Технологии

Как небоскребы противостоят порывам ветра

admin
Всего просмотров: 344

Среднее время на прочтение: 5 минут, 30 секунд

Жестокая физика, происходящая за окнами небоскребов.


Иллюстрации: Брайан Риа. Анимация: Пабло Деклан

Зимний штормовой ветер неторопливо подбирается к Манхэттену с северо-востока. По мере того как он движется по реке Гудзон, волны пытаются противостоять воздуху на высоте. Но переходя с воды на сушу, ветер бьет по деревьям и зданиям Гудзон-Хайтс, и возвышающиеся препятствия создают огромные вихри воздуха, вливающиеся во все более турбулентный поток. На 110-й улице Верхнего Вест-Сайда ветер попадает в Центральный парк и затем, скользя вверх по дубам и букам, набирает скорость, в то время как некоторые из самых крупных его вихрей замедляют свое вращение и исчезают. Тем не менее, когда ветер покидает парк на 59-й улице, он все еще сохраняет беспорядочные следы своей истории — деревьев, зданий и воды, по которым он прошелся. Можно сказать, что у ветра есть память.

В конечном итоге ветер сталкивается с одним из сверхвысоких небоскребов на юге парка и проявляет куда более впечатляющий талант. Он наносит удар по фасаду здания и устремляется к краям, наталкиваясь на углы и сильно закручиваясь, создает колоннообразный засасывающий вихрь на торце здания и затем несется прямо по направлению воздушного потока. Если воздух движется быстро, эти вихри формируют колебания, двигаясь сначала в одном направлении, а потом в другом. Этот штормовой ветер идет с севера, но эта сила действует перпендикулярно горизонтальной оси, раскачивая конструкцию. Специалисты называют это явление «эффектом бокового ветра», и в определенных обстоятельствах колебания нарушают «естественную частоту» здания. Представьте, рассуждает инженер Дерек Келли, если бы Бог протянул руку с небес и мягко выдернул шпиль какого-нибудь небоскреба: тот бы завибрировал подобно струне гитары. Это и есть естественная частота здания. Если она соответствует тяге бокового ветра, то они резонируют; колебания растут, как у качелей, на которых катается ребенок: туда-сюда, туда-сюда. Если неожиданно появится штормовой ветер, небоскреб накренится, но это еще ерунда по сравнению с потенциальной силой эффекта бокового ветра.

Инженеры нашего времени обуздали гравитацию: при достаточном количестве металла и высокопрочного бетона в каркасе высотка будет стоять. Более непокорный враг — это ветер. Гравитация тянет вниз, а ветер же может прийти с любого направления. Он может давить или засасывать или поочередно делать и то, и другое. В отличие от гравитации, ветер изменяется в зависимости от города или времени года. Динамика ветра страшнее всего. Она меняется от всего, чего касается, и ветер даже формирует сам себя, направляя потоки на всех своих соседей. Гравитация внушительна и понятна, но дай волю ветру, он соберет себя и начнет бунтовать.

Когда в 1977 году было закончено строительство Ситигруп-центра с его косой крышей, было не очень похоже, что здание сможет стоять. Небоскреб высотой 279 метров опирается на четыре сваи, оставляя приличный просвет между землей и своим основанием. Инженера-конструктора Уильяма Лемезурье хвалили за его достижения, но в следующем году один студент-инженер отметил, что это здание (которое теперь называется 601 Lexington) может действительно рухнуть — при сильном ветре. Сварщики кинулись делать экстренные укрепления, и при надвигающемся урагане «Элла» обсуждалась эвакуация этой области. Но «Элла» развернулась к морю, и Мидтаун оказался в безопасности.

В мире высоких зданий теперь востребован новый вид инженера — специалист по ветру. По мере того как небоскребы становятся выше, они забираются во все более сильные ветра, и простые технологии производства могут сделать их более уязвимыми. Застройщики начали возводить очень высокие и тонкие здания, вроде 432 Парк-авеню в Нью-Йорке, и они особенно чувствительны к воздушной среде. Когда специалист по ветру вроде Келли смотрит на такое здание, он понимает, что дом парит в воздухе: один его конец прикреплен к земле, а остальная часть раскачивается в ветрах Манхэттена.

Келли является ведущим специалистом в RWDI (Rowan Williams Davies & Irwin Inc.) — одной из лучших в Северной Америке консалтинговых компаний, специализирующихся в ветряной инженерии. Среди клиентов этой компании есть 432 Парк-авеню и 111 57-й Вест Стрит, 438-метровый небоскреб, который будет одним из самых тонких в мире. (Представьте 30-сантиметровую линейку, стоящую на одном конце и протянутую вверх примерно в два раза больше своей высоты.) Когда на стадии эскизного проектирования тесты выявляют слишком сильное колебание, что практически всегда происходит со сверхвысокими небоскребами, RWDI предлагает устроить «совещание по планировке». Архитектор, застройщик и инженер едут в штаб-квартиру компании в Гуэлф, Онтарио, взяв достаточно средств, чтобы провести день в туннеле для тестирования ветра, и пригласив группу разработчиков моделей для проверки идей в этом туннеле и их улучшения. Задача состоит в том, чтобы найти способы, при помощи которых здание сможет, как говорят специалисты, «обмануть ветер». Чтобы поднять самолет, проектировщики крыльев самолета хотят добиться плавного движения воздуха; проектировщики же зданий хотят разделить ветер и оставить его в беспорядке.


Иллюстрации: Брайан Риа. Анимация: Пабло Деклан

Бурдж-Халифа из Дубая, будучи 828-метровым небоскребом, является самым высоким рукотворным сооружением в мире. Он ассиметричен и разворачивается сверху вниз группой ступенек, словно расширяющаяся винтовая лестница. Эффект бокового ветра зависит от ширины здания, и на каждом уровне Бурдж-Халифа ветер попадает в разную частоту: сбитый с толку и раздраженный, словно маленький ребенок, яростно толкающий качели, которые не хотят качаться. Другим любимым средством для обмана ветра, которое можно увидеть у многих небоскребов, являются срезанные углы, которые разрушают засасывающие силы по бокам здания. Пинакли и антенны подвергаются тщательной экспертизе, по своему уровню не уступающей экспертизе яхт регаты «Кубок Америки». В случае 432 Парк-авеню конструкторская бригада использовала пять слоев просветов, высотой в два этажа каждый, где фасад открыт, позволяя воздуху пройти сквозь себя и истощая его вихри. Эти горизонтальные полосы придают высотке визуальный ритм, но находятся они там из-за ветра. В мире природы ветер придает форму песчаным барханам и высекает снег, вырезая кольца там, где он хлестал вокруг дерева. Он оставляет свои следы и на зданиях.

В феврале 2014 года беловолосый уругвайский архитектор Рафаель Виньоли выступил с лекцией, посвященной 432 Парк-авеню и проспонсированной Музеем небоскребов. Высокое здание может быть в высшей степени безопасным, способным противостоять ураганам и землетрясениям, но никакое количество укреплений его каркаса из стали и цемента не сможет заставить его стоять неподвижно. Отсюда следует вопрос: для пентхауса стоимостью в районе ста миллионов долларов колебание какой силы будет уже чересчур? Виньоли описал поездку проектной группы, организованной RWDI, на объект в городе Сент-Джонс, Ньюфаундленд, в котором есть морской симулятор — крытая платформа, стоящая на гидравлических домкратах, имитирующая мостик корабля. Сейчас они будут симулировать пентхаус: пульт управления корабля заменили на кресла, диван и журнальный столик. Волны Северного моря за окнами поменяли на 360-градусную панораму города с соответствующей ошеломительной высоты. Когда Виньоли описывал ощущение того, что здание плохо себя ведет перед окончательным проектированием, он качнул лекционную кафедру: «Если вы стоите здесь, ваша чашка чая колеблется. И если вы настолько лишены вкуса, что у вас есть люстра, она тоже колеблется, — заключил он.

Если уловки проектирования заканчиваются, инженеры могут уменьшить колебания с помощью установки «инерционных демпферов» у макушки здания. Одна их версия состоит из большой массы, устанавливаемой на подвесную систему с поршнями, которые сопротивляются движению этой массы. Демпфер работает как маятник, но колеблется с естественной резонансной частотой здания, то есть когда высотка накреняется, эта масса тянет ее обратно, вместо синхронизации стабилизуря ее. Небоскреб Тайбэй 101, высотой 509,2 м, оборудован таким шаром-маятником весом в 728 тонн, работающим еще и в качестве туристической достопримечательности. Со смотровой площадки кажется, что шар раскачивается от сильного ветра, но на самом деле туристы тоже подвержены колебаниям.

В 432 Парк-авеню спрятано два демпфера общей массой в 1300 тонн. Инженер здания Сильвиан Маркус, директор по проектированию зданий в американском отделении компании WSP/Parsons Brinckerhoff, посетил один из верхних этажей с группой и спросил, почувствовал ли кто-то что-нибудь. Они ответили, что нет. Он поставил на пол лазерную указку, направил ее вверх и отошел. Точка двигалась из стороны в сторону по мере того, как высотка накренялась. «Они сказали: „Это невероятно; мы ничего не чувствуем”», — поделился со мной Маркус. В зданиях с высококачественными демпферами большинство людей не заметят колебаний в нормальную погоду. Для сверхвысоких жилых небоскребов инерционные демпферы — редкие блага современной цивилизации класса «люкс», которые остаются невидимыми.

Очень высокие здания — это недавнее изобретение, и люди еще не развили интуицию на них. «У нас все еще есть это врожденное представление, что здание, в которое мы заходим, останется неподвижным. Нас пугает, когда оно движется», — объясняет Мелисса Бертон, директор по глобальному развитию городских зданий в BMT Fluid Mechanics. Вы можете принять решение и жить на уровне облаков в комфортной изоляции, но ветра вы не сможете избежать никогда. Стены и все, что внутри, всегда будут в движении. Бо́льшую часть времени вы не будете этого замечать. Но когда-нибудь придет ураган, ветер взбунтуется и вы его почувствуете.

Автор: Гарет Кук — внештатный автор журнала и лауреат Пулитцеровской премии.
Оригинал: The New York Times Magazine.

Перевела: Екатерина Евдокимова.
Редактировал: Евгений Урываев.