Tokyo Skytree ma wewnętrzny betonowy „kręgosłup”, który kołysze się inaczej niż reszta wieży
Tokyo Skytree wykorzystuje niezwykły system tłumienia drgań nazwany shinbashira seishin. Wewnątrz stalowej wieży znajduje się wysoki na 375 m żelbetowy cylindryczny rdzeń pełniący także funkcję klatki schodowej. Stalowy trzon i betonowy shinbashira mają różne okresy drgań, więc podczas wiatru lub trzęsienia ziemi mogą poruszać się względem siebie i częściowo kompensować ruch całej konstrukcji. Oficjalne materiały Skytree podają, że system może zmniejszać kołysanie nawet o około 50% w określonych warunkach. Nazwa świadomie nawiązuje do centralnych słupów tradycyjnych japońskich pagód, ale Skytree nie jest prostą kopią dawnej techniki — to nowoczesny, obliczony układ masy, sztywności i tłumików olejowych.
Wieża stalowa i betonowy rdzeń nie są jednym sztywnym blokiem
Tokyo Skytree ma stalową kratownicową konstrukcję zewnętrzną, natomiast w jej wnętrzu znajduje się żelbetowy cylinder o średnicy około 8 m i wysokości 375 m. Element ten, nazywany shinbashira, jest częściowo oddzielony od stalowej struktury i połączony z nią w sposób umożliwiający kontrolowany względny ruch. Sam pełni praktyczną funkcję, bo mieści klatkę schodową, ale w analizie dynamicznej działa również jak ogromna dodatkowa masa. To oznacza, że zamiast jednej konstrukcji kołyszącej się jako całość mamy dwa układy o odmiennych właściwościach dynamicznych.
Różne okresy drgań pozwalają ograniczyć ruch
Każda wysoka konstrukcja ma własne charakterystyczne częstotliwości i postacie drgań. Stalowa kratownica Skytree i ciężki betonowy rdzeń reagują inaczej na wymuszenie. Projektanci wykorzystali tę różnicę: gdy wieża zaczyna się poruszać, shinbashira nie podąża za nią dokładnie w tym samym rytmie. Względny ruch między elementami może zmniejszać amplitudę całego układu, a energię rozpraszają między innymi tłumiki olejowe. Oficjalny opis Skytree wskazuje, że system został zaprojektowany do ograniczania drgań od silnego wiatru i trzęsień ziemi.
Nazwa pochodzi od pagód, ale mechanizm jest współczesny
Shinbashira to nazwa centralnego słupa występującego w tradycyjnych japońskich pagodach. Od dawna zwracano uwagę na ich wyjątkową odporność na trzęsienia ziemi i formułowano różne hipotezy dotyczące roli centralnego elementu. Projektanci Skytree nazwali nowy system przez analogię, ale nie należy z tego wyciągać wniosku, że współczesna wieża po prostu kopiuje mechanikę pagody. W Skytree parametry żelbetowego cylindra, jego połączenia z konstrukcją stalową i tłumiki zostały świadomie zaprojektowane jako nowoczesny system kontroli drgań.
Na szczycie działa jeszcze jeden tłumik
Skytree nie polega tylko na shinbashira. W górnej części gain tower — konstrukcji wspierającej anteny — zastosowano dodatkowy tuned mass damper wykorzystujący ciężar jako masę dostrojoną. To pokazuje skalę problemu: różne części 634-metrowej wieży mają inne właściwości dynamiczne, więc mogą wymagać różnych metod tłumienia. W projektowaniu wysokościowym nie ma jednego uniwersalnego „amortyzatora na wiatr”. Konstruktor analizuje konkretne postacie drgań, ich częstotliwości i znaczenie dla bezpieczeństwa oraz użytkowania, a następnie dobiera rozwiązania do różnych zakresów ruchu.
Różne materiały pomagają uzyskać różne rytmy ruchu
Stalowa kratownica i masywny żelbetowy shinbashira mają odmienne relacje masy do sztywności, a więc także inne częstotliwości własne. To właśnie ta różnica jest użyteczna: gdyby rdzeń zachowywał się dynamicznie dokładnie tak samo jak zewnętrzna wieża, nie powstałby istotny ruch względny potrzebny do tłumienia. Skytree wykorzystuje więc nie tylko dodatkową masę, ale świadomie różne właściwości dwóch materiałów i dwóch układów konstrukcyjnych. To przykład projektowania dynamiki poprzez zestawienie elementów, które celowo nie reagują identycznie na to samo wymuszenie.