Grunt drży, budynki ulegają zniszczeniu, a ludziom dzieje się krzywda – to smutne konsekwencje trzęsień ziemi. Co ciekawe, coraz więcej tego typu zjawisk jest powodowanych lub co najmniej ma związek z działalnością człowieka. Przykładem jest stawianie budynków na miękkim i niestabilnym podłożu lub w pobliżu uskoków, dodatkowo trzęsienia ziemi mogą być wywoływane wydobyciem ropy naftowej i gazu ziemnego.
INŻYNIERYJNA GOTOWOŚĆ NA NAJGORSZE
Na szczęście ludzie nauczyli się ograniczać, a w pewnych przypadkach nawet całkowicie eliminować negatywne skutki trzęsień ziemi niezależnie od przyczyny. Odizolowanie budynku od otaczającego podłoża, wzmocnienie ścian i fundamentów, a następnie umieszczenie całej struktury na złożonym systemie rolek i amortyzatorów pozwala zabezpieczyć biurowce, bloki i apartamentowce oraz inne budynki przed nieoczekiwanymi i potencjalnie groźnymi w skutkach ruchami ziemi.
Mark Slotboom, inżynier budowlany z Holandii i jego współpracownicy specjalizują się w projektowaniu innowacyjnych rozwiązań do ochrony zarówno istniejących, jak i nowych budynków przed trzęsieniami ziemi. Pracują dla firmy Zonneveld ingenieurs z siedzibą w Rotterdamie, która od 35 lat świadczy usługi doradztwa inżynieryjnego i specjalizuje się w konstrukcjach nośnych ze stali i betonu, wykorzystywanych w wysokościowcach i projektach związanych z inżynierią lądową na całym świecie.
Najnowsze projekty firmy to m.in. Muzeum Sztuki Współczesnej Pecci we włoskim Prato, centrum prasowe igrzysk olimpijskich w Atenach i biura w londyńskiej dzielnicy Hammersmith. To właśnie tego rodzaju złożone projekty inżynieryjne sprawiły, że Slotboom i jego współpracownicy z Zonneveld zaczęli używać oprogramowania Abaqus Unified Finite Element Analysis (FEA) należącej do Dassault Systèmes marki SIMULIA, oferującej aplikacje do realistycznej symulacji.
Choć zapotrzebowanie na doradztwo w zakresie trzęsień ziemi dotyczy całego świata, zespół Slotbooma coraz częściej angażuje się w pomoc w macierzystym kraju. Mimo że Holandia nie jest podatna na tektoniczne trzęsienia ziemi, w ostatnich latach jej mieszkańcy odczuwają skutki wydobycia ropy naftowej i gazu ziemnego z pól gazowych Groningen w pobliżu Slochteren. Działalność człowieka przyczynia się do redystrybucji naprężeń geologicznych i przemieszczania uskoków do tego stopnia, że rząd Holandii dał koncernom naftowym cztery lata na zakończenie aktywności wydobywczych.
Wyzwanie:
Ze względu na słabe warunki gruntowe oraz rosnącą liczbę trzęsień ziemi powodowanych wydobyciem ropy naftowej i gazu w Holandii firma Zonneveld ingenieurs stanęła przed wyzwaniem opracowania nowej, a przy tym ekonomicznej metody wznoszenia budynków odpornych na trzęsienia ziemi.
Rozwiązanie:
Dzięki wykorzystaniu oprogramowania Abaqus FEA – należącej do Dassault Systèmes marki SIMULIA, umożliwiającego symulację ruchów gruntu podczas trzęsienia ziemi, inżynierowe z Zonneveld opracowali nowatorskie rozwiązanie zapobiegające uszkodzeniom strukturalnym i poprawiające dźwiękoszczelność budynków.
Korzyści:
Oprogramowanie SIMULIA pozwoliło tej niewielkiej firmie o wysokim stopniu specjalizacji inżynieryjnej świadczyć usługi na rzecz klientów w sposób bardziej efektywny i elastyczny, niezależnie od skali wyzwania.
NA NIESTABILNYM PODŁOŻU
Co gorsza, większość terytorium Holandii znajduje się na nizinach obfitujących w torf i glinę. Charakteryzują się one wysoką podatnością na zjawisko upłynnienia gruntu towarzyszące często samoczynnym aktywnościom sejsmicznym. Trzęsienie ziemi o magnitudzie 5 nie zrobi większego wrażenia na mieszkańcach Los Angeles lub Kaszmiru, ale w Holandii mogłoby spowodować katastrofę. Do tej pory na terenie kraju nie występowały silne burze ani trzęsienia ziemi, dlatego holenderska branża budowlana przyzwyczaiła się do stawiania smukłych wielokondygnacyjnych budynków o cienkich ścianach i betonowych stropach z minimalną liczbą elementów stabilizujących, ponieważ głównym obciążeniem była grawitacja.
„W naszym kraju skala Richtera jest w pewnym sensie bezużyteczna,” mówi Slotboom. „Dla przykładu, trzęsienie ziemi w Japonii może mieć swoje źródło w aktywności tektonicznej wiele kilometrów pod powierzchnią ziemi, zaś trzęsienia ziemi w Holandii są relatywnie płytkie, a ich epicentrum znajduje się zwykle na głębokości 1-3 kilometrów. Biorąc pod uwagę dość miękkie grunty, tego rodzaju trzęsienia ziemi o niskiej amplitudzie mogą poważnie uszkodzić nie tylko budynki, ale także inne elementy infrastruktury.”
Choć trzęsienia ziemi wywołane działalnością wydobywczą koncernów paliwowych są stosunkowo nowym zjawiskiem w Holandii, łagodzenie ich skutków jest chlebem powszednim inżynierów z Zonneveld ingenieurs. Po sfinalizowaniu dwóch projektów inżynieryjnych związanych z trzęsieniami ziemi we Włoszech i Grecji zarząd firmy podjął decyzję o rozszerzeniu funkcjonalności FEA o oprogramowanie Abaqus, którego możliwości w niedługim czasie zostały sprawdzone na coraz bardziej niestabilnych gruntach Rotterdamu.
„Specjaliści z Zonneveld ingenieurs potrafią rzucić prawdziwe wyzwanie oprogramowaniu Abaqus. Dział pomocy technicznej otrzymuje od nich niezwykle ciekawe zapytania dotyczące wyjątkowych przypadków związanych z branżą budowlaną.
Wszyscy znamy typowe problemy branży motoryzacyjnej i lotniczej, jednak firma Zonneveld prowadzi symulacje trzęsień ziemi z wykorzystaniem zupełnie innych konstrukcji, zatem wspólnie testujemy możliwości oprogramowania.”
— Vincent Bouwman, 4RealSim
PROJEKTOWANIE CICHSZYCH I BEZPIECZNIEJSZYCH MIESZKAŃ
Od pięciu lat oprogramowanie Abaqus jest dla Slotbooma i jego współpracowników podstawowym narzędziem do przeprowadzania analiz strukturalnych i modelowania budynków. Jednym z ostatnich zleceń zespołu był pięciokondygnacyjny, betonowy budynek Merckt w Groningen. Zgodnie z projektem na parterze miały znajdować się bar/klub nocny i restauracja, a nad nimi 18 luksusowych apartamentów. Zadaniem inżynierów z Zonneveld było zaprojektowanie budynku w taki sposób, aby był odporny na trzęsienia ziemi.
Inżynierowe musieli sprostać wielu wyzwaniom. Z uwagi na fakt, że budynek Merckt miał mieć kilka zastosowań i znajdować się w centrum Groningen (200 tys. mieszkańców), ważne było, aby lokatorzy z górnych pięter byli odizolowani nie tylko od dźwięków dobiegających z parteru, ale także miejskiego zgiełku. Należało też wziąć pod uwagę dominujące na tym obszarze wilgotne gleby oraz ryzyko aktywności sejsmicznych wywołanych działalnością człowieka.
„Przyszło nam podjąć szereg decyzji,” wyjaśnia Slotboom. „Holenderskie przepisy dotyczące norm hałasu są surowe, co w przypadku budynku oznacza konieczność zastosowania ciężkich ścian z betonu. Ściany tego rodzaju są stosunkowo sztywne, przez co podczas trzęsienia ziemi oddziałują na nie znacznie większe siły boczne niż ma to miejsce w przypadku ścian wykonanych z profili stalowych. Musieliśmy także przeanalizować skład chemiczny gleby, proponowaną konstrukcję budynku i jej reakcję na trzęsienie ziemi, a także przepisy budowlane i wiele innych rzeczy.”
W przypadku budynku Merckt problem hałasu i konstrukcja odporna na trzęsienia ziemi pozwoliły inżynierom połączyć dwa odrębne rozwiązania w jedno: izolatory hałasu i drgań można było umieścić w tych samych miejscach, a gumy CDM zapewniające izolację akustyczną dodatkowo pomagały równoważyć siły trzęsienia ziemi.
Istnieje kilka metod zabezpieczania budynków przed trzęsieniem ziemi. Metody konwencjonalne polegają na odpowiednim wzmocnieniu konstrukcji budynku, tak aby oparła się siłom trzęsienia ziemi, lub uczynieniu jej na tyle elastyczną, aby wytrzymała przemieszczenia powodowane zjawiskami sejsmicznymi. Bardziej zaawansowane metody polegają na zastosowaniu ogromnych mechanizmów izolujących, umieszczonych na górze konstrukcji lub w jej środku. Układy te poruszają się w kierunku przeciwnym do siły trzęsienia ziemi, tłumiąc jej energię. Pod budynkami montuje się potężne amortyzatory, które spowalniają ich ruchy w sposób przypominający działanie amortyzatorów samochodowych. Inżynierowie mogą też zastosować izolację bazową, aby odseparować budynek od otoczenia przez umieszczenie go na dwukierunkowych przegubach krzyżakowych, które setki lat temu wynaleźli budowniczowie okrętów.
POCHŁANIANIE DRGAŃ
Projektując apartamentowiec Merckt, inżynierowie z Zonneveld ingenieurs wybrali tę ostatnią metodę, przy czym zastosowali jej współczesną odmianę. We współpracy z 4RealSim, działającym w krajach Beneluksu partnerem VAR Dassault Systèmes, oferującym także usługi inżynieryjne FEA, i przy użyciu oprogramowania Abaqus, zespół rozpoczął prace od modelowania właściwości chemicznych i fizycznych gruntów, na których miał stanąć budynek.
„Zaczęliśmy od testów z wykorzystaniem kolumn gruntu stworzonych bezpośrednio w programie Abaqus, a następnie skierowaliśmy na nie sygnały trzęsienia ziemi znajdujące się ok. 30 m pod powierzchnią,” wspomina Slotboom. „Pozwoliło nam to przeprowadzić symulację reakcji na różne poziomy przyspieszenia, interakcji gleby z konstrukcją itp. Na podstawie uzyskanych wyników stało się jasne, że potrzebne będą wyższe fundamenty i grubsze ściany piwnicy, a nie betonowe pale znane z podobnej wielkości budynków tego typu.”
Mając gotowy projekt wstępny fundamentów, Slotboom, Bouwman i pozostali członkowie zespołu Zonneveld nawiązali współpracę z lokalnym konsultantem budowlanym, architektem, wykonawcą, a nawet z konsultantem ds. akustyki. Bazując na zdobytym wcześniej doświadczeniu związanym z budownictwem antysejsmicznym, inżynierowie Zonneveld wskazali metodę izolacji bazowej jako najbardziej odpowiednią dla wielkości i kształtu budynku, po czym przeszli do odtworzenia całego środowiska na potrzeby symulacji.
Ich strategia uwzględniała zastosowanie wspomnianych wcześniej przegubów krzyżakowych. Te pokryte teflonem suwaki o podwójnej krzywiźnie znajdują się między parterem a pierwszym piętrem i pozwalają budynkowi na poruszanie się względem osi X i Y (do przodu i do tyłu lub na boki). Aby sprostać wymaganiom dotyczącym norm hałasu, inżynierowie umieścili na każdym z 30 suwaków izolatory akustyczne (tzw. izolatory CDM) przypominające wyglądem pączki z twardej gumy. Pomogły one nie tylko wytłumić hałas, ale także częściowo osłabić oddziaływanie sił pionowych. Po utworzeniu kompletnego modelu wirtualnego w programie Abaqus inżynierowie postanowili nim wstrząsnąć.
AKUSTYKA I SEJSMIKA IDĄ W PARZE
Symulacja trzęsienia ziemi w niczym nie przypominała trącenia stołu z postawionym na nim domkiem z kart. Bazując na rzeczywistych danych zarejestrowanych podczas trzęsień ziemi, inżynierowie z Zonneveld zastosowali siedem sygnałów normatywnych o różnej częstotliwości, amplitudzie i kierunkowych siłach sejsmicznych, zeskalowanych do siatki wirtualnego podłoża pod budynkiem Merckt. Wynikiem symulacji był trójwymiarowy test reakcji poszczególnych wersji budynku Merckt na następstwa potencjalnego trzęsienia ziemi.
„Musieliśmy znaleźć rozwiązanie kompleksowe, które z jednej strony spełniało wymagania akustyczne, a z drugiej kompensowało siły charakterystyczne dla trzęsienia ziemi. Udało nam się to osiągnąć dzięki zastosowaniu metody izolacji bazowej,” mówi Slotboom. „Izolatory CDM pomogły zmniejszyć pionowy sygnał trzęsienia ziemi oraz wyciszyć dźwięki otoczenia, jednak podczas tego rodzaju aktywności sejsmicznej większość sił oddziałuje w płaszczyźnie poziomej. Właśnie tutaj pomocne okazały się suwaki o podwójnej krzywiźnie. Z uwagi na fakt, że mechanizmy te wyśrodkowują się samoczynnie, budynek może powrócić do neutralnej płaszczyzny, gdy drgania ziemi ustąpią.”
Program Abaqus pomógł inżynierom ustalić optymalny rozmiar i umiejscowienie poszczególnych suwaków, aby rozłożyć obciążenia i siły w najbardziej efektywny sposób i docelowo obniżyć koszty inwestycji. Na podstawie wyników symulacji oprogramowanie wskazało na konieczność wprowadzenia dodatkowych modyfikacji. Slotboom i jego współpracownicy zauważyli, że niektóre belki, dźwigary i inne strategiczne elementy konstrukcji wymagały wzmocnienia w celu zapewnienia maksymalnej odporności na trzęsienia ziemi.
4RealSim
Firma 4RealSim specjalizuje się w oprogramowaniu i usługach związanych z symulacją elementów skończonych. Jako partner VAR Dassault Systèmes, 4RealSim oferuje oprogramowanie Abaqus, Isight, Tosca i inne produkty marki SIMULIA klientom z Beneluksu. Firma 4RealSim może pochwalić się ponad 40-letnim doświadczeniem w usługach związanych z FEA i optymalizacją z zastosowaniem różnego szeregu symulacji i materiałów, które świadczy dla klientów z całego świata reprezentujących różne branże. Źródłem sukcesu 4RealSim są doświadczeni i wysoce wykwalifikowani pracownicy, którzy dostosowują rozwiązania do potrzeb klientów.
Firma 4RealSim opracowuje dedykowane narzędzia dla rozwiązań SIMULIA, takie jak generator raportów QA. Wtyczka ta pozwala generować raporty kontrolne oraz sprawozdania z dokumentacji dotyczące modeli Abaqus/CAE przy minimalnym zaangażowaniu użytkownika.
ROZWIĄZANIA BAZUJĄCE NA EKSPERTYZACH
Budowa apartamentowca Merckt wciąż trwa, jednak dzięki wsparciu oprogramowania Abaqus, Slotboom jest spokojny o końcowy efekt. „Jesteśmy niewielką firmą, ale lubimy mierzyć się ze skomplikowanymi projektami,” mówi. „Oprogramowanie Abaqus pozwala nam pracować efektywniej, daje nam więcej opcji projektowych i ułatwia rozwiązywanie trudnych problemów inżynieryjnych. Dzięki niemu możemy oferować naszym klientom większą wartość.”
Tę opinię podziela Vincent Bouwman z 4RealSim. „Firma Zonneveld ingenieurs pełni ważną rolę w branży budowlanej, ponieważ jej badania bazujące na oprogramowaniu Abaqus pozwalają lepiej oceniać i poprawiać bezpieczeństwo różnego rodzaju budynków nie tylko w Groningen, ale również innych lokalizacjach,” mówi Bouwman. Firma 4RealSim pomaga inżynierom Zonneveld ingenieurs, dzieląc się wiedzą i doświadczeniem z dziedziny elementów skończonych, a także zapewniając wsparcie, szkolenia i usługi inżynieryjne.”
Źródło: Dassault Systèmes