Недавно Имперский колледж Лондона совместно с инженерно-консалтинговой компанией Arup и другими организациями завершил публикацию официальной версии статьи о технологии самогашения колебаний высотных зданий. Данная технология использует массу собственных этажей здания для поглощения энергии, создаваемой ветровыми нагрузками и землетрясениями, что позволяет снизить пиковое ускорение высотных зданий более чем на 70%, а изгибающий момент в основании — на 50%, предлагая новое техническое решение для проектирования высотных зданий на устойчивость к ветру и землетрясениям.
Эта система, вдохновлённая традиционными японскими пагодами, предусматривает умеренное отделение группы эксплуатируемых этажей вблизи вершины здания от центрального ядра жёсткости с соединением через пружины и демпферы. При сильном ветре или землетрясении эти этажи способны совершать небольшие перемещения относительно ядра, поглощая и рассеивая энергию колебаний за счёт собственного веса. Соответствующие этажи по-прежнему могут использоваться как обычное здание, без необходимости установки специальных крупногабаритных противовесов на крыше.
В существующих высотных зданиях раскачивание обычно контролируется путём повышения жёсткости конструкции или установки настроенных массовых демпферов. Последний подход требует подвешивания на вершине здания противовесов массой в сотни тонн, что занимает полезную площадь этажей и нагружает несущую способность конструкции, а также требует настройки под частоту колебаний здания. Новая система напрямую задействует собственную массу здания для создания демпфирования, не требуя дополнительных противовесов сопоставимого масштаба и не завися от настройки на одну частоту.
Исследовательская группа на основе прототипа здания высотой 300 метров изготовила динамическую масштабную модель в соотношении 1:300 и провела аэроупругие испытания в аэродинамической трубе. По сравнению с обычной конструкцией без системы демпфирования, пиковое ускорение экспериментальной модели снизилось максимум на 71%, а изгибающий момент в основании уменьшился более чем на 50%. При ветровой нагрузке с периодом повторяемости 50 лет относительное смещение между подвижными этажами и ядром жёсткости контролируется в пределах 50 мм.
Сопутствующее моделирование сейсмических воздействий во временной области показало, что данная система позволяет снизить среднее смещение вершины здания на 42%, а смещение подвижных этажей — максимум на 74%. Поскольку воздействия ветра и землетрясения на основную конструкцию и фундамент снижаются синхронно, проектировщики могут соответствующим образом оптимизировать расход материалов для ядра жёсткости, колонн и фундамента, уменьшая объёмы бетона и стали, добавляемые для сопротивления боковым нагрузкам.
Используемые в системе пружины, демпферы и опоры относятся к существующим строительным технологиям. На следующем этапе исследовательская группа проведёт испытания модулей подвижных этажей в более крупном масштабе и планирует включить эту систему в проектирование реального высотного здания для проверки. Соответствующие принципы также могут быть в дальнейшем исследованы для применения в большепролётных мостах, морских сооружениях, ветрогенераторных установках и телекоммуникационных вышках.