Какие технологии сегодня используют строители для возведения зданий, способных выдерживать землетрясения?
Почему нужны особые технологии?
Подземные толчки в доли секунды расходятся волнами по земле во всех направлениях. Это вызывает вибрацию всей конструкции сооружения. Здания, построенные без учета сейсмической опасности, рассчитаны на вертикальные нагрузки, поэтому поперечные силы, возникающие при землетрясении, быстро разрушают такие постройки.
Чтобы обеспечить безопасность людей, сохранить здание и снизить затраты на его восстановление, приходится строить с использованием особых технологий и материалов.
Основной документ в России, который регламентирует строительство в сейсмоопасных зонах, – СП 14.13330.2018 "Строительство в сейсмических районах" (актуализированная редакция СНиП II-7-81*). Этот свод правил вобрал в себя лучшие разработки советских инженеров и проектировщиков, а также постоянно обновляется с появлением новых технологий. Недавнее землетрясение на Камчатке с пиковыми значениями 8,7 балла – тому подтверждение. Разрушено или повреждено только несколько зданий, остальные постройки уцелели.
В СП 14.13330.2018 обозначено, что предпочтение отдается монолитному железобетонному строительству. Однако есть много нюансов и ограничений. В частности, при создании арматурных каркасов. Допускается использование только 2 видов соединений арматурных стержней: сварки или механической стыковки. Если сварка понятна и привычна, то к муфтам для арматуры некоторые строители до сих пор относятся скептически. Между тем, этот способ стыковки формирует равнопрочное соединение, а еще позволяет выполнять арматурыне работы быстрее и дешевле, чем при использовании сварки.
Резьбовые муфты RECO не только успешно прошли лабораторные испытания на сейсмоустойчивость, но и доказали на практике свою надежность. Вот тут можно посмотреть протокол лабораторных испытаний, а вот тут рассказали, как сделали 13 000 арматурных стыков с помощью резьбовых муфт при строительстве курортного комплекса “Манжерок”, расположенного в сейсмоопасной зоне на Алтае.
Защиту зданий от землетрясений можно условно разделить на два типа:
- Непосредственное усиление несущей способности конструкций для повышения жесткости сооружения.
- Технологии, которые “включаются в работу” непосредственно в момент опасности.
В этом обзоре мы рассмотрим подробнее второй тип.
Сейсмоизоляция
Как уберечь сооружение от пагубного влияния подземных толчков? Как вариант – нужно ограничить контакт фундамента с землей во время опасности.
Для достижения этой цели основание здания делится на 2 части. Нижняя часть опирается прямо на грунт, верхняя часть представляет собой фундаментную плиту. Между этими двумя частями устанавливается сейсмоизоляционная система, что значительно снижает частоту колебаний верхней части во время землетрясений.
Какими бывают сейсмоизоляторы?
Эластомерный изолятор
Это своеобразный “пирог”, состоящий из чередующихся слоев резины и металла. Металлические листы отвечают за вертикальную прочность и жесткость опор, а резиновые – за горизонтальную податливость. При горизонтальных нагрузках (во время землетрясений) такие изоляторы могут сдвигаться в сторону на десятки сантиметров.
Эластомерный изолятор с ядром
Модификация предыдущей системы, дополненная одним свинцовым сердечником или несколькими свинцовыми опорами по периметру всего изолятора. Их преимущество в том, что при землетрясениях низкой интенсивности они работают как жесткие элементы и в горизонтальном, и вертикальном направлениях. При подземных толчках высокой силы эта система сохраняет жесткость в вертикальном направлении, но становится податливой в горизонтальном. Деформационный сдвиг таких опор может достигать 400%.
Скользящие изоляторы
Это системы, которые состоят из двух жестких пластин – верхней и нижней, они фиксируются на верхней и нижней части фундамента соответственно. Нижняя часть скользящей опоры покрывается специальным материалом, снижающим трение. Часто в этих целях используется фторопласт, также известный как тефлон. Скользящие изоляторы очень чутко реагируют даже на малейшие колебания, порог “срабатывания” системы можно регулировать, уменьшая или увеличивая трение между пластинами.
У скользящего изолятора есть недостаток: в его конструкции нет элементов, которые бы стремились вернуть систему в начальное положение после землетрясения. Именно поэтому чаще всего скользящие опоры комбинируют с эластомерными изоляторами.
Изоляторы с пружинами
Представляют собой две пластины, между которыми находятся винтовые пружины. От качества и количества пружин зависит сейсмоустойчивость системы. Обычно используют предварительно релаксированные пружины, чтобы со временем они не теряли своей жесткости. Недостаток этого типа изоляторов в низкой способности уменьшать колебания. Чтобы нивелировать это, к пружинным изоляторам добавляют специальный демпфер. Однако, если использовать много изоляторов с демпферами, увеличится жесткость конструкции и снижается изоляционный эффект. По этой причине рекомендуется комбинировать обычные пружинные системы и системы с демпферами.
Выключающиеся связи
Здание имеет специальные ослабленные конструктивные элементы, которые разрушаются во время подземных толчков и тем самым уменьшают жесткость здания, что в свою очередь снижает частоту колебаний всего сооружения.
Например, установка связевых панелей между несущими стойками нижнего этажа. При интенсивном сейсмическом воздействии, когда возникают колебания, равные или близкие к колебаниям сооружения, панели разрушаются, частота колебаний падает, нагрузка на конструкцию снижается.
Выключающиеся связи актуальны там, где вероятны высокочастотные землетрясения.
Минус технологии в том, что после каждого землетрясения эти связи нужно максимально быстро восстановить, иногда не всегда возможно на практике.
Знаменитая серия домов 122, разработанная специально для Северобайкальска во время строительства БАМа, имеет особую конструкцию. Мощный монолитный фундамент (отметка подошвы фундамента минус 4,6 м). В качестве выключающихся связей – два контрфорса между зданием и фундаментом и в зоне их касания, оборудованные металлическими пластинами, соединенные между собой болтами и заклепками. При подземных толчках нижний контрфорс двигается, болты и заклепки срезаются, пластины смещаются, связь выключается, а здание меняет свои колебания.
Вязкие демпферы
Идею позаимствовали у автопрома. На каждом уровне здания устанавливаются гасители колебаний. Они состоят из поршней, которые ходят в цилиндрах, заполненных силиконовой вязкой жидкостью. Один конец гасителя крепится к колонне, второй – к балке. Во время подземных толчков здание начинает колебаться в горизонтальном направлении, это приводит поршни в движение, создается давление на масло. Так механическая энергия колебаний преобразуется в тепловую.
Из недостатков: жидкость, используемая в таких демпферах, дефицитная и дорогая. Кроме этого, подобные системы требуют периодических проверок в течение всего срока эксплуатации.
Сейсмоизолирующие свайные фундаменты
Это система из свай с высоким ростверком, который соединен со сваями шарнирно. Такой фундамент дополнен наклонными и горизонтальными сваями, а также дисковыми демпферами или другими ограничителями колебаний. При такой конструкции часть сейсмической энергии расходуется на преодоление силы трения, что уменьшает силу, направленную на деформацию здания.
Гасители колебаний (инерционные демпферы)
Чаще всего используются при строительстве небоскребов. По сути, такой гаситель представляет собой маятник с огромной массой, который соединили с несущими конструкциями здания упругими связями (стальные тросы) и с использованием вязких демпферов. Когда здание начинает раскачиваться во время землетрясения, маятник тоже качается, но с большей амплитудой, чем у самого сооружения, что снижает сейсмическую нагрузку на конструкцию на 20-30 %.
В тайваньском небоскребе Тайбей 101 высотой 508 метров установлен такой маятник – сфера весом 660 тонн, подвешенная на 92 этаже. В сердцевине здания установлена еще одна сфера весом 700 тонн. Она висит на 16 стальных тросах между 87 и 91 этажами. Шар стабилизируется 8 демпферами, рассеивающими энергию колебаний, и во время тряски может раскачиваться с амплитудой 1,5 метра. Такая конструкция позволила высотке выдержать землетрясение в апреле 2024 года магнитудой 7,4 балла.
Подобные системы есть и в японском небоскребе в Иокогаме. “Башня-ориентир” возвышается на 296 метров и является третьим по высоте зданием в стране. Внутри на уровне 71 этажа размещены 2 гасителя колебаний. Небоскреб устоял во время разрушительного землетрясения в Японии в 2011 году.
“Парящий” фундамент
Разработка из Японии – одной из самых сейсмоактивных стран мира, где происходит до 1500 землетрясений ежегодно. Авторы идеи – компания Air Danshin. В чем суть технологии?
Между зданием и его фундаментом устанавливается специальная подушка, способная надуваться и сдуваться. Само сооружение снабжается сенсорами, которые улавливают сейсмическую активность. Как только регистрируются первые подземные толчки, сенсоры посылают сигнал мощным компрессорам, которые за полсекунды нагнетают воздух в подушку, поднимая здание над землей на 3 см, что изолирует его от разрушающих вибраций. Как только опасность минует, оборудование отключается, подушки сдуваются, возвращая конструкцию на прежнее место. Сами компрессоры оснащены автономными источниками питания, которые гарантируют их работу, даже если во время землетрясения отключится электричество.
Сегодня уже более 100 домов в Японии оборудованы такой системой защиты.
Вот тут можно посмотреть видео испытаний системы, для чего специально возвели дом (используйте vpn, чтобы посмотреть ролик).
Занавес из карбоновых стержней
Еще одна разработка из Японии, которая, однако, пока не нашла широкого применения. Плетеные стержни из углепластика крепятся к каркасу на крыше здания тянутся до земли под определенным углом. Этими же стержнями укрепляется конструкция сооружения изнутри: лестничные клетки и окна.
Когда здание начинает колебаться под действием сейсмической нагрузки, стержни, будучи очень прочными, но упругими, растягиваются и сжимаются в противовес, защищая здание от тряски.
В 2017 году первые карбоновые нити-стержни были установлены вокруг железобетонного офисного блока текстильной компании в городе Номи.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:
👉 Строительство в Арктике: какие строительные технологии используют в условиях вечной мерзлоты.
👉 4 главных тренда строительной индустрии на ближайшие 5 лет.
👉 Искусственный интеллект в строительстве.
Хотите использовать арматурные муфты в своем проекте?
Свяжитесь с нами, и мы оперативно ответим на все вопросы и обсудим детали: