Odporne na wstrząsy
W350 to drapacz chmur, który wybuduje japońska firma Nikken Sekkei. Niedługo stanie w Tokio i będzie miał – jak wskazuje nazwa – 350 m wysokości. Na tle innych wysokościowców może nie jest to wynik imponujący, lecz budynek niemal w całości zostanie zbudowany z drewna. Tym sposobem będzie to najwyższy drewniany budynek nie tylko w Japonii, ale i na całym świecie (obecny rekord wynosi 53 m i należy do Brock Commons Tallwood House, postawionego przez University of British Columbia w Vancouver w Kanadzie). Wieżowiec będzie liczył 70 pięter i na 185 tys. m2 pomieści biura, hotel, przestrzeń handlową i apartamenty do wynajęcia. Ponadto na dachu zaplanowano ogród, balkony ma porastać roślinność, a w holu znajdą się sadzawki z rybami. Wszystko po to, by zapewnić jego mieszkańcom kontakt z naturą. Zakończenie prac zaplanowano na rok 2041. W ten oryginalny sposób koncern Sumitomo Group – zleceniodawca projektu wycenianego na 5,6 mld dol. – chce uczcić 350-lecie swojego istnienia.
Jakim cudem najwyższy drewniany budynek świata powstaje w Tokio, które uchodzi za najaktywniejsze sejsmicznie miasto na Ziemi? Na tym właśnie polega architektoniczny geniusz Japończyków.
Precyzja samurajów
Idea drewnianych domów, które będą w stanie przetrwać trzęsienie ziemi, a taką zaletę ma mieć W350, nie jest w Japonii niczym nowym. Pierwowzorem dla tamtejszych inżynierów są słynne pagody, które mimo upływu setek lat nadal stoją w niemal nienaruszonym stanie. Najlepszą wizytówką trwałości tych niesamowitych budowli jest fakt, że w ciągu 1400 lat zawaliły się tylko dwie spośród 500. Sekret ich wytrzymałości tkwi w konstrukcji, której trzon stanowi potężny filar biegnący przez środek. To wokół niego nabudowywano kolejne kondygnacje. Robiono to jednak w taki sposób, by żadne z pięter nie były ze sobą sczepione na stałe, dzięki czemu w czasie wstrząsów mogą się one bezpiecznie niezależnie poruszać. Przypomina to nieco kołyszącego się węża, ale dzięki temu niszcząca energia zostaje bezpiecznie odprowadzona do ziemi i nie zagraża budowli. Podobne rozwiązanie zostanie zastosowane w drapaczu W350. Trzonowe słupy, stanowiące oś konstrukcji, będą wykonane ze stali i zbrojonego betonu, cała reszta zaś – z drewna. A to tylko jedno z rozlicznych rozwiązań, jakimi zadziwiają świat japońscy architekci i inżynierowie.
Budowlaną kreatywność wymusza na mieszkańcach Kraju Kwitnącej Wiśni przyroda. Żyją oni bowiem na jednym z najbardziej narażonych na trzęsienia ziemi terenie na świecie. Niestabilność geologiczna wywołuje tam blisko tysiąc wstrząsów rocznie, co stanowi 10% wszystkich wstrząsów przetaczających się przez kulę ziemską. Nic dziwnego, że przez całe dekady opracowywano tam technologię, która pozwoli przetrwać mieszkańcom miast nawet najsilniejsze trzęsienia. W Japonii nikt już nie oszczędza na konstrukcjach, bo zarówno inwestorzy, jak i rząd doskonale zdają sobie sprawę, że to nie sam żywioł zabija najwięcej ludzi. To budynki stają się dla mieszkańców śmiertelną pułapką. Zresztą nawet gdyby ktoś chciał oszczędzić, to nie pozwoli mu na to prawo budowlane, które po każdym brzemiennym w skutki trzęsieniu ziemi jest jeszcze bardziej zaostrzane (od roku 1981 w Tokio każdy nowo stawiany budynek musi być wstrząsoodporny). Przepisy regulują wymogi techniczne wysokich, średnich, a nawet niskich konstrukcji. Wszystkie muszą uwzględniać przeciążenia spowodowane aktywnością geologiczną.
Co do tego, że Japończycy są absolutnymi liderami w technologiach sejsmicznych, nie ma wątpliwości prof. Eduardo Kausel z Massachusetts Institute of Technology. – Może to potwierdzić każdy, kto widział nagrania z kołyszącymi się budynkami w czasie trzęsień ziemi – przyznaje inżynier. Widok poruszających się konstrukcji to efekt zmian w projektowaniu wieżowców. Dziś oprócz sztywnych szkieletów stawia się na ruchome fundamenty i elastyczne półprodukty, a wiele projektów wykazuje się w tym względzie niebywałą oryginalnością. Zabezpieczeniem 12-piętrowego domu mody Hermès, wybudowanego w 2001 r., są gumowe amortyzatory umieszczone u podstaw każdej kolumny, na której stoi budowla. Dzięki nim w czasie wstrząsów energia drgań ziemi jest pochłaniana i nie wpływa na konstrukcję budynku. Amortyzatory pod fundamentami, stanowiące rodzaj sprężynujących poduszek, stosuje się w Japonii bardzo często, bo skutecznie przenoszą zarówno drgania pionowe, jak i poziome – energia wstrząsów rozchodzi się równomiernie od podstawy ku górze oraz na boki, powodując odchylenie środka ciężkości budynku, ale w ramach obrysu fundamentów. W najgorszym wypadku budowla może popękać, ale się nie zawali.
Na dachu wysokiego na 225 m i liczącego 55 pięter Shinjuku Mitsui Building umieszczono sześć potężnych tłumików drgań harmonicznych. Każdy z nich to w rzeczywistości ważący 300 t blok zawieszony na stalowej linie. Kiedy ziemia zadrży, wszystkie zostają wprawione w ruch, co pochłania rozchodzącą się po budynku energię. Z kolei firma Air Danshin Systems Inc. projektuje tzw. lewitujące domy. W ich przypadku antysejsmiczny system to fundament z siecią czujników i potężnym kompresorem. Układ zadziała w ciągu zaledwie pół sekundy, jeśli wstrząsy przekroczą bezpieczny pułap. Kompresor tłoczy pod fundamenty powietrze i podnosi budynek o 4 cm na „poduszce powietrznej”. Gdy wstrząsy mijają, bezpiecznie opuszcza go na miejsce.
Brzmi futurystycznie? I takie jest. W Japonii zamontowano już blisko setkę takich systemów, nie licząc nowoczesnych rozwiązań chroniących 347 tokijskich wieżowców. Najwyższa konstrukcja w stolicy – Tokyo Skytree – jest liczącą 634 m wieżą telewizyjną (najwyższą na świecie), odwiedzaną dziennie przez 20 tys. turystów. Ten kolos chroniony jest na wypadek wstrząsów przez sieć stalowych rur, które przenoszą większość niebezpiecznych obciążeń. Przymocowano je do betonowego rdzenia wieży przez tzw. tłumiki drgań, służące, jak sama nazwa wskazuje, do pochłaniania energii trzęsień ziemi. Tym sposobem stalowe fundamenty wbite na głębokość 50 m utrzymują potężną konstrukcję niczym korzenie drzewo.
Zabezpieczenia na wypadek trzęsień ziemi w Japonii są widoczne wszędzie i dotyczą niemal wszystkich obiektów użyteczności publicznej. Windy w budynkach projektowane są tak, by w razie wstrząsów natychmiast się zatrzymały i wypuściły pasażerów. Podobne systemy natychmiastowego hamulca posiadają pędzące z prędkością 300 km/h pociągi. Gdy ziemia zacznie drgać, z dachu składu wysuwają się specjalne panele, które – stawiając opór powietrzu – mają wyhamować pociąg w mniej niż minutę, a specjalne podwójne szyny uniemożliwiają wypadnięcie taboru z trasy. Wreszcie mosty stawiane są na gumowych blokach absorbujących uderzenie, a szkoły buduje się w taki sposób, by bez trudu były w stanie wytrzymać wstrząsy o sile 6 stopni w skali Richtera. Takiej antysejsmicznej infrastruktury reszta świata może Japonii tylko pozazdrościć. To najbardziej narażone na wstrząsy państwo na Ziemi jest do nich przygotowane jak nikt inny.
Architektoniczne pejzaże
Ciekawych projektów nie brakuje i w innych częściach globu. Bo architekci nie tylko podglądają rozwiązania z Kraju Kwitnącej Wiśni, ale i sami testują oryginalne pomysły. Aby konstrukcje absorbowały energię wstrząsu, stosuje się tłumiki drgań harmonicznych (system TMD). We wspomnianym Shinjuku Mitsui Building taką funkcję spełnia sześć bloków zawieszonych na stalowych linach. Nieco inny pomysł mieli projektanci wieżowca Taipei 101 z Tajwanu, który uchodził swego czasu za najwyższy budynek na świecie (ma 509 m). W tym drapaczu chmur tłumikiem jest ważąca 660 t kula zawieszona na stalowych linach. Znajduje się między 92. a 88. piętrem i pracuje na zasadzie wahadła, pochłaniając drgania o określonej częstotliwości. Podczas wstrząsów działa jak przeciwwaga i jest w stanie ograniczyć siłę poziomych drgań budynku nawet o 40%. Takie systemy montuje się w wysokich konstrukcjach, ale przydają się one nie tylko przy wstrząsach. Także przy wibracjach powodowanych przez huragany.
Tę samą funkcję pełnią baseny napełnione wodą, znajdujące się na szczycie wieżowca One Wall Centre w Vancouver. Dwa zbiorniki, mieszczące po 227 m3 wody każdy, nie tylko przejmują energię wstrząsu, kiedy zajdzie taka potrzeba, ale stanowią też solidne zabezpieczenie na wypadek pożaru. Czasem dochodzi też do zdarzeń niekontrolowanych, jak w kwietniu tego roku w stolicy Filipin – Manili. Trzęsienie ziemi o magnitudzie 6,1 tak mocno rozhuśtało apartamentowiec Anchor Skysuites, że woda ze znajdującego się na szczycie basenu zaczęła się najzwyczajniej przelewać, tworząc przez chwilę widowiskowy wodospad.
Amortyzatory umieszczane pod fundamentami wysokich budynków to dzisiaj podstawa. Mogą być gumowe lub sprężynowe, ale wszystkie mają jedną funkcję – wytłumić drgania oddziałujące na budynek. Inaczej niż amortyzatory samochodowe, które pracują w górę i w dół, urządzenia budowlane przesuwają się w przód i tył, szybko rozpraszając wszelkie ruchy. I mają przy tym spory zakres działania. Oczywiście projekty muszą brać pod uwagę maksymalny stopień wychylenia, aby budynek nie uderzał w sąsiednie.
Ogromne doświadczenie we wznoszeniu konstrukcji odpornych na wstrząsy ma San Francisco. Chociaż region, w którym leży to miasto, jest bardzo aktywny sejsmicznie, a trzęsienia ziemi z lat 1906 i 1989 omal nie zmiotły metropolii z powierzchni ziemi, to buduje się tam więcej wieżowców niż w jakimkolwiek innym mieście na Zachodnim Wybrzeżu USA. Budynki powstają z potężnych stalowych elementów, żelbetowych stropów i głębokich fundamentów, a więc są elastyczne i wytrzymałe. Architektoniczną ciekawostką ostatniego czasu jest choćby wieżowiec 181 Fremont – The Skyscraper Center. Wysoki na 244,5 m drapacz chmur posiada specjalny oplot z aluminium, zwiększający trwałość konstrukcji i zabezpieczający ją na wypadek silniejszych wstrząsów. Widoczne gołym okiem przeguby krzyżowe pełnią funkcję amortyzatorów, zmniejszając naprężenia budynku.
Górująca nad pozostałymi wieżowcami w mieście Transamerica Pyramid jest wyższa od 181 Fremont zaledwie o 15,5 m. Dzięki konstrukcji w kształcie ostrosłupa ma nisko położony środek ciężkości, a przed zawaleniem zabezpiecza ją 30 tys. t stali i betonu, które zakotwiczono poniżej poziomu gruntu. Dzięki temu budowla jest naprawdę stabilna. Nawet podczas trzęsienia ziemi o sile 7,1 w skali Richtera. Prawdziwym majstersztykiem jest również długi na 2,7 km Golden Gate. Uchodzi za wyjątkowo bezpieczny dzięki głębokim na 20 m fundamentom wylanym w skalistym dnie zatoki i ukrytym wewnątrz mostu stalowym belkom, amortyzującym wszelkie wstrząsy.
Takie imponujące konstrukcje można by wymieniać jeszcze długo. Oddany w 2009 r. do użytku nowy terminal lotniska w Stambule wyposażono w 300 izolatorów wytłumiających wszelkie drgania. Dzięki nim budynek może przetrwać trzęsienie ziemi nawet o sile 8 w skali Richtera. Przy budowie wieżowca Torre Reforma w Mexico City (246 m) testowano nowy sposób konstruowania fundamentów, polegający na tym, że beton wylewano bardzo powoli, aby tworzyć „szwy” między warstwami. To one odpowiadać mają za rozprowadzenie energii powstającej w czasie wstrząsów. Na razie działają niezawodnie. Inżynierowie z Chile z sukcesem testują system polegający na tym, że energia przechwycona z drgań ziemi zostaje zakumulowana i uwalniana później do otoczenia w postaci ciepła. Dotychczasowe próby wyglądają obiecująco.
Czy to oznacza więc, że udało się w pełni okiełznać żywioł? Nie do końca, bo gdyby tak rzeczywiście było, problem by nie istniał.
Praca u podstaw
Warto zwrócić uwagę na fakt, że trzęsienia ziemi mogą generować trudne do przewidzenia skutki. Największa katastrofa naturalna w historii Japonii, do której doszło przed 8 laty, nie była spowodowana samym trzęsieniem, lecz powstałym w jego następstwie tsunami. Do tego pożary, wybuchy gazu i porażenia prądem... To dlatego James Martin, dyrektor World Institute for Disaster Risk Management w Virginia Tech, uważa, że systemy bezpieczeństwa w dużych budynkach powinny przypominać rozgwiazdę. Ekspert powołuje się na te zwierzęta, gdyż nawet gdy stracą one jedno ramię, są w stanie dalej wydolnie funkcjonować. Zdaniem Martina dokładnie tak samo muszą działać nowoczesne budynki: odcięcie zasilania czy pożar w jednej części nie powinny sparaliżować pracy pozostałej części budynku.
O ile powstające współcześnie wieżowce buduje się już z uwzględnieniem nowoczesnych rozwiązań antysejsmicznych, o tyle problemem nadal jest starsza zabudowa i cała infrastruktura dużych miast. Japońska zaradność ma swoje odzwierciedlenie w liczbach. Katastrofalne trzęsienie ziemi z 2011 r., kiedy ogromna fala tsunami uszkodziła elektrownię jądrową w Fukushimie, choć miało blisko 9 w skali Richtera, pochłonęło niespełna 16 tys. ofiar. Dla porównania o wiele słabsze wstrząsy z Haiti z 2010, nieprzekraczające 7 stopni w skali Richtera, kosztowały życie 316 tys. osób. Ta dysproporcja jest porażająca. Mimo że duże trzęsienia ziemi pojawiają się względnie rzadko, powodują katastrofalne skutki: Kaszmir 2005 r. – 86 tys. zabitych, Indonezja 2004 r. – 227 tys., Chiny 1976 r. – 242 tys. Podczas trzęsienia ziemi w maju 2008 r. w chińskiej prowincji Syczuan w dwie i pół minuty zawaliło się 80% budynków. Pod gruzami domów, sklepów i biur zginęło 70 tys. osób. Nie pogrzebały ich nowoczesne biurowce, lecz stare, nieprzystosowane do wstrząsów domostwa.
W rejonach aktywnych sejsmicznie należy więc przede wszystkim zmodyfikować zabudowę niską. Wszystkie konstrukcje mogą utrzymywać ciężar własny (obciążenia typu góra–dół), ale problem stanowią obciążenia boczne. To one sprawiają, że przy wyjątkowo silnych wstrząsach budynki składają się jak domki z kart. Nowe konstrukcje do trzech pięter wysokości muszą mieć wzmocnione ściany i fundamenty o określonej grubości. Ale to nie wszystko.
– Równie ważny jak nowoczesna inżynieria jest system wczesnego ostrzegania przed zbliżającymi się wstrząsami – podkreśla prof. Zbigniew Zembaty z Politechniki Opolskiej, członek Europejskiego Stowarzyszenia Inżynierii Sejsmicznej (EAEE) i Grupy Roboczej ds. Wstrząsów Sejsmicznych i Parasejsmicznych przy Polskiej Akademii Nauk. – Jakkolwiek nie da się przewidzieć miejsca wystąpienia silnego trzęsienia ziemi, to jednak w niektórych przypadkach można budować systemy wczesnego ostrzegania. Fale sejsmiczne propagują się z prędkością kilku kilometrów na sekundę. Nawet kilkusekundowe wyprzedzenie (np. komunikat w radiu lub TV) pozwala odstawić czajnik z wrzątkiem albo wskoczyć pod stół. W niektórych przypadkach opóźnienie między wystąpieniem trzęsienia ziemi a dotarciem do budowli fal sejsmicznych może wynieść nawet do 10 min. Pozwala to stworzyć system ewakuacji szkoły poprzez zewnętrzne otwarte klatki schodowe – wyjaśnia ekspert.
Takie ćwiczenia z ewakuacji na wypadek wstrząsów są regularnie przeprowadzane w Japonii. Już kilkulatki wiedzą tam, co należy zrobić, gdy zatrzęsie się ziemia. Z kolei starszym Japończykom na każdym kroku przypomina się, że powinni uzgodnić z rodziną, z kim i jak – w przypadku kataklizmu – mają się kontaktować. Wszyscy w Japonii znają też numer telefoniczny 171, pod którym przyjmowane są zgłoszenia od poszkodowanych. Podobnie jak drogi ewakuacyjne i miejsca, gdzie bezpiecznie można się schronić. W stu procentach nigdy nie uda nam się uchronić przed żywiołem, ale możemy zrobić wiele, by zminimalizować jego skutki.
Kamil Nadolski
dziennikarz, popularyzator nauki
***
Antywstrząsowe łóżko
W 2010 r. chiński projektant Wang Wenxi zastrzegł w urzędzie patentowym prawo do opracowanego przez siebie łóżka, które ma chronić śpiącą osobę przed katastrofalnymi skutkami trzęsienia ziemi. Mechanizm działania wydaje się prosty: podstawa łóżka to tak naprawdę wielka metalowa skrzynia, przy której zamontowano czujniki mierzące drgania. W momencie gdy ziemia niebezpiecznie zadrży, łóżko natychmiast „połknie” śpiącą na nim osobę, zabezpieczając ją przed wszelkimi urazami. Na wypadek gdyby doszło do zawalenia się budynku, w łóżku schowano wodę pitną, apteczkę, maskę przeciwgazową, suchy prowiant i kilka podstawowych gadżetów mających ułatwić nam przetrwanie i oczekiwanie na pomoc. Wang Wenxi przedstawił swój pomysł zarówno w wariancie jedno-, jak i dwuosobowym. Na razie jednak żaden model antywstrząsowego łóżka nie trafił do sprzedaży. Nie wiadomo, czy problemem jest doprecyzowanie zakresu czujników (łóżko przecież musi wiedzieć, kiedy ma się zamknąć), czy bezpieczeństwo śpiącej na nim osoby (nikt nie zagwarantuje, że kiedy przekręcimy się podczas zamykania skrzyni, pokrywa nie utnie nam głowy).