Jak najwyższe budynki opierają się sile wiatru i trzęsieniom ziemi?
W historii architektury spotkamy się z nieustannym przekraczaniem granic wysokości i odporności konstrukcji. Ogromne piramidy, wieże, monumentalne wieżowce. Ludzie od zawsze starali się stworzyć coś, co będzie budziło podziw.
Skąd w ogóle wzięły się wieżowce i drapacze chmur? Cóż, wysokie budynki są wygodne, zwłaszcza w miastach, gdzie jest duża liczba mieszkańców. Mieszka w nich już ponad połowa ludzkości.
Dzięki drapaczom chmur możemy pomieścić więcej ludzi na jednostce powierzchni. Niestety architekci i inżynierowie w tym wyścigu wzwyż muszą mierzyć się z coraz większymi trudnościami. Jak budować wyżej, radząc sobie z silnymi wiatrami, trzęsieniami Ziemi czy najzwyczajniej z... grawitacją?
Dlaczego mogliśmy zacząć budować coraz wyżej?
Wyobraź sobie wieżę z klocków. Jeśli chcemy aby była wyższa, musimy konstrukcję wzmocnić i dołożyć klocki na dole, przez co szerokość podstawy wzrośnie. Podobnie jest z tradycyjnymi obiektami budowanymi wyłącznie z cegły i zaprawy. Znaczny wzrost wysokości takiego budynku będzie również obejmował zwiększanie grubości ścian na samym dole, w związku z czym w środku budowli będzie coraz mniej miejsca.
To mało praktyczne rozwiązanie. Szacuje się, że ze maksymalna wysokość budynków z cegły to 10 pięter. Rewolucję w budownictwie, dzięki której granica wysokości znacznie wzrosłą, przyniosła końcówka XIX w. Nie bez znaczenia były kwestie ekonomiczne i społeczne. Rozwój dużych metropolii jak np. Chicago spowodował, że firmy chciały przenosić się co centrów miast. Powstała potrzeba ekspansji miasta nie na zewnątrz, a w górę.
Powstanie nowych obiektów stało się możliwe dzięki powszechnemu użyciu żelaza i stali. W późniejszych latach, dzięki procesowi Bessemera, która była pierwszą wydajną metodą masowej produkcji stali, architekci mogli całkiem odejść od żelaza właśnie na rzecz lżejszej i mocniejszej stali. To umożliwiło budowanie jeszcze większych obiektów.
O ile w tradycyjnych budynkach siła przenoszona jest na niższe kondygnacje (stąd ich gruba i szeroka podstawa), o tyle w budynkach ze stalową konstrukcją siła przenoszona jest na niewielki punkt u podstawy, a dalej na solidne fundamenty budynku.
O samej konstrukcji i zastosowanych rozwiązaniach można by pisać książki, skupmy się przede wszystkim na odporności na trzęsienia ziemi, a w pierwszej kolejności na tym...
...jak wysokościowce opierają się sile wiatru?
Wysokie budynki dzięki stalowemu szkieletowi mogą się swobodnie kołysać niczym drzewo, nie uszkadzając przy tym konstrukcji. Barierą jest tak naprawdę ludzka wygoda. Im większe będzie odchylenie, tym bardziej mieszkańcy, lub pracownicy to odczują. Zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę, że umeblowanie i wyposażenie mieszkań i biur nie jest przykręcana i może się swobodnie poruszać.
Najprostszą metodą jest, w uproszeniu, mocniejsze dokręcenie konstrukcji. Takie budynki, jak Empire State Building, czy Chrysler Building posiadają solidną spawaną kratownicę wzmacnianą poprzecznymi belkami wokół szybów wind. Ale w najnowszych i dużo wyższych konstrukcjach takie rozwiązanie jest niewystarczające. Konieczne jest wbudowanie w środek budynku solidnego rdzenia, a nawet kilku rdzeni.
Oczywiście kolejne firmy prowadzą badania nad nowymi rozwiązaniami, które niebawem znajdą zastosowanie w wyższych konstrukcjach. W niektórych budynkach stosuje się specjalne amortyzatory wiatrowe, czyli duże betonowe ciężarki przesuwane za pomocą siłowników tam i z powrotem. Inne mają wygląd gigantycznego wahadła.
Wytrzymałość na trzęsienia Ziemi
Część zamieszkałych obszarów położona jest na obszarach, gdzie występują trzęsienia ziemi. Najwięcej ma miejsce w strefach subdukcji, czyli na krawędzi płyt tektonicznych, gdzie płyta oceaniczna wpychana jest pod płytę kontynentalną.
Krajem położonym właśnie w takim miejscu jest Japonia. Leży na trasie tzw. Pacyficznego Pierścienia Ognia, który obejmuje wschodnią część Azji i ciągnie się na północ, dalej u zachodnich wybrzeży Alaski i dalej Ameryki Północnej (choć tu na części wybrzeża płyty przesuwają się wzdłuż siebie) i Południowej. Obszar narażony jest na wybuchy wulkanów, silne trzęsienia ziemi i fale tsunami.
W Japonii istnieją dwa poziomy odporności budynków. Pierwszy to wytrzymanie trzęsień ziemi, które w ciągu funkcjonowania każdy budynek będzie musiał statystycznie wytrzymać trzy-cztery razy. W tym przypadku absolutnie nie może dojść do jakichkolwiek uszkodzeń.
Drugi poziom to ekstremalne trzęsienia ziemi, które są znacznie rzadsze. Przykładem takiego silnego trzęsienia było zdarzenie z 1929 r., które zniszczyło Tokio i Jokohamę, zabijając ponad 140 000 ludzi. Tu dopuszczalne jest powstanie zniszczeń o stopniu nie zagrażającym życiu człowieka.
Aby wytrzymać trzęsienie ziemi, budynek musi pochłonąć energię drgań przekazaną z podłoża. Najprostszym sposobem, jest posadowienie go na gumowych bloczkach o grubości 30-50 cm. Można zastosować również amortyzatory na całej wysokości budynku (np. co dwa piętra), co poprawi jego odporność.
Wysokie budynki mogą się odchylać nawet do 1,5. Rozmieszczenie amortyzatorów na całej wysokości może znacznie zmniejszyć kołysanie się konstrukcji.
W przypadku odporności na trzęsienia ziemi, duże znaczenie ma regularna bryła budynku. Stąd często pojawiają się napięcia na linii projektant - inżynier. Budowniczy odpowiedzialni za konstrukcję czasem muszą powstrzymywać artystyczne zapędy architektów. Nie zdarza się to jednak zbyt często, ponieważ w programie studiów z zakresu architektury znajduje się także edukacja na temat trzęsień ziemi, dzięki czemu możliwe jest zdroworozsądkowe podejście.
Przykłady rozwiązań zastosowanych w Taipei 101
Ten liczący ponad 509 m budynek położony jest w Tajwanie. Do 4 stycznia 2010, kiedy oddano do użytku Burdż Chalifa, dzierżył miano najwyższego budynku świata. Ma 101 kondygnacji naziemnych i pięć podziemnych. Ze względu na tektonikę przed przystąpieniem do budowy konieczne było przeprowadzenie badań geologicznych, które wykryły 10-metrowy uskok zaledwie 200 metrów od działki.
Jego konstrukcja wzmocniona jest wewnętrznym rdzeniem połączonym siecią kratownic z ośmioma kolumnami, które są swego rodzaju kręgosłupem budynku.
Taipei musi również mierzyć się z silnymi huraganami. Niestety w tym przypadku usztywnienie konstrukcji nie było możliwe, gdyż mogłoby doprowadzić do uszkodzeń podczas trzęsień ziemi. Konieczne było zastosowanie nowatorskich rozwiązań.
Pierwszym było wygładzenie krawędzi, co pozwoliło zredukować siłę prądów powietrznych nawet o 40%. Widać również, że ma bardzo regularną bryłę, o czym była mowa nieco wcześniej. Kolejne rozwiązanie to zaprojektowanie specjalnego dynamicznego eliminatora drgań o kształcie wahadła. Absorber jest zamontowany na wysokości 92. piętra, 380 m nad ziemią i waży 660 ton.
Aby cały budynek był stabilny na miękkim podłożu, posadowiono go na 382. betonowych filarach wbitych na głębokość 80 m i opierających się na litej skale.
Przykłady rozwiązań w Burj Khalifa
Najwyższy budynek na świecie jest obecnie postawiony w Dubaju, w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Burdż Chalifa ma całkowitą wysokość 828 m i posiada 163 piętra użytkowe.
Ze względu na lokalizację i małe prawdopodobieństwo wystąpienia trzęsień ziemi, konieczne było zastosowanie technologii przeciwdziałających siłom wiatru.
W pierwszej kolejności budynek obrócono o 120 stopni względem pierwotnego projektu, co miało zredukować napór wiatru znad Zatoki Perskiej. Posiada centralny rdzeń, który na szczycie przechodzi w iglicę, oraz ramiona rozszerzające się w dolnej części. Dzięki temu ma również sylwetkę, która nawiązuje do kultury Islamu. Podczas silnych wiatrów konstrukcja może się odchylać do 1,5 m.
Jak wysoki budynek jesteśmy w stanie zbudować?
Maksymalna wysokość dzisiejszych konstrukcji jest mocno dyskusyjną sprawą. Według niektórych, korzystając z dostępnej technologii możemy stworzyć budynek o wysokości nawet 1,5 km. Ograniczeniem są środki finansowe idące w setki miliardów dolarów. Jedno jest pewne. W wysokości konstrukcji na pewno człowiek nie poprzestanie na dotychczasowych osiągnięciach.
