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, а вторую, посвящённую многофункциональным небоскрёбам – здесь.
В этом тексте мы рассмотрим самые сейсмостойкие здания и сооружения, которые не относятся по своему назначению ни к офисно-торговым, ни к многофункциональным центрам. А в конце подведём итоги своего небольшого исследования, суммируя применённые для возведения 15 самых сейсмоустойчивых зданий в мире инженерные и проектировочные решения.
Часть третья. Здания и сооружения различного назначения
13. Терминал международного аэропорта Sabiha Gokcen (Стамбул, Турция)
Международный аэропорт Сабиха Гёкчен — второй по загруженности в Стамбуле. Новый терминал площадью около 200 тыс. м² был открыт в 2009 году и рассчитан на миллионы пассажиров в год. Под конструкцией скрыто почти 300 сейсмических изоляторов, благодаря которым здание должно оставаться устойчивым даже при сильных землетрясениях.
Специфика региона. Регион Мраморного моря — зона высокой сейсмической активности, поскольку рядом проходит разлом Северной Анатолии, способный вызывать землетрясения магнитудой до 7,5. В ближайшие десятилетия, по прогнозам специалистов, Стамбул ожидает ещё одно крупное землетрясение. После разрушительного землетрясения 1999 года требования к сейсмозащите инфраструктуры были максимально повышены, и терминал Сабиха Гёкчен стал первым в мире настолько крупным сооружением с полной сейсмоизоляцией основания.
Особенности конструкции. Здание терминала построено на 300 специальных сейсмоизолирующих опорах типа Triple Friction Pendulum (трёхфрикционных маятниках). Каждая из них представляет собой сложное устройство, содержащее несколько выпуклых скользящих поверхностей из высокопрочной стали с тефлоновым покрытием. Внутри каждой опоры есть три уровня скольжения, и это позволяет ей эффективно «работать» при разных амплитудах и частотах толчков. Над изоляторами находится обычный стальной каркас, так как аэропорт представляет собой просторный ангар с большими пролётами. Крыша выполнена из лёгкой металлочерепицы с волнистым профилем. Каждая колонна опирается на изолятор, закреплённый на фундаментной плите.
Такое решение сделало терминал Сабиха Гёкчен самым большим сейсмоизолированным зданием в мире на момент его открытия.
Принцип работы. В спокойном состоянии изоляторы просто удерживают вес — на каждый из них приходится примерно 800 тонн нагрузки. При землетрясении фундамент скользит на опорах: здание оказывается не жёстко связанным с грунтом и «покачивается» на опорах с ограниченным смещением. Согласно расчётам, изоляторы допускают смещение до 70 см в каждую сторону и поглощение энергии землетрясения магнитудой до 8,0. При сильном ударе платформа терминала может сместиться на полметра относительно фундамента, но останется целой, а затем вернётся в исходное положение.
Внутри изоляторов происходит трение — оно гасит энергию, превращая её в тепло. Маятниковый эффект создаёт силу возврата — после смещения изолятор под действием силы тяжести возвращает конструкцию в исходное положение. Таким образом, терминал как бы «плывёт» на опорах, сохраняя относительное спокойствие, пока грунт под ним ходит ходуном. Здание реагирует гораздо медленнее, чем грунт, и высокая частота толчков не передаётся вверх, благодаря чему сейсмическое воздействие на здание снижается на 80–90%. На практике это означает, что во время землетрясения пассажиры могут даже не почувствовать толчков, а оборудование (например, системы транспортировки багажа) не выйдет из строя.
Ни стены, ни перегородки не несут сейсмических нагрузок, всё берут на себя изоляторы на колоннах.
Эффективность. Инженеры Arup и Özdatlı Engineering разработали и испытали изолирующие опоры на больших сейсмических столах, имитируя землетрясения. По результатам испытаний был сделан вывод, что даже при ударе, вдвое превышающем по силе землетрясение 1999 года, конструкция терминала должна остаться целой, а согласно компьютерному моделированию, проведённому компанией Arup, терминал способен выдержать одновременный удар от подвижек трёх разных разломов.
С 2009 г. в районе Стамбула не было сильных землетрясений. В 2019 г. отмечалось землетрясение магнитудой максимум 5,8, а в другие годы – несколько более мелких, и все их аэропорт пережил без каких-либо проблем. Разрушительное землетрясение 2023 года, унесшее на юге Турции жизни около 50 000 человек, в Стамбуле ощущалось достаточно слабо.
В 2011 г. здание получило премию за инновации в области сейсмостойкости. Заметим, что благодаря успеху проекта Сабиха Гёкчен в Турции начали массово применять аналогичные системы на крупных объектах, таких как больницы, аэропорты и мосты. В 2020 г. в Стамбуле была открыта крупнейшая больница Башакшехир, в основании которой также установлено 2068 изоляторов.
Терминал аэропорта Сабиха Гёкчен демонстрирует высочайший уровень защиты за счёт «отделения» здания от земли, хотя визуально это никак не заметно.
14. Tokyo Skytree (Токио, Япония)
Tokyo Skytree — это не здание в привычном смысле, а телевизионная и смотровая башня высотой 634 м, вторая по высоте в мире после Бурдж-Халифы. Она была построена в 2012 году в районе Сумида. В отличие от уже описанных мной азиатских небоскрёбов, Skytree — отдельно стоящее сооружение, в реализации которого японские инженеры вдохновились сочетанием ультрасовременных материалов и технологий 1300-летней давности: в здании используется «син басира» – так называемый «сердечный столб», как в древних пагодах.
Специфика региона. Башня стоит на местности с мягкими аллювиальными грунтами.
Особенности конструкции. Tokyo Skytree состоит из стальной пространственной решетчатой оболочки на трёх опорах, плавно переходящих от треугольного сечения внизу к круглому наверху, и внутренней железобетонной колонны диаметром около 8 м, расположенной по центру на высоте около 375 м, которая и является аналогом пагоды «син басира». Центральная колонна соединена с оболочкой не жёстко: до отметки около 125 м по высоте она закреплена, а выше — подвешена на амортизаторах так, чтобы относительно свободно перемещаться внутри башни.
Между колонной и внешней решёткой установлено около 100 масляных демпферов, действующих как гигантские амортизаторы. В обычных условиях вся нагрузка распределяется между внешними опорами и центральной колонной, а при землетрясении центральная колонна начинает двигаться с фазовым сдвигом относительно внешней конструкции подобно маятнику, гася колебания.
Помимо этого, Skytree имеет широкое основание диаметром около 68 м, сужаясь к вершине, что способствует большей устойчивости.
Принцип работы позаимствован у японских деревянных пагод, веками переживающих землетрясения. Центральный столб в таких пагодах колеблется, гася энергию подземных толчков. В Skytree центральная колонна представляет собой железобетонную трубу высотой 375 м, внутри которой находятся лифты. Она подвешена к внешней стальной раме через демпферы. При колебаниях грунта внешняя стальная часть и внутренний столб вибрируют в противофазе, снижая энергию колебаний примерно на 50%. Масса бетонного ядра составляет около 4000 тонн. Испытания показали, что такая система способна уменьшить нагрузки на конструкцию до 40% по сравнению с обычной башней той же высоты.
Эффективность. Во время Великого восточно-японского землетрясения 11 марта 2011 года Skytree была ещё на стадии строительства, возведённая на тот момент примерно на 50% своей высоты. Конструкция не пострадала, а нагрузки подтвердили правильность расчётов. После ввода в эксплуатацию башня пережила несколько ощутимых землетрясений: магнитудой 5,9 в 2012 году, магнитудой 5,6 в 2016 году и другие — и каждый раз без повреждений. Посетители на смотровых площадках отмечали лёгкое покачивание во время толчков, но оно не было опасным. Инженеры утверждают, что Skytree рассчитана так, чтобы выдержать землетрясение, эквивалентное Великому Канто, полностью разрушившему Токио в 1923-м году.
В отличие от старых телебашен, Skytree продолжит обеспечивать теле- и радиовещание даже после сильного землетрясения.
Фундамент представляет собой сплошную железобетонную плиту размером 50×50 м и толщиной 2,5 м, расположенную на 8 свайных опорах, которые заглублены примерно на 50 м. Фундамент монолитно связан с основанием башни, что предотвращает неравномерную осадку или наклон.
Эффективность сейсмодемпфирующей системы во многом зависит от точности настройки демпферов. Японские инженеры применили изобретённую в NASA специальную феррожидкость с магнитными частицами, вязкость которой можно менять динамически. — это позволяет тонкую настройку характеристик демпфирования.
Tokyo Skytree объединяет вековую мудрость и высокие технологии. Подобный подход уже применяется и в других высотных сооружениях Японии, улучшая их безопасность.
15. Apple Park (Купертино, США)
Apple Park — здание штаб-квартиры компании Apple Inc. в Купертино (Калифорния), также известное как «космический корабль Apple». Кольцевое строение диаметром около 370 м и площадью около 260 тысяч кв. м, рассчитанное на 12 000 сотрудников.
Специфика региона. Поблизости от Купертино проходят разломы Сан-Андреас и Хейворд, способные вызвать землетрясения магнитудой свыше 7. Apple поставила перед собой задачу сделать свой головной офис не только экологичным, но и устойчивым к природным явлениям (включая землетрясения), чтобы обеспечить беспрерывное управление своим глобальным бизнесом.
Особенности конструкции. Основное кольцевое здание Apple Park установлено на 692 стальных изоляторах диаметром 2,1 м каждый. Это сферические фрикционные опоры, напоминающие по форме блестящие «летающие тарелки» толщиной около 70 см и весом около 7 тонн, изготовленные из высокопрочной стали. Коэффициент трения составляет всего порядка 3%, что обеспечивает довольно свободное скольжение. Изоляторы рассчитаны на горизонтальное смещение до 1,2 м. При таком смещении здание может оставаться целым даже при ускорении толчков на грунте до величины 1g. Apple Park способен выдержать землетрясения магнитудой до 7,0 без серьёзных повреждений.
Apple Park имеет 4 этажа над землёй и 3 — под землёй. Подвальные этажи и паркинги находятся ниже уровня изоляторов, то есть при землетрясении они движутся вместе с грунтом, а все офисные помещения расположены выше изоляторов. В центре кольца — парковая зона. В здании используется много стеклянных поверхностей и тонких колонн, которые были бы очень уязвимы к толчкам, если бы не изоляторы. С изоляторами архитекторы смогли позволить себе огромные стеклянные панели без армирования, поскольку само здание не подвергается резким деформациям.
Интересно, что проектировщики из Arup учли не только горизонтальные, но и вертикальные компоненты сейсмики: изоляторы имеют вертикальную гибкость до ±5 см, чтобы гасить ударные волны. Кроме того, Apple Park оснащён системой мониторинга OASIS – сетью датчиков, которые отслеживают вибрации и повреждения конструкции здания в режиме реального времени, при необходимости автоматически предупреждая персонал о необходимости эвакуации.
Принцип работы. В 2014 году во время строительства произошло землетрясение с эпицентром в Напе. Земля под зданием двигалась, но само здание лишь слегка покачивалось на изоляторах, внутри которых закалённые стальные поверхности скользили, рассеивая энергию, с минимальным трением. Форма поверхностей гарантирует, что, когда движение прекратится, система изоляторов «скатит» здание обратно в исходное положение под действием силы тяжести. Таким образом, дорогостоящая отделка и оборудование оказываются полностью защищены.
Расчёты показали, что даже после сильнейшего землетрясения, вероятность которого наступает лишь 1 раз в 2475 лет, здание Apple Park останется функциональным, а сотрудники смогут немедленно продолжить работу.
Эффективность. В 2019 году в районе залива Сан-Франциско произошло землетрясение магнитудой 4,5 эпицентр находился на расстоянии около 50 км от Apple Park, однако там были заметны едва ощутимые колебания, не создавшие никаких проблем. Если же на разломе Сан-Андреас произойдёт землетрясение магнитудой 7+, Apple Park — крупнейшее по площади сейсмоизолированное здание в мире – пройдёт окончательный тест.
Данный проект вдохновил и другие крупные технологические компании из Кремниевой Долины на инвестиции в сейсмозащиту: например, изоляторы планируется использовать для новой штаб-квартиры Google. Пример Apple Park демонстрирует, что прогрессивные заказчики готовы вкладывать свои средства для сохранения бизнеса и людей в чрезвычайных обстоятельствах, а технологии из небольших научных лабораторий успешно выходят на гигантские объекты.
Сравнение подходов к сейсмозащите: надежность и перспективы
Рассмотренные нами 15 зданий демонстрируют различные подходы к обеспечению сейсмостойкости.
Монолитная прочность
Традиционный подход в расчёте на монолитную прочность — использование жёстких каркасов и ядер ради того, чтобы придать зданию максимальную жёсткость и способность выдерживать землетрясения практически без деформаций. Лучшие примеры — Бурдж-Халифа с его «баттресс-ядром» и Трансамериканская пирамида с глубоким фундаментом и крепкими стенами. Плюсы этого подхода – в относительной простоте конструкции и отсутствии движущихся частей. Минус – в огромном количестве материала, из-за чего здание становится очень массивным и дорогим. Риск заключается и в том, что слишком жёсткое здание становится хрупким, если сила удара превысит расчетную, поэтому современные нормы требуют повышенной пластичности конструкционных материалов. Применение этого подхода оправдано там, где сейсмическая опасность умеренная (Дубай) или в случае, если здание относительно невысокое.
Гибкие пластичные каркасы с демпфированием
Например, такие, как Торре-Майор, Мори-Тауэр или Ван-Рик-Тауэр, где используется каркас, способный колебаться, но оснащённый демпферами — вязкостными, маятниковыми или других типов. Плюс этого подхода в том, что энергия колебаний эффективно гасится, здание дрожит, но не разрушается. Такие объекты можно строить на сложных грунтах и большой высоте. Минусы данного подхода — сложность конструкции и дороговизна использованных устройств, а также необходимость непрерывного мониторинга их состояния.
Сейсмоизоляция основания
Сейсмоизоляция основания, чтобы отделить колебания здания от колебаний грунта, применена в терминале Сабиха Гёкчен, Apple Park и отчасти в Landmark Tower. Плюсы подхода в том, что до 80-90% снижается нагрузка на несущую конструкцию и появляется возможность не останавливать операции, что очень важно для больниц, дата-центров, аэропортов и т.п. Минусы кроются в сложностях при подводе коммуникаций (гибкие вставки труб и кабелей) и в том, что необходима свободная площадь вокруг здания для возможных смещений. Сейсмоизоляция не всегда эффективна, если эпицентр с преобладанием высокочастотных толчков находится близко, но хорошо работает при низких и среднечастотных колебаниях. Этот подход вряд ли применим для очень высоких зданий, поскольку период их собственных колебаний и так велик, но для широких, низких и средневысоких сооружений это идеальное решение, сводящее ущерб к минимуму.
Особая геометрия и разрывы по принципу управляемой деформации
Это реализовано в Torre Reforma и Gran Torre Santiago. При таком подходе самому зданию позволяется изгибаться определённым образом, а вертикальные и горизонтальные разрывы действуют как шарниры, делая здание «складным», а не жёстким. Плюс такого подхода — в минимуме подвижных частей, хорошей пассивной безопасности и саморегулируемой нагрузке. Минус заключается в том, что этот метод требует крайне тщательного расчёта мест разломов и методов контроля трещин. С архитектурной точки зрения такие разрывы могут влиять на эстетику, хотя, например, в Torre Reforma архитекторы превратили их в свою фишку. Этот подход перспективен для высотных зданий на мягких грунтах, где выбор демпферов ограничен.
Плюсы и минусы наиболее популярных решений
- Маятниковые демпферы эффективны при сильном ветре и толчках средней силы, но они обладают большим весом, занимают много места и дорого стоят.
- Вязкостно-жидкостные демпферы хорошо гасят энергию колебаний, они компактнее маятников, но могут нагреваться при работе и со временем требуют замены жидкости.
- BRB-раскосы из недорогой стали срабатывают как предохранитель, спасая каркас. Однако после сильного землетрясения может потребоваться замена раскосов.
- Сейсмоизоляторы радикально снижают нагрузку, защищая оборудование, но они дороги, чувствительны к длительным смещениям, затрудняя «возврат в исходное положение», и не подходят для сверхмощных ударов вблизи разломов.
- Активные демпферы оптимальным образом гасят колебания, но требуют подстройки в реальном времени за счёт использования сложной электроники, не исключающей отказы. Их необходимо дублировать резервной пассивной системой.
Заглянем в будущее
Сегодня в мире набирает популярность концепция «устойчивости по умолчанию» — здания проектируются не только так, чтобы не упасть, а так, чтобы сразу продолжить работу после окончания землетрясения. В будущем ключевую роль в сейсмозащите таких объектов будут играть интеллектуальные системы: датчики, алгоритмы искусственного интеллекта, автоматически настраиваемые демпферы. Уже существуют материалы с памятью формы и магнитореологические жидкости, меняющие свойства за доли секунды, и их внедрение позволит создавать адаптивные демпферы, которые «на лету» подстраиваются под характер землетрясения.
Кроме того, появляются новые материалы — например, углеродное волокно для армирования (как в японском Fa-Bo Building с карбоновыми нитями), композиты и 3D-печатные демпферы сложной формы. Они существенно облегчают конструкции без потери прочности. Появляются и концепции «мета-структур» — особых геометрических каркасов, которые отводят сейсмические волны. Это нашло отражение в идее «сейсмического плаща-невидимки» — массива колонн вокруг здания, перенаправляющих ударную волну — но пока этот подход существует только на уровне теоретических исследований.
На наш взгляд, лучшая стратегия на сегодня — комбинировать разные подходы с применением изоляторов, демпферов и сверхпрочного каркаса одновременно, получая многоуровневую защиту. Цена таких решений высока, но оправданна, особенно для критически важных объектов.
Сейсмостойкость — область, в которой инженерия спасает и жизни, и инвестиции. 15 зданий, которые мы сегодня рассмотрели, наглядно показывают, что творческий подход способен укротить стихию, а развитие технологий обещает, что в будущем даже мегаполисы на разломах смогут чувствовать себя в безопасности. Сочетание знаний, накопленных человечеством, и новейших разработок даёт проектировщикам огромный инструментарий. Уже не за горами появление «умных» небоскрёбов, которые себя сами диагностируют и перенастраивают параметры жёсткости и демпфирования в режиме реального времени. Уверен, что уже в ближайшие десятилетия мы увидим здания, которые не только выживают при землетрясении, но и сохраняют полную функциональность, совсем не получая повреждений — ведь именно на это и направлена концепция устойчивости и развития технологий сейсмозащиты.
👉 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.