632-метрова Шанхайська вежа абсолютно нерухома. По суті, це самий стійкий хмарочос у світі - ні вітер, ні інші погодні явища не здатні порушити її рівновагу. Втім, це ілюзія: звичайно, коливання присутні, просто завдяки надсучасній демпферній системі жодна людина не відчує «хвилювання» будівлі.
Уявіть собі, що ви тримаєте у вертикальному положенні тростину довжиною приблизно в метр. Якщо ви поворушите рукою, доведеться докласти зусиль, щоб знову повернути її в стійке положення. Але якщо до верхнього кінця тростини прикріпити невеликий вантаж на пружині, його інерція компенсує частину кінетичної енергії законцовки, і різкий рух (ривок) останньої перетвориться на плавне коливання. Представили? А тепер збільште цю конструкцію в кілька сотень разів - і отримаєте Шанхайську вежу. Але як будують високі будівлі, подібні до цього, і чому хмарочоси не падають?
Як китайці будують хмарочос
Система, задіяна при її будівництві, називається демпфером і сприяє зменшенню амплітуди коливань від вітру, а також зниженню швидкості «верхівки» будівлі, що набирається при цих коливаннях. Аналогічні демпфери - підпружинені вантажі - використовувалися колись у болідах «Формули-1» для зниження вертикальних коливань носової частини автомобіля. Тепер їх використовують, коли будують хмарочоси.
1. Спіралевидна форма будівлі дозволяє знизити вплив вітру на 24% по відношенню до аналогічної будівлі у формі паралелепіпеда. 2. Як і більшість хмарочосів, зведених після 11 вересня 2001 року, Шанхайська вежа має масивну бетонну арматуру, що пронизує будівлю по всій висоті. 3. Двошарове скління дозволяє знизити нагрів внутрішніх приміщень і спростити систему вентиляції. 4. Бетонний фундамент має товщину 3,3 м. Його заливка зайняла 63 години. Останні п'ять поверхів Шанхайської вежі займає приміщення, де встановлено демпфер, що гасить коливання будівлі.
Звичайний демпфер, що застосовується при будівництві, являє собою «комплект» маятників - гнучко зчеплених сталевих пластин. Коли робітники будують хмарочос, він відхиляється в один бік, а інерція пластин працює як противага, штовхаючи будівлю в протилежному напрямку. Але такого демпфера для Шанхайської вежі виявилося недостатньо.
1. Сталеві кабелі дозволяють маятнику-демпферу вільно розгойдуватися таким чином, що його інерція протистоїть руху будівлі. 2. Маятник влаштований дуже просто - це 1000-тонний «штабель» зі сталевих пластин. 3. Гідравлічна система оберігає маятник від занадто різких відхилень і занадто великих амплітуд. 4. Електромагнітна система активується при русі маятника, посилюючи демпфуючий ефект.
Як будують хмарочоси на останньому етапі
На останніх поверхах 632-метрового хмарочоса коливання можуть бути настільки помітними, що викличуть у співробітників або мешканців «повітряну хворобу», інакше кажучи, людей буде вкачувати! Не кажучи вже про підсвідомий страх, пов'язаний з обваленням будівлі. Тому китайці, які будують хмарочос, застосували оригінальну технологію. На верхніх поверхах вони встановили ретельно розраховану масу - найважчий вантаж, який коли-небудь використовувався в архітектурних демпферах - і пов'язали її з потужним електромагнітом, створивши перший в історії будівництва індукційний демпфер. Без цього механізму ми б не змогли побачити, як будують хмарочоси - вони б просто обрушилися ще до початку будівництва.
«Серцем» пристрою служить мідна пластина площею 100 м2, на неї встановлено 125 потужних магнітів, і вся ця конструкція розташована під підвішеним демпфером класичного типу. Коли будівля зсувається, 1000-тонний сталевий вантаж рухається над магнітами, викликаючи появу електричного струму в пластині. Це, в свою чергу, створює опірне руху демпфера магнітне поле, збільшуючи демпфуючий ефект. При цьому ніякого активного контролю над системою не потрібно, оскільки вся робота демпфера визначається правилом Ленца: «Індукційний струм завжди має такий напрямок, що він послаблює дію причини, що збуджує цей струм». Ось так використання демпфера допомагає поліпшити процес того, як будують хмарочоси.
В результаті виходить як витончене інженерне рішення, так і видимий результат. Архітектори стверджують, що 99,99% відвідувачів останніх поверхів не відчувають жодних коливань навіть влітку, коли тайфуни в Шанхаї особливо активні. Не секрет, що Китай будує хмарочоси дуже добре. Але це питання не тільки необхідності, але і вміння, адже, як ви вже могли помітити, будують хмарочоси дуже досвідчені люди з нестандартним мисленням.
Чому не падають хмарочоси?
Ми вже зрозуміли, як будують хмарочоси, але не менш важливим є процес їх експлуатації. Чому ж ці високі будівлі не падають? На те є кілька причин:
- Хмарочоси будують таким чином, що вага розподіляється на них певним чином. Навіть якби всі кілька тисяч тонн його маси знаходилися на одній з його сторін, він негайно впав би вниз, а не вбік;
- Фундамент, на якому будують хмарочос, просто не дає йому впасти. Через велику вагу будівля швидше обвалиться вниз, ніж впаде як Пізанська вежа;
- У проект майбутньої будівлі спочатку закладається більше навантаження, ніж вона буде піддаватися при експлуатації