Землетрясения могут стать менее разрушительными: ученые нашли новый способ защитить здания

Исследователи выяснили, что новая строительная система способна поглощать часть сейсмических нагрузок до того, как они начнут повреждать конструкцию здания и его внутренние системы.

Об этом говорится в материале Earth.com.

Речь идет о специальных элементах, ограничивающих нагрузку между этажами и основной несущей системой здания — балками и опорами, противодействующими боковым сейсмическим силам. Такой подход изменяет путь распространения энергии землетрясения внутри сооружения и уменьшает пиковые нагрузки, обычно стающие причиной разрушений.

Что показало моделирование

Систему проверили на смоделированном девятиэтажном стальном офисном здании, спроектированном с учетом сейсмических рисков Лос-Анджелеса.

Исследователи Георгиос Цампрас из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Ричард Соуз из Университета Лигай протестировали конструкцию на основе данных разных землетрясений. Результаты показали, что дополнительные соединения изменяют передачу колебаний от этажей к каркасу.

В большинстве сценариев пиковые ускорения перекрытий и погрузка на распорки существенно уменьшались по сравнению с жесткой конструкцией. В то же время исследователи зафиксировали частные случаи, когда реакция здания оставалась неравномерной из-за специфических вибрационных режимов внутри сооружения.

Где возникает самая большая опасность

Одним из главных источников напряжения стали высокочастотные колебания – быстрые вибрации, накладываемые на основное качание здания. Именно они могут резко увеличивать ускорение этажей и нагрузку на опоры, даже если общий боковой сдвиг выглядит приемлемым.

В модели седьмой этаж реагировал слабее, поскольку находился вблизи условно спокойной точки в одном из режимов колебаний. Это показывает, что риски повреждений не всегда можно оценить только по смещению здания или силе оползня.

Как работают новые соединения

Каждое соединение, ограничивающее силу, состоит из фрикционного устройства и резиновых опор с низким демпфированием. Когда нагрузка превышает заданный уровень, фрикционный элемент проскальзывает и не позволяет в полной силе передаться от этажа к каркасу.

Резиновые опоры при этом помогают удерживать перекрытие в выровненном положении и добавляют жесткость после начала скольжения. Благодаря этому движение остается контролируемым, а самые резкие вибрационные всплески слабеют.

В жесткой конструкции этажи вибрировали гораздо сильнее. Новая система, по результатам моделирования, уменьшила эти колебания более чем вдвое. Также резко сократились погрузки внутри несущих элементов здания.

Почему общий наклон почти не изменился

Несмотря на уменьшение быстрых вибраций, общий шатание здания изменился незначительно. Причина в том, что основное боковое движение продолжает контролироваться системой качающегося основания — элементом фундамента, который может подниматься и возвращаться в центральное положение.

Авторы исследования объясняют, что новые соединения, прежде всего, уменьшают влияние высших режимов колебаний, то есть именно тех быстрых вибраций, которые больше всего вредят перекрытиям и оборудованию на этажах.

У системы есть ограничения

Исследователи отмечают, что не все сценарии землетрясений, система проходила одинаково эффективно. В двух случаях длительные импульсы скорости приводили к настолько сильному качанию, что смещение здания снова становилось серьезной проблемой.

В одном из таких сценариев пиковое смещение этажей достигало примерно 6%, а остаточное – около 2%. Это не отменяет преимущества системы, но показывает, что ее нельзя считать универсальным решением для всех типов сейсмических событий.

Что это может дать строителям

Оптимальный баланс исследователи зафиксировали, когда проектный коэффициент соединения находился в пределах от 1,5 до 2,5. В этом диапазоне сила и ускорение резко уменьшались без увеличения смещения.

Снижение нагрузок на распорки может иметь и практический эффект: в будущем такие конструкции потенциально позволят использовать более легкие стальные элементы. В то же время авторы пока не производили полное перепроектирование здания, чтобы подтвердить экономию веса или стоимости.

Следующим этапом должны стать более масштабные испытания и проверка системы для различных типов зданий и сейсмических сценариев.