Как небоскребы противостоят порывам ветра

Технологии

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.

Оцените статью
Добавить комментарий
  1. Андрей Полетаев
    Андрей Полетаев

    Время прочтения?

    1. Марк Усманов
      Марк Усманов

      Андрей, 15,5 минут

  2. Сергей Коломийчук
    Сергей Коломийчук

    Успел прочитать до того как убрали ссылку. Ну вы чего? верните, хотел скинуть друзьям на форуме, а

  3. Илья Васильев
    Илья Васильев

    хэй, где статья

  4. Константин Крейогелхов
    Константин Крейогелхов

    Ну ээээй, звучит интересно, дайте почитать

  5. admin
    admin автор

    Теперь всё в (относительном) порядке. Enjoy!

    1. Илья Васильев
      Илья Васильев

      Newочём, а чего ссылка на новой версии :(

  6. Дима Подколзин
    Дима Подколзин

    (нет)

  7. Юлия Бессонова
    Юлия Бессонова

    Не открывается ?

  8. Матвей Аверин
    Матвей Аверин

    244 метра.

    1. Алекс Мэйн
      Алекс Мэйн

      Матвей, да, однако «на высоте 244 метрОВ».

      1. Матвей Аверин
        Матвей Аверин

        Алекс, и то верно.

  9. Витя Татаринцев
    Витя Татаринцев

    Ссылка плохая, обычно в приложении же можно было читать

  10. Йурген Какбэ
    Йурген Какбэ

    статья офигенная, в конце прям вообще триллер?

  11. Johnny Kozlina
    Johnny Kozlina

    Жаль, конечно, что США сильно отстала в строительстве новых небоскребов в категории 300м+ и 400м+ и вряд ли догонит Китай и ОАЭ

    1. Александр Московченко
      Александр Московченко

      Mike, такие высокие здания им не нужны. Представил тень от бурдж халифы, если бы он стоял на Манхеттене? К тому же, такие гиганты строятся чтобы ‘сказать’ о себе миру. Надо ли сша о себе еще раз говорить?

  12. Дима Лесин
    Дима Лесин

    Немножко не в тему, но если вдруг появится статья про солнечные пятна, то, что они пропали и к чему это приведёт, то добавьте, пожалуйста, это в свой опрос) очень хочется понять то, что происходит, но в рунете нет ничего подобного)

  13. Елена Корвина
    Елена Корвина

    Как-то перебор по ошибкам в именах и географических названиях – переводчик ленился лишний раз Википедию открыть? И странноватые выражения в первом абзаце типа “правление небоскрёба” и “художественное стекло” отвлекают от сути статьи :(

  14. Соломон Иосифович
    Соломон Иосифович

    красивый текст и фото приятные

  15. Антон Лазовский
    Антон Лазовский

    >ХайнанЬ, остров к югу от Пекина

    Совсем немного к югу, всего то 2200 км)

    Original: http://www.sovety-turistam.ru/pictures-0/hainan_na_karte.jpg
  16. Виктория Листопад
    Виктория Листопад

    Да все уже знают.
    Вкратце: при помощи здоровенного маятника внутри(на верхних этажах), который гасит колебания.
    Так они выглядят:

    1. Юрий Сорокин
      Юрий Сорокин

      Виктория, спойлер!

    2. Лёша Чашников
      Лёша Чашников

      Виктория, спасибо!

      1. Виктория Листопад
        Виктория Листопад

        Пожалуйста с:

    3. Владимир Кельблер
      Владимир Кельблер

      Вся проблема в том, что понаписано при это столько болтовни, что вычленить из этого что-то членораздельное целое приключение.

      1. Виктория Листопад
        Виктория Листопад

        Но все-таки нельзя не оценить старания человека, который переводил статью, мое пояснение, как мне кажется, является неуважением этого человека и его труда. Просто поняла позже, когда пролистала ленту новостей.

  17. Владимир Журкин
    Владимир Журкин

    Перевод хороший, но исходная статья написана таким махровым гуманитарием, что, даже зная тему в общих чертах, ничерта не понятнр

  18. Колян Громов
    Колян Громов

    Newочём, надеюсь, эпопея великих небоскрёбов окончена?

    1. Leonid Borisov
      Leonid Borisov

      Колян, скорее всего, потому что в остальных частях лонгрида в основном фотографии и совсем немного текста.

      Кстати, кто может в английский, лучше прочтите весь лонгрид в оригинале. Язык повествования действительно очень классный; ощущение, будто прочитал классный рассказ или сам побывал на вершине всех описанных небоскрёбов.

    2. Георгий Лешкашели
      Георгий Лешкашели
      1. Колян Громов
        Колян Громов

        Георгiй, оскорбление – это единственное, что ты умеешь в жизни?

        1. Георгий Лешкашели
          Георгий Лешкашели

          Это не оскорбление, просто красочная аллегория.
          А лайк вы таки убрали, молодец. :D

          1. Колян Громов
            Колян Громов

            Георгiй, я быстро учусь, а вообще самолайк – залог успеха. В этом есть самоирония.

          2. Георгий Лешкашели
            Георгий Лешкашели

            Не-а. Самолайк — это просто акт самолюбования, ни иронии, ни залога успеха в нем нет.