Na jedinstvenom simulatoru potresa na otvorenom, inženjeri su nedavno podvrgnuli testiranju najvišu zgradu s čeličnim okvirom ikad ispitanu na ovaj način. Deseterokatna struktura, visoka približno 30 metara, ljuljala se, uvijala i tresla dok su snažni hidraulički aktuatori replicirali razorne sile nekih od najzloglasnijih potresa, uključujući i potres Loma Prieta magnitude 6.9 koji je pogodio Kaliforniju 1989. godine. Primarni cilj ovog ambicioznog projekta bio je znanstveno utvrditi mogu li se postojeća ograničenja visine za zgrade izgrađene od hladno oblikovanog čelika značajno povećati, otvarajući vrata novoj eri u graditeljstvu.

Ova serija testova odigrala se na potresnoj platformi, poznatijoj kao "shake table", pri Sveučilištu Kalifornija u San Diegu (UC San Diego), postrojenju financiranom od strane američke Nacionalne znanstvene zaklade (NSF). Riječ je o jednom od tri najveća simulatora potresa na svijetu i jedinom koji je smješten na otvorenom. Ta karakteristika je od presudne važnosti za ispitivanja koja pomiču granice, poput ovog, jer omogućuje testiranje struktura viših od 27 metara, što je podvig koji se ne može izvesti nigdje drugdje na svijetu. Prije samo dvije godine, na istoj platformi testirana je i 35-metarska zgrada od masivnog drva, tada najviša zgrada ikad podvrgnuta seizmičkoj simulaciji.

Fokus na materijalu budućnosti: Hladno oblikovani čelik

Ovogodišnja istraživanja usmjerena su na zgradu čija je nosiva konstrukcija izrađena od hladno oblikovanog čelika (CFS). Ovaj materijal ističe se kao lagan, održiv i, što je izuzetno važno, negoriv. Njegova ekološka komponenta je također značajna, s obzirom na to da se proizvodi od 60 do 70 posto recikliranog metala. Unatoč ovim prednostima, trenutni građevinski propisi u mnogim regijama, uključujući seizmički aktivna područja, ograničavaju visinu CFS konstrukcija na 20 metara, odnosno šest katova. Istraživači su postavili ključno pitanje: može li se ta granica sigurno podići na 10 katova, odnosno 30 metara? Dosadašnji rezultati testiranja snažno upućuju na potvrdan odgovor.

“Zgrada se ponašala izvanredno dobro”, izjavila je Tara Hutchinson, voditeljica projekta i profesorica na Odsjeku za konstrukcijsko inženjerstvo UC San Diego. “Unatoč nizu od 18 potresnih simulacija rastućeg intenziteta – uključujući tri iznimno snažna potresa koja su bila na razini ili čak iznad onoga što projektanti moraju uzeti u obzir pri dizajniranju – nosivi strukturni sustav zadržao je svoj integritet.”

Iako su očekivana određena oštećenja na nestrukturnim elementima zgrade, ključni sigurnosni aspekti ostali su funkcionalni. Stubišta, koja su od vitalne važnosti za sigurnu evakuaciju stanara i dizajnirana da se pomiču zajedno sa zgradom, ostala su u potpunosti prohodna i upotrebljiva čak i nakon najjačih potresa. “Unutar ove zgrade instalirali smo gotovo tisuću senzora za mjerenje njezina odgovora u smislu ubrzanja, pomaka i lokalnih naprezanja. Imamo izvanredan skup podataka za analizu koji će nam u konačnici pomoći poboljšati građevinske kodove i podržati želju projektantskih zajednica za korištenjem ovog izvrsnog materijala u izgradnji viših, lakših i otpornijih zgrada”, dodala je Hutchinson.

Jedna od ključnih prednosti hladno oblikovanog čelika je njegova mala masa, što omogućuje sastavljanje modularnih jedinica u tvorničkim uvjetima. Te se jedinice zatim na gradilištu spajaju u cjelovitu zgradu, podsjećajući na slaganje divovskih Lego kockica. Ova tehnika dramatično skraćuje vrijeme izgradnje u usporedbi s tradicionalnom gradnjom kostura zgrade od nule na samoj lokaciji.

Tehnološko čudo iza kulisa: Nadograđeni simulator potresa

Ovi testovi također su istaknuli važnost nedavne, 17 milijuna dolara vrijedne nadogradnje potresne platforme, koju je također financirao NSF. Projekt, završen u travnju 2022., dao je simulatoru sposobnost kretanja u šest stupnjeva slobode (6-DOF). Prije nadogradnje, platforma se mogla kretati samo u jednom smjeru, istok-zapad. Sada se može kretati i gore-dolje (vertikalno), sjever-jug (lateralno) te izvoditi rotacijske pokrete poznate kao nagib (pitch), valjanje (roll) i skretanje (yaw).

Snimke stvarnih potresa pokazuju da se tlo ne trese samo u jednom smjeru. Ono se pomiče naprijed-nazad, gore-dolje, s jedne na drugu stranu, pa čak i titra. "Ovdje smo u mogućnosti simulirati ono što nazivamo gotovo stvarnim uvjetima potresa", objasnio je Joel Conte, jedan od vodećih istraživača na simulatoru i profesor na UC San Diego. Tijekom jednog od testova, istraživači su primijetili značajnu količinu torzijskog, odnosno uvijajućeg gibanja u pokretima zgrade – nešto što se ne bi moglo uočiti dok se platforma kretala samo jednodimenzionalno. "Pokreti koje smo vidjeli danas demonstrirali su zašto je nadogradnja platforme bila kritična za znanost kojom se ovdje bavimo", nadovezao se Ben Schafer, suvoditelj projekta CFS10 i profesor inženjerstva na Sveučilištu Johns Hopkins.

Što slijedi? Ispitivanje otpornosti na požar nakon potresa

Serija testiranja, međutim, još nije gotova. Osim detaljnog pregleda fizičkog stanja zgrade nakon seizmičkih ispitivanja, istraživački tim priprema se za završnu fazu: ispitivanje požarom uživo, koje će se održati tijekom srpnja 2025. Ova ispitivanja, koja vodi profesor Richard Emberley s Cal Poly-San Luis Obispo, imaju za cilj razumijevanje širenja temperature, dima i čestica kroz dijelove zgrade koji su prethodno oštećeni potresom. Ovo je realan scenarij poznat kao "požar nakon potresa" (fire-following earthquake), koji može biti potaknut curenjem plina ili drugih opasnih tvari koje služe kao izvor paljenja.

"Hladno oblikovani čelik je negoriv materijal, za razliku od drva i nekih drugih građevinskih materijala, što je važna korisna karakteristika ako su požari razlog za zabrinutost", naglasila je Hutchinson. Razumijevanje kako se oštećena struktura ponaša u uvjetima požara ključno je za razvoj sveobuhvatnih sigurnosnih standarda.

Široka podrška za budućnost gradnje

Projekt CFS10 ne bi bio moguć bez široke podrške iz akademskih, vladinih i industrijskih krugova. Uz ključno financiranje od strane NSF-a, testiranja su sponzorirali i američko Ministarstvo stanovanja i urbanog razvoja, Kalifornijska komisija za seizmičku sigurnost, Kalifornijski ured za hitne službe i Nacionalni institut za standarde i tehnologiju.

Značajnu podršku pružile su i brojne industrijske organizacije, kao što su Američki institut za željezo i čelik, Udruženje industrije čeličnih okvira i Američki institut za čelične konstrukcije. Mnoge tvrtke dale su značajan doprinos naporima u projektiranju i izgradnji, uključujući ClarkDietrich, Clark Construction, Standard Drywall Inc., Mid-Rise Modular, Bapko Metal, Grabber Fastening i druge. Ova snažna suradnja pokazuje zajednički interes za inovacije koje će omogućiti izgradnju sigurnijih i otpornijih zajednica u budućnosti.

Izvor: University of California