Рома Агравал - Built. Неизвестные истории известных зданий [litres]

Центр Помпиду в Париже с внешним каркасом, который представляет собой паутину из стальных канатов

Как инженеру-строителю, мне очень нравится видеть и понимать, как устроено здание и как в нем распределяется нагрузка. Вместо того чтобы спрятать или замаскировать, казалось бы, непривлекательные, но важные системы, благодаря которым здание живет, – выставить их напоказ, как в Центре Помпиду, было восхитительно откровенно, и этот смелый шаг помогает нам лучше понять характер здания.

Однако внешний каркас и сердцевина не только помогают зданию не наклоняться и не опрокидываться – они также отвечают за контроль колебаний. Может показаться странным, что здания, которые выглядят прочными и сделаны из стали и бетона, – движутся, но это и правда так. Сами по себе колебания не представляют проблемы: важна только частота и длительность колебаний. За многие годы экспериментов нам удалось определить уровни ускорения (меру того, как быстро изменяется скорость объекта), на которых люди почувствуют это движение. Возьмем, к примеру, полет на самолете: несмотря на огромную скорость, при спокойном воздухе мы едва ли вообще ощущаем, что движемся. Когда же возникает турбулентность, скорость начинает внезапно и быстро меняться, и мы это чувствуем. Здания очень похожи: они могут достаточно много двигаться, но мы этого не ощутим, если ускорение небольшое. А если оно увеличится, то даже при незначительном движении нас может укачать.

И на нас воздействует не только ускорение. В зависимости от того, как долго здание раскачивается – колеблется или наклоняется из стороны в сторону, – мы тоже можем почувствовать некоторую неустойчивость. Вернемся к аналогии с трамплином для прыжков в воду, когда отталкиваешься от доски и ныряешь, то она еще какое-то время колеблется и только потом останавливается. Если доска толстая и прочно закреплена у основания, то колебания у нее маленькие и длятся недолго. Если доска потоньше и закреплена не так прочно, то колебания у нее гораздо больше и длиться они будут дольше.

Когда я проектирую высокую башню, мне нужно удостовериться, что ускорение колебания выходит за пределы диапазона человеческого восприятия, а само колебание быстро прекращается.

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.