Ситникова Анна Константиновна
Ассистент и аспирант кафедры Теории сооружений и технической механики ННГАСУ, председатель Совета молодых ученых ННГАСУ, инженер
Землетрясения являются наиболее опасным стихийным бедствием, которое невозможно точно предсказать при краткосрочном прогнозе. По данным сейсмологов, ежегодно на Земле происходит около миллиона землетрясений, при этом во всем мире происходит активизация глобальной сейсмичности. Постоянное увеличение урбанизации территорий повышает риск проживания людей в сейсмических районах и предъявляет новые требования к обеспечению надежности зданий и сооружений. Россия — страна, у которой более 30 % территории находится в сейсмических районах. Поэтому решение задач обеспечения целостности конструкции или минимизации повреждений на основе конструктивных решений и специфических свойств зданий является необходимым при проектировании в сейсмически активных районах.
Стоит отметить, что причины землетрясений могут быть различными: это могут быть, например, техногенные взрывы, работающие механизмы и машины на производстве, обвалы в горах, извержения вулканов, движение поездов, трамваев. Тектонические землетрясения – это те, что мы обычно представляем себе, когда слышим слово «землетрясение». Конвекция мантии и огромное давление внутри приводит к движению литосферных плит, которые при взаимодействии друг с другом накапливают энергию и высвобождают ее в виде упругой волны, которая начинает распространяться в горных породах. Точку, в которой высвободилась энергия, называют гипоцентром, он находится глубоко в недрах земли. Волна по мере ее удаления от гипоцентра затухает, поэтому ее максимальное воздействие будет наблюдаться в наиболее близком к гипоцентру участке земной поверхности. Именно эта наименее удаленная точка, лежащая непосредственно над гипоцентром, называется эпицентром, в ней интенсивность землетрясения будет максимальной, что может привести к серьезным разрушениям.
Для понимания механики воздействия землетрясений на здания необходимо вспомнить два понятия из курса школьной физики. Первое из них – «инертность». Это свойство тел, заключающееся в стремлении сохранить свою скорость неизменной. Упругие волны, распространяющиеся в грунте, приводят к ускорению точек поверхности земли. Здание стремится сохранить свою первоначальную скорость и поэтому начинает деформироваться.
Второе понятие – «колебания». Упругие волны, распространяющиеся в грунте, являются источником колебаний. Свободные (или собственные) колебания — колебания в системе под действием внутренних сил, после того как система выведена из положения равновесия. Колебания тел под действием внешней периодической силы называются вынужденными, а сила — вынуждающей. Такой вынуждающей силой для здания является землетрясение. Амплитуда и энергия вынужденных колебаний зависят от того, насколько различаются частота вынуждающей силы и частота собственных колебаний системы, при приближении значений этих частот друг к другу мы будем наблюдать явление резонанса, заключающееся в резком возрастании амплитуды вынужденных колебаний. Таким образом, одной из главных угроз для здания, находящегося в зоне землетрясения, является приближение частоты колебаний грунта к собственной частоте здания, ведь тогда все колебательные эффекты многократно усилятся, и в здании возникнут сильнейшие усилия и перемещения.
Противостоять разрушительному действию землетрясения можно разными способами. Самый тривиальный из них – увеличение прочности конструкций за счет увеличения сечений. Однако это далеко не всегда выгодно и рационально, так как такой подход ведет к увеличению массы конструкций и, таким образом, к увеличению инерционных сейсмических нагрузок, являющихся главным врагом здания. Конструкция может быть более прочной, но не обязательно экономически эффективной. В связи с этим в современных условиях требуются новые эффективные методы сейсмозащиты. Эти методы предусматривают изменение массы или жесткости или демпфирование колебаний в зависимости от перемещений и ускорений системы.
Одним из активных методов сейсмозащиты является сейсмоизоляция. Сейсмоизолирующие опоры представляют собой поддерживающие конструкции, изолирующие здание от земли и позволяющие основанию и зданию независимо перемещаться. Опоры, в зависимости от конструктивного исполнения, выходят из положения равновесия или деформируются при смещении грунта, а здание по принципу инерции стремится остаться на прежнем месте.
Другим принципом сейсмозащиты являются адаптивные системы. Они позволяют мгновенно менять динамические характеристики конструкций непосредственно во время динамического воздействия. Простейшим примером являются так называемые выключающиеся связи. Представьте трос, натянутый по диагонали между двумя колоннами. Допустим, он не слишком сильно натянут и даже капельку провисает. Тогда в состоянии покоя и при небольших колебаниях он никак не будет помогать нашему зданию. Однако при достижении определенных перемещений колонн, а значит, при приближении явления резонанса он натянется и включится в работу, изменив жесткость нашего здания. Жесткость – это способность конструкции сопротивляться деформации под воздействием внешней нагрузки. Динамические характеристики, в том числе частота собственных колебаний, о которой мы говорили ранее, сильно зависит от жесткости. Соответственно если мы резко изменяем эту частоту, то позволяем нашему зданию проскочить мимо злополучного резонанса.
Следующим способом сейсмозащиты являются демпфирующие системы. Они способствуют рассеиванию механической энергии колебаний путем ее преобразования в другие виды энергии. Этот процесс называется диссипацией (поглощением) энергии. Одним из представителей этой группы сейсмозащиты является фрикционный демпфер, который представляет собой пакет стальных пластин, соединенных через фрикционные диски. Демпфер рассеивает сейсмическую энергию за счет трения, создаваемого фрикционным соединением, которое необходимо преодолеть, чтобы поменять положение демпфера. Или же гидравлические демпферы, основными составляющими которых являются поршень, поршневой шток, гидроцилиндр и рабочая жидкость. Цилиндр с одной стороны и поршень в другой соединены с элементами конструкции, между которыми могут возникать сейсмические/динамические колебания. Смещение заставляет силиконовую жидкость перетекать из одной камеры в другую, работа силы, приложенной к поршню, расходуется на проталкивание рабочей жидкости, кроме того, за счет трения частиц жидкости друг о друга и о поверхности демпфера повышается температура, которая затем рассеивается в окружающую среду.
Еще один вид сейсмозащиты - системы с динамическими гасителями колебаний. Самым известным примером служит инерционный гаситель, установленный в небоскребе Тайбей 101, в виде гигантского золотого шара. Этот гаситель выполняет роль стабилизатора, когда здание движется в одном направлении, он раскачивается в противоположную сторону.
Современные достижения инженеров-строителей и ученых позволяют строить уникальные здания в самых, казалось бы, неблагоприятных для этого местах. Строительство – это сфера, где постоянно приходится сталкиваться с вызовами, проявлять творческий подход, изобретать. Это делает нашу профессию особенно интересной и востребованной!
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки