THE EARTHQUAKE RESISTANT HOUSE

Author of the Project: Marek Bajer, the architect

Death of people is not caused by earthquakes. People die in earthquakes for their houses are wrongly built. 

The designed houses should protect people from the results of earthquakes and must not cause threat for their inhabitants. The current recommendations in many countries instruct to leave houses at the time of earthquakes, however, maybe instead people should seek safety inside the safe, earthquake resistant buildings.

In the seismic areas, most buildings are not adjusted to earthquakes, therefore living in these buildings is potentially highly dangerous.

The safe, earthquake resistant house should meet the following requirements:

the first requirement – the building according to my theory should survive an earthquake up to the strength of 10 degrees Richter scale (10 degrees in the EMS-98 scale)

the second requirement – nondrowning, tsunami-proof building– the “swimming house” in case of minor tsunami

the third requirement – the cost of construction of the earthquake resistant house does not significantly differ from the cost of similar houses

the fourth requirement – the materials used for construction are mostly renewable materials and the house is energy efficient.

 

I designed a detached single-unit bungalow resistant to earthquakes, with usable area of 73 m2 with framing construction in a very simple architectural mode. The building design was mainly focused on its simple structure and its resistance to stronger earthquakes.

DOM ODPORNY NA TRZĘSIENIE ZIEMI

Autor projektu architekt Marek Bajer

Nie wstrząsy sejsmiczne zabiją ludzi, lecz źle zbudowane domy.
Projektowane domy powinny chronić ludzi przed skutkami trzęsień ziemi a nie stanowić zagrożenie dla jego mieszkańców. Obecne w wielu krajach zaleca się by podczas trzęsienia ziemi opuścić dom, a może jednak powinno być tak, że to właśnie w budynku ludzie powinni szukać schronienia.

Na terenach sejsmicznych, większość budynków nie jest dostosowana do trzęsień ziemi, a więc mieszkanie w nich stanowi potencjalne niebezpieczeństwo.

Bezpieczny podczas trzęsienia ziemi dom powinien spełniać następujące
warunki :

  • warunek pierwszy – budynek wg mojego założenia powinien wytrzymać trzęsienie ziemi do 10 st. w skali Rychtera (10 st. w skali EMS-98)
  • warunek drugi – budynek niezatapialny – tzw. pływający dom w przypadku niewielkiego tsunami
  • warunek trzeci – by koszt budowy domu odpornego na trzęsienia nie odbiegał zasadniczo od kosztów podobnych domów
  • warunek czwarty – materiały użyte do budowy budynku, to materiały w większości odtwarzalne a sam budynek energooszczędny.

Zaprojektowałem budynek mieszkalny: jednorodzinny, parterowy, odporny na trzęsienia ziemi, o powierzchni użytkowej 73 m2 w konstrukcji szkieletowej drewnianej o bardzo prostej architekturze. Projektowanie budynku było podporządkowane przede wszystkim względom konstrukcyjnym i wytrzymałości budynku na największe trzęsienia ziemi.

The designed house has framing construction with wall coverings of polyurethane foam which also work as insulation. The choice of framing construction was caused by the fact that wood has good parameters as construction material, it is also relatively cheap and easily accessible. The building was designed, fortified and reinforced to be suitable for seismic areas.

The designed house was not equipped with seismic tremor suppressors as the above described structure of the building should take over all tremors of the strongest quakes without detriment to itself or to the lives of its inhabitants.

Highly processed materials were not taken into consideration while designing the earthquake resistant house as they are expensive and significantly increase the cost of construction. Instead wood was used because it is an easily available, renewable and inexpensive material with excellent construction parameters.

I designed a very easy system of assembling the building. The used technology makes its construction possible even for average technically qualified workers. The building components may be prefabricated which shortens significantly the time and reduces costs of construction.

The cost of construction of an earthquake resistant house for seismic areas according to my design shall be higher by not more than about 15% in comparison to a wooden house of wood frame type construction technique.

When larger number of these buildings is needed a large scale assembly-line production is possible which will significantly lower the construction costs to the level below costs of individual construction of identical buildings.

The designed house is a “swimming house” which does not sink and in case of minor tsunami waves it should float away saving the lives of its inhabitants from drowning.

Displacement features of the house base allow for movement (swimming) of the building on water (on the tsunami waves). Only the floating capacity of the building was tested while hitting by the tsunami wave was not tested as it is impossible. If the tsunami wave is several metres high the building will be destroyed.

While creating the house for seismic areas I concentrated mainly on the people safety aspect deliberately overlooking the interior furniture and equipment of the house. Being aware that housing appliances and furniture can also cause potential threat of injuries and even death of inhabitants, however, this issue has been left for the designers specialising in interior safety for seismic areas.
The tests on the mock-up project of the house in 1:10 scale were conducted at the Gdansk University of Technology on 2.03.2011 under supervision of Prof. dr inż. Robert Jankowski using seismic table and the model was subjected to destructive method and was thrown down from the height of 422 cm onto concrete surface three times. The thrown down is not related to seismic resistance as such phenomena do not exist during earthquake but the experiment was aimed at confirming endurance of the construction.
The model was tested many times on the seismic table using the El Cento earthquake of moderate scale.
All the tests were recorded using camcorders and cameras.

Dom zaprojektowany jest w konstrukcji drewnianej szkieletowej z wypełnieniem konstrukcyjnym z pianki poliuretanowej, która jednocześnie jest ociepleniem budynku. Na wybór konstrukcji drewnianej szkieletowej wpływ miały dobre parametry drewna jako materiału budowlanego oraz stosunkowo niskie koszty surowca i łatwość jego pozyskania. Budynek został odpowiednio zaprojektowany, usztywniony i wzmocniony, tak by można go było postawić na terenach sejsmicznych.

Projektowany dom nie jest wyposażony w tłumiki drgań sejsmicznych, ponieważ wyżej opisana konstrukcja drewniana przejmie wszystkie drgania najsilniejszych wstrząsów bez szkody dla konstrukcji budynku i życia jego mieszkańców.

Projektując bezpieczny dom nie skorzystałem z materiałów wysoko przetworzonych – kosztownych, których użycie wpływa zasadniczo na koszt budowy. Zastosowałem drewno, materiał budowlany ogólnie dostępny i odtwarzalny, tani i o bardzo dobrych parametrach konstrukcyjnych.

Zaprojektowałem prosty system konstrukcyjny montażu budynku. Technologia ta pozwala wykonać budynek przez pracowników średnio zaawansowanych technicznie. Elementy budynku mogą być prefabrykowane co wpływa na skrócenie czasu budowy i zmniejszenie jej kosztów.

Koszt budowy odpornego domu na tereny sejsmiczne wg mojej konstrukcji będzie wyższy tylko o ok. 15% w porównaniu z domem drewnianym szkieletowym typu wood frame.

Przy wykonywaniu (budowaniu) budynków w dużych ilościach można wykonywać (budować) metodą taśmową co znacznie obniży koszty budowy a nawet obniży koszty poniżej budowy jednostkowej identycznych budynków.
Zaprojektowany dom jest domem „pływającym” niezatapialnym i w przypadku wystąpienia tylko niewielkich fal tsunami budynek odpłynie ratując mieszkańców przed utonięciem.

Wyporność podstawy domu umożliwia przemieszczanie się (płynięcie) budynku na wodzie. Sprawdzono jedynie pływalność budynku, nie przewiduję natomiast sprawdzenia odporności budynku na uderzenie fali tsunami, ponieważ jest to niewykonalne. Przy fali tsunami wysokości kilku metrów budynek zostanie zniszczony.

Projektując odporny dom na tereny sejsmiczne, skupiłem się na aspekcie bezpieczeństwa osób w budynku, świadomie pomijając umeblowanie i wyposażenie domu. Zdaję sobie sprawę, że sprzęty i meble w domu są również niebezpieczne i powodują urazy mieszkańców a często i śmierć, jednakże temat pozostawiam projektantom od bezpieczeństwa wnętrz mieszkań na terenach sejsmicznych.

W dniu 2.03.2011 r. pod kierunkiem dr hab. inż. Roberta Jankowskiego prof. PG na Politechnice Gdańskiej zostały przeprowadzone badania eksperymentalne projektowanego domu mieszkalnego – makiety w skali 1:10 na stole sejsmicznym. Ankieta została poddana także badaniom przy użyciu metody destrukcyjnej – makieta projektowanego domu była trzykrotnie zrzucana z wysokości 422 cm na beton. Zrzucenie z wysokości nie ma powiązania z odpornością sejsmiczną, takie zjawiska nie występują podczas trzęsienia ziemi ale wykonanie takiego badania świadczy o wytrzymałości całej konstrukcji budynku.

Makieta domu była poddawana kilkakrotnie badaniom na stole sejsmicznym z zastosowaniem zapisu umiarkowanego trzęsienia ziemi El Cento (18.05.1940)
Wszystkie badania były rejestrowane kamerami i aparatami fotograficznymi

Earthquake simulator at the Gdansk University of Technology

Stół sejsmiczny na Politechnice Gdańskiej

Tests on the earthquake simulator


Earthquake parameters – more parameters can be found in the Master thesis

Badanie na symulatorze trzęsień ziemi


Parametry trzęsień ziemi – więcej parametrów badań w pracy magisterskiej

Destructive testing


The first dropping of the house model on the concrete surface from the height of 420 cm

Pierwsze zrzucanie makiety domu na beton z wysokości 420 cm

Badania destrukcyjne


The second dropping of the house model on the concrete surface from the height of 420 cm

Drugie zrzucanie makiety domu na beton z wysokości 420 cm

The third dropping of the house model on the concrete surface from the height of 420 cm

Trzecie zrzucanie makiety domu na beton z wysokości 420 cm (ujęcie z dwóch kamer)

Model of the house after the seismic table tests and after it was thrown down three times onto concrete floor from the height of 422 cm – this only caused small dents on the corners of the mock-up house, the overall construction of the house remained intact
Makieta domu po badaniach na stole sejsmicznym i po trzykrotnym upadku na beton z wysokości 422 cm – powstały jedynie wgniecenia w narożach, konstrukcja domu bez uszkodzeń

Tests on the non-drowning features in case of tsunami

Badania makiety domu na niezatapialność – „tsunami”

Summary
The advantages of presented project of the house:
•It is fully safe for people living in seismic areas which was confirmed by the tests at the Gdańsk University of Technology
• It does not drown – resistant to minor tsunami waves
• Cost of construction only slightly higher (approx. by 15%) than single construction costs of similar buildings but in case of mass production, e.g. the assembly-line production, the construction costs are comparable or lower than similar wood frame type houses production • Materials used are renewable – wood and wooden plate OSB
• Energy saving structure of the building
• The building’s components may be prefabricated
• Easy to assemble and construct

Mock up model of the earthquake resistant house was used for research and drafting the Master thesis written by mgr inż. Mateusz Byliński at the Gdansk University of Technology under the supervision of dr hab. inż. Robert Jankowski, prof. P.G.
In the next phase the house in scale 1:1 should undergo tests on an earthquake simulator and to destructive tests such as e.g. throwing the house from the height of 4 m onto concrete floor. The experimental tests should be used for research with estimated frequencies of the own vibrations of the building during the earthquake simulations.
The above described works have been so far financed from own funds and the future design, research and implementation works should be subsidised by the EU funds or other funds in order to be continued.Another design is under preparation regarding a steel frame construction house resistant to earthquakes.
The steel frame construction house creates a potential opportunity for many industrial works in the metal processing industry. No tests were made yet on metal frame constructions.


Marek Bajer
Architect
Podsumowanie
Przedstawiony projekt budynku jest:
• w pełni bezpieczny dla ludzi na terenach sejsmicznych – co potwierdziły badania na Politechnice Gdańskiej
• niezatapialny – odporny na niewielkie fale tsunami
• koszt budowy tylko nieznacznie (ok. 15%) wyższy od podobnych budynków (przy jednostkowym budowaniu), natomiast przy wykonywaniu seryjnym – taśmowym koszt budowy porównywalny lub niższy od podobnych domów drewnianych szkieletowych typu wood frame
• zbudowany z materiałów odtwarzalnych – drewno i drewniana płyta OSB
• budynek energooszczędny
• możliwość prefabrykacji elementów budynku
• łatwy w wykonaniu

Makieta projektowanego domu odpornego na trzęsienie ziemi posłużyła do badań i napisania pracy dyplomowej – magisterskiej przez mgr inż. Mateusza Bylińskiego na Politechnice Gdańskiej pod kierunkiem dr hab. inż. Roberta Jankowskiego prof. P.G.
W następnym etapie budynek powinien być poddany badaniom doświadczalnym, a więc wybudowanie domu w skali 1:1 i poddanie badaniom na symulatorze trzęsień ziemi oraz badaniom destrukcyjnych – zrzucenie domu na przykład z wysokości 4 metrów na beton. Badania doświadczalne winny posłużyć do badań naukowych, określając podczas symulacji trzęsień ziemi częstotliwości drgań własnych budynku.
Dotychczasowe prace były finansowane z własnych środków, natomiast dalsze prace projektowe, badawcze i wdrożeniowe powinny być wsparte funduszami Unijnymi lub innymi aby, kontynuować już rozpoczęte prace.Opracowany jest również projekt domu odpornego na trzęsienia ziemi w konstrukcji stalowej.
Budowa domów w konstrukcji stalowej jest szansą dla wielu zakładów przemysłowych w branży metalowej, które straciły rynki zbytu. Badań na symulatorze trzęsień ziemi domu w konstrukcji stalowej nie przeprowadziłem.

Marek Bajer
architekt