nowej generacji?
Nawiąż współpracę z gbc engineers, aby zaprojektować budynek, który zapewni wydajność, niezawodność i długoterminową wartość.
🌐 Odwiedź: www.gbc-engineers.com
🏗️ Sprawdź nasze usługi: Services – gbc engineers

 

Podsumowanie

Trzy kluczowe kryteria projektowania budynków odpornych na trzęsienia ziemi - planowanie i układ budynku, system konstrukcyjny oraz analiza i detalowanie stref krytycznych - są wzajemnie zależne i muszą być rozpatrywane całościowo przez cały proces projektowy, od wyboru lokalizacji po projekt wykonawczy.

Zgodność z właściwymi normami projektowania sejsmicznego, takimi jak Eurocode 8, ASCE 7, SNI 1726 lub krajowe odpowiedniki, stanowi minimalny poziom wymagań. W przypadku projektów europejskich zwykle nadal oznacza to dziś stosowanie części EN 1998 pierwszej generacji, podczas gdy Eurokody drugiej generacji będą wdrażane zgodnie z harmonogramem 2027/2028, a nie w latach 2025-2026.

W gbc engineers integrujemy kompetencje w zakresie projektowania sejsmicznego z usługami projektowania konstrukcyjnego dla centrów danych i obiektów przemysłowych w Europie oraz Azji Południowo-Wschodniej. Nasz zespół stosuje rzetelną analizę zagrożeń, optymalizację systemów i zgodne z normami detalowanie, aby dostarczać konstrukcje chroniące ludzi, aktywa i krytyczne procesy operacyjne.

Najczęściej zadawane pytania

1. Jaka jest różnica między Eurocode 8 a ASCE 7 w projektowaniu sejsmicznym?

Obie normy mają charakter oparty na wymaganiach użytkowych, ale stosują różne ramy projektowe. Eurocode 8 (EN 1998-1) wykorzystuje Peak Ground Acceleration (PGA) z krajowych map zagrożenia i definiuje klasy ciągliwości (DCL, DCM, DCH) dla systemów konstrukcyjnych. ASCE 7-22 stosuje spektralne przyspieszenia Risk-Targeted Maximum Considered Earthquake (MCER) i definiuje Seismic Design Categories (SDC A-F).

W Europie pierwsza generacja Eurocode 8 pozostaje obecnie normalną podstawą projektowania, podczas gdy pakiet drugiej generacji przechodzi w kierunku publikacji w 2027 r. i wycofania sprzecznych norm w 2028 r.

2. Jaka norma projektowania sejsmicznego obowiązuje w Azji Południowo-Wschodniej?

Zależy to od kraju: Indonezja stosuje SNI 1726:2019; Wietnam stosuje TCVN 9386:2012, opartą na Eurocode 8; Singapur stosuje SS EN 1998 (2021, przyjmującą Eurocode 8); tajlandzka norma EIT jest obecnie aktualizowana w kierunku zgodności z Eurocode 8; Malezja odnosi się do Eurocode 8 (MS EN 1998). W projektach obejmujących kilka krajów SEA kluczowa jest znajomość zarówno Eurocode 8, jak i lokalnych załączników krajowych.

3. Czy centra danych wymagają szczególnych rozwiązań sejsmicznych?

Tak. Centra danych są w większości norm sejsmicznych klasyfikowane jako obiekty istotne lub krytyczne, co wymaga podwyższonych celów użytkowych, takich jak Importance Class III lub IV w Eurocode 8 oraz Risk Category III/IV w ASCE 7.

Dodatkowo należy jednoznacznie zaprojektować sejsmiczne kotwienie elementów niekonstrukcyjnych, takich jak szafy serwerowe, systemy UPS, podpory podłóg podniesionych i urządzenia chłodnicze. W przypadku obiektów o wysokiej wartości lub wymagających ciągłej dostępności coraz częściej specyfikuje się izolację sejsmiczną podstawy, aby chronić zarówno konstrukcję, jak i wyposażenie IT przed przyspieszeniami stropów.

 

O nas gbc engineers to międzynarodowe biuro inżynierskie z oddziałami w Niemczech, Polsce i Wietnamie, które zrealizowało ponad 10 000 projektów na całym świecie. Świadczymy usługi w zakresie inżynierii konstrukcyjnej, projektowania centrów danych, inżynierii infrastruktury i mostów, BIM & Scan-to-BIM oraz zarządzania budową. Łącząc niemiecką jakość inżynieryjną z międzynarodowym doświadczeniem, dostarczamy klientom zrównoważone, bezpieczne i efektywne rozwiązania.