Jak najwyższy wieżowiec na Tajwanie wytrzymuje trzęsienia ziemi

Wieżowiec Taipei 101 w stolicy Tajwanu był najwyższym drapaczem chmur na świecie w latach 2004-2007. Zdjęcie: GoranQ/iStockphoto/Getty Images.

W stolicy Tajpej, niecałe 130 km od epicentrum, budynki również gwałtownie się zatrzęsły podczas najsilniejszego od 25 lat trzęsienia ziemi na Tajwanie. Jednak w triumfie nowoczesnej inżynierii, strzelisty Taipei 101, niegdyś najwyższy wieżowiec na świecie, wyszedł z ostatniego wydarzenia sejsmicznego na wyspie bez szwanku.

Nagranie z trzęsienia ziemi pokazuje, że wysoka na 509 metrów wieża lekko się kołysze, a jej strukturalna elastyczność pomaga przeciwdziałać potężnym ruchom trzęsienia ziemi. Ruch ten doskonale pokazał, że najważniejszą obroną drapacza chmur przed trzęsieniami ziemi jest sam materiał, z którego jest zbudowany: żelbet.

Łącząc wytrzymałość betonu na ściskanie z wytrzymałością stali na rozciąganie, materiał ten sprawia, że budynek jest wystarczająco elastyczny, aby się kołysać, a jednocześnie wystarczająco sztywny, aby oprzeć się silnym wiatrom i tajfunom, które często nawiedzają Tajwan. (Zasada, że budynki mogą wytrzymać siły sejsmiczne, poruszając się wraz z nimi, a nie przeciwko nim, od wieków leży u podstaw tradycyjnej architektury w podatnych na trzęsienia ziemi krajach Azji Wschodniej, od japońskich pagód po chińskie pałace).

Wysoko w wieży znajduje się jednak kolejna innowacja technologiczna, która pomaga chronić ten 101-piętrowy drapacz chmur – ogromne urządzenie przypominające kulę, znane jako strojony tłumik masowy.

Gigantyczna przeciwwaga

Zawieszona na 92 grubych kablach między 87. a 92. piętrem, złota stalowa kula może poruszać się o około 1,5 metra w dowolnym kierunku. W rezultacie działa jak wahadło, które przeciwdziała (lub „tłumi”) kołyszące się ruchy.

„Zasadniczo jest to bardzo duża przeciwwaga” – tłumaczy Stefan Al, autor książki Supertall: How the World's Tallest Buildings Are Reshaping Our Cities and Our Lives w wywiadzie telefonicznym. „W przypadku Taipei 101 jest to 660 ton. Brzmi naprawdę ciężko, ale jeśli porównamy to z całkowitą wagą budynku, to jest to tylko ułamek”.

„Kiedy budynek zaczyna się trząść, [strojony tłumik masowy] porusza się w przeciwnym kierunku. W przypadku Taipei 101 jest on zawieszony... więc pozostanie w tyle, gdy wieża się kołysze i pochłonie energię kinetyczną, poruszając się w przeciwnym kierunku” – mówi Al, wyjaśniając, że cylindry hydrauliczne między kulą a budynkiem przekształcają tę energię w ciepło, które jest następnie rozpraszane.

Strojone tłumiki masowe są stosowane w drapaczach chmur na całym świecie, w tym w „super smukłym” Steinway Tower w Nowym Jorku i Burdż al-Arab w Dubaju, który ma ich 11. Urządzenie to chroni przede wszystkim przed gwałtownymi ruchami powodowanymi przez „drgania harmoniczne”, które mogą powodować uszkodzenia strukturalne podczas trzęsienia ziemi, mówi Al.

„[Wtedy] budynki zaczynają wibrować według własnego rezonansu” – mówi, porównując to zjawisko do kamertonu. „Może to doprowadzić do zawalenia, [ponieważ budynek] zacznie się trząść coraz szybciej i szybciej”.

Strojone tłumiki masowe, znane również jako dynamiczne tłumiki drgań, są „dostrojone” do rezonowania z tą samą częstotliwością, co budynek – ale z długościami fal zaczynającymi się wcześniej lub później, pomagając rozproszyć potencjalnie katastrofalną energię.

Stabilność, którą zapewniają, może również zmniejszyć nieprzyjemny – a nawet przyprawiający o mdłości – wpływ kołysania osoby przebywające w budynku podczas silnego wiatru.

Wsparcie konstrukcji

Zaprojektowany przez tajwańską firmę C.Y. Lee & Partners, Taipei 101 był najwyższym budynkiem na świecie od 2004 do 2007 roku, kiedy to został prześcignięty przez Burdż Chalifa w Dubaju. Taras z widokiem na jego przełomowy, strojony tłumik masowy jest obecnie popularną atrakcją dla odwiedzających, zwłaszcza gdy porusza się podczas silnych wiatrów.

Gigantyczna kula nie jest jednak jedyną cechą konstrukcyjną pomagającą ustabilizować wieżę, która stoi w pobliżu głównej linii uskoku.

Po pierwsze, wieżowiec stoi na wyjątkowo głębokich fundamentach – 380 żelbetowych i stalowych palach wwierconych w podłoże skalne. Rdzeń budynku jest połączony z serią „megakolumn” rozmieszczonych na jego obwodzie za pomocą ogromnych stalowych odsadnic kratownicowych.

Wieżowiec spełnia surowe przepisy antysejsmiczne, które są tak rygorystyczne, jak można by się spodziewać na wyspie położonej wzdłuż „Pacyficznego Pierścienia Ognia”, który ciągnie się wzdłuż krawędzi Oceanu Spokojnego i powoduje ogromną aktywność sejsmiczną i wulkaniczną od Indonezji po Chile.

Chociaż projekt przeszedł również rozległe modelowanie cyfrowe i testy „stołu wstrząsowego” (w których modele w skali są testowane na urządzeniu, które replikuje ruch trzęsienia ziemi), to sposób, w jaki budynek taki jak Taipei 101 zareagowałby na silniejsze lub bliższe zdarzenie sejsmiczne, pozostaje do pewnego stopnia jedynie teorią.

„Nawet jeśli dysponujemy symulacjami komputerowymi, to wciąż pozostaje aspekt fizyczny, którego nie jesteśmy w stanie uzyskać dzięki symulacjom cyfrowym” – mówi Al, dodając: „Pomimo naszych postępów technologicznych, nadal testujemy [projekty] w tunelach aerodynamicznych i stołach wstrząsowych”.