Notatka redaktora: Projekt dla uderzenia to cykl skupiający się na rozwiązaniach architektonicznych dla społeczności przesiedlonych w wyniku kryzysu klimatycznego, klęsk żywiołowych i innych katastrof humanitarnych.

CNN
—

W tym tygodniu na całym świecie opublikowano zdjęcia budynków obróconych w gruz po trzęsieniu ziemi o sile 7,5 w skali Richtera, które w poniedziałek nawiedziło prefekturę Ishikawa na zachodnim wybrzeżu Japonii.

Pełny rozmiar szkód nie jest jeszcze znany. Władze podały, że co najmniej 270 domów w regionie zostało zniszczonych, chociaż ostateczna liczba prawdopodobnie będzie znacznie wyższa. Liczba ta nie uwzględnia na przykład Suzu ani Wajimy – miasta liczącego ponad 27 000 mieszkańców, położonego zaledwie 20 mil (32 km) od epicentrum trzęsienia ziemi, w którym według urzędników straży pożarnej spłonęło około 200 budynków – podaje publiczny nadawca NHK.

Doniesienia te mówią o osobistych tragediach, jakie spotkały wielu mieszkańców regionu. Chociaż nie ma dwóch zdarzeń sejsmicznych, które można bezpośrednio porównać, trzęsienia ziemi o podobnej sile w innych częściach świata – jak na przykład trzęsienie o magnitudzie 7,6, które spowodowało zawalenie się ponad 30 000 budynków w Kaszmirze w 2005 r. – często powodowały znacznie większe zniszczenia.

Według Roberta Gellera, emerytowanego profesora sejsmologii na Uniwersytecie Tokijskim, Ishikawa mógł uciec bez problemu.

„Wygląda na to, że nowoczesne budynki radzą sobie bardzo dobrze” – powiedział CNN dzień po trzęsieniu ziemi w Japonii, zauważając, że najgorzej radziły sobie starsze domy „z dachami z ciężkich glinianych dachówek”.

„Większość domów jednorodzinnych, nawet jeśli uległa zniszczeniu, nie zawaliła się całkowicie” – dodał.

Przysłowie projektowania sejsmicznego mówi, że trzęsienia ziemi nie zabijają ludzi – zabijają to budynki. W jednym z najbardziej podatnych na trzęsienia krajów na świecie architekci, inżynierowie i urbaniści od dawna próbują zabezpieczyć miasta przed poważnymi wstrząsami, łącząc starożytną mądrość, nowoczesne innowacje i stale zmieniające się przepisy budowlane.

Od wielkogabarytowych „tłumików”, które poruszają się niczym wahadła wewnątrz drapaczy chmur, po systemy sprężyn lub łożysk kulkowych pozwalających budynkom na kołysanie się niezależnie od fundamentów – technologia poczyniła dramatyczny postęp od czasu trzęsienia ziemi w Wielkim Kanto, które spłaszczyło duże części Tokio i Jokohamy nieco ponad 100 Lata temu.

Jednak innowacje skupiają się głównie na prostej, znanej od dawna idei: elastyczność daje konstrukcjom największe szanse na przetrwanie.

„Wiele budynków, zwłaszcza szpitali i ważnych konstrukcji krytycznych, opiera się na tych gumach (łożyskach), dzięki czemu sam budynek może się kołysać” – powiedział Miho Mazereeuw, profesor nadzwyczajny architektury i urbanistyki w Massachusetts Institute of Technology (MIT), która w swojej wydanej książce „Design Before Disaster” bada japońską kulturę gotowości.

„Koncepcyjnie wszystko sprowadza się do pomysłu, że zamiast stawiać opór ruchowi Ziemi, pozwalasz budynkowi się poruszać z To.”

Zasada ta stosowana jest w Japonii od wieków. Na przykład wiele tradycyjnych drewnianych pagód w kraju przetrwało trzęsienia ziemi (i jest bardziej prawdopodobne, że uległo pożarowi lub wojnie), nawet jeśli nowoczesne konstrukcje tego nie zrobiły. Weźmy na przykład 55-metrową pagodę świątyni Toji, zbudowaną w XVII wieku w pobliżu Kioto — słynąca z wyłonienia się w nienaruszonym stanie po wielkim trzęsieniu ziemi w Hanshin w 1995 r., znanym również jako trzęsienie w Kobe, podczas którego zawaliło się wiele pobliskich budynków.

Tradycyjna architektura Japonii ma wiele wspólnego z architekturą sąsiednich Korei i Chin, choć różni się od siebie w sposób, który odzwierciedla częstsze występowanie trzęsień ziemi w tym kraju.

W szczególności niezwykły wskaźnik przetrwania pagód od dawna przypisuje się „shinbashirze” — środkowym filarom wykonanym z pni drzew i używanym przez japońskich architektów od co najmniej 1400 lat.

Niezależnie od tego, czy są zakotwiczone w ziemi, oparte na belkach, czy zawieszone na górze, filary te wyginają się i wyginają, podczas gdy poszczególne piętra budynku poruszają się w kierunku przeciwnym do swoich sąsiadów. Wynikający z tego ruch drgający – często porównywany do ruchu pełzającego węża – pomaga przeciwdziałać sile wstrząsów i jest wspomagany przez blokujące złącza i luźne wsporniki oraz szerokie okapy dachowe.

Być może nie wszystkie budynki w dzisiejszej Japonii przypominają pagody, ale drapacze chmur z pewnością tak.

Chociaż do lat 60. XX wieku w kraju narzucono rygorystyczne ograniczenie wysokości wynoszące 31 metrów (102 stóp), ze względu na niebezpieczeństwa stwarzane przez klęski żywiołowe, od tego czasu architektom pozwolono budować wzwyż. Według danych Council on Tall Buildings and Urban Habitat, obecnie w Japonii znajduje się ponad 270 budynków wyższych niż 150 metrów (492 stóp), co stanowi piąte miejsce na świecie.

Wykorzystując stalowe szkielety, które dodają elastyczności notorycznie sztywnemu betonowi, projektanci wieżowców zyskali jeszcze większą śmiałość dzięki opracowaniu wielkogabarytowych przeciwwag i systemów „izolacji podstawy” (takich jak wyżej wymienione łożyska gumowe), które działają jak amortyzatory.

Firma deweloperska stojąca za nowym najwyższym budynkiem w Japonii, który został otwarty w lipcu ubiegłego roku na osiedlu Azabudai Hills w Tokio, twierdzi, że jego elementy konstrukcyjne odporne na trzęsienia ziemi – w tym wielkogabarytowe amortyzatory – „pozwolą firmom kontynuować działalność” w przypadku zdarzenia sejsmicznego tak silne, jak rekordowe trzęsienie ziemi w Tohoku o sile 9,1 w skali Richtera, które miało miejsce w 2011 roku.

Jednak w wielu miejscach w Japonii bez drapaczy chmur, takich jak Wajima, odporność na trzęsienia ziemi polegała raczej na ochronie budynków codziennego użytku – domów, szkół, bibliotek i sklepów. Pod tym względem sukces Japonii był w równym stopniu kwestią polityki, jak i technologii.

Po pierwsze, japońskie szkoły architektury zadbały – być może ze względu na historię klęsk żywiołowych w tym kraju – że studenci zdobywają wiedzę zarówno w zakresie projektowania, jak i I inżynierii, powiedział Mazereeuw, który kieruje także Urban Risk Lab w MIT, organizacją badawczą badającą zagrożenia sejsmiczne i klimatyczne, na jakie narażone są miasta.

„W przeciwieństwie do większości krajów japońskie szkoły architektury łączą architekturę z inżynierią budowlaną – w USA uczęszcza się na zajęcia z inżynierii budowlanej, ale są one naprawdę fajne” – powiedziała, dodając, że w Japonii te dwie dyscypliny „zawsze są ze sobą powiązane”.

Japońscy urzędnicy przez lata starali się także wyciągnąć wnioski z każdego większego trzęsienia ziemi, z jakim borykał się kraj, a badacze przeprowadzali szczegółowe badania i odpowiednio aktualizowali przepisy budowlane.

Proces ten sięga co najmniej XIX wieku, powiedział Mazereeuw, wyjaśniając, w jaki sposób powszechne niszczenie nowych budynków z cegły i kamienia w stylu europejskim podczas trzęsienia ziemi w Mino-Owari w 1891 r. i Wielkiego trzęsienia Kanto w 1923 r. doprowadziło do powstania nowych przepisów dotyczących planowania przestrzennego i budynków miejskich .

Fragmentaryczna ewolucja przepisów budowlanych trwała przez cały XX wiek. Jednak wprowadzony w 1981 r. kodeks, znany jako „shin-taishin” lub Nowa Poprawka do Standardów Budownictwa Odpornego na Trzęsienia Ziemi – będąca bezpośrednią reakcją na trzęsienie ziemi na morzu w Miyagi trzy lata wcześniej – okazał się przełomowym momentem.

Stawiając wyższe wymagania dotyczące nośności nowych budynków i wymagając większego „przesunięcia kondygnacji” (o ile piętra mogą się przesuwać względem siebie), nowe standardy okazały się między innymi tak skuteczne, że domy budowane były zgodnie ze standardami sprzed 1981 r. ( znane jako „kyu-taishin” lub „przed odpornością na trzęsienie ziemi”) może być znacznie trudniejsze do sprzedania i droższe w ubezpieczeniu.

Pierwszy prawdziwy sprawdzian przepisów nastąpił w 1995 r., kiedy wielkie trzęsienie ziemi w Hanshin spowodowało rozległe zniszczenia w południowej części prefektury Hyogo. Wyniki były jednoznaczne: według Globalnego Instrumentu na rzecz Redukcji Katastrof i Rekonwalescencji 97% zawalonych budynków zostało zbudowanych przed 1981 rokiem.

Innowacja i przygotowanie

Trzęsienie ziemi w 1995 r. zapoczątkowało ogólnokrajową inicjatywę modernizacji starszych budynków do standardów z 1981 r. — do procesu, do którego władze miejskie zachęcały poprzez dotacje. Od tego czasu przez dziesięciolecia kontynuowano innowacje, a japońscy architekci często przodują w projektowaniu sejsmicznym.

Na przykład jeden z najbardziej znanych architektów w kraju, Kengo Kuma, współpracował z firmą tekstylną Komatsu Matere w 2016 r. przy zaprojektowaniu zasłony składającej się z tysięcy plecionych prętów z włókna węglowego, które zakotwiczają siedzibę firmy – zaledwie 135 km od epicentrum poniedziałkowego trzęsienia ziemi – na ziemię niczym namiot (na zdjęciu u góry). Niedawno był współprojektantem budynku przedszkola w południowej prefekturze Kochi, w którym zastosowano odporny na wstrząsy system ścian w kształcie szachownicy.

W innych miejscach czołowi japońscy architekci, tacy jak Shigeru Ban i Toyo Ito, byli pionierami w zastosowaniu drewna klejonego krzyżowo (CLT), nowego rodzaju drewna konstrukcyjnego, który według jego zwolenników może zmienić sposób wznoszenia wieżowców. (Pierwszy pełnowymiarowy test symulatora trzęsienia ziemi dla drewnianej wieży przeprowadzono na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego zeszłej wiosny, jednak czy plany dotyczące wieży CLT o wysokości 3500 metrów, zaproponowane przez japońską firmę Sumitomo Forestry, będą kiedykolwiek możliwe spełnienie rygorystycznych japońskich przepisów budowlanych to inna sprawa).

Zaawansowane modelowanie komputerowe umożliwia także projektantom symulowanie warunków trzęsienia ziemi i odpowiednie budowanie. Mimo to ograniczenia większości budynków odpornych na katastrofy, na szczęście, nigdy nie zostały wystawione na próbę.

„Mamy wiele wieżowców i włożono wiele wysiłku w zaprojektowanie ich tak, aby były bezpieczne, ale projekty te opierają się głównie na symulacjach komputerowych” – powiedział Geller z Uniwersytetu Tokijskiego. „Możemy nie wiedzieć, czy te symulacje są dokładne, czy nie (dopóki) nie nastąpi duże trzęsienie ziemi. Jeśli choćby jeden z tych wieżowców się zawali, szkody mogą być bardzo poważne”.

W związku z tym pozostaje pytanie, które od dawna niepokoi japońskich inżynierów i sejsmologów: co się stanie, jeśli duże trzęsienie ziemi dotknie bezpośrednio takie miasto jak Tokio, a według urzędników stolicy Japonii prawdopodobieństwo wystąpienia tego trzęsienia w ciągu najbliższych 30 lat wynosi 70%.

„Tokio jest prawdopodobnie w miarę bezpieczne” – dodał. „Ale nie można być tego pewnym, dopóki nie nastąpi kolejne duże trzęsienie ziemi”.

Wkład w powstanie tego raportu wnieśli Eric Cheung i Saki Toi z CNN.