Существует ли теоретический предел максимальной высоты небоскреба с инженерной точки зрения?

Современные небоскребы уже давно перешагнули отметку в 800 метров: Бурдж-Халифа в Дубае (828 метров) и строящаяся башня Джидда в Саудовской Аравии (1008 метров) доказывают, что человек способен «взбираться» все выше. Но есть ли предел? Ученые и инженеры спорят, насколько высоким может стать здание, прежде чем законы физики и технологии скажут «стоп».

Первый небоскреб — 10-этажный Home Insurance Building, высотой 54,9 метра — появился в Чикаго в 1885 году. Стальной каркас и безопасные лифты сделали возможным вертикальный рост городов. К 1931 году Эмпайр-стейт-билдинг достиг 443 метров. Сегодня технологии позволяют строить в три раза выше, но каждый новый метр требует решения десятков проблем: от прочности материалов до логистики тысяч жителей.

Основная нагрузка в небоскребах ложится на каркас. Современные сплавы стали и бетона выдерживают колоссальное давление, но масса здания увеличивается пропорционально высоте. Например, Бурдж-Халифа весит 500 000 тонн. Если удвоить высоту, нижние этажи придется расширять до абсурдных размеров, чтобы выдержать нагрузку.

Ученые экспериментируют с углепластиком и нанотрубками — они прочнее стали и легче. Однако производство таких материалов в промышленных масштабах пока слишком дорого.

Небоскреб давит на грунт с силой до 10 мегапаскалей — как три Эйфелевы башни на площадь теннисного корта. В Дубае фундамент Бурдж-Халифы углублен на 50 метров и укреплен 192 сваями. Для здания высотой 2–3 км потребуется либо идеально стабильный грунт, как гранитная плита, либо принципиально новые методы распределения нагрузки, например, гибридные конструкции с внешними опорами.

На высоте 500 метров скорость ветра достигает 45 м/с. Колебания могут раскачивать здание и разрушить конструкцию. В тайваньском небоскребе Тайбэй 101 установлен 660-тонный маятник-гаситель, который компенсирует колебания. Для километровых башен инженеры предлагают динамические системы с датчиками и автоматической балансировкой. Но чем выше здание, тем сильнее резонансные явления — ошибка в расчетах грозит катастрофой.

В Бурдж-Халифе лифты поднимаются со скоростью 10 м/с, но для зданий выше километра этого недостаточно. Тросы из стали рвутся под собственным весом уже на 1,5 километрах. Альтернатива — канаты из углеродного волокна или магнитные лифты без тросов, как в поездах на магнитной подушке. Такие технологии существуют, но их внедрение увеличит стоимость строительства в разы.

Теоретически предел высоты небоскреба — около четырех километров, если использовать материалы вроде алмазных нанитей. Цифра в четыре километра — не фантазия, а результат теоретических расчетов, основанных на свойствах гипотетических материалов будущего. Ученые моделируют пределы прочности конструкций, используя законы физики и данные о современных и перспективных технологиях.

Главный «кандидат» для сверхвысоких зданий — углеродные нанотрубки или их улучшенная версия — алмазные нанитей (DNT). Эти структуры теоретически выдерживают растяжение до 130 гигапаскалей (сталь — около 0,5 ГПа). Если сплести из них тросы и каркас, можно снизить вес здания и увеличить допустимую высоту. В 2005 году группа ученых из Университета Райса (США) подсчитала: материал с прочностью 100 ГПа позволит построить башню высотой до четырех километров.

На высоте четырех километров масса здания создаст давление на основание около 1000 МПа. Современные бетоны разрушаются уже при 50 МПа. Но если каркас сделать из сверхлегких и сверхпрочных композитов, нагрузка распределится равномернее. Например, нанотрубки в шесть раз легче стали при той же прочности. Это снижает общую массу конструкции, уменьшая давление на фундамент.

В 2021 году инженеры Массачусетского технологического института (MIT) смоделировали башню высотой 3,7 километров с использованием армированного графеном бетона и композитных балок. Модель показала: при отсутствии ветра и идеальной почве конструкция не разрушится под собственным весом. Однако в реальности ветровые нагрузки сократят этот предел.

Четыре километра — теоретический максимум, где материал сопротивляется только гравитации. В реальности ветер, сейсмика, перепады температур и логистика снизят планку. Например, на этой высоте ветер может достигать 70 м/с, а температура у основания и верхушки будет различаться на 25 градусов Цельсия. Эти факторы не учитывают в «идеальных» моделях.

Четыре километра — не гарантия, а ориентир, который показывает: если создать материалы с определенными свойствами, законы физики не запрещают строить так высоко. Но сегодня даже двухкилометровый небоскреб — почти нереальная задача.

-----

Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.

Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости