Земетресенията може да станат по-малко разрушителни: учените са открили нов начин за защита на сградите

Изследователите са установили, че нова система за строителство е способна да поема част от сеизмичните натоварвания, преди те да започнат да увреждат конструкцията на сградата и вътрешните системи.

Това се посочва в материал на Earth.com.

Това са специални елементи, които ограничават натоварването между етажите и основната носеща система на сградата, като греди и подпори, които противодействат на страничните сеизмични сили. Този подход променя пътя на разпространение на енергията на земетресението вътре в конструкцията и намалява пиковите натоварвания, които обикновено причиняват разрушения.

Какво показва моделирането

Системата беше тествана върху симулирана девететажна стоманена офис сграда, проектирана да се справи със сеизмичните рискове в Лос Анджелис.

Изследователите Георгиос Цампрас от Калифорнийския университет в Сан Диего и Ричард Соус от университета Лигаж са тествали конструкцията, използвайки данни от различни земетресения. Резултатите показват, че допълнителните връзки са променили предаването на вибрациите от подовете към рамката.

В повечето сценарии, пиковите натоварванията на подпорите са били значително намалени в сравнение с твърдата конструкция. Изследователите обаче са забелязали някои случаи, при които реакцията на сградата е останала неравномерна поради специфични режими на вибрации в конструкцията.

Къде е най-голямата опасност?

Един от основните източници на напрежение са високочестотните трептения, представляващи бързи вибрации, наложени върху основното люлеене на сградата, които могат драстично да увеличат ускорението на пода и натоварването върху опорите, дори ако общото странично изместване изглежда приемливо.

В модела седмият етаж реагира по-слабо, защото е бил близо до „спокойна точка“ в един от режимите на вибрации. Това показва, че рисковете от повреди не винаги могат да бъдат оценени единствено от изместването на сградата или силите на натоварване в основата.

Как работят новите връзки

Всяка връзка, ограничаваща силата, се състои от фрикционно устройство и гумени тампони с ниско демпфиране. Когато натоварването надвиши определено ниво, фрикционният елемент се плъзга и предотвратява предаването на пълната сила от пода към рамката.

Гумените опори едновременно помагат за поддържане нивото на пода и добавят твърдост, след като започне да се плъзга. Това контролира движението и омекотява най-резките пикове на вибрация.

В твърда монолитна конструкция подовете вибрират много по-силно. Новата система, според резултатите от симулацията, намалява тези вибрации с повече от половината. Натоварванията вътре в носещите елементи на сградата също рязко са намалени.

Защо общият наклон почти не се е променил

Въпреки намаляването на бързите вибрации, общото люлеене на сградата се е променило малко. Това е така, защото основното странично движение все още се контролира от системата за люлееща се основа, която представлява фундаментен елемент, който може да се повдига и връща в централно положение.

Авторите на изследването обясняват, че новите връзки намаляват предимно въздействието на по-високите вибрационни режими, тоест онези бързи вибрации, които са най-вредни за подовете и оборудването по тях.

Системата има ограничения

Изследователите отбелязват, че не всички сценарии на земетресение са били обработени еднакво добре от системата. В два случая дълготрайните импулси са причинили толкова силно трептене, че изместването на сградата отново се е превърнало в сериозен проблем.

В един такъв сценарий, пиковото изместване е приблизително 6%, а остатъчното изместване е приблизително 2%. Това не отменя предимствата на системата, но показва, че тя не може да се счита за универсално решение за всички видове сеизмични събития.

Какво може да даде това на строителите?

Изследователите открили оптималния баланс, когато коефициентът на свързване на конструкцията е между 1,5 и 2,5. В този диапазон силата и ускорението рязко намалели без значително увеличение на изместването.

Намаляването на натоварванията върху подпорите би могло да има и практически ефект: в бъдеще подобни конструкции биха могли да позволят използването на по-леки стоманени елементи. Авторите обаче все още не са извършили цялостно препроектиране на сградата, за да потвърдят икономиите на тегло или разходи.

Следващият етап трябва да бъде по-мащабно тестване и валидиране на системата за различни типове сгради и сеизмични сценарии.