Сверхтонкие здания могут издавать пугающие звуки при раскачивании, но консультанты по акустике говорят, что у них есть решение.
В последние годы в крупных городах, таких как Нью-Йорк, появилось новое поколение небоскрёбов, таких высоких и тонких, что кажется, что они должны рухнуть от лёгкого ветерка. Судя по всему, многие из них звучат. «В ветреный день были буквально такие звуки, почти как выстрелы из оружия. Это был громкий скрип, а затем «Хлоп! Хлоп! Хлоп!» Поэтому я назвала этот процесс «Щелчок, Треск, Хлоп», — сказала Бонни Шнитта, основатель и генеральный директор нью-йоркской акустической консалтинговой фирмы SoundSense, вспоминая то, что она услышала в своей первой «карандашной башне», над которой она работала в 2016 году.
По словам Шнитты, здания совершенно безопасны, но такие шумы могут беспокоить и пугать жителей. В ноябре на собрании Американского акустического общества в Сиэтле Шнитта представила то, что она и её команда узнали, решая проблемы со звуком в тонких небоскрёбах. Суть, по её словам, в том, что строение должно быть достаточно гибким, чтобы двигаться, когда ветер заставляет всю конструкцию раскачиваться.
Качающиеся башни
Все высокие здания качаются. «Они не могут не создавать колебания», — сказал Джон Оксендорф, инженер-строитель из Массачусетского технологического института, не участвовавший в проекте.
«Вся хитрость заключается в том, чтобы спроектировать здания так, чтобы их обитатели никогда не чувствовали движения».
Когда люди чувствуют движения, это проблема комфорта, а не безопасности, сказал Адриан Брюггер, директор Лаборатории прочности материалов Роберта А. В. Карлтона в Колумбийском университете, который также не участвовал в проекте. Люди склонны ощущать изменения ускорения больше, чем само движение, поэтому то, что человек чувствует, не всегда соответствует тому, что происходит.
Например, когда самолёты взлетают, обычно есть момент, вовремя которого ускорение замедляется, и пассажиры могут почувствовать, что самолёт падает. Подобные иллюзии могут возникать в зданиях, особенно когда люди пытаются заснуть. «Вы можете весь день находиться в офисном здании, которое на самом деле перемещается в 10 раз больше, чем ваш дом», — сказал Брюггер. «Если бы вы прямо сейчас легли в своём офисном здании и закрыли глаза, вы бы вдруг почувствовали, как шевелится пол».
Другой способ, которым движение здания может беспокоить жильцов, — это создание шума. По словам Брюггера, жители небоскрёбов могут быть уверены, что большая часть шума создаётся не опорными конструкциями, которые спроектированы так, чтобы изгибаться и двигаться как единая система. Вместо этого они вызваны такими компонентами здания, как трубы, воздуховоды и внутренние стены, которые не отвечают за удержание здания.
Такие части могут тереться и испытывать давление в местах соединения с остальной частью архитектуры.
«Эти движения, как правило, очень, очень малы, те самые, которые создают эти шумы. Иногда они могут быть столь же малы, как просто металлическая шпилька, проскальзывающая с одной резьбы винта на другую», — сказал Адам Уэллс, инженер-акустик из CDM Stravitec в Нью-Йорке.
В общем, чем выше и тоньше здание, тем сильнее оно раскачивается. Классические небоскрёбы мало двигаются, потому что они относительно приземистые. Эмпайр Стейт Билдинг, например, примерно в семь с половиной раз выше своей самой тонкой стороны, включая шпиль; если смотреть с ребра, он имеет примерно ту же форму, что и картонная трубка в рулоне бумажных полотенец.
Фото: architizer.com
Теперь представьте, что вы берёте три таких картонных тубы и ставите их друг на друга. Но такая конструкция будет всё ещё толще, чем Steinway Tower в Нью-Йорке высотой 435 метров. Менее экстремальная башня на Парк-авеню, 432, высота которой в 15 раз больше, чем ширина. Эти башни обязаны своим существованием недавним достижениям в области материалов и техники, а также ограниченному пространству, которое вынуждает разработчиков строить, а не расширять.
«Карандашные башни» построены из более жёстких материалов, чем в традиционных зданиях, чтобы компенсировать их повышенную склонность к раскачиванию. Тем не менее, Оксендорф полагает, что большинство башен-карандашей перемещаются больше, чем традиционные здания такой же высоты. «Гибкость возрастает в геометрической прогрессии с таким тонким соотношением сторон», — сказал он.
От шума к тишине
В первой башне-карандаше, с проектировкой которой помогала Шнитта, пара приобрела целый этаж здания, пустой, за исключением наружных стен и шахты лифта. Они планировали построить там дом своей мечты, живя в арендованной квартире двумя этажами ниже, пока наблюдали за строительством.
Но шумы, в том числе звуки, похожие на выстрелы, были настолько ужасны, что они были готовы отказаться от своих планов и уйти.
Представитель владельца здания, архитектор и подрядчик обратились к Шнитте в надежде убедить жителей продолжить проект. Чтобы выяснить, что вызывает шум, Шнитта и её коллеги провели измерения звука и использовали акселерометры для измерения движения здания. Они обнаружили раскачивание из стороны в сторону, а также скручивающие движения, которые концентрировали шумы на определенных уровнях, делая одни этажи громче других. Они обнаружили, что звуки были вызваны разницей между движениями вверх и вниз.
Самые высокие части здания раскачиваются через самые большие арки, а основание остается неподвижным, потому что оно закреплено в земле. То же самое верно и в меньшем масштабе для отдельных этажей. «Если потолок двигается больше, чем пол, то есть момент, когда эта жесткая конструкция напрягается, а затем внезапно она должна совершить это движение, и происходит «щелчок» или «хлопок», — сказала Шнитта.
Чтобы решить эту проблему, команда SoundSense использовала устройства, называемые втулками, которые создают гибкие соединения между внутренними стенами и потолками и полами, с которыми они соединяются. Когда они установили устройства в макетной комнате на полу, купленном клиентами, большая часть звука исчезла. Чтобы заглушить оставшиеся скрипы и стоны, Шнитта и её коллеги использовали такие приёмы, как нанесение резинового материала на стыки между металлическими частями архитектуры для гашения вибраций. Такие компоненты, как воздуховоды и трубы, должны были быть изолированы от частей конструкции, к которым они были подключены, чтобы каждая точка контакта могла двигаться.
Супружеская пара, купившая этаж, решила сохранить недвижимость.
Шнитта подчеркнула, что решения должны разрабатываться индивидуально для каждого здания и ситуации.
Уникальная архитектура здания, то, как ветер направляется окружающими зданиями, и чувствительность жильцов — всё это играет роль. Создание гибких соединений между жёсткими частями зданий — это проверенный и надёжный подход к решению проблем со звуком, отметил специалист по акустике Майк Рэйли. Это похоже на пружины в вашем автомобиле, которые поглощают удары от движения шин, чтобы кузов автомобиля не раскачивался. (Компания Рэйли, PAC International, производила некоторые продукты, которые использовала команда Шнитты.)
Но экстремальные пропорции новых небоскрёбов делают ещё более важным использование всех доступных инструментов. «Это такая уникальная вещь, эти большие, высокие башни-карандаши», — сказал Рэйли. «Звучит так, будто вы находитесь на тонущем корабле или как на подводной лодке, которая ушла слишком глубоко. Это действительно тревожит».