Domov Veda a technika Prečo mrakodrapy nespadnú?

Prečo mrakodrapy nespadnú?

Autor: Miky

Mrakodrapy sú v dnešnej dobe symbolom úspechu a technologického pokroku ľudstva. Vypínajú sa nad ulicami takmer všetkých veľkých miest na svete a výrazne formujú ich panorámu. Vďaka stále novým technológiám nie je v súčasnosti postaviť mrakodrap až taký problém ako v minulosti. No zamysleli ste sa niekedy, čo všetko sa skrýva za tým, že tieto budovy dokážu stáť aj po desaťročiach a odolávať rôznym výkyvom počasia?

Hlavní nepriatelia mrakodrapov

Mrakodrap musí v prvom rade odolať dvom hlavným zložkám sily. Vertikálne pôsobenie mrakodrapu na podložie má na svedomí gravitačná sila. Jednoducho povedané, čím je mrakodrap ťažší, tým väčšou silou bude pôsobiť na podložie. Rovnako sa však mrakodrap musí vysporiadať s horizontálnym pôsobením sily, ktorú má na svedomí vietor. To, čo vnímame ako vánok na ulici, naberá s rastúcou výškou mrakodrapu na intenzite a značne pôsobí na stabilitu celej budovy.

Autor fotky: Reynaldo #brigworkz Brigantty na Pexels

Hoci sa nám na prvý pohľad zdá, že mrakodrapy stoja pevne na mieste, realita je trošku prekvapujúca. Každý mrakodrap na svete sa viac či menej v dôsledku vetra hýbe – presnejšie kýve – v rozsahu niekoľko metrov. Naproti tomu prvé mrakodrapy, ktoré sa začali objavovať v USA na konci 19. storočia, dosahovali výšku len okolo 10 poschodí, kde ešte vietor nemal na budovu taký silný vplyv. Architekti sa ešte nemuseli zaoberať aerodynamikou týchto stavieb a preto mali staršie výškové budovy jednoduchý hranatý tvar. [1]

Home Insurance Building – prvý moderný mrakodrap, via Wikimedia Commons

Pri obtekaní telesa tekutinou vznikajú za prekážkou víry. Tento proces môžete takisto pozorovať aj za prekážkou v prúde rieky, no v našom prípade sa zameriame na obtekanie vzduchu okolo mrakodrapu. Vznik vírov závisí od tvaru mrakodrapu. Teda ak mrakodrap nemá vhodný aerodynamický tvar, vietor tlačí na jednu z jeho strán a na jeho druhej strane vznikajú vzdušné víry. Spolu s týmto procesom vzniká na strane, kde na mrakodrap pôsobí vietor, oblasť vysokého tlaku vzduchu a za ním oblasť nízkeho tlaku vzduchu. To má za následok, že mrakodrap sa začne kývať v smere vetra.

Vznik vírov za prekážkou, via Wikimedia Commons

Gravitácia

Čím vyššie mrakodrapy sú, tým väčšiu gravitačnú silu musia základy a spodné podlažia stavby vydržať. Ako ale zabezpečiť aby boli základy dostatočne pevné? Riešenie tejto úlohy je závislé od geografie, tzn. kde na svete sa nachádzame, a geológie, teda zloženia podložia pod budúcim mrakodrapom. Väčšinou sa stavbári snažia dostať až k tvrdému podložiu, na ktorom môžu začať stavať.

Nie vždy je to však možné. Buď sa tvrdé podložie nachádza veľmi hlboko alebo úplne absentuje. Napríklad Burj Khalifa, najvyšší mrakodrap na svete, stojí na nie veľmi pevnom podloží tvorenom z pieskovca. Tu museli inžinieri vymyslieť, ako vôbec mrakodrap na takom podloží postaviť. Vyriešili to tak, že do pieskovca zapustili 192 pilót. Budovu teda v podloží nedrží pevná hornina, ale sila trenia medzi pilótami a pieskovcom. [2]

Vietor

Keď už je úloha s podložím vyriešená, je nutné sa zamerať na odolávanie vplyvu vetra. Tuhosť moderných mrakodrapov je zabezpečená hlavne oceľovou konštrukciou, ktorá tvorí ich kostru. Oceľ na rozdiel od betónu zvláda nielen tlakové zaťaženie, ale aj zaťaženie ťahové. Práve preto je oceľ hlavným stavebným materiálom pri budovaní týchto vysokých stavieb po celom svete.

Ani vyššie spomenuté veci však úplne nezabezpečia mrakodrap pred pôsobením vetra. Ako už bolo v úvode popísané, správny aerodynamický tvar mrakodrapu eliminuje vznik vírov na jeho záveternej strane a teda minimalizuje prípadné kývanie mrakodrapu. To sa dosahuje napríklad zaoblenými rohmi, členitou fasádou, rôznymi prieduchmi či vybratiami. Či je tvar budovy dostatočne aerodynamický a ako naň pôsobí sila vetra, sa testuje na zmenšených modeloch budovy a jej okolia vo veterných tuneloch. [3]

Bahrain World Trade Center, B.alotaby, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Niekedy však ani toto nestačí. Jedná sa napríklad o miesta, kde sa vyskytujú extrémne prírodné živly ako tajfúny, hurikány či zemetrasenia. V takýchto prípadoch sa v mrakodrapoch nachádza tlmič kmitania, ktorý býva umiestnený vo vyšších poschodiach mrakodrapu a pôsobí ako protiváha pri kývaní mrakodrapu. Zjednodušene sa jedná o obrie kyvadlo. Napríklad tlmič kmitania v budove Taipei 101 je oceľová guľa s priemerom 5,5 m, ktorá váži 660 ton a nachádza sa medzi 87. a 92. poschodím. [4] Jej činnosť si môžete pozrieť na videu.

Nenechajte si ujsť ani článok o 5 najväčších mrakodrapoch na svete.

Zdroje:

  1. https://www.history.com/topics/landmarks/home-insurance-building
  2. https://sites.google.com/site/burjkhalifatower/documents
  3. https://www.youtube.com/watch?v=tHMPR7flpf4
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Taipei_101

Mohlo by Vás zaujímať