Современные люди существуют уже почти 300 000 лет, но даже сегодня природа продолжает удивлять и вдохновлять нас. От сверхскоростных поездов до самолетов — почти все, что мы изобрели, создано под влиянием элементов, встречающихся в мире природы. Недавним примером этого является недавно предложенная строительная система, которая предотвращает полное обрушение здания, вдохновленная ящерицами.

Здание может рухнуть из-за стихийных бедствий, ошибок проектирования, удара транспортного средства и по ряду других причин. Однако более важно учитывать как эти здания рушатся и какой ущерб это наносит. За прошедшие годы такие обрушения унесли жизни многих людей, привели к травмам, экономическим потрясениям и экологическому ущербу.

«По оценкам, катастрофы, зарегистрированные в период с 2000 по 2019 год, нанесли экономический ущерб в размере 2,97 триллиона долларов США и унесли около 1,23 миллиона жизней. Большую часть этих потерь можно отнести на счет обрушений зданий», — отмечают исследователи.

Но что, если вместо полного катастрофического разрушения здание могло бы отделиться от той части, откуда начинается обрушение, подобно тому, как ящерица сбрасывает хвост, чтобы спастись, когда ее ловит хищник?

«Таким образом, мы сможем спасти оставшуюся часть здания и обеспечить проведение там эвакуационно-спасательных операций. Это позволило бы нам спасти жизни, которые в противном случае были бы потеряны, если бы здание полностью рухнуло», — рассказал Хосе М. Адам, один из исследователей и профессор гражданского строительства в Политехническом университете Валенсии (UPV). ЗМЭ Наука .

Проблема с существующей системой обрушения зданий.

Во время стихийного бедствия часто кажется, что здания рушатся все одновременно. Но если вы замедлите время, вы заметите, что все начинается с небольшого первоначального сбоя, который продолжает распространяться по всей конструкции. Современные бетонные здания обычно проектируются таким образом, что секции прочно соединяются друг с другом. Это для равномерного распределения нагрузки.

Доказано, что такой подход эффективно работает при устранении небольших первоначальных сбоев. Однако в сценариях, связанных с крупными первоначальными сбоями, это может иметь неприятные последствия, приводя к обрушению всей конструкции. Это связано с тем, что связь, введенная в систему, может привести к тому, что обрушивающиеся элементы разрушат части здания, которые в противном случае остались бы нетронутыми.

«Тот факт, что мы не учитываем этот риск в нынешнем здании, вызывает серьезную тревогу, и это становится отправной точкой наших исследований по разработке метода изоляции от обрушения», — сказал Адам.

В своем новом исследовании исследователи предлагают новый подход, называемый «изоляцией коллапса на основе иерархии». Он включает в себя систему, которая остановит распространение крупного первоначального разрушения, гарантируя, что только определенные элементы здания выйдут из строя до того, как обрушение достигнет наиболее важных структурных компонентов.

Наука, лежащая в основе изоляции от коллапса, вдохновленной ящерицами

Хвосты гекконов совершенно уникальны в животном мире. Они остаются полностью связанными с остальным телом животного для выполнения всех нормальных функций. Однако, если хищник поймает его, геккон может совершить колебательное изгибающее движение, в результате чего оторвется хвост.

Другими словами, хвост каким-то образом устроен так, чтобы хорошо соединяться с остальной частью тела при определенных действиях (или нагрузках) и отделяться под воздействием других действий. Предлагаемый метод изоляции зданий от обрушения работает аналогичным образом.

Здесь проводится важное различие между двумя типами первоначальных неудач. Для первого типа, называемого небольшими первоначальными отказами, система изоляции обеспечивает достаточную связность для адаптации к рабочим условиям путем перераспределения нагрузки, предотвращая дальнейшее распространение отказа.

Что касается второго типа начального разрушения, называемого крупными первоначальными разрушениями, подход, основанный на ящерице, направлен на достижение двух основных целей: во-первых, остановить распространение обрушения и, во-вторых, дать зданию возможность найти альтернативные пути нагрузки (ALPs). ). Это делается путем определения приоритетности определенного порядка отказов среди компонентов на краю области разрушения.

«На уровне соединений будет срабатывать специальный механизм, чтобы отделить разрушающиеся части от остальной части здания, когда первоначальные сбои станут слишком большими, чтобы их можно было сдержать», — сказал Адам. ЗМЭ Наука .

Это гарантирует, что оставшаяся конструкция здания останется неповрежденной, что дает достаточно времени для эвакуации и спасательных работ.

Тестирование системы изоляции обрушений на основе иерархии

Хосе Адам и его коллеги провели интересный эксперимент, чтобы проверить предложенную ими систему коллапса. Они построили «настоящее железобетонное здание размером 15 × 12 м с двумя этажами высотой 2,6 м». Это здание было спроектировано в соответствии с системой изоляции обрушения, напоминающей ящерицу.

Когда здание было готово. Они намеренно вносили в здание мелкие и крупные неисправности, чтобы посмотреть, как оно отреагирует. Например, на первом этапе своего эксперимента они удалили две колонки, чтобы имитировать умеренный сбой.

Однако здание не рухнуло, показав, что его конструкция может перераспределить нагрузку и предотвратить обрушение за счет непрерывности, обеспечиваемой балками, плитами и соединениями балок и колонн.

«Таким образом, мы доказали, что наш подход соответствует и совместим с текущими стандартами надежности, принятыми на практике», — сказал Адам.

На втором этапе они удалили третью колонку, что вызвало крупный первоначальный сбой. На этот раз здание частично обрушилось, но их система безопасности остановила распространение обрушения, сохранив большую часть здания.

«Благодаря реализации изоляции коллапса на основе иерархии фронт коллапса был остановлен прямо на границах между первоначально затронутыми регионами и остальной частью системы. Следовательно, обрушение было изолированным, что позволило сохранить части здания, расположенные за пределами пострадавших отсеков», — добавил Адам.

Будущее коллапс-системы, вдохновленной ящерицей

На данный момент предлагаемый метод изоляции от обрушения может работать только для новых зданий и не может быть применен к существующим конструкциям.

Это связано с тем, что этот метод контролирует иерархию отказов в структурной системе. Таким образом, для инженеров более практично применять его, когда конструкция различных компонентов здания еще может быть изменена и адаптирована в соответствии с этим подходом.

«В настоящее время мы работаем над другим проектом, так называемым Enhance, где мы разрабатываем новый подход к модернизации существующих зданий путем подвешивания полов к крыше здания», — рассказал Адам. ЗМЭ Наука .

Еще одна большая проблема, связанная с этим подходом, заключается в том, что его реализация на практике предполагает оценку множества возможных сценариев отказа, которые включают в себя высокоточное моделирование, которое обычно не используется.

«В связи с этим мы работаем над разработкой более упрощенных процедур проектирования, чтобы облегчить процесс проектирования. Мы надеемся, что это повысит технологическую готовность решений для остановки распространения обрушений, что приведет к созданию более устойчивых зданий и положительному влиянию на общество», — добавил Адам.

Исследование опубликовано в журнале Природа .