Небоскрёбы технически могут свободно качаться. Например, на вершине высокого здания (300 м или около того) верх здания может качаться на 2–3 метра при сильном ветре, не испытывая ни катастрофического разрушения конструкции, ни значительной усталости металла.
Инженеры проектируют конструкцию так, чтобы удерживать здание от слишком сильного качания или делать его незаметным.
Однако стоит отметить, что амплитуда колебаний небоскрёбов невелика и не влияет на устойчивость здания. К примеру, в зданиях высотой 25–30 этажей даже при ураганном ветре здание отклоняется от своей оси лишь на 2–3 см.
Некоторые факторы, влияющие на колебания небоскрёбов:
- Ветер. Сильный ветер может вызывать как небольшие, так и значительные колебания. Скорость ветра растёт с высотой, так как нижние слои воздуха при движении тормозятся о поверхность Земли, а с высотой это воздействие снижается.
- Срыв потока воздуха. При срыве потока воздуха нарушается гладкое обтекание объекта воздухом и образуются завихрения. Это приводит к резкому росту нагрузки, пульсации и раскачиванию здания.
- Сейсмические удары. Для сейсмоустойчивости в небоскрёбах устанавливают инерционные успокоители - массивные физические маятники, опора которых жёстко соединена с каркасом здания.
- Воздействие солнца. Под воздействием солнечных лучей металл здания расширяется, и его вершина может отклониться.
Чтобы снизить отклонения, проектировщики увеличивают жёсткость и массу конструкции, разрабатывают гладкие и обтекаемые формы, которые увеличивают сопротивление ветровой нагрузке.
Некоторые методы, которые используются для снижения колебаний небоскрёбов:
- Использование центральных жёстких ядер внутренних каркасов и перекрёстных стальных связей. Такие каркасные конструкции из перекрёстных стальных балок эффективно перераспределяют нагрузки, уменьшая амплитуду колебаний.
- Разработка обтекаемых форм или сложной геометрии фасадов, без выступов или с закруглёнными краями. Это позволяет снизить давление ветра на стены здания.
- Применение систем демпфирования. Это искусственное подавление колебаний в механических, электрических и других системах. Для борьбы с автоколебаниями на больших высотах устанавливают, например, маятниковые демпферы - массивные подвесные элементы, которые компенсируют инерцию здания и уменьшают амплитуду колебаний.
- Использование туннельно-аэродинамических демпферов. Это резервуары с водой, в которых при воздействии ветра вода начинает колебаться в противофазе с движением здания, компенсируя его колебания.
- Применение гибридных демпферов. Это комбинация маятников и амортизаторов, которая позволяет адаптироваться под разные частоты колебаний, как ветровых, так и сейсмических.
- Использование активных демпферов. Такие системы с помощью датчиков отслеживают вибрации здания и с помощью компьютерного управления создают компенсирующие движения грузов, которые поглощают и гасят колебания.