Смогут ли наши небоскребы пережить пирамиды?

Египетские пирамиды были небоскребами своего времени — и продолжают стоять уже 5000 лет. Смогут ли повторить такой подвиг современные высотки? Первые трещины появились в апреле. К 29 июня 1995 года большая сеть трещин расползлась по всему потолку пятого этажа одного из самых оживленных универмагов Сеула. Через несколько часов с крыши донеслись громкие хлопки. Трещины росли.

Было созвано экстренное заседание совета, но председатель категорически отказался от эвакуации, ссылаясь на потерю прибыли. Затем покинул здание.

В пять вечера потолок пятого этажа начал осыпаться. Покупки продолжались как обычно, пока почти час спустя наконец не затрубили тревогу. Но было поздно. Сначала рухнула крыша, а затем подвели и основные опорные стойки здания, в результате чего все южное крыло здания рухнуло в подвал. 1500 человек оказались в ловушке — включая падчерицу председателя — и 502 человека уже никогда из нее не выбрались.

Крах универмага Сампунг представляет собой пример того, насколько хрупкими могут быть современные конструкции. Даже с новейшими материалами, оборудованием и продвинутым пониманием физики, это здание не продержалось и пяти лет, не говоря уже о 5000.

Между тем, египетские пирамиды собирали толпы зевак многие тысячелетия. Землетрясения, эрозия, акты вандализма — пирамиды пережили даже крах цивилизации и превращение Сахары из пышного пастбища в сегодняшнюю огромную пустыню.

Великая пирамида в Гизе — построенная в 2540 году до нашей эры — не имеет себе равных, по материалам, дизайну и инженерии, как среди построенных до нее, так и после зданий. Древнегреческие туристы проходили тысячи километров, чтобы посмотреть на ее блоки, отполированные настолько, что они светились, судя по описаниям; имена путешественников можно найти вырезанными в стенах пирамиды и по сей день.

Клеопатра жила ближе к самому высокому зданию в мире сегодн — Бурдж-Халифа — чем к этой монументальной гробнице. Когда вымерли последние мамонты, ей уже было 1000 лет.

Пирамида в Гизе была небоскребом своего времени, превосходя по высоте любое здание в мире, пока, наконец, около 700 лет назад не был построен собор Линкольна. «Древние египтяне создавали — не люблю это говорить — стартовую площадку для умерших, чтобы те могли отправиться к солнцу и звездам», говорит Дональд Редфорд, изучаюший пирамиды уже сорок лет.

Перенесемся в 2016 год, где мы уже истыкали небо небоскребами, башенными часами и 20-этажными роботами, и планируем построить здание высотой в полтора километра. Хотя пока неизвестно, можно ли его построить вообще. Мы вступаем в эпоху небоскребов, поскольку люди все больше едут из деревень в переполненные города.

Эти здания должны выдерживать огромные силы, чтобы оставаться в вертикальном положении, в том числе постоянные удары молнии и ветры, несущиеся со скоростью в 150 км/ч — не говоря уже о постоянном эффекте гравитации. В некоторых районах в этот список можно добавить мощные землетрясения. В чем секрет пирамид? Смогут ли современные небоскребы их пережить?

На самом деле, внушительный возраст пирамид — не случайность. Древние египтяне верили, что жизнь после смерти будет вечной, и прикладывали большие усилия, чтобы их гробницы тоже хорошо держались. Дизайн пирамид менялся тысячи лет, пока их строители экспериментировали с материалами и архитектурой, которые должны были удовлетворить их амбиции.

«Они всегда говорили, что это здание «для вечности», «во веки веков» — эти обороты постоянно были в их словарном запасе», говорит Редфорд, в настоящее время работающий в Университете штата Пенсильвания. Они были настолько уверены в своих силах, что в названиях многих пирамид были включены «миллионы и миллионы лет».

Несмотря на все их попытки и преувеличения, египтяне не знали в точности, что делают, и это было скорее их преимуществом, чем недостатком. Чтобы восполнить пробелы в понимании законов физики, первые пирамиды строились с учетом всех возможных укреплений. Они знали о колоннах, но не знали, что они могут поддерживать крышу. Поэтому добавляли дополнительных стен на всякий случай.

Другое объяснение — огромный размер. Взять Великую пирамиду: это скорее искусственная гора, чем здание, построенная из почти шести миллионов тонн твердых пород. Пять тысяч лет — ерунда, если учесть, что известняк, из которого состоят блоки пирамид, лежал в земле 50 миллионов лет или около того.

Современные небоскребы, для сравнения, эффективно легкие и сделанные с умом. Потребовалось всего 110 000 тонн бетона и 39 000 тонн стали, чтобы построить Бурдж, который в шесть раз выше Великой пирамиды. «Они проектировали здания, которые будут держаться вечно — сегодня это не является приоритетом. Мы разрабатываем практичные здания, в которых можно жить», говорит Рома Агравал, инженер-строитель, работающий над лондонским зданием Shard.

Как и первые пирамиды, самое раннее поколение небоскребов может быть и самым надежным. Когда самолет B-52 врезался в Эмпайр-стейт-билдинг в 1945 году, это здание открыли через пару дней. «В начале 20 века все просчитывалось вручную, поэтому инженеры добавляли лишней стали на всякий случай», говорит Агравал. Хотя Эмпайр-стейт-билдинг в два раза ниже Бурдж, оно весит на две трети больше.

В дополнение ко всем обычным рискам, здание в облаках несет и собственный вес. Чтобы дожить до 7 000 года нашей эры — то есть, прожить столько же, сколько прожили пирамиды — небоскребы должны тысячи лет бороться с дождем, ветром и грозами.

«Особенную проблему для высоких зданий представляет ветер», говорит Билл Бейкер, инженер-конструктор Бурдж. Когда ветер проносится мимо обтекаемого объекта, вроде дерева или фонарного столба, он закручивается в один организованный порыв, который обходит объект сначала слева, потом обратно справа, потом опять слева, и из-за смены направлений ветра объект раскачивается. При сильном ветре Бурдж может раскачиваться до полутора метров в каждом направлении.

Беда в том, что чем выше, тем быстрее ветер. Чтобы не позволить небоскребам упасть — а живущих наверху избавить от морской болезни — инженеры разрабатывают здания неправильной формы, которые мешают ветру и разрушают его организацию. С архитектурной точки зрения здание может казаться слишком навороченным, но отличительные зазубренные профили Бурдж и Shard больше для безопасности, чем для красоты.

Их не раскачает даже ураган. «Если это обычное здание, оно должно уметь и противостоять урагану, который случается раз в 700 лет», говорит Бейкер. Важные здания вроде Бурдж-Халифа смогут справиться и с событиями, которые происходят раз в несколько тысячелетий.

И есть еще молния. Объединенные Арабские Эмираты, где находится Бурдж, испытывают около 10 гроз в год. Один удар молнии в миллиарды вольт по силе может сравниться с ядерным реактором. «Я был в Дубае во время грозы и Бурдж похож на молниеотвод для всего города — каждую минуту в него бьет молния», говорит Бейкер.

К счастью, решение есть. Во время строительства, стальная оболочка здания связывается воедино — каждый стальной прут, каждая оконная рама — вплоть до самого основания. И работает в качестве гигантской клетки Фарадея, защитного корпуса, похожего на проволочную сетку на микроволновых печах, который сохраняет содержимое в безопасности, ограничивая его от электричества. «Я говорил с рабочими бригадами после особенно мощных гроз, и они не наблюдали никаких повреждений», говорит Бейкер.

Даже во время землетрясений небоскребы чрезвычайно хорошо держатся. Чем быстрее трусит, тем даже лучше. Все дело в такой вещи, как резонанс. Если земля трясется с частотой, соответствующей скорости раскачивания здания, оно будет раскачиваться все быстрее и быстрее, пока не рухнет, возможно. «Узкие здания придется дольше раскачивать взад и вперед — для Бурдж это 11 секунд — поэтому оно будет двигаться, но не рухнет», говорит Бейкер.

Но оно не совсем безотказное: подобно тому, как мы ломаем скрепки, многократно их сгибая и разгибая, если сталь тревожить слишком часто, она лопнет.

Куда большую опасность представляет собой вода.

В 1930-х годах 96 из 100 самых высоких зданий мира были сделаны из стали. Сегодня же, большинство городских зданий строят из бетона, армированного сталью (железобетон), который сочетает в себе прочность на разрыв (способность противостоять растяжению) металла и прочность на сжатие (способность противостоять сдавливанию) камня.

При хранении в сухом месте, железобетон — это удивительный материал, который может храниться вечно. Но в районах с высоким уровнем осадком, слабые кислоты в воде медленно реагируют с известняком в цементе и выносят его — сталь ржавеет и в здании появляются дырочки.

«То, что пирамиды находятся в сухой среде, невероятно важно», говорит Мишель Барсум, материаловед в Университете Дрекселя в Филадельфии. Даже в высушенной солнцем Сахаре первые пирамиды падали под разрушительным воздействием воды.

В течение многих лет считалось, что египтяне в конце концов это поняли и научились вырезать блоки с более плотной посадкой, но как именно — так и осталось загадкой. Затем, в начале 2000-х, кто-то наконец догадался изучить породы под микроскопом высокого разрешения. Это был Мишель Барсум и он подметил, что эти породы не были природным известняком, а скорее были слеплены из ранней формы цемента.

Будучи экспертом по керамике — Барсум никогда не изучал пирамиды — он не смог устоять перед заманчивой перспективой выяснить всё наверняка. Глубоко внутри древних блоков он обнаружил красноречивые подказки: микроскопические водоросли, диатомовые, жесткая оболочка которых была частично размыта щелочным цементом. «Около 90% пирамиды сделано из резного камня, остальное — отливка», говорит Барсум.

Египтяне делали свои камни из четырех основных компонентов: известняка, извести, воды и грязи. Они реагируют между собой с образованием химического клея. Самое важное то, что по мере старения клей возвращается к исходному состоянию компонентов, превращая цемент обратно в камень. «Пахнет и выглядит он как природный известняк», говорит Барсум.

Но если основная бетонная оболочка небоскреба будет относительно прочной, судьба окон в ней менее прозрачна. Стекло весит как гранит и имеет жесткость алюминия; понадобится 10 тонн давления, чтобы раздавить кубический сантиметр. Даже морю понадобится 50 лет обтачивания, чтобы превратить стекло в цветную гладкую гальку на пляже. И тем не менее, стекло не совершенно. Оно может спонтанно треснуть. Никто не знает, почему.

Даже при двойном слое стекла, если их не поддерживать, большинство окон продержатся недолго. «На стекло не особо влияет окружение, но из-за вибраций ветра, гроз и прочего воздействия и оно в конце концов бьется», говорит Константинос Цавдаридис, материаловед из Университета Лидса.

Наконец, не стечет ли стекло в конце концов в нижнюю часть рамы? Эта мысль основана на том, что средневековые окна, как правило, были толще в нижней части и что стекло, по сути, является чрезвычайно вязкой жидкостью: и за сотни лет стекло может стечь в нижнюю часть рамы.

В 1998 году эта популярная идея была решительно опровергнута группой физиков, которые рассчитали, что понадобится время, «которое будет значительно больше возраста вселенной», чтобы при комнатной температуре произошли хоть какие-либо заметные изменения в стекле. Неравномерная толщина древних стекол была совершенно случайной — сделать ровное стекло пару сотен лет назад было не так уж просто.

Так смогут ли современные небоскребы заставить время бояться их?

Билл Бейкер думает, что вполне. «Строительные материалы в наше время вполне хороши. За исключением тех моментов, когда они подводят, и если их поддерживать».

Агравал согласен. «Если за ними ухаживать, почему бы и нет».

По мнению Константиноса, бетонные конструкции продержатся дольше, поскольку ржавчина, которая образуется в железобетоне, его убивает. А вот Редфорд сомневается в том, что наши здания смогут продержаться достаточно долго. В конце концов, это функциональные структуры, которые просто выполняют свою задачу. Их проще будет бросить. Большинство небоскребов будет снесено еще до того, как упасть. В конце концов, Великая пирамида была не единственным удивительным зданием 4500 лет назад.

Так называемый Лабиринт, как говорят, был еще более необычным. «Когда греческий историк Геродот увидел его, у него перехватило дыхание. Он не мог описать размер и вес крупнейших блоков, которые входили в здание», говорит Редфорд. Такого здания сегодня не найдешь. Лабиринт разграбили, а его кирпичи использовали для строительства других зданий. Если пройти по улицам старого Каира и поизучать основания старых зданий, иногда можно встретить иероглифические надписи с того самого здания.

Если мы не будем сносить небоскребы, например, Нью-Йорка, и они не упадут, то при нынешних темпах строительства к 7000 году будет 10 000 зданий высотой больше 160 метров. Возможно, нам будет чем гордиться. Чем мы хуже древних египтян?