Мало кто задумывается о том, как современные небоскребы остаются непоколебимыми при сильном ветре, ошибочно полагая, что все достигается естественным путем, однако, это не так. Далее мы поговорим об уникальном устройстве, позволяющем минимизировать раскачивание небоскребов при сильном ветре.
Это незаметно для человеческого глаза, но все высотные здания слегка раскачиваются на ветру. При порывах ветра верхушка небоскреба может смешаться от своей оси на несколько метров. Это нормально, и чем выше небоскреб, тем больше становится амплитуда его колебаний.
Чтобы свести к минимуму это раскачивание, инженеры в верхней части зданий устанавливают гигантские противовесы, называемые настроенными амортизаторами массы — tuned mass dampers (TMD). В большинстве случаев амортизаторы TMD представляют собой гигантский шар из стали или бетона, вес которого достигает 300 — 800 тонн! Этот шарик подвешивается на пружинах и поршнях в верхней части зданий и беспрепятственно балансирует при изменении угла наклона здания. По сути, его задача состоит в сохранении центра массы небоскреба.
Пример: в ветреный день, вершина небоскреба высотой всего 300 метров может отклоняться на 10 сантиметров в разные стороны. Иногда жильцов таких высоких зданий даже начинает укачивать от этих колебаний — у них развивается морская болезнь. Поэтому настроенные амортизаторы массы TMD, минимизируя амплитуду колебаний, делают движение здания практически незаметным для его жильцов.
В 2004 году самым высоким зданием в мире была 509-метровая башня Тайбэй 101 в Китае. Внутри этого здания установлен гигантский противовес в виде шара, характеристики которого поражают воображение! Его диаметр равен — 5.5 метров, а вес — 728 тонн. Шар способен гасить колебания небоскреба, даже если скорость ветра составляет 240 км/час.
По сути, любой небоскреб можно рассматривать как гигантский камертон. Если по нему сильно ударить, например, порывом ветра или землетрясением, то здание начнет вибрировать на заданной частоте. В этом случае противовес TMD начинает двигаться с той же частотой, что и здание, но в противоположном направлении. Этот механизм не убирает вибрацию совсем, но держит её под контролем.
Вот как качаются небоскребы в Японии:
Итак, семь крупнейших инновационных и надежно спроектированных сейсмостойких зданий в мире.
7. Бурдж-Халифа (Дубай, ОАЭ)
У Дубая есть масса стимулов сохранять Бурдж-Халифу, чтобы ни случилось. Это не только самое высокое здание в мире, но также и символ национального процветания. Башня высотой 2717 футов (более 800 метров) строилась инженерами таким образом, чтобы она могла противостоять землетрясениям намного большей силы, чем можно было бы ожидать в регионе.
По разным данным, башня может выдержать подземные толчки от 5,5 до 7,0 баллов по шкале Рихтера. Этот показатель гораздо выше любого числа всех произошедших в Дубае землетрясений.
Некоторое покачивание все-таки настигло и Бурдж-Халифу. В 2008 году, когда случилось землетрясение в соседнем Иране, где были разрушены здания, Бурдж-Халифа стойко выдержал испытание. Благодаря инженерным разработкам никакого ущерба зданию причинено не было.
6. U. S. Bank Tower (Лос-Анджелес, Калифорния)
С момента строительства в 1980-х годах в Лос-Анджелесе здания Bank Tower, оно оказалась находкой для режиссеров, которые сняли тысячи раз, как здание рушится по вине пришельцев, драконов и вулканов. В реальной жизни, однако, здание довольно прочное.
Являясь самым высоким зданием в сейсмически активном американском штате, Bank Tower имеет высоту 1018 футов (310 метров). Площадь сооружения составляет 1300 тысяч квадратных метров офисных помещений. Здание, по задумке строителей, должно выдерживать землетрясение магнитудой 8,3, которая считают ученые, сильнее, чем может случится в этом регионе.
5. Yokohama Landmark Tower («Башня-ориентир», Иокогама, Япония)
Японцы страдают от землетрясений с тех пор, как впервые оккупировали геологически активную цепь островов. В целом, они всегда строили свои здания с расчетом на то, чтобы оно выдержало землетрясение. И самое высокое здание в Японии Yokohama Landmark Tower («Башня-ориентир Иокогамы») не исключение.
Треxсотметровое сооружение сочетает в себе целый комплекс сейсмостойких мер. Все здание находится на роликовых конструкциях, которые позволяют земле под зданием колебаться, не затрагивая при этом сооружение. Кроме того, в здании установлены два инерционных демпфера, которые колеблются с резонансной частотой сооружения с помощью специального пружинного механизма. Даже если эти предосторожности не сработают, то сыграет роль тот фактор, что здание сооружено из гибких материалов, которые гнуться во время землетрясения, но не рушатся.
4. Тайбэй 101 (Тайбэй, Тайвань)
Бывшему королю небоскребов Тайбэй 101 понадобилось несколько крупных инженерных ухищрений, чтобы выдерживать частые землетрясения и тайфуны. Решение пришло в виде 730-тонного стального шара, который висит внутри него, как гигантский маятник, противодействующий любым покачиваниям.
Известный как настроенный демпфер массы, шар лежит внутри стропы, изготовленной из стальных тросов и имеет свои амортизаторы. Это позволяет Taipei 101 «гордо» высится над другими сооружениями, даже несмотря на то, что небоскреб уступил в 2010 году свое звание самого высокого здания в мире дубайскому Бурдж-Халифе.
3. Международный аэропорт им. Сабихи Гекчен (Sabiha Gökçen), (Стамбул, Турция)
Стамбульский аэропорт, расположенный в зоне, подверженной землетрясениям, стал после своего открытия в 2009 году крупнейшим сейсмостойким зданием в мире. Его способность устоять перед подземными толчками магнитудой 8,0 исходит от сейсмической системы изоляции, которая удерживает основной терминал — чудище, расползающееся на два миллиона квадратных метров, — от соприкосновений с землей.
Здание расположено на вершине 300 резиновых и стальных подшипников, которые позволяют ему двигаться из стороны в сторону, вперед и назад во время землетрясений. Инженеры из дизайнерской фирмы Arup тестировали систему на стойкость в симулированных землетрясениях 14 раз, прежде чем всего за 18 месяцев построили аэропорт.
2. Трансамерика (Transamerica Pyramid), (Сан-Франциско, Калифорния)
Самый высокий небоскреб Сан — Франциско обязан тремя десятилетиями своего существования массивной структурной технологии, которая позволяет ему противостоять угрозе землетрясения. Его пирамидальная структура расположена на конструкции из стали и бетона, предназначенной перемещаться одновременно с землетрясением, в то время как арматурные стержни соединяют здание в четырех местах на каждом этаже.
Кроме того, система треугольных связок поддерживает основу здания чуть выше первого этажа. Такие меры помогли 48-этажному зданию Transamerica Pyramid выдержать точки магнитудой 7,1. Землетрясение произошло неподалеку в горах Санта-Круз в 1989 году. Здание качалось тогда на верхних этажах из стороны в сторону, отклонившись почти на 30 сантиметров в течение более одной минуты, однако никаких повреждений не получило.
1. Башня Майор (Torre Mayor), (Мехико, Мексика)
57-этажный небоскреб в Мехико стоит возле эпицентра магнитудой в 8,1, который сравнял с землей большую часть города и убил более 10 тысяч горожан в 1985 году. Таким образом, башня был построена, чтобы выдерживать редкие, но мощные землетрясения магнитудой 9,0. Башня Майор представляет собой одно из самых сейсмоустойчивых наряду с лос-анджелевским Bank Tower сооружений в мире.
Верхнее строение здания имеет 21200 тонн стали и бетона со стальными колоннами, заключенными в железобетон, простирающимися до 30-го этажа; и стальные рамы, сконструированные на верхнем уровне. Но сердце крепления — это 98 сейсмических демпферов, которые напоминают гигантские амортизаторы, встроенные в стальное крепление.
Такая технология ранее использовалась американскими военными для защиты места запуска реактивных снарядов от воздействия ядерных ударов. Теперь она служит более мирным целям, гарантируя, что Torre Mayor, которое было открыто в июне 2003 года, остается одним из самых безопасных зданий в мире.