В Университете Калифорнии в Сан-Диего недавно проведены масштабные испытания самого высокого в мире здания из холодногнутой стали на одном из крупнейших симуляторов землетрясений. Эти тесты стали важным событием в строительной индустрии, поскольку прямо ставят под вопрос существующие ограничения по высоте зданий из холодногнутой стали, применяемой для легких и экологичных конструкций. В ходе исследований инженеры подвергли 10-этажную, 30-метровую (около 100 футов) конструкцию сериям землетрясений различной интенсивности, включая имитацию мощного сейсмического события с магнитудой 6.9, подобного Лома-Приета 1989 года. Главная цель этих испытаний заключалась в тестировании возможности увеличения допустимой высоты зданий из холодногнутой стали, традиционно ограниченной кодексами строительства шестью этажами и 20 метрами по высоте.
Симулятор землетрясений UC San Diego, или, как его ещё называют, shake table, является уникальным объектом мирового значения. Он входит в тройку крупнейших в мире и является единственным расположенным на открытом воздухе, что чрезвычайно важно для испытаний высоких конструкций. Только здесь можно проводить испытания зданий высотой более 27 метров, что раньше было технически невозможно на других подобных установках. Захватывающие эксперименты являются продолжением недавней работы, в рамках которой в этом же центре испытывали 35-метровое здание из массивной древесины — крупнейшее испытанное на сейсмичность сооружение из этого материала в мире. Холодногнутая сталь (Cold-Formed Steel, CFS) представляет собой перспективный строительный материал, который получил особое признание благодаря своей легкости, высокой прочности и устойчивости к возгоранию.
Содержание переработанного металла в этом материале варьируется от 60% до 70%, что делает его экологически выгодным вариантом для современного строительства. Кроме того, использование CFS позволяет конструировать здания модульным способом, что резко сокращает сроки возведения и снижает затраты на строительство, в отличие от традиционных методов сборки металлического каркаса. По итогам серии из 18 испытаний, в ходе которых здание подвергалось растущим нагрузкам и сейсмическим воздействиям выше норм, установленных строительными стандартами, конструкция сохранила свою целостность и несущую способность. Несмотря на ожидаемые повреждения второстепенных, не несущих конструкцию элементов, таких как внутренние лестницы, они остались функциональными, что крайне важно для обеспечения безопасности при эвакуации с пожаром или землетрясением. Тара Хатчинсон, ведущий инженер проекта и профессор кафедры строительной инженерии UC San Diego, подчеркнула, что результаты испытаний оказались оптимистичными для расширения высотных лимитов в холодногнутой стальной конструкции.
Огромное количество сенсоров, около тысячи, было размещено по всему зданию, чтобы отслеживать ускорение, смещения и локальный уровень деформаций, что обеспечивает богатейшую базу данных для будущего анализа, совершенствования строительных норм и практик проектирования. Одним из ключевых факторов успеха тестирования стало совершенствование shake table, которое было завершено в 2022 году. Спонсируемое Национальным научным фондом США (NSF) обновление стоимостью 17 миллионов долларов позволило оборудованию работать в шести степенях свободы. Раньше платформа могла двигаться только в горизонтальном направлении с востока на запад, но сейчас она способна воспроизводить сложные движения, включающие вертикальные колебания, движения с севера на юг и вращения вокруг различных осей (ролл, питч и йо). Такое усовершенствование позволит точнее воссоздавать реальные условия землетрясений.
Во время проведения экспериментов исследовательская группа зафиксировала, как здание не только раскачивалось вперед-назад, но и закручивалось, демонстрируя сложную динамику под воздействием трехмерных колебаний, что ранее было невозможно наблюдать. С такие realistic simulations важно учитывать все возможные режимы деформаций, чтобы сделать конструкции более устойчивыми и безопасными. Следующим этапом исследований станут огневые тесты, которые проведет команда под руководством профессора Ричарда Эмберли из университета Калифорнии, Сан-Луис-Обиспо. Эти испытания направлены на изучение поведения сейсмоповрежденного здания при возникновении пожара — так называемых «пожаров после землетрясения». В условиях подобных катастроф часто происходят утечки газа и распространение опасных веществ, что может вызвать возгорания.
Преимущество холодногнутой стали состоит в ее негорючести, что снижает риски подобных чрезвычайных ситуаций по сравнению с деревянными и некоторыми иными видами конструкционных материалов. Инициатива CFS10 получила широкую поддержку как со стороны государственных учреждений, так и промышленности. К числу спонсоров относятся Министерство жилищного строительства и городского развития США, Калифорнийская комиссия по сейсмической безопасности, Управление по чрезвычайным ситуациям штата Калифорния и Национальный институт стандартов и технологий. Также в проекте активно участвуют профессиональные ассоциации и крупные представители индустрии металлостроительства, обеспечивающие материально-техническую поддержку, инженерные решения и консультации. Применение инновационных технологий, таких как холодногнутая сталь, в совокупности с усовершенствованными методами испытаний, открывает новые горизонты для обеспечения сейсмостойкости и экономической эффективности высотных зданий.
