Czemu trzęsienia są nie straszne najwyższym wieżowcom?

Jak to jest możliwe, że wieżowiec o wysokości prawie kilometra odporny jest na działanie wiatru, a o połowę niższy przetrwa trzęsienie ziemi?

Wyobrażasz sobie najwyższy obecnie wieżowiec na świecie, Burj Khalifa, którego wysokość to niecały kilometr? Dokładnie 829 metrów. Teraz pomyśl o tym, że budynek runie na ziemie, zabierając ze sobą po drodze okoliczne wysokościowce Dubaju. Na szczęście to tylko wyobraźnia albo wizja filmu katastroficznego. W rzeczywistości nie ma powodów, by obawiać się o swoje bezpieczeństwo w takich konstrukcjach. Nawet podczas trzęsień ziemi.

Na świecie jest wiele aktywnych sejsmicznie terenów. Jak to jest możliwe, że powstają na nich kilkusetmetrowe wysokościowce? Już na etapie planowania przeprowadza się badania, mające na celu stworzenie maksymalnie wytrzymałej i lekkiej konstrukcji, która musi sprostać wszelkim siłom natury. W zależności od lokalizacji inwestycji, analizuje się wszystkie możliwości, jak zmieniające się warunki pogodowe oraz żywioły wpływać mogą na zachowania budynku. W tym celu koniecznym jest stworzenie optymalnego rozwiązania, które zapewni bezpieczeństwo nie tylko osobom przebywającym wewnątrz wieżowca, ale i całego miasta.

Wyróżnia się dwie największe: okołopacyficzną *(obejmującą m.in. wybrzeża obu Ameryk, Bliski Wschód i Nową Zelandię) oraz *alpejsko-himalajską, na terenie której leżą Włochy, Bałkany (Chorwacja, Bułgaria, Grecja), Himalaje i Tybet. W przypadku tego pierwszego obszaru, rejestruje się tam ok. 75% wszystkich trzęsień ziemi.

Przyglądamy się tym rozwiązaniom, które w celu utrzymania konstrukcji podczas trzęsienia ziemi lub silnego wiatru, zastosowano w trzech wysokościowcach na świecie, w tym w dwóch rekordowych.

Tajpej 101 - budynek zajmujący w tej chwili czwarte miejsce w klasyfikacji najwyższych na świecie. Wzniesiony w stolicy Tajwanu wieżowiec ma wysokość 509 metrów i liczy 101 kondygnacji. Jako, że wyspa leży w strefie okołopacyficznej, konieczne było znalezienie rozwiązania, które utrzyma konstrukcję w pionie podczas trzęsienia ziemi oraz bardzo często odwiedzających rejon huraganach i tajfunach. Do tego celu zastosowano dynamiczny eliminator drgań (system TMD). Jest to urządzenie, często w kształcie ogromnej kuli, montowane w celu wyeliminowania niepożądanych skutków wibracji. Absorber ma za zadanie nie tylko minimalizowanie uczucie dyskomfortu, ale przede wszystkim utrzymanie stabilności konstrukcji i zapobieganie jej zniszczeniu. Około 45 proc. odchyleń wieży "pochłonięte" zostaje przez TMD. Ten konkretny system opracowała firma Thornton-Tomasetti Engineers we współpracy z Evergreen Consulting Engineering. Takie absorbery nie są żadną nowością w budownictwie, jednak należy zwrócić uwagę, iż
nigdy dotąd nie były umieszczone tak wysoko, bo aż na 380 metrze.

Czas na instalację nadszedł w momencie, kiedy wieża osiągnęła wysokość 92 piętra. Miało to miejsce w lipcu 2003 roku. Dźwigi, które towarzyszyły budowie nie były w stanie podnieść tej 660-tonowej kuli, więc na szczyt dostarczano ją w formie prefabrykatów, które złożono w całość na miejscu. Jest to aż 41 stalowych płyt, ułożonych na sobie warstwami. Każdy ma grubość 125 mm i łącznie tworzą one obiekt o średnicy powyżej 5 metrów.

Na kolejnym slajdzie zobaczycie przekrój konstrukcji.

Eliminator drgań zawisł między 92 a 88 piętrem na szesnastu stalowych linach. Grubość każdej z nich to ok. 10 cm. Aby wyobrazić sobie sposób, w jaki oddziałuje na drgania absorber, należy zwrócić uwagę na to, że gdy wibracje docierają na szczyt konstrukcji, jej podstawa wróciła już do miejsca, w którym znajdowała się przed wstrząsem. W związku z tym, gigantyczna kula przesuwa się w odwrotnym kierunku, niż budynek, "ściągając" go z powrotem do pionu. Aby przy najsilniejszych drganiach, obciążnik nie uderzał w ściany, użyto hydrauliczne amortyzatory, które są w stanie zablokować przeciwwagę w takiej pozycji, która umożliwi jeszcze szybszy powrót do pionu.

TMD zastosowano również w Shanghai World Financial Center. Wieżowiec przypominający otwieracz do piwa (slajd numer 6) jest zabezpieczany przez dwa absorbery, których zachowaniem steruje komputer, wyczuwający wibracje.

Wiotkie, "miękkie" budynki są o wiele tańsze niż te, które dodatkowo się usztywnia. Dlatego zastosowanie przeciwwagi o ogromnej masie na szczycie wieży jest o wiele bardziej opłacalne i jednocześnie wciąż bezpieczne.

Kula nie jest jednak jedynym sposobem na zabezpieczenie wieżowca przed skutkami działania sił natury. Zamiast zawieszania kuli, w Vancouver postawiono na... baseny. Aby przeciwdziałać harmonicznym kołysaniom w czasie silnych wiatrów, One Wall Centre (drugi najwyższy budynek w mieście) posiada system tłumienia wody na najwyższym poziomie budynku.

Składa się on z dwóch specjalnie zaprojektowanych 227.000-litrowych zbiorników wodnych. Są one zaprojektowane w taki sposób, aby drgania rozlewały wodę w zbiornikach przeciwdziałając wibracjom.

Burj Khalifa, czyli wspomniany już rekordowy wieżowiec, również musi zmagać się z siłami natury. W pierwszej kolejności, aby zredukować napór wiatrów z Zatoki Perskiej oraz zapewnić stabilność przy burzach piaskowych, w projekcie obrócono go o 120 stopni względem pierwotnych założeń.

Konstrukcja dubajskiego wysokościowca składa się z centralnego rdzenia, przechodzącego na szczycie w iglicę (w tym miejscu wieża podczas wiatrów odchyla się aż o 1.5 metra) oraz trzech ramion, których powierzchnia na kolejnych kondygnacjach się zmniejsza. Dzięki temu wieżowiec posiada smukłą bryłę, nawiązującą do architektury islamu.

Silne wiatry oraz burze piaskowe to teoretycznie jedyny problem, z jakim musi zmagać się Burj Khalifa. Ze względu na małe prawdopodobieństwo wystąpienia trzęsienia ziemi, nie zastosowano w tej konstrukcji jakiegoś specjalnego sposobu zabezpieczeń przez działalnością sejsmiczną.

Innym sposobem na zabezpieczeniem przed trzęsieniami zmieni jest stosowanie fundamentów, które mogą elastycznie przemieszczać się na boki (są wiotkie, przesuwne), a na nich umieszcza się ciężką zabudowę. Ta niemal w ogóle nie zmienia swego położenia (rubber bearings - gumowe łożyska). Opisywane na początku wahadła (które zastosowano m. in. w Tajpej 101, to pendulum bearings. Poniższy film pokazuje zasadę działania "gumowych fundamentów".

_ MG _