Над городским ландшафтом Токио, Осаки и Йокогамы возвышаются небоскрёбы – привычный элемент панорамы большинства крупных городов в развитых странах мира. Вокруг них кипит жизнь, а сами здания кажутся величественными и непоколебимыми, словно опоры, без которых сумасшедший урбанистический ритм превратил бы город в сплошной хаос. Иллюзия несокрушимости небоскрёба становится очевидной только во время землетрясений, ведь чтобы обеспечить безопасность людей внутри, здание должно уметь двигаться. По этой причине небоскрёбы часто называют танцующими.
В 2011 году Токоху, регион на востоке Японии, столкнулся с одним из самых разрушительных землетрясений в истории страны. Однако это землетрясение было лишь одним из множества проявлений сейсмической активности, которые регулярно затрагивают Японию. Японский архипелаг лежит вдоль Тихоокеанского вулканического кольца на стыке евразийской, филиппинской, североамериканской и тихоокеанской литосферных плит, которые находятся в фазе активного движения. Землетрясение является своего рода выплеском всей мощи и энергии, накапливаемой в земной коре вследствие разнообразных геологических процессов.
Все здания в Японии должны быть достаточно надёжными, чтобы противостоять разрушительной силе землетрясений – даже небольшие или временные постройки. Инженеры выделяют два уровня устойчивости здания к внешним воздействиям: первый предназначен для относительно слабых землетрясений, которые происходят довольно часто. На этом уровне любые повреждения, требующие последующего ремонта здания, неприемлемы – структура здания должна быть продумана настолько тщательно, чтобы после слабого землетрясения оно оставалось нетронутым.
Второй уровень устойчивости предназначен для экстремальных землетрясений, в Японии на колебания с магнитудой выше 6,5 баллов приходится около 7% всех случаев. При разработке зданий второго уровня устойчивости инженеры ориентируются на Великое землетрясение Канто магнитудой 8,3 балла, которое практически полностью разрушило Токио и Йокогаму в 1923 году – его жертвами стали 174 тысячи человек, 542 тысячи числятся пропавшими без вести. Для ещё более мощных землетрясений сохранение целостности зданий уже не является задачей инженеров – в таком случае в приоритете спасение человеческих жизней, потому приемлемы любые разрушения, которые не приводят к гибели людей.
Чтобы противостоять мощи землетрясений, здания должны поглощать как можно больше сейсмической энергии. Самый древний способ выполнения этой задачи – это сейсмическая изоляция, которая использует конструктивные элементы для снижения нагрузки. Между фундаментом и надземной частью здания устанавливаются эластичные или скользящие устройства, например, резиновые блоки, в которые во время землетрясения упирается основание постройки.
Сейсмическая изоляция фундамента – один из самых применяемых в мире способов предупреждения разрушений от землетрясения, однако порой одного способа недостаточно. Высокие здания не просто вибрируют – амплитуда колебаний небоскрёба может достигать 1,5 метра. Инженеры нашли новое приспособление, способное гасить амплитуду колебаний – демпфер. Это устройство представляет собой гидравлический амортизатор, наполненный рабочей жидкостью (чаще всего маслом). При установке демпфера через этаж по всей высоте здание, частота колебаний значительно уменьшается – отличным примером применения этого устройства является Roppongi Hills Mori Tower, 54-этажное здание высотой 238 м.
Сейсмостойкое здание не обязательно должно быть наполнено сложнейшими девайсами, поглощающими сейсмическую энергию. Важную роль играет планировка и дизайн строения: иногда стоит пожертвовать креативными решениями и упростить проект – при равной высоте этажей и симметричном расположении несущих элементов у здания больше шансов выстоять в землетрясении. Нередко дизайнеры не желают отказываться от своих уникальных идей и идти на компромисс с сейсмическими стандартами, что приводит к серьёзным конфликтам и последствиям. Когда специалисты работают в согласии, результат получается действительно впечатляющим – элегантным и безопасным.
Skytree Tower в Токио, строительство которой завершилось в 2012 году, является вторым по высоте зданием в мире. Башня высотой 634 метра построена в «неофутуристическом» стиле в сочетании с элементами традиционной японской пагоды. Теоретически небоскрёб может поглощать до 50% энергии землетрясения благодаря центральной системе контроля вибраций: в центре небоскрёба находится колонна высотой 375 метров, которая соединена с конструкцией здания с помощью масляных демпферов. Верхняя часть здания стабилизируется с помощью инерционного демпфера – массивного бетонного блока, который колеблется с резонансной частотой небоскрёба и компенсирует сейсмическую нагрузку на здание.
Ещё один способ гармонично соединить в дизайне оригинальность и эффективность – это использование разного рода сетей. Декоративные геометрические фигуры могут сработать как стальная ферма в основании моста: в случае повреждения одного элемента конструкции нагрузка распределяется на соседствующие.
К сожалению, природа стихийных бедствий непредсказуема, и невозможно наверняка знать, выдержат ли существующие приспособления ещё более мощное землетрясение. Потому технологии для создания устойчивых к внешнему воздействию зданий не стоят на месте, единственный способ избежать человеческих жертв во время будущих землетрясений – постепенная разработка и внедрение новых сейсмостойких элементов.
