Физика города: почему небоскребы не падают

Иллюстрация: Полина Бреева

Главное здание МГУ, Меркурий Сити Тауэр, Swissôtel Красные Холмы – высотки и небоскребы уже давно стали привычным элементом городского ландшафта. Но как эти гиганты не рушатся под собственным весом? Наши коллеги из научно-популярного журнала "Кот Шредингера" объяснили, почему накренилась Пизанская башня, как бассейн на крыше спасает гостиницу от землетрясений и в чем заключается "принцип травинки".

В основе проектирования высотных объектов всегда в первую очередь стоит задача обеспечения устойчивости. Для небоскребов основной опрокидывающей силой является ветер, поэтому архитекторы стремятся свести к минимуму его воздействие. Небоскребы имеют форму иглы для того, чтобы предотвратить "эффект паруса". Есть примеры гениальных инженерных решений: израильский архитектор Моше Сафди обеспечил устойчивость отеля Marina Bay Sands в Сингапуре, разместив бассейн на крыше. Вода не только добавляет устойчивости, но и компенсирует колебания во время землетрясения.

Также немаловажным обстоятельством является неравномерность осадки фундамента. Пизанская башня в Италии и минарет медресе Улугбека в Узбекистане наклонились именно по этой причине. Минарет выпрямил Владимир Шухов, создатель московской Шуховской башни. При любом строительстве делом первостепенной важности является предотвращение деформации грунта и качественное закрепление фундамента. В основании любого здания должно быть так называемое ядро жесткости. Устойчивость небоскребов обеспечивается с помощью системы, которая подразумевает наличие шестиугольного цементного основания в грунте. На него опираются все конструкции сооружения.

Также важно учитывать, на грунт какого типа опирается основание постройки. На Манхэттене возвести небоскреб сравнительно просто – скальные породы залегают неглубоко, и все сваи упираются в них, благодаря чему здания в центре Нью-Йорка можно располагать близко друг к другу и не волноваться об устойчивости.

Ну и, наконец, необходимо ответственно выбирать материалы для самого здания. Сегодня это, главным образом, бетон – он превосходит другие материалы по соотношению легкости и прочности. Сейчас ученые склоняются к использованию углеродистого волокна, однако пока что это дело будущего.

Отдельная история – московские высотные здания. Сталинские высотки не могут упасть ни при каких обстоятельствах, даже при десятибальном землетрясении. По своей форме "сталинки" – это пирамиды, центр тяжести которых смещен ближе к основанию.

Высотки комплекса "Москва-Сити" устойчивы каждая по своему. Башня "Эволюция" имеет наружный кожух – фахверк, – который сохраняет цельность сооружения. "Восток" и "Запад" имеют промежуточные аутригерные пояса – конструкции, похожие на сложенную солому. Они позволяют гасить напряжение в вертикальных отсеках по принципу тонкой и высокой травинки, которая прогибается, но возвращается в исходное состояние.

Башня "Триколор" на проспекте Мира обладает устойчивостью за счет аэродинамической формы. Ветер не опрокидывает дом, потому что обтекает его.

В целом, для каждого конкретного случая ищут индивидуальное решение. Об архитектурных особенностях и техниках возведения небоскребов можно говорить бесконечно. Но одно можно сказать уверенно – сами по себе они никогда не упадут.

Эксперт: Ольга Суслова – доцент кафедры Конструкции зданий и сооружений МАРХИ

Подготовила: Яна Сергиевская