Устойчивость (инжиниринг и строительство)

В области инженерии и строительства устойчивость – это способность поглощать или избегать повреждений без полного разрушения и является целью проектирования, обслуживания и восстановления зданий и инфраструктуры, а также сообществ. Более полное определение заключается в том, что это способность реагировать, поглощать и адаптироваться, а также восстанавливаться в случае разрушительного события. Ожидается, что устойчивая структура/система/сообщество сможет противостоять экстремальному событию с минимальными повреждениями и нарушениями функциональности во время события; после события он должен иметь возможность быстро восстановить свою функциональность, аналогичную или даже лучшую, чем уровень до события.

Концепция устойчивости возникла в инженерном деле, а затем постепенно распространилась на другие области. Это связано с уязвимостью. Оба термина относятся к возмущению событий, а это означает, что система/инфраструктура/сообщество может быть более уязвимой или менее устойчивой к одному событию, чем к другому. Однако они не одинаковы. Одно очевидное отличие состоит в том, что уязвимость фокусируется на оценке восприимчивости системы на этапе, предшествующем событию; Устойчивость подчеркивает динамические характеристики на этапах до, во время и после события.

Устойчивость – это многогранное свойство, охватывающее четыре измерения: техническое, организационное, социальное и экономическое. Следовательно, использование одного показателя может оказаться нерепрезентативным для описания и количественной оценки устойчивости. В инженерии устойчивость характеризуется четырьмя критериями: надежность, избыточность, находчивость и быстрота. Текущие исследования разработали различные способы количественной оценки устойчивости с учетом множества аспектов, таких как функциональные и социально-экономические аспекты.

Искусственная среда должна быть устойчивой к существующим и возникающим угрозам, таким как сильные ураганы или землетрясения, а также обеспечивать надежность и резервирование при проектировании зданий. Новые последствия изменения условий для эффективности различных подходов к проектированию и планированию могут быть рассмотрены в следующем плане.

Инженерная устойчивость вдохновила другие области и повлияла на то, как они интерпретируют устойчивость. устойчивость цепочки поставок.

Этимология

Согласно словарю, устойчивость означает «способность восстанавливаться после трудностей или потрясений». Корень термина «устойчивость» находится в латинском термине «resilio», что означает «вернуться в состояние» или «прыгнуть назад». В 1640-х годах корневой термин в области механики материалов обозначал устойчивость как «способность материала поглощать энергию при его упругой деформации и выделять эту энергию при разгрузке». К 1824 году этот термин стал охватывать значение «эластичности».

19 век

Томас Тредголд был первым, кто представил концепцию устойчивости в 1818 году в Англии. Этот термин использовался для описания свойства прочности древесины, поскольку балки изгибались и деформировались, чтобы выдерживать большие нагрузки. Тредголд обнаружил, что древесина долговечна и не горит легко, несмотря на то, что ее посадили в плохих почвенных условиях и в открытом климате. Затем в 1856 году Маллетт уточнил устойчивость в отношении способности конкретных материалов противостоять определенным воздействиям. Эти определения могут быть использованы в инженерной устойчивости благодаря применению одного материала, имеющего стабильный режим равновесия, а не сложной адаптивной устойчивости более крупных систем.

20 век

В 1970-х годах исследователи изучали устойчивость в контексте детской психологии и подверженность определенным рискам. Устойчивость использовалась для описания людей, которые обладают «способностью восстанавливаться после невзгод». Одним из многих исследователей был профессор сэр Майкл Раттер, которого беспокоило сочетание опыта риска и его относительных результатов.

В своей статье Устойчивость и стабильность экологических систем (1973) К.С. Холлинг впервые исследовал тему устойчивости посредством ее применения в области экологии. Экологическая устойчивость была определена как «мера устойчивости систем и их способности поглощать изменения и нарушения и при этом сохранять те же отношения между переменными состояния». Холлинг обнаружил, что такую ​​структуру можно применять и к другим формам устойчивости. Применение к экосистемам позже было использовано для привлечения других видов человеческого, культурного и социального применения. Случайные события, описанные Холлингом, носят не только климатический характер: нестабильность нейтральных систем может возникнуть из-за воздействия пожаров, изменений в лесном сообществе или процесса рыболовства. С другой стороны, устойчивость — это способность системы возвращаться в равновесное состояние после временного нарушения. Изучать следует не объекты, а множественные системы состояний, поскольку мир представляет собой гетерогенное пространство с различными биологическими, физическими и химическими характеристиками. В отличие от материальной и инженерной устойчивости, экологическая и социальная устойчивость сосредоточена на избыточности и устойчивости состояний мультиравновесия для поддержания существования функции.

Инженерная устойчивость

Инженерная устойчивость относится к функциональности системы в отношении уменьшения опасности. В рамках этой концепции устойчивость рассчитывается на основе времени, которое требуется системе для возвращения к единому состоянию равновесия. Исследователи из MCEER (Исследовательский центр сейсмостойкости множественных опасностей) определили четыре свойства устойчивости: надежность, находчивость, резервирование и быстрота.

Социально-экологическая устойчивость

Социально-экологическая устойчивость, также известная как адаптивная устойчивость, представляет собой новую концепцию, которая смещает акцент на объединение социальной, экологической и технической областей устойчивости. Адаптивная модель фокусируется на трансформируемом качестве устойчивого состояния системы. В адаптивных зданиях уделяется внимание как краткосрочной, так и долгосрочной устойчивости, чтобы гарантировать, что система сможет противостоять нарушениям социальных и физических возможностей. Здания функционируют в разных масштабах и условиях, поэтому важно понимать, что в архитектуре ожидаются постоянные изменения. Лабой и Фэннон признают, что модель устойчивости меняется, и применили четыре свойства устойчивости MCEER к этапам планирования, проектирования и эксплуатации архитектуры. Вместо того, чтобы использовать четыре свойства для описания устойчивости, Лабой и Фэннон предлагают модель 6R, которая добавляет Восстановление для этапа эксплуатации здания и Избежание риска для этапа планирования строительства. . На этапе планирования строительства выбор места, размещение здания и условия на нем имеют решающее значение для предотвращения рисков. Раннее планирование может помочь подготовить и спроектировать застроенную среду на основе сил, которые мы понимаем и воспринимаем. На этапе эксплуатации здания нарушение не означает конец устойчивости, но должно предложить план восстановления для будущей адаптации. Нарушения следует использовать как возможность обучения для оценки ошибок и результатов, а также перенастройки для будущих потребностей.

Приложения

Международный строительный кодекс

Международный строительный кодекс устанавливает минимальные требования к зданиям с использованием стандартов, основанных на характеристиках. Самый последний Международный строительный кодекс (IBC) был выпущен в 2018 году Советом по Международным нормам и правилам (ICC), в котором основное внимание уделяется стандартам, которые защищают здоровье, безопасность и благополучие населения, без ограничения использования определенных методов строительства. Кодекс охватывает несколько категорий, которые обновляются каждые три года с учетом новых технологий и изменений. Строительные нормы и правила имеют основополагающее значение для устойчивости сообществ и их зданий, поскольку «Устойчивость искусственной среды начинается с надежных, регулярно принимаемых и правильно применяемых строительных норм и правил». Преимущества возникают благодаря принятию норм Национальным институтом строительных наук (NIBS). обнаружили, что принятие Международного строительного кодекса обеспечивает выгоду в размере 11 долларов США на каждый вложенный доллар.

Международный совет по кодексам сосредоточен на предположении, что здания сообщества поддерживают устойчивость сообществ перед катастрофами. Процесс, представленный ICC, включает понимание рисков, определение стратегий для рисков и реализацию этих стратегий. Риски различаются в зависимости от сообществ, географии и других факторов. Американский институт архитекторов создал список потрясений и напряжений, которые связаны с определенными характеристиками сообщества. Шоки являются естественными формами опасностей (наводнения, землетрясения), в то время как напряжения являются более хроническими событиями, которые могут развиваться в течение более длительного периода времени (доступность, засуха). Важно понимать применение устойчивого проектирования как к потрясениям, так и к напряжениям, поскольку здания могут играть роль в содействии их разрешению. Несмотря на то, что IBC является типовым кодексом, он принят различными штатами и правительствами для регулирования определенных областей строительства. Большинство подходов к минимизации рисков организованы вокруг использования и занятости здания. Кроме того, безопасность конструкции определяется использованием материалов, каркасами и требованиями к конструкции, которые могут обеспечить высокий уровень защиты для жильцов. Для каждого потрясения или стресса, например, цунами, пожаров и землетрясений, предусмотрены конкретные требования и стратегии.

Совет по устойчивости США

Некоммерческая организация «Совет по устойчивости США» (USRC) создала рейтинговую систему USRC, которая описывает ожидаемое воздействие стихийного бедствия на новые и существующие здания. В рейтинге учитывается здание до его использования, его структура, механо-электрические системы и использование материалов. В настоящее время программа находится на пилотной стадии, уделяя особое внимание готовности к землетрясениям и устойчивости. Что касается опасности землетрясения, рейтинг во многом зависит от требований, установленных Строительными нормами и правилами проектирования. Здания могут получить один из двух типов рейтинговых систем USRC:

Рейтинговая система, проверенная USRC

Проверенная рейтинговая система используется в маркетинговых и рекламных целях с использованием значков. Рейтинг понятен, достоверен и прозрачен, его присуждают профессионалы. Система рейтинга зданий USRC присваивает зданиям звезды от одной до пяти звезд в зависимости от размеров, используемых в их системах. Тремя измерениями, которые использует USRC, являются безопасность, ущерб и восстановление. Безопасность описывает предотвращение потенциального вреда для людей после события. Ущерб описывает предполагаемый ремонт, необходимый в связи с заменами и потерями. Восстановление рассчитывается на основе времени, необходимого зданию для восстановления функций после шока. Могут быть получены следующие типы рейтинговой сертификации:

Систему рейтинга сейсмостойкости зданий можно получить путем оценки опасности и сейсмических испытаний. В дополнение к технической экспертизе, предоставленной USRC, сейсмический анализ CRP применяется для получения рейтинга USRC с необходимой документацией. USRC планирует создать аналогичные стандарты для других стихийных бедствий, таких как наводнения, ураганы и ветры.

Система рейтинга транзакций USRC

Система рейтинга транзакций предоставляет зданию отчет о подверженности рискам, возможно инвестициям и выгодам. Этот рейтинг остается конфиденциальным для USRC и не используется для рекламы или продвижения здания.

Недостатки рейтинговой системы USRC

Из-за нынешнего внимания к сейсмическим вмешательствам USRC не принимает во внимание некоторые части здания. Система рейтингов зданий USRC не учитывает любые изменения в конструкции здания, которые могут произойти после присвоения рейтинга. Таким образом, изменения, которые могут снизить устойчивость здания, не повлияют на рейтинг, присвоенный зданию. Кроме того, изменения в использовании здания после сертификации могут включать использование опасных материалов и не повлияют на рейтинговую сертификацию здания. Оценка ущерба не включает ущерб, вызванный поломкой труб, модернизацией здания и повреждением мебели. Рейтинг восстановления не включает полное восстановление всех функций здания и всех повреждений, а только определенную сумму.

Программа «100 устойчивых городов»

В 2013 году Фонд Рокфеллера инициировал программу «100 устойчивых городов» с целью помочь городам стать более устойчивыми к физическим, социальным и экономическим потрясениям и стрессам. Программа помогает облегчить планы устойчивости в городах по всему миру за счет доступа к инструментам, финансированию и партнерам по глобальной сети, таким как ARUP и AIA. Из 1000 городов, подавших заявки на участие в программе, были отобраны только 100 городов с проблемами, начиная от старения населения, кибератак, сильных штормов и злоупотребления наркотиками.

Многие города являются участниками программы, но в статье Повышение устойчивости городов по всему миру, Спаанс и Уотерхот основное внимание уделяется городу Роттердам, чтобы сравнить устойчивость города до и после участия в программе. программа. Авторы обнаружили, что программа расширяет сферу применения и улучшает Роттердамский план устойчивости, включая доступ к воде, данным, чистому воздуху, киберустойчивости и безопасной воде. Программа направлена ​​на устранение других социальных стрессов, которые могут ослабить устойчивость городов, таких как насилие и безработица. Таким образом, города имеют возможность задуматься о своей текущей ситуации и планировать адаптацию к новым потрясениям и стрессам. Результаты статьи могут поддержать понимание устойчивости в более крупном городском масштабе, что требует комплексного подхода с координацией на различных уровнях государственного управления, в разных временных масштабах и областях. Помимо интеграции устойчивости в строительные нормы и программы сертификации зданий, программа «100 устойчивых городов» предоставляет другие возможности поддержки, которые могут помочь повысить осведомленность через некоммерческие организации.

После более чем шести лет роста и изменений существующая организация «100 устойчивых городов» завершила свою деятельность 31 июля 2019 года.

Рейтинговая система RELi

RELi — это критерии проектирования, используемые для повышения устойчивости застроенной среды в различных масштабах, таких как здания, кварталы и инфраструктура. Он был разработан Институтом трансформации рынка в целях устойчивого развития (MTS), чтобы помочь проектировщикам планировать риски. RELi очень похож на LEED, но с упором на устойчивость. RELi теперь принадлежит Совету по экологическому строительству США (USGBC) и доступен для проектов, претендующих на сертификацию LEED. Первая версия RELi была выпущена в 2014 году, в настоящее время она все еще находится на стадии пилотного проекта, баллы за конкретные кредиты не начисляются. Аккредитация RELi не требуется, а использование кредитной информации является добровольным. Поэтому нынешняя система баллов еще не определена и не имеет ощутимого значения. RELi предоставляет кредитный каталог, который используется в качестве справочного руководства при проектировании зданий, и расширяет определение устойчивости RELi следующим образом:

Устойчивый дизайн направлен на создание зданий и сообществ, устойчивых к потрясениям, здоровых, адаптируемых и восстанавливающихся благодаря сочетанию разнообразия, дальновидности и способности к самоорганизации и обучению. Устойчивое общество способно противостоять потрясениям и восстанавливаться, когда это необходимо. Это требует от людей осознания своей способности предвидеть, планировать и адаптироваться к будущему.

Кредитный каталог RELi

Каталог RELi рассматривает различные масштабы вмешательства с требованиями панорамного подхода, адаптации рисков и смягчения последствий для острых событий и комплексной адаптации и смягчения последствий для настоящего и будущего. Структура RELi уделяет большое внимание социальным вопросам устойчивости сообщества, таким как предоставление общественных пространств и организаций. RELi также сочетает в себе конкретные проекты опасностей, такие как готовность к наводнениям, с общими стратегиями по повышению энергоэффективности и водосбережению. Для организации списка кредитов RELi используются следующие категории:

Программа RELI дополняет и расширяет другие популярные рейтинговые системы, такие как LEED, Envision и Living Building Challenge. Формат меню каталога позволяет пользователям легко ориентироваться в кредитах и ​​узнавать цели, достигнутые RELI. Ссылки на другие использовавшиеся рейтинговые системы могут помочь повысить осведомленность о RELi и доверие к ее использованию. Ссылка на каждый кредит указана в каталоге для удобства доступа.

Пилотные баллы LEED

В 2018 году были выпущены три новых пилотных кредита LEED для повышения осведомленности о конкретных природных и техногенных катастрофах. Пилотные баллы относятся к категории «Интегративный процесс» и применимы ко всем рейтинговым системам проектирования и строительства.

Баллы LEED пересекаются с баллами рейтинговой системы RELi, USGBC совершенствует RELi для лучшего взаимодействия с пилотными баллами по устойчивому проектированию LEED.

Дизайн, основанный на изменении климата

Важно оценить текущие климатические данные и дизайн при подготовке к изменениям или угрозам окружающей среде. Планы устойчивости и стратегии пассивного проектирования могут различаться в зависимости от слишком жаркого климата. Вот общие стратегии проектирования с учетом климата, основанные на трех различных климатических условиях:

Слишком мокрый

Слишком Сухой

Очень жарко, слишком жарко

Проектирование с учетом опасностей

Оценка опасности

Определение и оценка уязвимостей искусственной среды на основе конкретных мест имеет решающее значение для создания плана обеспечения устойчивости. Бедствия приводят к широкому спектру последствий, таких как повреждение зданий, экосистем и человеческие жертвы. Например, землетрясения, произошедшие в округе Вэньчуань в 2008 году, привели к крупным оползням, в результате которых был перемещен целый район города, такой как Старый Бэйчуань. Вот некоторые стихийные бедствия и потенциальные стратегии оценки устойчивости.

Огонь

Ураганы

Существует множество стратегий защиты сооружений от ураганов, основанных на ветровых и дождевых нагрузках.

Землетрясения

Землетрясения также могут привести к структурным повреждениям и обрушению зданий из-за высоких нагрузок на каркасы зданий.

Устойчивое развитие

Трудно обсуждать концепции устойчивости и устойчивости в сравнении из-за различных научных определений, которые использовались в этой области на протяжении многих лет. Многие политики и научные публикации по обеим темам либо содержат собственные определения обеих концепций, либо не имеют четкого определения того типа устойчивости, к которому они стремятся. Несмотря на то, что устойчивость является устоявшимся термином, существуют общие интерпретации этой концепции и ее направленности. Санчес и др. предложил новую характеристику термина «устойчивая устойчивость», которая расширяет социально-экологическую устойчивость, включив в нее более устойчивые и долгосрочные подходы. Устойчивая устойчивость фокусируется не только на результатах, но также на процессах и политических структурах реализации.

Обе концепции разделяют основные предположения и цели, такие как пассивная выживаемость и устойчивость работы системы с течением времени и в ответ на нарушения. Существует также общий фокус на смягчении последствий изменения климата, поскольку они оба появляются в более крупных структурах, таких как Строительный кодекс и программы сертификации зданий. Холлинг и Уокер утверждают, что «устойчивая социально-экологическая система является синонимом региона, который является экологически, экономически и социально устойчивым». Другие ученые, такие как Перрингс, утверждают, что «стратегия развития не является устойчивой, если она не является устойчивой». Таким образом, эти две концепции переплетены и не могут быть успешными по отдельности, поскольку они зависят друг от друга. Например, в RELi и в LEED и других строительных сертификациях предоставление доступа к безопасной воде и источнику энергии имеет решающее значение до, во время и после нарушения.

Некоторые ученые утверждают, что тактики устойчивости и устойчивости преследуют разные цели. Паула Мелтон утверждает, что устойчивость фокусируется на непредсказуемом дизайне, а устойчивость фокусируется на проектах, чувствительных к климату. Некоторые формы устойчивости, такие как адаптивная устойчивость, ориентированы на конструкции, которые могут адаптироваться и изменяться в зависимости от шокового события, с другой стороны, устойчивый дизайн фокусируется на эффективных и оптимизированных системах.

Количественная оценка

Первый влиятельный количественный показатель устойчивости, основанный на кривой восстановления функциональности, был предложен Бруно и др., где устойчивость количественно определяется как потеря устойчивости следующим образом.

${\displaystyle R_{L}=\int _{t_{0}}^{t_{f}}[100\%-Q(t)]dt}$

где ${\displaystyle Q(t)}$ — это функциональность на момент времени ${\displaystyle t}$; ${\displaystyle t_{0}}$ — время возникновения события; ${\displaystyle t_{f}}$ — время полного восстановления функциональности .

Потеря устойчивости является показателем только положительного значения. Его преимущество заключается в том, что его можно легко обобщить на различные структуры, инфраструктуры и сообщества. Это определение предполагает, что функциональность составляет 100 % до события и в конечном итоге будет восстановлена ​​до полной функциональности в 100 %. На практике это может быть не так. Система может частично функционировать во время урагана и не может быть полностью восстановлена ​​из-за неэкономичного соотношения затрат и выгод.

Индекс устойчивости — это нормализованный показатель от 0 до 1, рассчитываемый на основе кривой восстановления функциональности.

${\displaystyle R={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{h}}Q(t)dt}{t_{h}-t_{0}}}}$

где ${\displaystyle Q(t)}$ — это функциональность на момент времени ${\displaystyle t}$; ${\displaystyle t_{0}}$ — время возникновения события; ${\displaystyle t_{h}}$ — интересующий временной горизонт.

Примечания и ссылки