Як хмарочоси протистоять поривам вітру
Середній час на прочитання: 7 хвилин, 36 секунд
Жорстока фізика, що відбувається за вікнами хмарочосів.
Ілюстрації: Браян Ріа. Анімація, розваги Пабло Деклан
Зимовий штормовий вітернеквапливо підбирається до Манхеттена з північного сходу. У міру того як він рухається річкою Гудзон, хвилі намагаються протистояти повітрі на висоті. Але переходячи з води на сушу, вітер б'є по деревах і будівлях Гудзон-Хайтс, і перешкоди, що височать, створюють величезні вихори повітря, що вливаються в дедалі більше турбулентний потік. На 110-й вулиці Верхнього Вест-Сайду вітер потрапляє в Центральний парк і потім, ковзаючи вгору по дубах і буках, набирає швидкість, тоді як деякі з найбільших його вихорів уповільнюють своє обертання і зникають. Проте, коли вітер покидає парк на 59-й вулиці, він все ще зберігає безладні сліди своєї історії — дерев, будівель та води, якими він пройшовся. Можна сказати, що вітр має пам'ять.
Зрештою вітер стикається з одним із надвисоких хмарочосів на півдні парку і виявляє куди більш вражаючий талант. Він завдає удару по фасаду будівлі і спрямовується до країв, наштовхуючись на кути і сильно закручуючи, створює колонноподібний вихор, що засмоктує, на торці будівлі і потім мчить прямо в напрямку повітряного потоку. Якщо повітря рухається швидко, ці вихори утворюють коливання, рухаючись спочатку в одному напрямку, а потім в іншому. Цей штормовий вітер йде з півночі, але ця сила діє перпендикулярно до горизонтальної осі, розгойдуючи конструкцію. Фахівці називають це явище «ефектом бічного вітру», і за певних обставин коливання порушують «природну частоту» будівлі. Уявіть, міркує інженер Дерек Келлі, якби Бог простягнув руку з неба і м'якоВисмикнув шпиль якогось хмарочоса: той би завібрував подібно до струни гітари. Це природна частота будівлі. Якщо вона відповідає тязі бокового вітру, то вони резонують; коливання ростуть, як у гойдалки, на яких катається дитина: туди-сюди, туди-сюди. Якщо зненацька з'явиться штормовий вітер, хмарочос нахилиться, але це ще нісенітниця в порівнянні з потенційною силою ефекту бокового вітру.
Інженери нашого часу приборкали гравітацію: при достатній кількості металу та високоміцного бетону в каркасі висотка стоятиме. Непокірніший ворог — це вітер. Гравітація тягне вниз, а вітер може прийти з будь-якого напрямку. Він може тиснути чи засмоктувати чи почергово робити і те, й інше. На відміну від гравітації, вітер змінюється залежно від міста чи пори року. Динаміка вітру найстрашніше. Вона змінюється від усього, що стосується, і вітер навіть формує сам себе, спрямовуючи потоки на всіх своїх сусідів. Гравітація велика і зрозуміла, але дай волю вітру, він збере себе і почне бунтувати.
Коли у 1977 роцібуло закінчено будівництво Сітігруп-центру з його косим дахом, було не дуже схоже, що будівля зможе стояти. Хмарочос висотою 279 метрів спирається на чотири палі, залишаючи пристойний просвіт між землею та своєю основою. Інженера-конструктора Вільяма Лемезур'є хвалили за його досягнення, але наступного року один студент-інженер зазначив, що ця будівля (яка тепер називається 601 Lexington) може справді впасти — за сильного вітру. Зварювальники кинулися робити екстрені укріплення, і при урагані «Елла», що насувається, обговорювалася евакуація цієї області. Але «Елла» розгорнулася до моря, і Мідтаун опинився у безпеці.
У світі високих будівель тепер затребуваний новий вид інженера - фахівець звітру. У міру того як хмарочоси стають вищими, вони забираються у все сильніші вітри, і прості технології виробництва можуть зробити їх більш уразливими. Забудовники почали зводити дуже високі та тонкі будівлі, на зразок 432 Парк-авеню в Нью-Йорку, і вони особливо чутливі до повітряного середовища. Коли фахівець за вітром на зразок Келлі дивиться на таку будівлю, він розуміє, що будинок ширяє в повітрі: один його кінець прикріплений до землі, а решта розгойдується у вітрах Манхеттена.
Ілюстрації: Браян Ріа. Анімація, розваги Пабло Деклан
Бурдж-Халіфа з Дубая, будучи 828-метровим хмарочосом, є найвищою рукотворною спорудою у світі. Він асиметричний і розгортається зверху вниз групою сходинок, ніби гвинтові сходи, що розширюються. Ефект бічного вітру залежить від ширини будівлі, і на кожному рівні Бурдж-Халіфа вітер потрапляє в різну частоту: спантеличений і роздратований, немов маленька дитина, що люто штовхає гойдалку, яка не хоче гойдатися. Іншим улюбленим засобом для обману вітру, який можна побачити у багатьох хмарочосів, є зрізані кути, які руйнують сили, що засмоктують, з боків будівлі. Пінаклі та антени піддаються ретельній експертизі, за своїм рівнем не поступається експертизі яхт регати «Кубок Америки». У випадку 432 Парк-авеню конструкторська бригада використовувала п'ять шарів просвітів, заввишки два поверхи кожен, де фасад відкритий, дозволяючи повітрю пройти крізь себе і виснажуючи його вихори. Ці горизонтальні смуги надають висотці візуального ритму, але знаходяться вони там через вітер. У світі природи вітер надає форми піщаним барханам і висікає сніг, вирізаючи кільця там, де він хльостав навколо дерева. Він залишає свої сліди і на будинках.
Якщо хитрощі проектування закінчуються, інженери можуть зменшитиколивання за допомогою встановлення «інерційних демпферів» у верхівки будівлі. Одна їх версія складається з великої маси, що встановлюється на підвісну систему з поршнями, які чинять опір руху цієї маси. Демпфер працює як маятник, але коливається з природною резонансною частотою будівлі, тобто коли висотка нахиляється, ця маса тягне її назад замість синхронізації стабілізуру її. Хмарочос Тайбей 101, висотою 509,2 м, обладнаний такою кулею-маятником вагою 728 тонн, що працює ще й як туристична пам'ятка. З оглядового майданчика здається, що куля розгойдується від сильного вітру, але насправді туристи теж схильні до коливань.
У 432 Парк-авеню заховано два демпфери загальною масою 1300 тонн. Інженер будівлі Сільвіан Маркус, директор з проектування будівель в американському відділенні компанії WSP/Parsons Brinckerhoff, відвідав один із верхніх поверхів із групою та запитав, чи хтось відчув щось. Вони відповіли, що ні. Він поставив на підлогу лазерну указку, направив її вгору та відійшов. Крапка рухалася з боку на бік у міру того, як висотка нахилялася. «Вони сказали: „Це неймовірно; ми нічого не відчуваємо», - поділився зі мною Маркус. У будинках з високоякісними демпферами більшість людей не помітять вагань у нормальну погоду. Для надвисоких житлових хмарочосів інерційні демпфери – рідкісні блага сучасної цивілізації класу «люкс», що залишаються невидимими.
Дуже високі будинки — це нещодавній винахід, і люди ще не розвинули інтуїцію на них. «У нас все ще є ця вроджена вистава, що будівля, до якої ми заходимо, залишиться нерухомою. Нас лякає, коли воно рухається», — пояснює Мелісса Бертон, директор із глобального розвитку міських будівель у BMT Fluid Mechanics. Ви можетеприйняти рішення та жити на рівні хмар у комфортній ізоляції, але вітру ви не зможете уникнути ніколи. Стіни та все, що всередині, завжди будуть у русі. Більшу частину часу ви не помітите цього. Але колись прийде ураган, вітер збунтується і ви його відчуєте.