Практически все объекты обладают тем, что инженеры и физики называют «собственной частотой», то есть определенным ритмом вибрации или колебания при воздействии внешнего стимула. Это относится к объектам в области архитектуры и строительства так же, как и ко всем остальным. Мосты, небоскребы, телекоммуникационные вышки, стадионы и здания в целом реагируют на внешние стимулы одинаково, хотя мы редко это замечаем: они вибрируют или колеблются. То же самое верно для струны гитары при щипке и для высокого небоскреба, качающегося на ветру.

Однако естественное покачивание или вибрация объектов, в том числе в архитектуре и строительстве, могут перерасти в резонанс при сочетании с дополнительной вибрацией — такой как ветер, работа механизмов, ритмичные шаги пешеходов или землетрясение — приложенной в нужное время и с нужной частотой. Это опасное явление, которое может привести к обрушению моста или раскачиванию небоскреба.

Лучший способ визуализировать этот процесс — представить, как вы качаете ребенка на качелях. Каждый новый толчок добавляет энергию к предыдущему, заставляя качели подниматься выше. В конструкции или здании механика идентична: каждый цикл колебаний получает новый приток энергии, который добавляется к предыдущему. В результате происходит резкое увеличение амплитуды колебаний.

История архитектуры, строительства и инженерии полна ярких примеров этого явления, некоторые из которых стали предметом изучения для многих поколений студентов-инженеров. Пожалуй, самым известным примером является обрушение моста Такома-Нэрроуз в штате Вашингтон, США, в 1940 году.

В тот день ветер дул с такой силой, что подвесной мост начал резонировать. Возникшие в результате крутильные волны были настолько сильными, что стальная и бетонная конструкция начала колыхаться, как лента, пока, наконец, не разрушилась и, к счастью, без жертв, не упала в воды пролива.

Спустя полвека мост Миллениум в Лондоне, Великобритания, стал местом еще одного тревожного инцидента. В день его открытия в 2000 году тысячи пешеходов одновременно пересекли новый надземный пешеходный переход через Темзу. Не подозревая об этом, они синхронизировали свои шаги с боковыми колебаниями моста, и вибрации усилились настолько, что властям пришлось закрыть его через несколько часов. Мост оставался закрытым в течение нескольких месяцев, пока не были установлены демпферы, которые устранили резонансный эффект.

Даже армии научились мириться с этим явлением. Чтобы постоянный, одинаковый ритм шагов военной колонны не совпадал с естественной частотой моста и не вызывал повреждений конструкции, в приказах о марше предусмотрено «разбивать строй» и десинхронизировать шаг при пересечении мостов.

Сегодня инженеры располагают целым арсеналом технологий, воздействующих на конструкцию или ее взаимодействие с окружающей средой, благодаря чему критические частоты никогда не достигаются в нормальных условиях эксплуатации. Амортизаторы и противовесы — технически известные как инерционные демпферы или демпферы массы (Tuned Mass Dampers или TMD), — устройства, аналогичные автомобильным подвескам, которые устанавливаются в стратегически важных точках для улавливания и рассеивания энергии вибрации.

Наиболее ярким примером является небоскреб Taipei 101 на Тайване. В нем установлен гигантский стальной шар весом 660 тонн, подвешенный у верхнего этажа. Эта масса движется в направлении, противоположном ветру или сейсмической активности, тем самым стабилизируя башню и предотвращая ее раскачивание до того, как оно достигнет опасных амплитуд.

Другая стратегия предполагает изменение жесткости конструкции еще на начальном этапе проектирования. Это включает в себя изменение ее геометрии или используемых материалов таким образом, чтобы ее собственная частота резко отклонялась от диапазона обычных воздействий окружающей среды, таких как порывы ветра или проезжающие транспортные средства.

Рауль Сориано, старший специалист по моделированию Отдела архитектуры Amusement Logic