Равновесие и устойчивость: как строят небоскребы и почему они не падают

632-метровая Шанхайская башня совершенно неподвижна. По сути, это самый устойчивый небоскреб в мире – ни ветер, ни другие погодные явления не способны нарушить ее равновесие. Впрочем, это иллюзия: конечно, колебания присутствуют, просто благодаря сверхсовременной демпферной системе ни один человек не почувствует «волнение» здания.

Представьте себе, что вы держите в вертикальном положении трость длиной примерно в метр. Если вы пошевелите рукой, придется приложить усилие, чтобы снова вернуть ее в устойчивое положение. Но если к верхнему концу трости прикрепить небольшой груз на пружине, его инерция компенсирует часть кинетической энергии законцовки, и резкое движение (рывок) последней превратится в плавное колебание. Представили? А теперь увеличьте эту конструкцию в несколько сотен раз — и получите Шанхайскую башню. Но как строят высокие здания, подобные этому, и почему небоскребы не падают?

Как китайцы строят небоскреб

Система, задействованная при ее строительстве, называется демпфером и способствует уменьшению амплитуды колебаний от ветра, а также снижению скорости «верхушки» здания, набираемой при этих колебаниях. Аналогичные демпферы — подпружиненные грузы — использовались некогда в болидах «Формулы-1» для снижения вертикальных колебаний носовой части автомобиля. Теперь их используют, когда строят небоскребы.

Обычный демпфер, применяемый при строительстве, представляет собой «комплект» маятников — гибко сцепленных стальных пластин. Когда рабочие строят небоскреб, он отклоняется в одну сторону, а инерция пластин работает в качестве противовеса, толкая здание в противоположном направлении. Но такого демпфера для Шанхайской башни оказалось недостаточно.

Как строят небоскребы на последнем этапе

На последних этажах 632-метрового небоскреба колебания могут быть столь заметными, что вызовут у сотрудников или обитателей «воздушную болезнь», иначе говоря, людей будет укачивать! Не говоря уже о подсознательном страхе, связанном с обрушением здания. Поэтому китайцы, которые строят небоскреб, применили оригинальную технологию. На верхних этажах они установили тщательно рассчитанную массу — самый тяжелый груз, какой когда-либо использовался в архитектурных демпферах — и связали ее с мощным электромагнитом, создав первый в истории строительства индукционный демпфер. Без этого механизма мы бы не смогли увидеть, как строят небоскребы — они бы просто обрушились еще до начала строительства.

«Сердцем» устройства служит медная пластина площадью 100 м2, на нее установлено 125 мощных магнитов, и вся эта конструкция расположена под подвешенным демпфером классического типа. Когда здание сдвигается, 1000-тонный стальной груз движется над магнитами, вызывая появление электрического тока в пластине. Это, в свою очередь, создает сопротивляющееся движению демпфера магнитное поле, увеличивая демпфирующий эффект. При этом никакого активного контроля над системой не требуется, поскольку вся работа демпфера определяется правилом Ленца: «Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток». Вот так использование демпфера помогает улучшить процесс того, как строят небоскребы.

В результате получается как изящное инженерное решение, так и видимый результат. Архитекторы утверждают, что 99,99% посетителей последних этажей не чувствуют никаких колебаний даже летом, когда тайфуны в Шанхае особенно активны. Не секрет, что Китай строит небоскребы очень хорошо. Но это вопрос не только необходимости, но и умения, ведь, как вы уже могли заметить, строят небоскребы очень опытные люди с нестандартным мышлением.

Почему не падают небоскребы?

Мы уже поняли, как строят небоскребы, но не менее важным является процесс их эксплуатации. Почему же эти высокие здания не падают? На то есть несколько причин:

- Небоскребы строят таким образом, что вес распределяется на них определенным образом. Даже если бы все несколько тысяч тонн его массы находились на одной из его сторон, он немедленно рухнул бы вниз, а не вбок;

- Фундамент, на котором строят небоскреб, просто не дает ему упасть. Из-за большого веса здание скорее обвалится вниз, чем упадет как Пизанская башня;

- В проект будущего здания изначально закладывается большая нагрузка, чем оно будет подвергаться при эксплуатации