Блочная технология строительства: экономичное спасение для сейсмоопасных регионов

Обеспечение структурной целостности и безопасности зданий в сейсмических регионах — сложная и ответственная задача. Нужно правильно подобрать материалы и методы строительства так, чтобы строение пережило экстремальную нагрузку. Сегодня для этого применяют:

• Прочные металлические каркасы
• Упругие подшипники и амортизаторы, поглощающие и рассеивающие энергию землетрясения
• Гибкие соединения, которые слегка перемещаются относительно друг друга, что помогает снижать напряжение и деформации

Несмотря на эффективность этих инструментов, инженеры продолжают искать новые, более эффективные технологии строительства. Так, несколько лет назад польские эксперты представили миру свою разработку — SYSTEM 3E. В чём её особенности и подходит ли она для сейсмоопасных регионов? Разбираемся в этой статье.

О строительстве в сейсмоопасных зонах

Любой проект подобного рода начинается с тщательных геологических и сейсмических изысканий. Эти исследования помогают:

• Определить типы грунтов и их устойчивость к сейсмическим нагрузкам
• Установить наличие геологических деформаций, которые могут повлиять на устойчивость здания
• Понять характер сейсмоактивности и выявить наилучшие решения для строительства

В законодательной практике можно найти не один пример норм и стандартов, направленных на обеспечение безопасности людей в случае сейсмической активности. Так, европейский Eurocode 8 определяет критерии проектирования и оценки конструкций в сейсмических зонах, в то время как в США аналогичные рекомендации для конкретных территорий указаны в Международном строительном кодексе (International Building Code, IBC). Соблюдение этих норм гарантирует, что здания смогут выдержать сейсмические нагрузки разных уровней опасности (низкий, умеренный, высокий) на основе показателей максимального ускорения грунта.

Но давайте отвлечёмся от законодательства и рассмотрим реальные технологии, которые уже не первое десятилетие используют в сейсмоопасных регионах. Пожалуй, наиболее интересной в этом контексте будет строительная практика в Японии — одной из самых сейсмически активных зон планеты. Помимо усиленных стальных каркасов и гибких соединений там используют такие интересные решения, как:

• Специальные маятники массой 300-600 тонн, устанавливаемые на крышах небоскрёбов. Во время землетрясений это устройство (как правило, стальной шар) уравновешивает колебания, помогая сохранять вертикальное положение здания
• Свинцово-резиновые опоры, которые размещают между фундаментом здания и грунтом. Они работают как «подушки», учитывая горизонтальные колебания, благодаря чему снижается риск разрушения постройки

Что используют в России?

Основным документом, регулирующим строительство в сейсмоактивных районах, является СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах». Также существуют различные проектные организации, оказывающие услуги для застройщиков в таких зонах.

Среди технологий и материалов, которые применяют в России, можно отметить следующее:

• Свайные или плитные фундаменты. Их выбирают из-за повышенной устойчивости к сейсмическим колебаниям. Такие фундаменты закладываются на глубину, где грунт обладает достаточной прочностью и стабильностью. В некоторых случаях они могут дополнительно укрепляться с помощью армирования
• Металлические каркасы. Металлокаркасы обладают высокой прочностью и способны нивелировать деформации, возникающие при землетрясениях. Они обеспечивают жёсткость и устойчивость всей конструкции здания, что минимизирует риск разрушения
• Амортизирующие системы. Конструктивные элементы в виде упругих подшипников и амортизаторов поглощают и рассеивают энергию колебания тектонических плит. Это позволяет значительно снизить вибрации и уменьшить нагрузку на основной каркас здания
• Особенные материалы. Монолитный железобетон считается одним из лучших материалов для строительства в сейсмических регионах благодаря высокой прочности и способности выдерживать значительные динамические нагрузки. Кроме него используют различные композиты: для армирования бетона или создания отдельных конструктивных элементов

Также при строительстве в сейсмоактивных районах важно избегать асимметричной архитектуры и крупных навесов, которые могут создавать дополнительные нагрузки и слабые точки в конструкции. Повысить безопасность людей в здании помогут и малоэтажные постройки широкой формы. Ну и, конечно же, инженеры не обходятся без современных методов компьютерного моделирования, которые позволяют им заранее прогнозировать поведение строений при землетрясениях и вносить необходимые изменения в проект.

Несмотря на надёжность уже известных методов строительства в сейсмоопасных регионах, специалисты не останавливаются на достигнутом и продолжают искать новые технологии.

SYSTEM 3E: описание и преимущества

Польские эксперты разработали SYSTEM 3E, в основе которой лежат блоки, сделанные из перлита и имеющие уникальную форму. Эти особенности позволяют ускорить процесс сборки конструкции и не использовать связующий раствор. Кроме того, по словам создателей, при использовании SYSTEM 3E в своём проекте вы сможете значительно повысить показатели энергоэффективности и экологичности, а также сэкономить бюджет.

Хотя технология изначально разрабатывалась в контексте экологической повестки, благодаря особенной геометрии блоков в виде конуса МорзеКонус Морзе — конический хвостовик инструмента, разработанный Стивеном А. Морзе приблизительно в 1864 году. она отлично подходит для сейсмических регионов. Прилегающие поверхности примыкают друг к другу очень плотно, а готовые перегородки выходят особенно прочными. Такой метод соединения элементов позволяет получить конструкцию с физико-механическими свойствами, соответствующими характеристикам перлита.

В результате, во время колебаний тектонических плит, нагрузки на объект будут распределяться равномерно. Кроме того, конструкции SYSTEM 3E устойчивы к сильным ветрам, а компьютерное моделирование показывает, что им не требуются дополнительные усиления бетоном или сталью.

Ключевые аспекты исследований по применению SYSTEM 3E в сейсмических регионах

SYSTEM 3E были подвержены разным испытаниям, включая статический и динамический анализ с использованием линейного и нелинейного метода конечно-элементного моделирования для оценки структурного поведения конструкций при сейсмических нагрузках. В этих тестах также учитывалось воздействие сейсмических волн, возникающих в результате тектонических сдвигов, которые проходят сквозь землю и создают нагрузки на конструкции через горизонтальные силы.

В результате исследований было установлено:

• В ходе макромоделирования при целевом смещении на 0,5 и 1%, нагрузка, необходимая для вызывания таких смещений, составила 300 и 600 кН соответственно. Эти показатели отражают способность конструкции SYSTEM 3E поглощать и рассеивать сейсмическую энергию без катастрофического разрушения
• Система продемонстрировала устойчивость при различных сценариях статического и динамического нагружения, в том числе на основе данных о концентрации напряжений и смещений
• Предварительные статические анализы показали, что SYSTEM 3E обеспечивает прочность конструкции при нагрузках в плоскости, соответствующих ускорениям от 0,05g до 3,0g. Это достаточно широкий диапазон, охватывающий сценарии возникновения как низкого, так и высокого уровня сейсмической опасности

Сегодня создатели технологии продолжают проводить более комплексные экспериментальные испытания, включая анализ предыдущих происшествий и оценку динамического отклика, чтобы полностью доказать возможность применения технологии в сейсмоопасных районах. Кроме того, они проводят тестирования систем для своевременного оповещения людей о землетрясении.

Выводы

Строительство в сейсмических регионах отличается применением различных нестандартных технологий и материалов, основная цель которых: снизить риск разрушения здания и повысить его устойчивость, а значит, и безопасность людей. Металлические каркасы, особенные конструкции фундаментов для рассеивания энергии (укрепляемые арматурой), особопрочные железобетонные и композитные материалы — лишь малый список того, что используется в современных проектах. И несмотря на надёжность этих решений, инженеры продолжают искать новые, более экономичные и экологичные методы, вроде блоков с нестандартным методом укладки.

А какие другие решения знаете вы? Расскажите нам про них в комментариях!