Највисокиот хотел во Северна Кореја тестиран во ИЗИИС

Определувањето на сеизмичката стабилност на високите објекти под дејство на земјотрес е од голема важност како за самиот објект, така и за околината. За определување на сеизмичката стабилност на Хотелот Ryugyong, кој е еден од највисоките и најспецифичните објекти во Северна Кореја, реализирана е соработка помеѓу Paeck Du San Institute во Пјонгјанг, Северна Кореја и Институтот за земјотресно инженерство и инженерска сеизмологија – ИЗИИС Скопје, во рамките на која се изведени експериментални испитувања како на реалната конструкција, така и на физички модел во смален размер. За определување на реалните динамички карактеристики, во првата фаза од реализираните активности применети се методите на амбиент и принудни вибрации на реалната конструкција, а потоа изработен е физички модел во смален размер и истиот е испитуван на сеизмичката платформа во лабораторијата за динамички испитувања во ИЗИИС, со цел определување на сеизмичката отпорност и стабилност на конструкцијата.

Слика 1. Хотел Ryugyong во Пјонгјанг, Северна Кореја
(Извор на слики: http://raredelights.com/unusual-buildings-across-world/ryugyong-hotel-pyongyang-north-korea-interior/)

Опис на конструкцијата

Изградбата на овој објект e започната во 1987 година, но била запрена во 1992 година, во фаза кога бил изграден само конструктивниот систем. Потоа, во 2008 година продолжено е со изведба на неконструктивните елементи и истиот е завршен со градба во 2011 година. Oбјектот претставува мешовит конструктивен систем составен од високојакостни армиранобетонски ѕидови и монолитни меѓукатни плочи. Се состои од три крила, секое со должина од по 100 метри, ширина 18 метри и наклон од 75 степени, а над трите крила, зградата е надградена со скратен конус широк 40 метри, кој се состои од осум катови коишто имаат можност да се ротираат. Врвот на конструкцијата е комплетиран со шест статични катови. Вкупната висина на објектот е 321.3 m (105 катови), а вкупната маса е 559,770.0 t.

Слика 2. Изградба на Хотел Ryugyong во Пјонгјанг, Северна Кореја

(Извор на слики: http://raredelights.com/unusual-buildings-across-world/ryugyong-hotel-pyongyang-north-korea-interior/)

Методологија на истражувањата

Во периодот од 1989 до 1992 година од страна на ИЗИИС овој проект е реализиран во четири фази, и тоа:
• Испитување на објектот во природна големина со методите на амбиент и принудни вибрации (1990)
• Анализа и дефинирање на сеизмичките параметри на конструкцијата (1990-1991)
• Квазистатички тестови за определување на јакостните и деформабилните карактеристики на армиранобетонски сегменти од конструкцијата (1990-1991)
• Испитувања на сеизмичка платформа на смален модел на конструкцијата во размер 1/40 (1991-1992)
Со испитувањето со методите на амбиент и принудни вибрации, добиени се динамичките карактеристики (сопствени фреквенции, тонови форми и придушување) на конструкцијата во линеарно еластично подрачје, во два ортогонални правци и за торзијата.
Тестот со амбиент вибрации е реализиран со користење на „Ranger“- сеизмометри поставени во одбрани точки по висина и на врвот на конструкцијата. Предноста на овој метод е тоа што се користи опрема која е лесна за транспорт и за употреба, како и можноста за непречена експлоатација на објектот кој се испитува.

Слика 3. Амбиент вибрации, поставеност на инструменти
(Извор на слики: Computational Structural Dynamics: Proceedings of the International Workshop, IZIIS, Skopje, Macedonia, 22-24 February 2001)

Во рамките на испитувањето со принудни вибрации реализирани се два одделни теста, и тоа:
• Прв тест во кој се задаваше сила преку генератор на вибрации поставен на 94 кат во центарот на објектот и се мереше одговорот на конструкцијата во хоризонтален правец.
• Втор тест во кој се задаваше сила преку генератор на вибрации поставен на 25 кат на крајот на едно од крилата и се мереше одговорот на конструкцијата по должина на крилото, на секој 10-ти кат.

Слика 4. Принудни вибрации, поставеност на иструменти
(Извор на слики: Computational Structural Dynamics: Proceedings of the International Workshop, IZIIS, Skopje, Macedonia, 22-24 February 2001)

Податоците кои се добиени во првата фаза од проектот се искористени во втората фаза при избор на тип на земјотрес на кој ќе биде испитуван моделот (локален, средно далечен или далечен) кој е основен фактор при дефинирање на сеизмичките параметри (интензитет на земјотрес и фреквентен состав). Резултатите кои се добиваат од втората фаза се од голема важност, бидејќи записот на земјотрес кој е дефиниран во оваа фаза е влезен параметар на сеизмичката платформа во понатамошното експериментално испитување.
Третата фаза опфаќа квазистатички тестови за определување на јакостните и деформационите карактеристики на армиранобетонски сегменти од конструкцијата. Со овие тестирања добиени се информации за линеарното и нелинеарното однесување на одредени елементи и врски, кои се искористени при дефинирање на математичкиот модел за нелинеарна анализа.
Во четвртата фаза изработен е физички модел за дадената конструкција во соодветен размер и истиот е испитуван на сеизмичката платформа. Оваа фаза поопширно е опишана во понатамошниот дел од текстот.

Модел на сеизмичка платформа

За сеизмичкото испитување проектиран и изработен е физички модел во соодветен размер согласно условите и капацитетот на сеизмичката платформа во лабораторијата за динамички испитувања во ИЗИИС. Дефинирањето на димензиите и физичко-механичките карактеристики на конструктивните елементи на моделот е извршено согласно теоријата за сличност на прототипот и моделот базирана на Бакингамовата теорема (Buckingham theorem). За задоволување на горенаведените услови, изработен е модел со размер 1/40 изграден од мешавина од малтер, дијатомејска земја и оловна прашина. Дебелината на ѕидовите и меѓукатните плочи е 3.0 cm, додека арматурата е претставена со мрежа (10/10 mm) со дебелина на жица од 1.0 mm. Со цел да се постигнат бараните динамички карактеристики кои одговараат на прототипот, моделот кој е изработен на сеизмичката платформа претставува комбинација од вистинско репрoдуциран модел (true replica model) и модел со додатна маса (artificial mass model). Некои карактеристични параметри модел-прототип прикажани се во табела 1 и на слика 5.

Табела 1. Карактеристични параметри, прототип-модел

Параметри	Прототип	Модел
Висина	321.3	8.03
Број на катови	105	22
Тежина	470 000 t	14.6 t
Материјал	Армиран бетон	Mешавина од малтер со зголемена тежина со песок
Јакост на притисок	40 MPa	2.0 MPa
Модул на еластичност	35000 MPa	1750 MPa
Густина на материјал	2.5 t/m3	2.4 t/m3

 

 

 

 

 

 

Слика 5. Геометрија, прототип-модел
(Извор на слики: Research study for evaluation
of seismic resistance of 105 – storey Ryugyong
hotel in Pyongyang)

Платформата на која е испитуван моделот е двокомпонентална сеизмичка платформа со димензии во основа 5.0/5.0 m, со сопствена тежина од 30.0 t и капацитет на носивост од 40.0 t, фреквентниот опсег е од 0-50 Hz, максималните хоризонтални поместувања се од 12.5 cm и максималните вертикални поместувања се од 6.5 cm. Детали од изградбата на моделот и комплетниот модел се прикажани на слика 6.

Слика 6. Приказ на изградба на модел
(Извор на слики: Research study for evaluation of seismic resistance of 105 – storey Ryugyong hotel in Pyongyang)

Испитувањето на сеизмичката платформа е реализирано во два дела, и тоа:
• Испитување за определување на динамички карактеристики
Ова испитување опфаќа серија на тестови преку кои се добиваат динамичките карактеристики (сопствени фреквенции, тонови форми, придушување) пред и после испитувањето на моделот од дејство на земјотрес. За таа цел користени се неколку методи и тоа: хармониска побуда со фреквентен опсег 0-30 Hz преку електродинамички побудувач поставен на врвот на моделот, генерирање на случајни побуди од сеизмичката платформа и тест со удар од чекан.
• Испитување за определување на глобалниот сеизмички одговор на конструкцијата
Ова испитување опфаќа тестови каде што на моделот се задава земјотресна побуда со постепено зголемување на интензитет до проектно ниво и над него. Прво се извршени неколку тестови со мал интензитет на побуда, каде конструкцијата на моделот работи во линеарно подрачје. Потоа, извршен е еден тест со интензитет на побуда еднаков со проектното ниво на забрзување (0.2 g), после кој визуелно не се забележани никакви пукнатини. Испитувањето потоа е комплетирано со неколку тестови со интензитет од 0.3 до 0.9 g, каде конструкцијата има нелинеарен одговор (слика 7).

Слика 7. Оштетувања на модел
(Извор на слики: Research study for evaluation of seismic resistance of 105 – storey Ryugyong hotel in Pyongyang)

Со цел да се добијат потребните податоци од испитуваниот модел, како што се поместувањата, забрзувањата и напрегањата во дадени точки, моделот е инструментиран со 9 акцелерометри (ACC), 8 мерачи на поместување (LP) и 15 мерни ленти (strain gauges – SG). (слика 8).

Слика 8. Модел на сеизмичка платформа, поставеност на инструменти
(Извор на слики: Shaking table test of 1/40 scale model of 105-storey Ryugyong Hotel)

Резултати и заклучоци

• Со оглед на резултатите кои се добиени од испитуваниот модел на сеизмичката платформа, се дојде до заклучок дека е изграден физички модел кој точно го симулира како линеарниот, така и нелинеарниот одговор на прототипот. Еден од главните показатели за ова е одличното совпаѓање на фреквенциите и тоновите форми меѓу прототипот и моделот (слика 8).

Слика 8. Копмпаративен приказ на измерените тонови форми на физичкиот модел и реалната конструкција
(Извор на слики: Shaking table test of 1/40 scale model of 105-storey Ryugyong Hotel)

• За интензитет на земјотреси до 0.25 g (проектниот интензитет на земјотрес е 0.2 g) не се регистрирани никакви оштетувања на моделот и истиот е во линеарно подрачје.
• Првите пукнатини се појавиле на земјотрес со интензитет 0.35 g. Пукнатините се регистрирани на две од крилата, дијагонално поставени во однос на делувањето на земјотресната побуда. Нелинеарниот одговор на моделот потоа е испитуван за земјотрес со интензитет од 0.3 g до 0.7 g. Опаѓањето на фреквенцијата на конструкцијата, односно нејзината крутост, со зголемување на интензитетот на земјотресот е претставено на слика 9.

Слика 9. Oпаѓање на фреквенцијата на моделот

(Извор на слики: Shaking table test of 1/40 scale model of 105-storey Ryugyong Hotel)

• Ако се земе предвид дека најсериозните оштетувања на конструкцијата се снимени за земјотрес со интензитет од 0.44 g, додека проектниот интензитет е 0.2 g, може да се дојде до заклучок дека факторот на сигурност е 2.20.
• Според добиените резултати од испитувањата на моделот, првите поголеми оштетувања се очекуваат да се појават прво на крилата, а потоа во централниот дел, помеѓу 50-тиот и 70-тиот кат, но за земјотреси со интензитет два пати поголем од проектниот.

Автори:
Антонио Шокларовски, дипл. град. инж., м-р Филип Манојловски, м-р Ангела Попоска, проф. д-р Лидија Крстевска, проф. д-р Зоран Ракиќевиќ, доц. д-р Александра Богдановиќ
Универзитет „Св. Кирил и Методиј“ во Скопје, Институт за земјотресно инженерство и инженерска сеизмологија (ИЗИИС)
Реализација на проект:
Љубомир ТАШКОВ, Михаил ПЕТКОВСКИ, Лидија КРСТЕВСКА, Димчо МАМУЧЕВСКИ
Институт за земјотресно инженерство и инженерска сеизмологија, Скопје 1992 година