Jego wysokość problem

Dziś wieżowce rosną tak szybko jak ceny gruntów, na których stoją. W ciągu ostatnich 20 lat wartość ziemi w metropoliach takich jak Londyn czy Nowy Jork skoczyła nawet sześciokrotnie - za hektar ziemi płaci się ponad 10 milionów dolarów. Nic dziwnego, że inwestorzy starają się wydusić z każdego metra tyle, ile tylko się da. Właściciel dwu-trzyhektarowej działki może na niej zbudować kilkupiętrowy budynek, w którym zmieszczą się biura dla tysiąca osób, lub - jeśli go na to stać - zainwestować w wieżowiec. Największe mieszczą kilkanaście tysięcy osób i mają całkowitą powierzchnię użytkową nawet kilkanaście razy większą niż działka, na której stoją. Jeśli w dodatku są wyjątkowo wysokie, z pewnością przyciągną tłumy turystów gotowych zapłacić za wjazd na sam szczyt budynku.

Jednak wieżowce to nie tylko doskonały interes. Po przekroczeniu granicy kilku pięter konstruktorzy takich gigantów zaczynają napotykać coraz poważniejsze problemy. Z pewnością na pierwszym miejscu jest dziś kwestia bezpieczeństwa. 11 września pokazał, że trzeba się liczyć z nawet najbardziej niezwykłymi zagrożeniami. Ale czy w ogóle da się obronić przed tego rodzaju atakami? Analizując zdarzenia sprzed 4,5 roku, skupiono się na tym, dlaczego właściwie obie wieże World Trade Center runęły. Czas, jaki upłynął od uderzeń samolotów do zawalenia się budynków, wskazywał, że wewnątrz konstrukcji stosunkowo wolno zachodziły zmiany, które ostatecznie doprowadziły do katastrofy.

Komisja amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii przeprowadziła śledztwo, w którym wzięło udział 200 specjalistów. Zbadali oni szczątki obu wież, przesłuchali ponad tysiąc świadków, przeczytali dziesiątki tysięcy stron dokumentów. Efektem ich pracy był wydany w zeszłym roku raport, który stwierdził, że zawaleniu się wież były winne niedoskonałości techniczne budynków. Wbijający się samolot uszkodził nie tylko ściany zewnętrzne, ale też osłony termiczne podłogi i centralnie umieszczone kolumny będące kręgosłupem budynku. Płomienie, jakie powstały po zderzeniu, spowodowały zapadnięcie się podłóg oraz przemieszczenie centralnych słupów konstrukcyjnych, a w efekcie zawalenie obu budynków. Raport podkreśla, że oba wieżowce zapewne stałyby do dzisiaj, gdyby nie uszkodzenie ognioodpornych materiałów osłaniających główne elementy konstrukcji.

Innego zdania są specjaliści międzynarodowej firmy inżynierskiej Arup. Choć zgadzają się, że zawalenie się to wina szalejących płomieni, uważają, że osłony przeciwpożarowe nic by tu nie zmieniły. Ich zdaniem problem tkwi w samym sposobie konstruowania wielkich budowli. Ich masa opiera się w znacznej części na długich elementach odlanych z jednolitej stali. Takie słupy pod wpływem wysokich temperatur mogą się znacznie rozszerzać, powodując pękanie konstrukcji. Zdaniem specjalistów Arupa już 10-metrowy element podgrzany podczas pożaru może rozszerzyć się tak, że naruszy stabilność budynku. W wieżach WTC zastosowano elementy mające nawet po 20 metrów. Arup twierdzi, że projektanci większości współczesnych budynków ze względu na koszty stosują zbyt długie odcinki stali, nie dzieląc ich odpowiednimi przerwami. Składanie szkieletu domu z mniejszych fragmentów jest znacznie droższe, choć w krytycznej sytuacji może decydować o przetrwaniu całej konstrukcji. Wnioski ze spostrzeżeń firmy Arup są znacznie poważniejsze,
niż mogłoby się wydawać. Wygląda na to, że do zawalenia się wysokich budynków wcale nie trzeba uderzenia samolotu. Wystarczyłby potężny pożar, który nierównomiernie nagrzewając konstrukcję, spowodowałby jej wygięcie i zawalenie. Oczywiście rozprzestrzenianiu się ognia mają zapobiegać rozbudowane systemy przeciwpożarowe, ale są one zaprojektowane tak, by stłumić ogień w zarodku. Jeśli z jakiegoś powodu pożar rozprzestrzenia się zbyt szybko, jego ugaszenie może stać się niemożliwe.

W sytuacjach zagrożenia ogromnym problemem zaczyna być ewakuacja. W najwyższych budynkach, takich jak Sears Tower w Chicago czy Taipei 101 na Tajwanie, pracuje nawet kilkanaście tysięcy osób - tyle, ile mieszka w mieście wielkości Władysławowa. W razie pożaru, trzęsienia ziemi czy ataku terrorystycznego ta masa ludzi powinna w ciągu kilkunastu minut opuścić budynek, przechodząc przez wąskie gardła, takie jak klatki schodowe czy drzwi na parterze. Dla pracujących na niższych piętrach jest to dosyć proste, ale ludzie mający do pokonania nawet kilkaset metrów w pionie mogą nie zdążyć. Dlatego coraz częściej okazuje się, że nie można polegać tylko na klatkach schodowych. Dziś w razie pożaru wszystkie windy w budynku natychmiast zjeżdżają na parter i tam zatrzymują się z otwartymi drzwiami, by uniknąć uwięzienia w nich ludzi lub urwania się kabin. Jednak inżynierowie pracują nad wzmocnionymi konstrukcjami, które dzięki zapewnieniu niezależnego źródła zasilania mogłyby działać również w czasie pożaru,
przyspieszając ewakuację z górnych pięter.

Specjaliści opracowujący plany ewakuacji wysokich budynków rozpoczęli właśnie realizację projektu, w ramach którego zostanie przesłuchanych dwa tysiące osób, które ewakuowały się z różnych miejsc WTC. Będą z nimi rozmawiać naukowcy zajmujący się tworzeniem programów komputerowych symulujących zachowanie się ludzi w krytycznych sytuacjach. Takie systemy pozwalają ocenić, czy zaprojektowane wyjścia i klatki schodowe umożliwią sprawne wyprowadzenie z rejonu zagrożenia wszystkich ludzi. Starają się odtworzyć decyzje podejmowane, gdy człowiek działa pod wpływem stresu - czy raczej wbiegnie w zadymioną klatkę schodową, czy może ucieknie na dach? Szczególnie cenne są obserwacje dotyczące zachowania się dużych grup ludzi, bo z tym komputery wciąż sobie nie radzą. Okazuje się, że podczas ewakuacji WTC tworzyły się grupy uciekinierów, którzy podążali za jednym przywódcą, pozostawiając mu podejmowanie najtrudniejszych decyzji. Masz 15 sekund!

Choć specjaliści wciąż pracują nad rozwiązaniami mającymi działać w sytuacjach ekstremalnych, okazuje się, że nie mniejszym wyzwaniem jest zapanowanie nad zupełnie codziennymi sprawami. Godzina 8.50 rano, jeden z wielkich wieżowców, w których pracuje 10 tysięcy osób. 80 pięter, na które dotrzeć można tylko w jeden sposób - windą. Dwa razy dziennie wszyscy naraz próbują jak najszybciej przecisnąć się przez to wąskie gardło. Mimo że w budynku jest ponad 60 wind, nie ma cudów - rano i po południu trzeba chwilę poczekać. Okazuje się, że to znacznie poważniejszy problem, niż mogłoby się wydawać. Badania pokazują, że jesteśmy gotowi oczekiwać na windę nie dłużej niż 15 sekund. Po upływie tego czasu człowiek zaczyna się niecierpliwić. Po 40 sekundach ludzie zaczynają być wyraźnie zirytowani - pojawiają się uwagi o "tych cholernych windach" i sugestie, że szybciej można by wejść po schodach. Tymczasem najszybsza winda na świecie, która działa w mającym 101 pięter budynku Taipei 101, wjeżdża z prędkością niemal 17
metrów na sekundę (61 kilometrów na godzinę), a zjeżdża, osiągając 9 metrów na sekundę. Wjazd bez postoju na taras widokowy na 89. piętrze, wymiana pasażerów i powrót zajmują jej ponad trzy minuty. Tyle trwałoby wejście po schodach na trzecie piętro. Winda porusza się w takim tempie nie ze względu na ograniczenia techniczne, ale żeby pasażerowie przetrwali tę podróż. Różnice ciśnienia między parterem a najwyższymi piętrami położonymi 500 metrów nad ziemią są tak duże, że człowiek nie nadąża z wyrównywaniem ciśnień w uchu wewnętrznym. Problem jest szczególnie silnie odczuwalny przy zjeżdżaniu - to dlatego winda opada znacznie wolniej.

W Taipei 101 zastosowano specjalny system wyrównywania ciśnień. "Dekompresja" zaczyna się natychmiast, gdy zamkną się drzwi, na kilka sekund przed ruszeniem windy. Dzięki temu człowiek ma więcej czasu na dostosowanie się do zmian ciśnienia. W Sears Tower, który powstał w latach 70., nie uwzględniono tego czynnika i konieczne było spowolnienie ruchu kabiny, po tym jak jednemu z pasażerów pękła błona bębenkowa. Aby rozładować powstające korki, wprowadza się windy dwupiętrowe. Pasażerowie jadący na piętra nieparzyste wsiadają do dolnej kabiny, a na parzyste - do górnej. Stosuje się też coraz bardziej zaawansowane algorytmy sterowania ruchem wind. Potrafią omijać piętra, gdy są przeładowane, o określonych porach gromadzić się w pobliżu najbardziej obciążonych pięter czy nawet oszukiwać oczekujących, pokazując, że kabina jest już na jego piętrze, podczas gdy w rzeczywistości pędzi 30 metrów wyżej. Stosuje się też inne sztuczki mające rozładować napięcie oczekiwania. Sprawdzonym sposobem jest montowanie wielkich
luster, które sprawiają, że widzący swoje nerwowe dreptanie ludzie nieco się uspokajają. W nowoczesnych budynkach instaluje się też duże ekrany wyświetlające relaksujące widoki - łany zbóż czy falującą wodę.

Osobną dziedziną "windologii" jest planowanie systemów zamykania drzwi. Standardowo czas zasuwania automatycznych drzwi wynosi około 4,5 sekundy. Mimo to pasażerowie dostają białej gorączki i z uporem maniaka naciskają po kilka razy przycisk zamykania drzwi. Nie przeszkadza im wcale, że w wielu budynkach administratorzy wyłączają go całkowicie, chcąc uniknąć skarg osób przyciętych przez drzwi, które zamykają się na żądanie niecierpliwych użytkowników. Dziś powstają już budynki mające ponad pół kilometra wysokości, a w planach są konstrukcje sięgające nawet 700 metrów. Co ciekawe, materiały, z których powstają, niemal nie zmieniły się od ponad pół wieku. Nadal króluje beton i stal. Najpierw powstają sięgające kilkadziesiąt metrów pod ziemię fundamenty, na których opiera się stalowa kratownica obudowana betonem. W takiej konstrukcji ściany zewnętrzne muszą utrzymać tylko swój własny ciężar - mogą być zrobione praktycznie z samego szkła. O nowszych materiałach wciąż tylko się mówi. Zapowiadano już zastąpienie
stali i betonu kompozytami węglowymi, które miałyby dać budynkom niezwykłą elastyczność i odporność na wstrząsy sejsmiczne. Jednak żaden z projektów zaplanowanych na najbliższe 5-10 lat nie uwzględnia zastosowania takich nowinek. Te "przyziemne" problemy powodują, że wizja budowania domów-miast, w których mają mieszkać już nie tysiące, lecz dziesiątki i setki tysięcy osób, wydaje się znacznie odleglejsza, niż to obiecują konstruktorzy wizjonerzy. Inaczej chorobą przyszłości stanie się nerwica wysokościowa.

Piotr Stanisławski