Pozwolili wieżowcowi się kołysać. Drgania spadły o dwie trzecie

Przy wieżowcach od zawsze obowiązuje jedna żelazna zasada: im sztywniejsza konstrukcja, tym lepiej. Wiatr, lekkie trzęsienia ziemi, nawet sam ruch ludzi wewnątrz – wszystko to generuje drgania, przed którymi budynek ma się bronić masą i sztywnością. Brytyjscy inżynierowie zamiast dodawać kolejne wzmocnienia i walczyć z każdym milimetrem wychylenia, pozwolili części pięter przesuwać się względem centralnego rdzenia budynku. Nie są one przymocowane na stałe – mogą pracować, przesuwać się w kontrolowany sposób. I właśnie wtedy ich własna masa zaczyna działać jak gigantyczny amortyzator. 

Każdy wysoki budynek się porusza. Nie trzeba do tego trzęsienia ziemi ani huraganu. Wystarczy silniejszy wiatr, który naciska na ogromną powierzchnię fasady i wprawia konstrukcję w powolne kołysanie.

Takie wychylenia nie muszą być oczywiście groźne dla samego budynku. Człowiek jest jednak wyjątkowo dobrym czujnikiem ruchu. Na wyższych piętrach nawet stosunkowo niewielkie przyspieszenia mogą powodować dyskomfort, mdłości czy wrażenie utraty równowagi.

Klasyczna odpowiedź konstruktorów brzmi: zwiększyć sztywność albo zastosować dodatkowy tłumik drgań. Zespół Imperial College London i firmy Arup postawił pytanie z zupełnie innej strony. Skoro budynek i tak waży dziesiątki albo setki tysięcy ton, to dlaczego dokładamy do niego kolejną wielką masę tylko po to, żeby walczyć z jego ruchem? Można przecież wykorzystać to, co już znajduje się wewnątrz.

Pomysł polega na oddzieleniu kilku użytkowych pięter położonych wysoko w wieżowcu od jego głównego rdzenia. Nie wiszą one oczywiście swobodnie w powietrzu. Łączą je z konstrukcją odpowiednio dobrane sprężyny, tłumiki i łożyska.

Nie jest to całkowicie nowa zasada fizyczna. W wielu wysokich budynkach stosuje się dostrojone tłumiki masowe, czyli TMD. Najbardziej widowiskowy przykład znajduje się w Taipei 101. Jak pisaliśmy w tekście: Gdyby nie ta niepozorna kula, wieżowiec Taipei 101 nie byłby taki bezpieczny, między najwyższymi kondygnacjami budynku zawieszono stalową kulę ważącą 728 ton.

Kiedy wieżowiec odchyla się w jedną stronę, masa tłumika zachowuje się inaczej niż reszta konstrukcji i pomaga wygasić jej ruch. Rozwiązanie działa bardzo dobrze, ale ma kilka wad. Przede wszystkim trzeba znaleźć miejsce dla ogromnego ciężaru, przygotować konstrukcję zdolną go utrzymać i poświęcić część przestrzeni technicznej. Co więcej, tradycyjny TMD musi zostać dostrojony do charakterystyki konkretnego budynku. Jeśli jego właściwości dynamiczne znacząco się zmienią, skuteczność systemu może spaść.

Nowe rozwiązanie nie dokłada oddzielnej masy. Rolę kilkusettonowego wahadła przejmują piętra, które i tak musiałyby znaleźć się w budynku i nadal mogą normalnie służyć ludziom. Kiedy rdzeń zaczyna poruszać się pod wpływem wiatru, te kondygnacje mogą przesunąć się względem niego o niewielką wartość. Ich ogromna masa zaczyna wtedy pracować przeciwko drganiom całej wieży. Budynek tłumi więc własny ruch za pomocą samego siebie.

Pomysł nie został sprawdzony wyłącznie w komputerze. Naukowcy przygotowali aeroelastyczny model odpowiadający 300-metrowemu wieżowcowi w skali 1:300. Miniatura nie miała tylko przypominać budynku wyglądem. Musiała również odpowiednio odwzorowywać jego dynamiczne zachowanie: sztywność, masę i reakcję na podmuchy.

Model trafił do tunelu aerodynamicznego Imperial College London. Badacze mogli tam odtworzyć turbulentny przepływ powietrza charakterystyczny dla wiatru działającego na wysokie budynki i porównać dwie wersje tej samej konstrukcji. Pierwsza zachowywała się jak klasyczny sztywny wieżowiec. W drugiej część górnych kondygnacji mogła poruszać się względem rdzenia. Różnica była naprawdę ogromna.

Szczytowe przyspieszenia konstrukcji spadły nawet o 71 proc. To właśnie przyspieszenie jest szczególnie istotne z punktu widzenia osób przebywających w wysokim budynku, ponieważ decyduje o tym, jak mocno odczuwają jego kołysanie. Jednocześnie maksymalny moment zginający u podstawy zmniejszył się o ponad 50 proc. Mówiąc prościej: wiatr znacznie słabiej próbował przechylić całą wieżę przy fundamencie.

Pomysł na ruchome kondygnacje brzmi trochę niepokojąco, prawda? Trudno wyobrazić sobie spokojną pracę na 70. piętrze ze świadomością, że podłoga właśnie przesuwa się względem rdzenia budynku. W rzeczywistości mówimy jednak o naprawdę niewielkich ruchach.

Podczas symulacji wiatru odpowiadającego zdarzeniu występującemu statystycznie raz na 50 lat względne przesunięcie między ruchomą częścią a rdzeniem pozostawało poniżej 50 mm. To mniej niż szerokość typowej dłoni. Co równie ważne, ruch nie odbywa się jakoś bardzo gwałtownie. Cały mechanizm został zaprojektowany właśnie po to, aby tłumiki przejmowały energię i kontrolowały przemieszczanie kondygnacji.

W normalnych warunkach użytkownicy nie powinni zauważać działania systemu. Trzeba natomiast odpowiednio zaprojektować wszystkie elementy przechodzące między ruchomymi i nieruchomymi częściami budynku. Instalacje elektryczne, wodne, wentylacyjne czy przeciwpożarowe muszą tolerować niewielkie wzajemne przesunięcia. To jednak nie są problemy wymagające wynalezienia zupełnie nowych technologii. Sprężyny, tłumiki i łożyska wykorzystywane w projekcie od dawna istnieją w budownictwie.

Wiatr był tylko połową testu. Konstruktorzy chcieli sprawdzić, czy jeden system może jednocześnie pomagać podczas trzęsienia ziemi. To znacznie trudniejsze zadanie, bo wiatr oddziałuje na wieżowiec inaczej niż grunt gwałtownie przemieszczający fundament w różnych kierunkach.

Przeprowadzone symulacje sejsmiczne pokazały, że ruch szczytu budynku podczas trzęsień ziemi zmniejszał się średnio o 42 proc. W samej strefie ruchomych pięter przemieszczenia udało się ograniczyć nawet o 74 proc.

Nie można więc powiedzieć, że każde drganie wieżowca spada o 71 proc. Ta wartość odnosi się do maksymalnego ograniczenia szczytowych przyspieszeń podczas testów związanych z wiatrem. Najważniejsze jest jednak to, że ta sama konstrukcja pomaga w dwóch zupełnie różnych zagrożeniach.

Klasyczny tłumik masowy projektowany przede wszystkim z myślą o komforcie podczas silnego wiatru nie musi w równie dużym stopniu zmniejszać obciążeń powstających podczas trzęsienia ziemi. W nowej koncepcji ruchoma część budynku ma pracować w obu przypadkach.

Twórcy rozwiązania nie ukrywają, skąd czerpali inspirację. Wskazują na tradycyjne japońskie pagody, które od setek lat stoją na jednym z najbardziej sejsmicznie aktywnych terenów na Ziemi i jakimś cudem wciąż nie leżą w gruzach. Ich sekret nigdy nie polegał na tym, że były nieskończenie sztywne. Wręcz przeciwnie.

Pagody projektowano tak, by mogły się odkształcać, pochłaniać energię wstrząsów i wracać do równowagi bez pękania. Centralny filar, często zawieszony i niepołączony sztywno z resztą konstrukcji, działał jak przeciwwaga – przesuwał się w odpowiedzi na drgania i rozpraszał energię, zamiast pozwolić jej rozerwać budynek na strzępy.

Poszczególne części nie zachowują się jak jeden idealnie nieruchomy blok. Mogą wykonywać niewielkie wzajemne ruchy, dzięki czemu energia nie musi w całości zostać przejęta przez pojedyncze sztywne połączenie. W nowoczesnym wieżowcu zasada została oczywiście przełożona na zupełnie inne materiały i skalę. Nikt nie zamierza budować 300-metrowego biurowca jak drewnianej świątyni. Wspólny jest sposób myślenia: ruch nie zawsze musi być wrogiem konstrukcji. Czasem można go kontrolować i wykorzystać.

Zmniejszenie ruchu to nie tylko kwestia komfortu osób pracujących na najwyższych piętrach. Jeśli siły działające na konstrukcję są mniejsze, projektant nie musi przeciwdziałać im wyłącznie za pomocą coraz większych elementów nośnych. Mniejsze obciążenie może pozwolić zmniejszyć ilość stali i betonu potrzebnych w rdzeniu, kolumnach oraz fundamentach.

Badacze nie podają jednej uniwersalnej wartości oszczędności materiału, ponieważ będzie ona zależała od wysokości, geometrii, lokalizacji i sposobu wykorzystania konkretnego budynku. Potencjał jest jednak naprawdę duży.

Przeczytaj także:

Wysoki budynek zawiera ogromne ilości betonu i stali, których produkcja wiąże się z dużymi emisjami. Jeśli konstrukcja może przenosić mniejsze obciążenia bez pogorszenia bezpieczeństwa, oszczędności przestają być liczone tylko w kilogramach. System nie wymaga również rezerwowania na szczycie miejsca na wielki, specjalnie dodany ciężar. Kondygnacje pełniące funkcję tłumika pozostają użytkowe.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Imperial College London