Земля дрожит, а они не дрогнут: 15 самых сейсмостойких зданий в мире

«Землетрясения включены в раздел „форс-мажор“ в любом международном документе: они представляют угрозу для зданий, сооружений, объектов инфраструктуры и, конечно, жизни людей. Но человечество с помощью инженеров и архитекторов придумывает всё новые конструкции и технологии, позволяющие небоскрёбам и другим важным объектам выдерживать мощные подземные толчки», — рассказывает Дмитрий Владимиров, генеральный директор и управляющий партнёр компании IDI Project. Порталу Vokrugsveta.ru эксперт в сфере проектирования и строительства рассказал о том, какие инженерные решения были применены при строительстве 15 самых сейсмостойких зданий в мире.

1. Taipei 101 (Тайбэй, Тайвань)

Этот небоскрёб — 508-метровый офисно-торговый и общественный центр с одним из самых больших маятниковых демпферов в мире — символ Тайваня. Он расположен в регионе, где в среднем случается около 2200 землетрясений в год, из них более 200 — ощутимых​. К тому же на Тайвань регулярно приходят тайфуны.

Специфика региона. Тайбэй расположен на потенциально разжижаемых грунтах, глинистых породах на месте древнего озера. Такие грунты могут усиливать низкочастотные колебания при подземных толчках. Поэтому для Taipei 101 был использован фундамент на сваях, достигающих твёрдого несущего слоя. Благодаря сочетанию демпфера и свай Taipei 101 считается одним из самых защищённых небоскрёбов в мире.

Особенности конструкции. При проектировании здания было необходимо соблюсти жёсткие требования к сейсмостойкости и ветроустойчивости. Ключевым инженерным решением стал гигантский маятниковый демпфер внутри здания. Эта массивная стальная сфера весом 728 тонн подвешена между 87-м и 92-м этажами​ и при колебаниях небоскрёба во время землетрясения или при ураганном ветре раскачивается в противофазе, гася вибрации и снижая амплитуду колебаний самого здания.

Диаметр сферы составляет примерно 5,5 м, она выполнена из стальных пластин и соединена с этажами демпфирующими стойками. Маятниковый демпфер не предотвращает раскачивание полностью, но существенно уменьшает его амплитуду, предотвращая появление опасных деформаций. Кроме того, здание спроектировано в аэродинамической форме «ступенчатой пагоды», чтобы выдерживать ураганные ветры.

Помимо маятникового демпфера, конструкция Taipei 101 использует восемь мощных железобетонных колонн по периметру и систему связанных между собой стальных балок, образующих прочный каркас. Опоры фундамента — 380 свай длиной 80 м — уходят глубоко в скальную породу, чтобы безопасно передать нагрузку через мягкие грунты несущему слою.

Принцип работы. Маятниковый демпфер настроен на собственную частоту колебаний здания, благодаря чему при подземных толчках или порывах ветра он колеблется в противофазе с колебаниями конструкции и рассеивает до 40% энергии. Масса демпфера составляет всего 0,1% массы всего здания, но этого оказывается достаточно.

Эффективность. Специалисты считают, что такая система позволит башне пережить самые сильные землетрясения, которые случались на планете за тысячу лет, не получив серьёзных повреждений. Испытания подтвердили прогнозируемую эффективность: в 2002 году, ещё во время строительства, Taipei 101 пережил землетрясение магнитудой 6,8, и повреждений не было. А в 2005 году, через год после завершения строительства, на город одновременно обрушились и землетрясение, и тайфун со скоростью ветра до 230 км/ч — и здание снова не пострадало.

2. Shanghai Tower (Шанхай, Китай)

Этот 632-метровый 128-этажный многофункциональный небоскрёб закрученной формы — второй по высоте в мире. Внутри его башни между 126 и 128 этажами установлен 1000-тонный маятниковый демпфер, а фундамент состоит из 980 свай диаметром около метра, помещённых в укреплённые цементацией мягкие глинистые грунты на глубину от 80 до 100 метров и достигающих твёрдых слоёв глины и песка.

Специфика региона. Шанхай — один из важнейших для экономики страны город с умеренной сейсмической активностью: около 15 ощутимых землетрясений в год. Сильные землетрясения здесь редки, но мягкие грунты дельты Янцзы требуют серьёзной сейсмозащиты зданий.

Особенности конструкции. На сваи установлена монолитная плита толщиной около 6 м. Эта конструкция предотвращает неравномерную осадку и обеспечивает «плавание» здания на мягких грунтах без потери устойчивости. В отличие от Taipei 101, демпфер Shanghai Tower оснащён дополнительными гидравлическими гасителями (цилиндрами с вязкой жидкостью, которые поглощают энергию, когда движение маятника имеет слишком большую амплитуду) и смонтирован на амортизирующей подвеске. Форма здания — закрученная спираль — снижает ветровую нагрузку на 24% по сравнению с прямоугольной башней той же высоты.

Принцип работы. При подземных толчках фундаментная плита вместе с башней может смещаться, но период собственных колебаний здания существенно удлиняется. Маятник при этом работает на более высоких частотах и гасит вибрации, создаваемые ветром и более слабыми толчками. Гидравлические амортизаторы ограничивают его скорость, предохраняя конструкцию от рывков. Каркас башни представляет собой стальной экзоскелет с девятью цилиндрическими колоннами по окружности, соединёнными между собой жёсткими диафрагмами на нескольких уровнях. Такая конструкция остаётся упругой, поэтому здание не получает существенных повреждений при землетрясении.

Эффективность. При проектировании были проведены многочисленные испытания на моделях. С момента открытия в 2015 и за весь период эксплуатации башня не испытывала сильных землетрясений. Основным испытанием для неё стали тайфуны. Во время тайфуна «Ин-фа» (2021) демпфер заметно раскачивался, снижая ощутимые колебания здания. Видеозаписи показали, как его движения удерживают здание в стабильном положении. Шанхайская башня убедительно продемонстрировала, как комбинация массивного демпфера и сверхглубокого фундамента обеспечивает устойчивость сверхвысокого здания даже на неидеальных грунтах.

3. Roppongi Hills Mori Tower (Токио, Япония)

Башня Мори — 54-этажный многофункциональный небоскрёб высотой 238 м в токийском районе Роппонги, введённый в эксплуатацию в 2003-м году. В нём расположены офисы, музей, магазины и смотровые площадки.

Специфика региона. Япония — одна из самых сейсмоопасных стран, в которой происходят более 2000 землетрясений в год, из них около 200 — ощутимых​. После разрушительного землетрясения «Хансин» (Кобе, 1995) японские строительные нормы были ужесточены, и Mori Tower строилась по обновлённым стандартам, требующим внедрения наиболее передовых технологий сейсмозащиты​. Как и в Шанхае, в Токио часто бывают тайфуны.

Принцип работы. При подземных толчках здание начинает вибрировать, и когда между этажами возникает смещение, масляные демпферы превращают кинетическую энергию в тепловую: масло в демпферах очень вязкое, почти гель, а поршень спроектирован так, чтобы даже минимальная скорость смещения вызывала значительное сопротивление. Таким образом, 192 демпфера в сочетании с прочным каркасом образуют комплексную систему виброконтроля, снижая перегрузки.

Эффективность. С момента постройки Mori Tower не подвергалась воздействию сильных землетрясений, но испытала на себе толчки магнитудой около 5–6. Система демпферов сработала штатно, по данным опросов жильцы отмечали меньшую качку, чем в соседних зданиях, не имеющих подобных систем. 11 марта 2011 года во время знаменитого землетрясения магнитудой 9,0 у берегов Тохоку в Токио ощущались толчки силой около 5 по шкале JMA. Башня Мори не получила никаких повреждений, хотя толчки ощущались явственно, и это стало доказательством эффективности применённых технологий. Японские специалисты уверены, что конструкция башни сохранит целостность и в будущем​ при более сильных землетрясениях.

Таким образом, здание сочетает традиционную японскую философию гибкости (подвижность за счет демпферов) и современные конструкционные материалы. Башня Мори — пример того, как активное вибропоглощение может значительно повысить сейсмостойкость высотных зданий в условиях частых землетрясений.

4. Терминал международного аэропорта Sabiha Gokcen (Стамбул, Турция)

Международный аэропорт Сабиха Гёкчен — второй по загруженности в Стамбуле. Новый терминал площадью около 200 тыс. м² был открыт в 2009 году и рассчитан на миллионы пассажиров в год. Под конструкцией скрыто почти 300 сейсмических изоляторов, благодаря которым здание должно оставаться устойчивым даже при сильных землетрясениях.

Специфика региона. Регион Мраморного моря — зона высокой сейсмической активности, поскольку рядом проходит разлом Северной Анатолии, способный вызывать землетрясения магнитудой до 7,5. В ближайшие десятилетия, по прогнозам специалистов, Стамбул ожидает ещё одно крупное землетрясение. После разрушительного землетрясения 1999 года требования к сейсмозащите инфраструктуры были максимально повышены, и терминал Сабиха Гёкчен стал первым в мире настолько крупным сооружением с полной сейсмоизоляцией основания​.

Особенности конструкции. Здание терминала построено на 300 специальных сейсмоизолирующих опорах типа Triple Friction Pendulum (трёхфрикционных маятниках). Каждая из них представляет собой сложное устройство, содержащее несколько выпуклых скользящих поверхностей из высокопрочной стали с тефлоновым покрытием. Внутри каждой опоры есть три уровня скольжения, и это позволяет ей эффективно «работать» при разных амплитудах и частотах толчков. Над изоляторами находится обычный стальной каркас, так как аэропорт представляет собой просторный ангар с большими пролётами. Крыша выполнена из лёгкой металлочерепицы с волнистым профилем. Каждая колонна опирается на изолятор, закреплённый на фундаментной плите.

Такое решение сделало терминал Сабиха Гёкчен самым большим сейсмоизолированным зданием в мире на момент его открытия​.

Принцип работы. В спокойном состоянии изоляторы просто удерживают вес — на каждый из них приходится примерно 800 тонн нагрузки. При землетрясении фундамент скользит на опорах: здание оказывается не жёстко связанным с грунтом и «покачивается» на опорах с ограниченным смещением. Согласно расчётам, изоляторы допускают смещение до 70 см в каждую сторону и поглощение энергии землетрясения магнитудой до 8,0​. При сильном ударе платформа терминала может сместиться на полметра относительно фундамента, но останется целой, а затем вернётся в исходное положение.

Внутри изоляторов происходит трение — оно гасит энергию, превращая её в тепло. Маятниковый эффект создаёт силу возврата — после смещения изолятор под действием силы тяжести возвращает конструкцию в исходное положение. Терминал как бы «плывёт» на опорах, сохраняя относительное спокойствие, пока грунт под ним ходит ходуном. Здание реагирует гораздо медленнее, чем грунт, и высокая частота толчков не передаётся вверх, благодаря чему сейсмическое воздействие на здание снижается на 80–90%. На практике это означает, что во время землетрясения пассажиры могут даже не почувствовать толчков, а оборудование (например, системы транспортировки багажа) не выйдет из строя.

Ни стены, ни перегородки не несут сейсмических нагрузок, всё берут на себя изоляторы на колоннах.

Эффективность. Инженеры Arup и Özdatlı Engineering разработали и испытали изолирующие опоры на больших сейсмических столах, имитируя землетрясения. По результатам испытаний был сделан вывод, что даже при ударе, вдвое превышающем по силе землетрясение 1999 года, конструкция терминала должна остаться целой, а согласно компьютерному моделированию, проведённому компанией Arup, терминал способен выдержать одновременный удар от подвижек трёх разных разломов.

С 2009 года в районе Стамбула не было сильных землетрясений. В 2019 году отмечалось землетрясение магнитудой максимум 5,8, а в другие годы — несколько более мелких, и все их аэропорт пережил без каких-либо проблем. Разрушительное землетрясение 2023 года, унесшее на юге Турции жизни около 50 000 человек, в Стамбуле ощущалось достаточно слабо.

В 2011 году здание получило премию за инновации в области сейсмостойкости. Заметим, что благодаря успеху проекта Сабиха Гёкчен в Турции начали массово применять аналогичные системы на крупных объектах, таких, как больницы, аэропорты и мосты. В 2020 году в Стамбуле была открыта крупнейшая больница Башакшехир, в основании которой также установлено 2068 изоляторов.

5. Tokyo Skytree (Токио, Япония)

Tokyo Skytree — это не здание в привычном смысле, а телевизионная и смотровая башня высотой 634 м, вторая по высоте в мире после Бурдж-Халифы. Она была построена в 2012 году в районе Сумида. В отличие от уже описанных мной азиатских небоскрёбов, Skytree — отдельно стоящее сооружение, в реализации которого японские инженеры вдохновились сочетанием ультрасовременных материалов и технологий 1300-летней давности: в здании используется «син басира» — так называемый «сердечный столб», как в древних пагодах.

Специфика региона. Башня стоит на местности с мягкими аллювиальными грунтами.

Особенности конструкции. Tokyo Skytree состоит из стальной пространственной решетчатой оболочки на трёх опорах, плавно переходящих от треугольного сечения внизу к круглому наверху, и внутренней железобетонной колонны диаметром около 8 м, расположенной по центру на высоте около 375 м, которая и является аналогом пагоды «син басира». Центральная колонна соединена с оболочкой не жёстко: до отметки около 125 м по высоте она закреплена, а выше — подвешена на амортизаторах так, чтобы относительно свободно перемещаться внутри башни​.

Между колонной и внешней решёткой установлено около 100 масляных демпферов, действующих как гигантские амортизаторы. В обычных условиях вся нагрузка распределяется между внешними опорами и центральной колонной, а при землетрясении центральная колонна начинает двигаться с фазовым сдвигом относительно внешней конструкции подобно маятнику, гася колебания.

Эффективность сейсмодемпфирующей системы во многом зависит от точности настройки демпферов. Японские инженеры применили изобретённую в NASA специальную феррожидкость с магнитными частицами, вязкость которой можно менять динамически. — это позволяет тонкую настройку характеристик демпфирования.

Помимо этого, Skytree имеет широкое основание диаметром около 68 м, сужаясь к вершине, что способствует большей устойчивости. Фундамент представляет собой сплошную железобетонную плиту размером 50×50 м и толщиной 2,5 м, расположенную на 8 свайных опорах, которые заглублены примерно на 50 м. Фундамент монолитно связан с основанием башни, что предотвращает неравномерную осадку или наклон.

Принцип работы позаимствован у японских деревянных пагод, веками переживающих землетрясения. Центральный столб в таких пагодах колеблется, гася энергию подземных толчков. В Skytree центральная колонна представляет собой железобетонную трубу высотой 375 м, внутри которой находятся лифты. Она подвешена к внешней стальной раме через демпферы. При колебаниях грунта внешняя стальная часть и внутренний столб вибрируют в противофазе, снижая энергию колебаний примерно на 50%​. Масса бетонного ядра составляет около 4000 тонн. Испытания показали, что такая система способна уменьшить нагрузки на конструкцию до 40% по сравнению с обычной башней той же высоты​.

Эффективность. Во время Великого восточно-японского землетрясения 11 марта 2011 года Skytree была ещё на стадии строительства, возведённая на тот момент примерно на 50% своей высоты. Конструкция не пострадала, а нагрузки подтвердили правильность расчётов. После ввода в эксплуатацию башня пережила несколько ощутимых землетрясений: магнитудой 5,9 в 2012 году, магнитудой 5,6 в 2016 году и другие — и каждый раз без повреждений. Посетители на смотровых площадках отмечали лёгкое покачивание во время толчков, но оно не было опасным.

Инженеры утверждают, что Skytree рассчитана так, чтобы выдержать землетрясение, эквивалентное Великому Канто, полностью разрушившему Токио в 1923-м году, и продолжить обеспечивать теле- и радиовещание.

6. Yokohama Landmark (Йокогама, Япония)

Башня Yokohama Landmark— 70-этажный небоскрёб высотой 296 м, введённый в эксплуатацию в 1993 году и до 2012 года являвшийся самым высоким зданием в Японии. Этот проект стал одним из примеров для множества других сейсмоустойчивых высотных зданий, которые строились в Японии в последующие годы.

Специфика региона. Башня расположена в районе Минито-Мирай, на намывных землях порта.

Особенности конструкции. Здание сочетает традиционный каркас с гибкими опорными элементами, вдохновляясь, как и Skytree, пятиэтажными пагодами. Башня Йокогама установлена на сейсмопоглощающих опорах-«роликах»​ — под основными колоннами есть тефлоновые скользящие опоры, допускающие небольшой горизонтальный сдвиг. Это предотвращает передачу резких толчков основной конструкции. Кроме того, в здании установлены 2 активных маятниковых демпфера колебаний на 69-м этаже и масляные амортизаторы в вертикальной плоскости. Таким образом, используется гибридная схема, сочетающая маятниковые и роликовые демпферы.

Система управления зданием отслеживает наклон и при необходимости слегка смещает противовесы. В результате башня может сгибаться и мягко колебаться при толчках, не теряя устойчивости.

Принцип работы. Когда грунт под башней движется, опоры обеспечивают небольшое скольжение здания, снижая инерцию, а масляные демпферы гасят остаточные колебания. Тяжелый металлический маятник на техническом этаже противодействует раскачиванию. Благодаря этому Йокогамская башня «поглощает» энергию землетрясения и изгибается, не разрушаясь, даже на мягком грунте порта Йокогамы.

Эффективность. Башня уже пережила несколько сильных землетрясений: магнитудой 7,3 в 1995-м году и магнитудой 9 в 2011-м без каких-либо повреждений.

7. Burj Khalifa (Дубай, ОАЭ)

Бурдж-Халифа — самое высокое сооружение на планете. Высота 163-этажного здания, введённого в эксплуатацию в 2010-м году, составляет 828 метров.

Специфика региона. Регион Персидского залива не является столь же сейсмоопасным, как Япония или Мексика, однако, проектируя настолько высокое здание, инженеры заложили устойчивость к землетрясениям магнитудой до 7. Их задача была по-своему уникальной, ибо при высоте более полукилометра малейшие колебания пород могли вызвать катастрофические последствия из-за огромной массы и инерции конструкции. Поэтому Бурдж-Халифу можно назвать шедевром инженерной мысли из-за конструктивной прочности и мастерского распределения нагрузок.

Особенности конструкции. Башня имеет «бутылочную» форму: в Y-образном основании — три «лепестка» вокруг центрального ядра. Выше лепестки постепенно сходят на нет, образуя ступенчатый профиль. Такая баттресс-кор (buttressed core, в переводе с английского — «усиленное ядро») несущая система является ключом к высокой сейсмостойкости​.

Все три крыльевые стены и ядро работают сообща, взаимно поддерживая друг друга с помощью аутригеров, так что при боковой нагрузке задействуется весь объем бетона. До высоты в примерно 600 м ядро и стены выполнены из высокопрочного железобетона, а выше — из стали. Связи и перекрытия соединяют лепестки с сердечником — получается что-то вроде гигантской колонны, напоминающей трилистник. Это обеспечивает непревзойдённую жесткость и устойчивость к изгибу. Кроме того, по этажам распределены деформационные швы и слайдеры, допускающие микроперемещения и таким образом предотвращающие накопление напряжений.

Фундаментом является бетонная плита толщиной 3,7 м на 192 буровых сваях диаметром около 1,5 м и глубиной 50 м.

Принцип работы. При толчке башня отклонится, но все три лепестка будут работать как единый противодействующий каркас, распределяя нагрузку. Перекрестное армирование и вязка предотвращают сдвиг или срез основания.

По сути, Бурдж-Халифа — это монолит, в котором тысячи тонн арматуры и бетона действуют как единое целое. В Бурдж-Халифа как таковых нет демпферов, поскольку её огромная масса и жёсткость сами по себе гасят вибрации, но есть система мониторинга OASIS для оценки состояния конструкции в реальном времени.

Эффективность. Лабораторные испытания здания производились с использованием суперкомпьютера и на масштабных моделях.

Дубай ощущал отголоски землетрясений 2013-го года в Иране (от 5 до 5,5), но Бурдж-Халифа практически не пострадал — ни трещин, ни раскачивания. В 2020-м году землетрясение в Иране магнитудой 6,3 привело лишь к эвакуации персонала согласно протоколу, но здание снова не пострадало. Бурдж-Халифа, вероятно, никогда не придётся испытать свои пределы сейсмостойкости в полной мере. Однако проектировщики из бюро SOM уверены, что даже при ускорениях порядка 0,2–0,3g башня сохранит свою целостность благодаря системе распределения нагрузки на подпорные стены: все стены задействованы, но ни одна из них не перегружена.

8. Transamerica Pyramid (Сан-Франциско, США)

Пирамида Трансамерика (Transamerica Pyramid) — культовый 260-метровый 48-этажный офисный небоскрёб в Сан-Франциско, введённый в эксплуатацию в 1972 году. Широкое основание пирамидальной формы и скрытая внутренняя рама придают зданию высокую устойчивость к землетрясениям.

Специфика региона. Сан-Франциско находится в зоне высокой сейсмической активности (район разлома Сан-Андреас): в городе ежегодно регистрируются тысячи мелких толчков, а раз в несколько десятилетий — разрушительные землетрясения. Пирамида Трансамерика изначально проектировалась с учётом риска землетрясений — её строительство завершилось за 17 лет до катастрофы 1989 года, и уже тогда инженеры заложили в проект передовые для своего времени решения.

Сан-Франциско расположен на нескольких разнообразных грунтах, где скальные породы чередуются с насыпными и морскими отложениями. Пирамида построена на относительно прочном грунте, но рядом с ней находится зона залива, которая была учтена при проектировании горизонтальных волн. Инженеры спроектировали здание так, чтобы обеспечить его движение вместе с грунтом, а не сопротивляться ему — по заветам японских мастеров. После 1989 года конструкцию дополнительно обследовали и подтвердили, что модернизация не требуется — здание полностью соответствует современным критериям сейсмостойкости.

Особенности конструкции. Устойчивость небоскрёба обеспечена за счёт нескольких факторов. Во-первых, это широкое основание пирамиды — нижние этажи значительно шире верхних, это понижает центр тяжести и придаёт конструкции устойчивость, поскольку вероятность достижения опрокидывающего момента сильно снижается.

Во-вторых, это глубокий фундамент — здание стоит на железобетонной плите толщиной около 2,5 м, которая опирается на решётчатую матрицу из стальных балок в основании и массивные сваи. Фундамент уходит на 16 м (52 фута) вглубь грунта​, достигая твёрдых слоёв, и рассчитан на совместное движение с почвой во время толчков.

В-третьих, здание снабжено внутренней системой железобетонных сердечников и связей: внутри пирамиды скрыты мощные стальные горизонтальные диски перекрытий и диагональные стальные шпалы на каждом уровне​. Эти элементы образуют подобие жёстких срезных стен, противодействующих деформации. Кроме того, в конструкцию встроены сейсмодатчики, которые отслеживают горизонтальные смещения этажей и фиксируют поведение здания во время землетрясений.

По сути, Transamerica Pyramid представляет собой гибкий, но достаточно прочный реактивный каркас, способный рассеивать энергию землетрясения.

Принцип работы. При сейсмическом ударе пирамида раскачивается, но гибкий фундамент и сужающаяся кверху форма уменьшают нагрузку на верхние этажи. Фундамент «плавает» вместе с почвой, не растрескиваясь — его арматура и стальные элементы рассчитаны на «совместную работу» с грунтом. Стальные связи работают как демпферы пластического типа: они могут слегка пригибаться, поглощая энергию, а затем возвращаться в исходное положение. Монолитный железобетон ядра обеспечивает жёсткость и не даёт зданию складываться.

Эффективность. В 1989 году во время землетрясения в Лома-Приета магнитудой 6,9 Transamerica Pyramid ощутимо раскачивалась более минуты, но конструктивные элементы остались целы, и здание не получило никаких повреждений. Колебания достигали ≈30 см в каждую сторону, однако пирамида продемонстрировала задуманную гибкость и поглотила сейсмическую энергию, не разрушившись​.

9. Wilshire Grand Center (Лос-Анджелес, США)

Это самый высокий небоскрёб Лос-Анджелеса. Здание, построенное в 2017 году, имеет 73 этажа и высоту до шпиля 335 м. Сверху на фото вы видите стальную «корону» — элемент каркаса, соединённый с ядром с помощью аутригеров, повышающих устойчивость при землетрясениях. При проектировании Wilshire Grand применялись новейшие подходы, чтобы здание выдерживало «предсказанное максимальное» землетрясение без обрушения и быстро возвращалось в нормальную эксплуатацию​. В небоскрёбе находятся гостиница, офисы и смотровая площадка.

Специфика региона. Лос-Анджелес, как и Сан-Франциско, расположен на разломе Сан-Андреас; крупные землетрясения магнитудой около 7 происходят в регионе раз в несколько десятков лет. В городе преобладают твердые грунты — аллювиальные отложения с приемлемыми несущими свойствами. Тем не менее близко расположенные разломы представляют серьёзную опасность.

Особенности конструкции. В Wilshire Grand реализована смешанная система жесткости, которая включает в себя:

• Железобетонное ядро: центральная шахта лифтов и лестниц выполнена из монолитного железобетона. Она работает как «хребет» сооружения, сопротивляясь скручиванию и изгибу.

• Аутригеры — выносные опоры на нескольких технических уровнях: внутреннее ядро соединено с внешними стальными колоннами мощными горизонтальными связями. Эта схема при боковых нагрузках заставляет весь периметр «работать» совместно с ядром, распределяя усилия по всему каркасу.

• Раскосы с торможением (BRB — Buckling Restrained Brace): часть рамных пролетов заполнена специальными стальными растяжками с контролируемым текучим разрушением.​ Эти элементы представляют собой стальные стержни в оболочке, которые при сильном толчке деформируются, растягиваясь или сжимаясь без потери устойчивости, гася таким образом энергию. Проще говоря, BRB — это своеобразные «предохранители», которые могут погнуться, приняв на себя удар, но не сломаются — и так предотвратят повреждение других частей рамы.

• Утолщённый фундамент: здание установлено на железобетонной плите толщиной 5,3 м (17,5 фута)​, залитой за один раз. Эта плита распределяет вес на грунт и служит жёсткой основой всей конструкции. Между основанием башни и ее подземной частью предусмотрен конструктивный шов, допускающий относительный сдвиг до 45 см (1,5 фута), чтобы изолировать верхнюю структуру от движения фундамента во время сильного землетрясения.

Здание ориентировано на безопасное использование сразу после землетрясения. Поэтому Wilshire Grand строили с учетом философии «избыточной надежности» — объём арматуры фундамента и ядра просто колоссален, для армированных плит использовано 8 тыс. тонн стали для того, чтобы при любой неравномерности сейсмического воздействия фундамент работал как монолит.

Эффективность. До начала строительства инженеры провели серию компьютерных симуляций и испытаний на вибростендах, чтобы подтвердить расчётное поведение всех узлов. За период эксплуатации (2017–2025 гг.) серьезных землетрясений непосредственно в Лос-Анджелесе не было. Однако несколько умеренных толчков Wilshire Grand уже пережил: например, землетрясение магнитудой 5,3 в 2018 году, и они не вызвали никаких повреждений. Эта башня стала образцом новых стандартов для высотных зданий в Калифорнии: максимальная защита без применения полной сейсмоизоляции за счёт комбинирования различных методов.

Многие эксперты отмечают, что Wilshire Grand Center стал эталоном сейсмостойкого высотного строительства на западном побережье США, сочетая в технические инновации (BRB-демпферы и аутригеры) и традиционный подход (мощную железобетонную плиту).

10. Torre Mayor (Мехико, Мексика)

Торре-Майор — 55-этажный офисный небоскрёб высотой 225 м в столице Мексики, введённый в эксплуатацию в 2003-м году.

Специфика региона. Мехико — один из самых сложных мегаполисов с точки зрения сейсмостойкости, поскольку город построен на месте древнего озера Тескоко на грунтах, главных образом представляющих собой мягкую глину с высоким содержанием воды, которая усиливает сейсмические колебания (так называемый эффект «чаши с желе»).

Землетрясения, происходящие в 300 с лишним километрах от города на побережье Тихого океана, из-за резонанса в грунте вызывают в Мехико сильнейшие толчки. Именно это произошло в 1985 году, когда при землетрясении магнитудой 8,1 в городе были разрушены сотни зданий. С учётом уроков прошлого Torre Mayor спроектирован как здание, способное выдержать без обрушения экстремальные землетрясения магнитудой до 9.

Особенности конструкции. Торре-Майор имеет стальной каркас, спроектированный с использованием 98 огромных масляных демпферов длиной в несколько метров каждый, разработанных компанией Taylor Devices. Они установлены по диагонали между колоннами и балками по всей высоте здания. Демпферы Torre Mayor — вязкоупругие, содержат в цилиндрах силиконовое масло и имеют поршни со специальными клапанами. Когда землетрясение вызывает смещение этажей, эти демпферы сжимаются и растягиваются, преобразуя кинетическую энергию в тепловую и давая возможность конструкции выдержать толчки магнитудой до 9 (что эквивалентно взрыву 99 млн тонн тротила или примерно 25 000 ядерных бомб), не получив катастрофических повреждений.

Помимо демпферов, Torre Mayor имеет две независимые структурные подсистемы — центральное железобетонное ядро из шахты с лестницами и внешний трубчатый стальной каркас, соединенные между собой перекрытиями. Такое решение, условно называемое «труба в трубе», обеспечивает достаточную жёсткость и устойчивость.

Перед строительством Торре-Майор площадку укрепили, выполнив глубинную цементацию грунта под фундаментом. Сам фундамент представляет собой плиту толщиной ~1,5 м на сетке из свай.

Принцип работы. При долгопериодном землетрясении, характерном для данного региона, Торре-Майор реагирует как затухающий маятник. Демпферы реагируют мгновенно: как только начинается смещение, вязкая жидкость создаёт сопротивление, предотвращая раскачку. Они настроены на период около 2 секунд, соответствующий доминирующему периоду колебаний озёрных глин — как бы в противофазе с грунтом. Когда грунт «дрожит», система демпферов эффективно противодействует резонансу. В результате собственный период колебаний здания сокращается, и оно быстро останавливается после серии толчков. Настолько точный расчёт оказался возможным в результате анализа землетрясения 1985 года.

Здание снабжено десятками датчиков, которые собирают данные о его поведении при толчках. Эти данные используются для дальнейшего совершенствования используемых моделей.

Эффективность. 19 сентября 2017 года, когда по Мехико ударило землетрясение магнитудой 7,1, здание с честью прошло первое реальное испытание, в то время как около 40 более старых зданий в городе обрушилось. По информации от управляющей компании, Торре-Майор не получил никакого структурного ущерба, а лишь покачнулся и встал на место. Сразу после ввода в эксплуатацию в 2003 году Торре-Майор так же без последствий пережил землетрясение магнитудой 7,6, когда многие рядом расположенные здания получили трещины. Башня же оставалась целой и функционирующей, укрепив свою репутацию инженерного чуда.

Torre Mayor — наглядный пример того, как сочетание прочного каркаса и «умной» системы демпферов позволяет строить небоскрёбы даже на «болоте» Мехико без риска для жизни людей.

11. Torre Reforma (Мехико, Мексика)

Торре Реформа — 57-этажный офисный небоскрёб премиум-класса высотой 246 м в Мехико. Он был введён в эксплуатацию в 2016 году и на тот момент был самым высоким зданием в городе, вызывая восхищение своим смелым архитектурным решением — по бокам две массивные железобетонные стены-треугольника, напоминающие раскрытую книгу. Эта уникальная конструкция позволяет башне изгибаться при землетрясениях, не разрушаясь.

Специфика региона. Торре-Реформа стоит на проспекте Пасео-де-ла-Реформа, прямо над мягкими озёрными отложениями. Как мы уже отмечали выше, мягкий грунт Мехико диктует, что высотные здания наиболее уязвимы к резонансу колебаний с периодом около 2 секунд.

Особенности конструкции. Башня имеет в плане треугольную форму: две стороны — монолитные бетонные стены (толщиной ~0,5–0,8 м), а третья — остеклённая фасадная колоннада. Две бетонные стены являются гигантскими сейсмическими щитами, в которых предусмотрены вертикальные разрезы-щели на разных уровнях​. Разрезы сделаны несимметрично и служат своего рода «швами» или шарнирами, способными сжиматься или раскрываться при сильном изгибе, позволяя стене прогибаться, не ломаясь.

Так стена оказывается разделена на сегменты, соединённые в вертикальном направлении. Это решение предотвращает разрушение бетона, позволяя стене «работать» гибкой конструкцией. Внутри каждой стены проходит мощная арматура и стальные балки, связывающие её с перекрытиями. За стеклянным фасадом третьей стены скрывается стальной каркас и ядро с лифтами. Фундамент Torre Reforma — свайно-ростверковый на более чем 60 буронабивных сваях диаметром 1,5 м, погружённых на глубину около 50 м.

Архитектор Б. Аррьега и инженеры-проектировщики намеренно сделали форму треугольной, чтобы минимизировать эффект скручивания. Кроме того, здание сужается к вершине, уменьшая силы инерции. Можно сказать, что Torre Reforma воплощает принцип «пусть лучше здание деформируется, чем разрушится», а его стены служат своеобразными гигантскими рессорами, выполняя функцию, которую в случае с Torre Major играли демпферы. Это решение получило несколько международных наград.

Принцип работы. При отсутствии нагрузки обе бетонные стены функционируют как обычные несущие стены, выдерживая вес и ветер. При землетрясении, когда грунт уходит из-под основания и здание пытается наклониться, одна из стен начинает растягиваться, а другая — сжиматься. Вертикальные щели позволяют стене, которая растягивается, не разорваться — напряжения концентрируются вокруг этих щелей, а стальные связи внутри переносят усилия на другие элементы. Иными словами, стена изгибается зигзагом, а не трескается. В то же время застеклённый фасад на стальном каркасе — более гибкий, он принимает на себя часть горизонтальной нагрузки. Благодаря такому решению Torre Reforma может наклоняться на значительный угол без потери целостности. Согласно расчётам, башня выдержит даже те землетрясения, вероятность которых составляет один раз в тысячу лет, и её запас прочности перекрывает подобные угрозы в несколько раз.

Эффективность. Torre Reforma успешно пережила землетрясение 19 сентября 2017 г. магнитудой 7,1, получив лишь небольшие косметические дефекты. В СМИ сообщалось, что внутри лестничной клетки упал облицовочный камень, но структурных повреждений не было — несмотря на сильные колебания грунта, обе бетонные «книги» и стеклянный фасад остались невредимыми. Некоторые арендаторы отмечали качку внутри (что, разумеется, было неизбежно), но здание было признано пригодным для эксплуатации сразу после землетрясения.

12. Apple Park (Купертино, США)

Apple Park — здание штаб-квартиры компании Apple Inc. в Купертино (Калифорния), также известное как «космический корабль Apple». Это кольцевое строение диаметром около 370 м и площадью около 260 тысяч кв. м, рассчитанное на 12 000 сотрудников.

Специфика региона. Поблизости от Купертино проходят разломы Сан-Андреас и Хейворд, способные вызвать землетрясения магнитудой свыше 7. Apple поставила перед собой задачу сделать свой головной офис не только экологичным, но и устойчивым к природным явлениям (включая землетрясения), чтобы обеспечить беспрерывное управление своим глобальным бизнесом.

Особенности конструкции. Основное кольцевое здание Apple Park установлено на 692 стальных изоляторах диаметром 2,1 м каждый​. Это сферические фрикционные опоры, напоминающие по форме блестящие «летающие тарелки» толщиной около 70 см и весом около 7 тонн, изготовленные из высокопрочной стали. Коэффициент трения составляет всего порядка 3%, что обеспечивает довольно свободное скольжение. Изоляторы рассчитаны на горизонтальное смещение до 1,2 м. При таком смещении здание может оставаться целым даже при ускорении толчков на грунте до величины 1g. Apple Park способен выдержать землетрясения магнитудой до 7,0 без серьёзных повреждений.

Apple Park имеет 4 этажа над землёй и 3 — под землёй. Подвальные этажи и паркинги находятся ниже уровня изоляторов, то есть при землетрясении они движутся вместе с грунтом, а все офисные помещения расположены выше изоляторов. В центре кольца — парковая зона. В здании используется много стеклянных поверхностей и тонких колонн, которые были бы очень уязвимы к толчкам, если бы не изоляторы. С изоляторами архитекторы смогли позволить себе огромные стеклянные панели без армирования, поскольку само здание не подвергается резким деформациям.

Интересно, что проектировщики из Arup учли не только горизонтальные, но и вертикальные компоненты сейсмики: изоляторы имеют вертикальную гибкость до ±5 см, чтобы гасить ударные волны. Кроме того, Apple Park оснащён системой мониторинга OASIS — сетью датчиков, которые отслеживают вибрации и повреждения конструкции здания в режиме реального времени, при необходимости автоматически предупреждая персонал о необходимости эвакуации.

Принцип работы. В 2014 году во время строительства произошло землетрясение с эпицентром в Напе. Земля под зданием двигалась, но само здание лишь слегка покачивалось на изоляторах, внутри которых закалённые стальные поверхности скользили, рассеивая энергию, с минимальным трением. Форма поверхностей гарантирует, что, когда движение прекратится, система изоляторов «скатит» здание обратно в исходное положение под действием силы тяжести.

Расчёты показали, что даже после сильнейшего землетрясения, вероятность которого наступает лишь 1 раз в 2475 лет, здание Apple Park останется функциональным, а сотрудники смогут немедленно продолжить работу.

Эффективность. В 2019 году в районе залива Сан-Франциско произошло землетрясение магнитудой 4,5 эпицентр находился на расстоянии около 50 км от Apple Park, однако там были заметны едва ощутимые колебания, не создавшие никаких проблем. Если же на разломе Сан-Андреас произойдёт землетрясение магнитудой 7+, Apple Park — крупнейшее по площади сейсмоизолированное здание в мире — пройдёт окончательный тест.

Данный проект вдохновил и другие крупные технологические компании из Кремниевой Долины на инвестиции в сейсмозащиту: например, изоляторы планируется использовать для новой штаб-квартиры Google. Пример Apple Park демонстрирует, что прогрессивные заказчики готовы вкладывать свои средства для сохранения бизнеса и людей в чрезвычайных обстоятельствах, а технологии из небольших научных лабораторий успешно выходят на гигантские объекты.

13. One Rincon Hill (Южная башня) в Сан-Франциско, США

Жилой 60-этажный небоскрёб One Rincon Hill (Южная башня) высотой 195 м был построен в 2008 году в Сан-Франциско. Башня знаменита передовыми сейсмостойкими технологиями, внедрёнными еще до того, как в Калифорнии приняли новые нормы сейсмобезопасности.

Специфика региона. Ринкон-Хилл стоит на холме, где грунт представляет собой твёрдый сланец с прослойками слабых пород.

Особенности конструкции. Башня имеет монолитное железобетонное ядро и стальные аутригеры, как мы уже видели у Wilshire Grand. Кроме того, на крыше здания установлены два больших бака с водой примерно по 160 тонн каждый, которые служат настроенными жидкостными демпферами (tuned liquid dampers). Также в каркасе присутствуют BRB-раскосы — диагональные стальные связи с механизмом контролируемого смятия, поглощающие энергию на средних этажах.

Фундаментом служит толстый ростверк толщиной около 4 м на 42 буронабивных сваях, закреплённых в коренную породу.

Принцип работы. При порывах ветра или подземных толчках верхние этажи башни раскачиваются, но вода в демпферных баках «плещется» в противофазе и снижает раскачивание до 30%. ​При сильном землетрясении большую часть энергии примут на себя стальные BRB-раскосы, которые деформируются, не ломаясь и защищая бетон ядра от трещин. Само ядро и аутригеры очень прочные, они рассчитаны на смещение этажа вплоть до 1% высоты без разрушений.

Эффективность. Испытания на моделях и в реальных условиях (например, во время землетрясения 2014 года с эпицентром в находящейся неподалёку Напе) показали, что башня имеет высокую устойчивость и быстро возвращается в исходное положение. Даже проблема сильных ветров для башни, стоящей на холме, благодаря жидкостным демпферам не создаёт жителям дискомфорта.

Сочетание массивного ядра, BRB-раскосов и жидкостных демпферов сделало One Rincon Hill одним из самых устойчивых жилых небоскрёбов в Западном полушарии. Башня прошла сертификацию по методике PEER, показав полное соответствие требованию Immediate Occupancy — пригодности к эксплуатации сразу после землетрясения.

Пример Ринкон-Хилл произвёл впечатление на рынок, и все последующие высотные здания в Сан-Франциско также внедрили аналогичные системы.

14. Torre Latinoamericana (Мехико, Мексика)

Башня Латиноамерикана — относительно невысокий 44-этажный небоскрёб высотой 166 м в центре Мехико, построенный ещё в 1956 году. По современным меркам он небольшого размера, но инженерные решения, использованные при его возведении, намного опередили своё время — это был первый в мире небоскрёб, спроектированный так, чтобы выдерживать экстремальные землетрясения на мягких грунтах. Этот проект консультировал знаменитый профессор Натан Ньюмарк, предложивший образцово рассчитанный каркас достаточной гибкости, увеличивший запас прочности конструкции.

Специфика региона. Башня расположена в историческом центре мексиканской столицы на глиняных грунтах.

Особенности конструкции. Башня имеет стальной каркас с жёсткими рамами и диагональными связями, а также глубокий фундамент на сваях длиной около 33 м, достигающих слоёв твёрдой глины. В конструкции использовано центральное ядро и периферийные рамы. Инновационным решением для 50-х годов прошлого века стал демпфирующий эффект противопожарных водяных баков, установленных на крыше, которые снижали качку.

Фундамент здания рассчитан с большим запасом прочности, а сама конструкция имеет огромное количество заклепок и болтов, соединяющих её элементы, что создает чуть неидеальные, полухарактерные соединения, которые, как оказалось, давали эффект внутреннего трения и демпфирования.

Принцип работы. При подземных толчках фундамент двигается вместе с грунтом, не отрываясь от него, а способный к большим пластическим деформациям стальной каркас позволяет зданию раскачиваться, не разрушаясь.

Эффективность. Башня пережила землетрясения 1957 года магнитудой 7,7, 1985 года магнитудой 8,1 и 2017-го года магнитудой 7,1 практически без повреждений (в нём лишь кое-где потрескалась штукатурка), в то время как многие другие здания вокруг рухнули.

Torre Latinoamericana можно назвать первой «противоударной» высоткой, доказавшей, что даже на проблемных грунтах можно строить высокие здания при должной инженерной проработке. В современных зданиях (таких, как Torre Mayor и Torre Reforma) этот опыт, несомненно, был с успехом применён.

15. Gran Torre Santiago (Сантьяго, Чили)

Гран-Торре Сантьяго или Костанера-центр — самый высокий в Южной Америке 64-этажный офисно-торговый небоскрёб высотой 300 м, построенный в 2013 году.

Специфика региона. Сантьяго — город, находящийся в зоне субдукции и регулярно страдающий от сильнейших землетрясений магнитудой более 8. Чилийский строительный кодекс требует, чтобы здания не разрушались даже при сильнейших землетрясениях, и в Гран Торре заложена возможность выдерживать 150% от удара сильнейшего землетрясения из тех, что происходили за последние 100 лет.

Грунты под башней плотные, но при толчках магнитудой 8,8 они дают ускорение до 0,4g — самый высокий уровень в мире. Проектировщики добились того, чтобы здание могло «пружинить» подобные удары.

Особенности конструкции. Башня Торре-Сантьяго имеет железобетонное ядро прямоугольной формы, окружённое стальным каркасом. В нём применена система двойных колонн и связевых балок: две толстые стены ядра воспринимают львиную долю горизонтальных нагрузок, а стеклянный фасад закреплён на гибком стальном каркасе, способном прогибаться и тянуть ядро за собой. Важной деталью являются «дышащие» прорези в стенах ядра по аналогии с Torre Reforma. Технологические окна на некоторых уровнях ядра позволяют ему незначительно деформироваться без разрушения.

Здание снабжено множеством демпфирующих вставок — между стыками балок и колонн установлены упругие прокладки, которые гасят вибрации, а фундаментом служит мощная плита толщиной 1,5 м на примерно 60 сваях, уходящих в скальное основание.

Принцип работы: во время землетрясения жёсткое ядро башни принимает на себя основную часть нагрузки, но в критический момент в специальных зонах контролируемо раскрываются трещины там, где оставлены арматурные «предохранители». Одновременно стальной каркас фасада, колонны и балки которого допускают значительные прогибы, гасит энергию своим изгибом — не ломаясь, поскольку использована сталь с большим запасом пластичности. Энергия толчка распределяется между бетоном и сталью — здание как бы «играет», но остаётся целым.

Эффективность. В 2010 году, ещё будучи недостроенным, здание пережило землетрясение магнитудой 8,8 без значительных повреждений​. Это подтвердило правильность выбранных конструктивных решений. После землетрясения строительство было продолжено практически с минимальными изменениями в проекте: некоторые узлы усилили — например, добавили болтов на фланцевых соединениях каркаса. В 2014 году при землетрясении магнитудой 8,2 башня уже эксплуатировалась и не получила повреждений.

Гран-Торре-Сантьяго — пример того, как традиционный подход (ядро + каркас), выполненный с очень высоким качеством и учётом пластичности, справляется с экстремально мощными толчками. Как и Торре-Майор, Гран-Торре-Сантьяго считается одной из самых сейсмостойких высоток Западного полушария.