Текст книги "Built. Неизвестные истории известных зданий"

Умная геометрия служит еще одним способом сделать балку прочнее. Самая большая сила сжатия действует на балку сверху, а самая большая сила растяжения – снизу. Поэтому чем больше материала сверху и снизу балки, тем она прочнее. Объединяя эти два принципа – толщину и геометрию, – мы получаем наилучшую форму балки: букву «I» (в срезе она похожа на эту букву), потому что в ней больше всего материала как раз сверху и снизу, где действуют самые большие силы. Большинство стальных балок как раз такой формы. (Они немного отличаются от колонн в форме буквы «Н», потому что имеют большую толщину, нежели ширину, а колонны в форме буквы «Н» в разрезе ближе к квадрату.) Бетонные балки тоже можно сделать такой формы, но гораздо легче заливать бетон в обычную прямоугольную форму, так что из соображений экономии и практичности большинство бетонных балок в срезе имеют форму простого прямоугольника.

Большие мосты вроде Квебекского моста слишком длинные для «обычных» балок в форме буквы «I». Чтобы покрыть такое расстояние, их пришлось бы сделать такими вытянутыми и тяжелыми, что их попросту нельзя было бы поднять на нужное место. Вместо этого мы используем другой тип структуры, который основан на устойчивости треугольника, – ферму.

Возьмите четыре палочки и свяжите их концы так, чтобы получился квадрат. Потом надавите на его сторону: квадрат превратится в ромб и сломается. Треугольники, в отличие от квадратов, не деформируются и не ломаются от подобной нагрузки. Ферма – это конструкция из балок, колонн и распорок, образующих между собой треугольники, в которой силы хитро распределяются между всеми частями конструкции. Для создания фермы нужны более мелкие и легкие детали, между которыми образуется пустое пространство, так что для такой конструкции нужно гораздо меньше материала, чем для аналогичной конструкции из горизонтальных балок в виде буквы «I» на опорах.

Квадрат по своей природе гораздо менее прочный, чем треугольник

Фермы легче строить, потому что небольшие стальные детали легче транспортировать на стройку и соединять между собой. В конструкции большинства крупных мостов используются фермы. Взгляните на мост Золотые Ворота: по всей длине моста на уровне автомобильной дороги можно увидеть узор из металлических треугольников. Они напоминают чередующиеся буквы «N» и «И» – а все вместе составляют тщательно спроектированные треугольники фермы.

Благодаря гравитации на все объекты, находящиеся на поверхности земли, действует предсказуемая сила растяжения. Инженер понимает ее природу и может спроектировать колонны, балки и фермы так, чтобы ей противостоять. Но есть и другие, не менее разрушительные, силы, которые не так просто свести к уравнению. Одной из них является ветер. Ветер случаен, изменчив, непредсказуем и на протяжении веков бросает вызов инженерам разных эпох, по-прежнему ставя им задачи, которые необходимо решать, если они хотят, чтобы их конструкции не развалились.

Большинство ферм состоят из небольших треугольников, но иногда в них есть и квадраты

Когда я была в Афинах, самым впечатляющим памятником для меня стала огромная белая мраморная восьмиугольная башня на Римской агоре к северу от Акрополя. Ее построил Андроник Киррский, македонский астроном, около 50 года до н. э. Башня ветров, или часы Андроника Киррского, служила часами с восемью солнечными циферблатами, водяными часами и флюгером. Прогуливаясь вокруг башни, я увидела, что на каждой из ее восьми граней наверху расположен рельеф, изображающий одного из восьми богов ветра, – крылатые фигуры, устремленные вперед с благосклонным либо суровым выражением лица, а иногда с амфорой или гирляндой цветов в руках. Первоначально на верхушке башни располагалась бронзовая статуя Тритона и выполняла функцию флюгера, указывая в сторону того бога, чей ветер дул в данный момент.

Эта башня – дань уважения римлян богам ветров, а также свидетельство их потенциально разрушительной силы. Римский мастер-строитель Марк Витрувий Поллион (р. в 80 г. до н. э.), которого иногда называют «первым архитектором», подробно рассказывает о важности учета ветра в строительстве в труде под названием «Об архитектуре» – фундаментальном десятитомном трактате о проектировании сооружений. В книге первой он называет четыре основных направления: Соланус (восток), Аустер (юг), Фавоний (запад), Септентрио (север) – и других четырех, расположенных между четырьмя основными ветрами.

Меня изумляет то, насколько глубоко римские инженеры понимали, как ветер по-разному воздействует на строения с разных направлений. Несмотря на то что тот способ, которым современные инженеры рассчитывают эти силы, гораздо сложнее, основы нашей работы высечены в скульптурах той восьмиугольной башни еще 2000 лет назад.

Ветер воздействует на строения по всей планете. Когда я работаю над конструкцией ниже 100 метров, я, как правило, пользуюсь картой ветров. В целом это погодная карта, на которой указана основная скорость ветра по всем направлениям в том или ином месте и которая формировалась за десятилетия измерений. Я беру основную скорость ветра и учитываю ее в ряду других измерений, которые показывают, например, как далеко это место расположено от моря, на какой высоте находится, а также рельеф окружающей местности (сколько вокруг холмов и других строений). Формулы объединяют все эти факторы, и я узнаю, по каким из 12 направлений (каждые 30 градусов окружности) и с какой силой ветер будет воздействовать на конструкцию – а это почти то же, что и восемь направлений, названных Витрувием и запечатленных в рельефах Башни ветров.

Но когда я проектирую более высокое здание, такое как небоскреб, – числовые значения силы ветра уже не действуют. Ветер не линеен: он не изменяется предсказуемым способом по мере набора высоты. Если попытаться экстраполировать имеющиеся данные для 100-метровых башен или использовать математические хитрости, чтобы подогнать цифры под башни высотой 300 метров, результаты будут нереалистичными. Вместо этого строение нужно испытать в аэродинамической трубе.

Часы Андроника Киррского (Башня ветров), построенные во II–I вв. до н. э. в Афинах, Греция

Когда я работала над проектом 40-этажной башни рядом с каналом Риджентс в Лондоне, я посетила один из таких объектов. Миниатюрный мир в аэродинамической трубе уже сам по себе настоящее чудо. В Милтон-Кинсе моделисты создали уменьшенную копию моего здания в масштабе 1 к 200. Кроме того, они создали уменьшенные копии всех остальных строений в этой местности, и весь макет расположился на поворотной платформе. Здания, окружающие мой проект, были очень важны для получения достоверных данных. Если бы моя башня располагалась посередине поля, то ветер воздействовал бы на нее напрямую и не встречал на пути никаких препятствий. Но в центре мегаполиса плотная застройка различными зданиями влияет на направление ветра и турбулентность, так что силы воздействуют на башню совершенно по-другому.

Я стояла за макетом своего здания и смотрела в «туннель» – длинную квадратную трубу с гладкими стенками – на огромный вентилятор по ту сторону. Вентилятор установили на ту скорость, с какой будет дуть ветер на здание в определенном направлении. Как только проверили кабели, подключенные к аппарату, и оперативники были готовы, вентилятор включили. Я вся сжалась, когда лопасти зажужжали, а на миниатюрный город передо мной обрушился вихрь холодного ветра и ударил мне прямо в лицо. Внутри модели моего здания были установлены тысячи сенсоров, которые определяли, какие силы сжатия и растяжения на них воздействуют, и эти данные передавались на компьютер. Платформу повернули на 15 градусов и весь процесс повторили снова. Таким образом система считала данные о ветрах с 24 разных направлений. За следующие несколько недель инженеры, работающие над проектом, структурировали эти данные и подготовили отчет. Я ввела полученные данные в компьютерную модель своего здания и протестировала его. Моя конструкция безоговорочно выдержала силы ветров, воздействующие на нее по всем направлениям.

Ветер может повредить строение в трех случаях. Во-первых, если над землей постройка слишком легкая, она может перевернуться, как дорожные конусы в грозу. Во-вторых, если почва слишком слабая, то из-за ветра здание может подвинуться и потонуть. Представьте яхту в ветреный день. Сила ветра толкает яхту по воде, и, если вы плывете под парусами, то это как раз то, что нужно. Но вы вряд ли захотите, чтобы из-за ветра подвинулось какое-нибудь здание или мост. Конечно, почва не настолько жидкая, как вода, так что во время грозы вряд ли вы увидите, как к вам плывет какой-нибудь дом (а если это все же произойдет, послушайте совет профессионала: бегите в другую сторону). Тем не менее почва продавливается и движется, и потому инженерам необходимо бросать якорь, то есть укладывать фундамент, чтобы здание осталось на своем месте.

В-третьих, ветер покачивает судно из стороны в сторону. Подобно деревьям, здания имеют свойство покачиваться в зависимости от силы ветра, и это нормально и безопасно. Но, в отличие от деревьев, по зданиям это не так заметно. Башни обычно проектируют таким образом, что максимальная амплитуда их отклонения достигает не более чем одной пятисотой от их высоты, так что 500-метровая башня может отклониться максимум на 1 метр. Если это произойдет слишком быстро, то людей укачает.

Чтобы конструкция не наклонялась, ее нужно сделать достаточно тяжелой. Раньше большинство зданий были относительно скромной высоты, и, так как их строили из камня и кирпича, они оказывались достаточно тяжелыми, чтобы сопротивляться силе ветра. Но чем здание выше, тем сильнее ветер. В двадцатом веке, когда мы начали возводить более высокие и легкие сооружения, то столкнулись с такой силой ветра, с которой уже нельзя не считаться.

Поэтому при строительстве современного небоскреба одного веса здания уже недостаточно для того, чтобы избежать крена. Вместо этого инженеры ищут способы укрепить постройку так, чтобы противостоять ветру. Если вы когда-нибудь наблюдали, как при сильном ветре гнется дерево и при этом выдерживает такую силу, то уже понимаете, по какому принципу инженерам удается проектировать высотные здания, которые выстоят даже в страшную бурю. Дерево устойчиво за счет крепкого, но гибкого ствола и хорошей корневой системы, а устойчивость здания зависит от его сердцевины, сделанной из стали или бетона.

Сердцевина здания, из чего бы она ни была изготовлена, должна стать прочным «стволом» всей постройки, а ее «корни» – достаточно глубоко уходить в землю

Сердцевина здания, как предполагает само название, располагается ближе к середине башни и представляет собой квадратную или прямоугольную конструкцию из стен. Она проходит через середину башни вертикально до самого верха, подобно позвоночнику в человеческом теле. Этажи здания располагаются на несущих стенах сердцевины. Обычно мы ее не видим, потому что она хорошо спрятана, а в ней самой прячутся нужные нам коммуникации: лифты, лестницы, вентиляционные системы, электропроводка и трубопровод.

Когда на постройку воздействует сила ветра, то она распределяется по всей сердцевине. Сердцевина здания устроена подобно трамплину для прыжков в воду – она прочно закреплена с одного конца и свободно двигается с другого. Ее проектируют так, чтобы она была достаточно гибкой и позволяла силе ветра распределяться до самого основания, таким образом стабилизируя сердцевину и все здание целиком, подобно тому, как корни дерева помогают ему выдерживать сильные порывы ветра.

Устройство сердцевины здания, как правило, спрятанной в середине и обеспечивающей пространство для основных коммуникаций

Стены бетонной сердцевины изготавливают из твердого бетона (с отверстиями в определенных местах для лифта и лестничных проемов), благодаря чему она очень прочная. Стальная сердцевина отличается от бетонной: просто заменить бетонные стены на стальные было бы невероятно дорого, и они были бы очень тяжелыми. Из-за самого веса стали такие стены просто невозможно построить. Поэтому вместо сплошных стен из стали строят конструкции из колонн и балок в виде треугольников и прямоугольников, получая таким образом каркас или вертикальную ферму.

Распределение сил в каждой секции стальной конструкции или в бетонной стене зависит от того, в каком направлении дует ветер. В моей компьютерной модели учтены значения силы ветра по 24 разным направлениям благодаря расчетам в эксперименте с аэродинамической трубой. Силы создают сжатие и растяжение в балках, колоннах и распорках, из которых состоит стальная или бетонная сердцевина здания. Затем компьютер рассчитывает сжатие и растяжение на каждом участке сердцевины с каждой стороны. Потом мы проектируем каждый такой участок из стали или бетона согласно наивысшим значениям сил сжатия и растяжения. Размер стальных деталей и толщина бетонных стен меняется в зависимости от того, какая сила будет на них воздействовать. Таким образом сердцевина обеспечивает устойчивость здания независимо от направления ветра. Проверить и учесть все силы, воздействующие на один участок постройки по 24 направлениям ветра, – сложная процедура, не говоря уже обо всем каркасе целиком. К счастью, в наши дни самую тяжелую работу выполняет вычислительная техника, облегчая тем самым труд инженера.

Здание, расположенное по адресу: Сент-Мери-Экс, 30, в Лондоне. В нем 41 этаж, и оно имеет форму корнишона (за что и получило такое прозвище). Устойчивость этого здания обеспечивается по другому принципу: элегантно изогнутый цилиндр из затемненного синего стекла опоясывают большие стальные нити, переплетающиеся в форме огромных ромбов.

Здание 2012 года постройки по адресу: Сент-Мери-Экс, 30, в Лондоне, также известное как «Корнишон», имеет стальной экзоскелет, защищающий его от воздействия внешних сил

Сердцевина здания, как хребет или позвоночник, придает зданию целостность изнутри, но при строительстве «Корнишона» она оказалась снаружи, как экзоскелет. Такой экзоскелет, или, если использовать технический термин, внешний каркас, или каркас из перекрестных элементов, подобен панцирю черепахи. Вместо внутренней структуры, противостоящей внешним силам, пытающимся опрокинуть постройку, это здание защищает его панцирь, или внешний каркас. Когда ветер дует на здание, стальной каркас распределяет его силу и передает в фундамент, обеспечивая устойчивость.

Еще один яркий пример внешнего каркаса – здание Центра Помпиду в Париже. Архитекторы Ренцо Пьяно, Ричард Роджерс и Джанфранко Франкини воплотили проект здания «наизнанку». Все его артерии – то есть то, что обычно прячут, например водопровод и канализационные трубы, электропроводка, система вентиляции и даже лестницы, лифты и эскалаторы, – находятся снаружи. Именно эти детали притягивают взгляд, и их запоминают люди: витые трубы, выкрашенные в белый, синий или зеленый цвета, прозрачную трубу с эскалатором, которая зигзагом заползает наверх. А если присмотреться повнимательнее, можно заметить, что все здание одето в сетку из огромных переплетенных тросов, которые защищают его от ветра. Этакий экзоскелет, скрытый воздуховодами и сточными трубами.

Центр Помпиду в Париже с внешним каркасом, который представляет собой паутину из стальных канатов

Как инженеру-строителю, мне очень нравится видеть и понимать, как устроено здание и как в нем распределяется нагрузка. Вместо того чтобы спрятать или замаскировать, казалось бы, непривлекательные, но важные системы, благодаря которым здание живет, – выставить их напоказ, как в Центре Помпиду, было восхитительно откровенно, и этот смелый шаг помогает нам лучше понять характер здания.

Однако внешний каркас и сердцевина не только помогают зданию не наклоняться и не опрокидываться – они также отвечают за контроль колебаний. Может показаться странным, что здания, которые выглядят прочными и сделаны из стали и бетона, – движутся, но это и правда так. Сами по себе колебания не представляют проблемы: важна только частота и длительность колебаний. За многие годы экспериментов нам удалось определить уровни ускорения (меру того, как быстро изменяется скорость объекта), на которых люди почувствуют это движение. Возьмем, к примеру, полет на самолете: несмотря на огромную скорость, при спокойном воздухе мы едва ли вообще ощущаем, что движемся. Когда же возникает турбулентность, скорость начинает внезапно и быстро меняться, и мы это чувствуем. Здания очень похожи: они могут достаточно много двигаться, но мы этого не ощутим, если ускорение небольшое. А если оно увеличится, то даже при незначительном движении нас может укачать.

И на нас воздействует не только ускорение. В зависимости от того, как долго здание раскачивается – колеблется или наклоняется из стороны в сторону, – мы тоже можем почувствовать некоторую неустойчивость. Вернемся к аналогии с трамплином для прыжков в воду, когда отталкиваешься от доски и ныряешь, то она еще какое-то время колеблется и только потом останавливается. Если доска толстая и прочно закреплена у основания, то колебания у нее маленькие и длятся недолго. Если доска потоньше и закреплена не так прочно, то колебания у нее гораздо больше и длиться они будут дольше.

Когда я проектирую высокую башню, мне нужно удостовериться, что ускорение колебания выходит за пределы диапазона человеческого восприятия, а само колебание быстро прекращается.

В этой непростой задаче мне помогает все та же компьютерная модель, которую я использую для сопротивления гравитации и ветру. Я ввожу в программу данные о материалах, форме и размерах балок, колонн и сердцевины. Программа анализирует силу ветра, прочность материалов и геометрию всей постройки и выдает данные об ускорении колебания. Если цифры ниже порогового уровня, за которым люди ощутят их, то больше ничего не требуется. Однако если ускорение выше, то строение придется сделать прочнее. Этого можно добиться путем увеличения толщины стен бетонной сердцевины, а если сердцевина стальная, то с помощью стальных деталей большего размера. Затем я тестирую модель с учетом изменений, иногда по несколько раз, пока не будет достигнуто нужное значение ускорения.

Чем выше и тоньше башня, тем более выраженные у нее колебания. Иногда бывает невозможно упрочнить постройку настолько, чтобы контролировать ускорение колебания и его временные интервалы. Такое здание, хотя и будет совершенно безопасным, не будет давать ощущения безопасности тем, кто находится в нем. В таком случае колебания башни контролируют искусственно с помощью своеобразного маятника, который называют инерционным демпфером (или инерционным гасителем) и который движется в противоположную колебаниям сторону.

У каждого объекта, в том числе у здания, есть естественная частота: количество вибраций в секунду при нарушении состояния покоя. Оперная певица может голосом разбить винный бокал, потому что у бокала есть своя естественная частота. Если певица попадет в ноту с той же частотой, что и у бокала, то энергия ее голоса заставит бокал вибрировать с такой силой, что он сам разобьется. Аналогичным образом ветер (и землетрясения) колеблет здания с определенной частотой. Если естественная частота здания совпадет с частотой порыва ветра или землетрясения, то здание начнет сильно вибрировать и пострадает. Это явление – сильные колебания объекта на естественной частоте – называется резонансом.

Маятник нейтрализует колебания высотного здания, так как колеблется в противоположном направлении

Маятник – который представляет собой груз, подвешенный на тросах или пружинах, – колеблется туда-обратно. В зависимости от длины троса или упругости пружины он совершает определенное количество колебаний в единицу времени. При использовании маятника для нейтрализации колебаний небоскреба хитрость состоит в том, чтобы рассчитать частоту небоскреба (по компьютерной модели), а потом установить на вершине маятник с той же частотой. Когда на небоскреб воздействует ветер или землетрясение, здание начинает колебаться туда-обратно. Из-за этого маятник тоже начинает колебаться, но уже в противоположном направлении.

Башня «Тайбэй 101» возвышается на 509 метров и гордо выделяется на горизонте города Тайбэй в Тайване

Мы можем остановить колебания камертона – и его звучание, – просто прикоснувшись пальцем к одному зубчику. Палец нейтрализует энергию колебания. То же самое происходит и в нашем колеблющемся небоскребе. Здание словно камертон, а маятник – это наш палец, который нейтрализует энергию, созданную движением небоскреба, так что колебания становятся все меньше и меньше, а потом и вовсе затухают. Движение здания словно «гасится» (отсюда и название «гаситель»), и люди в здании его не чувствуют.

Когда в 2004 году завершилось строительство 509-метровой башни «Тайбэй 101» в городе Тайбэй в Тайване, она была самым высоким зданием в мире. Она заслуженно славится своей четкой архитектурной эстетикой: создатели черпали вдохновение в пагодах и стеблях бамбука, а само здание состоит из восьми трапециевидных секций, которые дают ощущение чего-то естественного, природного, как будто башня сама проросла из земли подобно стеблю растения, – и эту иллюзию дополняют зеленые тонированные стекла.

Еще эта башня известна тем, что между 92-м и 87-м этажами в ней подвешен огромный стальной шар. Это маятник весом в 660 тонн – самый тяжелый маятник в небоскребе в мире. Он стал настоящей туристической достопримечательностью (благодаря своему размеру, геометрической элегантности и ярко-желтому цвету, из-за которого он напоминает объект из научно-фантастического фильма), но его настоящая задача – защищать башню от тайфунов и землетрясений, которые могут обрушиться на город. Когда здание колеблется от порывов ветра или землетрясения, маятник тоже начинает колебаться и нейтрализует колебания башни. В августе 2015 года на Тайвань обрушился тайфун «Суделор» с порывами до 170 км/ч, но башня «Тайбэй 101» осталась невредима. Ее спаситель – маятник – поставил рекорд в колебаниях, ширина которых достигла 1 метра.

Маятник в башне «Тайбэй 101» помогает зданию выдерживать землетрясения

Инженеры используют маятник для защиты от ветра и землетрясения, потому что и ветер, и землетрясения воздействуют на строения случайным образом в горизонтальном направлении. Но у землетрясений может быть больше разрушительных последствий, поэтому нам нужны и другие меры предосторожности. Ужасная разрушительная сила землетрясений породила множество объяснений своему происхождению. В древней индийской мифологии говорится, что земля трясется тогда, когда четыре слона, которые держат ее на своих спинах, двигаются или потягиваются. Согласно скандинавским мифам, земля дрожит, когда Локи (бог озорства, которого заточили в пещеру за злодеяния) пытается вырваться из оков. Японские мифы винят в землетрясениях гигантского сома Онамадзу, живущего под землей в грязи под надзором бога Касимы, который придавил его огромным камнем. Но иногда Касима теряет бдительность, и Онамадзу мечется, сотрясая землю. Сегодня у нас есть менее яркое, но более точное объяснение периодическим вибрациям земли. Землетрясения происходят тогда, когда разные слои земной коры сдвигаются относительно друг друга. Из одной точки идет взрывная волна энергии. Эта точка называется эпицентром землетрясения. Энергия распространяется в стороны от этой точки, и все на поверхности трясется, в том числе наши постройки. Волны энергии от толчков в земной коре, воздействующих на наши здания, непредсказуемы и случайны – они обрушиваются без предупреждения.

Амортизаторы, защищающие небоскреб Торре-Майор в Мехико, Мексика

Инженеры изучают частоту землетрясений в исторических записях, а потом с помощью компьютерной модели сравнивают ее с естественной частотой здания, которое собираются построить. Как и в случае с ветром, нам нужно убедиться, что эти частоты не совпадают, иначе здание войдет в резонанс и может повредиться или даже обрушиться. Если они совпадают, то естественную частоту здания можно изменить, если сделать его более тяжелым, или сделать сердцевину или каркас более прочными.

Еще один способ минимизировать ущерб от ударных волн землетрясения – специальные резиновые «подушки», или «подложки». Если сидишь в гостиной, где мощные колонки выдают басы, то чувствуешь, как вибрации идут от колонок в пол, проходят сквозь диван и передаются прямо в твое тело. Если под колонки поместить резиновые подложки, то этот эффект ослабевает, потому что подложки поглощают большую часть вибраций. Аналогичным образом мы можем поместить большие резиновые подложки под колонны здания, и они будут поглощать (амортизировать) вибрации землетрясения.

Энергию землетрясения могут поглощать и соединения между балками, колоннами и диагональными стяжками. В башне Торре-Майор в Мехико для этого используется очень умная система. В этой 55-этажной башне установлено 96 гидравлических демпферов, или амортизаторов – как в автомобиле, – расположенных крест-накрест по всему периметру и по всей высоте (получается каркас из перекрестных элементов), так что они придают зданию дополнительную прочность и защищают от землетрясений. Когда происходит землетрясение, все здание качается, а его движение поглощают демпферы, так что само строение не так сильно движется. Интересно, что вскоре после завершения строительства Торре-Майор в Мехико как раз произошло землетрясение с магнитудой 7,6 балла и нанесло городу значительный ущерб. Башня Торре-Майор осталась цела и невредима. Говорят, что люди, находившиеся в тот момент в здании, даже не поняли, что произошло землетрясение.

В некотором смысле это инженерный идеал – здание настолько хорошо спроектированное и настолько безопасное, что находящиеся в нем люди могут спокойно заниматься своими делами и даже не знать о том, сколько сложных технологий потребовалось для того, чтобы противостоять всем силам, воздействующим на него изо дня в день.