Jak schody metalowe zwiększają bezpieczeństwo podczas trzęsień ziemi

Trzęsienia ziemi stanowią poważne zagrożenie dla integralności konstrukcji budynków, szczególnie na obszarach sejsmicznych. W takich sytuacjach awaryjnych niezawodne drogi ewakuacyjne są kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa użytkownikom budynków. Wśród tych dróg, schody odgrywają fundamentalną rolę jako podstawowy element umożliwiający szybką ewakuację i dostęp służb ratowniczych.

Bezpieczna ewakuacja to podstawa

Podczas trzęsień ziemi najważniejsze jest szybkie i bezpieczne opuszczenie budynku. Kluczową rolę w ewakuacji pełnią schody, które muszą pozostać stabilne i funkcjonalne nawet podczas silnych wstrząsów. Niestety, wiele obecnie stosowanych rozwiązań nie spełnia tych wymagań – tradycyjne schody są podatne na przemieszczenia boczne i mogą się uszkodzić lub zawalić nawet podczas nieznacznych wstrząsów.

Trzęsienia ziemi w Polsce

W Polsce obszary, które mogą być narażone na trzęsienia ziemi, znajdują się głównie w południowej części kraju, w regionach przygranicznych z Czechami, Słowacją oraz w rejonach górskich.

Największe ryzyko wystąpienia trzęsień ziemi w Polsce dotyczy:

1. Karpaty – szczególnie obszar wzdłuż granicy z Ukrainą, Słowacją i Rumunią. Tereny te mogą być narażone na trzęsienia ziemi o większej intensywności, zwłaszcza w rejonie południowym, w okolicach Tatr i Beskidów.
2. Sudety – szczególnie w rejonie Kłodzka i Świdnicy, gdzie występują zaburzenia geologiczne sprzyjające trzęsieniom ziemi.

Choć w Polsce nie występują bardzo silne trzęsienia ziemi, w przeszłości miały miejsce wstrząsy o magnitudzie dochodzącej do 5,0-5,5 w skali Richtera. Tego typu zdarzenia mogą prowadzić do uszkodzenia budynków, szczególnie tych, które nie są zaprojektowane z uwzględnieniem ryzyka sejsmicznego.

W Polsce nie ma stref o tak silnym ryzyku sejsmicznym jak w krajach takich jak Japonia czy Chile, ale w rejonach górskich warto uwzględniać to zagrożenie przy projektowaniu konstrukcji budowlanych.

Dlaczego schody metalowe?

Schody metalowe, a szczególnie schody stalowe, mogą być znacznie odporniejsze na skutki trzęsień ziemi – o ile są odpowiednio zaprojektowane. Nowoczesne konstrukcje integrują schody z systemem nośnym budynku, co nie tylko poprawia ich stabilność, ale również wzmacnia całą konstrukcję.

Co pokazują badania?

Testy na pełnowymiarowych modelach konstrukcji stalowych przeprowadzone na stołach wstrząsowych pokazują jasno: odpowiednio zaprojektowane schody metalowe mogą znacznie zwiększyć bezpieczeństwo ewakuacji, a nawet ograniczyć uszkodzenia całej konstrukcji.

O czym jest ten artykuł?

W artykule pokażemy, jak projektować metalowe schody odporne na trzęsienia ziemi – z uwzględnieniem zarówno aspektów konstrukcyjnych, jak i architektonicznych. Wyjaśnimy też, jak schody mogą pełnić podwójną rolę: bezpiecznej drogi ewakuacyjnej i aktywnego elementu wzmacniającego budynek. Artykuł powstał w oparciu o opracowanie C. Montalbán Turon, Y. F. Vargas Alzate, Struct Design Tall Spec Build 2023, e1997.

Tradycyjne podejście do projektowania schodów a zagrożenia sejsmiczne

Schody są często pomijane w projektowaniu pod kątem trzęsień ziemi

W typowym projekcie budynku stalowego schody traktowane są jako elementy drugorzędne, niestrukturalne – czyli takie, które nie przenoszą sił sejsmicznych. To błąd. Podczas trzęsienia ziemi uszkodzone schody mogą zablokować drogę ewakuacyjną i narazić ludzi na niebezpieczeństwo.

Co mówi Eurokod 8?

Europejska norma EC8 jasno wskazuje:

• Schody mogą stanowić realne zagrożenie w czasie trzęsień ziemi.
• Jeśli ich uszkodzenie może zagrozić ludziom lub konstrukcji budynku, muszą być sprawdzone pod kątem działania sił sejsmicznych.
• Elementy szczególnie ważne (np. schody ewakuacyjne) powinny być analizowane za pomocą realistycznych modeli konstrukcji i rzeczywistego obciążenia sejsmicznego.

Gdzie leży problem?

Tradycyjne schody stalowe nie są zaprojektowane do radzenia sobie z bocznymi ruchami kondygnacji, które pojawiają się podczas trzęsień ziemi (tzw. IDR – Interstorey Drift Ratio). Jeżeli te ruchy przekroczą dopuszczalne granice, może to prowadzić do uszkodzenia schodów, a w skrajnych przypadkach – ich zawalenia się.

Eurokod określa limity przemieszczeń bocznych schodów:

• Dla materiałów kruchych: dr · ν ≤ 0,005h
• Dla materiałów ciągliwych (jak stal): dr · ν ≤ 0,0075h
  (h – wysokość kondygnacji, ν – współczynnik redukcyjny)

Co to jest system stężenia budynku?

System stężenia budynku to element konstrukcyjny, który ma na celu zapewnienie stabilności i sztywności budynku, szczególnie w przypadku wystąpienia sił poziomych, takich jak te generowane przez wiatr, trzęsienia ziemi czy inne dynamiczne obciążenia.

Stężenia są zaprojektowane tak, aby kontrolować przemieszczenia i odkształcenia budynku w płaszczyźnie poziomej (np. boczne przechyły lub drgania), które mogą powstać w wyniku tych sił.

Główne rodzaje systemów stężenia to:

1. Stężenia krzyżowe (X-shaped) – To układ stalowych lub żelbetowych prętów, które tworzą krzyż, łącząc różne części konstrukcji. Taki układ może zapewnić stabilność i zapobiec przechyłom budynku.
2. Stężenia ramowe (frame bracing) – Używane w konstrukcjach stalowych lub betonowych, stężenia ramowe to układ diagonalnych elementów (np. stalowych prętów lub belek), które łączą różne części konstrukcji i pomagają w stabilizacji budynku.
3. Ściany usztywniające (shear walls) – To ściany nośne, które są specjalnie zaprojektowane, aby wytrzymać siły poziome. Zwykle znajdują się w centralnych częściach budynku i pełnią funkcję usztywnienia całej konstrukcji.
4. Systemy stężenia zewnętrznego (outrigger systems) – Stosowane w wysokich budynkach, gdzie system stężenia jest stosowany na zewnątrz, aby zminimalizować przemieszczenia i zapewnić większą sztywność całej konstrukcji.
5. Stężenia diagonalne – W tym przypadku elementy konstrukcyjne w postaci stalowych lub betonowych prętów są ustawione w sposób diagonalny, tworząc układ, który skutecznie przeciwdziała siłom poziomym.

Wszystkie te systemy mają na celu zwiększenie odporności konstrukcji na siły boczne, co jest szczególnie ważne w regionach o dużym ryzyku sejsmicznym lub w wysokich budynkach, gdzie siły działające na konstrukcję mogą być szczególnie duże. Dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu systemu stężenia budynek może lepiej znosić wstrząsy, wiatry i inne dynamiczne obciążenia, poprawiając bezpieczeństwo jego użytkowników.

Schody metalowe jako część systemu nośnego budynku

Schody jako coś więcej niż tylko droga ewakuacyjna

W tradycyjnych projektach schody stalowe traktowano jako elementy niestrukturalne – bez roli w nośności budynku. Nowe podejście zmienia tę perspektywę: schody metalowe mogą być aktywnym elementem wzmacniającym konstrukcję, szczególnie w warunkach sejsmicznych.

Jak to działa?

Nowoczesne projekty zakładają integrację schodów z systemem stężeń budynku, tworząc tzw. "specjalne stężone schody". Oznacza to, że schody są projektowane tak, by przenosiły siły boczne działające podczas trzęsienia ziemi – zamiast być ich bierną ofiarą.

Dzięki odpowiednim połączeniom i detalom konstrukcyjnym, schody stalowe mogą wspierać cały system nośny, ograniczając przemieszczenia między kondygnacjami (IDR) i chroniąc inne elementy budynku przed przeciążeniem.

Korzyści z nowego podejścia do projektowania schodów

Włączenie metalowych schodów do systemu nośnego przynosi szereg istotnych zalet:

• Większa sztywność boczna budynku – mniej przemieszczeń, mniej uszkodzeń
• Lepsze rozłożenie sił sejsmicznych – mniejsze obciążenie kluczowych elementów
• Większe bezpieczeństwo – większa redundancja w razie awarii innych części konstrukcji
• Potencjalna oszczędność materiału, np. mniejsza ilość stali w klasycznych stężeniach

Co pokazują badania?

Analizy i testy wykazały, że specjalnie zaprojektowane schody stalowe mogą realnie wspomagać budynek podczas wstrząsów. Nie tylko nie ulegają zniszczeniu – aktywnie poprawiają odporność sejsmiczną całej konstrukcji.

Nowe podejście traktuje schody metalowe jako element systemu nośnego, nie tylko drogę ewakuacyjną. To krok w stronę budynków bardziej odpornych na trzęsienia ziemi – bez kompromisów w zakresie bezpieczeństwa.

Analiza: tradycyjne stężenia vs. schody stalowe jako element konstrukcyjny

Aby sprawdzić skuteczność schodów metalowych jako części systemu nośnego, porównano dwa modele budynków pod kątem zachowania podczas trzęsienia ziemi:

Model A – tradycyjny: schody traktowane jako elementy niestrukturalne.

Konstrukcja oparta na standardowych stężeniach ramowych (IV-CBF i EBF) zgodnych z Eurokodem 8.

Model B – nowoczesny: schody stalowe zostały zintegrowane z systemem przenoszącym siły sejsmiczne.

Użyto tych samych ram stężonych co w Modelu A, ale rozszerzono je o funkcję nośną schodów.

Analiza statyczna nieliniowa (Pushover) – kluczowe różnice:

• Sztywność boczna:
  • W osi X: Model A – 144 086 kN/m, Model B – 64 109 kN/m
  • W osi Y: Model A – 77 697 kN/m, Model B – aż 133 600 kN/m
• Współczynnik zachowania R (zdolność do rozpraszania energii):
  • Oś X: A – 2.60 | B – 2.78
  • Oś Y: A – 4.48 | B – 6.33

Analiza dynamiczna nieliniowa w czasie (NLTHA)

Do analizy wykorzystano rzeczywisty akcelerogram El Centro (1940). Oto najważniejsze wyniki:

Przekątne koncentryczne

w Modelu B wykazały wysoką odporność, zarówno przy pracy na rozciąganie i ściskanie (Kryterium I), jak i tylko na rozciąganie (Kryterium II).

Łączniki ekscentryczne

działały prawidłowo – rotacje plastyczne były poniżej dopuszczalnego limitu EC8 (0,013 rad < 0,08 rad). To znaczy, że spełniły swoją funkcję jako „bezpieczniki sejsmiczne”, chroniące inne elementy.

Podesty schodowe

wykazywały wysokie przyspieszenia – maksymalnie 19,4 m/s² – skorelowane z ruchem stropów. To ważny czynnik przy projektowaniu pod kątem bezpieczeństwa użytkowników.

Odkształcenia

w Modelu B były ograniczone, co potwierdza jego dobrą integralność konstrukcyjną.

Wnioski

• Schody metalowe zintegrowane z systemem nośnym (Model B) zapewniają:
  • Lepszą sztywność konstrukcji
  • Wyższą odporność na trzęsienia ziemi
  • Większe bezpieczeństwo dróg ewakuacyjnych
  • Efektywne rozpraszanie energii sejsmicznej
• Model B znacznie przewyższał Model A w osi Y – kluczowej pod kątem bezpieczeństwa dynamicznego.

Bezpieczeństwo przede wszystkim: Co pokazują analizy?

Trzęsienia ziemi to jedno z największych wyzwań dla konstruktorów budynków. Dlatego każdy element budynku powinien wspierać odporność sejsmiczną – zwłaszcza drogi ewakuacyjne, takie jak schody.

Schody metalowe + stężenia = większe bezpieczeństwo

W tradycyjnych projektach schody traktowane są jako „mebel konstrukcyjny” – niezależny od reszty budynku. Ale jak pokazuje Model B, jeśli połączymy je z systemem stężeń, otrzymujemy coś znacznie więcej niż tylko drogę ewakuacyjną.

Efekt? Mniejsze ryzyko zawalenia się schodów w trakcie trzęsienia ziemi, co może być kluczowe dla ewakuacji. System działa jak bufor – rozkłada siły, zmniejsza przemieszczenia i zwiększa integralność całej konstrukcji.

Łączniki EBF jako „sejsmiczne bezpieczniki”

W Modelu B zastosowano łączniki EBF, czyli specjalne elementy rozpraszające energię. Część z nich pracuje jako cięgna schodów, część sztywno łączy się z pionowymi stężeniami.

Ich zadanie? Przyjąć na siebie energię sejsmiczną i odkształcić się plastycznie, zanim uszkodzeniu ulegnie coś ważniejszego. A co mówią dane?

• Rotacja plastyczna: tylko 0,013 rad (limit wg EC8 to aż 0,08 rad)
• Siła ścinająca: 2,362 kN, czyli bezpieczny poziom zapobiegający zawaleniu (poziom CP – Collapse Prevention)

Większa sztywność i lepsza dynamika

Analizy pokazały, że:

• W osi Y Model B ma aż o 90% większą sztywność boczną (133 600 kN/m vs 77 697 kN/m w Modelu A)
• Współczynnik zachowania R w tej osi osiąga rekordowe 6.33 – to znaczy, że budynek może rozproszyć więcej energii, zanim dojdzie do poważnych uszkodzeń

Różne scenariusze – jedno rozwiązanie

Zespół badawczy przeanalizował też dwa różne warianty pracy przekątnych schodów:

• Criterion I – przekątne pracują zarówno na ściskanie, jak i rozciąganie
• Criterion II – tylko na rozciąganie (bardziej konserwatywne podejście)

W obu przypadkach konstrukcja schodów zachowywała się przewidywalnie i stabilnie – co pozwala dobrać strategię do konkretnych warunków sejsmicznych i budżetu inwestycji.

Co daje integracja schodów z systemem nośnym?

• Większe bezpieczeństwo dróg ewakuacyjnych
• Lepsza kontrola przemieszczeń i sił sejsmicznych
• Efektywne rozpraszanie energii dzięki łącznikom EBF
• Sztywność i odporność porównywalna z klasycznymi systemami stężeń
• Możliwość elastycznego projektowania – bez kompromisu między bezpieczeństwem a kosztem

Podsumowanie i przyszłe kierunki badań

Badania wykazują, że metalowe schody powinny być traktowane nie jako elementy niestrukturalne, lecz jako integralna część systemu nośnego budynków, szczególnie w rejonach zagrożonych aktywnością sejsmiczną. Tradycyjne podejście, które pomija uwzględnianie schodów w analizach sejsmicznych, ignoruje ich potencjał jako istotnego elementu systemu opierającego się siłom bocznym.

Analizy porównawcze dwóch modeli – Modelu A, który odzwierciedla klasyczne podejście, oraz Modelu B, w którym schody zostały zintegrowane z systemem stężeń – wskazują na znaczące korzyści wynikające z takiej integracji.

Model B, w którym elementy stężeń Modelu A zostały włączone w konstrukcję schodów, wykazał poprawę bezpieczeństwa dróg ewakuacyjnych oraz pozytywny wpływ na zachowanie budynku podczas trzęsień ziemi.

Zintegrowane stężenia zmniejszają ryzyko zawalenia się schodów, a wykorzystanie elementów rozpraszających energię (łączniki EBF) skutecznie chroni zarówno główne elementy konstrukcyjne, jak i same schody przed poważnymi uszkodzeniami, umożliwiając szybką naprawę. Analiza statyczna wykazała, że integracja EBF ze schodami zwiększa sztywność boczną o 90%.

Co więcej, Model B w kierunku Y osiągnął najwyższy współczynnik zachowania R (R = 6.33), co sugeruje lepsze zachowanie dynamiczne i wyższą zdolność do rozpraszania energii.

Wyniki nieliniowej analizy dynamicznej (NLTHA) potwierdziły, że stężone schody (Model B) zapewniają zadowalający poziom bezpieczeństwa, a kluczowe elementy (łączniki EBF) pracują w przewidywalny i bezpieczny sposób.

Przyszłe prace powinny skupić się na dalszej optymalizacji projektowania tych systemów, analizie różnych konfiguracji stężeń i łączników, a także weryfikacji ich skuteczności w rzeczywistych warunkach poprzez testy laboratoryjne na pełnoskalowych modelach.

Dalsze badania mogą obejmować również analizę różnych kryteriów projektowych dla przekątnych koncentrycznych w zależności od wymagań bezpieczeństwa i ekonomii, a także ocenę wpływu stężonych schodów na inne aspekty zachowania budynków, takie jak efekty drugiego rzędu i interakcje z innymi elementami niestrukturalnymi. Rezultaty badań stanowią solidną podstawę do dalszego rozwoju bardziej efektywnych i bezpieczniejszych rozwiązań konstrukcyjnych dla budynków w regionach sejsmicznych.

Czy Twoje schody na strych są bezpieczne?