ИЗИИС и ГЕРБ – успешна приказна во проектирањето на сеизмички отпорни објекти

Земјотресите како природна појава се несомнено едни од најголемите причинители на штети на конструкциите. Последиците најчесто претставуваат оштетувања на конструктивните системи, неконструктивните елементи, како и опремата која во некои случаи е со вредност далеку поголема од самата конструкција. Неретко, во прашање се доведуваат и човечки животи како последица од комплетен колапс на објектите. Затоа начинот на проектирање на сеизмички отпорни конструкции постојано еволуира, а истиот е во постојана спрега со технолошкиот напредок. Историски гледано конструктивното инженерство може да се подели на три главни периоди. Во периодот од 1900 до 1950 година дејството на земјотресот, ветерот и другите динамички товари во проектирањето биле земани како статички товари. Недоволното познавање на карактеристиките на земјотресите како и на параметрите за нелинеарното однесување на вградените материјали биле причина за примената на концептот на „дозволени напрегања“ при димензионирањето на пресеците на конструктивните елементи. Меѓутоа за релативно краток период се покажало дека ваквиот пристап е многу конзервативен, а самото тоа води кон значително поголеми пресеци на елементите. Токму со развојот на земјотресното инженерство во овој период согледано е дека преку нелинеарното однесување на конструктивните елементи при сеизмички дејства се развиваат механизми на апсорпција на влезната енергија кои се базираат на нивната деформабилност.
Така, во втората половина од минатиот век, пред сè благодарение на развојот на компјутерската техника, била воведена динамичка анализа со која ветерот, земјотресот и други временски зависни товари се земани како динамички товари. Воведена е нелинеарната теорија на однесување, проектирање на елементите според нивниот капацитет и деформабилност со што критериумот на потребен дуктилитет е воведен во скоро сите прописи за асеизмичко проектирање.
Во последните три декади, односно со премиерното интегрирање на системот за контрола на конструкции на зградата Kyobashi Seiwa Building во 1989 година низ инженерската и научната фела сè почесто се споменуваат и проектираат управувани конструкции со што може да се окарактеризира третиот период. Познати уште како „интелигентни конструкции“, основна цел е нивното однесување под дејство на земјотреси, ветер или технолошки вибрации да биде строго контролирано преку регулација на основните конструктивни карактеристики.
Генерално, во поглед на намалување на негативното дејство од сеизмичките сили во модерната пракса постојат два концепта. Првиот, со кој влезната енергија во системот значително се намалува преку базна изолација на конструкцијата, применлив за ниски и крути објекти. Вториот, со кој дозволен е условно кажано влез на енергијата, но истата да се дисипира преку додавање на соодветни уреди во рамките на примарниот конструктивен систем.
Со цел за утврдување на однесувањето на овој тип на конструктивни системи, како и нивен развој и оптимизација, несомнено се потребни експериментални лабораториски испитувања. Тие верно треба да ги репродуцираат природните услови на дејство на земјотрес, па за таа цел се испитуваат на сеизмички вибро платформи. Од друга страна, ограничената застапеност во правилниците за проектирање е уште едно дополнување на потребата за сериозен и научен пристап кон секој нов начин и модел/систем на управувани конструкции.
На слика 1 илустративно се прикажани различните концепти на проектирање на објекти од високоградба и принципот на справување со дејството на хоризонталните сили.

Слика 1. а) Супстандардна градба, б) Сеизмички отпорна градба, в) Градба со вградени уреди за намалување на вибрациите, г) Базно изолирана градба (извор на слики: https://www.fotolia.com)

Експериментални испитувања на пасивни системи за управувани конструкции

Институтот за земјотресно инженерство и инженерска сеизмологија, со неговата висококвалитетна опремена лабораторија како и стручен кадар во неговото повеќедецениско континуирано функционирање има извршено низа на експериментални испитувања од различен тип на конвенционални и авангардни решенија за намалување на влијанието на сеизмичките сили врз конструкциите, а во рамките на бројни меѓународни научноистражувачки и апликативни проекти.
Една успешна репрезентативна соработка во областа на развојот, примената и однесувањето на управуваните конструкции претставува серијата на успешно реализирани проекти во соработка со германскиот производител ГЕРБ (GERB). Именувана по младиот германски инженер Вилијам Герб, кој во 1908 година развил иновативен начин на намалување на вибрациите на машините преку поставување на федери на нивната основа, денес е лидер во светот во својата дејност. Долгата листа на објекти во кои се вградени овие системи е доказ за квалитетот и функционалноста на истите, а како позначајни може да се издвојат хотелот Burj Al Arab во OAE, мостот North Trondelag во Норвешка и Millennium Bridge, London, изложбениот простор Millennium Dome во Лондон и многу други.
Серијата на опсежни и комплексни експериментални испитувања имале за цел да се оцени ефикасноста на системите за пасивна контрола на одговорот на конструкции од производителот ГЕРБ како и нивната предност во однос на останатите системи. Во основа испитувани се различни уреди за управување на конструкции кои се вградени на хипотетички физички модели на челични рамовски конструкции. Истите се состоеле од пет ката со по три модули во подолжен и еден модул во попречен правец. За потребите на испитувањата на уредите на секое од нивоата додавани биле дополнителни товари во вид на додадена маса од метални инготи.
Првиот од серијата испитувања е проектот со кој е пуштена во употреба сеизмичката вибро платформа во ИЗИИС, во 1982 година. За потребите на компанијата ГЕРБ испитувано е однесувањето на конструкцијата без и со вграден систем за базна изолација. Моделот, вклучително и додадената маса се прикажани на слика 2. Иновативната комбинација од четири федери и четири односно осум придушувачи, поставени на нивото на темелната конструкција имале за цел да ја изолираат конструкцијата од темелите и со тоа значително да ја намалат влезната енергија во примарниот конструктивен систем [1], [2]. Со извршени повеќе од 70 тестови со варијација на условите на потпирање, ефикасноста на концептот е докажана, односно влезната енергија во конструктивниот систем била значително намалена заради карактеристиките на системот на потпирање. Заради спецификите на уредите, нивната осетливост на амбиенталната температура, конкретно, придушувачот, испитувањата се извршени за време на зимски и летен период каде температурната разлика е 10 Целзиусови степени.

Слика 2. Модел за испитување на систем за базна изолација поставен на вибро платформа
(извор на слики: архива на УКИМ ИЗИИС [1], [2])

Вториот проект во 2004 година претставува опсежно истражување на два различни типа на сеизмичка заштита односно контрола на однесување на конструкцијата. Имено, едната фаза опфаќа испитување на одговорот и ефикасноста на базно изолиран систем (base control system BCS) кој се состои од флексибилни потпори, федери и напреден тип на придушувачи чија цел, исто како претходно, била да се ограничи енергијата која се предава на примарната конструкција [3], [5]. Моделот, додадената маса како и системот за базна изолација и контрола се прикажани на слика 3. Како што може да се забележи, целта е да се овозможи значително контролирано хоризонтално поместување на нивото на потпорите односно на федерите, а придушувачите да ја дисипираат енергијата и да го ограничат поместувањето на целиот систем. На тој начин меѓукатните поместувања биле значително намалени, во споредба со класично потпрена (вклештена во основа) конструкција, и воедно елиминиран ризикот од оштетување на конструктивните и неконструктивните елементи.

Слика 3. Модел за испитување на систем за базна изолација поставен на вибро платформа
(извор на слики: архива на УКИМ ИЗИИС [3])

Втората фаза опфаќа испитување на концептот на прилагодена/додадена маса на најгорното ниво на конструкцијата (слика 4). Овој тип на уреди овозможува подесување на сопствените динамички карактеристики така што при дејство на сеизмички инерцијални сили временскиот одговор би бил фазно поместен во однос на одговорот на примарната конструкција [4], [6]. На тој начин поместувањата на конструкцијата значително се намалени во однос на моделот без додадени системи за контрола на конструкции.

Слика 4. Модел за испитување на систем со апсорбери од типот на прилагодена/додадена маса поставен на вибро платформа (извор на слики: архива на УКИМ ИЗИИС [4])

Со ова опсежно истражување била потврдена ефикасноста на двата различни системи и биле дадени препораки за нивно понатамошно усовршување.

Слика 5. Модел за испитување на систем со имплементиран систем нa апсорбери по висина на конструкцијата поставен на вибро платформа (извор на слики: архива на УКИМ ИЗИИС [7], [8])

Третиот проект имал за цел да ја испита ефикасноста како и оптималната местоположба на претходно напрегнати вискозни уреди за дисипација на енергија (pre-stressed damping devices PDD) [7], [8]. Истите се поставени во склоп на главните подолжни модули, во правец на побудата (слика 5) и имаат за цел да ја дисипираат влезната енергија од дејство на земјотрес преку локално преземање на секој уред поединечно во рамките на конструктивниот систем. Биле реализирани повеќе од 250 тестови на пет различни конфигурации.
На слика 6 е прикажана временската историја на забрзување на конструкцијата со и без имплементиран систем за базна изолација. Јасно може да се воочи дека одговорот е значително намален во текот на целата временска историја.

Слика 6. Временска историја на забрзување на последното ниво со имплементиран систем за базна контрола (црна боја) и без имплементиран систем за базна контрола (црвена боја)
(извор на слики: архива на УКИМ ИЗИИС [3])

На слика 7 пак, прикажан е одговорот, односно неговата редукција на системот со прилагодена/додадена маса во однос на систем кој не е имплементиран систем за контрола на конструкции, каде јасно се воочува неговата ефикасност.

Слика 7. Временска историја на забрзување на последното ниво со имплементиран систем апсорбери од типот на прилагодена/додадена маса (црна боја) и без имплементиран систем за апсорбери од типот на прилагодена/додадена маса (црвена боја)
(извор на слики: архива на УКИМ ИЗИИС [4])

ЗАКЛУЧОЦИ

Сите досегашни опсежни истражувања со сигурност ги потврдуваат позитивните аспекти од вградување на системи за базна изолација, или системи за дисипација на енергија во рамките на конструктивните системи. Несомнено модерните уреди за контрола на однесување на конструкциите се доверливи (голем број на практична примена) и нудат можност за значително подобрување на сеизмичкиот одговор на конструкциите (докажани при реално дејство на земјотреси). Имајќи предвид дека можните технички и технолошки решенија се безбројни, забрзаниот развој на новите технологии, материјали, инженерски дисциплини само по себе наметнува дека е неопходно континуирано да се продолжи со експериментално испитување и истражување на овие системи како би можеле да се испитаат што е можно поголем број на конфигурации и различни типови за дисипација или базна изолација.
Меѓународната соработка, учеството во реализацијата на меѓународни научноистражувачки проекти и реализација на апликативни проекти со странски партнери, во областа на пасивно управуваните конструкции, и не само во таа, создале и создаваат одлични услови за изработка на бројни магистерски и докторски дисертации во Институтот и развој на научната мисла во Македонија.
Од друга страна, повеќекратното навраќање на високореномирани странски компании, за реализација на заеднички проекти или нарачани испитувања, само по себе зборува за квалитетот кој го поседува и услугите кои ги нуди ИЗИИС, како во научноистражувачката така и во и апликативната, односно применувачката дејност од доменот на својата работа и интерес.
Авторите на текстот се заблагодаруваат за достапноста на библиотеката на УКИМ-ИЗИИС во поглед на споделување на извештаите кои се изработени низ годините на неговото функционирање, а со цел преглед и увид на извршените експериментални испитувања.

Подготвиле:

м-р Филип МАНОЈЛОВСКИ, доц. д-р Александра БОГДАНОВИЌ, проф. д-р Зоран РАКИЌЕВИЌ, м-р Ангела ПОПОСКА, Антонио ШОКЛАРОВСКИ, дипл. град. инж., проф. д-р Лидија КРСТЕВСКА

Универзитет „Св. Кирил и Методиј“ во Скопје, Институт за земјотресно инженерство и инженерска сеизмологија (ИЗИИС) – Скопје