Педальная колонна с наклонной отрицательной жёсткостью как новая гибридная система сейсмоизоляции, интегрированная в грунт с забирочными характеристиками

Почему важно защищать здания от толчков

Землетрясения могут превращать обычные здания в смертельно опасные объекты, особенно когда они стоят на мягком или слабом грунте. Инженеры давно пытаются оградить сооружения от сильных колебаний, но большинство решений рассматривают здание и грунт под ним как раздельные задачи. В этом исследовании представлен новый прибор, который решает обе проблемы одновременно: он помогает зданию пережить землетрясение более мягко и при этом ведёт себя как прочная сваевидная опора в слабом грунте.

Новый способ «подвесить» здание

Авторы предлагают систему под названием маятниковая колонна с наклонной отрицательной жёсткостью, или PC-INS. Представьте, что вес здания подвешен на тросах внутри пустотелой сваи, зарытой в землю, подобно маятнику, висящему на потолке. Когда грунт движется, подвешенная масса имеет склонность качаться медленнее и плавнее, чем колебания внизу, так что здание испытывает меньший толчок. Внешняя стальная оболочка этого устройства выглядит и работает как обычная фундаментная свая, передавая вертикальные нагрузки в более глубокие, прочные слои грунта, что делает его практичным для слабых оснований, на которых построены многие города.

Мягкое противодействие в противоположную сторону

Сам по себе простой маятник всё ещё обладает некоторой жёсткостью, которая позволяет определённым сейсмическим воздействиям передаваться. Чтобы ещё больше смягчить ответ, исследователи добавляют сжатый внутренний элемент — подобный пружине — установленный под углом под подвешенной массой. Этот наклонный элемент оказывает подъёмное усилие при движении массы, частично компенсируя натяжение тросов. В результате возникает область «квазинулевой жёсткости» вокруг равновесного положения: при малых и умеренных смещениях система практически не сопротивляется, поэтому горизонтальные толчки мало передаются сооружению. Авторы выводят подробные уравнения, описывающие это движение, и определяют, как масса, длина тросов и уровень сжатия должны быть настроены, чтобы система оставалась устойчивой, сохраняя при этом высокую степень изоляции.

Проверка идеи на землетрясениях

Чтобы оценить поведение PC-INS в реальных условиях, авторы провели компьютерные моделирования с применением записей пяти известных землетрясений, включая Кобе и Нортридж. Они сравнили здание на новых сваях с аналогичным зданием без изоляции. Результаты показывают, что при использовании PC-INS ускорения в здании снижаются до очень низких уровней, а боковые перемещения также остаются небольшими — в отличие от многих традиционных изоляторов, которые снижают ускорение ценой увеличения дрейфа. Частотный анализ показал, что система избегает опасных резонансных пиков даже при минимальном демпфировании благодаря квазинулевой жёсткости и нелинейному поведению. Энергетические расчёты дополнительно показали, что в здание поступает меньше энергии землетрясения, а большая её часть аккумулируется безвредно в виде изменения высоты подвешенной массы, а не как разрушающая деформация балок и колонн.

Помощь не только конструкции, но и грунту

Поскольку PC-INS выполнен в виде сваи, внедрённой в грунт, авторы также изучили, как он меняет отклик основания. С помощью 2D и 3D моделей со стандартными законами поведения грунта они сравнили обычные сваи с их гибридной свай-изолятор при циклической боковой нагрузке. С новой системой напряжения и деформации в окружающем грунте резко снизились, а деформации оставались более равномерными и стабильными в течение многих циклов нагружения. Когда они встроили сваи в полные каркасы зданий и подвергли их историческим землетрясениям, смещения этажей и опорные усилия снизились примерно на 80 процентов по сравнению с традиционными сваями. Полученные смещения оставались с запасом в пределах нормативных требований сейсмического проектирования, что указывает на то, что здания с PC-INS могли бы оставаться эксплуатационными после сильных толчков.

Что это означает для более безопасных городов

Проще говоря, система PC-INS позволяет «подвесить» здание внутри его же свай, в то время как продуманно сжатый внутренний элемент тихо противодействует силе тяжести. Это сочетание удлиняет естественную периодичность здания, фильтрует широкий спектр сейсмических частот и ограничивает как ускорения, так и боковые сдвиги. Одновременно оболочка в виде сваи укрепляет слабый грунт и уменьшает повреждения под землёй. Симуляции и численные проверки в исследовании показывают, что это многофункциональное устройство может стать практичным новым инструментом для защиты сооружений в сейсмоопасных регионах, особенно там, где мягкие или насыпные грунты затрудняют или удорожают традиционные решения.

Цитирование: Azizi, A., Barghian, M. Pendulum column with inclined negative stiffness as a novel hybrid seismic isolation mechanism integrated into soil with pile-like characteristics. Sci Rep 16, 12238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42674-x

Ключевые слова: сейсмоизоляция, сейсмостроение, фундаменты-стойки, взаимодействие грунт-конструкция, контроль вибрации