Jak zabezpieczyć budynki przed trzęsieniem ziemi?

Jak zabezpieczyć budynki przed trzęsieniem ziemi?
Adobe Stock

Trzęsienia ziemi spowodowały śmierć milionów ludzi oraz ogromne zniszczenia m.in. w Chinach, Nepalu, Chile czy niedawno we Włoszech. Na szczęście, nauka podsuwa coraz to nowsze rozwiązania, zwiększające odporność sejsmiczną konstrukcji..

Wstrząsy sejsmiczne wywołują wiele niebezpiecznych zjawisk: osuwiska i lawiny w górach, fale powodziowe (tsunami) na brzegach mórz i oceanów oraz szczeliny i upłynnienia gruntu (ang. liquefaction) na powierzchni terenu.

Jednak najbardziej niszczycielskim oddziaływaniem są same wstrząsy sejsmiczne, które mogą ulegać wzmocnieniu propagując się w określonych warunkach gruntowych. Najsilniejszemu wstrząsowi głównemu, towarzyszy zwykle szereg wstrząsów wtórnych (zwanych ang. after shocks ) o intensywności mniejszej lub zbliżonej do pierwotnego wstrząsu. Wstrząsy te przenoszą się z podłoża na obiekty budowlane poprzez fundamenty, generując obciążenia dynamiczne w postaci sił bezwładności.

Często na terenie trzęsienia ziemi obserwuje się brak uszkodzeń w niektórych budynkach, gdy tymczasem inne o odmiennej charakterystyce dynamicznej ulegają całkowitej destrukcji, pomimo że są wykonane w podobnej technologii. Budowle ulegają uszkodzeniu lub całkowitej destrukcji, gdy działające na nie siły bezwładności wywołają w elementach konstrukcyjnych naprężenia przekraczające ich wytrzymałość.

Odwieczny problem

Z trzęsieniami ziemi ludzie borykają się od tysiącleci, wypracowując różne techniki budowlane, mniej lub bardziej odporne na działanie niszczycielskich sił dynamicznych.

Najbardziej rozpowszechnione na terenach sejsmicznych, zwłaszcza w krajach biednych, są konstrukcje wykonane z materiałów dostępnych na miejscu, zwłaszcza kamieni oraz cegieł wypalanych lub suszonych na słońcu. Materiały te, łączone najczęściej zaprawami glinianymi, wapiennymi lub cementowymi (współcześnie) tworzą konstrukcje murowe o sztywnej i kruchej charakterystyce pracy, które są odporne na działanie statycznych sił pionowych. Są one jednak wrażliwe na działanie poziomych sił bezwładności. Nawet niewielkie przemieszczenia poziome wywołane wstrząsem powodują powstawanie pęknięć w takich konstrukcjach lub ich zawalenie. Osłabiona pierwszym wstrząsem sejsmicznym konstrukcja, często nie jest w stanie przenieść wstrząsów wtórnych, następujących po kilku godzinach lub dniach, i właściwie niezabezpieczona ulega całkowitej destrukcji.

Pewną modyfikacją klasycznych konstrukcji murowych są ściany wzmacniane elementami drewnianymi. Zwiększają one zdolność kruchego muru do przenoszenia dużych deformacji (ciągliwe zachowanie), rozpraszając energię wstrząsu i zachowując spójność konstrukcji. Taka technologia budowy budynków, wypracowana przez wieki na terenach sejsmicznych, potwierdziła swoją skuteczność w praktyce.  Konstrukcje murowe o zwiększonej ciągliwości i podatnym zachowaniu są bezpieczniejsze niż sztywne o kruchej charakterystyce.

Te pierwsze, zamieniają energię wstrząsu na duże przemieszczenia przy stosunkowo niewielkim wytężeniu elementów konstrukcyjnych, nieprzekraczającym wytrzymałości. Te drugie, już przy niewielkich przemieszczeniach wywołanych wstrząsem, ulegają zniszczeniu w wyniku nadmiernego wytężenia w stosunku do wytrzymałości budynku.

Żelbetowe wsparcie?

Rozwojowi cywilizacji towarzyszyło wprowadzenie na terenach sejsmicznych konstrukcji żelbetowych i stalowych oraz wzmocnień materiałami kompozytowymi. Pierwsze dwie zwiększają wytrzymałość konstrukcji, ale także znacząco zwiększają jej ciężar i sztywność, a tym samym wielkość generowanych sił bezwładności oraz modyfikując ich charakterystyki dynamiczne.

Wzmocnienia wysokowytrzymałymi kompozytami o niewielkim ciężarze, mocowanymi do podłoża murowego zaprawami epoksydowymi i mineralnymi o dużej wytrzymałości, podnoszą nośność konstrukcji bez zwiększania sił bezwładności, ale tylko wtedy gdy podłoże murowe jest wystarczająco wytrzymałe.

Generalnym trendem stosowanym w ostatnich dziesięcioleciach było zwiększanie nośności i sztywności konstrukcji w celu uzyskania zdolności do przeniesienia większych sił bezwładności. Niemniej w przypadku konstrukcji murowych, proces ten odbywał się kosztem zmniejszenia ich ciągliwości, powodując pogorszenie odporności sejsmicznej. Zjawisko to zostało potwierdzone wieloma badaniami laboratoryjnymi i w niektórych przypadkach zweryfikowane przez trzęsienia ziemi, podczas których słabe konstrukcje murowe ze sztywnymi i ciężkimi wzmocnieniami żelbetowymi uległy całkowitej destrukcji.

A co po trzęsieniu ziemi?

Naprawa uszkodzonych konstrukcji murowych na terenach sejsmicznych także była ukierunkowana w ostatnich dziesięcioleciach na zwiększenie sztywności i wytrzymałości konstrukcji. Stosowane przy popękanych ścianach przemurowania lub wypełnienia pęknięć wysoko wytrzymałościowymi iniekcjami mineralnymi i epoksydowymi, zespalającymi i usztywniającymi konstrukcję murową, redukują zarazem jej ciągliwość, wymaganą z uwagi na rozpraszanie energii wstrząsów.

W przypadku sklejania murów o niskiej wytrzymałości sztywnymi iniekcjami, generowane są duże piki koncentracji naprężeń, które lokalnie przekraczają wytrzymałość podłoża murowego (najsłabsze ogniwo), czyniąc ten rodzaj wzmocnienia nieefektywnym przy występujących na terenach sejsmicznych dużych deformacjach.

Bardzo podobny efekt uzyskiwany jest przy zastosowaniu wysokowytrzymałych włókien kompozytowych (węglowych, szklanych, bazaltowych, amidowych i stalowych), przyklejanych sztywnymi warstwami adhezyjnymi mineralnymi i epoksydowymi, którymi wzmacnia się słabe konstrukcje murowe. Przy sztywnym połączeniu takiego wzmocnienia ze słabym podłożem, efektywnie pracująca powierzchnia wzmocnienia jest bardzo niewielka (kilka centymetrów) i generuje bardzo duże naprężenia ścinające, przekraczające wytrzymałość muru już przy niewielkich deformacjach (poniżej 2%).

Nowa jakość

Rozwiązaniem problemu niskiej efektywności sztywnych napraw i wzmocnień na terenach sejsmicznych jest opatentowana w Politechnice Krakowskiej (PK) innowacyjna technologia polimerowych złączy podatnych, bazująca na grupie specjalnych materiałów poliuretanowych, opracowanych wspólnie z partnerem przemysłowym. Komercyjnym wdrożeniem tej innowacyjnej technologii zajmuje się utworzona przy PK spółka spin-off.

Dzięki zdolności specjalnych poliuretanów do przenoszenia dużych deformacji (nawet 100-200%), iniekcje naprawcze wykonane z polimerowych złączy podatnych zespalają skutecznie osłabioną pęknięciami konstrukcję, wprowadzając dodatkową ciągliwość i tym samym znacząco zwiększając jej bezpieczeństwo na terenach sejsmicznych.

Właściwości wisko-elastyczne złączy podatnych zwiększają właściwości tłumiące oraz zapewniają możliwość redukcji pików koncentracji naprężeń i jednocześnie ich redystrybucję na większą pracującą powierzchnię. Przekłada się to na znaczące zwiększenie nośności naprawianej konstrukcji, bez zwiększania jej globalnej sztywności (cecha bardzo pożądana na terenach sejsmicznych).

Te same właściwości złączy podatnych umożliwiają znacząco efektywniejsze wykorzystanie wzmocnień kompozytowych, gdy są przyklejane na specjalnych podatnych warstwach adhezyjnych. Mogą być one przyklejane do słabych podłoży murowych przenosząc jednocześnie duże obciążenia i deformacje, gdyż redukcja koncentracji naprężeń i rozłożenie ich na wielokrotnie większą pracującą powierzchnię zabezpiecza przed przekroczeniem wytrzymałości podłoża.

Złącza podatne rozpraszają znaczne ilości energii odkształcenia przy obciążeniach cyklicznych i dynamicznych, a jednocześnie są łatwo usuwalne ze wzmacnianych powierzchni, co jest istotne w przypadku wzmacniania konstrukcji zabytkowych. Wszystkie te zalety zostały potwierdzone wieloletnimi badaniami laboratoryjnymi i terenowymi na obiektach rzeczywistych, także we współpracy z uznanymi naukowymi ośrodkami zagranicznymi w Portugalii, Słowenii i we Włoszech.

Dr hab. inż. Arkadiusz Kwiecień, prof. Politechniki Krakowskiej

 

Zobacz tereny inwestycyjne na sprzedaż na PropertyStock.pl

×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

SŁOWA KLUCZOWE I ALERTY

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Jak zabezpieczyć budynki przed trzęsieniem ziemi?

PISZESZ DO NAS Z ADRESU IP: 3.225.221.130
Dodając komentarz, oświadczasz, że akceptujesz regulamin forum

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!