Každou hodinu se na naší planetě vyskytne asi 10 zemětřesení. Navzdory statistikám jsou zprávy o ničení výškových budov extrémně vzácné. To vše díky vědeckému a technickému pokroku.
Nikdo si nemůže dovolit být nedbalý ohledně zemětřesení, dokonce ani obyvatelé oblastí s malou seismickou aktivitou. Ukazuje se, že zemětřesení jsou možná i ve středním Rusku.
Faktem je, že na Ruské desce, ve střední části Východoevropské platformy, jsou hluboké zlomy v krystalickém základu. V moskevské oblasti se nacházejí přímo u Podolska, pod údolím řeky Pakhra. Ralom je skrytý krytem sedimentárních hornin, ale v oblasti takového zlomu se může objevit seismická vlna. Přesně to se stalo při zemětřesení v Moskvě v roce 1977.
I na pláních se tedy budovy, zejména výškové, vždy staví s ohledem na pravděpodobnost otřesů. Také v roce 1977 se v některých obytných budovách v Moskvě objevily trhliny. Výškové budovy ale přežily. Náhoda? Ne, je to technický výpočet.
Geologický zlom v moskevské oblasti v údolí řeky Pakhra: jedná se pouze o trhlinu na povrchu a hlavní zlom se nachází v hloubce 1300 m. Zdroj: Savva Safonov pro Hi-Tech Mail.ru
Výškové budovy zůstávají během zemětřesení stabilní díky silným stěnám, spolehlivým základům a systémům kompenzace vibrací. První dvě podmínky jsou snadno splněny, pokud inženýři správně aplikovali vzorce pevnosti materiálu: struktury zdí a základů různých mrakodrapů se příliš neliší.
I když i zde existují nestandardní řešení. Italové například navrhují systém ochrany stěn v podobě pletiva z kovových plátů. A doslova šijí dlouhé budovy (více než 40 m) ze samostatných konstrukcí se speciálními antiseismickými švy – při zemětřesení se tyto části budou pohybovat vůči sobě a nebudou poškozeny.
Ale třetí složka antiseismické ochrany – systém kompenzace vibrací – je nejpozoruhodnější, protože zde vládne skutečná inženýrská magie.
Polštářový dům
Řešením, které vzniká při seismické aktivitě, je instalace takzvaných tlumičů mezi budovu a její základ, které umožní konstrukci pohybovat se vzhledem k zemskému povrchu bez silného zatížení. Tento přístup se nazývá základní izolace. Je vhodný pro nízko a středně podlažní budovy z důvodu omezené schopnosti tlumičů odolávat zatížení. Nejčastěji se používá pro základní izolaci:
- kluzná ložiska a pružná kovová ložiska, která vyžadují opravu nebo výměnu po zemětřesení.
- pryžokovové vícevrstvé struktury – opět vyžadují pozornost po otřesech, ale výměna není vždy případ.
Například letiště Istanbul Sabiha Gokcen stojí na 292 trojitých tlumičích, které úspěšně zachraňují terminál při otřesech. V průměru takové systémy absorbují 80 % seismického zatížení.
Základní izolační tlumič v Utah State Capitol /Wikimedia, Mike Renlund, CC BY 2.0 Zdroj: Wikimedia
K takovým tlumičům mezi základem a budovou však přišli se zajímavou alternativou: vzduchový polštář. Při zemětřesení speciální senzory vysílají signál do řídicího zařízení, poté kompresory pumpují vzduch a po 1-5 sekundách se budova začne doslova vznášet 3 cm nad základem. Takové návrhy se již objevily v Japonsku, ale hodí se hlavně pro nízkopodlažní budovy. Zároveň jsou velmi drahé – jde o složitý systém a jsou potřeba výkonné kompresory. Zdá se, že tato možnost je ideální pro oblasti s konstantní seismickou aktivitou. Bohužel, výšková budova nemůže být umístěna na vzduchovém polštáři: i kdyby byly vyvinuty supervýkonné kompresory, vytvořily by špičkové zatížení, kterému by žádná síť nemohla odolat.
Proč mrakodrapy nepadají
S tím vším se zdá nesmírně překvapivé, že v seismických zónách se stále staví výšková obchodní centra a obytné budovy. Za zázrakem se ale jako obvykle skrývají technologie a spousta designérské práce. Pro zajištění stability mrakodrapů a jejich stěn se používá sada řešení.
Za prvé, materiály, ze kterých je rám budovy vyroben, jsou důležité:
- elastická konstrukční ocel;
- slitiny s tvarovou pamětí, jako je nikl-titan;
- betonové nosné konstrukce vyztužené uhlíkovými vlákny.
Za druhé, samotný návrh budovy. Někdy se používá otočná vnitřní stěna. Jedná se o jakousi tyč vyztuženou v oblasti prvního patra – absorbuje vibrace, zatímco vnější stěny zůstávají zavěšeny jakoby na nám již známých polštářích tlumících nárazy. Tato konstrukce je často vyztužena napnutými ocelovými lanky.
Mrakodrap Burdž Chalífa (828 m): pro zajištění stability využívá základ nejvyšší budovy světa 200 visutých sloupů o délce 45 m a zesílenou „vnitřní stěnu“, spojenou s vnějšími stěnami přes podlahy pohyblivými spoji. Zdroj: Unsplash
Klapky se často instalují na spoje stavebních rámů. Jejich provedení může být různé – včetně kapalinové, podobně jako u tlumičů automobilů. Umožňuje rámu nejen „chodit“, ale také tlumí vibrace.
Fyzika = magie
Neuvěřitelně krásné řešení je hromadný tlumič. Blíže k vrcholu budovy, v horních patrech, je zavěšeno břemeno, které kompenzuje seismické vibrace. Například tchajwanský mrakodrap Taipei 101 je chráněn před zemětřesením.
Nejhezčím řešením z inženýrského hlediska je čočka Veselago-Pendry. Je pravda, že dosud nebyl realizován. Jedná se o systém studní pod budovou, které mohou rušit seismické vibrace. Ukazuje se, že takové studny lze umístit tak, aby většina vln byla uhašena. Experimenty dokazují, že je to docela možné. Pokud spustíte sloupy do vrtů, které jdou do skal, pak se vibrace mohou doslova snížit na nulu. Zdůrazněme, že takové ochranné pásmo se budovou nijak nedotýká, pouze ničí seismické vlny, když se k ní přiblíží. To není snadné realizovat kvůli heterogenitě hornin. Ale vypadá to, že budoucnost leží v tomto rozhodnutí.
