На сегодняшний день человечество успешно заселило все климатические пояса на нашей планете: и суровую Арктику, и засушливые тропические пустыни. И не просто заселило, а развернуло там масштабное строительство. От Норильска и Анадыря до Дубая и Токио люди стремятся жить и работать уже не в традиционных жилищах далеких предков, а в комфортабельных домах с удобствами. Объединяя инженерные решения прошлых эпох и современные научные разработки, строители XXI века могут возводить здания даже в самых дискомфортных и опасных условиях окружающей среды. В этой статье мы расскажем о некоторых инженерных разработках и технологиях, которые позволяют защитить здания от палящего солнца, тающей вечной мерзлоты и подземных толчков во время землетрясений.
Высокая сейсмичность: от полигональной кладки инков до небоскребов
Разрушительные землетрясения докучали еще древним жителям Средиземноморья, Америки и Японских островов: эти регионы, как и многие другие на планете, лежат в зоне повышенной сейсмической активности. Здесь проходят границы литосферных плит и геологические разломы, поэтому землетрясения магнитудой 7-8 и выше здесь бывают регулярно.
Еще древние греки, инки и японцы, живя в регионе, где регулярно происходят землетрясения, стали искать технологии строительства, которые позволяли бы зданиям переносить сильные подземные толчки, и весьма преуспели в этом: многие разработки древних инженеров актуальны и сегодня, их адаптируют под новые задачи и применяют в современных зданиях.
- Империя Инков, Южная Америка. Инки, построившие Мачу-Пикчу в XV веке в сейсмически опасной зоне Анд, использовали технику «сухой кладки», то есть не применяли скрепляющий раствор между блоками. А сами каменные блоки были неправильной формы и имели множество граней — 10-12, то есть много точек соприкосновения с соседними блоками, что позволяло распределить нагрузку во время подземных толчков по нескольким направлениям. Во время землетрясений камни немного двигались, гасили колебания и возвращались в исходное положение, а сама стена с полигональной кладкой оставалась целой. С использованием такой же технологии полигональной кладки построена крепость Саксайуаман и другие объекты эпохи Империи инков.
- Древняя Греция. Средиземноморье — еще один сейсмически активный регион. И здесь люди тоже умели возводить уникальные по своей устойчивости здания. Например, Парфенон в Афинах: ему сейчас почти 2 500 лет, и за это время он пережил несколько сильных землетрясений. Да, этот храм не сохранился до сегодняшнего дня в первозданном виде, но, пострадал он больше от варварского отношения людей во время военных действий, чем от природной стихии. Оказывается, Парфенон стоит на глубоком фундаменте, состоящем из многочисленных рядов блоков, вытесанных из песчаника и плотно подогнанных друг к другу. Но самая интересная часть Парфенона — это его колонны. Они не монолитны, а состоят из отдельных блоков, цилиндров: такая конструкция колонн позволяет гасить часть колебаний и выстоять даже во время сильных подземных толчков, что и можно наблюдать сегодня. Подобно Парфенону, колонны и многих древнегреческих храмов состояли из отдельных цилиндров.
- Япония. Жители Страны восходящего солнца живут в регионе, где разрушительные землетрясения происходят каждые 10-20 лет. Традиционные дома японцев — это легкие одноэтажные деревянные строения с подвижными соединениями и перегородками из бумаги, которые устойчивы к колебаниям земной поверхности. А если такая легкая конструкция и рухнет, то люди пострадают минимально. Не менее интересны с точки зрения сейсмической безопасности древние пагоды, самая старая из которых – пагода Хорю-дзи, возведенная в VII-VIII веках. Эти религиозные сооружения построены из дерева, а конструктивные соединения элементов выполнены без гвоздей, по принципу шарнирных соединений, то есть крепления состоят из выступов и пазов, и все они подвижны. Во время подземных толчков вся конструкция башни раскачивается, но каждый этаж в свою сторону — получается так называемая «танцующая змея». Еще один важный конструктивный элемент этих уникальных пагод — синбасира, или шинбашира. Это центральный деревянный столб, который пронизывает все ярусы и служит связующей осью, стабилизирующей всю конструкцию во время раскачиваний.
Со времен инков и древних греков многое изменилось: появилось целое научное направление — сейсмостойкая инженерия или сейсмостойкое строительство, которое занимается проектированием зданий и сооружений с учетом нагрузок, которые могут быть вызваны подземными толчками. Турция, Иран, Китай, Япония, Филиппины, Мексика, США — во всех этих странах, как и в некоторых регионах России, таких как Курильские острова, Камчатка и Сахалин, регулярно случаются землетрясения магнитудой 6-7 и выше. Но в них во всех есть и высотные дома, а кое-где даже и небоскребы, построенные с учетом последних достижений инженерной мысли. И вот некоторые из технологий, которые позволяют зданиям устоять во время подземных толчков.
- Усиление материалов и каркаса. Суть этих технологий — повышение устойчивости здания к нагрузкам. Для этих целей применяют упругую конструкционную сталь, инновационные сплавы и армированный бетон повышенной прочности. Такие здания строят во всех сейсмически опасных регионах планеты, в том числе и в российском городе Петропавловске-Камчатском, который пережил недавние землетрясения почти без повреждений. Ну а если здание очень высокое, то в дополнение к этой технологии применяют более сложные инженерные решения: сейсмоизоляцию и демпферы, которые есть в том числе и в новых зданиях в Петропавловске-Камчатском.
- Сейсмическая изоляция. Задача технологии сейсмической изоляции — не допустить передачу разрушительных колебаний от земной коры к зданию путем создания разделяющей прослойки. Чаще всего такие изолирующие устройства устанавливают между фундаментом и остальным зданием. Это может быть система скольжения или прослойка с функцией демпфера. Как это выглядит, можно увидеть на рисунке ниже.
Такими системами сейсмической изоляции снабжены многие небоскребы в Японии, которые просто двигаются во время землетрясений, как бы скользя по фундаменту.
- Демпферы: в основании и на высоте. Это очень разнообразные по своей форме конструкции, но со схожим функционалом. В широком смысле демпфер (прим. ред.: от нем. dampfer – глушитель) — это устройство, которое гасит механические колебания или предотвращает их появление. Например, в рояле есть система демпферов, которая контролируется нажатием клавиш и педалей и регулирует извлечение звука — колебание струн. А в конструкции автомобиля сразу несколько разных видов демпферов, основное назначение которых гасить колебания в механизмах, снижая их частоту и амплитуду. У демпферов, применяемых в сейсмостойком строительстве, похожая задача: эти механизмы призваны сглаживать колебания, которые передаются от земной поверхности к зданию во время землетрясений. Например, в основании высоких небоскребов или больших тяжелых зданий наподобие аэропортов и административных зданий в Мехико, Стамбуле, Токио или в городах Калифорнии часто размещают системы демпферов с пружинами или резиноподобными материалами.
Помимо основания, демпферы размещают и в самом здании. Пример использования этого способа — небоскреб Тайбэй 101 в городе Тайбэе на острове Тайвань. Это здание имеет высоту 509 метров, усиленный фундамент со сваями в скальном основании, мощные бетонные колонны и гибкий стальной каркас в самой конструкции, а между 87 и 91 этажами расположен маятниковый демпфер на тросах. Его вес составляет 660 тонн, и он рассчитан на сильное землетрясение, ну а пока успешно справляется с колебаниями, которые возникают во время мощных тайфунов.
- Использование аналогов синбасиры. В Токийской телебашне «Небесное дерево» (Tokyo Skytree) высотой 634 метра была реализована идея древней синбасиры из японских пагод. При строительстве башни инженеры воплотили в жизнь систему, которая компенсирует толчки и колебания поверхности путем раскачивания: внутри телебашни тоже проходит центральная колонна, но не из дерева, а из железобетона. Похожую систему добавили во время реконструкции в здание высотой 14 этажей в Сан-Франциско, где в центре разместили железобетонный усиливающий сердечник.
Вечная мерзлота: города на сваях
Возводить капитальные здания в условиях вечной мерзлоты люди начали относительно недавно, когда приступили к активному освоению Арктики. И если в Канаде и на Аляске предпочитают вахтовый способ освоения региона и его природных ресурсов, а численность постоянного населения в северных районах крайне мала, то в России все наоборот. И север Западной Сибири, и Норильский промышленный район, и Якутия — это те регионы, где построены огромные по меркам Крайнего Севера города с постоянным населением и действующей инфраструктурой. И все это в условиях вечной мерзлоты — очень сложных с точки зрения строительства.
Возведение зданий и сооружений в регионах с многолетнемерзлыми грунтами имеет ряд особенностей. И прежде всего — это наличие сезонного оттаивающего слоя с разными свойствами в зимний и летний периоды, на котором невозможно построить ничего долговечного. Первые промышленные здания в Норильске начали возводить в 1930-х годах вместе с началом освоения рудных богатств региона. Это были строения из дерева на обычном фундаменте, которые разрушились буквально за пару лет: мерзлые грунты протаяли под воздействием тепла, которое исходило от больших по объему помещений, потеряли устойчивость и привели к деформации цехов. Советские инженеры нашли выход еще в конце 1930-х годов: необходимо было изолировать мерзлоту от теплых помещений, а фундамент здания должен быть не ленточным, а в виде колонн или свай. Со временем эта и другие технологии строительства на вечной мерзлоте были значительно усовершенствованы.
- Свайный фундамент. Процесс установки свай был очень долгим и трудоемким: приходилось растапливать слой мерзлоты, помещать в него сваю и ждать, когда грунт вокруг нее снова промерзнет. Кардинально усовершенствовал такие свайные фундаменты инженер Михаил Ким, который в 1959 году предложил бурить мерзлые грунты до той глубины, где они никогда не протаивают, и сразу помещать внутрь скважин сваи, минуя процесс оттаивания. Многие здания Норильска и Якутска стоят на таком свайном фундаменте с опорой на вечную мерзлоту. А в Западной Сибири в 2017 году был реализован проект нефтепровода Заполярье-Пурпе-Самотлор, который лежит на подвижном свайном фундаменте. Такая технология позволяет нивелировать небольшие сезонные протаивания и подвижки в грунте.
- Термоизоляция зданий и конструкций. Поскольку слой вечной мерзлоты протаивает от постоянного контакта с отапливаемыми помещениями, в районах Крайнего Севера строят здания на сваях, которые приподняты над землей. То есть между верхней частью здания и грунтами существует теплоизолирующая вентилируемая прослойка воздуха, защищающая мерзлоту. Или можно использовать термоизолирующие материалы как альтернативу вентилируемой прослойке. Такие теплоизолирующие слои применяют и при строительстве дорожного полотна в северных регионах.
- Системы охлаждения мерзлоты. В последнее время все чаще применяются дополнительные системы охлаждения вокруг свай или скважин по добыче углеводородов, которые поддерживают такие грунты в мерзлом состоянии.
С ростом температуры воздуха в Арктике на фоне общепланетарного потепления проблема строительства в регионах с многолетнемерзлыми грунтами становится еще более актуальной, требуя поиска новых инженерных решений.
Экстремальная жара
Люди давно заселили засушливые тропические регионы, хотя это и не самые комфортные для жизни места на планете. Но пришлось научиться там строить и выживать в условиях невероятно высоких температур, палящего солнца и частых песчаных бурь.
В странах Средиземноморья и на Ближнем Востоке традиционно возводили дома из светлых строительных материалов или делали покрытие, которое отражает максимальное количество солнечных лучей. Еще во времена древних греков и римлян в Средиземноморье практиковали инженерные решения, позволяющие защищать внутренние помещения от перегрева.
- Расположение строений и окон в них с учетом преобладающих ветров для максимальной вентиляции в жару.
- Длинные выступающие козырьки на крышах и навесы, которые создавали тень. В Древнем Риме использовали велариумы – полотна из ткани, которые натягивали в виде тентов для прикрытия от палящего солнца зрителей в амфитеатрах. Такой велариум был, например, в конструкции Колизея: он крепился к многочисленным мачтам, а его установкой перед представлениями занимались матросы.
- Атриум и перистиль в Древнем Риме. Эти архитектурные формы решали вопрос с затенением и организацией внутреннего комфортного пространства для жителей домов. Здесь были колонны, поддерживающие крышу с отверстием, под которым обычно располагался бассейн или высаживались растения для поддержания более прохладного микроклимата. Атриум и перистиль имели схожее строение и были неотъемлемой частью древнеримских вилл и городских зданий.
- Внутренние дворики и галереи в арабских странах и в Центральной Азии. В традиционной исламской архитектуре тоже используются похожие пространства под названием ривак. Это затененные галереи с колоннами и арками, примыкающие к основному зданию, которые снижают перегрев помещений.
- Башни-бадгиры. Похожие башни, хотя и более простой конструкции, существовали еще в Древнем Египте. Бадгир же ассоциируется в первую очередь с персидской архитектурой. Бадгир – гениальное инженерное решение, которое позволяет охлаждать помещение при помощи вентиляции. По своей сути это высокая башня с воздушными каналами, основание которой находится в глубине здания, а верхняя часть, ветроуловитель, возвышается над строением. Через башню в систему вентиляции поступает ветровой поток, который по системе воздуховодов проникает в нижние части здания, охлаждается под землей и поднимается наверх, пронося прохладу через все строение.
Лидеры по строительству впечатляющих современных зданий в условиях жаркого климата — страны Аравийского полуострова. Столица Саудовской Аравии Эр-Рияд, города Дубай и Абу-Даби в ОАЭ — это густонаселенные мегаполисы, где люди вынуждены жить в очень жарком климате. Похожие климатические условия среды и города с высокой плотностью населения, где целесообразно возведение высотных зданий, есть и на западе США, и в Мексике, и в Египте, и в Турции.
Как и в случае со зданиями сейсмоопасных регионов современные архитекторы в жарких странах часто используют модернизированные решения прошлых эпох — затенение экранами, учет розы ветров для лучшего проветривания, устройство внутренних двориков и закрытых от солнца уличных переходов. Но предлагают и новые технологии, при помощи которых можно снизить перегрев конструкций и сократить расходы на охлаждение воздуха во время жары.
- Затеняющие экраны на фасадах. Такие конструкции, пропускающие солнечный свет, но препятствующие перегреву, используют на современных зданиях, возводимых в ОАЭ и Саудовской Аравии. Яркий пример этой технологии — фасады зданий башен Аль-Бахар в ОАЭ, которые имеют подвижные затеняющие модули: панели меняют свое положение, затеняя фасад с окнами в зависимости от интенсивности солнечного света.
- Системы кондиционирования. Для небоскребов инженеры разрабатывают грандиозные системы кондиционирования. Например, в Бурдж-Халифе, здании выстой 828 метров в Дубае, использована система охлаждения на основе воды. В охлаждающем центре, который находится за пределами башни, вода остужается до температуры +5 градусов и подается в систему вентиляции огромной башни.
- Особые марки бетона и материалы, выдерживающие высокие температуры. Для постройки той же башни Бурдж-Халифа использовали марку бетона, которая способна выдерживать температуру воздуха +50 градусов. Интересно, что его заливку проводили в ночные часы, когда температура опускалась, и добавляли в раствор лед, чтобы с наступлением дневной жары бетон оставался в более прохладном состоянии.
Современные небоскребы-рекордсмены в Дубае — это, скорее, дань моде и жажда славы, нежели острая необходимость. Но технологии, которые разрабатываются для их строительства, применяются и для других зданий. А если учесть, что климат на планете становится все жарче, а численность населения в тропических пустынных регионах продолжает расти, то разработка новых инженерных решений для жарких регионов необходима для улучшения качества жизни проживающих там людей.
Автор текста Ольга Фролова
Изображение на обложке: Freepik
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
