通过崩溃隔离来逮捕建筑物中的故障传播

　　基于层次结构的塌陷隔离设计使两种类型的初始失败之间的重要区别是一个重要的区别。第一个被称为小初始故障，包括所有可行的故障，以完全防止通过将负载重新分配到剩余的结构系统来防止崩溃。第二种类型的初始故障（称为大初始故障）包括更严重的失败，不可避免地会触发至少部分崩溃。　　所提出的设计方法的目的是（1）由大初始故障引起的逮捕未阻碍的倒塌传播，以及（2）确保建筑物开发替代载荷路径（ALP）的能力，以防止小小的初始故障后的倒塌开始。这是通过优先考虑移动崩溃前部边界上的组件之间的特定层次结构来实现的。　　建筑物是复杂的三维结构系统，该系统由不同的组件组成，具有非常具体的功能，可将负载转移到地面上。其中，诸如列之类的垂直负载组件对于确保全球结构稳定性和完整性最重要。因此，基于层次结构的塌陷隔离设计阻止了色谱柱的连续故障，否则会导致灾难性的崩溃。尽管难以预测在塌陷过程中传输到柱的动态力的确切大小，但这些力最终受到柱和地板系统之间的连接的限制。在提议的方法中，局部强度连接旨在将传输力的大小限制为低于柱子能力抵抗不平衡力的能力的值（请参阅“建筑设计 ”部分）。该要求保证了崩溃期间特定的故障层次结构，从而在列失败之前始终发生连接失败。结果，较大的初始故障后的崩溃始终仅限于直接涉及初始失败的组件。但是，仍然有必要确保连接强度的下限以在小初始失败后激活阿尔卑斯山。因此，基于层次结构的崩溃隔离设计的具有成本效益的实施需要在降低连接强度和提高列的能力之间找到最佳的平衡。　　为了测试和验证我们提出的方法的应用，我们设计了一个真正的15 m×12 m预制钢筋混凝土建筑，并具有两个2.6 m高的楼层。这种基本的几何形状代表了可以在全面建造和测试的建筑物尺寸，同时仍代表建筑业当前实践。之所以选择结构类型，是因为预制结构的使用越来越多地用于建立高占用建筑，例如医院和购物中心，因为在质量，效率和可持续性方面具有多种优势36。　　基于应用元素方法（AEM；请参见“建模策略”部分），使用高保真崩溃模拟（图1）研究了可能的设计选项（扩展数据图1）的崩溃行为（扩展数据图1）。这些模拟能够准确表示正在研究的建筑物类型的崩溃现象的能力，以后通过将其预测与在全面建筑物的有目的设计的崩溃测试中观察到的结构响应进行了比较（扩展数据图2和补充视频7）。　　遵循一种结构的初步设计，以抵制适合办公楼的负载，考虑到不同鲁棒性标准的两个建筑设计选项得到了进一步研究（请参阅“建筑设计”部分）。第一个选项是设计H（基于层次结构），使用优化的部分强度连接和增强列（图1A）来满足基于层次结构的崩溃隔离设计的要求。第二个选项是设计C（常规），严格基于代码要求，并提供了评估拟议方法的有效性的基准比较。它使用全强度连接来改善当前指南37和建筑代码8,9中建议的鲁棒性。　　模拟预测，设计H和设计C都可以开发稳定的阿尔卑斯山，这些阿尔卑斯山能够完全防止在小初始故障场景之后开始崩溃，这些场景比建筑法规中考虑的更为严重8.9（扩展数据图3）。　　当遭受较大的初始故障时，模拟预测设计H只能将塌陷隔离到直接受初始故障影响的区域（图1B）。相比之下，设计C具有提高的连接性，导致崩溃的元素拉下结构的其余部分，从而导致总塌陷（图1C）。这两个不同的结果表明，只有在实施基于层次结构的崩溃隔离时，才能确保预防未受阻碍的崩溃传播（扩展数据图4和补充视频1）。

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