Кои са иновативните системи за устойчивост на земетръс?

Всеки, който има достъп до интернет и телевизия, знае за бедствието, сполетяло Южна Турция и Северна Сирия, което разруши цели квартали, дори и градове. Двете земетресения с магнитуд 7,8 и 7,5 по Рихтер бяха последвани от близо 6000 вторични труса, които нанесоха допълнителни щети във вече уязвимите региони.

В червено: сгради, видимо разрушени или повредени I Източник: анализ на Ню Йорк Таймс на сателитно изображение от Планет Лабс

Мястото, където е регистриран основният трус, не е случайно. Епицентърът на земетресението е познат като високо сеизмична зона, поради факта, че там се пресичат три тектонски плочи – Арабската, Африканската и Анатолийската. Учудващо е как въпреки този широко познат факт, земетресението доказа, че местните строители и власти не са предприели нужните мерки, които се очакват да бъдат стриктно спазвани в региони с такава уязвимост.

Събития ни карат да се замислим за конструктивните решения и мерки, които трябва да се предприемат при проектирането на сгради в силно земетръсни зони

Това е и причината в основна тема на разговор да се превърне некачественото строителство в страната, вследствие на мащабна корупция на различни нива. Въпреки изискванията за строителство, въведени през 1999 г. вследствие на тежкото Истанбулско земетресение, сградите в района на Газиантеп не успяват да устоят на силните трусове, което единствено говори за неспазване на нормите. Не бива да се пренебрегва и наличието на незаконни постройки в района на земетресението, на които им е дадена държавна амнистия по редица причини.

Изглед на частично срутена сграда в Диарбекир, Турция I Фотограф: Айдън Арик

В тази връзка, към момента, в общественото пространство в страната водеща тема стават структурите, изграждани в Япония, които успяват изцяло да устоят земетресения от магнитуд 9.0 по Рихтер. Точно тези конструктивни решения ще разгледаме в тази статия.

Как да се справим със земетресенията?

В световен мащаб Япония е лидер в конструктивните решения, когато става въпрос за устойчивост на земни трусове.

Магистралата Кобе-Осака е преобърната настрани в източната част на Кобе след голямото земетресение Ханшин от 17 януари 1995 г. | АСОШИЕЙТЕД ПРЕС

След земетресението с магнитуд 7 по скалата на Рихтер през 1995 г., строителството на сгради в Япония се извършва с нулева толерантност. За прилагането на местните стриктни стандарти (наречени кенкукиси), местните инженери, архитекти и строители използват, определените от закона, технологични решения и иновации, които позволяват на сгради с висока етажност, да издържат на сеизмичните натоварвания и въртящия момент.

Устойчиви на силни трусове конструктивни системи

Сеизмични демпфери/амортисьори

Демпфер е всяко устройство, което поглъща вибрациите, като най-често представлява гума с дебелина около 30-50 см. В автомобилите тези устройства се наричат амортисьори или “шокове”, а в сградите ги наричаме демпфери, но и в двата случая те служат за една и съща цел – да намалят или “потиснат” вибрациите.

Източник: анализ на Ню Йорк Таймс

Сеизмичните демпфери разсейват енергията на земетръсните вълни, преминаващи през носещата конструкция, като преобразуват кинетичната енергия на подскачането или люлеенето в топлинна енергия, която след това се разсейва в хидравлична течност. Те действат ефективно и в комбинация с други технологии за сеизмична защита, като обикновено се прилагат на всяко етажно ниво.

Добър пример за използване на тази система в Турция е сградата на летище “Сабиха Гьокчен”. Тя е една от най-големите сеизмично изолирани сгради в света. В нея са използвани 300 отделни демпфера, които могат да намалят с до 80% страничния натиск от земетресението. Това поставя въпроса защо не се предприемат същите предпазни мерки и в другите обществени и жилищни сгради в страната.

Система “Махало”

Методът се използва главно при небостъргачите и представлява демпфер с настроена маса. Системата се състои от стоманен блок с тонове въздушно тегло, поставен в центъра на покривната част на сградата, за да контролира колебанията. С настъпването на земните трусове, сградата започва да се люлее в една посока, докато движението на демпфера изостава. След няколко цикъла демпферът започва да се движи в противоположната посока на сградата и това намалява общото люлеене, позволявайки на високата конструкция да се стабилизира за по-кратко време.

Най-големият масов демпфер е разположен в Тайпе 101 – забележителен небостъргач в Тайван. Сферата тежи 730 метрични тона, а стойността на цялата конструкция достига 1,80 милиарда щатски долара.

Релсова система

Релсовата система, подобно на демпферната, действа създавайки баланс между земята и конструкцията като абсорбира трептенията. Тя поема движението на земната кора със собствените си колебания преди те да достигнат до самата сградата.

Системата е от две части, които са свързани една с друга – сеизмична изолация, поставена при полагането на основите и метални пръти, интегрирани в носещата конструкция. Това позволява на цялата сграда да се движи едновременно със земетръсните сили.

Използваната система позволява хоризонтално изместване на сградата с до 3 метра и марж на разтягане – отдясно, отляво или отпред назад. Чрез този метод, сградата не се противопоставя на земетресенията, а по-скоро се движи в синхрон с трусовете като абсорбира силните такива и равномерно разпределя по-леките.

Подвижни носещи стени

Много от високите сгради имат стоманобетонни ядра, които обикновено служат за асансьорни шахти. В Япония те се изграждат малко по-различно – за придаване на сеизмична стабилност при тях се използват подвижни носещи стени. По време на земетресение носещата конструкция се ‘люлее’ в основата си като леко се откъсва при стъпката си с цел да се предотврати трайната деформация на бетона.

Системата се състои от стоманени въжета, които се прокарват вертикално през ъглите на стените. Когато стените се разклатят, въжетата започват да действат на опън като по този начин увеличат здравината на стената и я центрират отново.

Кои са новоразработваните противоземетръсни системи?

Заедно с вече успешно прилаганите методи, инженерите по цял свят непрестанно проучват и нови възможности за укрепване на сградите. Някои от тези изследвания се основават на съществуващи идеи, а други на изцяло нови.

Вибрираща бариера

През 2015 г. е предложена нова система, наречена “вибрираща бариера”, която е подновена версия на обикновения демпфер. В основата на системата стои тежест, която се стабилизира от двете страни с помощта на пружини и се поставя в кутия, която се вкопава до основите на дадената сграда.

Когато настъпи земетресение, тежестта се притиска в едната и после в другата пружина и по този начин абсорбира вибрациите. Тази технология би била идеална за старите сгради, които не отговарят на съвременните стандарти, като например историческите забележителности.

Специфичното при системата е, че трябва да се ‘калибрира’ на определена честота, която варира за всяка сграда спрямо нейната маса и използваните в нея материали. В зависимост от тези стойности се определя твърдостта на пружините, които ще бъдат използвани.

Според експериментите, тази система може да намали с почти 90% количеството трусове, на които е подложена една сграда. Освен това те биха могли да защитят и няколко сгради едновременно. Разработката все още не е готова да влезе в употреба поради твърде специфичните си настройки.

3D-принтиране, вдъхновен от природен модел

През 2018 г. екип от университета Пурду в Западен Лафайет, Индиана (САЩ) успява чрез 3D принтиране на циментова паста в специфични форми и модели, да подобри реакцията на бетона при земетресения.

Консистенцията на използвания материал има способността да разпредели равномерно налягането по цялата площ, което предпазва от евентуални пукнатини в самата конструкция. Така, при земетръс дори структурата на сградата да бъде повредена, цялостните щети се свеждат до минимум.

Интересно за тази система е, че експериментите се базират на специфичен спираловиден модел, вдъхновен от черупките на членестоногите. Черупките им са структурирани така, че в резултат на натиск, микропукнатините образуват спираловиден модел, който разпределя силите върху голяма площ. Това изследване е съвсем ново и не се знае как точно може да се използва в бъдещи сгради, но добрата новина е, че решението ни за природно бедствие идва от самата природа.

Сеизмични “невидими обвивки” 

Тази техника служи за отклоняване на енергията от земетръс и пренасочването ѝ към околоградските райони, отдалечавайки я от сгради, които могат да нанесат допълнителни щети при срутване.

За изграждането на въпросните “невидими обвивки” се използват метаматериали, които представляват големи масиви от малки резонатори, които манипулират светлината и други електромагнитни вълни. Системата работи по следния начин: поставят се концентрични пластмасови пръстени под основите на дадената сграда, като по време на земетресение, сеизмичните вълни навлизат в пръстените от земната повърхност и по този начин се избягва досега със самата конструкция и сградата става “невидима” за земетръсните вълни.

Вместо това вълните преминават около основите на сградата и се прехвърлят чрез ринговете от другата страна. Твърдостта и еластичността на пръстените трябва да бъдат прецизно контролирани, за да се гарантира, че всички повърхностни вълни преминават плавно през материала, а не се отразяват или разсейват на повърхността му.

Изследователите все още не са изпробвали системата в реални ситуации, но симулирани прототипи продължават да се проектират и тестват. Голямото пространство, необходимо за функционирането на системата прави тази техника неприложима за гъсто населените централни райони на градовете, но би била подходяща за атомни електроцентрали и болници.

Структурите в основите на много сгради от древността, напомнят на “невидимите обвивки”, което предполага, че древните хора са били добре запознати с решения за устойчивост на сеизмичност.

Колизеумът в Рим e пример за древна мегалитна структура, който отговарят на метаматериалната архитектура

Природните бедствия са началото, а не краят на проблема.

Целия свят се възхищава на Япония и на високотехнологичните ѝ иновации в различни области, свързани с устойчивостта на инфраструктурата ѝ при земетресения. В основата на тези успехи са ясните закони и регулации, както тяхното стриктно спазване в процеса на реализация от проектно ниво до неговото изпълнение. Примерите, споменати в статията, доказват, че иновациите в конструктивните решения също играят ключова роля.

Въпросът е: готови ли сме да направим нужните инвестиции във време, хора и ресурси, за да осигурим по-устойчиви сградни съоръжения на природни бедствия? Какво можем да научим и приложим от вече доказания успешен подход на Япония към устойчивостта на земетресения? Важно е да се учим както от грешките си, така и един от друг, за да осигурим бъдеще, в което сградите не служат за временен подслон, а за сигурно убежище.