Соблюдение строгих норм по повышению несущей способности зданий в сейсмоопасных регионах является важнейшим вопросом безопасности. Российские и китайские ученые предложили оптимальное решение, сочетающее высокую надежность и экономическую эффективность. Результаты исследования, демонстрирующие, как совместное применение сейсмоизоляторов и амортизаторов повышает сейсмостойкость пятиэтажных зданий, уже опубликованы в журнале Structures.
Современный подход к сейсмостойкости основан на том, что конструкции зданий должны поглощать сейсмическую нагрузку, получая контролируемые повреждения. Однако последние землетрясения показали, что этого недостаточно. Новейшие исследования подтверждают, что надежнее всего использовать комбинацию двух технологий сейсмозащиты: резиновые изоляторы фундамента (LRB/LNR), которые гасят колебания, и специальные демпферы (BRB), которые принимают сейсмический удар на себя, защищая основные конструкции здания.
«Использование BRB выгодно тем, что они не изгибаются, как классические демпферы, а сжимаются, что позволяет им поглощать значительную энергию землетрясения без потери прочности. Это делает их эффективным решением для защиты высотных и сложных зданий от сильных подземных толчков. Эффективность также доказала гибридная схема, сочетающая в себе изоляторы двух видов (LRB/LNR). Мы решили проанализировать, как объединение этих технологий повысит сейсмостойкость строительных сооружений», — говорит заведующий кафедрой промышленного, гражданского строительства и экспертизы недвижимости УрФУ Никита Фомин.
Для этого в специальном ПО ученые создали детальную модель пятиэтажного железобетонного здания, расположенного в сейсмоопасном районе. Для достижения более точных результатов в модели были учтены способность материалов и элементов конструкции деформироваться и повреждаться. Исследовав различные сочетания средств защиты, ученые пришли к выводу: максимальный эффект сейсмозащиты дает комбинированное использование.
«Результаты моделирования показали, что гибридная система сейсмозащиты (сочетание демпферов и изоляторов: BRB + LRB + LNR) снижает смещение покрытия здания при сильном землетрясении на 18,76 %, ускорение надземных конструкций — на 11,54 %, а деформацию междуэтажных перекрытий — на 26 %. При этом каждая технология сейсмозащиты в отдельности показала меньшую эффективность: использование только демпферов BRB снижает деформации междуэтажных перекрытий на 9,3 %, а только изоляторов — на 11,13 %», — добавляет ученый.
Исследователи также дополнительно разработали новую конфигурацию системы сейсмозащиты здания. Они смогли снизить ее итоговую стоимость на 58 %, сохранив при этом практически ту же эффективность. Итоговая стоимость данной системы для рассматриваемого здания составила 21 280 долларов (в расценках на территории Китая), что делает ее экономически выгодной для практического повышения сейсмостойкости. Главный вывод ученых: демпферы типа BRB должны быть распределены по всей высоте здания, а не только в его нижней части — это условие обеспечения контроля над величиной ускорения надземной части. Будущие исследования будут сосредоточены на проверке этого условия для разных типов зданий и грунтов.
Справка
Сейсмическая активность — это подземные толчки и колебания земной поверхности, вызванные, как правило, движением тектонических плит. Ее уровень отражает интенсивность и частоту землетрясений в определенном регионе. Уровни активности классифицируют от низкой (редкие слабые толчки) до высокой (частые и разрушительные землетрясения). Около 20 % территории России, включая Камчатку, Курилы, Кавказ и Алтай, относятся к сейсмически активным зонам опасности. В таких регионах проживает около 20 млн человек.
BRB (Демпфер с фиксированным выпучиванием) — это стальной демпфер, который эффективно поглощает энергию землетрясения, не теряя устойчивости, и защищает здание от разрушительных деформаций.
LRB (Свинцово-резиновая опора) — это устройство, которое сочетает в себе функции гибкой опоры и демпфера: резиновая часть изолирует здание от толчков, а свинцовый сердечник гасит колебания.
LNR (Обычная эластомерная опора) — это опора из многослойной резины и стали, которая обеспечивает гибкость, чтобы изолировать здание от сейсмических колебаний.