Ako sú postavené japonské mrakodrapy, aby ustáli zemestrasenie?

V Japonsku sa nachádzajú jedny z najodolnejších budov na svete. Spoľahlivo odolávajú zemestraseniam. Ako to robia? Tajomstvo spočíva v tom, že pri zemetrasení doslova tancujú. Poďme sa na to pozrieť bližšie.

Tichí strážcovia

Mrakodrapy v Tokiu, Osake a Jokohame pôsobia, že sú maximálne nehybné a pevné. Sú kulisami každodenného mestského života v Japonsku, rovnako ako v každom veľkom rozvinutom meste na svete. Zatiaľ čo mestský život funguje na plné obrátky, budovy sú pevné a nehybné.

Aspoň tak sa to zdá. Až zemetrasenie odhalí, že táto perspektíva je len ilúziou. V Japonsku sa mrakodrapy musia vedieť pohybovať.

Japonsko neustále čelí hrozbám

Zemetrasenie Tokohu v roku 2011 sa zaradilo medzi najničivejšie zemetrasenia moderných čias. Každoročne ale Japonsko zasiahnu mnohé seizmické javy.

Japonské súostrovie leží pozdĺž tichomorského ohnivého kruhu na okraji euroázijskej, filipínskej a tichomorskej tektonickej dosky. Na okraji sa jedna tektonická doska tlačí pod druhú, čo spôsobuje vznik mimoriadnych tlakov. Výsledkom je zemetrasenie, ktoré vyvolá vibrácie dostatočne silné na to, aby zrovnalo so zemou bežné mesto.

Čo na to architekti?

Výškové budovy v Japonsku však nie sú obyčajné budovy. Či ide o malé alebo dočasné stavby, všetky musia odolávať zemetraseniam.

Inžinieri sa zameriavajú na dve hlavné veci – odolnosť voči menším zemetraseniam, aké môže budova v Japonsku zažiť tri alebo štyrikrát počas svojej životnosti. Budova by mala byť tak dobre navrhnutá, aby sa z týchto zemetrasení dostala bez ujmy.

Druhou vecou je odolnosť voči extrémnym zemetraseniam, ktoré sú už zriedkavejšie. Latku nastavilo veľké zemetrasenie v Kantó v roku 1923. Išlo o silné zemetrasenie s magnitúdou 7,9, ktoré zničilo Tokio a Jokohamu a zabilo viac ako 140 000 ľudí.

V prípade zemetrasení s väčšou magnitúdou, ako je táto, sa už neberie ohľad na dokonalé zachovanie budov. Akékoľvek poškodenie, ktoré nespôsobí ľudské obete, je v poriadku.

Tlmiče nárazov

Aby budovy vydržali neuveriteľnú silu zemetrasenia, musia absorbovať čo najviac seizmickej energie. Keď konštrukcia dokáže absorbovať všetku energiu, nezrúti sa.

To sa deje najmä v procese nazývanom seizmická izolácia. Budovy alebo konštrukcie sa umiestnia na určitú formu ložiska alebo tlmiča otrasov – niekedy tak jednoduchého, ako sú bloky gumy s hrúbkou približne 30 až 50 cm -, aby odolali pohybom zemetrasenia. Všade tam, kde sa stĺpy budovy dostávajú k základom, sú umiestnené na týchto gumových podložkách.

Odolnosť od hora až dole

Úpravy základov budovy sú jedným z hlavných spôsobov, ako môže stavba odolať zemetraseniam. Odolnosť však zlepšujú aj tlmiče pohybu po celej výške budovy.

Vysoká budova sa môže pohnúť o 1,5 m, ale ak umiestnite tlmiče na určitých úrovniach – na každom druhom poschodí až po vrchol – môžete tento pohyb znížiť na oveľa menšiu hodnotu a zabrániť tak poškodeniu nadstavby,“ hovorí ZiggyLubkowski (seizmický špecialista).

Tlmiče zvyknú vyzerať ako pumpa na bicykel, len namiesto vzduchu je v nich kvapalina. Pri stláčaní čerpadlo tlačí na kvapalinu. Nestlačí sa veľmi, len sa trochu pohne. Tento proces môže znížiť vibrácie v budove.

Elegancia a bezpečnosť

Zložité zariadenia na pohlcovanie energie zemetrasenia a zmiernenie otrasov nie sú jediným spôsobom, ako zabezpečiť odolnosť budovy voči zemetraseniu. Ďalšie metódy zahŕňajú dizajn samotnej budovy. „V ideálnom prípade chceme dosiahnuť, aby bola budova čo najsymetrickejšia,“ hovorí Lubkowski. „Ak máte každé poschodie v presne rovnakej výške a všetky stĺpy v rovnomerných rozstupoch, budova zemetraseniu lepšie odolá.“

Projektanti obrovských mrakodrapov sa však často zdráhajú robiť takéto kompromisy. Napätie medzi seizmickými normami, ktoré vyžadujú inžinieri, a kreatívnymi víziami architektov tak rastie.

„Vždy medzi nami dochádza k veľkým konfliktom,“ hovorí Norihiro Ejiri, zástupca riaditeľa tokijskej firmy Ejiri Structural Engineers. „Našťastie v Japonsku sú aj architekti vzdelaní v oblasti zemetrasení, takže inžinieri a projektanti dokážu bez väčších problémov diskutovať.“

Ochrana

Spoločnosť Sato pracovala na vývoji seizmických technických riešení, ktoré sú funkčné a elegantné. Pri diskusii o konštrukčných návrhoch s architektmi hľadajú spôsoby, ako zosúladiť seizmické prvky s celkovým dizajnom budovy. Niekedy ich zakomponujú do pôdorysu.

Napríklad použitie sieťových štruktúr pomáha zabrániť vybočeniu podpier budovy. Ak sa jedna časť vybočí, prítomnosť blízkej susednej časti pomáha zastaviť jej ohýbanie a rozdeľuje absorpciu energie. Výsledkom je, že sieťové konštrukcie – ktoré môžu byť aj veľmi pekné – pomáhajú spevňovať budovy.

Návrhy sa stále vyvíjajú

Mohli by však budovy zajtrajška bez obáv odolať aj tým najväčším zemetraseniam?

„V rámci možností áno, je to reálne vďaka systémom izolácie základov, ložísk, výstuh, tlmených výložníkov, ktoré používame“ hovorí Lubkowski.

Odpoveď spočíva v postupnom testovaní všetkých známych technológií, ktoré sú k dispozícii na stabilizáciu budov, a zároveň v skúšaní stále kreatívnejších návrhov, ako sú napríklad sieťové konštrukcie. Niekedy môžu do repertoáru inžinierov pribudnúť malé experimentálne konštrukcie – ako napríklad zložitá polyedrická sieť navrhnutá tak, aby odolávala vybočeniu v pavilóne Naoshima v Kagawe.