Na unikalnym zewnętrznym symulatorze trzęsień ziemi inżynierowie niedawno poddali testom najwyższy budynek o stalowej ramie, jaki kiedykolwiek badano w ten sposób. Dziesięciopiętrowa konstrukcja o wysokości około 30 metrów kołysała się, skręcała i trzęsła, podczas gdy potężne siłowniki hydrauliczne odtwarzały niszczycielskie siły niektórych z najsłynniejszych trzęsień ziemi, w tym trzęsienia ziemi Loma Prieta o magnitudzie 6,9, które nawiedziło Kalifornię w 1989 roku. Głównym celem tego ambitnego projektu było naukowe ustalenie, czy istniejące ograniczenia wysokości dla budynków zbudowanych ze stali formowanej na zimno mogą zostać znacznie zwiększone, otwierając drzwi do nowej ery w budownictwie.

Ta seria testów odbyła się na platformie sejsmicznej, znanej jako „stół wibracyjny”, na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego (UC San Diego), w obiekcie finansowanym przez amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF). Jest to jeden z trzech największych symulatorów trzęsień ziemi na świecie i jedyny zlokalizowany na zewnątrz. Ta cecha ma kluczowe znaczenie dla testów przekraczających granice, takich jak ten, ponieważ umożliwia testowanie konstrukcji o wysokości ponad 27 metrów, co jest wyczynem niemożliwym do wykonania nigdzie indziej na świecie. Zaledwie dwa lata temu na tej samej platformie przetestowano również 35-metrowy budynek z drewna masywnego, który był wówczas najwyższym budynkiem poddanym symulacji sejsmicznej.

Skupienie na materiale przyszłości: Stal formowana na zimno

Tegoroczne badania koncentrują się na budynku, którego konstrukcja nośna wykonana jest ze stali formowanej na zimno (CFS). Materiał ten wyróżnia się lekkością, zrównoważonym charakterem i, co niezwykle ważne, jest niepalny. Jego komponent ekologiczny jest również znaczący, biorąc pod uwagę, że jest produkowany w 60 do 70 procentach z metalu pochodzącego z recyklingu. Pomimo tych zalet, obecne przepisy budowlane w wielu regionach, w tym na obszarach aktywnych sejsmicznie, ograniczają wysokość konstrukcji CFS do 20 metrów, czyli sześciu pięter. Badacze postawili kluczowe pytanie: czy ten limit można bezpiecznie podnieść do 10 pięter, czyli 30 metrów? Dotychczasowe wyniki testów mocno wskazują на twierdzącą odpowiedź.

„Budynek zachowywał się wyjątkowo dobrze” – oświadczyła Tara Hutchinson, kierownik projektu i profesor na Wydziale Inżynierii Konstrukcyjnej UC San Diego. „Pomimo serii 18 symulacji trzęsień ziemi o rosnącej intensywności – w tym trzech wyjątkowo silnych trzęsień ziemi, które były na poziomie lub nawet powyżej tego, co projektanci muszą uwzględniać w swoich projektach – nośny system konstrukcyjny zachował swoją integralność.”

Chociaż oczekiwano pewnych uszkodzeń elementów nienośnych budynku, kluczowe aspekty bezpieczeństwa pozostały funkcjonalne. Klatki schodowe, które mają kluczowe znaczenie dla bezpiecznej ewakuacji mieszkańców i są zaprojektowane tak, aby poruszały się wraz z budynkiem, pozostały w pełni przejezdne i użyteczne nawet po najsilniejszych trzęsieniach ziemi. „Wewnątrz tego budynku zainstalowaliśmy prawie tysiąc czujników do pomiaru jego odpowiedzi pod względem przyspieszenia, przemieszczenia i lokalnych naprężeń. Mamy znakomity zbiór danych do analizy, który ostatecznie pomoże nam ulepszyć przepisy budowlane i wesprzeć dążenie społeczności projektantów do wykorzystania tego doskonałego materiału w budowie wyższych, lżejszych i bardziej odpornych budynków” – dodała Hutchinson.

Jedną z kluczowych zalet stali formowanej na zimno jest jej niska masa, co pozwala na montaż modułowych jednostek w warunkach fabrycznych. Jednostki te są następnie łączone na placu budowy w kompletny budynek, co przypomina składanie gigantycznych klocków Lego. Ta technika radykalnie skraca czas budowy w porównaniu z tradycyjną budową szkieletu budynku od podstaw na miejscu.

Cud technologii za kulisami: Zmodernizowany symulator trzęsień ziemi

Testy te podkreśliły również znaczenie niedawnej modernizacji platformy sejsmicznej o wartości 17 milionów dolarów, również finansowanej przez NSF. Projekt, ukończony w kwietniu 2022 r., dał symulatorowi możliwość poruszania się w sześciu stopniach swobody (6-DOF). Przed modernizacją platforma mogła poruszać się tylko w jednym kierunku, wschód-zachód. Teraz może również poruszać się w górę i w dół (pionowo), północ-południe (bocznie) oraz wykonywać ruchy obrotowe znane jako pochylenie (pitch), przechylenie (roll) i odchylenie (yaw).

Nagrania prawdziwych trzęsień ziemi pokazują, że ziemia nie trzęsie się tylko w jednym kierunku. Porusza się do przodu i do tyłu, w górę i w dół, z boku na bok, a nawet drga. „Tutaj jesteśmy w stanie symulować to, co nazywamy warunkami prawie rzeczywistego trzęsienia ziemi”, wyjaśnił Joel Conte, jeden z głównych badaczy symulatora i profesor na UC San Diego. Podczas jednego z testów badacze zaobserwowali znaczną ilość ruchu skrętnego w ruchach budynku – coś, czego nie można by było zauważyć, gdy platforma poruszała się tylko jednowymiarowo. „Ruchy, które widzieliśmy dzisiaj, pokazały, dlaczego modernizacja platformy była kluczowa dla nauki, którą się tutaj zajmujemy” – dodał Ben Schafer, współkierownik projektu CFS10 i profesor inżynierii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa.

Co dalej? Badanie odporności na ogień po trzęsieniu ziemi

Seria testów jednak jeszcze się не zakończyła. Oprócz szczegółowego przeglądu stanu fizycznego budynku po badaniach sejsmicznych, zespół badawczy przygotowuje się do ostatniej fazy: testu ogniowego na żywo, który odbędzie się w lipcu 2025 r. Testy te, prowadzone przez profesora Richarda Emberleya z Cal Poly-San Luis Obispo, mają na celu zrozumienie rozprzestrzeniania się temperatury, dymu i cząstek przez części budynku, które zostały wcześniej uszkodzone przez trzęsienie ziemi. Jest to realistyczny scenariusz znany jako „pożar po trzęsieniu ziemi” (fire-following earthquake), który może być wywołany wyciekiem gazu lub innych niebezpiecznych substancji służących jako źródło zapłonu.

„Stal formowana na zimno jest materiałem niepalnym, w przeciwieństwie do drewna i niektórych innych materiałów budowlanych, co jest ważną korzystną cechą, jeśli pożary są powodem do niepokoju” – podkreśliła Hutchinson. Zrozumienie, jak uszkodzona konstrukcja zachowuje się w warunkach pożaru, jest kluczowe dla opracowania kompleksowych standardów bezpieczeństwa.

Szerokie wsparcie dla przyszłości budownictwa

Projekt CFS10 nie byłby możliwy bez szerokiego wsparcia ze strony środowisk akademickich, rządowych i przemysłowych. Oprócz kluczowego finansowania przez NSF, testy były również sponsorowane przez amerykański Departament Mieszkalnictwa i Rozwoju Miast, Kalifornijską Komisję ds. Bezpieczeństwa Sejsmicznego, Kalifornijskie Biuro Służb Ratunkowych oraz Narodowy Instytut Standardów i Technologii.

Znaczące wsparcie zapewniły również liczne organizacje branżowe, takie jak Amerykański Instytut Żelaza i Stali, Stowarzyszenie Przemysłu Ram Stalowych oraz Amerykański Instytut Konstrukcji Stalowych. Wiele firm wniosło znaczący wkład w prace projektowe i budowlane, w tym ClarkDietrich, Clark Construction, Standard Drywall Inc., Mid-Rise Modular, Bapko Metal, Grabber Fastening i inne. Ta silna współpraca pokazuje wspólne zainteresowanie innowacjami, które umożliwią budowę bezpieczniejszych i bardziej odpornych społeczności w przyszłości.

Źródło: University of California