XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Землетрясения относятся к опасным природным бедствиям, которые нельзя контролировать и невозможно предотвратить. При землетрясениях не только разрушаются здания и сооружения, но и гибнет огромное количество людей. По шкале MCS (Merkalli-Cancali-Sieberg) землетрясения интенсивностью 1-4 балла не ощущаются на рельефе, но уже могут ощущаться в домах; при 5-7 баллах — ощущаются на рельефе, а в конструкциях зданий могут вызывать повреждения; землетрясения интенсивностью 8—12 баллов считаются сильными, разрушительными и катастрофическими.

Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений, в том числе и высотных, достигается путем градостроительных, объемно-планировочных и конструктивных мероприятий. [1]. За последние несколько десятилетий наработаны значительные достижения в изучении влияния землетрясений на здание. Доказано, что в сейсмически опасных районах лучше применять симметричные конструктивные системы и схемы с равномерным распределением жесткостей конструкций и масс. Конструкции первого этажа, передающие перемещения фундаментов, вызванные землетрясением, вверх, должны иметь большую вертикальную жесткость. С точки зрения сейсмики нежелательно сужение формы небоскреба сверху вниз. Необходимо снижать массу вверху здания, не размещая на верхних этажах тяжелые перегородки, архивы, резервуары с водой и т.п. Основной вес необходимо располагать как можно ниже. В районах, где есть землетрясения, здания должны быть простой формы, иметь симметричные планы с симметричным расположением ядер и стен жесткости. Высотные здания сложной формы желательно проектировать составными, состоящими из нескольких более простых по форме объемов. При несоблюдении этих правил при сейсмических толчках возможно возникновение больших крутящих моментов, которые могут вызвать разрушение сооружения. [2]

В настоящее время одним из главных направлений в области архитектурного проектирования высотных зданий является направление по созданию новых форм сооружений. Достижения в области технологий автоматизированного проектирования позволяют создавать небоскребы сложных несимметричных форм: изогнутые, ломаные, спиралеобразные и др. Это ставит перед инженерами-проектировщиками и архитекторами сложную противоречивую задачу: спроектировать здание одновременно и сейсмоустойчивым, безопасным, и архитектурно выразительным. Поэтому разрабатываются новые проектные решения, создаются новые строительные материалы с высокими прочностными показателями.

При проектировании высотных зданий следует уделять внимание возможности появления сейсмических воздействий, даже если вероятность их возникновения очень мала. Необходимо также отметить, что опыт строительства высотных зданий показывает, что на нижних и верхних этажах возникают разные эффекты при воздействии сейсмических нагрузок. Например, расшифровки сейсмограмм, записанных в Москве в 1977 и 1986 годах, показали, что землетрясения силой до 4 баллов на уровне поверхности земли приводят к возникновению на верхних этажах эффектов, соответствующих воздействиям силой 6, 7 и более баллов.

Традиционный подход к проектированию сейсмостойких зданий заключается в обеспечении здания прочностью, жесткостью и способностью к неупругой деформации, позволяющих выдерживать уровень нагрузок, вызванных землетрясением. В настоящее время при проектировании зданий в сейсмоопасных районах применяют также нетрадиционные методы.

Один из методов заключается в применении сейсмоизолирующих фундаментов. Его суть состоит в том, что фундамент отделяется от конструкции здания выше фундамента. Одна из систем, работающих на основе данного принципа, представляет собой свинцово-резиновые подшипники, в которых имеется свинцовое ядро, окруженное чередующимися слоями резины и стали. При помощи стальных пластин подшипники крепятся к зданию и фундаменту. Это позволяет во время землетрясений фундаменту двигаться, не затрагивая вышележащие конструкции.

Второй метод заключается в применении устройств, рассеивающих энергию землетрясений. Является пассивным методом. Контроль сейсмических повреждений в зданиях и улучшение их сейсмических характеристик осуществляется при помощи установки сейсмических демпферов, которые уменьшают магнитуду вибраций, превращая кинетическую энергию колебаний в тепловую энергию, рассеиваемую через тормозную жидкость.

Третий метод основан на установке систем активного контроля сейсмостойкости (активный метод). Содержит 3 основных элемента: датчики для измерения сейсмических толчков и / или структурной реакции (деформации балок, колонн); программное обеспечение для вычисления управляющих сил на основе наблюдаемого возбуждения и / или структурной реакции; приводы для обеспечения необходимых сил управления.

Активный метод-самый дорогой способ, но имеет преимущество по отношению к пассивному, так как эффективность пассивных систем наблюдается только для тех колебаний, на которые они настроены. Преимущество активной системы заключается в ее гораздо более широком диапазоне применимости, поскольку управляющие силы генерируются на основе анализа фактических нагрузок и деформаций строительных конструкций. [4]

Н есколько позднее появились полуактивные системы управления, возникшие на основе пассивных систем управления и требующие небольшого количества внешнего питания. В полуактивных системах используются контролируемые жидкости. Важным свойством этих жидкостей является их способность обратимо изменять свободное течение в полутвердое состояние при воздействии магнитного или электрического поля.

Рассмотрим особенности приёмов обеспечения сейсмоустойчивости для некоторых высотных зданий мира, построенных в к. ХХ - н. ХХI века.

 

Рис. 1 U. S. BankTower (Лос-Анджелес, Калифорния, США, 1987-1989, Генри Кобб )

На рис. 1 представлена башня банка США в Лос-Анджелесе. Кроме красивого внешнего вида с архитектурной точки зрения, небоскреб имеет особую сейсмоустойчивость. Так как Лос-Анджелес построен в зоне высокой сейсмической активности, несущие конструкции высотного здания были запроектированы с большим запасом прочности. Данный небоскреб обладает уникальной стержневой конструкцией, позволяющей ему выдерживать подземные толчки силой до 8 баллов по шкале Рихтера [6].

 

Рис. 2 Yokohama Landmark Tower (Иокогама, Япония,1990-1993,Hugh Asher Stubbins)

Одно из самых известных зданий Японии – «Башня Ориентир», – находится в городе Иокогама (см.рис.2). Трёхсотметровое сооружение запроектировано с учетом комплекса с ейсмостойких мер. Все здание Yokohama Landmark Tower находится на роликовых конструкциях, которые позволяют земле под зданием колебаться, не затрагивая при этом сооружение. Помимо этого, в сооружении на уровне 71-го этажа находится два инерционных демпфера, которые колеблются с резонансной частотой здания, благодаря специальному пружинному механизму. Даже если эти предосторожности не сработают во время землетрясения, то сыграет роль тот фактор, что здание сооружено из гибких материалов, которые гнутся во время землетрясения, но не рушатся [5].

Одним из самых сейсмоустойчивых известных небоскребов мира являетсяТайбэй 101 (см.рис.3), построенный в Тайване.

Рис. 3 Тайбэй 101 (Тайбэй, Тайвань, Китайская Республика,1999-2003, C.Y. Lee)

Особенность демпферной системы небоскреба. Сердцем здания является огромный 700-тонный шар, сопоставимый по весу с весом почти двух «Боингов». Большой шар-маятник подвешен на 16-ти стальных тросах между 87-м и 91-м этажами. Туристы свободно могут наблюдать это чудо инженерной мысли. Шар сделан из отдельных стальных пластин (41 шт.) Перемещения этого огромного маятника удерживают 8 демпферов и масляные амортизаторы. Они поглощают и рассеивают энергию колебаний. Так же два гасителя (по 7 тонн каждый) и сложная система амортизирующих пружин находятся в шпиле здания.

В случае катастрофической силы землетрясения или тайфуна, которые случаются примерно раз в сто лет, шар будет раскачиваться с амплитудой 1,5 м и встретит кольцо буфера-ограничителя, который снабжен восемью дополнительными вязкостными демпферами. При обычных условиях амплитуда колебаний маятника составляет приблизительно 10 см. Управление демпферами происходит благодаря компьютерной системе.

 

 

 

 

О

собенности опорной системы. На 80 метров под землю уходят 380 штук бетонных свай. По сторонам сооружения находятся колонны из бетона в стальном корпусе. В центре небоскреба (в ядре жесткости) – 16 колонн сечением 2,3х3 м. По мере увеличения высоты здания, эти опоры становятся все более тонкими. Начиная с 66-го этажа, колонны состоят полностью из стали. Сверхмощные колонны окружает гибкая стальная решетчатая система, которая будет изгибаться во время землетрясения. Благодаря ей, обеспечивается наружный уклон стен здания и повторяется форма перевернутой пирамиды, никогда в современной строительной практике ранее не использовавшаяся. [7].

Одним из самых известных небоскребов Мексики является Башня Майор (см.рис. 4). При ее строительстве были использованы особые технологии. Фундамент здания составляет 46 кубометров, а общий вес металлического каркаса – 21т. В сооружении используется 98 сейсмических демпферов (см. рис.5), которые во время землетрясения «гасят» перемещения конструкций в здании и рассеивают часть энергии. Башня способна выдерживать подземные толчки силой в 8,5 баллов по шкале Рихтера. [8].

 

Рис. 6 Бурдж-Халифа (Дубай, ОАЭ, 2004-2010, Эдриан Смит)

М ного интересных небоскребов в Дубае. Самая высокая башня Бурдж-Халифа (см.рис.6) имеет высоту более 800 м. Спроектировали её так, чтобы выдержать подземные толчки большей силы, чем бывают в этом районе. Специально для этого разработали особую марку бетона, которая выдерживает высокие температуры. Небоскреб имеет в основании фундамент, опирающийся на, так называемые, висячие сваи, длина которых доходит до 45 метров. По разным данным, башня может выдержать подземные толчки магнитудой 5,5–7,0 баллов по шкале Рихтера. Этот показатель гораздо выше любого числа из всех произошедших в Дубае землетрясений. [9]

В заключение можно сказать следующее. Накопленный большой опыт в изучении сейсмозащиты и сейсмоизоляции высотных зданий позволяет возводить безопасные небоскребы, которым не страшны стихийные бедствия. Технологии строительства сейсмостойких зданий развиваются, проходя многочисленные испытания, и, только подтвердив свою надёжность, применяются на практике. Поэтому в будущем нас ждет много удивительных небоскребов, поражающих своей красотой и сложностью строительства.

Список литературы:

1. Корчинский И.Л. Сейсмостойкое строительство зданий - М.: Высшая школа, 1987.г.-С.260

2. Сейсмические воздействия на высотные здания [Электронный ресурс]. URL: http://ctcmetar.ru

3. Сюй Пэйфу, Фу Сюеи, Ван Цуйкунь, Сяо Цунчжэнь. Проектирование современных высотных зданий // Издательство ACB, 2008. 462 с.

4. Инженерный вестник Дона, №1 (2019) [Электронный ресурс]. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5510

5. Крупнейшие сейсмостойкие здания мира [Электронный ресурс]. URL: https://www.infoniac.ru

6. Башня банка США в Лос-Анжалесе [Электронный ресурс]. URL: https://wikiway.com

7. Башня Тайбэй 101 [Электронный ресурс]. URL: https://wikiway.com

8. Торре-Майор, Мехико [Электронный ресурс]. URL: https://womanadvice.ru/torre-mayor

9. Журнал Infoniac Семь крупнейших зданий в мире // Технологии 2011. С. 1

Код для цитирования: Скопировать