Подвижные этажи могут сократить расход бетона в небоскрёбах
Инженеры предложили использовать часть верхних этажей высотного здания как встроенный демпфер, который гасит колебания от ветра и землетрясений. При испытании модели 300-метровой башни система уменьшила пиковые ускорения до 71%, а опрокидывающий момент у основания — до 50% по сравнению с традиционной жёсткой конструкцией.
Разработку 3 августа 2026 года представил Имперский колледж Лондона, а 6 августа о ней сообщили научные и отраслевые издания. Само рецензируемое исследование опубликовано 24 июня в журнале Nature Communications.
Для производителей бетона и проектировщиков особенно важен возможный практический эффект: уменьшение расчётных нагрузок позволяет рассматривать более экономичные сечения ядра, колонн и фундамента. Однако снижение нагрузки на 50% не означает автоматического сокращения расхода бетона на те же 50%. Реальную экономию материалов ещё предстоит определить при проектировании и испытании полноразмерного здания.
Как работают подвижные этажи
Во многих современных высотках колебания уменьшают при помощи настроенного массового демпфера. Обычно это отдельный тяжёлый груз в верхней части здания, соединённый с конструкцией пружинами и амортизаторами. Двигаясь в противофазе, он снижает раскачивание башни.
У традиционного решения есть ограничения. Дополнительная масса занимает полезное пространство, требует усиления конструкций и обычно составляет лишь 1–2% массы здания. Кроме того, настроенный демпфер наиболее эффективен в определённом диапазоне частот.
Новая система не добавляет специальный груз. В качестве демпфирующей массы используются уже существующие верхние этажи. Их перекрытия могут совершать небольшие горизонтальные перемещения относительно центрального ядра, а пружины и вязкостные демпферы контролируют движение и рассеивают энергию.
Авторы сравнивают принцип с устройством традиционных японских пагод, элементы которых способны немного смещаться относительно друг друга и за счёт этого лучше переносить динамические воздействия. В современной высотке движение должно быть строго рассчитанным и почти незаметным для людей.
Что именно испытали исследователи
В качестве прототипа инженеры рассмотрели 65-этажное здание высотой 300 метров со стальным связевым ядром. Верхняя часть башни была динамически отделена от ядра на уровне перекрытий и соединена с ним пружинами и жидкостными вязкостными демпферами.
Для проверки изготовили аэродинамическую модель в масштабе 1:300. Её параметры подбирали с помощью цифровой модели и генетического алгоритма, чтобы воспроизвести распределение массы, жёсткость, собственные частоты и формы колебаний полноразмерного здания. Испытания проводили в аэродинамической трубе при разных скоростях и направлениях воздушного потока.
По результатам эксперимента:
-
пиковые ускорения по направлению ветра уменьшились до 71%;
-
поперечные ветровые ускорения снизились до 58%;
-
поперечная сила у основания уменьшилась до 46%;
-
опрокидывающий момент снизился до 50%;
-
эквивалентное демпфирование достигло 6,3% против примерно 0,8% у исходной модели.
Заметный эффект сохранился даже при использовании в качестве подвижной массы только 12 верхних этажей. При ветре с периодом повторяемости 10 и 50 лет максимальные относительные перемещения перекрытий и ядра оставались менее 50 мм. Авторы считают, что такие смещения можно учесть при помощи уже применяемых деформационных швов, гибких соединений инженерных систем и огнестойких заполнений.
Как система ведёт себя при землетрясении
Помимо аэродинамических испытаний, исследователи провели численное моделирование реакции здания на три группы реальных записей землетрясений. По сравнению с жёсткой конструкцией среднее перемещение вершины уменьшилось на 42%, межэтажные перекосы — на 30%, а ускорения — на 34%.
В самой подвижной части эффект оказался выше: ускорения отдельных этажей снижались до 74%. Это может уменьшить не только риск повреждения несущей системы, но и ущерб фасадам, перегородкам, инженерным сетям и оборудованию.
Пока эти значения нельзя переносить на любой проект. Результат зависит от высоты и формы здания, распределения массы, ветрового района, сейсмичности площадки и параметров демпферов. Для районов с сильными землетрясениями потребуется предусматривать более крупные деформационные зазоры и отдельно исключать соударение подвижной и неподвижной частей.
Почему технология может уменьшить расход бетона и стали
Высотные здания рассчитывают не только на вертикальную нагрузку. С увеличением высоты решающими становятся ветер, колебания и опрокидывающий момент. Чтобы ограничить перемещения и обеспечить комфорт, проектировщики увеличивают жёсткость ядра, размеры колонн, количество арматуры и параметры фундамента.
Если демпфирующая система действительно уменьшает динамические усилия, часть конструкций можно оптимизировать. Потенциальная экономия затрагивает:
-
бетон центрального ядра и стен жёсткости;
-
арматуру и стальные связи;
-
колонны и аутриггерные уровни;
-
фундаментную плиту и свайное основание;
-
материалы для ремонта после экстремальных воздействий.
Снижение массы надземной части создаёт дополнительный эффект: на фундамент передаётся меньшая постоянная нагрузка. Это может запустить цепочку последовательной оптимизации, когда уменьшение одного элемента позволяет сделать легче другие.
При этом авторы исследования не опубликовали готовую ведомость материалов и не назвали процент сокращения объёма бетона. Утверждать, что технология позволит использовать вдвое меньше товарного бетона, было бы неверно. Испытания подтвердили снижение динамической реакции и усилий, а материалоёмкость должна определяться для конкретного проекта.
Потребуется ли специальный бетон
Сам принцип не основан на новой рецептуре бетонной смеси. Его можно реализовать с привычными конструкционными материалами и серийными компонентами: пружинами, вязкостными демпферами, подшипниковыми или эластомерными опорами и деформационными швами.
Для железобетонного ядра по-прежнему будут важны высокая и стабильная прочность, удобоукладываемость, модуль упругости, низкая усадка и контролируемое тепловыделение при массивном бетонировании. Поэтому технология не отменяет требования к качеству цемента, щебня, добавок и производственного контроля.
Напротив, оптимизация сечений обычно повышает ответственность каждого кубометра материала. О современных способах улучшения структуры и долговечности смесей Gdebeton.ru рассказывал в статье о нанотехнологиях и бетонах нового поколения.
Когда подвижные этажи появятся в реальных зданиях
Исследование прошло важный этап: идею проверили численно, на вибрационном стенде и в аэродинамической трубе. Команда использовала компоненты, которые уже применяются в высотном строительстве, поэтому для реализации не требуется изобретать принципиально новое оборудование.
Следующим шагом должны стать крупномасштабный подвижный модуль и пилотное применение в реальном проекте. Проектировщикам также предстоит детально отработать фасад, противопожарные преграды, инженерные коммуникации, эксплуатационный контроль и замену демпферов.
Поэтому речь пока идёт не о готовом типовом решении, а о подтверждённой инженерной концепции. Если полноразмерные испытания подтвердят расчёты, технология сможет сделать высотные здания одновременно устойчивее и менее материалоёмкими. В дальнейшем тот же принцип авторы предлагают исследовать для длиннопролётных мостов, морских сооружений, ветрогенераторов и башен связи.