«Тайбэй 101». Конструктивные особенности
В начале 2005г. завершилось строительство очередного самого высокого здания в мире – «Тайбэй 101». Высота его составляет 509 м (101 этаж). Конструктивная схема – «труба в трубе».
Рис. 3. «Труба в трубе»
По конструкции небоскреб напоминает побег бамбука, так как состоит из сегментов, каждый из которых словно вырастает из предыдущего (рис. 4). В скальное основание заглублены 550 железобетонных свай. Вертикальные нагрузки воспринимают 8 металлических опор диаметром 2,5 – 3 м, заполненные сверхпрочным бетоном. Они поднимаются на всю высоту башни. Их дополняют две концентрически расположенные жесткие оболочки, образованные наружными стенами и стенами коммуникационной шахты, которые воспринимают ветровые и сейсмические нагрузки. Использованы сверхпрочные железобетон и сталь (в нижней и верхней части здания соответственно), а также сверхпрочные композитные материалы.
Рис. 4. Тайбэй 101
Тайбэй 101 стал первым небоскребом, построенным в зоне землетрясений и сильных ветров. Это требует смелого проектировочного новаторства. Каждая из этих двух видов опасностей предполагает особое и, в некотором смысле, противоречивое конструкционное решение. Так, в сейсмических областях здания должны обладать упругостью и гибкостью для поглощения энергии колебаний, а для противостояния сильным ветрам им нужна жесткость.
Для уравновешивания этих противоположных свойств проектировщики компаний «Торнтон-Томазетти инжинирс» и «Эвергрин консалтинг инжиниринг» использовали в конструкции небоскреба Тайбэй 101 массу различных технических новшеств – от внешнего каркаса для защиты от землетрясений до гигантского висящего шара, именуемого демпфером, который не позволяет зданию слишком сильно раскачиваться под ураганными ветрами. Механизм обошелся владельцам Тайбэя в 4.000.000$. Монолитный демпфер, настроенный на колебания с определенной частотой, представляет собой 800-тонный маятник, закрепленный на 92-этаже и играющий роль гасителя инерции здания. Когда дует сильный ветер, он раскачивается, зато небоскреб остается неподвижным. При нормальных условиях амплитуда колебаний этого шара, подвешенного на стропах из высокопрочных тросов, находится в пределах 10 см.
В случае катастрофической силы землетрясения или тайфуна, что бывает примерно раз в сто лет, шар будет раскачиваться с амплитудой 1,5 м и встретит кольцо буфера-ограничителя, который снабжен восемью дополнительными вязкостными демпферами, именуемыми задержниками. Во время раскачивания демпфера из этих устройств через маленькие отверстия выдавливается вязкая жидкость, что и поглощает энергию ветра.
Разработчики уверены, что благодаря этому механизму здание сможет устоять даже при шквалистом ветре 60 м/с и семибалльном землетрясении.
Рис. 5. Демпфер. Тайбэй 101
В то время как большой, особым образом настроенный монолитный демпфер защищает основную часть сооружения, целостность 60-метрового шпиля башни обеспечивается двумя более мелкими демпферами, смягчающими почти постоянные удары ветра на высоте более 500 м.
Помимо конструкторской мысли XXI века, этот небоскреб демонстрирует уважительное отношение к древним верованиям. Архитекторы местной компании «Си-Уай Ли энд партнере» спроектировали башню из восьми отчетливых ярусов, возвышающуюся над 25-этажной базовой частью. Поднимаясь, каждый ярус расширяется и заканчивается открытой площадкой – в китайской культуре такая форма символизирует финансовое благополучие и вечную бодрость. Поскольку цифра 8 считается у китайцев особенно счастливой, каждый из этих восьми ярусов включает восемь этажей. Именно поэтому здесь разместились многие финансовые компании, а также фондовые биржи.
Каркас небоскреба образован тремя отдельными группами элементов конструкции, каждая из которых сложным образом взаимодействует с другими и должна выдерживать свой особый вид нагрузки. Четыре пары сверхмощных колонн размером 2,4 x 3 м в поперечном сечении, по одной на каждую сторону, и сердцевина из 16 колонн вместе удерживают здание в вертикальном положении. Между 25-м и 77-м этажами эти сверхмощные бетонные колонны, взятые в стальной корпус, все более утончаются, а выше уровня 66-го этажа становятся сплошь стальными.
Словно огромная паутина, сверхмощные колонны окружает гибкая стальная решетчатая система, которая должна изгибаться во время землетрясения. Благодаря ей, обеспечивается наружный уклон стен здания и повторяется форма перевернутой пирамиды, никогда в современной строительной практике ранее не использовавшаяся. Однако подлинным конструкторским новаторством является способ скрепления всех колонн. Через каждые восемь этажей идет специальный технический отсек, – где проходят мощные стальные стропильные фермы высотой в целый этаж. Эти фермы соединяют между собой колонны сердцевины и расположенные по периметру сверхмощные колонны, тем самым существенно расширяя площадь опоры здания и предотвращая возможность его опрокидывания.
Здание оборудовано самыми скоростными в мире лифтами, движущимися со скоростью 1008 метров в минуту, достигая крыши с закрытой смотровой площадкой всего за 39 секунд. Лифты небоскреба Тайбэй 101, каждый из которых стоит более млн, впервые будут иметь герметизированную кабину, керамические колодки экстренного торможения и трехцилиндровый телескопический амортизатор, который поможет смягчить удар при аварийном спуске кабины. Поскольку из-за перепадов температуры может произойти искривление направляющих рельсов лифта, компьютерная система управления демпферами на этом небоскребе также впервые будет в этом случае приводить в действие небольшие противовесы, исправляющие положение.
В течение короткого промежутка времени сразу после строительства небоскрёба в Тайбэе произошло два небольших землетрясения силой 3,2 и 3,8 балла. Некоторые учёные предположили, что эти землетрясения были вызваны сильным давлением башни на грунт. В частности, геолог Чэн Хун Линь из Национального университета Тайваня провёл исследования, показывающее, что Тайбэй 101 мог оказать разрушительное воздействие на геологические структуры под городом, способное вызвать землетрясение. Эта точка зрения, впрочем, не получила широкой поддержки.
Стабильность проекта стала очевидной уже во время строительства, когда 31 марта 2002 года в городе Тайбее произошло крупное землетрясение. Здание получило лишь незначительные повреждения, хотя в результате катаклизма было обрушено два высотных крана.