Почему не падают небоскребы

Каждый час на планете происходит около 10 землетрясений. Несмотря на статистику, новости о разрушении высотных зданий приходят крайне редко. Все благодаря науке и инженерному прогрессу.

Почему небоскребы не рушатся во время землетрясений?

Беспечность в отношении землетрясений не может позволить себе никто, даже жители регионов с малой сейсмической активностью.

Например, в центральной части Восточно-Европейской платформы, в кристаллическом фундаменте есть глубинные разломы. В Московской области они находятся прямо возле Подольска, под долиной реки Пахра. Разлом скрыт чехлом осадочных пород, но сейсмическая волна вполне может проявиться как раз в районе такого разлома. Именно так произошло во время Московского землетрясения 1977 года.

Таким образом, даже на равнинах здания, особенно высотные, всегда строят с учетом вероятности подземных толчков. В том же 1977 году в Москве у некоторых жилых домов появились трещины. А высотки устояли. Совпадение? Нет, инженерный расчет.

Высотные здания сохраняют устойчивость во время землетрясений благодаря прочным стенам, надежному фундаменту и системе компенсации колебаний. Первые два условия легко соблюдаются, если инженеры правильно применили формулы сопромата: конструкции стен и фундаментов различных небоскребов мало чем отличаются.

Хотя и тут бывают нестандартные решения. Например, итальянцы конструируют систему защиты стен в виде сетки из металлических пластин. А длинные здания (более 40 м) они буквально сшивают из отдельных конструкций специальными антисейсмическими швами — во время землетрясения эти части будут двигаться друг относительно друга и не повредятся.

А вот третий компонент антисейсмической защиты — система компенсации колебаний — наиболее примечательный, потому что тут царит настоящая инженерная магия.

Демпферы противостоят нагрузкам

Напрашивающееся при сейсмической активности решение — установить между зданием и его фундаментом так называемые демпферы, которые позволят конструкции перемещаться относительно поверхности Земли, не испытывая жестких нагрузок. Такой подход называется базовой изоляцией. Он подходит для мало- и среднеэтажных зданий — из-за ограниченной способности демпферов противостоять нагрузкам. Чаще всего для базовой изоляции используют:

— подшипники скольжения и гибкие металлические подшипники, которые требуют ремонта или замены после землетрясения.

— резинометаллические многослойные конструкции — опять же требуют внимания после подземных толчков, но замены — не всегда.

Например, стамбульский аэропорт Сабиха Гекчен стоит на 292 тройных демпферах, что успешно спасает аэровокзал во время подземных толчков. В среднем подобные системы поглощают от 80% сейсмической нагрузки.

Однако таким демпферам между фундаментом и зданием придумали интересную альтернативу: воздушную подушку. При землетрясении специальные датчики подают сигнал управляющему устройству, тогда компрессоры нагнетают воздух и через 1−5 секунд здание начинает буквально парить в 3 см над фундаментом. Такие конструкции уже появились в Японии, однако они хороши в основном для малоэтажных зданий.

При этом весьма дороги — это сложная система, и нужны мощные компрессоры. Кажется, это вариант идеален для районов с постоянной сейсмоактивностью. Увы, высотное здание на воздушную подушку не поставить: даже если разработать сверхмощные компрессоры, то пиковую нагрузку они давали бы такую, что никакая сеть не выдержит.

Почему не падают небоскребы

При всем этом крайне удивительным кажется тот факт, что в сейсмоопасных зонах до сих пор возводят высотные бизнес-центры и жилые дома. Но за чудом, как обычно, стоят технологии и масса проектной работы. Чтобы обеспечить устойчивость небоскребов и их стен, применяют комплекс решений.

Во-первых, важны материалы, из которых сделан каркас здания:

— упругая конструкционная сталь;

— сплавы с памятью формы, например, никель-титановый;

— углепластик, которым усиливают бетонные несущие конструкции.

Во-вторых — сама конструкция зданий. Иногда используют качающуюся внутреннюю стену. Это своего рода стержень, усиленный в районе первых этажей — он принимает колебания на себя, в то время как внешние стены остаются как бы подвешенными на уже знакомых нам амортизационных подушках. Такую конструкцию часто усиливают натянутыми стальными тросами.

Часто в местах сочленения каркаса зданий устанавливают демпферы. Их конструкция может быть различной — в том числе жидкостной, аналогичной автомобильным амортизаторам. Она не просто позволяет каркасу «гулять», но и гасит колебания.

Физика = магия

Невероятно красивое решение — массовый демпфер. Ближе к верхушке здания, на верхних этажах, подвешивают груз, который компенсирует сейсмические колебания. Так, к примеру, защищен от землетрясений тайваньский небоскреб Тайбэй 101.

Самое красивое с точки зрения инженерии решение — линза Веселаго-Пендри. Правда, оно пока не реализовано. Это система скважин под зданием, способная свести на нет сейсмические колебания. Оказывается, такие скважины можно расположить так, чтобы большая часть волн гасла. Эксперименты доказывают, что это вполне реально. Если опустить в скважины колонны, уходящие в скальные породы, то колебания можно буквально свести к нулю. Подчеркнем — такая защитная зона никак не соприкасается со зданием, она просто уничтожает сейсмические волны на подходе к нему. Реализовать это непросто из-за неоднородности горных пород. Но очень похоже, что именно за этим решением будущее.

На обложке: тайваньский небоскрёб Тайбей 101(509,2 метра) и его «подушка» — массовый демпфер в 800 тонн.