Простой вопрос: Почему небоскребы не падают? Они же такие высокие!
Не так давно построенный 630-метровый небоскреб в Шанхае совершенно недвижим: де-факто это самое устойчивое в мире здание - ни ветер, ни даже самые мощные катаклизмы не способны вывести конструкцию из стабильности.
Более того, люди внутри в принципе не заметят ничего, а всё благодаря продуманной системе современных демпферов - гасителей колебаний.
Как это достигается?
Например, если вы возьмете пятиметровый отрезок трубы и помашете им в воздухе, то потом потребуется приложить серьёзные усилия для того, чтобы вновь вернуть эту жердину в статичное состояние. Но если на верхнем конце трубы приделать килограммовый противовес на пружине, то момент инерции послужит компенсатором части кинетического импульса, и резкие рывки превратятся в более плавные.
Вот и с башней в Шанхае та же история: наверху там есть мощная система противовесов. Хотя это и не объясняет, почему башни, подобные этому небоскребу, стоят и не падают вопреки ветрам и другим испытаниям…
Как китайцы строят небоскреб
Система, применённая при строительстве этого здания, называется демпфером. Она призвана гасить колебания, вызванные ветром, служит и для того, чтобы снизить скорость движения верхней части сооружения, возникающей в процессе этих колебаний.
Подобные демпферы, представляющие собой грузы на пружинах-противовесах, ранее применялись в автомобилях «Формулы-1», чтобы снизить амплитуду вертикальных колебаний носовой части автомобиля, но теперь технологию активно применяют при возведении небоскрёбов.
Обычно применяемый в высотных постройках демпфер - это пучок гибко связанных межу собой пластин из стали. Когда здание отклоняется от нормали, эти пластины сообщают ему обратный момент инерции, в результате чего дом возвращается в вертикальное положение.
Но такому гиганту, как Шанхайская башня, этого было мало! На верхушке полукилометрового здания колебания могут стать настолько ощутимыми, что у работников и жителей здания может развиться так называемая «воздушная болезнь» - укачает их, а это, мягко говоря, грустно.
К этому добавляется хранящийся на подкорке любого человека страх обрушения столь внушительной конструкции, что делает ситуацию еще более дискомфортной. Чтобы избежать этих проблем, китайские инженеры, работавшие над строительством небоскреба, применили инновационное решение: они разместили на верхних этажах аккуратно выверенный груз и связали его с мощным электромагнитом, создав первый в мире индукционный демпфер.
Без этого уникального механизма строительство таких высотных зданий было бы невозможно - они просто бы обрушивались до завершения строительства.
Ключевой элемент этого механизма - пластина из меди площадью 100 кв. м., на которой установлены полторы сотни супермощных магнитов. И вот эта штуковина установлена под подвешенным традиционным противовесом. Когда здание начинает колебаться, стальной противовес массой в тысячу тонн проносится над магнитами, что влечёт выработку электротока в медном элементе.
Ток генерирует электрополе, превращая конструкцию в электромагнит и заставляя демпфер работать с удесятеренной эффективностью. При этом вмешательство человека здесь не нужно, никаких тебе скучающих операторов за пультом - обычная индукционная катушка, просто гигантского масштаба.
Это инженерное решение не только элегантно, но и высокоэффективно; так, в инженерном паспорте проекта указано, что 90% обитателей офисов и посетителей даже самых высоких этажей башни не ощутят колебаний даже во время самых свирепых летних тайфунов, при землетрясениях до 5 баллов включительно (при большей амплитуде ощущаться будет, но не так сильно).
Почему не падают небоскребы?
Мы уже разобрались в том, как строят небоскрёбы, но не менее важен вопрос их дальнейшей эксплуатации. Что же удерживает эти гигантские сооружения от падения? Упомянем несколько ключевых факторов.
Небоскрёбы не падают благодаря сочетанию продуманного инженерного дизайна, высококачественных материалов и современных технологий. Вот основные причины, которые обеспечивают устойчивость этих высоких зданий:
Фундамент
Небоскрёбы строятся на глубоком фундаменте, который может уходить десятки метров под землю, помогает распределить вес здания и устойчиво закрепить его в земле. Часто используют свайный фундамент, где сваи погружаются в твёрдые слои почвы или скалы.
Каркасная структура
Современные небоскрёбы имеют прочный каркас из стали или железобетона, который равномерно распределяет нагрузку по всей конструкции и обеспечивает её стабильность. Эта рама создаёт «скелет» здания, который выдерживает его вес и противостоит внешним нагрузкам.
Обтекаемая форма
Многие небоскрёбы проектируются с учётом аэродинамики, что помогает снизить воздействие ветра на здание: специальные, тщательно рассчитанные изгибы и углы в конструкции уменьшают турбулентность и уменьшают давление ветра.
Системы демпфирования
Внутри многих небоскрёбов устанавливают уже знакомые нам демпферы - простейшие противовесы огромной массы, подвешенные на верхних этажах здания. Они поглощают и компенсируют колебания, вызванные ветром или сейсмическими активностями, тем самым предотвращая чрезмерные колебания конструкции.
Материалы высокой прочности
Сталь и железобетон, используемые в строительстве небоскрёбов, обладают огромной прочностью на растяжение и сжатие, способны выдерживать колоссальные нагрузки, поддерживая здание в устойчивом состоянии.
Защита от землетрясений
В районах, подверженных землетрясениям, небоскрёбы проектируются с использованием специальных технологий (таких как сейсмические изоляторы и амортизаторы), которые помогают зданию выдерживать толчки без повреждений.