Землетрясения включены в раздел «форс-мажор» в любом международном документе: они представляют угрозу для зданий, сооружений, объектов инфраструктуры и, конечно, жизни людей.
Но человечество с помощью инженеров и архитекторов придумывает всё новые конструкции и технологии, позволяющие небоскрёбам и другим важным объектам выдерживать мощные подземные толчки. Строятся всё более сейсмостойкие здания, которые не то чтобы «не чувствуют» землетрясение (это невозможно), но остаются стоять и сохраняют целостность при сильнейших толчках, защищая жизни людей внутри и сохраняя имущество.
В этой статье мы рассмотрим 15 самых сейсмостойких зданий в мире и разберём, какие инженерные решения в них применены, как они работают и как доказали свою эффективность во время уже случившихся землетрясений или в ходе испытаний. В заключение мы сравним различные подходы к сейсмозащите, обсудим их плюсы и минусы, а также попробуем предсказать, какими будут сейсмостойкие здания будущего.
Для вашего удобства я разбил этот объёмный текст на 3 части по принципу назначения тех или иных объектов. Начнём мы со зданий, которые являются офисно-торговыми и общественными центрами. Вторая часть будет посвящена многофункциональным небоскрёбам, в которых есть и коммерческие, и жилые помещения, а в третьей коснёмся всех остальных зданий и сооружений и подведём итоги своего исследования.
Часть первая. Офисно-торговые и общественные центры
1. Taipei 101 (Тайбэй, Тайвань)
Этот небоскрёб – 508-метровый офисно-торговый и общественный центр с одним из самых больших маятниковых демпферов в мире – символ Тайваня. Он расположен в регионе, где в среднем случается около 2200 землетрясений в год, из них более 200 – ощутимых. К тому же на Тайвань регулярно приходят тайфуны.
Специфика региона. Тайбэй расположен на потенциально разжижаемых грунтах, глинистых породах на месте древнего озера. Такие грунты могут усиливать низкочастотные колебания при подземных толчках. Поэтому для Taipei 101 был использован фундамент на сваях, достигающих твёрдого несущего слоя. Благодаря сочетанию демпфера и свай Taipei 101 считается одним из самых защищённых небоскрёбов в мире.
Особенности конструкции. При проектировании здания было необходимо соблюсти жёсткие требования к сейсмостойкости и ветроустойчивости. Ключевым инженерным решением стал гигантский маятниковый демпфер внутри здания. Эта массивная стальная сфера весом 728 тонн подвешена между 87-м и 92-м этажами и при колебаниях небоскрёба во время землетрясения или при ураганном ветре раскачивается в противофазе, гася вибрации и снижая амплитуду колебаний самого здания. Диаметр сферы составляет примерно 5,5 м, она выполнена из стальных пластин и соединена с этажами демпфирующими стойками. Маятниковый демпфер не предотвращает раскачивание полностью, но существенно уменьшает его амплитуду, предотвращая появление опасных деформаций. Кроме того, здание спроектировано в аэродинамической форме «ступенчатой пагоды», чтобы выдерживать ураганные ветры.
Помимо маятникового демпфера, конструкция Taipei 101 использует восемь мощных железобетонных колонн по периметру и систему связанных между собой стальных балок, образующих прочный каркас. Опоры фундамента – 380 свай длиной 80 м – уходят глубоко в скальную породу, чтобы безопасно передать нагрузку через мягкие грунты несущему слою.
Принцип работы. Маятниковый демпфер настроен на собственную частоту колебаний здания, благодаря чему при подземных толчках или порывах ветра он колеблется в противофазе с колебаниями конструкции и рассеивает до 40% энергии. Масса демпфера составляет всего 0,1% массы всего здания, но этого оказывается достаточно.
Эффективность. Специалисты считают, что такая система позволит башне пережить самые сильные землетрясения, которые случались на планете за тысячу лет, не получив серьёзных повреждений. Испытания подтвердили прогнозируемую эффективность: в 2002 году, ещё во время строительства, Taipei 101 пережил землетрясение магнитудой 6,8, и повреждений не было. А в 2005 году, через год после завершения строительства, на город одновременно обрушились и землетрясение, и тайфун со скоростью ветра до 230 км/ч — и здание снова не пострадало.
2. Roppongi Hills Mori Tower (Токио, Япония)
Башня Мори — 54-этажный многофункциональный небоскрёб высотой 238 м в токийском районе Роппонги, введённый в эксплуатацию в 2003-м году. В нём расположены офисы, музей, магазины и смотровые площадки.
Специфика региона. Япония — одна из самых сейсмоопасных стран, в которой происходят более 2000 землетрясений в год, из них около 200 – ощутимых.
После разрушительного землетрясения «Хансин» (Кобе, 1995 г.) японские строительные нормы были ужесточены, и Mori Tower строилась по обновлённым стандартам, требующим внедрения наиболее передовых технологий сейсмозащиты. Как и в Шанхае, в Токио часто бывают тайфуны.
Особенности конструкции. В башне Мори используется система из 192 масляных демпферов, которые представляют собой гидравлические цилиндры, поглощающие вибрации при землетрясениях. Они установлены между колоннами и перекрытиями на разных этажах и при раскачивании здания обеспечивают рассеивание энергии колебаний за счёт вязкого сопротивления, работая, по сути, как автомобильные амортизаторы, только рассчитанные на очень медленные и мощные движения всей конструкции.
Помимо демпферов, Mori Tower имеет прочный железобетонный сердечник – ядро жёсткости – и периферийный стальной каркас, спроектированный с расчётом на большую пластичность. Его узлы и балки способны изгибаться без разрушения, допуская значительные горизонтальные перемещения. Помимо этого, в башне применены структурные ответвления – выносные опоры, которые обеспечивают связи между ядром жёсткости и внешними колоннами, распределяя нагрузку и повышая общую жёсткость конструкции. Часть территории Токио расположена на намывных землях, поэтому фундамент башни помещён на сваи, которые уходят в плотные суглинки и скальные породы на глубину порядка 60 м.
Принцип работы. При подземных толчках здание начинает вибрировать, и когда между этажами возникает смещение, масляные демпферы превращают кинетическую энергию в тепловую: масло в демпферах очень вязкое, почти гель, а поршень спроектирован так, чтобы даже минимальная скорость смещения вызывала значительное сопротивление. Таким образом, 192 демпфера в сочетании с прочным каркасом образуют комплексную систему виброконтроля, снижая перегрузки.
Эффективность. С момента постройки Mori Tower не подвергалась воздействию сильных землетрясений, но испытала на себе толчки магнитудой около 5–6. Система демпферов сработала штатно, по данным опросов жильцы отмечали меньшую качку, чем в соседних зданиях, не имеющих подобных систем. 11 марта 2011 года во время знаменитого землетрясения магнитудой 9,0 у берегов Тохоку в Токио ощущались толчки силой около 5 по шкале JMA. Башня Мори не получила никаких повреждений, хотя толчки ощущались явственно, и это стало доказательством эффективности применённых технологий. Японские специалисты уверены, что конструкция башни сохранит целостность и в будущем при более сильных землетрясениях.
Таким образом, здание сочетает традиционную японскую философию гибкости (подвижность за счет демпферов) и современные конструкционные материалы. Башня Мори — пример того, как активное вибропоглощение может значительно повысить сейсмостойкость высотных зданий в условиях частых землетрясений.
3. Transamerica Pyramid (Сан-Франциско, США)
Пирамида Трансамерика (Transamerica Pyramid) — культовый 260-метровый 48-этажный офисный небоскрёб в Сан-Франциско, введённый в эксплуатацию в 1972 году. Широкое основание пирамидальной формы и скрытая внутренняя рама придают зданию высокую устойчивость к землетрясениям.
Специфика региона. Сан-Франциско находится в зоне высокой сейсмической активности (район разлома Сан-Андреас): в городе ежегодно регистрируются тысячи мелких толчков, а раз в несколько десятилетий — разрушительные землетрясения. Пирамида Трансамерика изначально проектировалась с учётом риска землетрясений — её строительство завершилось за 17 лет до катастрофы 1989 года, и уже тогда инженеры заложили в проект передовые для своего времени решения.
Сан-Франциско расположен на нескольких разнообразных грунтах, где скальные породы чередуются с насыпными и морскими отложениями. Пирамида построена на относительно прочном грунте, но рядом с ней находится зона залива, которая была учтена при проектировании горизонтальных волн. Инженеры спроектировали здание так, чтобы обеспечить его движение вместе с грунтом, а не сопротивляться ему – по заветам японских мастеров. После 1989 года конструкцию дополнительно обследовали и подтвердили, что модернизация не требуется — здание полностью соответствует современным критериям сейсмостойкости.
Особенности конструкции. Устойчивость небоскрёба обеспечена за счёт нескольких факторов. Во-первых, это широкое основание пирамиды – нижние этажи значительно шире верхних, это понижает центр тяжести и придаёт конструкции устойчивость, поскольку вероятность достижения опрокидывающего момента значительно снижается.
Во-вторых, это глубокий фундамент — здание стоит на железобетонной плите толщиной около 2,5 м, которая опирается на решётчатую матрицу из стальных балок в основании и массивные сваи. Фундамент уходит на 16 м (52 фута) вглубь грунта, достигая твёрдых слоёв, и рассчитан на совместное движение с почвой во время толчков.
В-третьих, здание снабжено внутренней системой железобетонных сердечников и связей: внутри пирамиды скрыты мощные стальные горизонтальные диски перекрытий и диагональные стальные шпалы на каждом уровне. Эти элементы образуют подобие жёстких срезных стен, противодействующих деформации. Кроме того, в конструкцию встроены сейсмодатчики, которые отслеживают горизонтальные смещения этажей и фиксируют поведение здания во время землетрясений.
По сути, Transamerica Pyramid представляет собой гибкий, но достаточно прочный реактивный каркас, способный рассеивать энергию землетрясения.
Принцип работы. При сейсмическом ударе пирамида раскачивается, но гибкий фундамент и сужающаяся кверху форма уменьшают нагрузку на верхние этажи. Фундамент «плавает» вместе с почвой, не растрескиваясь — его арматура и стальные элементы рассчитаны на «совместную работу» с грунтом. Стальные связи работают как демпферы пластического типа: они могут слегка пригибаться, поглощая энергию, а затем возвращаться в исходное положение. Монолитный железобетон ядра обеспечивает жёсткость и не даёт зданию складываться.
Эффективность. В 1989 году во время землетрясения в Лома-Приета магнитудой 6,9 Transamerica Pyramid ощутимо раскачивалась более минуты, но конструктивные элементы остались целы, и здание не получило никаких повреждений. Колебания достигали ≈30 см в каждую сторону, однако пирамида продемонстрировала задуманную гибкость и поглотила сейсмическую энергию, не разрушившись.
Transamerica Pyramid — пример того, как умеренно гибкий, но прочный каркас может защитить небоскрёб от сильного землетрясения.
4. Torre Mayor (Мехико, Мексика)
Торре-Майор — 55-этажный офисный небоскрёб высотой 225 м в столице Мексики, введённый в эксплуатацию в 2003-м году. За его фасадом скрыты стальные диагональные демпферы — 98 гигантских гасителей, защищающих здание от сейсмических волн на мягких грунтах.
Специфика региона. Мехико — один из самых сложных мегаполисов с точки зрения сейсмостойкости, поскольку город построен на месте древнего озера Тескоко на грунтах, главных образом представляющих собой мягкую глину с высоким содержанием воды, которая усиливает сейсмические колебания (так называемый эффект «чаши с желе»).
Землетрясения, происходящие в 300 с лишним километрах от города на побережье Тихого океана, из-за резонанса в грунте вызывают в Мехико сильнейшие толчки. Именно это произошло в 1985 году, когда при землетрясении магнитудой 8,1 в городе были разрушены сотни зданий. С учётом уроков прошлого Torre Mayor спроектирован как здание, способное выдержать без обрушения экстремальные землетрясения магнитудой до 9.
Особенности конструкции. Торре-Майор имеет стальной каркас, спроектированный с использованием 98 огромных масляных демпферов длиной в несколько метров каждый, разработанных компанией Taylor Devices. Они установлены по диагонали между колоннами и балками по всей высоте здания. Демпферы Torre Mayor — вязкоупругие, содержат в цилиндрах силиконовое масло и имеют поршни со специальными клапанами. Когда землетрясение вызывает смещение этажей, эти демпферы сжимаются и растягиваются, преобразуя кинетическую энергию в тепловую и давая возможность конструкции выдержать толчки магнитудой до 9 (что эквивалентно взрыву 99 млн тонн тротила или примерно 25 000 ядерных бомб), не получив катастрофических повреждений.
Помимо демпферов, Torre Mayor имеет две независимые структурные подсистемы – центральное железобетонное ядро из шахты с лестницами и внешний трубчатый стальной каркас, соединенные между собой перекрытиями. Такое решение, условно называемое «труба в трубе», обеспечивает достаточную жёсткость и устойчивость.
Перед строительством Торре-Майор площадку укрепили, выполнив глубинную цементацию грунта под фундаментом. Сам фундамент представляет собой плиту толщиной ~1,5 м на сетке из свай.
Принцип работы. При долгопериодном землетрясении, характерном для данного региона, Торре-Майор реагирует как затухающий маятник. Демпферы реагируют мгновенно: как только начинается смещение, вязкая жидкость создаёт сопротивление, предотвращая раскачку. Они настроены на период около 2 секунд, соответствующий доминирующему периоду колебаний озёрных глин — как бы в противофазе с грунтом. Когда грунт «дрожит», система демпферов эффективно противодействует резонансу. В результате собственный период колебаний здания сокращается, и оно быстро останавливается после серии толчков. Настолько точный расчёт оказался возможным в результате анализа землетрясения 1985 года.
Здание снабжено десятками датчиков, которые собирают данные о его поведении при толчках. Эти данные используются для дальнейшего совершенствования используемых моделей.
Эффективность. 19 сентября 2017 года, когда по Мехико ударило землетрясение магнитудой 7,1, здание с честью прошло первое реальное испытание, в то время как около 40 более старых зданий в городе обрушились. По информации от управляющей компании, Торре-Майор не получил никакого структурного ущерба, а лишь покачнулся и встал на место. Сразу после ввода в эксплуатацию в 2003 году Торре-Майор так же без последствий пережил землетрясение магнитудой 7,6, когда многие рядом расположенные здания получили трещины. Башня же оставалась целой и функционирующей, укрепив свою репутацию инженерного чуда.
Torre Mayor — наглядный пример того, как сочетание прочного каркаса и «умной» системы демпферов позволяет строить небоскрёбы даже на «болоте» Мехико без риска для жизни людей.
5. Torre Reforma (Мехико, Мексика)
Торре Реформа — 57-этажный офисный небоскрёб премиум-класса высотой 246 м в Мехико. Он был введён в эксплуатацию в 2016 году и на тот момент был самым высоким зданием в городе, вызывая восхищение своим смелым архитектурным решением – по бокам две массивные железобетонные стены-треугольника, напоминающие раскрытую книгу. Эта уникальная конструкция позволяет башне изгибаться при землетрясениях, не разрушаясь.
Специфика региона. Торре-Реформа стоит на проспекте Пасео-де-ла-Реформа, прямо над мягкими озёрными отложениями. Как мы уже отмечали выше, мягкий грунт Мехико диктует, что высотные здания наиболее уязвимы к резонансу колебаний с периодом около 2 секунд.
Особенности конструкции. Башня имеет в плане треугольную форму: две стороны — монолитные бетонные стены (толщиной ~0,5–0,8 м), а третья— остеклённая фасадная колоннада. Две бетонные стены являются гигантскими сейсмическими щитами, в которых предусмотрены вертикальные разрезы-щели на разных уровнях. Разрезы сделаны несимметрично и служат своего рода «швами» или шарнирами, способными сжиматься или раскрываться при сильном изгибе, позволяя стене прогибаться, не ломаясь.
Так стена оказывается разделена на сегменты, соединённые в вертикальном направлении. Это решение предотвращает разрушение бетона, позволяя стене «работать» гибкой конструкцией. Внутри каждой стены проходит мощная арматура и стальные балки, связывающие её с перекрытиями. За стеклянным фасадом третьей стены скрывается стальной каркас и ядро с лифтами. Фундамент Torre Reforma — свайно-ростверковый на более чем 60 буронабивных сваях диаметром 1,5 м, погружённых на глубину около 50 м.
Архитектор Б. Аррьега и инженеры-проектировщики намеренно сделали форму треугольной, чтобы минимизировать эффект скручивания. Кроме того, здание сужается к вершине, уменьшая силы инерции. Можно сказать, что Torre Reforma воплощает принцип «пусть лучше здание деформируется, чем разрушится», а его стены служат своеобразными гигантскими рессорами, выполняя функцию, которую в случае с Torre Major играли демпферы. Это решение получило несколько международных наград.
Принцип работы. При отсутствии нагрузки обе бетонные стены функционируют как обычные несущие стены, выдерживая вес и ветер. При землетрясении, когда грунт уходит из-под основания и здание пытается наклониться, одна из стен начинает растягиваться, а другая — сжиматься. Вертикальные щели позволяют стене, которая растягивается, не разорваться — напряжения концентрируются вокруг этих щелей, а стальные связи внутри переносят усилия на другие элементы. Иными словами, стена изгибается зигзагом, а не трескается. В то же время застеклённый фасад на стальном каркасе — более гибкий, он принимает на себя часть горизонтальной нагрузки. Благодаря такому решению Torre Reforma может наклоняться на значительный угол без потери целостности. Согласно расчётам, башня выдержит даже те землетрясения, вероятность которых составляет один раз в тысячу лет, и её запас прочности перекрывает подобные угрозы в несколько раз.
Эффективность. Torre Reforma успешно пережила землетрясение 19 сентября 2017 г. магнитудой 7,1, получив лишь небольшие косметические дефекты. В СМИ сообщалось, что внутри лестничной клетки упал облицовочный камень, но структурных повреждений не было – несмотря на сильные колебания грунта, обе бетонные «книги» и стеклянный фасад остались невредимыми. Некоторые арендаторы отмечали качку внутри (что, разумеется, было неизбежно), но здание было признано пригодным для эксплуатации сразу после землетрясения.
Torre Reforma выдержала испытания, по праву считается одним из самых сейсмостойких зданий в мире и, согласно расчётам инженеров, останется безопасной вплоть до XXV века.
6. Torre Latinoamericana (Мехико, Мексика)
Башня Латиноамерикана – относительно невысокий 44-этажный небоскрёб высотой 166 м в центре Мехико, построенный ещё в 1956 году. По современным меркам он небольшого размера, но инженерные решения, использованные при его возведении, намного опередили своё время – это был первый в мире небоскрёб, спроектированный так, чтобы выдерживать экстремальные землетрясения на мягких грунтах. Этот проект консультировал знаменитый профессор Натан Ньюмарк, предложивший образцово рассчитанный каркас достаточной гибкости, увеличивший запас прочности конструкции.
Специфика региона. Башня расположена в историческом центре мексиканской столицы на глиняных грунтах.
Особенности конструкции. Башня имеет стальной каркас с жёсткими рамами и диагональными связями, а также глубокий фундамент на сваях длиной около 33 м, достигающих слоёв твёрдой глины. В конструкции использовано центральное ядро и периферийные рамы. Инновационным решением для 50-х годов прошлого века стал демпфирующий эффект противопожарных водяных баков, установленных на крыше, которые снижали качку.
Фундамент здания рассчитан с большим запасом прочности, а сама конструкция имеет огромное количество заклепок и болтов, соединяющих её элементы, что создает чуть неидеальные, полухарактерные соединения, которые, как оказалось, давали эффект внутреннего трения и демпфирования.
Принцип работы. При подземных толчках фундамент двигается вместе с грунтом, не отрываясь от него, а способный к большим пластическим деформациям стальной каркас позволяет зданию раскачиваться, не разрушаясь.
Эффективность. Башня пережила землетрясения 1957 года магнитудой 7,7, 1985 года магнитудой 8,1 и 2017-го года магнитудой 7,1 практически без повреждений (в нём лишь кое-где потрескалась штукатурка), в то время как многие другие здания вокруг рухнули.
Torre Latinoamericana можно назвать первой «противоударной» высоткой, доказавшей, что даже на проблемных грунтах можно строить высокие здания при должной инженерной проработке. В современных зданиях (таких, как Torre Mayor и Torre Reforma) этот опыт, несомненно, был с успехом применён.
👉 Подписывайтесь на мой канал, чтобы не пропустить интересные публикации по теме проектирования и возведения сложных и уникальных объектов, а также о тенденциях и проблемах отечественной строительной отрасли и лучших мировых практиках. Более оперативная информация – в моём телеграм-канале.