Небоскрёбы на песке: высотки в сейсмозонах

Мехико стоит на дне высохшего озера, Токио — на стыке четырёх тектонических плит, а Тайбэй — в 660 метрах от активного разлома. Тем не менее именно здесь возводят одни из самых высоких зданий планеты. Разбираемся, какие инженерные решения позволяют небоскрёбам не просто выживать при землетрясениях, а продолжать работать уже через несколько минут после подземных толчков.

Гибкость вместо жёсткости

До середины XX века инженеры были уверены: чем жёстче конструкция, тем безопаснее здание. Практика показала обратное. Жёсткий каркас накапливает напряжение и в какой-то момент ломается, тогда как гибкая конструкция гасит энергию колебаний, слегка раскачиваясь из стороны в сторону.

Эта идея не нова. Японские пагоды столетиями строились по похожему принципу — с центральным столбом, который позволял верхним ярусам двигаться независимо от нижних. Современные инженеры превратили традицию в точную науку, заменив дерево сталью и железобетоном.

Онлайн курсы по строительству сегодня отдельно разбирают эту эволюцию инженерной мысли — от эмпирических решений прошлого до расчётных моделей, которые используют современные проектировщики высотных зданий.

Маятник весом 660 тонн

Один из самых наглядных примеров работы с гибкостью — тайваньская башня Тайбэй 101. Здание высотой 508 метров стоит всего в 660 метрах от крупного разлома, а тайфуны здесь такое же обыденное явление, как землетрясения.

Между 87 и 92 этажами подвешен стальной шар массой 660 тонн — гигантский маятник на 92 стальных тросах. При раскачивании здания шар движется в противоположном направлении, а гидравлические цилиндры превращают кинетическую энергию колебаний в тепло. Во время землетрясения 2024 года, сильнейшего на Тайване за 25 лет, шар отклонился примерно на полтора метра — и погасил до 40% колебаний конструкции.

Похожие маятники стоят сегодня в нью-йоркской Steinway Tower и в дубайском Burj Al Arab, где их сразу одиннадцать.

Мехико: город на желе

Мексиканская столица построена на месте древнего озера Тескоко. Мягкие глинистые отложения усиливают сейсмические волны — этот эффект инженеры называют «эффектом чаши с желе». Именно резонанс с грунтом, а не сама сила толчков, разрушил тысячи зданий в Мехико в 1985 году.

Построенная позже Torre Mayor учла этот печальный опыт. В стальной каркас 57-этажного небоскрёба встроено 98 демпферов — технология, изначально разработанная для военных объектов. В 2017 году, когда землетрясение магнитудой 7,1 обрушило соседние здания, башня лишь покачнулась и через несколько минут снова была пригодна для работы.

Ещё смелее решение применили при строительстве Torre Reforma: две массивные железобетонные стены по бокам здания работают как книжный переплёт, позволяя конструкции изгибаться, не разрушаясь.

Токио и уроки 1923 года

В сентябре 1923 года землетрясение магнитудой 8,3 и последовавшее цунами стёрли с лица земли пятую часть зданий Йокогамы. Тогда же профессор Токийского университета Тосикато Сано отправился в США изучать конструкции устоявших там небоскрёбов.

С тех пор японская инженерная школа заметно продвинулась. Токийские высотки сегодня оснащены разветвлённым стальным каркасом и системами гашения колебаний, распределёнными по всей высоте здания — от фундамента до шпиля. Во время землетрясения 2011 года многометровые башни японской столицы заметно раскачивались, но ни одна не обрушилась.

Сейсмоизоляция: отделить здание от земли

Есть подход, принципиально отличающийся от гашения колебаний внутри конструкции, — сейсмоизоляция основания. Здание буквально устанавливают на резинометаллические или скользящие опоры, которые отделяют его колебания от колебаний грунта.

Такая технология снижает нагрузку на несущие конструкции на 80–90% и применяется, в частности, в терминале аэропорта Сабиха Гёкчен и в кампусе Apple Park. Минусы у метода тоже есть: коммуникации приходится делать гибкими, а вокруг здания нужно оставлять свободное пространство для возможных смещений — иногда до полуметра в каждую сторону.

Запас прочности с многократным превышением

Бурдж-Халифа в Дубае — не самый очевидный кандидат в список сейсмостойких зданий, но и Персидский залив периодически трясёт. Небоскрёб рассчитан на землетрясение до 7 баллов по магнитуде, хотя сильные толчки здесь редкость. Асимметричная форма башни, придуманная архитектором Эдрианом Смитом, не позволяет зданию раскачиваться в резонанс — та же проблема, что погубила часть построек в Мехико.

Фундамент небоскрёба держат 192 сваи длиной по 45 метров каждая, вбитые в грунт под четырёхэтажным подземным основанием.