Здание, расположенное по адресу: Сент-Мери-Экс, 30, в Лондоне. В нем 41 этаж, и оно имеет форму корнишона (за что и получило такое прозвище). Устойчивость этого здания обеспечивается по другому принципу: элегантно изогнутый цилиндр из затемненного синего стекла опоясывают большие стальные нити, переплетающиеся в форме огромных ромбов.
Здание 2012 года постройки по адресу: Сент-Мери-Экс, 30, в Лондоне, также известное как «Корнишон», имеет стальной экзоскелет, защищающий его от воздействия внешних сил
Сердцевина здания, как хребет или позвоночник, придает зданию целостность изнутри, но при строительстве «Корнишона» она оказалась снаружи, как экзоскелет. Такой экзоскелет, или, если использовать технический термин, внешний каркас, или каркас из перекрестных элементов, подобен панцирю черепахи. Вместо внутренней структуры, противостоящей внешним силам, пытающимся опрокинуть постройку, это здание защищает его панцирь, или внешний каркас. Когда ветер дует на здание, стальной каркас распределяет его силу и передает в фундамент, обеспечивая устойчивость.
Еще один яркий пример внешнего каркаса – здание Центра Помпиду в Париже. Архитекторы Ренцо Пьяно, Ричард Роджерс и Джанфранко Франкини воплотили проект здания «наизнанку». Все его артерии – то есть то, что обычно прячут, например водопровод и канализационные трубы, электропроводка, система вентиляции и даже лестницы, лифты и эскалаторы, – находятся снаружи. Именно эти детали притягивают взгляд, и их запоминают люди: витые трубы, выкрашенные в белый, синий или зеленый цвета, прозрачную трубу с эскалатором, которая зигзагом заползает наверх. А если присмотреться повнимательнее, можно заметить, что все здание одето в сетку из огромных переплетенных тросов, которые защищают его от ветра. Этакий экзоскелет, скрытый воздуховодами и сточными трубами.
Центр Помпиду в Париже с внешним каркасом, который представляет собой паутину из стальных канатов
Как инженеру-строителю, мне очень нравится видеть и понимать, как устроено здание и как в нем распределяется нагрузка. Вместо того чтобы спрятать или замаскировать, казалось бы, непривлекательные, но важные системы, благодаря которым здание живет, – выставить их напоказ, как в Центре Помпиду, было восхитительно откровенно, и этот смелый шаг помогает нам лучше понять характер здания.
Однако внешний каркас и сердцевина не только помогают зданию не наклоняться и не опрокидываться – они также отвечают за контроль колебаний. Может показаться странным, что здания, которые выглядят прочными и сделаны из стали и бетона, – движутся, но это и правда так. Сами по себе колебания не представляют проблемы: важна только частота и длительность колебаний. За многие годы экспериментов нам удалось определить уровни ускорения (меру того, как быстро изменяется скорость объекта), на которых люди почувствуют это движение. Возьмем, к примеру, полет на самолете: несмотря на огромную скорость, при спокойном воздухе мы едва ли вообще ощущаем, что движемся. Когда же возникает турбулентность, скорость начинает внезапно и быстро меняться, и мы это чувствуем. Здания очень похожи: они могут достаточно много двигаться, но мы этого не ощутим, если ускорение небольшое. А если оно увеличится, то даже при незначительном движении нас может укачать.
И на нас воздействует не только ускорение. В зависимости от того, как долго здание раскачивается – колеблется или наклоняется из стороны в сторону, – мы тоже можем почувствовать некоторую неустойчивость. Вернемся к аналогии с трамплином для прыжков в воду, когда отталкиваешься от доски и ныряешь, то она еще какое-то время колеблется и только потом останавливается. Если доска толстая и прочно закреплена у основания, то колебания у нее маленькие и длятся недолго. Если доска потоньше и закреплена не так прочно, то колебания у нее гораздо больше и длиться они будут дольше.
Когда я проектирую высокую башню, мне нужно удостовериться, что ускорение колебания выходит за пределы диапазона человеческого восприятия, а само колебание быстро прекращается.
В этой непростой задаче мне помогает все та же компьютерная модель, которую я использую для сопротивления гравитации и ветру. Я ввожу в программу данные о материалах, форме и размерах балок, колонн и сердцевины. Программа анализирует силу ветра, прочность материалов и геометрию всей постройки и выдает данные об ускорении колебания. Если цифры ниже порогового уровня, за которым люди ощутят их, то больше ничего не требуется. Однако если ускорение выше, то строение придется сделать прочнее. Этого можно добиться путем увеличения толщины стен бетонной сердцевины, а если сердцевина стальная, то с помощью стальных деталей большего размера. Затем я тестирую модель с учетом изменений, иногда по несколько раз, пока не будет достигнуто нужное значение ускорения.
Чем выше и тоньше башня, тем более выраженные у нее колебания. Иногда бывает невозможно упрочнить постройку настолько, чтобы контролировать ускорение колебания и его временные интервалы. Такое здание, хотя и будет совершенно безопасным, не будет давать ощущения безопасности тем, кто находится в нем. В таком случае колебания башни контролируют искусственно с помощью своеобразного маятника, который называют инерционным демпфером (или инерционным гасителем) и который движется в противоположную колебаниям сторону.
У каждого объекта, в том числе у здания, есть естественная частота: количество вибраций в секунду при нарушении состояния покоя. Оперная певица может голосом разбить винный бокал, потому что у бокала есть своя естественная частота. Если певица попадет в ноту с той же частотой, что и у бокала, то энергия ее голоса заставит бокал вибрировать с такой силой, что он сам разобьется. Аналогичным образом ветер (и землетрясения) колеблет здания с определенной частотой. Если естественная частота здания совпадет с частотой порыва ветра или землетрясения, то здание начнет сильно вибрировать и пострадает. Это явление – сильные колебания объекта на естественной частоте – называется резонансом.
Маятник нейтрализует колебания высотного здания, так как колеблется в противоположном направлении
Маятник – который представляет собой груз, подвешенный на тросах или пружинах, – колеблется туда-обратно. В зависимости от длины троса или упругости пружины он совершает определенное количество колебаний в единицу времени. При использовании маятника для нейтрализации колебаний небоскреба хитрость состоит в том, чтобы рассчитать частоту небоскреба (по компьютерной модели), а потом установить на вершине маятник с той же частотой. Когда на небоскреб воздействует ветер или землетрясение, здание начинает колебаться туда-обратно. Из-за этого маятник тоже начинает колебаться, но уже в противоположном направлении.
