Используя массивные движущиеся платформы и множество датчиков и камер, исследователи пытаются выяснить, насколько хорошо двухэтажное здание из холоднокатанной стали может выдержать вызванное лабораторией землетрясение в Южной Калифорнии.Испытания, проводимые этим летом в Буффало, штат Нью-Йорк, знаменуют собой кульминацию трехлетнего исследовательского проекта стоимостью 1 миллион долларов с участием ученых из шести университетов и консультантов по проектированию из сталелитейной промышленности.
Работы проводятся на единственном объекте в США, способном воспроизвести землетрясение в трех направлениях под зданием длиной 50 футов, шириной 20 футов и высотой 20 футов. Испытания завершатся в середине августа, когда исследователи сотрясут незанятую конструкцию с силами, сопоставимыми с теми, что были в эпицентре катастрофического землетрясения в Нортридже 1994 года в Лос-Анджелесе, которое унесло десятки жизней и нанесло ущерб на миллиарды долларов.Может показаться, что исследователи — разрушительная бригада, но их работа имеет важное значение для людей, которые строят, живут или работают в зданиях.
Ожидается, что результаты приведут к усовершенствованию общенациональных строительных норм и правил, которые сделают строительство будущих холодногнутых стальных зданий дешевле, чем нынешних. Кроме того, новые нормы могут в некоторых случаях сделать легкие холодногнутые стальные здания менее дорогостоящими в строительстве, чем постройки из таких материалов, как древесина, бетон или горячекатаная сталь. В сейсмоопасных регионах эти обновления кода должны помочь проектировщикам и строителям конструкций снизить вероятность обрушения дорогостоящего и опасного для жизни здания. Наконец, исследование, финансируемое главным образом Национальным научным фондом при дополнительной поддержке сталелитейной промышленности, могло бы привести к более широкому использованию строительных компонентов, изготовленных из экологически чистой холодногнутой стали, на 100% состоящей из переработанной стали.
Холодногнутые стальные детали, обычно используемые для каркаса мало- и среднеэтажных зданий, изготавливаются путем сгибания листового металла толщиной примерно один миллиметр в конструкционные формы без использования тепла. Холоднокатаная сталь уже использовалась во множестве структур, таких как общежития колледжей, дома с обслуживанием, небольшие отели, казармы, квартиры и офисные здания. Хотя этот материал популярен, существуют большие пробелы в знаниях относительно того, насколько хорошо холодногнутые стальные конструкции выдержат экстремальные условия, включая землетрясения. Это заставило инженеров быть очень консервативными в своих методах проектирования.
По словам ведущего исследователя Бенджамина Шафера из инженерной школы Уайтинга в Университете Баффало, тесты, проводимые на двух «встряхиваемых столах» в Университете Буффало, должны помочь закрыть эти пробелы в информации и привести к построению более качественных зданий.«Это первый раз, когда полное здание из холодногнутого стального каркаса было испытано таким способом, поэтому даже мелочи, которые мы изучаем, могут иметь огромное влияние», — сказал Шафер, научный сотрудник семьи Свирнов, профессор и председатель.
Департамента гражданского строительства. «Мы увидим изменения в кодексах и изменениях в конструкции зданий. Мы думаем, что это в конечном итоге приведет к созданию более экономичных, эффективных и экологически безопасных зданий».В мае команда Шафера начала наблюдать за строительной бригадой при сборке первой версии испытательного здания.
Эта конструкция размером с небольшой жилой дом или медицинское офисное здание в основном состояла из холодногнутого стального каркаса и обшивки из ориентированно-стружечных плит (OSB). Когда эти первые испытания были завершены, эта конструкция была снесена и заменена идентичным зданием, которое также включало неструктурные компоненты, такие как лестницы и внутренние стены. Исследователи пытаются определить, могут ли эти дополнения, которые не поддерживают каркас здания, уменьшить ущерб во время землетрясения.
Это вторая версия испытательного здания, которая в августе столкнется с сильнейшими сейсмическими силами, зафиксированными во время землетрясения в Нортридже.
На испытательном полигоне за строительством зданий, испытаниями на сотрясение и сбором данных наблюдала Кара Петерман из Фэрфакса, штат Вирджиния, докторант Джонса Хопкинса по гражданскому строительству под руководством Шафера. Она собирала данные с более чем 150 датчиков и восьми видеокамер, установленных в испытательных зданиях и вокруг них. Во время имитации землетрясения эти инструменты предназначены для отслеживания трехмерного движения конструкции и регистрации любой части здания, которая «вышла из строя», например, изогнутых балок или ослабленных винтов.
Петерман сказал, что испытания первой версии здания дали удивительно хорошие результаты. «Он сдвинулся намного меньше, чем мы прогнозировали», — сказала она. «Мы обнаружили одну небольшую часть стали, которая вышла из строя, но это произошло из-за конфликта в проектных планах, а не из-за способа ее изготовления. И этот небольшой отказ был чисто локальным — он не повлиял на конструкцию. в целом."
Она сказала, что ей не терпится увидеть, насколько добавление внутренних стен и других неструктурных компонентов повысит устойчивость здания во время предстоящих более мощных испытаний. Питерман предсказал, что последнее испытание высокой интенсивности может повредить здание, но не приведет к катастрофическому обрушению.
Когда тестирование будет завершено и результаты будут проанализированы, команда Шафера планирует включить результаты в компьютерные модели, которые будут бесплатно предоставлены инженерам, которые хотят видеть на своем рабочем столе, как их проекты могут отреагировать на землетрясение. «Моделирование, — сказал Шафер, — приведет к снижению затрат и потенциально спасет жизни».Помимо участников Johns Hopkins, в проекте приняли участие академические исследователи из следующих школ: Университет Бакнелла, Университет Макгилла, Университет Северного Техаса и Технологический университет Вирджинии.
Партнеры в черной металлургии, которые предоставили технический опыт, материалы и дополнительное финансирование, включают Bentley Systems, Incorporated; Строительные системы ClarkDietrich; Девко Инжиниринг, Инк .; DSi Engineering; Mader Construction Company, Inc .; Simpson Strong-Tie Company, Inc .; Ассоциация производителей металлоконструкций; Ассоциация производителей стальных шпилек; и Американский институт железа и стали.Исследование финансировалось грантом Национального научного фонда № 1041578.