Как Япония адаптировала стандарты, чтобы сделать свои здания сейсмостойкими

Япония имеет многовековую историю деревянного строительства. Здесь представлено художественное изображение японского деревянного здания, построенного в 1760–1849 годах, из серии «Тридцать шесть видов горы Фудзи» (Fugaku sanjurokkei). Художник: Кацусика Хокусай (японец, Токио (Эдо) 1760–1849, Токио (Эдо)). Культура: Япония (Фото: Альбом / Alamy Stock Photo)

Токио вновь потрясло землетрясение — одно из сотен, произошедших в стране в этом году. Оно произошло после того, как в новогоднюю ночь прошлого года в центральной части Японии произошло землетрясение магнитудой 7,5, которое вызвало первое с 2011 года предупреждение о цунами в стране после «ядерной» катастрофы в Тохоку.

Самое сильное землетрясение в Японии за последние несколько десятилетий обрушило здания, вызвало пожары и вывело из строя важнейшие объекты инфраструктуры на полуострове Ното, когда семьи праздновали Новый год. Однако, несмотря на череду землетрясений и афтершоков, Япония справилась гораздо лучше, чем другие страны, пережившие подобные бедствия, в том числе Турция, где в феврале 2023 года произошло землетрясение магнитудой 7,8. Успех Японии в значительной степени объясняется устойчивостью зданий к обрушению.

В Новый год 2024 года газета Guardian провела опрос о последствиях землетрясения магнитудой 7,5 балла — видеоматериалы предоставлены @guadiannews.

В чем причина?

На протяжении более века Япония находится на передовых позициях в области сейсмостойкого строительства и инженерной механики, меняя строительные нормы и правила с целью снижения рисков, связанных с тысячами землетрясений, происходящих ежегодно. Япония скорректировала стандарты строительного проектирования, превратив прошлые бедствия в уроки на будущее, а деревянные конструкции стали основным элементом японских строительных технологий.

В феврале Wood Central поговорил с Грэмом Сэйером, директором Japanese Lumber, который со следующей недели будет сопровождать группу австралийских архитекторов, инженеров и застройщиков по Японии. По его словам, Запад может многому научиться у японцев, которые на протяжении веков строили преимущественно деревянные здания, способные выдерживать землетрясения и другие стихийные бедствия.

«Культура использования дерева уходит корнями в то, что кирпич был завезен сюда только в 1860-х годах (немцами)», — сказал г-н Сэйер, уроженец Новой Зеландии, имеющий тесные связи с лесопилками и торговцами по всей стране. «Таким образом, это не цивилизация, построенная на кирпиче (или камне), как многие европейские цивилизации».

С политической точки зрения, эти изменения начались в 1923 году, когда землетрясение магнитудой 7,9 балла разрушило Йокогаму, унеся жизни более 140 000 человек и разрушив сотни тысяч зданий. Многие старинные здания Японии, построенные из дерева, не были приспособлены к частым землетрясениям. Эта трагедия позволила Японии ввести в свои строительные нормы самые строгие и передовые в мире сейсмостойкие стандарты, которые сейчас известны как Закон о строительных нормах. Эти стандарты укрепили новые и существующие деревянные и бетонные конструкции, особенно в густонаселенных районах, таких как центр Токио.

Япония, которая является одним из крупнейших потребителей древесины в строительстве во всем мире, теперь установила, что «все здания не должны разрушаться во время землетрясения любой силы, несмотря на полученные повреждения», включая отдельно стоящие дома, которые с 1981 года должны строиться для «устойчивой жизни человека» во время землетрясения.

Исследования в области деревянного строительства рассматривают технологии сейсмической защиты.

Поскольку Япония в настоящее время стремится к строительству более высоких зданий из массивной древесины для сокращения выбросов углерода, технологии сейсмической защиты (SPTS) стали горячей темой в исследованиях в области деревянного строительства. К ним относятся сейсмические демпферы и изоляция оснований, которые, по словам калифорнийского инженера-конструктора Кристы Луза, которая отметила устойчивость японских деревянных зданий при сильных толчках, являются «кадиллаком среди вариантов защиты зданий в сейсмоопасных районах».

«Там землетрясений почти в три раза больше, чем у нас в Калифорнии, — сказал он. — А Калифорния считается регионом с высокой сейсмической активностью. Можно себе представить, что в Японии люди очень хорошо подготовлены и осознают опасности, с которыми они сталкиваются».

В октябре Wood Central сообщил, что органы по чрезвычайным ситуациям в настоящее время строят «глэмпинг-караваны» из массива дерева, которые можно быстро развернуть в районах стихийных бедствий, включая землетрясения, для оказания помощи в ликвидации последствий бедствий.

По данным Architecture Digest, сейсмические демпферы устанавливаются между колоннами и балками каждого этажа здания и используют поршневые головки в цилиндрах с силиконовым маслом для передачи вибраций жидкости, а не конструкции во время землетрясения.

Изоляция оснований бывает разных видов и по разным ценам: от резиновых прокладок, устанавливаемых на фундаменте здания для поглощения колебаний, до отделения всей конструкции от фундамента и установки ее на гибкой подкладке, чтобы при колебаниях земли здание оставалось неповрежденным и устойчивым.

«Наиболее экономичным способом защиты конструкции от трещин и обрушения является укрепление: увеличение толщины стен, колонн и балок для лучшего выдерживания нагрузок во время стихийных бедствий».

При строительстве здания архитекторы могут использовать такие материалы, как сборные бетонные стены, которые помогают поглощать боковые нагрузки, или стальные рамы, которые обеспечивают опору непосредственно в конструкции.

«Железобетон и стальные конструкции являются современными промышленными стандартами, которые долгое время считались лучшим вариантом по сравнению с деревом. Однако недавно Лесная служба США доказала, что инженерные продукты, такие как кросс-ламинированная древесина, устойчивы к поперечным нагрузкам, что привело к изменению строительных норм и правил для утверждения конструкций из CLT в сейсмоопасных районах».

По словам доктора Кристиана Малага-Чукитайпе, преподавателя строительной инженерии в Имперском колледже Лондона, здания нового поколения с деревянным каркасом обладают свойствами, которые делают их идеальными для выживания при землетрясениях. «Благодаря своей относительной легкости, они притягивают меньшие силы во время сейсмической активности», — говорит он, добавляя, что этот эффект особенно полезен в высоких зданиях.

Испытание на землетрясение самого высокого в мире полноразмерного деревянного здания

В июне Wood Central сообщил, что исследователи из Калифорнии, также подверженной высокой сейсмической активности, использовали «сейсмический стол» для испытания 10-этажного здания из кросс-ламинированного дерева в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Как ранее сообщал Science Blog, этот эксперимент, известный как TallWood Project, является самым высоким полноразмерным зданием, когда-либо подвергнутым испытаниям на сейсмическом тренажере или сейсмическом столе.

Массивное деревянное здание «танцевало» под симулятором Shake Table, но сохранило свою структуру и не обрушилось – видео предоставлено @abc10news.

Симулятор Shake Table может воссоздавать землетрясения различной магнитуды по шкале Рихтера, от 4 до 8 баллов, имитируя сейсмическую активность прошлых землетрясений, в том числе землетрясения в Нортридже, которое произошло в Лос-Анджелесе в 1994 году.

«Сочетание самой большой в мире грузоподъемности, открытой установки и недавно добавленной возможности колебаний с шестью степенями свободы делает вибрационный стол Калифорнийского университета в Сан-Диего мощным и уникальным объектом», — сказал профессор Джоэл Конте, директор кафедры строительной инженерии Инженерной школы им. Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

«Это единственное место, где можно провести испытания в рамках проекта TallWood», — сказал Конте.

Профессор Джоэл Конте из проекта TallWood, который реализовал 10-этажное здание из кросс-ламинированного дерева и сейсмосимулятор «Shake Test». (Фото: Инженерная школа Джейкобса Университета Калифорнии в Сан-Диего)

Здания из массивной древесины набирают популярность как более экологичная и быстрая альтернатива бетонным и стальным конструкциям, в том числе 11-этажное здание Port Plus, построенное в Токио в прошлом году. В связи с обновлением строительных норм, разрешающих строительство более высоких зданий из массивной древесины, возникает много вопросов о том, как такие здания будут вести себя при землетрясениях.

«Массивная древесина является частью массовой тенденции в архитектуре и строительстве, но сейсмостойкость высоких зданий, построенных с использованием этих новых систем, не так хорошо изучена, как другие существующие строительные системы», — сказал Шилин Пэй, главный исследователь и доцент кафедры гражданского и экологического инжиниринга Колорадской школы горных дел.

Между тем в Японии инженеры утверждают, что лучший способ бороться с потенциально смертельными последствиями землетрясений — это готовность к ним. После каждого землетрясения японские ученые осматривают здания, чтобы выявить конструктивные недостатки. Эти знания помогают обеспечить, чтобы каждое последующее землетрясение было менее разрушительным, чем предыдущее.