Земля сотрясается миллионы раз каждый год. Часто эти землетрясения происходят в знакомых местах, таких как недавние смертельные землетрясения в Эквадоре и Японии. В других случаях землетрясение может произойти в месте, менее знакомом с тумблерами, например, землетрясение магнитудой 5, 8, которое поразило Вирджинию в 2011 году и повредило памятник Вашингтону.
Исторические структуры часто уязвимы во время землетрясения. Несколько объектов всемирного наследия в Непале были разрушены или сильно повреждены в 2015 году во время землетрясения магнитудой 7, 8 и подземных толчков силой 7, 3 балла. Старые методы строительства и старение строительных материалов делают большинство исторических сооружений менее способными противостоять вибрациям, возникающим во время землетрясения или сильных ветров. Современные методы строительства могут быть использованы для обновления этих структур, чтобы уменьшить потенциальный ущерб, но даже в этом случае они более уязвимы, чем их современные аналоги.
Теперь инженеры из Центра космических полетов им. Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, говорят, что они могут помочь историческим структурам пережить эти разрушительные события. Они разработали способ изменения реакции зданий на движение, вызванное движениями земной коры. И все началось с ракеты.
Технология основана на работе ракеты Ares, ракеты-носителя, разработанной для программы «Созвездие», которая, до ее отмены в 2010 году, должна была заменить космический челнок для доставки астронавтов в космос. Ракета вибрировала настолько сильно, что могла бы травмировать любого на борту, поэтому инженеры НАСА должны были найти способ обезопасить автомобиль. Тем не менее, обычный способ управления встряхиванием, добавив больший вес, был невозможен, потому что ракета была бы слишком тяжелой, чтобы вырваться из атмосферы Земли.
Команда нашла способ использовать топливо ракеты для решения проблемы. И это же решение может работать для вибрирующих зданий, в том числе построенных сотни лет назад, говорит Роб Берри, менеджер проекта НАСА в Marshall.
Историческим структурам может не хватать видов соединений, таких как стальная арматура, которые превращают отдельные части здания в более прочную, связную систему. Инженеры, однако, могут переоборудовать эти здания с помощью внешних связей, которые удерживают здание вместе. «На [некоторых] из этих зданий вы увидите таблички на внешней стороне с проходящим через них болтом и большим старым гайкой на конце», - говорит Майкл Крегер, директор Лаборатории крупномасштабных конструкций в Университете Алабамы, «Они обычно красят эти вещи в черный цвет, поэтому они выглядят так, словно были там всегда».
Другой вариант заключается в удалении внутренней отделки, такой как облицовка панелей и декоративных накладок, и построение новых укрепленных сталью стен вокруг оригиналов. Эти стены затем закрываются, поэтому изменения не видны.
Эти усилия дорогостоящие и не приводят всю структуру в соответствие с действующими строительными нормами, говорит Крегер. И некоторые исторические сооружения не имеют места, необходимого для добавления стен или скрытия стальных балок для смягчения последствий землетрясения.
Новые здания включают в себя многие из этих технологий во время строительства. Наиболее распространенным методом уменьшения движения здания было устройство под названием настроенный демпфер массы (TMD). Примером этого может быть очень тяжелый объект, масса, добавленная к зданию на вершине пружин с заданной частотой. Когда происходит землетрясение или дует ветер, масса приводится в движение движением здания. Этот дополнительный вес перемещается в противоположном направлении и уменьшает общее движение здания. Однако такое устройство не идеально. Здание должно сдвинуться с места до того, как TMD заработает, и эти первые несколько секунд землетрясения могут быть невероятно разрушительными.
Команда Берри нашла новый способ использования самого здания или небольшого количества добавленной массы, чтобы вызвать более резкое падение в движении. Большинство TMD используют объект, равный примерно 1-2 процентам от веса здания, чтобы добиться снижения движения примерно на 50 процентов. В небоскребе этот объект может весить до 2 миллионов фунтов. Чтобы решить проблему с ракетой, инженеры НАСА использовали ракетное топливо для смягчения вибраций и достигли 95-процентного снижения движения для своей ракеты весом 650 000 фунтов. По словам Берри, это было возможно с помощью простого баллоноподобного устройства, называемого муфтой со структурой жидкости.
«Подумай о воздушном шаре. Поставьте воздух внутри воздушного шара, он станет больше; выньте воздух, и он станет меньше », - говорит он. «Если я положу [шарик] в бассейн, вода будет реагировать. Когда этот воздушный шар сжимается, вода следует за сокращением воздушного шара. Если он расширяется, жидкость уходит от него ».
Поскольку вода реагирует на движение баллона, можно изменить собственную частоту жидкости, отрегулировав давление внутри баллона. Со зданием инженер может использовать эту концепцию, чтобы настроить движение конструкции.
Сначала инженеры определяют естественную частоту здания, чтобы узнать, когда оно начнет двигаться. Затем они устанавливают разветвитель (шар) на другую частоту. Поместив муфту в водоем, например, в бассейн, или добавив трубы, наполненные водой, прикрепленные к крыше, вода изменяет естественную вибрацию здания. Жидкость действует как якорь для свинга - свинг все еще будет двигаться, но толкать его будет гораздо сложнее. Здание также движется меньше во время землетрясения или сильного ветра.
В 2013 году НАСА успешно проверило эту концепцию на своей собственной исторической структуре - Динамическом структурном испытательном комплексе. Но Берри и его команда признали, что не во всех конструкциях зданий есть место для добавления такого рода систем на основе жидкостей. Поэтому они применили то, что узнали, для разработки механического устройства, которое занимало бы меньше места, но обеспечивало бы такой же вид якоря.
Теперь команда разработала новую версию технологии, называемой разрушительно настроенной массой (DTM), которая использует кусок металла вместо воды, чтобы смягчить движение здания. Он намного меньше обычного TMD и стоит намного дешевле в производстве, но также эффективен.
Ранее в этом месяце Крегер и его коллеги, скептически относившиеся к заявлениям НАСА, провели первое испытание устройства во время смоделированного землетрясения в Центре устойчивой инфраструктуры Университета Алабамы. Это был успех.
«Испытание ясно показало, что настроенная разрушительная масса превзошла настроенный демпфер массы, и она ясно показала, что это полезно для смягчения последствий землетрясения», - говорит Берри. Этот новый подход, говорит он, «является еще одним прекрасным примером того, как технологии, полученные для космической программы, могут предоставить новые возможности для промышленности».
Крегер соглашается и надеется сотрудничать с НАСА в тестировании и разработке будущих систем DTM.
Эти технологии являются прототипами, но НАСА работает с частными компаниями над разработкой коммерческих продуктов, которые можно использовать для смягчения последствий землетрясения в общественных и частных зданиях, включая исторические сооружения.
Эта новая технология может даже помочь Монументу Вашингтона противостоять вибрациям землетрясений и ветра, говорит Берри. «Держу пари, они рассмотрели различные способы смягчения», - говорит он. «Но если бы там произошло то же самое землетрясение с установленной разрушительной настроенной массой, реакция была бы совершенно иной. Мы могли бы приглушить ответ.
Он продолжает: «Я хотел бы, чтобы люди, звонящие в Монумент Вашингтона, звонили. Эта технология была разработана на деньги налогоплательщиков, поэтому она принадлежит им ».
