В XX веке при строительстве сейсмоустойчивых зданий делали ставку прежде всего на прочность, но землетрясения раз за разом показывали, что одной прочности недостаточно.
В 1981 году и особенно после землетрясения в Кобе в 1995 году Япония изменила подход: здание должно не сопротивляться толчкам любой ценой, а «танцевать» вместе с ними. Как это происходит?
Вот пять ключевых принципов устойчивости современных японских зданий.
1. Ослабить толчки у основания
Когда земля начинает резко ходить ходуном, первый удар принимают специальные опоры, установленные между фундаментом и зданием.
Один из распространённых вариантов — свинцово-резиновая опора. Она состоит из чередующихся слоёв резины и стали, а в её центре находится свинцовая вставка. Нижняя часть опоры закреплена на фундаменте, а верхняя — на здании.
Фундамент резко сдвигается вместе с грунтом, а резиновые слои перекашиваются и смягчают толчок. Поэтому фундамент может немного сместиться под зданием, не увлекая его резко за собой. Стальные пластины удерживают резиновые слои и не дают им расплющиться под весом здания.
При боковом сдвиге опоры свинцовая вставка деформируется как пластилин и работает как тормоз. На это расходуется часть энергии колебаний, которая превращается в тепло. В результате зданию передаётся меньше энергии и оно раскачивается слабее.
2. Позволить зданию двигаться
После того как опоры смягчают толчок, часть колебаний всё же передаётся от фундамента зданию и распространяется вверх по этажам. Стальной или железобетонный каркас позволяет зданию немного изгибаться, чтобы сильный толчок не сломал несущие конструкции.
Но это не свободное раскачивание. Инженеры заранее рассчитывают, насколько далеко и быстро может двигаться здание, чтобы оно не потеряло устойчивость и не столкнулось с соседними сооружениями.
3. Не дать каркасу потерять форму
Если один из этажей при толчке смещается вбок намного сильнее остальных, его опоры могут разрушиться, после чего верхние этажи начнут падать. Поэтому каркас укрепляют прочными железобетонными стенами и наклонными стальными балками.
Они связывают этажи в единую конструкцию и не дают одному из них сместиться намного сильнее соседних. Здание движется как единое целое, а не рушится как карточный домик.
4. Уменьшить раскачивание
В высотных зданиях раскачивание особенно заметно. Для его уменьшения в каркас могут встраивать амортизаторы, в том числе масляные.
Внутри такого устройства поршень перемещается и проталкивает вязкое масло через узкие каналы. Масло сопротивляется движению, а часть энергии колебаний превращается в тепло.
Это уменьшает размах и продолжительность колебаний, а также нагрузку на несущие конструкции. Дом качается слабее и быстрее останавливается.
5. Стабилизировать верхние этажи
Верхняя часть высотного здания обычно раскачивается сильнее нижней. Поэтому в некоторых небоскрёбах устанавливают инерционный стабилизатор — тяжёлый подвижный груз. Груз может быть подвешен как маятник, но бывают и другие варианты.
Из-за инерции груз движется с запаздыванием. Когда верхняя часть здания отклоняется в одну сторону, груз смещается относительно неё в противоположную и через крепления тормозит это отклонение. Например, на крыше токийского Shinjuku Mitsui Building установлены шесть таких грузов по 300 тонн.
Философия гибкости
Хотя японские инженеры опираются на современные расчёты и законы физики, в основе этого подхода можно увидеть принцип восточной философии, особенно ярко выраженный в айкидо: не встречать силу жёстким сопротивлением, а уступить движению и тем самым ослабить его воздействие. Тактическая гибкость при стратегической несгибаемости.
Сейсмоустойчивое здание действует по тому же принципу: оно не пытается любой ценой остаться неподвижным, а допускает рассчитанное движение, тем самым гася разрушительную силу. Опоры смягчают толчки, амортизаторы поглощают часть энергии, а прочный каркас сохраняет целостность здания. Конструкция уступает движению настолько, насколько это необходимо, чтобы не разрушиться.
Эту идею часто передают через образ гибкой ивы:
«Гибкая ива сгибается под тяжестью снега, но не ломается, в то время как могучий дуб трескается и гибнет».
Таким образом, современные технологии сейсмозащиты — это просто инженерное воплощение древней японской мудрости: уступить, чтобы победить.
Виталий Семыкин