Испытана новая конструкция сейсмически устойчивого здания

Систему, помогающую зданию выдерживать сильные землетрясения, а также восстанавливать ровное положение после окончания толчков, разработала группа учёных под руководством Грега Дейерлейна (Greg Deierlein) из Стэнфорда.

Устройство прошло испытания на крупнейшем в мире стенде для моделирования землетрясений, расположенном в японском исследовательском центре Hyogo Earthquake Engineering.

По словам Дейерлейна, большинство сейсмостойких зданий, которые строятся сегодня, спроектированы таким образом, чтобы защитить людей, "пожертвовав собой". Иными словами, они выдерживают удар, сохраняя жизни обитателям, но после землетрясения зачастую уже не подлежат ремонту, поскольку оказываются слишком сильно повреждены, и восстановление их не только физически затруднено, но и экономически нецелесообразно. Такие здания сносят, чтобы отстроить на их месте новые.

Команда из Стэнфорда пошла дальше. Она придумала систему защиты, которая не только усиливает стойкость здания к мощным подземным толчкам, но и минимизирует повреждения строения, сокращая стоимость и срок ремонта.

В основе этой системы— стальная рама. Она может находиться около наружных стен или около несущего ядра здания, рама может быть заложена в него ещё на стадии проектирования или добавлена к существующему строению как "обновление".

Схема экспериментальной системы. Красным цветом отмечена рама, белым – макет здания, зелёным – фундамент, синим – нижняя опора рамы ("башмак"), жёлтым – предохранители (иллюстрация Xiang Ma).

Эта рама связана с этажами, а с другой стороны— с фундаментом. Но связь эта не жёсткая. Конструкция позволяет раме совершать значительные колебания вверх-вниз, а также из стороны в сторону. А главное— в систему добавлены два новых элемента.

Первый— набор тросов из высокопрочной стали, похожих на те, что применяются в вантовых мостах. Тросы эти протянуты сверху вниз вдоль всей рамы. Их параметры подобраны так, что даже во время сильного землетрясения они остаются в пределах зоны упругой деформации.

Так что они не просто смягчают толчки, но возвращают здание к прямому положению после того, как подземные волны пройдут (раскачивание высокого здания из стороны в сторону со смещением этажей друг относительно друга— самый опасный для домов вид колебаний).

Второй элемент— стальные предохранители, названные так по аналогии с предохранителями электрическими. Они соединяют основание рамы и стальные опоры, прикреплённые к фундаменту. Вся система рассчитана таким образом, что во время подземных ударов на эти предохранители приходится большая часть нагрузки. Под действием раскачивающейся рамы металлические ленты гнутся, поглощая энергию.

Как и электрические "собратья", сгоревшие при повышении силы тока, эти предохранители здания легко и быстро заменяются на новые, как только землетрясение закончилось. Само строение при этом оказывается повреждено не слишком сильно, так что после быстрого ремонта в него вновь смогут вернуться люди.

Стальной предохранитель после теста. До "землетрясения" эта сменная деталь была плоской (фото Tsuyoshi Hikino, National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention).

Дейерлейн и его коллеги испытали систему на прототипе трёхэтажного здания в масштабе 3/4. Это было сооружение высотой в 8 метров и сторонами основания 37 на 55 метров. Каждый этаж весил 100 тонн.

Для проверки работы системы учёные в точности воспроизвели на стенде пару одних из самых разрушительных и трагических землетрясений последнего времени, случившихся в Калифорнии и Японии: Northridge earthquake 1994 года и Kobe earthquake 1995-го. Магнитуда первого достигала 6,7, а второго— 6,9.

Вся конструкция отработала отлично: повреждения практически полностью были сконцентрированы в предохранителях, деформация которых поглотила "энергию земли".

Более того, чтобы узнать, как поведёт себя эта система при самом большом землетрясении, которое (как считают геологи) способна генерировать японская или американская зона разломов, американцы провели ещё один тест, увеличив силу толчков, "записанных" во время разгула стихии 1994 года, в 1,75 раза. И опять-таки раскачивающееся строение лишь скрутило винтом "плавкие предохранители" в основании рамы.

Учёные говорят, что данная система хорошо подходит зданиям на стальном каркасе высотой до 15 этажей. Но заложенная тут идея может быть модифицирована и для других типов строений. И это— хорошее дополнение к другим предложениям в той же области. Читайте, к примеру, о новейшей "шапке-невидимке", способной скрыть здание от землетрясения, гибком бетоне и познакомьтесь с проектом самозалечивающегося дома

http://www.membrana.ru/

фото: Stanford University