Κτίρια πιο ανθεκτικά πριν και μετά τους σεισμούς;
Πώς μπορούμε να κάνουμε τα κτίρια πιο ανθεκτικά πριν - και μετά -τους σεισμούς; Δοκιμάζουμε μια λύση.
Ο σεισμός μεγέθους 7,8 βαθμών που σημειώθηκε πρόσφατα στις Φιλιππίνες συνοδεύτηκε από σκηνές οικείες στους Νεοζηλανδούς: καταρρεύσεις κτιρίων, θρυμματισμένες προσόψεις και δρόμους γεμάτους ερείπια.
Σεισμοί τέτοιας ισχύος δοκιμάζουν τα κτίρια στα όριά τους. Όπως συνέβη πρόσφατα και στο Christchurch το 2011 , ορισμένοι τελικά αποτυγχάνουν με τραγικές συνέπειες.
Αλλά, για τους δομικούς μηχανικούς, η πρόληψη της κατάρρευσης είναι μόνο ένα μέρος της πρόκλησης. Όλο και περισσότερο, αναρωτιόμαστε επίσης τι συμβαίνει με τα κτίρια που επιβιώνουν από μεγάλους σεισμούς.
Πολλά σύγχρονα κτίρια έχουν σχεδιαστεί για να προστατεύουν ζωές, αλλά συχνά με κόστος ζημιές που μπορεί να χρειαστούν χρόνια και εκατομμύρια δολάρια για την επισκευή τους. Ορισμένα κτίρια που έχουν υποστεί ζημιές από σεισμό τελικά κατεδαφίστηκαν, παρόλο που δεν είχαν φτάσει ποτέ κοντά στην κατάρρευση.
Επιπλέον, ο κατασκευαστικός τομέας δέχεται αυξανόμενες πιέσεις για μείωση του σημαντικού μεριδίου του στις παγκόσμιες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου . Αυτό αυξάνει την ανάγκη για βιώσιμα και ανθεκτικά συστήματα κτιρίων.
Τον περασμένο μήνα, σε μία από τις πιο απαιτητικές δοκιμές σεισμού πλήρους κλίμακας της χώρας, αξιολογήσαμε μια αναδυόμενη τεχνολογία που βασίζεται στην ξυλεία για να διαπιστώσουμε ότι μπορεί να ικανοποιήσει όλες αυτές τις απαιτήσεις.
Κτίρια που ανακάμπτουν
Την τελευταία δεκαετία, πολλοί άνθρωποι θα έχουν ακούσει ολοένα και περισσότερες συζητήσεις για την ξυλεία ως εναλλακτική λύση χαμηλών εκπομπών άνθρακα σε σχέση με το σκυρόδεμα και τον χάλυβα. Ενώ θα μπορούσαμε να φανταστούμε τα παραδοσιακά σπίτια με ξύλινο σκελετό, η σύγχρονη μαζική κατασκευή από ξύλο είναι πολύ διαφορετική.
Ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα προϊόντα - η διασταυρούμενη ελασματοποιημένη ξυλεία (CLT)- κατασκευάζεται με τη συγκόλληση στρώσεων ξύλινων σανίδων μεταξύ τους σε ορθή γωνία, δημιουργώντας μεγάλα δομικά πάνελ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πολυώροφων κτιρίων.
Ως ανανεώσιμο υλικό, αποθηκεύει άνθρακα που απορροφάται κατά την ανάπτυξη των δέντρων και μπορεί να μειώσει τις ενσωματωμένες εκπομπές των κτιρίων σε σύγκριση με το σκυρόδεμα και τον χάλυβα. Είναι επίσης κατάλληλο για προκατασκευές, με ολόκληρα δομικά στοιχεία ή μονάδες κτιρίου να κατασκευάζονται εκτός εργοταξίου και να συναρμολογούνται αργότερα, μειώνοντας τον χρόνο κατασκευής, τα απόβλητα και τις αναταράξεις.
Κατά τη διάρκεια σεισμικών δονήσεων, οι κατασκευασμένες ξύλινες κατασκευές έχουν αποδειχθεί εξαιρετικά καλές. Ωστόσο, λιγότερο κατανοητό είναι το πώς αυτά τα νέα αρθρωτά κτίρια από μαζική ξυλεία προσαρμόζονται στην κίνηση.
Σε ένα ελεγχόμενο πείραμα, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ώκλαντ δοκίμασαν αυτήν την ειδικά σχεδιασμένη, ξύλινη αρθρωτή δομή έναντι μιας σειράς κινήσεων που μοιάζουν με σεισμό. Από το Πανεπιστήμιο του Ώκλαντ.
Για να μοντελοποιήσουμε αυτό, αναπτύξαμε ένα σύστημα που επιτρέπει στους ορόφους να κινούνται ο ένας σε σχέση με τον άλλον κατά τη διάρκεια ενός σεισμού, αντί να αναγκάζει ολόκληρο το κτίριο να λειτουργεί ως μια άκαμπτη μονάδα.
Αυτή η ελεγχόμενη κίνηση μειώνει την καταπόνηση που ασκείται στο κτίριο κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Μόλις σταματήσει η δόνηση, το σύστημα βοηθά την κατασκευή να επιστρέψει στην αρχική της θέση, μειώνοντας τις ζημιές και βελτιώνοντας τις πιθανότητες γρήγορης επαναχρησιμοποίησής της.
Δοκιμάζοντας την ξυλεία
Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το σύστημά μας υπό ρεαλιστικές συνθήκες σεισμού, κατασκευάσαμε ένα πλήρους κλίμακας, αρθρωτό κτίριο CLT και το δοκιμάσαμε στον προσομοιωτή « shake table » του Πανεπιστημίου του Ώκλαντ.
Ενώ το κτίριο δοκιμής είχε φυσικά δύο ορόφους, προστέθηκε επιπλέον βάρος στο επίπεδο της οροφής για να αναπαραχθούν οι δυνάμεις που ασκούνται σε ένα τυπικό τριώροφο κτίριο - μία από τις πιο συνηθισμένες μορφές κατοικιών μεσαίας πυκνότητας στη Νέα Ζηλανδία.
Η ίδια η προσομοίωση υπέβαλε το κτίριο σε μια σειρά ολοένα και πιο απαιτητικών σεισμικών δονήσεων, αντανακλώντας τι θα βίωναν τόσο τα μακρινά όσο και τα κοντινά σεισμικά γεγονότα.
Το κτίριο απέδωσε όπως αναμενόταν, με το σύστημα σύνδεσης να επιτρέπει σε κάθε όροφο να κινείται με ελεγχόμενο τρόπο κατά τη διάρκεια των προσομοιωμένων σεισμών. Αυτό βοήθησε στην απορρόφηση και διάχυση της ενέργειας, προστατεύοντας παράλληλα την κύρια ξύλινη κατασκευή από ζημιές.
Ίσως το πιο σημαντικό είναι ότι το κτίριο επέστρεψε στην αρχική του θέση μετά τη διακοπή της δόνησης, αντί να παραμείνει μόνιμα κεκλιμένο ή μετατοπισμένο. Οι μηχανικοί το αποκαλούν αυτό « εγωκεντρισμό » - ένα βασικό χαρακτηριστικό των κτιρίων που έχουν σχεδιαστεί όχι μόνο για να επιβιώνουν από σεισμούς, αλλά και για να ανακάμπτουν από αυτούς.
Και ενώ το κτίριο κινούνταν κατά τη διάρκεια της δόνησης, η κύρια ξύλινη κατασκευή παρέμεινε άθικτη. Σε έναν πραγματικό σεισμό, αυτό θα μπορούσε να σημαίνει χαμηλότερο κόστος επισκευής, λιγότερες διακοπές και ταχύτερη επιστροφή στην κανονική χρήση.
Υπήρχαν, ωστόσο, ερωτήματα στα οποία η δοκιμή μας δεν μπορούσε να απαντήσει. Για παράδειγμα, δεν αξιολόγησε πώς θα αποδίδουν σε ένα πραγματικό κτίριο μη δομικά στοιχεία, όπως οι επενδύσεις τοίχων, οι παροχές και τα εσωτερικά φινιρίσματα - τα οποία συχνά καταστρέφονται κατά τη διάρκεια σεισμών.
Παρ 'όλα αυτά, τα αποτελέσματα παρέχουν ενθαρρυντικά στοιχεία ότι τα αρθρωτά ξύλινα κτίρια μπορούν να σχεδιαστούν όχι μόνο για να αντέχουν σε μεγάλους σεισμούς, αλλά και για να ανακάμπτουν από αυτούς με ελάχιστες ζημιές.
Το επόμενο βήμα είναι η ενσωμάτωση της τεχνολογίας σε ολοκληρωμένα συστήματα κτιρίων και η αξιολόγηση της μακροπρόθεσμης απόδοσης, της πρακτικότητας και της εμπορικής βιωσιμότητάς της.
Εάν αυτά τα εμπόδια μπορέσουν να ξεπεραστούν, θα μπορούσε να βοηθήσει στην υποστήριξη μιας νέας γενιάς κτιρίων χαμηλών εκπομπών άνθρακα, τα οποία θα είναι ασφαλέστερα, πιο ανθεκτικά και θα επιστρέφουν σε λειτουργία ταχύτερα μετά από μεγάλους σεισμούς.
Καθώς χώρες όπως η Νέα Ζηλανδία συνεχίζουν να αντιμετωπίζουν τόσο τον σεισμικό κίνδυνο όσο και την ανάγκη μείωσης των εκπομπών από τις κατασκευές, καινοτομίες όπως αυτές μπορούν να βοηθήσουν να αποδειχθεί ότι η ανθεκτικότητα και η βιωσιμότητα δεν χρειάζεται να έρχονται η μία εις βάρος της άλλης.
Ashkan Hashemi
Επίκουρος Καθηγητής Δομικής και Αντισεισμικής Μηχανικής, Πανεπιστήμιο του Ώκλαντ, Waipapa Taumata Rau
https://theconversation.com/how-can-we-make-buildings-more-resilient-before-and-after-earthquakes-we-put-one-solution-to-the-test-284651
