Jeśli kiedykolwiek śledziłeś dyskusje na temat inżynierii budowlanej, prawdopodobnie słyszałeś to samo pytanie powtórzone co najmniej sto razy: „Czy śruby kotwiące mogą być stosowane w obszarze sejsmicznym?” Dla kogoś, kto spędził ostatnią dekadę pracując ze śrubami kotwowymi – najpierw jako inżynier, teraz jako dostawca – to pytanie nie jest tylko hipotetyczne. To pierwsza rzecz, o którą pytam każdego inżyniera, wykonawcę lub właściciela budynku, który kontaktuje się ze mną w sprawie kolejnego projektu, zwłaszcza tych zlokalizowanych w strefach o wysokiej aktywności sejsmicznej, takich jak północno-zachodnie wybrzeże Pacyfiku, Kalifornia lub części Środkowego Zachodu. Krótka odpowiedź brzmi: tak, ale tylko pod warunkiem wybrania odpowiedniego typu, prawidłowego montażu i zaprojektowania tak, aby spełniał rygorystyczne normy sejsmiczne. Rozłóżmy to na czynniki pierwsze, ponieważ chodzi o coś więcej niż tylko wbicie śruby w beton i stwierdzenie, że to już koniec.
Zacząłem w tej branży, ponieważ zobaczyłem, jak jeden niewłaściwy łącznik może narazić cały budynek na ryzyko. Na początku mojej kariery pracowałem przy małej modernizacji komercyjnej w Oregonie, którą trzeba było przerobić, ponieważ wykonawca użył śrub standardowej zamiast śrub odpornych na wstrząsy sejsmiczne. Kiedy w 2014 r. nawiedziło trzęsienie ziemi w Napa (zdarzenie M6.0), niesejsmiczne śruby wyrwały się z betonu, powodując przesunięcie stalowej ramy budynku o cale. Nikomu nic się nie stało, ale szkody mogły być katastrofalne. To doświadczenie nauczyło mnie, że śruby kotwiące w obszarach sejsmicznych to nie tylko „dobry pomysł” – są one niepodlegającym negocjacjom elementem systemu nośności bocznej budynku.
Najpierw porozmawiajmy o tym, dlaczego strefy sejsmiczne są tak różne. Trzęsienia ziemi wytwarzają dwa rodzaje sił sprawdzających śruby kotwowe: ścinanie (siła działająca z boku na bok) i rozciąganie (siła ciągnąca w górę lub w dół). Śruba, która sprawdza się w przypadku niskiego budynku w strefie niesejsmicznej, może zawieść, gdy zostanie uderzona powtarzającymi się, intensywnymi siłami ścinającymi wynikającymi z wstrząsów gruntu. Kluczem jest wybór śruby kotwiącej zaprojektowanej tak, aby wytrzymywała dynamiczne, cykliczne obciążenia – obciążenia, które nie działają jednorazowo, ale nieustannie, gdy ziemia się porusza.
Przez lata widziałem wiele błędnych informacji na temat tego, które typy śrub sprawdzają się w zastosowaniach sejsmicznych. Na przykład niektórzy ludzie przysięgają na J Bolts, ale nie byle jaki J Bolt – tylko te przetestowane pod kątem odporności sejsmicznej. Wyjaśnijmy: Śruby J to jedna z najpopularniejszych śrub kotwiących, używana do wszystkiego, od mocowania płyt progowych po fundamenty betonowe i kotwienie maszyn. Jednak standardowe śruby typu J (niepowlekane, standardowe, które można kupić w sklepie z dużymi pudełkami) nie są przeznaczone do stref sejsmicznych. Dlatego też, gdy mówimy o śrubach J o odporności sejsmicznej, mamy na myśli śruby, które zostały przetestowane pod kątem spełnienia kryteriów takich jak ACI 318 (Wymagania przepisów budowlanych dla betonu konstrukcyjnego) i ICC-ES (Międzynarodowa Służba Oceny Kodeksu). Jeśli potrzebujesz niezawodnej opcji J Bolt do zastosowań sejsmicznych, zajrzyj na naszą stronę J Bolt, gdzie wszystkie nasze modele są testowane przez strony trzecie pod kątem bocznych i cyklicznych obciążeń sejsmicznych:J. Bolta.
Innym często pojawiającym się typem jest śruba L. Podobnie jak śruby J, śruby L są ukształtowane tak, aby można je było zaczepić w betonie, ale ich proste zagięcie pod kątem 90 stopni sprawia, że są inne. Śruby L są często używane w zastosowaniach, w których prześwit jest ograniczony, np. podczas kotwienia do grubych płyt betonowych. Ponownie, nie wszystkie śruby L mają odporność sejsmiczną. Produkowane przez nas śruby L przeznaczone do zastosowań sejsmicznych mają grubszy trzpień, kute zagięcie (a nie wygiętą spoinę, która może pęknąć pod cyklicznym obciążeniem) i są pokryte powłoką odporną na korozję – co ma kluczowe znaczenie dla właściwości sejsmicznych, ponieważ korozja osłabia wytrzymałość śruby. W przypadku projektów, w których śruby L mają większy sens niż inne kształty, warto sprawdzić naszą linię sejsmicznych śrub L:Sklep L.
A co ze śrubami kotwiącymi do większych obciążeń, takich jak podpory stalowych kolumn lub dużych urządzeń w strefach sejsmicznych? W tym miejscu z pomocą przychodzą śruby kotwiące płytowe. Śruby kotwiące płytowe mają na jednym końcu szeroką, płaską płytkę, która przylega równo do betonu, rozkładając obciążenie na większą powierzchnię, zamiast skupiać je w jednym punkcie. Stanowi to przełom w zastosowaniach sejsmicznych, ponieważ gdy grunt się trzęsie, obciążenie kotwy to nie tylko ścinanie lub rozciąganie — często jest to kombinacja obu (tzw. obciążenie kombinowane). Szeroka płytka zapobiega przeciąganiu śruby przez beton pod łącznym obciążeniem. Testujemy nasze śruby kotwiące płytowe pod kątem wytrzymałości na obciążenia ścinające do 50 kips i obciążenia rozciągające do 30 kips, co czyni je idealnymi do projektów sejsmicznych o wysokich wymaganiach. Jeśli pracujesz w magazynie, szpitalu lub innym dużym obiekcie komercyjnym w strefie sejsmicznej, śruby kotwiące płytowe są zwykle właściwym wyborem:Śruba kotwiąca płytkowa.
Klienci pytali mnie również o śruby kotwiące do uchwytów parasolowych do zastosowań sejsmicznych. Śruby te wzięły swoją nazwę od rozwiniętej kotwy w kształcie parasola na końcu, która po zainstalowaniu rozciąga się wewnątrz betonu. Dzięki temu idealnie nadają się do zastosowań, w których nie można uzyskać dostępu do spodu betonu (np. podczas kotwienia do istniejącego fundamentu). Ale nawet śruby kotwiące uchwytu parasola muszą być przystosowane do zastosowań sejsmicznych. Nasze sejsmiczne śruby kotwiące z uchwytem parasolowym zostały zaprojektowane tak, aby równomiernie rozszerzać się w betonie, tworząc mechaniczną blokadę, która jest odporna na wyciąganie nawet podczas silnych wstrząsów gruntu. Są często używane w projektach modernizacyjnych, w których nie jest możliwe przewiercenie dna fundamentu, dlatego są chętnie wybierane przez wielu inżynierów sejsmicznych pracujących przy starszych budynkach:Śruba kotwowa uchwytu parasola.
Śruby kotwiące pazurowe to kolejna opcja, którą polecam do zastosowań sejsmicznych, szczególnie w przypadku konstrukcji tymczasowych lub projektów, w których kluczowa jest szybka instalacja. Konstrukcja pazura na końcu śruby wbija się w beton, zapewniając bezpieczne trzymanie bez konieczności rozszerzania śruby. Nasze śruby kotwiące z łbem sejsmicznym zostały przetestowane pod kątem odporności na obciążenia ścinające i rozciągające w cyklicznych testach sejsmicznych, a ich montaż za pomocą standardowej wiertarki udarowej jest szybki i nie wymaga specjalnych narzędzi. To sprawia, że są one ulubionym rozwiązaniem na placach budowy, gdzie trzeba zakotwiczyć tymczasowe ogrodzenia, rusztowania lub szalunki w strefie sejsmicznej. Aby uzyskać więcej informacji, sprawdź naszą stronę dotyczącą śrub kotwowych:Śruba kotwiąca z pazurem.
Rzecz w tym, że nawet najlepsza śruba kotwowa na świecie nie zadziała, jeśli zostanie źle zamontowana. Widziałem, jak wykonawcy szli na skróty podczas montażu – wiercili na niewłaściwą głębokość, nie czyścili betonowego otworu, pomijali specyfikację momentu obrotowego – a wszystko to dlatego, że myśleli, że „śruba to śruba”. W strefach sejsmicznych montaż jest tak samo ważny, jak wybór odpowiedniego typu śruby. Podam przykład: kilka lat temu pracowałem przy modernizacji szkoły w Kalifornii, gdzie wykonawca użył odpowiednich śrub kotwiących płytowych, ale wywiercił otwory o 1 cal za płytko. Kiedy inżynier konstrukcyjny przeprowadził próbę obciążenia, śruba została wyciągnięta przy 70% swojej nośności znamionowej. To byłaby katastrofa w przypadku trzęsienia ziemi.
Kolejnym częstym błędem jest nieuwzględnienie korozji. Strefy sejsmiczne często występują przy wybrzeżach lub charakteryzują się dużą wilgotnością, a nawet niewielkie ilości rdzy na śrubie mogą zmniejszyć jej wytrzymałość nawet o 30%. Dlatego wszystkie nasze śruby kotwiące odporne na wstrząsy sejsmiczne są pokryte powłoką cynkowaną ogniowo lub epoksydową, która spełnia normy ASTM A153 dotyczące odporności na korozję. Jest to niewielki dodatkowy koszt, który robi ogromną różnicę w długoterminowym bezpieczeństwie.
Być może zastanawiasz się również nad różnicą między wlewanymi śrubami kotwowymi a śrubami kotwowymi wklejanymi, ponieważ jest to duża debata w społeczności sejsmicznej. Śruby wbetonowane są instalowane podczas pierwszego wylewania betonu, dzięki czemu śruba jest osadzana bezpośrednio w fundamencie. Po stwardnieniu betonu śruby wkręcane są wkręcane w istniejący beton. Obydwa mogą być stosowane w strefach sejsmicznych, jednak muszą spełniać różne normy. W przypadku nowych konstrukcji często preferowane są śruby wpuszczane, ponieważ zapewniają bardziej niezawodną ścieżkę obciążenia, ale śruby montowane po montażu (takie jak nasze śruby kotwiące do uchwytu parasolowego, które są testowane pod kątem stosowania po montażu) są niezbędne w przypadku modernizacji. W przypadku zastosowań sejsmicznych montowanych po montażu należy upewnić się, że śruba jest dopuszczona do użytku po montażu zgodnie z ACI 318 rozdział 17, który obejmuje badania wytrzymałości na wyrywanie, ścinanie i obciążenia cykliczne.
Porozmawiajmy o danych z badań sejsmicznych w świecie rzeczywistym, aby to potwierdzić. W zeszłym roku przekazaliśmy naszą linię J Bolt niezależnemu laboratorium zewnętrznemu w celu przetestowania cyklicznego obciążenia sejsmicznego. Test symulował siły powstałe podczas trzęsienia ziemi M7.0, które jest mniej więcej wielkości trzęsienia ziemi w Northridge w 1994 roku. Nasze śruby typu J wytrzymywały 50 cykli bocznego obciążenia ścinającego przy 80% ich nominalnej nośności, bez oznak pękania lub wyrywania. Właśnie takiej wydajności potrzebujesz w strefie sejsmicznej. Gdyby śruba była zwykłą śrubą J bez znamionowej wartości znamionowej, uległaby uszkodzeniu już po kilku cyklach.
Chcę także wspomnieć o kombinacji obciążeń, ponieważ w tym miejscu wpada wielu inżynierów. W projektowaniu sejsmicznym nie można po prostu patrzeć na obciążenie statyczne śruby — należy je połączyć z obciążeniem sejsmicznym. Na przykład śruba utrzymująca 1000-funtową płytę progową może wytrzymać jedynie 1000 funtów w strefie niesejsmicznej, ale w strefie sejsmicznej obciążenie to może się podwoić lub nawet potroić z powodu przyspieszenia gruntu. Dlatego śruby odporne na wstrząsy sejsmiczne mają wyższą nośność końcową i są zaprojektowane tak, aby wytrzymywały połączone obciążenia statyczne i dynamiczne.
Podsumowując: tak, śruby kotwowe można absolutnie stosować w strefach sejsmicznych, ale tylko jeśli wybierzesz śruby, które zostały przetestowane przez stronę trzecią i ocenione pod kątem odporności sejsmicznej, zainstalujesz je prawidłowo zgodnie z wytycznymi producenta i przepisami oraz uwzględnisz kombinację korozji i obciążeń. Nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania, dlatego ważne jest, aby współpracować z dostawcą, który zna normy sejsmiczne i może pomóc w doborze odpowiedniej śruby do konkretnego projektu.
Jeśli pracujesz nad projektem w strefie sejsmicznej — niezależnie od tego, czy jest to nowy budynek komercyjny, modernizacja mieszkaniowa, szpital czy magazyn — i nie masz pewności, która śruba kotwiąca będzie dla Ciebie odpowiednia, zachęcam Cię do skontaktowania się z naszym zespołem. Pracowaliśmy nad tysiącami projektów sejsmicznych w całych Stanach Zjednoczonych i możemy pomóc Ci wybrać właściwy typ śruby, potwierdzić, że jest on zgodny z lokalnymi przepisami budowlanymi, a nawet dostarczyć dane z testów obciążenia na poparcie Twojego projektu. Nie ryzykuj, jeśli chodzi o bezpieczeństwo sejsmiczne — wybierz śruby kotwowe zaprojektowane tak, aby działały tam, gdzie jest to najważniejsze.
Referencje:
ACI 318-19, Wymagania kodeksu budowlanego dotyczące betonu konstrukcyjnego i komentarz. Amerykański Instytut Betonu.
ICC-ES AC193, Kryteria akceptacji dla kotew samoprzylepnych montowanych w betonie. Usługa oceny Międzynarodowej Rady Kodeksu.
FEMA 450, NEHRP Zalecane przepisy sejsmiczne dla nowych budynków i innych konstrukcji. Federalna Agencja Zarządzania Kryzysowego.
ASTM F1554, Standardowa specyfikacja dla śrub kotwowych, stali, granica plastyczności 36, 55 i 105-ksi. Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów.