Япония расположена в одной из самых сейсмических активных зон планеты. Последнее разрушительное землетрясение 2011 года магнитудой 9 баллов стало самым сильным за всю историю страны. Вместе с тем страна почти со 127 миллионами жителей занимает 24 место по плотности населения. Это значит, что без высотных зданий там не обойтись. Скайлайн Токио неотличим от манхеттенского: мегаполис застроен небоскребами. Какие технологии позволяют возводить многоэтажные здания в регионах, где землетрясения происходят практически ежедневно?
Из глубины веков
Люди издавна пытались сделать здания устойчивыми к землетрясениям. Методом проб и ошибок древние строители приходили к техникам, которые позволяли их домам противостоять хотя бы несильным подземным толчкам.
В той же Японии традиционные дома — минка — строились из дерева, а внутренние перегородки делались из деревянных раздвижных дверей, обтянутых бумагой. По сути, такие дома были предками современного каркасного строительства. При небольших землетрясениях минка оставались целыми за счет гибкости древесины и прочности узлов соединения. Во время сильных толчков дом складывался как шалаш, а легкие бумажные перегородки не наносили серьезных травм.
Строители и сегодня используют свойства материалов, чтобы повысить сейсмостойкость домов. Конструкционная сталь делает здания гибкими, в то же время она прочнее бетона или кирпича. Фермы из стали используют не только в качестве каркаса при строительстве, но и для укрепления уже построенных зданий.
Инженеры тестируют новые материалы в строительстве. Например никель-титановые сплавы на 10–30 % прочнее стали. При этом у них есть свойство памяти формы: после деформации такой материал возвращается к изначальному состоянию. Для усиления бетонных колонн применяют углеродное волокно. Колонну оборачивают пластиковой пленкой, армированной углеродным волокном, а между ней и бетоном заливают эпоксидную смолу. Также инженеры исследуют свойства бамбука и паутины, чтобы создать новые материалы для возведения прочных конструкций.
Древние майя поняли, что наиболее сейсмоустойчивыми являются дома правильной формы. Такой построена пирамида Кукулькана в древнем городе Чичен-Ица на полуострове Юкатан. Симметричные конструкции лучше противостоят землетрясениям, поэтому архитекторы и сегодня используют их для проектирования строений в сейсмических опасных зонах.
А вот соседи майя по Америке инки применяли полигональную кладку. Они с большой точностью обтесывали огромные камни и подгоняли их друг к другу, не используя в строительстве никакого скрепляющего раствора. При сильных землетрясениях такая кладка как бы пляшет, но не рассыпается, а при более слабых остается неподвижной.
Летающие дома
Еще один вариант снижения нагрузки на конструкцию во время землетрясений — создание «прослойки» между зданием и землей. Для этого фундамент приподнимают над поверхностью, и передача энергии в основную часть дома уменьшается. Поэтому волны, которые распространяются с подземными толчками, доходят до конструкции значительно ослабленными, и их разрушающий эффект сводится к минимуму.
Изолирующих технологий довольно много, и применяются они весьма успешно. Базовая изоляция состоит из подшипников и прокладок. Такая конструкция похожа на подвеску автомобиля, задача которой — гасить удары от попадания колес в неровности дороги. В основании — тяжелая свинцовая пластина, которая окружена чередующимися слоями резины и стали. Эти пластины с помощью подшипников крепятся к фундаменту, на котором уже возводится здание. Такие изоляторы позволяют снизить сейсмическую нагрузку на 80 %.
По такому принципу построено одно из, как считается, самых сейсмоустойчивых зданий мира — новый стамбульский аэропорт имени Сабихи Гёкчен. Здание, как и сам крупнейший город Турции, находится на Северо-Анатолийском разломе. Последнее разрушительное землетрясение показало, что вложения в сейсмоустойчивое строительство необходимы, ведь ученые предупреждают, что в скором времени новые толчки могут произойти уже в непосредственной близости от Стамбула.
Инженеры компании Ove Arup, которая проектировала здание аэропорта, использовали 300 вышеописанных изоляторов, которые делают здание аэропорта площадью около 40 тысяч квадратных метров устойчивым к землетрясению магнитудой до 8,0.
Развитие эта технология получила в Японии, где предложили строить дома, буквально парящие над землей. Система состоит из сенсоров и мощных компрессоров. Когда датчики фиксируют подземные толчки, компрессоры практически моментально нагнетают между фундаментом и основанием здания воздух. Создается прослойка толщиной три сантиметра, которая гасит вибрацию. Эту технологию впервые применила компания Air Danshin, она быстро завоевала популярность и теперь является одним из стандартов строительства зданий в Японии.
Гаси колебания
Разрушение зданий при землетрясении вызывается вибрациями. Чтобы их погасить, в конструкции предусматривают специальные устройства для гашения колебаний — демпферы. Существует множество разновидностей демпферов, их применение зависит от проекта. Однако общий принцип их работы один: амортизаторы замедляют вибрацию и уменьшают амплитуду раскачивания здания, преобразуя энергию подземных толчков. Таким образом здание спасают от разрушения.
Один из видов гасителей колебаний — это инерционный демпфер. Такая технология применена в небоскребе «Тайбэй 101» в столице Тайваня. Он стал первым в мире зданием, превысившем высоту 500 метров и остается десятым по высоте в мире. Высотный дом должен противостоять как землетрясениям, так и сильнейшим тайфунам.
Демпфер был спроектирован компаниями Thornton-Tomasetti Engineers и Evergreen Consulting Engineering. Он представляет собой 730-тонный маятник, который свешивается с высоты 92 этажа до 87-го (всего этажей 101). На вершине шпиля находятся еще два гасителя колебаний массой шесть тонн каждый. Когда здание отклоняется под действием ветра или из-за землетрясения, маятник колеблется в противоположную сторону.
Возможно, мы никогда не сможем предсказывать землетрясения. Поэтому разработка сейсмоустойчивых технологий в строительстве и совершенствование системы гражданской обороны — самый перспективный путь для того, чтобы в будущем уменьшить количество жертв и ущерб от стихии.