Tokióban a helyzet - Építészet és a természeti katasztrófák (2. rész)

Várhelyi Judit Tokióból írt cikkének első részében a márciusi katasztrófát és az újjáépítés során az építészek szerepét elemezte, míg a második részben a Japánban leggyakrabban használt, földrengésbiztos szerkezeteket és az alkalmazott tervezési elveket mutatja be.

Közismert dolog, hogy a hagyományos, oszlop-gerenda szerkezetű japán faház ellenáll a földrengésnek, míg a falazott szerkezet az első lökésre összedől - ez nagy vonalakban és szűk határok között igaz is. A kisebb rengéseket a hagyományos, sarok-fogott és rugalmas szerkezetű japán lakóházak jól tűrik, a nagy, történeti katasztrófákat sem maga a földrengés, hanem egy őrizetlenül hagyott tűzhely vagy feldőlt kályha miatt keletkező tűzvész okozta. A márciusi katasztrófa közvetlen oka is a földrengést követő tsunami árhullám volt. Egy erősebb földrengés hatására a faszerkezetű lakóház is károsodik persze, de ha összedől, a lakóknak még akkor is van esélyük kimenekülni, maga a szerkezet pedig gyorsan újjáépíthető.

A hagyományos japán építészet, mint tudjuk, egyébként sem az örökkévalóságnak épül, a pusztulás-újjászületés ciklusa, legyen az ok természeti katasztrófa, háború, vagy ingatlanfejlesztési láz, elfogadott tény, a mindennapi élet része. Ez a gondolatsor talán valóban segíti a katasztrófák fegyelmezett, filozofikus elviselését, de azt azért nem akadályozza meg, hogy az ország minden technológiai újítást bevessen a természeti katasztrófák előrejelzése és hatásának mérséklése érdekében. A földrengés-előrejelzés egyelőre még igen kezdetleges szinten áll, de a japán épületek, hidak és vasutak földrengésállósága a világon a legjobb.

 

 

Vidéken még ma is sok faszerkezetű ház épül, de ezek már általában nem az ácsok évszázados tudást átörökítő ökölszabályai szerint készülnek, hanem előregyártott elemekből, villámgyorsan összeszerelve. Mind a faszerkezetek, mind az alacsony vasbeton-, vagy acélszerkezetű épületek esetében a szeizmikus méretezést, vagyis a tartószerkezetek földrengésállóságának tervezési szabályait viszonylag egyszerű szabványok határozzák meg. 60 méter feletti magasság esetén azonban már nem elég ezeket alkalmazni, az épületszerkezetet számítógépes szimuláció segítségével tesztelni is kell. A méretezési elvek ugyan évtizedek óta változatlanok, de a nagy teljesítményű számítógépek elterjedése lehetővé tette, hogy az építészek és a szerkezettervező mérnökök egyre merészebb formákat tervezzenek. A legnagyobb tervezőirodák (mint például a Nikken Sekkei, ahonnan a cikkben felhasznált adatok származnak) erre a célra általában saját szoftvereket fejlesztettek ki, a kisebbek egyszerűbb, csomagolt termékeket használnak.

Talán kevésbé ismert tény, hogy van vízszintes és függőleges rengés is (saját tapasztalataim alapján a függőleges ritkább, de ijesztőbb). Hagyományos szerkezet esetében a függőleges rengésre nem kellett külön méretezni, mivel az épület saját tömegéből adódóan nem volt veszélyben, azonban a modern építészetben alkalmazott széles fesztávolságok és összetett szerkezetek miatt ez a szabály már nem érvényes, így erre az eshetőségre is méretezni kell a szerkezeteket.

Földrengésálló tartószerkezetek
A hatvanas-hetvenes években épült vasbetonszerkezetek esetében még gyakori az alul befogott, merev szerkezet, vaskos keresztmetszetekkel, ami földrengés esetén nagy erőket vesz fel és kis elmozdulást enged meg. Az ilyen szerkezetekben ez erők lökésszerűen jelentkeznek, a rázkódás és a szerkezetek deformálódása nagyobb, valamint a fő tartószerkezetek könnyebben megrongálódhatnak. Így épültek például a Tokiói Műszaki Egyetem négy-öt szintes épületei, amelyeket a közelmúltban a falakon kívül elhelyezett acélszerkezettel erősítettek meg.

A korszerű magasházak már szeizmikus csillapítóelemekkel épülnek, így karcsúbb, de mégis biztonságosabb szerkezeteket lehet tervezni. A csillapítóelemek jelentős energiaelnyelés közben nagy alakváltozásokat képesek elszenvedni, ami nagy elmozdulást, de kisebb amplitúdójú, lassabb rengést jelent, vagyis az épület belsejében a rengést kevésbé lehet érezni és az nem lökésszerűen jelentkezik. Ez a bent tartózkodó embereknek is kellemesebb, mert nem esnek le a polcokról a tárgyak, nem dől fel TV és nem szakad le a lámpa. Érdemes megnézni az interneten néhány kisfilmet a magasházak mozgásáról. 

A rengés-csillapítás egyik lehetséges módja a csillapító-falak vagy tartók beépítése a szintek közé, gyakran a homlokzat részeként. Néhány példa az ilyen megoldásokra: Nikken Tokyo Irodaház, Roppongi Hills Lakótorony (Nikken Housing System).

 

 

Biztonságos, de költségesebb megoldás az ún. szeizmikus szigetelők használata, ami szabad alaprajzi és homlokzati kialakítást tesz lehetővé. Általában a felszerkezetet választják el az alaptesttől (seismic base isolation), vagy az épület magasságát osztják meg egy köztes szinttel - így földrengés hatására külön mozognak az egyes szerkezeti részek. Kisebb épületeknél a rendszer nem gazdaságos; egy tipikus, négy-ötszintes iskola építésénél például sok előnye lenne, de a négyzetméterre eső költség elfogadhatatlanul magas. Felhőkarcolók esetén, a szintterület növekedésével a rendszer négyzetméterára arányosan csökken, ezért elsősorban hotel-, és bank-tornyok építésénél alkalmazzák. A rendszer műemlékek megerősítésére is alkalmas, illetve olyan kormányzati épületek, kórházak esetében is használják, ahol a folyamatos, biztonságos működés kiemelt cél.

Néhány példa: Mitsubishi Ichigokan ^* és International Library of Children's Literature műemléképületek, Pola Művészeti Múzeum földalatti épülete, valamint a Shiodome Sumitomo bankház épülete.

A különböző szerkezeti megoldásokat részletesen elemzi a Nikken Sekkei építésziroda angol nyelvű, csatolt kiadványa. Az épületmozgások kiegyenlítésére létezik egy igen költséges, tömegszabályozáson alapuló, dinamikus csillapítás is, az ún. „tuned mass damper" rendszer, de ezt, érthető okokból, ritkábban használják. A Yokohama Landmark Tower 296 méteres épülete készült ilyen rendszerrel. A toronyházban két csillapító található, a hetvenegyedik, rejtett emelet két ellentétes sarkában.

A leghíresebb példa azonban nem Japánban, hanem Taiwan szigetén található. A Taipei 101 felhőkarcoló stabilitását egy hatalmas, 730 tonnás inga biztosítja, ami az épülettel ellentétes irányban mozogva, a nagy szélnyomás vagy a földmozgás okozta épületkilengéseket, rezgéseket csillapítja. Az inga egyben turistalátványosságnak is számít, amit belépőjegy ellenében lehet megtekinteni.

 

 

Épületek besorolása és a szeizmikus kockázat fogalma
A méretezés persze soha nem tényeken, hanem valószínűségi százalékokon alapul. Japán részletes tektonikai térképe az elmúlt fél évszázadban mért adatok bázisán ábrázolja a földrengés-kockázat mértékét. Ez a térkép a helyi szabványok alapja, de az egyes települések ettől eltérő, szigorúbb szabályozást is kötelezővé tehetnek. Japán legveszélyesebb területe Tokiótól délnyugatra található, a Suruga-öböl mentén, míg a legkevésbé veszélyes rész Kyushu és Okinawa szigetek környéke. A valószínűségek persze csak addig használhatóak, amíg egy váratlan esemény bekövetkezése átrendezi a térképet - Kobe, vagy Sendai mérsékelten veszélyes zónának számítottak mindaddig, amíg a vártnál jóval erősebb földrengés bekövetkezett.

A földrengésre vonatkozó szabványok az 1995-ös, több mint hatezer áldozatot követelő, kobei földrengést követően jelentősen szigorodtak. Ezt követően számos épületet, hidat, gyorsforgalmi utat utólagos rengés-csillapító elemekkel szereltek fel. A márciusi katasztrófa alatt a szerkezetek jól vizsgáztak - mint azt az első részében elemeztem -, maga a földrengés, ami az ötödik legerősebb volt a világon, nem okozott komolyabb károkat, de a rengést követő tsunami árhullám, amire senki sem volt felkészülve, hatalmas pusztítást okozott. A tsunami árhullám elleni védekezés - mivel annak méreteire senki nem számított - jóval gyengébb volt, mint a földrengés elleni védekezés. A lakóházak és ipari épületek távolsága a tengerparttól, a menekülési útvonalak és evakuációs zónák megállapítása, a védőfalak mérete, a biztonsági rendszerek és a kommunikáció - mind elégtelennek bizonyult.

A szeizmikus tervezés központi fogalma a „szükséges biztonság", amelyet elméletileg az épület egész élettartalmára vetítve adnak meg, különböző kritériumok és határállapotok szerint. A gyakorlat szempontjából Japánban az épületeket a földrengés-ellenállás elvárt mértéke szerint négy kategóriába sorolják: B (általában lakóház, iroda), A (kórház, stadion, egyéb nagy forgalmú létesítmények), S (kiemelt épületek, kórház, katasztrófa-központ), SS (pl. nukleáris erőművek).

A szeizmikus méretezés alapelve, hogy a tartószerkezetek földrengésállóságát a besorolási kategória szerint mindig két, különböző erősségű földrengésre kell vizsgálni. Az első szinten a japán skála szerint „shindo^** 5"-ös erősségű földrengésre kell méretezni, amit a szerkezetnek minimális kárral, vagy károsodás nélkül kell viselni, úgy, hogy az épület a földrengés után is használható legyen. A második szinten, „shindo 6-os vagy 7-es rengés esetén", a szerkezet károsodása megengedett ugyan, de emberéletben nem eshet kár és az épület funkcionális használata - a kategóriabesorolás szerinti mértékig - a károsodás ellenére is fenn kell maradjon.

 

 

Az utóbbi időben a belsőépítészeti elemek biztonsága is előtérbe került, mivel a gyakran használt, függesztett álmennyezet és világító-rendszer, vagy a légtechnika leszakadása szintén súlyos veszélyforrás lehet. A teljes rendszert a funkció, a biztonság, a költségek és a helyigény egyensúlyával kell megtervezni, és ezen a téren még bőven van mit tökéletesíteni.

Jelenleg, az újjáépítéssel egy időben, a szakemberek elemzik a márciusi földrengés és tsunami hatását, a szerkezetek viselkedését, az evakuáció rendszerét és ezek az adatok referenciaként szolgálnak majd a világ más, földrengésveszélyes övezeteiben. Számomra a katasztrófa legnagyobb tanulsága mégis az, hogy a modern szerkezetek, a szigorú szabványok, és a kivitelezés precizitása, vagyis a technika mellett azért szükség van az ésszerű tervezésre is, a lehetséges szcenáriók kreatív feldolgozására, az emberek viselkedésének modellezésére és az emberi igények empatikus felmérésére - lehet, hogy ezt hívjuk designtudatos gondolkodásnak?
Ezen a helyen szeretnék köszönetet mondani a Nikken Sekkei építészirodának a cikkhez felhasznált adatokért.

Várhelyi Judit

---

* A Mitsubishi Ichigokan műemlék épület ugyan, de nem eredeti. 1894-ben épült, Josiah Conder angol építész tervei alapján. A Queen Anne stílusú, háromszintes bank az első nyugati stílusú épület volt a császári palota közelében. Az épületet 1968-ban lebontották, majd 2010-ben az eredeti tervek szerint, az eredetihez közeli anyagokból, újjáépítették és jelenleg művészeti múzeum működik benne.

** A Richter-skála a földrengés erősségének műszeres megfigyelésen alapuló mérőszámát (a Richter-magnitudót, vagy más szóval a méretet) adja meg. A magnitudó a földrengéskor a fészekben felszabaduló energia logaritmusával arányos. A skálát névadója, Charles Richter amerikai szeizmológus állította fel, 1935-ben.
A Japán „Shindo" a Mercalli-skálához hasonlóan, a földrengés intenzitását jelzi egy adott területen, vagyis amit egy ott tartózkodó ember érez. A skála 1-7-ig terjed.

Források:
Nikken Sekkei Ltd, épületszerkezet-tervezési részleg
MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet Földrengésjelző Obszervatóriuma
Kegyes Csaba, Lőrincz György: Földrengésbiztonsági koncepciók a Kárpát medencében
Eurocodes “European standard for earthquake resistant buildings"

Kapcsolódó oldalak:
Tokióban a helyzet - Építészet és a természeti katasztrófák (1. rész)