Страница 7 из 12
В этой непростой задаче мне помогает все та же компьютерная модель, которую я использую для сопротивления гравитации и ветру. Я ввожу в программу данные о материалах, форме и размерах балок, колонн и сердцевины. Программа анализирует силу ветра, прочность материалов и геометрию всей постройки и выдает данные об ускорении колебания. Если цифры ниже порогового уровня, за которым люди ощутят их, то больше ничего не требуется. Однако если ускорение выше, то строение придется сделать прочнее. Этого можно добиться путем увеличения толщины стен бетонной сердцевины, а если сердцевина стальная, то с помощью стальных деталей большего размера. Затем я тестирую модель с учетом изменений, иногда по несколько раз, пока не будет достигнуто нужное значение ускорения.
Чем выше и тоньше башня, тем более выраженные у нее колебания. Иногда бывает невозможно упрочнить постройку настолько, чтобы контролировать ускорение колебания и его временные интервалы. Такое здание, хотя и будет совершенно безопасным, не будет давать ощущения безопасности тем, кто находится в нем. В таком случае колебания башни контролируют искусственно с помощью своеобразного маятника, который называют инерционным демпфером (или инерционным гасителем) и который движется в противоположную колебаниям сторону.
У каждого объекта, в том числе у здания, есть естественная частота: количество вибраций в секунду при нарушении состояния покоя. Оперная певица может голосом разбить винный бокал, потому что у бокала есть своя естественная частота. Если певица попадет в ноту с той же частотой, что и у бокала, то энергия ее голоса заставит бокал вибрировать с такой силой, что он сам разобьется. Аналогичным образом ветер (и землетрясения) колеблет здания с определенной частотой. Если естественная частота здания совпадет с частотой порыва ветра или землетрясения, то здание начнет сильно вибрировать и пострадает. Это явление – сильные колебания объекта на естественной частоте – называется резонансом.
Маятник нейтрализует колебания высотного здания, так как колеблется в противоположном направлении
Маятник – который представляет собой груз, подвешенный на тросах или пружинах, – колеблется туда-обратно. В зависимости от длины троса или упругости пружины он совершает определенное количество колебаний в единицу времени. При использовании маятника для нейтрализации колебаний небоскреба хитрость состоит в том, чтобы рассчитать частоту небоскреба (по компьютерной модели), а потом установить на вершине маятник с той же частотой. Когда на небоскреб воздействует ветер или землетрясение, здание начинает колебаться туда-обратно. Из-за этого маятник тоже начинает колебаться, но уже в противоположном направлении.
Башня «Тайбэй 101» возвышается на 509 метров и гордо выделяется на горизонте города Тайбэй в Тайване
Мы можем остановить колебания камертона – и его звучание, – просто прикоснувшись пальцем к одному зубчику. Палец нейтрализует энергию колебания. То же самое происходит и в нашем колеблющемся небоскребе. Здание словно камертон, а маятник – это наш палец, который нейтрализует энергию, созданную движением небоскреба, так что колебания становятся все меньше и меньше, а потом и вовсе затухают. Движение здания словно «гасится» (отсюда и название «гаситель»), и люди в здании его не чувствуют.
Когда в 2004 году завершилось строительство 509-метровой башни «Тайбэй 101» в городе Тайбэй в Тайване, она была самым высоким зданием в мире. Она заслуженно славится своей четкой архитектурной эстетикой: создатели черпали вдохновение в пагодах и стеблях бамбука, а само здание состоит из восьми трапециевидных секций, которые дают ощущение чего-то естественного, природного, как будто башня сама проросла из земли подобно стеблю растения, – и эту иллюзию дополняют зеленые тонированные стекла.
Еще эта башня известна тем, что между 92-м и 87-м этажами в ней подвешен огромный стальной шар. Это маятник весом в 660 тонн – самый тяжелый маятник в небоскребе в мире. Он стал настоящей туристической достопримечательностью (благодаря своему размеру, геометрической элегантности и ярко-желтому цвету, из-за которого он напоминает объект из научно-фантастического фильма), но его настоящая задача – защищать башню от тайфунов и землетрясений, которые могут обрушиться на город. Когда здание колеблется от порывов ветра или землетрясения, маятник тоже начинает колебаться и нейтрализует колебания башни. В августе 2015 года на Тайвань обрушился тайфун «Суделор» с порывами до 170 км/ч, но башня «Тайбэй 101» осталась невредима. Ее спаситель – маятник – поставил рекорд в колебаниях, ширина которых достигла 1 метра.
Маятник в башне «Тайбэй 101» помогает зданию выдерживать землетрясения
Инженеры используют маятник для защиты от ветра и землетрясения, потому что и ветер, и землетрясения воздействуют на строения случайным образом в горизонтальном направлении. Но у землетрясений может быть больше разрушительных последствий, поэтому нам нужны и другие меры предосторожности. Ужасная разрушительная сила землетрясений породила множество объяснений своему происхождению. В древней индийской мифологии говорится, что земля трясется тогда, когда четыре слона, которые держат ее на своих спинах, двигаются или потягиваются. Согласно скандинавским мифам, земля дрожит, когда Локи (бог озорства, которого заточили в пещеру за злодеяния) пытается вырваться из оков. Японские мифы винят в землетрясениях гигантского сома Онамадзу, живущего под землей в грязи под надзором бога Касимы, который придавил его огромным камнем. Но иногда Касима теряет бдительность, и Онамадзу мечется, сотрясая землю. Сегодня у нас есть менее яркое, но более точное объяснение периодическим вибрациям земли. Землетрясения происходят тогда, когда разные слои земной коры сдвигаются относительно друг друга. Из одной точки идет взрывная волна энергии. Эта точка называется эпицентром землетрясения. Энергия распространяется в стороны от этой точки, и все на поверхности трясется, в том числе наши постройки. Волны энергии от толчков в земной коре, воздействующих на наши здания, непредсказуемы и случайны – они обрушиваются без предупреждения.
Амортизаторы, защищающие небоскреб Торре-Майор в Мехико, Мексика
Инженеры изучают частоту землетрясений в исторических записях, а потом с помощью компьютерной модели сравнивают ее с естественной частотой здания, которое собираются построить. Как и в случае с ветром, нам нужно убедиться, что эти частоты не совпадают, иначе здание войдет в резонанс и может повредиться или даже обрушиться. Если они совпадают, то естественную частоту здания можно изменить, если сделать его более тяжелым, или сделать сердцевину или каркас более прочными.
Еще один способ минимизировать ущерб от ударных волн землетрясения – специальные резиновые «подушки», или «подложки». Если сидишь в гостиной, где мощные колонки выдают басы, то чувствуешь, как вибрации идут от колонок в пол, проходят сквозь диван и передаются прямо в твое тело. Если под колонки поместить резиновые подложки, то этот эффект ослабевает, потому что подложки поглощают большую часть вибраций. Аналогичным образом мы можем поместить большие резиновые подложки под колонны здания, и они будут поглощать (амортизировать) вибрации землетрясения.
Энергию землетрясения могут поглощать и соединения между балками, колоннами и диагональными стяжками. В башне Торре-Майор в Мехико для этого используется очень умная система. В этой 55-этажной башне установлено 96 гидравлических демпферов, или амортизаторов – как в автомобиле, – расположенных крест-накрест по всему периметру и по всей высоте (получается каркас из перекрестных элементов), так что они придают зданию дополнительную прочность и защищают от землетрясений. Когда происходит землетрясение, все здание качается, а его движение поглощают демпферы, так что само строение не так сильно движется. Интересно, что вскоре после завершения строительства Торре-Майор в Мехико как раз произошло землетрясение с магнитудой 7,6 балла и нанесло городу значительный ущерб. Башня Торре-Майор осталась цела и невредима. Говорят, что люди, находившиеся в тот момент в здании, даже не поняли, что произошло землетрясение.