Смогут ли наши небоскребы пережить пирамиды?

Египетские пирамиды были небоскребами своего времени — и продолжают стоять уже 5000 лет. Смогут ли повторить такой подвиг современные высотки? Первые трещины появились в апреле. К 29 июня 1995 года большая сеть трещин расползлась по всему потолку пятого этажа одного из самых оживленных универмагов Сеула. Через несколько часов с крыши донеслись громкие хлопки. Трещины росли.

Было созвано экстренное заседание совета, но председатель категорически отказался от эвакуации, ссылаясь на потерю прибыли. Затем покинул здание.

В пять вечера потолок пятого этажа начал осыпаться. Покупки продолжались как обычно, пока почти час спустя наконец не затрубили тревогу. Но было поздно. Сначала рухнула крыша, а затем подвели и основные опорные стойки здания, в результате чего все южное крыло здания рухнуло в подвал. 1500 человек оказались в ловушке — включая падчерицу председателя — и 502 человека уже никогда из нее не выбрались.

Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.

Крах универмага Сампунг представляет собой пример того, насколько хрупкими могут быть современные конструкции. Даже с новейшими материалами, оборудованием и продвинутым пониманием физики, это здание не продержалось и пяти лет, не говоря уже о 5000.

Между тем, египетские пирамиды собирали толпы зевак многие тысячелетия. Землетрясения, эрозия, акты вандализма — пирамиды пережили даже крах цивилизации и превращение Сахары из пышного пастбища в сегодняшнюю огромную пустыню.

Великая пирамида в Гизе — построенная в 2540 году до нашей эры — не имеет себе равных, по материалам, дизайну и инженерии, как среди построенных до нее, так и после зданий. Древнегреческие туристы проходили тысячи километров, чтобы посмотреть на ее блоки, отполированные настолько, что они светились, судя по описаниям; имена путешественников можно найти вырезанными в стенах пирамиды и по сей день.

Клеопатра жила ближе к самому высокому зданию в мире сегодня — Бурдж-Халифа — чем к этой монументальной гробнице. Когда вымерли последние мамонты, ей уже было 1000 лет.

Пирамида в Гизе была небоскребом своего времени, превосходя по высоте любое здание в мире, пока, наконец, около 700 лет назад не был построен собор Линкольна. «Древние египтяне создавали — не люблю это говорить — стартовую площадку для умерших, чтобы те могли отправиться к солнцу и звездам», говорит Дональд Редфорд, изучаюший пирамиды уже сорок лет.

Перенесемся в 2016 год, где мы уже истыкали небо небоскребами, башенными часами и 20-этажными роботами, и планируем построить здание высотой в полтора километра. Хотя пока неизвестно, можно ли его построить вообще. Мы вступаем в эпоху небоскребов, поскольку люди все больше едут из деревень в переполненные города.

Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.

Эти здания должны выдерживать огромные силы, чтобы оставаться в вертикальном положении, в том числе постоянные удары молнии и ветры, несущиеся со скоростью в 150 км/ч — не говоря уже о постоянном эффекте гравитации. В некоторых районах в этот список можно добавить мощные землетрясения. В чем секрет пирамид? Смогут ли современные небоскребы их пережить?

На самом деле, внушительный возраст пирамид — не случайность. Древние египтяне верили, что жизнь после смерти будет вечной, и прикладывали большие усилия, чтобы их гробницы тоже хорошо держались. Дизайн пирамид менялся тысячи лет, пока их строители экспериментировали с материалами и архитектурой, которые должны были удовлетворить их амбиции.

«Они всегда говорили, что это здание «для вечности», «во веки веков» — эти обороты постоянно были в их словарном запасе», говорит Редфорд, в настоящее время работающий в Университете штата Пенсильвания. Они были настолько уверены в своих силах, что в названиях многих пирамид были включены «миллионы и миллионы лет».

Несмотря на все их попытки и преувеличения, египтяне не знали в точности, что делают, и это было скорее их преимуществом, чем недостатком. Чтобы восполнить пробелы в понимании законов физики, первые пирамиды строились с учетом всех возможных укреплений. Они знали о колоннах, но не знали, что они могут поддерживать крышу. Поэтому добавляли дополнительных стен на всякий случай.

Другое объяснение — огромный размер. Взять Великую пирамиду: это скорее искусственная гора, чем здание, построенная из почти шести миллионов тонн твердых пород. Пять тысяч лет — ерунда, если учесть, что известняк, из которого состоят блоки пирамид, лежал в земле 50 миллионов лет или около того.

Современные небоскребы, для сравнения, эффективно легкие и сделанные с умом. Потребовалось всего 110 000 тонн бетона и 39 000 тонн стали, чтобы построить Бурдж, который в шесть раз выше Великой пирамиды. «Они проектировали здания, которые будут держаться вечно — сегодня это не является приоритетом. Мы разрабатываем практичные здания, в которых можно жить», говорит Рома Агравал, инженер-строитель, работающий над лондонским зданием Shard.

Как и первые пирамиды, самое раннее поколение небоскребов может быть и самым надежным. Когда самолет B-52 врезался в Эмпайр-стейт-билдинг в 1945 году, это здание открыли через пару дней. «В начале 20 века все просчитывалось вручную, поэтому инженеры добавляли лишней стали на всякий случай», говорит Агравал. Хотя Эмпайр-стейт-билдинг в два раза ниже Бурдж, оно весит на две трети больше.

Современные материалы нужны везде Строительной индустрии нужна робототехническая революция

В дополнение ко всем обычным рискам, здание в облаках несет и собственный вес. Чтобы дожить до 7 000 года нашей эры — то есть, прожить столько же, сколько прожили пирамиды — небоскребы должны тысячи лет бороться с дождем, ветром и грозами.

«Особенную проблему для высоких зданий представляет ветер», говорит Билл Бейкер, инженер-конструктор Бурдж. Когда ветер проносится мимо обтекаемого объекта, вроде дерева или фонарного столба, он закручивается в один организованный порыв, который обходит объект сначала слева, потом обратно справа, потом опять слева, и из-за смены направлений ветра объект раскачивается. При сильном ветре Бурдж может раскачиваться до полутора метров в каждом направлении.

Беда в том, что чем выше, тем быстрее ветер. Чтобы не позволить небоскребам упасть — а живущих наверху избавить от морской болезни — инженеры разрабатывают здания неправильной формы, которые мешают ветру и разрушают его организацию. С архитектурной точки зрения здание может казаться слишком навороченным, но отличительные зазубренные профили Бурдж и Shard больше для безопасности, чем для красоты.

Их не раскачает даже ураган. «Если это обычное здание, оно должно уметь и противостоять урагану, который случается раз в 700 лет», говорит Бейкер. Важные здания вроде Бурдж-Халифа смогут справиться и с событиями, которые происходят раз в несколько тысячелетий.

И есть еще молния. Объединенные Арабские Эмираты, где находится Бурдж, испытывают около 10 гроз в год. Один удар молнии в миллиарды вольт по силе может сравниться с ядерным реактором. «Я был в Дубае во время грозы и Бурдж похож на молниеотвод для всего города — каждую минуту в него бьет молния», говорит Бейкер.

К счастью, решение есть. Во время строительства, стальная оболочка здания связывается воедино — каждый стальной прут, каждая оконная рама — вплоть до самого основания. И работает в качестве гигантской клетки Фарадея, защитного корпуса, похожего на проволочную сетку на микроволновых печах, который сохраняет содержимое в безопасности, ограничивая его от электричества. «Я говорил с рабочими бригадами после особенно мощных гроз, и они не наблюдали никаких повреждений», говорит Бейкер.

Даже во время землетрясений небоскребы чрезвычайно хорошо держатся. Чем быстрее трусит, тем даже лучше. Все дело в такой вещи, как резонанс. Если земля трясется с частотой, соответствующей скорости раскачивания здания, оно будет раскачиваться все быстрее и быстрее, пока не рухнет, возможно. «Узкие здания придется дольше раскачивать взад и вперед — для Бурдж это 11 секунд — поэтому оно будет двигаться, но не рухнет», говорит Бейкер.

Но оно не совсем безотказное: подобно тому, как мы ломаем скрепки, многократно их сгибая и разгибая, если сталь тревожить слишком часто, она лопнет.

Куда большую опасность представляет собой вода.

В 1930-х годах 96 из 100 самых высоких зданий мира были сделаны из стали. Сегодня же, большинство городских зданий строят из бетона, армированного сталью (железобетон), который сочетает в себе прочность на разрыв (способность противостоять растяжению) металла и прочность на сжатие (способность противостоять сдавливанию) камня.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

При хранении в сухом месте, железобетон — это удивительный материал, который может храниться вечно. Но в районах с высоким уровнем осадком, слабые кислоты в воде медленно реагируют с известняком в цементе и выносят его — сталь ржавеет и в здании появляются дырочки.

«То, что пирамиды находятся в сухой среде, невероятно важно», говорит Мишель Барсум, материаловед в Университете Дрекселя в Филадельфии. Даже в высушенной солнцем Сахаре первые пирамиды падали под разрушительным воздействием воды.

В течение многих лет считалось, что египтяне в конце концов это поняли и научились вырезать блоки с более плотной посадкой, но как именно — так и осталось загадкой. Затем, в начале 2000-х, кто-то наконец догадался изучить породы под микроскопом высокого разрешения. Это был Мишель Барсум и он подметил, что эти породы не были природным известняком, а скорее были слеплены из ранней формы цемента.

Будучи экспертом по керамике — Барсум никогда не изучал пирамиды — он не смог устоять перед заманчивой перспективой выяснить всё наверняка. Глубоко внутри древних блоков он обнаружил красноречивые подказки: микроскопические водоросли, диатомовые, жесткая оболочка которых была частично размыта щелочным цементом. «Около 90% пирамиды сделано из резного камня, остальное — отливка», говорит Барсум.

Египтяне делали свои камни из четырех основных компонентов: известняка, извести, воды и грязи. Они реагируют между собой с образованием химического клея. Самое важное то, что по мере старения клей возвращается к исходному состоянию компонентов, превращая цемент обратно в камень. «Пахнет и выглядит он как природный известняк», говорит Барсум.

Но если основная бетонная оболочка небоскреба будет относительно прочной, судьба окон в ней менее прозрачна. Стекло весит как гранит и имеет жесткость алюминия; понадобится 10 тонн давления, чтобы раздавить кубический сантиметр. Даже морю понадобится 50 лет обтачивания, чтобы превратить стекло в цветную гладкую гальку на пляже. И тем не менее, стекло не совершенно. Оно может спонтанно треснуть. Никто не знает, почему.

Вам будет интересно: Сварить стекло и металл? Теперь это возможно

Даже при двойном слое стекла, если их не поддерживать, большинство окон продержатся недолго. «На стекло не особо влияет окружение, но из-за вибраций ветра, гроз и прочего воздействия и оно в конце концов бьется», говорит Константинос Цавдаридис, материаловед из Университета Лидса.

Наконец, не стечет ли стекло в конце концов в нижнюю часть рамы? Эта мысль основана на том, что средневековые окна, как правило, были толще в нижней части и что стекло, по сути, является чрезвычайно вязкой жидкостью: и за сотни лет стекло может стечь в нижнюю часть рамы.

В 1998 году эта популярная идея была решительно опровергнута группой физиков, которые рассчитали, что понадобится время, «которое будет значительно больше возраста вселенной», чтобы при комнатной температуре произошли хоть какие-либо заметные изменения в стекле. Неравномерная толщина древних стекол была совершенно случайной — сделать ровное стекло пару сотен лет назад было не так уж просто.

Так смогут ли современные небоскребы заставить время бояться их?

Билл Бейкер думает, что вполне. «Строительные материалы в наше время вполне хороши. За исключением тех моментов, когда они подводят, и если их поддерживать».

Агравал согласен. «Если за ними ухаживать, почему бы и нет».

По мнению Константиноса, бетонные конструкции продержатся дольше, поскольку ржавчина, которая образуется в железобетоне, его убивает. А вот Редфорд сомневается в том, что наши здания смогут продержаться достаточно долго. В конце концов, это функциональные структуры, которые просто выполняют свою задачу. Их проще будет бросить. Большинство небоскребов будет снесено еще до того, как упасть. В конце концов, Великая пирамида была не единственным удивительным зданием 4500 лет назад.

Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.

Так называемый Лабиринт, как говорят, был еще более необычным. «Когда греческий историк Геродот увидел его, у него перехватило дыхание. Он не мог описать размер и вес крупнейших блоков, которые входили в здание», говорит Редфорд. Такого здания сегодня не найдешь. Лабиринт разграбили, а его кирпичи использовали для строительства других зданий. Если пройти по улицам старого Каира и поизучать основания старых зданий, иногда можно встретить иероглифические надписи с того самого здания.

Если мы не будем сносить небоскребы, например, Нью-Йорка, и они не упадут, то при нынешних темпах строительства к 7000 году будет 10 000 зданий высотой больше 160 метров. Возможно, нам будет чем гордиться. Чем мы хуже древних египтян?