Как происходят землетрясения?

Как инженер, чтобы облегчить решение проблемы, прежде важно понять, что это такое. 

Все знают о существовании тектонических плит и о том, как они влияют на движение земной коры. Землетрясения происходят, когда эти тектонические плиты движутся или сталкиваются друг с другом и выделяют большое количество энергии. Это измеряется с помощью шкалы Рихтера.

Профессор Иэн Стюарт, геолог из Плимутского университета, объясняет, как происходят землетрясения и их последствия. Эти знания имеют важное значение при сооружении и проектировании сейсмостойких зданий.

Одним из основных элементов любого сейсмостойкого здания является базовая изоляционная система.

Что такое сейсмические базовые изоляторы?

Сейсмические базовые изоляторы- это системы, разработанные инженерами для предотвращения нагрузки во время землетрясений. Такие системы используются во всем мире и наиболее распространены в Новой Зеландии, Индии, Японии, Италии и Соединенных Штатах.

Оно состоит из свинцово-резиновых подшипников или колодок, которые закреплены так, чтобы во время землетрясения они могли двигаться по фундаменту, но при этом сама конструкция здания, расположенная над ними, оставалась неподвижной. 

По данным Центра изучения науки, во время землетрясения здание может двигаться примерно на 30см или более относительно Земли. 

Чтобы работать с максимальной эффективностью, базовые изоляторы также требуют твердой почвы, а не рыхлой.

1. Международный аэропорт имени Сабихи Гекчен 

Один из крупнейших аэропортов, обслуживающих исторический город Стамбул, являющийся одним из самых сейсмостойких зданий в мире. Он называется Сабиха Гекчен и является одним из двух международных аэропортов в Стамбуле, Турция, который расположен недалеко от Северо-Анатолийского разлома.

Он был спроектирован инженерной фирмой Ove Arup, и имеет 300 базовых изоляторных систем, которые могут выдержать землетрясение мощностью не более 8,0 МВт (моментальная магнитуда). Базовые изоляторы позволяют снизить  сейсмические нагрузки на 80%, что делает его одним из крупнейших сейсмически изолированных сооружений в мире.

Одной из главных особенностей аэропорта, которая делает его таким сейсмостойким, является его так называемое "маятниковое устройство тройного трения".

Тройной фрикционный маятниковый подшипник аэропорта был изготовлен компанией "Сейсмозащитные системы" (EPS). Они используют принцип основного маятника, чтобы продлить изоляцию конструкции во время серьезных землетрясений.

Когда землетрясение поражает здание, сейсмостойкие конструкции аэропорта перемещаются с небольшими маятниковыми движениями. Вызванные землетрясением смещения происходят главным образом в подшипниках, поэтому боковые нагрузки и движения, передаваемые конструкции, значительно уменьшаются.

2. Пирамида Трансамерики 

Пирамида Трансамерики-это культовое сооружение 1970-х годов, расположенное в калифорнийском городе Сан-Франциско. В 1989 году в этом районе произошло землетрясение магнитудой 6,9 МВт, в результате которого верхний этаж здания раскачивался почти на 30 см из стороны в сторону более минуты, но само здание оставалось целым и невредимым.

Все благодаря 16 метровому железобетонному фундаменту, который предназначен для высокой сейсмостойкости здания. Вертикальные и горизонтальные нагрузки поддерживаются уникальной фирменной системой над первым уровнем, с внутренними рамами, простирающимися до 45-го уровня. Сложное сочетание этих конструктивных систем делает здание довольно устойчивым.

3. Отель Burj Khalifa 

Уникальное во всех отношениях строение не нуждается в представлении.

Для того, чтобы удержать в вертикальном положении огромную конструкцию, а также повысить сейсмоустойчивость здания, были использованы висячие сваи-колонны длиной 45 м и диаметром 1,5 м, каждая из которых выдерживает нагрузку в 0,5 млн тонн. Плюс ко всему были созданы механические полы, в которых выносные опорные стенки соединяют колонны по периметру с внутренней стеной. Благодаря этому колонны периметра способны удерживать боковое сопротивление конструкции, причем их строгая вертикальность помогает выдерживать и гравитационные нагрузки.

В результате Бурдж-Халифа обладает исключительной жесткостью, и может выдержать подземные толчки магнитудой 7 баллов по шкале Рихтера. В результате проведения обширных сейсмических и геотехнических исследований была получена сложная система проектирования фундаментов.

4. Тайбэй 101 

Тайбэй 101-это, пожалуй, один из самых завораживающих небоскребов в мире. Отложив в сторону архитектуру, умопомрачительный факт о Тайбэе 101 заключается в том, что в нем находится самый большой настроенный массовый демпфер в мире! Это гигантский шарообразный груз, который противодействует большим переходным нагрузкам, таким как ветер и землетрясения, чтобы уменьшить раскачивание башни.

Система амортизации TMD поддерживается гидравлическими демпфирующими рычагами и бамперными системами, которые функционируют так же, как амортизатор автомобиля. Когда большие силы действуют на башню, TMD двигается в противоположном направлении, приводя все в равновесие, демпфируя переходные силы с помощью массы шара.

Эта система амортизации землетрясений расположена между 87-м и 92-м этажами.

5. Филиппинская Арена 

Филиппинская Арена-самая большая в мире купольная Арена и представляет собой удивительное сейсмостойкое сооружение. Этот церковно-туристический объект принадлежит христианской группе Iglesia Ni Cristo (INC), которая ввела в эксплуатацию эту арену вместимостью 55 000 мест к своему 100-летию, 27 июля 2014 года.

Он также является центральным элементом туристической зоны Сьюдад-де-Виктория в Булакане. Арена была спроектирована австралийской архитектурной фирмой Populous и элитной инженерной фирмой Buro Happold.

Строительство усложнялось тем, что город находился вдоль Тихоокеанского огненного кольца-печально известной своей активной зоной сейсмических разломов. Предыдущие землетрясения в стране достигали вплоть до 8,2 МВт и унесли тысячи жизней.

Огромная крыша стадиона Philippine Arena, высотой 170 метров, была спроектирована так, чтобы выдерживать сильные природные явления, как землетрясения, ветры и тайфуны. Во время землетрясения боковые нагрузки, возникающие по всей конструкции, могут достигать 40% ее массы.

Итак, в следующий раз, когда вы посетите одно из этих сооружений, найдите время, чтобы оценить не только архитектурную эстетику, но и великолепную инженерную работу.

Хотя нет способа победить удивительную силу природы, наши инженеры могут поработать свои строения так, чтобы по крайней мере попытаться приручить ее. Эти и другие сейсмостойкие здания по всему миру являются свидетельством изобретательности человека и мастерства инженеров, стоящих за их строительством.

Перевод: Акижанова Салтанат