Сейсмостойкость зданий: современные технологии VS землетрясений

“Парящие дома”, гиганты-маятники, сплавы с памятью формы, BIM-моделирование: современная инженерия настолько продвинулась в технологии для сейсмостойкого строительства, что небоскребы возводят чуть ли не в эпицентрах землетрясений.!–more–>

Содержание:

• • • Изоляция
    • Устройства контроля вибрации
    • Технология укрепления структуры здания
    • Сейсмостойкие материалы
    • BIM-технологии в проектировании сейсмостойких зданий
    • Технологии сейсмостойкого строительства в СНГ: Казахстан

Ежегодно в мире происходит 16 сильных землетрясений магнитудой 7 баллов. Япония, Индонезия, Китай, Турция, страны Южной Америки, Балканы, Италия, Греция, Казахстан, Узбекистан — это далеко не полный список стран, которые время от времени ощущают на себе действие сейсмической активности. Тем не менее, даже в странах с наибольшим количеством землетрясений появляются небоскребы. Современные технологии позволяют возводить грандиозные постройки в сейсмически опасных зонах, обеспечивая безопасность сооружений.

Сейсмостойкие здания, рассчитанные на сильные землетрясения, имеют глубокие фундаменты и забивные сваи. Все элементы соединены так, чтобы при вибрациях двигаться как единое целое. Ведь во время землетрясения по земле во всех направлениях короткими быстрыми интервалами расходятся ударные волны. Горизонтальное движение вызывает вибрацию всех элементов конструкции. Из-за экстремального напряжения, происходит разрыв несущей рамы и, как результат, разрушение всей конструкции.

Обычные конструкции приспособлены справляться только с гравитацией и вертикальными силами, создаваемыми собственным весом. Они не рассчитаны на поперечные силы, возникающие из-за землетрясения, поэтому разрушаются.

Избежать таких последствий могут сейсмостойкие здания с усиленной конструкцией здания, которые способны противодействовать поперечным силам землетрясения. И все благодаря новейшим технологиям в этой области.

Изоляция

Чтобы увеличить сейсмостойкость зданий и сооружений, например, инки возводили каменные стены без использования раствора: камни подбирали и укладывали так, чтобы между ними нельзя просунуть лезвие. Тогда стены двигались в такт с толчками, не разрушаясь полностью. Сегодня современная инженерия использует другой подход к сейсмостойкому строительству, а технологии для сейсмостойкого строительства.

Источник фото:  https://www.researchgate.net/profile/Halil-Polat/publication/327285183/figure/fig1/AS:664960606691334@1535550371785/Seismic-isolator-base-displacement-at-base-level.png

Один из способов противостоять землетрясению — «приподнять» фундамент здания над землей, изолировать его от основы. Передача сейсмической энергии в надстройку — основную часть здания, оказывается значительно ослабленной. Так удается эффективно поглощать расходящиеся во время землетрясения волны и препятствовать их разрушительному эффекту. Для достижения такого эффекта в каждом конкретном случае подбирают стройматериалы и конфигурацию приподнятого основания здания. Разработано много технологии для сейсмостойкого строительства, позволяющих изолировать здание от его основы.

• Использование базовой изоляции дает возможность зданию перемещаться приблизительно на 30 см относительно поверхности земли. 
• Вокруг здания следует обеспечить достаточное пространство: должна быть возможность беспрепятственно отклониться от первоначального положения. 
• Подойдет для зданий средней этажности, выполненных из камня или кирпича, бетона. 
• Подходит не для всех видов конструкций зданий: ограниченной способностью справляться с напряжением.
• Базовая изоляция получила широкое распространение в мире. Такая технология используется в Новой Зеландии, Индии, Японии, Италии, США. 

Фундамент на подшипниках

Базовая изоляция может базироваться на композитных резинометаллических подушках или компонентах, работающих по принципу скольжения. Часто для этих целей используют гибкие подшипники или прокладки. Например, здание возводят поверх гибких прокладок из стали, резины и свинца. Во время землетрясения основание здания движется, но сама конструкция остается устойчивой. По сути, используется тот же принцип, что и у систем автомобильной подвески, которая изолирует внутреннюю часть системы и поглощает. Тяжелое свинцовое ядро окружено чередующимися слоями резины и стали. Стальные пластины крепятся подшипниками к конструкции и фундаменту. И во время появления волн землетрясения двигается только фундамент, а само здание остается неподвижным. Установка большого числа таких изоляторов на 80% снижает сейсмическую нагрузку.

“Парящее здание”

Источник фото: https://re-st.ru/site/assets/files/18323/2.jpg
В Японии, Гонконге, на Тайване несмотря на сейсмическую опасность сооружают умопомрачительные небоскребы, применяя новейшие технологии. Именно Япония стала разработчиком технологии для сейсмостойкого строительства и, в частности, технологии левитирующих зданий. При возникновении подземных толчков вся конструкция буквально парит на воздушной подушке. Сейсмостойкие здания в Японии способны подниматься на 3 см над землей, чтобы изолироваться от вибраций земли.

•  Сенсоры, распознающие сигнал сейсмической активности, передают компрессору сигнал о включении в работу.
• Между фундаментом и основанием здания с помощью компрессора, моментального нагнетающего воздух, создается воздушная подушка. Мощные компрессоры расположены с внешней стороны здания. Воздушная прослойка позволяет зданию левитировать, и избежать губительных вибраций или же ослабить их действие.
•  По завершению землетрясения компрессор автоматически выключается и здание возвращается на прежнюю позицию.

Также в этой технологии используют усиленные стеклопакеты, которые стройки к деформации и могут выдержать тряску. Первой к поднятию домов на воздушной подушке прибегла компания Air Danshin. Технология обрела популярность и практически все здания в Японии в зоне сейсмической активности, возводятся с использованием новой технологии.
Преимущества технологии

• Стоимость. Она ниже, чем применение других техник защиты от землетрясений;
• Недорогое обслуживание;
• Подходит для зданий разной высотности.

“Танцующее здание”

Ученые из Стэнфордского университета придумали технологию “танцующего дома”, который располагается на стальных рамах. Рамы можно крепить к существующим зданиям или предусматривать их при проектировании новых домов. Каркас соединяет между собой стены и также крепится к фундаменту. Таким образом, во время подземных толчков конструкция словно двигается в ритм с волнами землетрясений, но не разрушается. Благодаря специальным тросам, обвивающим здание, оно возвращается в исходную позицию, когда землетрясение заканчивается.

Читайте также: Пассивный дом: почему технология все еще мало востребована

Устройства контроля вибрации

Технологии для сейсмостойкого строительства способствуют замедлению вибрации и уменьшению амплитуды. Амортизаторы размещают на всех уровнях строения, прикрепляя один из концов к балке, а второй к колонне. Амортизатор представляет собой гаситель колебаний в виде поршня, размещенного внутри цилиндра, который заполнен силиконовым маслом. Из-за горизонтальных толчков при землетрясениях поршни начинают двигаться и оказывают давление на масло. Так происходит преобразование механическую энергию в вибрационной энергии в тепло.

Сейсмозащитные устройства

Источник фото:  https://stroycomplex-5.ru/site-itselfhttps://planradar-website.s3.amazonaws.com/production/uploads/2009/07/seism_kazakh.jpg

Во многих х небоскребах мира есть “секретное” устройство, защищающее здание от сильного движения из-за ветра и землетрясений. Демпферы — это устройства для гашения колебаний, которые монтируются непосредственно в конструктивную раму здания или сооружения. Существует много разновидностей, которые выбирают исходя из конкретного проекта:

• Инерционный демпфер. Обычно выполнен в виде бетонного блока, который колеблется с резонансной частотой объекта. Этому способствует пружиноподобный механизм, находящийся под сейсмической нагрузкой. 
• Гистерезисный демпфер. Помогает улучшить сейсмические характеристики за счет рассеивания энергии сейсмической нагрузки.Включает в себя 4 группы демпферов.
• Жидкостный вязкостной демпфер. Устанавливает в конструкции здания, являясь дополнительной системой демпфирования. Имеет овальную гистерезисную петлю, а демпфирование зависит от скорости. Хотя потенциально требуется небольшое техническое обслуживание, вязкостные демпферы, как правило, не нуждаются в замене после землетрясения.
• Фрикционные демпферы. Как правило, бывают двух основных типов: линейные и вращательные. Они рассеивают энергию за счет тепла. Демпфер работает по принципу кулоновского трения. При использовании в сейсмостойких условиях износ не является проблемой, и обслуживание не требуется. 
• Металлические упругие демпферы. Имеют запас гибкости, позволяющий поглотить вибрации землетрясения. Этот тип демпфера поглощает большое количество энергии, однако он требует замены после землетрясения.
• Вязкоупругие демпферы. Можно использовать как для ветровых, так и для сейсмических применений. Они обычно ограничиваются небольшими смещениями. 

Настроенные массовые демпферы

Подвешивание огромной массы у вершины здания — один из способов амортизации, который часто используется в небоскребах.
Огромный маятник поддерживается на стальных тросах, а тягучие жидкие амортизаторы расположены между массой и строением. В случае возникновения вибраций, здание начинает раскачиваться. А шар выполняет функцию маятника, раскачиваясь в противоположном направлении. Так создается противовес вибрационных силам. Маятники настраиваются под частоту вибраций здания, чтобы не создавать резонанс. Пример такой >технологии для сейсмостойкого строительства — тайваньский небоскреб Тайбэй 101.

Читайте также: Тренды в строительстве 2022 : ТОП-10 самых востребованных

Многочастотный успокоитель колебаний

Система устройств вибрационного контроля, которая в случае возникновения вибраций колеблется с резонансными частотами. Состоит из междуэтажных диафрагм, набора консолей, выступающих инерционными демпферами. Они имеют различные периоды собственных колебаний.

Качающаяся основная стена

Недорогая технология, которая успешно работает вместе с применением базовой изоляции с подшипниками из каучука и слоев стали. Сейсмостойкие многоэтажные здания с железобетонным каркасом имеют стену центрального ствола здания колеблется на нижнем уровне здания, чтобы предотвратить разрушения бетона стены. Кроме того, инженеры укрепляют два нижних этажа здания сталью и устанавливают натяжную арматуру по всей высоте. Cтальные тросы проходят через центральный ствол здания. Они работают как резиновые ленты, которые могут быть растянуты гидродомкратами, чтобы усилить временное сопротивление разрыву центрального ствола.

“Плащ-невидимка”

Источник фото:  https://www.techinsider.ru/science/429622-rezonatory-vo-spasenie-kak-predotvrashchayut-zemletryaseniya/
Технология предполагает перенаправление вибрационных землетрясений вместо того, чтобы противодействовать им и полностью отклонять. Она подразумевает созданt  своеобразного “плаща” из ста концентрических колец (бетон, пластик), которые закапывают под фундамент сооружения. Вибрации входят в кольца и благодаря легкости перемещения передвигаются к внешним кольцам, после чего по сути отводятся от конструкции, рассеиваясь в земле.

Технология укрепления структуры здания

• Стены жесткости. Технология для сейсмостойкого строительства, в рамках которой возводят стены из нескольких панелей. Во время движения здания при землетрясении, они помогают конструкци сохранить свою форму. 
• Диафрагмы. Для поддержки используют диагональные стальные балки, которые способны поддерживать сжатие и растяжение. Они являются центральной частью конструкции здания. Состоящие из перекрытий здания, крыши и расположенных над ними настилов, они помогают снимать напряжение с пола и передают силы на вертикальные конструкции здания.
• Жесткий пространственный каркас обеспечивает дополнительную гибкость зданию. Эти конструкции размещаются между стыками здания и позволяют колоннам и балкам изгибаться, в то время как стыки остаются жесткими. Таким образом, здание способно противостоять более сильным землетрясениям, при этом предоставляя проектировщикам свободу расположения строительных элементов.
• Симметричность. Несимметричные конструкций более подвержены действию землетрясений. Поэтому в зоне сейсмической опасности инженеры проектируют симметричные конструкции. Это позволяет равномерно распределялись силы по строению и огранить декоративные элементы.

Читайте также: Устойчивое строительство и технологии, способствующие его развитию

Сейсмостойкие материалы

Устойчивость зданий во многом зависит от материалов, которые использованы для его строительства.

• Стальная ферма. Для сейсмоустойчивых зданий используют конструкционную сталь, которая дает возможность сооружению гнуться без разрушений. Сталь прочнее бетона и кирпича в 10 раз, поэтому использование стального каркаса оправдано. В качестве примера можно привести спальный корпус Калифорнийского университета Беркли. Сейсмостойкое строительство также использует древесину.
• Сплавы с памятью формы. Один из наиболее инновационных материалов, наделенных свойством выдерживать значительные нагрузки, после чего возвращаться к изначальной форме. Вариант такого сплава — никель-титан, на 10-30% эластичнее стали.
•  Углеродное волокно. Дополнительную прочность порядка 40% дает пластиковая пленка, армированная волокном. Пластиковый материал оборачивают вокруг бетонных колонн, а между элементом здания и материалом закачивают эпоксидную смолу. Усиленная углеродным волокном пластиковая оболочка обеспечивает дополнительную прочность. Инженеры также обращаются к природным элементам, чтобы укрепить здания, разрабатываются материалы на основе мидий, паутины, бамбука.
• Картонные трубы. В Японии также применяют картонные трубы, покрытые полиуретаном. Легкая и гибкая конструкция способна выдерживать большие сейсмические нагрузки, чем бетон. 

Укрепление стен сетками

Италия — одна из сейсмически опасных стран, где землетрясения время от времени уносят жизни людей и памятники архитектуры. Согласно с градостроительными нормами страны, все постройки должны иметь уровень сейсмической защищенности. Это правило касается и же построенных домов, которые необходимо укрепить минимум на 60%. По новостройкам эта цифра составляет 100%. Итальянские ученые нашли свой вариант уменьшения риском землетрясения: предложили использовать стальные и базальтовые сетки для укрепления стен. Ими в рамках эксперимента укрепили две стены – одну каменную и другую из туфа. Технология оказалась эффективной для зданий из бетона, стены из туфа, самана. 

Читайте также: Топ-15 инновационных строительных материалов

BIM-технологии в проектировании сейсмостойких зданий

Сейсмическое проектирование является важным процессом структурного анализа при проектировании здания, подверженного вибрациям при землетрясении. Использование инновационных системных подходов, основанных на динамическом анализе, дает лучшее представление о поведении объекта при моделировании сейсмических условий. Процесс можно дополнительно изучить с помощью API-инструментов и технологии BIM. При помощи BIM-моделирования удается увидеть цифровую модель здания, а элементы дополненной реальности дают возможность предсказать возможные сценарии, включая землетрясение.Так можно сконструировать здание, предусмотрев все необходимые нюансы на стадии проектирования. Наличие нескольких стратегий потенциально может увеличить стоимость строительства. Но это позволит избежать гораздо более дорогих ошибок на стадии строительства.
Сейсмостойкость зданий может быть увеличена за счет применения различных типов конструктивных систем. Именно в случае с BIM-проектированием удается выбрать правильные решения, избежать ошибок и конфликтов при возведении сложных объектов.

Технологии для сейсмостойкого строительства: самые укрепленные здания мира

Рассмотрим примеры использования современных технологий на практике: ТОП-5 грандиозных проектов, вошедших в список самых сейсмостойких зданий мира.

• Международный аэропорт Sabiha Gökçen, Стамбул
  Источник фото: https://images.cdn.centreforaviation.com/stories/SABIYA-GOKCGEN.JPG
  Сооружение, расположенное в районе Северо-Анатолийского разлома, способно выдержать землетрясение мощностью до 8 МВт. Специфика местности вынудила инженеров внедрить 292 тройных изоляционных базовых маятниковых изоляционных систем.
  2. 48-ми этажное здание находится возле разломов Сан-Андреас и Хейворд. Сооружение прошло проверку землетрясением порядка 7 МВт в конце 80-х. Верхний этаж 48-этажного здания более минуты раскачивался в боковые стороны практически на 30 см. Башня осталась неповрежденной. Таких успехов удалось добиться благодаря каркасным фермам, расположенным над первым уровнем здания, а также внутренним рамам, достигающих верхних этажей.
     3. Бурдж-Халифа, Дубай
        
        Источник фото:  https://puteshestvovat.comhttps://planradar-website.s3.amazonaws.com/production/uploads/2018/11/burj-khalifa-dubai-1-696×430.jpg

     Самое высокое здание в мире (828 м), где для повышения сейсмоустойчивости здания инженеры использовали 200 сваи-колонны, каждая из которых может выдержать нагрузку в 500 тыс тонн. Механические полы с выносными опорными стенками соединяют колонны по периметру с внутренней стеной. Так удается удерживать боковое сопротивление сооружения.

     4. Небоскреб Тайбэй 101, Тайвань
        

     Грандиозное строение (509,2 м) расположено в сейсмоактивной зоне. Внутри здания находится самый большой настроенный массовый демпфер. Он представляет собой огромный металлический шар, противодействующий вибрациям. Маятниковый подвес в виде стального шара весом 660 тонн расположенным между 92-м и 88-м этажами. Два других 6-тонных гасителя колебаний расположены на вершине шпиля и призваны гасить колебания верхней части здания. Демпфер раскачивается в противоположном направлении вибрациям, если на здание воздействуют силы (ветер, землетрясение).

     5. Стадион Philippine Arena, Филиппины
        
        

     Источник фото: https://populous.comhttps://planradar-website.s3.amazonaws.com/production/uploads/2018/02/1-million-people-gather-at-Philippine-Arena-to-celebrate-the-New-Year-2015.jpg

  Огромная купольная арена, расположенная возле Тихоокеанского огненного кольца. Ее возвели с использованием свинцово-резиновых подшипников, выступающих в качестве амортизаторов. Арена имеет независимую конструкцию основания для всего сооружения, а для стрессоустойчивости используются свинцово-резиновых подшипники, рассеивающие вибрации.

Источник фото:  https://tournavigator.pro/%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE/other/1017/1006/1456923969.jpg

Технологии сейсмостойкого строительства в СНГ: Казахстан

Источник фото: https://s.zagranitsa.com/images/articles/3221/870×486/09d6c8b5a4b0779c6ab1487753a4bb9e.jpg?1459411668
На постсоветском пространстве лидером в разработке сейсмостойкого строительства является Казахстан. Треть территории расположена в сейсмоактивных регионах, а наиболее опасная сейсмическая зона находится в Алматы.
Разрушительные землетрясения уже стирали с лица земли города. Многие помнят катастрофу, которая произошла более ста лет назад на территории нынешнего Алматы. Из-за землетрясения города, который тогда назывался Верным, практически не стало.

В связи с сейсмическими угрозами в Казахстане особый подход к строительству и среди стран бывшего СССР самые жесткие нормы. А в Алмате расположен один из самых сильных в странах СНГ Казахский научно-исследовательский и проектный институт строительства и архитектуры (КазНИИСА). Задаваясь вопросом, как определить сейсмостойкость дома, стоит в первую обратиться в КазНИИСА или акимат Алматы, где хранятся все данные.

Еще в советское время институт начал активные разработки в области сейсмостроительства. Сотрудники Института участником разработки и актуализации норм в СССР по сейсмостойкому строительству и провели экспериментальные исследования, позволяющие прогнозировать поведения зданий в условиях реальных землетрясений. Их результаты были использованы для норм серийных типовых конструкций и проектов на территории СССР, а СНИП РК Сейсмостойкое строительство взят за образец при разработке аналогичных документов Узбекистана, Киргизии и Украины.

• Гостиница «Казахстан» стала первым высотным зданием Алматы. Высотка появилась благодаря разработке института, где изобрели метод строительства сейсмостойкойких зданий высотою в 30 этажей в зоне 9-балльных землетрясений.
• Группа научных сотрудников института привлекается для возведения высотных зданий, в частности 100-метровых 25-этажных башен-близнецов “Алматы-Тауэрс”. В рамках строительства была построена опытная модель, которую подвергли воздействию – сооружение сотрясали с силой в 9-10 баллов.
• Два здания высотой в 28 этажей в сейсмической зоне Алматы в районе интенсивностью 9 баллов возводились по проекту американских фирм, а дублирующие расчеты выполнялись в Японии. В последующие годы проверка сейсмостойкости осуществлялась институтом КазНИИСА с использованием возбуждения колебаний с помощью мощной вибромашины. 
•  Сейчас несмотря на зону сейсмической опасности в Казахстане насчитывается не один десяток высотных зданий. Долгие годы возводится самое высокое здание в Центральной Азии — 320-метровый небоскреб “Абу-Даби Плаза”. Среди самых крупных проектов можно выделить:

1. Изумрудные башни 1 (Нур-Султан) — высота 240 м, 64 этажа 
2. Башни Северного сияния ЦМТ (Нур-Султан) — высота 221 метра, 60 этажей
3. Казахстан Темир Жолы Дом 2 (Нур-Султан) — высота 208 метров, 54 этажа
4. Башня Есентай (Алматы) — высота 200 метров, 52 этажа
5. Emerald Towers 2 (Нур-Султан) — высота 186 метров, 50 этажей
6. Казахстан Темир Жолы Корпус 1 (Нур-Султан) — высота 181 метра, 47 этажей
7. Башня Северного сияния 2 (Нур-Султан) — высота 176 метров, 47 этажей.

Защита от землетрясений основана на совместной работе специалистов многих областей науки. За последние несколько десятилетий технологии достигли значительных результатов. В таких сейсмически активных странах, как Китай, Япония, Индонезия, появляются небоскребы, способные выдерживать невероятные вибрационные нагрузки. Инженеры представили новые конструкции и строительные материалы, которые позволяют увеличить сопротивление здания во время землетрясения.

Возведение сложных конструкций невозможно без использования современных технологий, в частности, BIM-моделирования и применения цифровых облачных решений для управления проектами. Одним из универсальных и эффективных программных решений для оптимизации работы крупных строительных проектов повышенной сложности, в которых задействованы BIM-моделирование и управленческий учет, является наше приложение PlanRadar.

C PlanRadar работают по всему миру в 75+ странах. Мы помогаем эффективно управлять работой на всех этапах проекта, вести и управлять структурированно цифровую документацию, которая в полном объеме всегда под рукой и не требует долгой работы по подготовке – все отчеты формируются автоматически в несколько кликов.

Узнайте больше, как PlanRadar сможет помочь вашему бизнесу выйти на новый уровень эффективности – протестируйте  приложение в течение 30 бесплатных дней!