Привет! Мы продолжаем рассматривать решения, которые были применены при возведении самых сейсмостойких зданий в мире. Первую часть, посвящённую офисно-торговым и общественным центрам, можно прочесть здесь.
Часть вторая. Офисно-торговые центры с жилыми помещениями
7. Shanghai Tower (Шанхай, Китай)
Этот 632-метровый 128-этажный многофункциональный небоскрёб закрученной формы – второй по высоте в мире. Внутри его башни между 126 и 128 этажами установлен 1000-тонный маятниковый демпфер, а фундамент состоит из 980 свай диаметром около метра, помещённых в укреплённые цементацией мягкие глинистые грунты на глубину от 80 до 100 метров и достигающих твёрдых слоёв глины и песка.
Специфика региона. Шанхай — один из важнейших для экономики страны город с умеренной сейсмической активностью: около 15 ощутимых землетрясений в год. Сильные землетрясения здесь редки, но мягкие грунты дельты Янцзы требуют серьёзной сейсмозащиты зданий.
Особенности конструкции. На сваи установлена монолитная плита толщиной около 6 м. Эта конструкция предотвращает неравномерную осадку и обеспечивает «плавание» здания на мягких грунтах без потери устойчивости. В отличие от Taipei 101, демпфер Shanghai Tower оснащён дополнительными гидравлическими гасителями (цилиндрами с вязкой жидкостью, которые поглощают энергию, когда движение маятника имеет слишком большую амплитуду) и смонтирован на амортизирующей подвеске. Форма здания — закрученная спираль — снижает ветровую нагрузку на 24% по сравнению с прямоугольной башней той же высоты.
Принцип работы. При подземных толчках фундаментная плита вместе с башней может смещаться, но период собственных колебаний здания существенно удлиняется. Маятник при этом работает на более высоких частотах и гасит вибрации, создаваемые ветром и более слабыми толчками. Гидравлические амортизаторы ограничивают его скорость, предохраняя конструкцию от рывков. Каркас башни представляет собой стальной экзоскелет с девятью цилиндрическими колоннами по окружности, соединёнными между собой жёсткими диафрагмами на нескольких уровнях. Такая конструкция остаётся упругой, поэтому здание не получает существенных повреждений при землетрясении.
Эффективность. При проектировании были проведены многочисленные испытания на моделях. С момента открытия в 2015 и за весь период эксплуатации башня не испытывала сильных землетрясений. Основным испытанием для неё стали тайфуны. Во время тайфуна «Ин-фа» (2021) демпфер заметно раскачивался, снижая ощутимые колебания здания. Видеозаписи показали, как его движения удерживают здание в стабильном положении. Шанхайская башня убедительно продемонстрировала, как комбинация массивного демпфера и сверхглубокого фундамента обеспечивает устойчивость сверхвысокого здания даже на неидеальных грунтах.
8. Yokohama Landmark (Йокогама, Япония)
Башня Yokohama Landmark— 70-этажный небоскрёб высотой 296 м, введённый в эксплуатацию в 1993 году и до 2012 года являвшийся самым высоким зданием в Японии.
Специфика региона. Башня расположена в районе Минито-Мирай, на намывных землях порта.
Особенности конструкции. Здание сочетает традиционный каркас с гибкими опорными элементами, вдохновляясь, как и Skytree, пятиэтажными пагодами. Башня Йокогама установлена на сейсмопоглощающих опорах-«роликах» – под основными колоннами есть тефлоновые скользящие опоры, допускающие небольшой горизонтальный сдвиг. Это предотвращает передачу резких толчков основной конструкции. Кроме того, в здании установлены 2 активных маятниковых демпфера колебаний на 69-м этаже и масляные амортизаторы в вертикальной плоскости. Таким образом, используется гибридная схема, сочетающая маятниковые и роликовые демпферы.
Система управления зданием отслеживает наклон и при необходимости слегка смещает противовесы. В результате башня может сгибаться и мягко колебаться при толчках, не теряя устойчивости.
Принцип работы. Когда грунт под башней движется, опоры обеспечивают небольшое скольжение здания, снижая инерцию, а масляные демпферы гасят остаточные колебания. Тяжелый металлический маятник на техническом этаже противодействует раскачиванию. Благодаря этому Йокогамская башня «поглощает» энергию землетрясения и изгибается, не разрушаясь, даже на мягком грунте порта Йокогамы.
Эффективность. Башня уже пережила несколько сильных землетрясений: магнитудой 7,3 в 1995-м году и магнитудой 9 в 2011-м без каких-либо повреждений.
Этот проект стал одним из примеров для множества других сейсмоустойчивых высотных зданий, которые строились в Японии в последующие годы.
9. Burj Khalifa (Дубай, ОАЭ)
Бурдж-Халифа — самое высокое сооружение на нашей планете. Высота 163-этажного здания, введённого в эксплуатацию в 2010-м году, составляет 828 метров.
Специфика региона. Регион Персидского залива не является столь же сейсмоопасным, как Япония или Мексика, однако, проектируя настолько высокое здание, инженеры заложили устойчивость к землетрясениям магнитудой до 7. Их задача была по-своему уникальной, ибо при высоте более полукилометра малейшие колебания пород могли вызвать катастрофические последствия из-за огромной массы и инерции конструкции. Поэтому Бурдж-Халифу можно назвать шедевром инженерной мысли из-за конструктивной прочности и мастерского распределения нагрузок.
Особенности конструкции. Башня имеет «бутылочную» форму: в Y-образном основании — три «лепестка» вокруг центрального ядра. Выше лепестки постепенно сходят на нет, образуя ступенчатый профиль. Такая баттресс-кор (buttressed core) несущая система является ключом к высокой сейсмостойкости.
Все три крыльевые стены и ядро работают сообща, взаимно поддерживая друг друга с помощью аутригеров, так что при боковой нагрузке задействуется весь объем бетона. До высоты в примерно 600 м ядро и стены выполнены из высокопрочного железобетона, а выше — из стали. Связи и перекрытия соединяют лепестки с сердечником – получается что-то вроде гигантской колонны, напоминающей трилистник. Это обеспечивает непревзойдённую жесткость и устойчивость к изгибу. Кроме того, по этажам распределены деформационные швы и слайдеры, допускающие микроперемещения и таким образом предотвращающие накопление напряжений.
Фундаментом является бетонная плита толщиной 3,7 м на 192 буровых сваях диаметром около 1,5 м и глубиной 50 м.
Принцип работы. При толчке башня отклонится, но все три лепестка будут работать как единый противодействующий каркас, распределяя нагрузку. Перекрестное армирование и вязка предотвращают сдвиг или срез основания.
По сути, Бурдж-Халифа — это монолит, в котором тысячи тонн арматуры и бетона действуют как единое целое. В Бурдж-Халифа как таковых нет демпферов, поскольку её огромная масса и жёсткость сами по себе гасят вибрации, но есть система мониторинга OASIS для оценки состояния конструкции в реальном времени.
Эффективность. Лабораторные испытания здания производились с использованием суперкомпьютера и на масштабных моделях.
Дубай ощущал отголоски землетрясений 2013-го года в Иране (от 5 до 5,5), но Бурдж-Халифа практически не пострадал — ни трещин, ни раскачивания. В 2020-м году землетрясение в Иране магнитудой 6,3 привело лишь к эвакуации персонала согласно протоколу, но здание снова не пострадало. Бурдж-Халифа, вероятно, никогда не придётся испытать свои пределы сейсмостойкости в полной мере. Однако проектировщики из бюро SOM уверены, что даже при ускорениях порядка 0,2–0,3g башня сохранит свою целостность благодаря системе распределения нагрузки на подпорные стены: все стены задействованы, но ни одна из них не перегружена.
10. Wilshire Grand Center (Лос-Анджелес, США)
Wilshire Grand Center — самый высокий небоскрёб Лос-Анджелеса. Здание, построенное в 2017 году, имеет 73 этажа и высоту до шпиля 335 м. Сверху на фото вы видите стальную «корону» — элемент каркаса, соединённый с ядром с помощью аутригеров, повышающих устойчивость при землетрясениях. При проектировании Wilshire Grand применялись новейшие подходы, чтобы здание выдерживало «предсказанное максимальное» землетрясение без обрушения и быстро возвращалось в нормальную эксплуатацию.
В небоскрёбе находятся гостиница, офисы и смотровая площадка.
Специфика региона. Лос-Анджелес, как и Сан-Франциско, расположен на разломе Сан-Андреас; крупные землетрясения магнитудой около 7 происходят в регионе раз в несколько десятков лет. В городе преобладают твердые грунты – аллювиальные отложения с приемлемыми несущими свойствами. Тем не менее близко расположенные разломы представляют серьёзную опасность.
Особенности конструкции. В Wilshire Grand реализована смешанная система жесткости, которая включает в себя:
- Железобетонное ядро: центральная шахта лифтов и лестниц выполнена из монолитного железобетона. Она работает как «хребет» сооружения, сопротивляясь скручиванию и изгибу.
- Аутригеры – выносные опоры на нескольких технических уровнях: внутреннее ядро соединено с внешними стальными колоннами мощными горизонтальными связями. Эта схема при боковых нагрузках заставляет весь периметр «работать» совместно с ядром, распределяя усилия по всему каркасу.
- Раскосы с торможением (BRB – Buckling Restrained Brace): часть рамных пролетов заполнена специальными стальными растяжками с контролируемым текучим разрушением. Эти элементы представляют собой стальные стержни в оболочке, которые при сильном толчке деформируются, растягиваясь или сжимаясь без потери устойчивости, гася таким образом энергию. Проще говоря, BRB — это своеобразные «предохранители», которые могут погнуться, приняв на себя удар, но не сломаются — и так предотвратят повреждение других частей рамы.
- Утолщённый фундамент: здание установлено на железобетонной плите толщиной 5,3 м (17,5 фута), залитой за один раз. Эта плита распределяет вес на грунт и служит жёсткой основой всей конструкции. Между основанием башни и ее подземной частью предусмотрен конструктивный шов, допускающий относительный сдвиг до 45 см (1,5 фута), чтобы изолировать верхнюю структуру от движения фундамента во время сильного землетрясения.
Здание ориентировано на безопасное использование сразу после землетрясения в духе концепции Immediate Occupancy. Поэтому Wilshire Grand строили с учетом философии «избыточной надежности» – объём арматуры фундамента и ядра просто колоссален, для армированных плит использовано 8 тыс. тонн стали для того, чтобы при любой неравномерности сейсмического воздействия фундамент работал как монолит.
Принцип работы. При небольших землетрясениях здание сохраняет эластичность — ядро и колонны пружинят, возвращаясь в исходное положение: мгновенный сдвиг этажа при максимальном толчке не превысит 2% его линейных размеров, то есть деформации останутся в пределах допустимых, и сооружение сохранит целостность. При расчётном экстремальном для Лос-Анджелеса землетрясении магнитудой до 7,5 в дело вступают BRB — они начинают пластически деформироваться, поглощая энергию толчков и тем самым предохраняя основные колонны и ядро от разрушения.
Аутригеры снижают амплитуду колебаний верхушки здания, связывая ядро и внешние колонны и уменьшая прогибы на верхних этажах примерно на 25% по сравнению с конструкцией с одним ядром. Wilshire Grand сочетает жёсткие элементы (ядро, аутригеры) и демпфирующие (BRB), достигая баланса между прочностью и гибкостью. Лабораторные исследования показали, что на верхних этажах при отсутствии аутригеров может возникнуть «хлыстовой эффект» (whiplash).
Эффективность.До начала строительства инженеры провели серию компьютерных симуляций и испытаний на вибростендах, чтобы подтвердить расчётное поведение всех узлов. За период эксплуатации (2017–2025 гг.) серьезных землетрясений непосредственно в Лос-Анджелесе не было. Однако несколько умеренных толчков Wilshire Grand уже пережил: например, землетрясение магнитудой 5,3 в 2018 году, и они не вызвали никаких повреждений. Эта башня стала образцом новых стандартов для высотных зданий в Калифорнии: максимальная защита без применения полной сейсмоизоляции за счёт комбинирования различных методов.
Многие эксперты отмечают, что Wilshire Grand Center стал эталоном сейсмостойкого высотного строительства на западном побережье США, сочетая в технические инновации (BRB-демпферы и аутригеры) и традиционный подход (мощную железобетонную плиту).
11. One Rincon Hill (Южная башня) в Сан-Франциско, США
Жилой 60-этажный небоскрёб One Rincon Hill (Южная башня) высотой 195 м был построен в 2008 году в Сан-Франциско. Башня знаменита передовыми сейсмостойкими технологиями, внедрёнными еще до того, как в Калифорнии приняли новые нормы сейсмобезопасности.
Специфика региона. Ринкон-Хилл стоит на холме, где грунт представляет собой относительно скальный грунт – твёрдый сланец с прослойками слабых пород.
Особенности конструкции. Башня имеет монолитное железобетонное ядро и стальные аутригеры, как мы уже видели у Wilshire Grand, но снабжена ещё и инновационными «жидкостными демпферами». На крыше здания установлены два больших бака с водой примерно по 160 тонн каждый, которые служат настроенными жидкостными демпферами (tuned liquid dampers). Также в каркасе присутствуют BRB-раскосы – диагональные стальные связи с механизмом контролируемого смятия, поглощающие энергию на средних этажах.
Фундаментом служит толстый ростверк толщиной около 4 м на 42 буронабивных сваях, закреплённых в коренную породу.
Принцип работы. При раскачивании здания вода в резервуарах начинает колебаться в противофазе, гася вибрации по тому же принципу, что и маятник.
При порывах ветра или подземных толчках верхние этажи башни раскачиваются, но вода в демпферных баках «плещется» в противофазе и снижает раскачивание до 30%. При сильном землетрясении большую часть энергии примут на себя стальные BRB-раскосы, которые деформируются, не ломаясь и защищая бетон ядра от трещин. Само ядро и аутригеры очень прочные, они рассчитаны на смещение этажа вплоть до 1% высоты без разрушений.
Эффективность. Испытания на моделях и в реальных условиях (например, во время землетрясения 2014 года с эпицентром в находящейся неподалёку Напе) показали, что башня имеет высокую устойчивость и быстро возвращается в исходное положение. Даже проблема сильных ветров для башни, стоящей на холме, благодаря жидкостным демпферам не создаёт жителям дискомфорта.
Сочетание массивного ядра, BRB-раскосов и жидкостных демпферов сделало One Rincon Hill одним из самых устойчивых жилых небоскрёбов в Западном полушарии. Башня прошла сертификацию по методике PEER, показав полное соответствие требованию Immediate Occupancy – пригодности к эксплуатации сразу после землетрясения.
Пример Ринкон-Хилл произвёл впечатление на рынок, и все последующие высотные здания в Сан-Франциско (например, Salesforce Tower, о которой речь пойдёт ниже) также внедрили аналогичные системы.
12. Gran Torre Santiago (Сантьяго, Чили)
Гран-Торре Сантьяго или Костанера-центр — самый высокий в Южной Америке 64-этажный офисно-торговый небоскрёб высотой 300 м, построенный в 2013-м году.
Специфика региона. Сантьяго — город, находящийся в зоне субдукции и регулярно страдающий от сильнейших землетрясений магнитудой более 8. Чилийский строительный кодекс требует, чтобы здания не разрушались даже при сильнейших землетрясениях, и в Гран Торре заложена возможность выдерживать 150% от удара сильнейшего землетрясения из тех, что происходили за последние 100 лет.
Грунты под башней плотные, но при толчках магнитудой 8,8 они дают ускорение до 0,4g – самый высокий уровень в мире. Проектировщики добились того, чтобы здание могло «пружинить» подобные удары.
Особенности конструкции. Башня Торре-Сантьяго имеет железобетонное ядро прямоугольной формы, окружённое стальным каркасом. В нём применена система двойных колонн и связевых балок: две толстые стены ядра воспринимают львиную долю горизонтальных нагрузок, а стеклянный фасад закреплён на гибком стальном каркасе, способном прогибаться и тянуть ядро за собой. Важной деталью являются «дышащие» прорези в стенах ядра по аналогии с Torre Reforma. Технологические окна на некоторых уровнях ядра позволяют ему незначительно деформироваться без разрушения.
Здание снабжено множеством демпфирующих вставок – между стыками балок и колонн установлены упругие прокладки, которые гасят вибрации, а фундаментом служит мощная плита толщиной 1,5 м на примерно 60 сваях, уходящих в скальное основание.
Принцип работы: во время землетрясения жёсткое ядро башни принимает на себя основную часть нагрузки, но в критический момент в специальных зонах контролируемо раскрываются трещины там, где оставлены арматурные «предохранители». Одновременно стальной каркас фасада, колонны и балки которого допускают значительные прогибы, гасит энергию своим изгибом — не ломаясь, поскольку использована сталь с большим запасом пластичности. Энергия толчка распределяется между бетоном и сталью — здание как бы «играет», но остаётся целым.
Эффективность. В 2010 году, ещё будучи недостроенным, здание пережило землетрясение магнитудой 8,8 без значительных повреждений. Это подтвердило правильность выбранных конструктивных решений. После землетрясения строительство было продолжено практически с минимальными изменениями в проекте: некоторые узлы усилили — например, добавили болтов на фланцевых соединениях каркаса. В 2014 году при землетрясении магнитудой 8,2 башня уже эксплуатировалась и не получила повреждений.
Гран-Торре-Сантьяго — пример того, как традиционный подход (ядро + каркас), выполненный с очень высоким качеством и учётом пластичности, справляется с экстремально мощными толчками. Как и Торре-Майор, Гран-Торре-Сантьяго считается одной из самых сейсмостойких высоток Западного полушария.
Первую часть текста о самых сейсмоустойчивых в мире офисно-торговых и общественных центрах можно прочитать здесь.
👉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.