В течение почти двух десятилетий в Калифорнийском университете Сан-Диего находился ключевой инструмент для изучения землетрясений: стальная платформа размером 40 на 25 футов, которая с помощью гидравлической системы имитирует сейсмические движения. Этот "трясущийся стол", который может буквально сотрясать все, что находится на нем, является одним из крупнейших в мире. С момента открытия в 2004 году на нем было испытано более 30 конструкций, результаты испытаний легли в основу изменений строительных норм и правил и правил дорожного движения. Но в течение последних девяти месяцев стол стоял неподвижно, пока на нем готовился беспрецедентный эксперимент: изготовленное на заказ 10-этажное деревянное здание, самое высокое из всех, когда-либо подвергавшихся испытанию на прочность.
По словам главного исследователя Шилинга Пея, цель проекта с метким названием TallWood - доказать, что деревянные здания могут выдерживать сильные толчки без потери структурной целостности. Благодаря меньшему углеродному следу, чем у бетона или стали, дерево в последние годы становится все более популярным строительным материалом. Кроме того, по словам Пея, гибкость деревянных конструкций делает их особенно подходящими для того, чтобы пережить землетрясение - вспомните способность ветвей деревьев сгибаться и не ломаться. И хотя годы исследований и моделирования позволяют ему с уверенностью утверждать о таких зданиях, он стремится продемонстрировать их в реальном мире, чтобы доказать силу деревянных конструкций широкой аудитории.
"Это доказательство того, что, используя современные технологии, мы можем построить 10-этажное здание и получить устойчивые результаты после землетрясений", - сказал Пей. "Мы планируем, что на здание обрушится около 40 землетрясений, и оно не получит структурных повреждений". По крайней мере, такова надежда.
Пей, который также является профессором гражданского и экологического строительства в Горной школе Колорадо, специализируется на системах лесоматериалов и смягчении последствий стихийных бедствий с помощью инженерных средств, что делает его уникальной кандидатурой для данного проекта. Но он - лишь часть обширной многопрофильной команды, которая работает над этим проектом с 2016 года в рамках программы Национального научного фонда "Инфраструктура инженерных исследований природных опасностей" (NHERI). В состав команды входят специалисты из шести университетов, более двух десятков промышленных партнеров, а также Лесной службы США и других государственных учреждений.
Члены этой команды впервые испытали свои теории о древесине на практике в 2017 году, построив двухэтажное деревянное здание для вибростенда. По словам Пея, оно успешно выдержало около 30 "землетрясений", включая движения, смоделированные по образцу Нортриджского землетрясения магнитудой 6,7, которое произошло почти три десятилетия назад в Калифорнии.
10-этажный проект TallWood основывается на этих исследованиях, в буквальном смысле слова, не только по высоте, но и по дизайну. По своей сути это массовая деревянная система, то есть она состоит из слоев древесины, сложенных в цельные панели, которые можно собрать в нужную форму - "сборка ИКЕА на стероидах", как описывает ее Пей. Хотя эта модель создается только для вибростола, есть надежда, что в случае успеха конструкция может быть воспроизведена в реальном мире.
Ключевым элементом сейсмоадаптивной конструкции являются так называемые "качающиеся стены", которые сделаны таким образом, чтобы обеспечивать движение. Вместо того, чтобы стены были прочно прикреплены к фундаменту из стальных балок основания, которые являются опорой на грунт для вибростола, они устанавливаются сверху и удерживаются в нужном положении стальными стержнями, которые проходят по всей конструкции. Эти брусья действуют как резиновые ленты, удерживая стены на месте, но в то же время обеспечивая определенную гибкость. Таким образом, если произойдет землетрясение, качающиеся стены будут трястись и даже подниматься от фундамента, а прутья не дадут им сильно отклониться от линии. Такая конструкция позволяет предотвратить возникновение структурных повреждений зданий, которые наблюдались после землетрясений, что может привести к обрушению или трудно устранимому дефекту.
Другие элементы, такие как колонны и гнущиеся плиты, также помогают рассеивать энергию, а стальная арматура помогает смягчить любые структурные повреждения. Один из главных исследователей Джеффри Берман, профессор гражданского строительства в Университете Вашингтона, описал общую композицию в радиоинтервью NHERI как по сути "структурную систему без повреждений", поскольку эта конструкция может принимать множество движений.
Здание TallWood также оснащено неконструктивными элементами, такими как двери, окна, лестницы, потолки и дополнительные стены. Кери Райан, инженер по сейсмостойкому строительству из Университета Невады Рино и еще один со-главный исследователь проекта, объяснил в другом радиоинтервью NHERI, что это важно для получения более полной картины того, как реальные деревянные здания будут реагировать на землетрясение.
"В прошлом инженерное сообщество, занимающееся сейсмостойким строительством, концентрировалось в основном на структурном проектировании, но при прошлых землетрясениях большая часть ущерба приходилась на неструктурные системы", - сказал Райан, приведя в качестве примера этого явления землетрясение в Нортридже.
Мы надеемся, что проект покажет, что большая деревянная конструкция может быть устойчивой к землетрясениям, возможно, даже лучше, чем бетонная, кирпичная или стальная, и в то же время лучше для окружающей среды в целом.
Хотя строительство здания TallWood было завершено в начале этого года, команда все еще вносит последние штрихи, включая более 700 датчиков для регистрации таких данных, как смещение здания и ускорение. Они также устанавливают десятки камер, чтобы увидеть, как выглядят испытания с разных сторон здания, поскольку во время имитации сейсмических толчков оно, конечно же, будет пустовать. Последним шагом перед началом испытаний TallWood будет проведение небольших испытаний на трясущемся столе, чтобы убедиться, что система с гидравлическим приводом работает должным образом после нескольких месяцев покоя.
После того, как плита получит разрешение на официальные испытания, которые начнутся весной этого года, эти сотни точек данных будут сопоставлены с моделями исследовательской группы, чтобы увидеть, как они сочетаются и нужно ли вносить какие-либо коррективы. Если все пройдет, как ожидалось, и структурные компоненты здания останутся неповрежденными, то, по словам Пея, команда TallWood надеется, что ее проект можно будет повторить в других зданиях и использовать для разработки будущих строительных норм и правил. Все данные в конечном итоге будут размещены в общедоступной базе данных, что позволит другим исследователям интегрировать их в свои собственные модели и эксперименты.