Землетруси можуть стати менш руйнівними: вчені знайшли новий спосіб захистити будівлі

Дослідники з’ясували, що нова будівельна система здатна поглинати частину сейсмічних навантажень ще до того, як вони почнуть пошкоджувати конструкцію будівлі та її внутрішні системи.

Про це йдеться в матеріалі Earth.com.

Йдеться про спеціальні елементи, які обмежують навантаження між поверхами та основною несучою системою будівлі — балками й опорами, що протидіють боковим сейсмічним силам. Такий підхід змінює шлях поширення енергії землетрусу всередині споруди й зменшує пікові навантаження, які зазвичай стають причиною руйнувань.

Що показало моделювання

Систему перевірили на змодельованій дев’ятиповерховій сталевій офісній будівлі, спроєктованій з урахуванням сейсмічних ризиків Лос-Анджелеса.

Дослідники Георгіос Цампрас із Каліфорнійського університету в Сан-Дієго та Річард Соуз з Університету Лігай протестували конструкцію на основі даних різних землетрусів. Результати показали, що додаткові з’єднання змінюють передачу коливань від поверхів до каркаса.

У більшості сценаріїв пікові прискорення перекриттів і навантаження на розпірки суттєво зменшувалися порівняно з жорсткою конструкцією. Водночас дослідники зафіксували окремі випадки, коли реакція будівлі залишалася нерівномірною через специфічні вібраційні режими всередині споруди.

Де виникає найбільша небезпека

Одним із головних джерел напруження стали високочастотні коливання — швидкі вібрації, які накладаються на основне хитання будівлі. Саме вони можуть різко збільшувати прискорення поверхів і навантаження на опори, навіть якщо загальний боковий зсув виглядає прийнятним.

У моделі сьомий поверх реагував слабше, оскільки перебував поблизу умовно “спокійної точки” в одному з режимів коливань. Це показує, що ризики пошкоджень не завжди можна оцінити лише за зміщенням будівлі або силою зсуву біля основи.

Як працюють нові з’єднання

Кожне з’єднання, яке обмежує силу, складається з фрикційного пристрою та гумових опор із низьким демпфуванням. Коли навантаження перевищує заданий рівень, фрикційний елемент прослизає і не дозволяє повній силі передатися від поверху до каркаса.

Гумові опори при цьому допомагають утримувати перекриття у вирівняному положенні та додають жорсткості після початку ковзання. Завдяки цьому рух залишається контрольованим, а найрізкіші вібраційні сплески слабшають.

У жорсткій конструкції поверхи вібрували значно сильніше. Нова система, за результатами моделювання, зменшила ці коливання більш ніж удвічі. Також різко скоротилися навантаження всередині несучих елементів будівлі.

Чому загальний нахил майже не змінився

Попри зменшення швидких вібрацій, загальне хитання будівлі змінилося незначно. Причина в тому, що основний боковий рух і далі контролювався системою хитної основи — елементом фундаменту, який може підніматися й повертатися до центрального положення.

Автори дослідження пояснюють, що нові з’єднання передусім зменшують вплив вищих режимів коливань, тобто саме тих швидких вібрацій, які найбільше шкодять перекриттям і обладнанню на поверхах.

У системи є обмеження

Дослідники зазначають, що не всі сценарії землетрусів система проходила однаково ефективно. У двох випадках тривалі імпульси швидкості спричиняли настільки сильне хитання, що зміщення будівлі знову ставало серйозною проблемою.

В одному з таких сценаріїв пікове зміщення поверхів сягало приблизно 6%, а залишкове — близько 2%. Це не скасовує переваг системи, але показує, що її не можна вважати універсальним рішенням для всіх типів сейсмічних подій.

Що це може дати будівельникам

Оптимальний баланс дослідники зафіксували тоді, коли проєктний коефіцієнт з’єднання перебував у межах від 1,5 до 2,5. У цьому діапазоні сила та прискорення різко зменшувалися без значного збільшення зміщення.

Зниження навантажень на розпірки може мати й практичний ефект: у майбутньому такі конструкції потенційно дозволять використовувати легші сталеві елементи. Водночас автори поки не проводили повне перепроєктування будівлі, щоб підтвердити економію ваги чи вартості.

Наступним етапом мають стати масштабніші випробування та перевірка системи для різних типів будівель і сейсмічних сценаріїв.

Читати публікацію повністю →