Architektura antysejsmiczna. Budynki, które przetrwają trzęsienia ziemi

Czy w miejscach regularnie nawiedzanych przez trzęsienia ziemi da się wznieść drapacze chmur? Wystarczy spojrzeć na azjatyckie metropolie, by odpowiedzieć twierdząco. Co jest sekretem tych budynków? Przykład Taipei 101 pokazuje, jak technologia pozwala zapanować nad siłami natury.

Walące się stropy, budynki składające się jak domki z kart, zerwane kable sypiące iskrami i szyny powyginane tak, jakby były cieniutkimi drucikami. Obraz, jaki mamy przed oczami na myśl o trzęsieniu ziemi nawiedzającym współczesną metropolię nie wygląda najlepiej.

Wiele w tym racji – co pewien czas media donoszą o tragicznych skutkach trzęsień ziemi. A jednak rejony aktywnie sejsmicznie są nie tylko zamieszkałe, ale – w niektórych przypadkach – należą do terenów o wielkiej gęstości zaludnienia, z licznymi, potężnymi aglomeracjami.

Mogłoby się wydawać, że to sprzeczność, bo tam, gdzie ziemia trzęsie się mocno i często, nie powinny istnieć wielkie metropolie i skupiska ludności.

Praktyka pokazuje, że jest inaczej. Ludzie nauczyli się tworzyć budynki, których nie naruszą nawet bardzo silne wstrząsy. I choć trzęsienia ziemi nadal stanowią ogromne zagrożenie, potrafiąc obrócić w perzynę całe dzielnice i miasta, wiele budynków jest w stanie przetrwać. Jak to możliwe?

Korzystając z wieków doświadczeń architekci wypracowali metody, pozwalające wznosić budowle, których nie zniszczą nawet bardzo silne wstrząsy. Jak działa architektura antysejsmiczna?

Dobrym przykładem jest budynek Taipei 101. Do niedawna był to najwyższy budynek na naszej planecie – zdetronizował go dopiero oddany w 2010 roku w Zjednoczonych Emiratach Arabskich Burdż Chalifa. Poza wysokością, wynoszącą 509 metrów, Taipei 101 wyróżnia coś jeszcze – ten gigantyczny budynek został wzniesiony na obszarze aktywnym sejsmicznie. Zbudowano go w stolicy Tajwanu, Tajpei.

Co więcej, wieżowiec musi sprostać nie tylko potencjalnym wstrząsom, ale także nawiedzającym Tajwan regularnie huraganom. W jaki sposób budowniczowie poradzili sobie z tak poważnymi wyzwaniami?

Dolne kondygnacje Taipei 101

Sekretem jest konstrukcja budynku, przypominająca nieco ludzki kręgosłup. Twórcy wyszli bowiem z założenia, że zewnętrzne elementy, jak fragmenty elewacji czy szklane tafle można łatwo wymienić, jednak struktura wieżowca musi pozostać nienaruszona. Budowano go wokół rdzenia, otoczonego ośmioma przenoszącymi ciężar kolumnami, a szkielet jest prawdziwym arcydziełem sztuki metalurgicznej.

Aby zapewnić odpowiednie właściwości elementów, które muszą być sztywne, ale nie kruche, szkielet budynku składa się z elementów wykonanych z pięciu rodzajów stali o różnych właściwościach.

Nawet najbardziej finezyjny szkielet wymaga bardzo solidnego podparcia. Zapewnia go betonowa platforma, wsparta na 382 filarach, zagłębionych w ziemię na 80 metrów. Co istotne, część filarów jest wpuszczona w litą skałę, trwale wiążąc budynek z położonym niżej, stabilnym podłożem.

Odporność takiej konstrukcji została już przetestowana w praktyce - jeszcze podczas budowy wieżowca Tajpei nawiedziło trzęsienie ziemi o sile 6,8 stopni w skali Richtera. Budowany wówczas Taipei 101 zniósł je bez problemu - uszkodzeniu uległ sprzęt budowlany, ale nie sam budynek.

System tłumienia drgań na górnych piętrach wiezowca Taipei 101

Tym, co wyróżnia Taipei 101, jest dynamiczny eliminator drgań, czyli system TDM. Po raz pierwszy – i na razie jedyny – użyto tak gigantycznego systemu TDM. Jest to rodzaj wielkiego wahadła, zawieszonego wewnątrz komory w górnej części budynku. Obciążenie składa się z 41 grubych na 125 mm, stalowych płyt, połączonych w kształt zbliżony do kuli – litej, stalowej kuli o średnicy 5,5 metra.

660-tonowe wahadło wewnątrz wieżowca Taipei 101

Jego zadaniem jest niwelowanie wychyleń wieżowca, a aby system spełniał swoje zadanie, obciążnik powinien mieć odpowiednio dużą masę. W praktyce oznacza to, że w Tajpei, 380 metrów nad ziemią, wewnątrz budynku znajduje się gigantyczny odważnik o masie 660 ton. Jest on zawieszony na szesnastu stalowych linach o grubości 10 centymetrów, a za korygowanie jego położenia odpowiadają wielkie siłowniki hydrauliczne. Ich zadaniem jest także zapobieganie uderzeniom wahadła o ściany budynku.

Działanie stabilizatora polega na odchylaniu się w kierunku przeciwnym do wahań wieżowca. Dzięki temu licząca pół kilometra wysokości budowla utrzymywana jest we względnej stabilności – wahadło niweluje przechyły o około 40 proc.

Triumf technologii

Rozmiary Tajpei 101 są tak wielkie, że budynek, zaprojektowany by przetrwać trzęsienia ziemi, może być – paradoksalnie – źródłem niewielkich wstrząsów. Teoria o oddziaływaniu wieżowca na otoczenie i powodowanie słabych, sięgających 2 stopni w skali Richtera trzęsień ziemi nie została jednak potwierdzona i jest krytykowana przez część badaczy.

Nie zmienia to faktu, że Tajpei 101 jest przykładem ekstremalnej architektury. Jeden z najwyższych budynków świata został wzniesiony na terenie nawiedzanym huraganami i trzęsieniami ziemi, i na razie znosi wyzwania bez żadnego uszczerbku. Jak widać, dla współczesnej technologii nie ma rzeczy niemożliwych.