Бронзовый век стал свидетелем подъема нескольких успешных цивилизаций, в том числе нескольких, которым удалось построить впечатляющие города с упорядоченными сетками и сложной сантехникой. Теперь ученые считают, что тектоническая активность могла способствовать гибели некоторых из этих древних культур. Например, исследование, проведенное в городе Мегиддо (ныне часть современного Израиля), предполагает, что сильное землетрясение могло разрушить город, что привело к образованию слоев, похожих на сэндвичи, обнаруженных при раскопках. И серия землетрясений, возможно, уничтожила хараппскую цивилизацию (на территории нынешнего Пакистана), которая внезапно исчезла в 1900 г. до н. э.
Сегодня мы так же подвержены последствиям мощных землетрясений. Под воздействием внезапных боковых сил, создаваемых сейсмическими волнами, даже современные здания и мосты могут полностью разрушиться и рухнуть, раздавив людей внутри, на них и вокруг них. Во всяком случае, проблема усугубилась по мере того, как все больше людей живет в городской среде и по мере роста структур. К счастью, за последние несколько десятилетий архитекторы и инженеры разработали ряд умных технологий, гарантирующих, что дома, многоквартирные дома и небоскребы будут гнуться, но не ломаться. В результате обитатели здания могут выйти целыми и невредимыми и начать собирать обломки.
На следующих нескольких страницах мы собрали 10 таких технологий, препятствующих землетрясению. Некоторые существуют уже несколько лет. Другие, как и первый пункт нашего обратного отсчета, являются относительно новыми идеями, которые все еще проходят проверку.
10: Левитирующий Фонд
Инженеры и сейсмологи в течение многих лет отдавали предпочтение изоляции фундамента как средству защиты зданий во время землетрясения. Как следует из названия, эта концепция основана на отделении подконструкции здания от его надстройки. Одна из таких систем включает в себя плавание здания над фундаментом на опорах из свинцово-резинового сплава, которые содержат твердый свинцовый сердечник, обернутый чередующимися слоями резины и стали. Стальные пластины прикрепляют подшипники к зданию и его фундаменту, а затем, когда происходит землетрясение, позволяют фундаменту двигаться, не перемещая конструкцию над ним.
Теперь некоторые японские инженеры подняли базовую изоляцию на новый уровень. Их система фактически левитирует здание на воздушной подушке. Вот как это работает: датчики на здании обнаруживают контрольную сейсмическую активность землетрясения. Сеть датчиков связана с воздушным компрессором, который в течение полсекунды после срабатывания нагнетает воздух между зданием и его фундаментом. Воздушная подушка поднимает конструкцию на высоту до 1,18 дюйма (3 сантиметра) над землей, изолируя ее от сил, которые могут разорвать ее на части. Когда землетрясение стихает, компрессор выключается, и здание опускается на фундамент. Не хватает только музыкальной темы из «Величайшего американского героя».
9: Амортизаторы
Еще одна проверенная временем технология, помогающая зданиям противостоять землетрясениям, берет свое начало в автомобильной промышленности. Вы знакомы самортизатором- устройством, которое контролирует нежелательное движение пружины в вашем автомобиле. Амортизаторы замедляют и уменьшают величину вибрационных движений, превращая кинетическую энергию вашей подпрыгивающей подвески в тепловую энергию, которая может рассеиваться через гидравлическую жидкость. В физике это известно какдемпфирование, поэтому некоторые люди называют амортизаторы демпферами.
Оказывается, демпферы могут быть полезны при проектировании сейсмостойких зданий. Инженеры обычно размещают демпферы на каждом уровне здания, прикрепляя один конец к колонне, а другой к балке. Каждый демпфер состоит из головки поршня, которая перемещается внутри цилиндра, заполненного силиконовым маслом. Когда происходит землетрясение, горизонтальное движение здания заставляет поршень каждого демпфера упираться в масло, превращая механическую энергию землетрясения в тепло.
8: Сила маятника
Демпфирование может принимать разные формы. Другое решение, особенно для небоскребов, заключается в подвешивании огромной массы в верхней части конструкции. Стальные тросы поддерживают массу, в то время как демпферы вязкой жидкости лежат между массой и зданием, которое она пытается защитить. Когда сейсмическая активность заставляет здание качаться, маятник движется в противоположном направлении, рассеивая энергию.
Инженеры называют такие системынастроенными массовыми демпферами, потому что каждый маятник настроен точно на собственную частоту колебаний конструкции. Если движение грунта заставляет здание колебаться на своей резонансной частоте, здание будет вибрировать с большим количеством энергии и, вероятно, будет повреждено. Работа настроенного демпфера массы состоит в том, чтобы противодействовать резонансу и минимизировать динамический отклик конструкции.
Taipei 101, что означает количество этажей в небоскребе высотой 1667 футов (508 метров), использует настроенный массовый демпфер для минимизации вибрационных эффектов, связанных с землетрясениями и сильными ветрами. В основе системы лежит 730-тонный (660 метрических тонн) шар золотого цвета, подвешенный на восьми стальных тросах. Это самый большой и тяжелый настроенный массовый демпфер в мире.
7: Сменные предохранители
В мире электричества предохранитель обеспечивает защиту, если ток в цепи превышает определенный уровень. Это прерывает поток электричества и предотвращает перегрев и возгорание. После инцидента вы просто заменяете предохранитель и возвращаете систему в нормальное состояние.
Исследователи из Стэнфордского университета и Университета Иллинойса экспериментировали с аналогичной концепцией в стремлении построить сейсмоустойчивое здание. Они называют свою идеюсистемой управляемого качания, потому что стальные рамы, из которых состоит конструкция, эластичны и позволяют качаться поверх фундамента. Но это само по себе не было бы идеальным решением.
В дополнение к стальным рамам исследователи ввели вертикальные тросы, которые крепят верхнюю часть каждой рамы к фундаменту и ограничивают раскачивание. Мало того, тросы обладают способностью к самоцентрированию, что означает, что они могут вытянуть всю конструкцию в вертикальное положение, когда тряска прекратится. Конечными элементами являются сменные стальные предохранители, расположенные между двумя рамами или в основании колонн. Металлические зубья предохранителей поглощают сейсмическую энергию, когда здание качается. Если они «взорвутся» во время землетрясения, их можно будет заменить относительно быстро и с минимальными затратами, чтобы вернуть зданию его первоначальный вид.
6: Rocking Core-wall
Во многих современных высотных зданиях инженеры используют конструкцию сердцевина-стена для повышения сейсмостойкости при меньших затратах. В этой конструкции железобетонное ядро проходит через сердце конструкции, окружая элеваторные блоки. Для очень высоких зданий основная стена может быть довольно прочной - не менее 30 футов в каждом направлении плана и от 18 до 30 дюймов в толщину.
Хотя конструкция сердцевины и стены помогает зданиям противостоять землетрясениям, это не идеальная технология. Исследователи обнаружили, что здания с неподвижным основанием и несущими стенами могут по-прежнему испытывать значительные неупругие деформации, большие силы сдвига и разрушительные ускорения пола. Одно из решений, как мы уже обсуждали, включает в себя изоляцию основания - плавучее здание на опорах из свинцово-резиновой крошки. Такая конструкция уменьшает ускорения пола и поперечные усилия, но не предотвращает деформацию основания сердцевины-стены.
Лучшее решение для конструкций в сейсмоопасных зонах требует наличия стены с качающимся ядром в сочетании с изоляцией основания. Качающаяся сердцевина-стена качается на уровне земли, чтобы предотвратить необратимую деформацию бетона в стене. Для этого инженеры укрепили два нижних уровня здания сталью и сделали пост-натяжение по всей высоте. В системах пост-натяжения стальные арматуры продеваются через стенку сердечника. Сухожилия действуют как резиновые ленты, которые можно туго натянуть с помощью гидравлических домкратов, чтобы увеличить прочность на растяжение сердцевины-стенки.
5: Сейсмический плащ-невидимка
Вы можете думать о воде или звуке, когда рассматриваете тему волн, но землетрясения также производят волны, классифицируемые геологами кактелоиповерхностные волныПервые быстро путешествуют по недрам Земли. Последние медленнее проходят через верхнюю часть земной коры и включают в себя подмножество волн, известных какволны Рэлея, которые перемещают землю вертикально. Это движение вверх и вниз вызывает большую часть сотрясений и повреждений, связанных с землетрясением.
Теперь представьте, если бы вы могли прервать передачу некоторых сейсмических волн. Можно ли отклонить энергию или перенаправить ее в городские районы? Некоторые ученые считают, что да, и они назвали свое решение «сейсмическим плащом-невидимкой» за его способность делать здание невидимым для поверхностных волн. Инженеры считают, что могут сшить «плащ» из 100 концентрических пластиковых колец, закопанных под фундамент здания. По мере приближения сейсмических волн они входят в кольца на одном конце и остаются внутри системы. Спрятанные внутри «плаща», волны не могут передавать свою энергию конструкции наверху. Они просто обходят фундамент здания и выходят с другой стороны, где выходят из колец и продолжают свой дальний путь. Французская команда протестировала эту концепцию в 2013 году.
4: Сплавы с памятью формы
Как мы обсуждали ранее в обратном отсчете, пластичность материалов представляет собой серьезную проблему для инженеров, пытающихся построить сейсмостойкие конструкции. Пластичность описывает деформацию, которая возникает в любом материале при приложении к нему сил. Если силы достаточно сильны, форма материала может быть изменена навсегда, что ставит под угрозу его способность функционировать должным образом. Сталь может испытывать пластическую деформацию, как и бетон. А между тем оба эти материала широко используются практически во всех коммерческих строительных проектах.
Введитесплав с памятью формы, который может выдерживать большие нагрузки и при этом возвращаться к своей первоначальной форме. Многие инженеры экспериментируют с этими так называемыми умными материалами в качестве замены традиционной конструкции из стали и бетона. Одним из многообещающих сплавов является никель-титан или нитинол, эластичность которого на 10-30 % выше, чем у стали. В одном исследовании 2012 года исследователи из Университета Невады в Рино сравнили сейсмические характеристики мостовых колонн из стали и бетона с колоннами из нитинола и бетона. Сплав с памятью формы превзошел традиционные материалы на всех уровнях и подвергся гораздо меньшему повреждению.
3: Пленка из углеродного волокна
При строительстве нового сооружения имеет смысл учитывать сейсмостойкость, но не менее важно модернизировать старые здания для улучшения их сейсмических характеристик. Инженеры обнаружили, что добавление систем изоляции основания к конструкциям возможно и экономически привлекательно. Еще одно многообещающее решение, гораздо более простое в реализации, требует технологии, известной какпластиковая пленка, армированная волокномилиFRP Производители производят эти пленки, смешивая углеродные волокна. со связующими полимерами, такими как эпоксидная смола, полиэстер, виниловый эфир или нейлон, для создания легкого, но невероятно прочного композитного материала.
При модернизации инженеры просто оборачивают материал вокруг бетонных опорных колонн мостов или зданий, а затем закачивают эпоксидную смолу под давлением в зазор между колонной и материалом. В зависимости от требований к конструкции инженеры могут повторить этот процесс шесть или восемь раз, создавая обернутую мумией балку со значительно более высокой прочностью и пластичностью. Удивительно, но даже поврежденные землетрясением колонны можно отремонтировать с помощью углеродного волокна. В ходе одного исследования исследователи обнаружили, что ослабленные колонны автомобильных мостов, покрытые композитным материалом, на 24-38% прочнее, чем колонны без обертки.
2: Биоматериалы
В то время как инженеры довольствуются сплавами с памятью формы и углеродным волокном, они предвидят будущее, в котором для сейсмостойких конструкций могут быть доступны еще лучшие материалы. И вдохновение для этих материалов, вероятно, может исходить от животного мира. Возьмем скромную мидию, двустворчатого моллюска, найденного прикрепленным к морским камням или после того, как его вытащат и пропарят в вине, на нашей обеденной тарелке. Чтобы оставаться привязанными к своим ненадежным насестам, мидии выделяют липкие волокна, известные какбиссальные нити Некоторые из этих нитей жесткие и жесткие, а другие гибкие и эластичные. Когда волна обрушивается на мидию, она остается на месте, потому что гибкие нити поглощают удар и рассеивают энергию. Исследователи даже подсчитали точное соотношение жестких и гибких волокон - 80:20, - которое придает мидии ее липкость. Теперь нужно разработать строительные материалы, имитирующие мидию и ее сверхъестественную способность оставаться на месте.
Еще одна интересная нить идет из южной части пауков. Мы все знаем, что в весе паучий шелк прочнее стали (просто спросите Питера Паркера), но ученые из Массачусетского технологического института считают, что динамический отклик натурального материала при больших нагрузках делает его таким уникальным. Когда исследователи потянули и потянули за отдельные нити паучьего шелка, они обнаружили, что нити сначала были жесткими, затем растягивались, а затем снова жесткими. Именно эта сложная, нелинейная реакция делает паутину такой эластичной, а паутинную нить - таким дразнящим материалом, который можно имитировать в сейсмостойком строительстве следующего поколения.
1: Картонные тубы
А как насчет развивающихся стран, где экономически нецелесообразно внедрять сейсмостойкие технологии в дома и офисные здания? Неужели они обречены нести тысячи жертв каждый раз, когда земля трясется? Не обязательно. Команды инженеров по всему миру работают над проектированием сейсмостойких конструкций с использованием местных или легкодоступных материалов. Например, в Перу исследователи значительно укрепили традиционные глинобитные конструкции, укрепив стены пластиковой сеткой. В Индии инженеры успешно использовали бамбук для укрепления бетона. А в Индонезии некоторые дома теперь стоят на простых в изготовлении подшипниках, сделанных из старых покрышек, заполненных песком или камнем.
Даже картон может стать прочным и долговечным строительным материалом. Японский архитектор Сигеру Бан спроектировал несколько конструкций, в которых в качестве основных элементов каркаса используются картонные трубы, покрытые полиуретаном. В 2013 году Бан представил один из своих проектов - Переходный собор - в Крайстчерче, Новая Зеландия. В церкви используется 98 гигантских картонных труб, укрепленных деревянными балками. Поскольку конструкция из картона и дерева чрезвычайно легкая и гибкая, она работает намного лучше, чем бетон, во время сейсмических событий. А если он и рухнет, то вряд ли раздавит собравшихся внутри людей. В общем, хочется относиться к картонным трубкам, спрятанным в рулоне туалетной бумаги, с большим уважением.
Примечание автора: 10 технологий, которые помогают зданиям противостоять землетрясениям
Когда в 2011 году в Вирджинии произошло землетрясение, я находился примерно в 55 милях (89 км) от эпицентра. Он произвел грохот, похожий на локомотив, и сдвинул землю тревожным образом, который трудно описать. В небольших городках Луиза и Минерал, недалеко от маминого дома, обрушилась пара строений, и многие другие получили значительные повреждения. Хотя само землетрясение было пугающим, более тревожным было наше коллективное ощущение, что, находясь так далеко от Огненного кольца и постоянной угрозы тектонической активности, мы каким-то образом изолированы от подобных событий. Заставляет меня задуматься, были ли обновлены строительные нормы в Вирджинии, чтобы включить некоторые из этих сейсмостойких технологий.