КОНФЛИКТ БЕЗ СВИДЕТЕЛЕЙ

В середине 60-х годов газеты сообщили, что в Анкаре (Турция) обрушилась трибуна городского стадиона, переполненная зрителями. В 1972 г. такая же участь постигла другую трибуну, только на этот раз в Саламанке (Северная Испания). Во время сильного ветра 15-метровый козырек не выдержал дополнительной нагрузки и рухнул сверху на места для зрителей, которые, к счастью, были пустыми. В это же время тоже в Испании, в одном из старых кварталов Барселоны, неожиданно рухнуло старое четырехэтажное здание. Подобное тотальное разрушение здания от крыши до основания может произойти по исключительным причинам, но ничего особенного в этот день и час в данном районе не было. Погибли 52 человека, а несколько десятков были ранены.

Стихийные бедствия и различные аварийные ситуации возникают редко, в некоторых счастливых случаях их может не быть в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения. Подобная безмятежная биография далеко не означает, что конструкция отдыхает. Напротив, ежедневно, ежечасно, в течение всей своей жизни она подвергается «дежурным» нагрузкам, которые являются для нее неизбежными.

Например, кровля из марсельской черепицы на одноэтажном одноквартирном доме по существу оказывается внушительным 15-тонным грузом, покоящимся на стенах. Человек, живущий на первом этаже семиэтажного здания, едва ли подозревает, что спит под потенциальным прессом в несколько тысяч тонн. Едва ли он подозревает также и о естественном стремлении этой тяжести двинуться вниз по наиболее прямому пути — вертикали, которое в переводе на обычный язык означает обрушение, катастрофу. Только рациональная и целесообразная конструкция здания сдерживает это катастрофическое движение вниз, и подобная борьба конструкции с нагрузками продолжается без устали дни, годы, а иногда и века. Вполне можно сказать, что конструкция — балки, колонны, фундаменты — это единая денно и нощно напряженная мышца, которая должна быть неутомимой. Ибо нетрудно себе представить, что случится, если эта мышца, удерживающая тысячи тонн над нашей головой, устанет и расслабится.

Разумеется, мышца-конструкция чаще всего не является максимально напряженной. И это логично, так как она должна беречь силы для экстренных, особенно тяжелых состояний. При нормальных эксплуатационных условиях основной воздействующей силой оказывается масса самой конструкции, внутренних перегородок, покрытий пола, оборудования и находящихся в здании людей. Напряжения в этом случае значительно ниже предельных прочностных возможностей материала. Своеобразными приливами и отливами напряжений в отдельных своих элементах несущая система реагирует на усиление и ослабление нагрузок. В определенный момент, когда по неизвестной причине все помещения здания целиком заполняются людьми, (гипотетическое обстоятельство, которое проектировщик все же должен принимать во внимание), напряжения резко возрастают. Снег, ветер, дождь, лед — вот все те нагрузки, которые в это время могут перегрузить и без того сильно напряженную мышцу конструкции.

Но вот в некий день, час и минуту возникает экстремальная ситуация, обстоятельства складываются самым неблагоприятным образом и напряжения достигают максимальной величины. В этот момент мышца напряжена до крайности, материал работает на пределе своих возможностей. Сумел ли конструктор предусмотреть столь тяжелую, но все же достаточно реальную ситуацию, которая может оказаться критической для данного элемента или узла несущей системы? Он должен был... Он должен предвидеть все.

Итак, нагрузки. Стены, мебель, люди, снег, ветры, землетрясения — все это в крайних обстоятельствах является нагрузкой. В сущности, этот список должен быть значительно длиннее. Может быть, это звучит странно, но нагрузкой могут быть и солнечные лучи, и птичьи стаи. С этой необычной точки зрения все вещественное утрачивает свой материальный облик и функциональный смысл и превращается в тысячи и тысячи тонн, которые конструкция здания или сооружения должна принять на себя и передать на основание. Это почти абсурдная, но необходимая трансформация известного и обычного в нечто столь же известное, но абстрактное — нагрузку.

Но важно одно — нагрузки агрессивны по своей природе. Они коварно изыскивают малейшее упущение, малейшее несовершенство в конструкции, чтобы тотчас же обнаружить свою разрушительную силу. Об этом свидетельствуют тысячи примеров аварий и катастроф, происходивших в недалеком прошлом и происходящих в наши дни. Разумеется, тщательный анализ позволяет выявить причины подобных трагических событий: чаще всего это погрешность проекта, некачественное исполнение, нарушение условий эксплуатации или стихийное бедствие. Однако во всех случаях в основе лежат нагрузки. Предусмотренные или непредусмотренные, ощутимые или нет, но именно они становятся причиной всякой аварии в строительстве. Поэтому специалист должен предвидеть не только все возможные воздействия на будущее здание или сооружение, но и все возможные неблагоприятные комбинации отдельных воздействий. И не просто предвидеть, а дать им как можно более точную количественную оценку.

Все это сравнительно полно регламентируется во всех развитых странах мира различными техническими условиями и нормативными документами. Например, в принятых в НРБ нормах нагрузки делятся на две основные группы — постоянные и временные. Постоянными называются нагрузки, которые в силу своей природы действуют в течение всего срока эксплуатации сооружения. Очевидно, что таковыми являются нагрузки, обусловленные собственной массой самой конструкции, всех наружных и внутренних стен, облицовки, перекрытий и покрытий, остекления, элементов архитектурного декора, ограждений лестниц, балконов и т.п. Постоянные нагрузки создаются также внутренним оборудованием и инженерными сетями, а кроме того, за счет давления грунта на стены подвала.

Нагрузки второй группы — временные — весьма разнообразны как по характеру, так и по длительности воздействия, в связи с чем они дополнительно поделены на подгруппы. Длительными нагрузками считаются масса машин и оборудования в промышленных зданиях, содержимого библиотек, архивов, книгохранилищ, человеческие нагрузки на конструкции кинотеатров, театров, фойе, выставочных залов и трибун стадионов. К длительным временным нагрузкам относятся также нагрузки от массы газов и жидкостей в резервуарах, постепенно скапливающаяся промышленная пыль, какие-либо особые температурные воздействия.

Другой подгруппой являются кратковременные нагрузки. К ним относятся движущиеся подъемные и транспортные машины (краны, тельферы, автомобили), снег, ветер, а также человеческие нагрузки в критических размерах. К этому можно добавить еще нагрузки на сборные конструкции во время их транспортировки и монтажа, при кратковременных испытаниях машин, а также от климатических (т.е. температурных) воздействий.

И вот, наконец, мы дошли до последней подгруппы, которая носит многозначительное название «особые нагрузки». Уже само название говорит о том, что они могут возникать в особых, чрезвычайных, исключительных обстоятельствах. Или, иначе говоря, они могут не возникать вообще, но инженер обязательно должен иметь их в виду при соответствующих условиях строительства и эксплуатации. Такого рода нагрузками являются, например, неожиданное оседание или даже проваливание грунтового основания, взрывы, разрывы канатов на канатной дороге и т.д. Но, несомненно, наиболее страшной из «особых» нагрузок является нагрузка от землетрясения. По масштабам и степени воздействия она несравнима ни с какой другой.

 

ГРАВИТАЦИЯ

Формируясь на планете, мчащейся с огромной скоростью во Вселенной, создавая свою историю в поле ее невидимых гравитационных волн, человечество обречено было с самого начала сообразовывать каждый свой шаг с этим обстоятельством. Еще первые полуосознанные действия наших далеких предков сталкивались с таинственной силой, которая отклоняла к земле брошенный камень. В последующие века человек на каждом шагу убеждался в неизменном свойстве окружающих его тел падать при всяком удобном случае: падало срубленное дерево, убитый олень, отколовшийся кусок скалы, а при определенных обстоятельствах и сам задумавшийся наблюдатель. Вероятно, такие спонтанные наблюдения были весьма полезны и для первых строительных начинаний человека. Например, свайные постройки… Для того чтобы их создать, необходима определенная, хотя и интуитивная, оценка гравитационных нагрузок, которые эти постройки должны выдержать.

К нашему большому сожалению, все тела обладают массой. Какой была бы архитектура городов, если бы не было силы тяжести? Трудно сказать. Да и вряд ли кто-нибудь станет пытаться отвечать на столь абсурдный вопрос. Во всяком случае, она была бы совершенно иной, нежели та, к которой мы привыкли. Строительство исчерпывалось бы одной архитектурой, поскольку почти не было бы нужды в конструкциях — ведь исчезли бы гравитационные нагрузки, которые обычно воспринимаются конструкциями. Поэтому вполне можно сказать, что именно гравитация и связанная с ней масса всех тел создает необходимость в строительных конструкциях. Она определяет и все конструктивные формы, с которыми мы познакомимся далее.

Один кубический метр воды весит одну тонну. В сравнении с этим показателем мы можем оценить, как проявляют себя в поле земной гравитации некоторые широко используемые строительные материалы. Например, один кубический метр стали обладает массой почти в 8 раз, а алюминиевого сплава — в 3 раза большей, чем кубический метр воды. Приблизительно такова и удельная масса многих скальных пород — гранита, мрамора, песчаника.

Наиболее распространенный строительный материал — железобетон — в вибрированном состоянии весит 2,5 т/м3. Отсюда довольно легко рассчитать массу плиты междуэтажного перекрытия толщиной 10 см: 1x0,1х2,5=0,25 т/м2. Для помещения размером 4х4 м она будет внушительна — 4 т. Не слишком приятно сознавать, что эти четыре тонны постоянно «висят» в метре от твоей головы.

В действительности «пресс» над нашими головами значительно тяжелее. Элемент за элементом, массу за массой конструктор должен учесть и рассчитать все возможные постоянные нагрузки. Он не может перестраховываться во имя наибольшей надежности, хотя гораздо опаснее противоположный вариант — упустить из виду реально существующую нагрузку.

Известен случай с плитой перекрытия одного административного здания, на которой предусматривалось смонтировать небольшой металлический резервуар для воды. Инженер-проектировщик не принял во внимание эту «мелочь». После того как здание было построено, а резервуар смонтирован, его начали наполнять водой. В это время в плите появились трещины. К счастью, эти угрожающие симптомы были своевременно замечены служащими, работавшими на последнем этаже здания, которые покинули помещение и подняли тревогу. Под влиянием непредвиденной восьмитонной нагрузки плита разрушилась. Это была довольно легко поправимая авария, но бывают и значительно более сложные случаи.

Классическим примером грубой ошибки, допущенной при определении собственной массы конструкции, является авария моста на р. Св. Лаврентия близ Квебека (Канада). На отдельных участках моста отношение реальной нагрузки к расчетной достигало 10:3. Но на столь грандиозной инженерной ошибке мы еще остановимся ниже и рассмотрим ее более подробно.

Рис. 2. Возможная интерпретация нормативной полезной нагрузки  на стадионах, в зрительных залах, в фойе

Значительно более сложен случай с так называемыми полезными нагрузками. Они являются полезными в подлинном смысле слова поскольку конструкция предназначена как раз для того, чтобы воспринимать и выдерживать именно эти нагрузки.

Собственная масса конструкции и несущих ограждающих элементов представляет собой скорее паразитическую, чем полезную нагрузку! Полезные нагрузки — это нагрузки от людей, машин, оборудования, складируемых материалов и т.д. Однако вся тонкость состоит в том, чтобы конструкция была максимально ориентирована на восприятие этих нагрузок, т.е. чтобы, как говорится, «и волки были сыты, и овцы целы».

В 1972 г. в филиппинском городе Нага-Сити произошла следующая история. Приближался день большого религиозного праздника, насыщенный массовыми шествиями и зрелищами. Кульминационным событием была торжественная процессия на полноводной реке, протекающей через город: в ней участвовали сотни верующих на пышно украшенных лодках и небольших парусных суденышках. Это зрелище удобнее всего было наблюдать с большого автодорожного моста, который в роковой день и час заполнился любопытствующими — верующими и неверующими, местными жителями и иностранными туристами. Когда ожидаемая процессия наконец показалась, люди столпились на одной стороне моста, не подозревая о том, что случится в следующее мгновение. Мост ужасающе заскрежетал, изогнулся и, не выдержав огромной односторонней нагрузки, внезапно рухнул. Деревянными балками и металлическими конструкциями было раздавлено 130 человек. Знаменательно, что подобная катастрофа при тех же обстоятельствах уже произошла в этом месте в 1949 г.

В принципе бывает довольно трудно предусмотреть обстоятельства (или, соответственно, «живую нагрузку»), которые могут сказаться критическими для здания или сооружения. Тем не менее они не такие уж невозможные. Совершенно очевидно, что увеличение полезных нагрузок до невероятных пределов предполагает проектирование чрезмерно прочных, чрезмерно надежных и, естественно, чрезмерно неэкономичных строительных конструкций. Другой крайностью было бы закрыть глаза на известную, но маловероятную возможность реализации необычайно высокой полезной нагрузки. В этом случае конструкции будут гораздо более экономичными при весьма сомнительной надежности. По-видимому, наилучшим решением здесь будет разумный компромисс.

Возьмем следующий пример. Возможно ли, чтобы в жилом доме помещения наполнились людьми до такой степени, чтобы полезная нагрузка достигла величины 400 кг/м2? Говоря житейским языком, на каждом квадратном метре пола должно собраться по четыре толстяка весом по 100 кг. Но чтобы разместиться на столь малой площади, они должны были бы прижаться друг к другу… А это была бы уже такая теснота, которая возможна только при огромных скоплениях людей — на стадионах, в зрительных залах, в фойе и т.п. Для подобных объектов полезная нагрузка 400 кг/м2 вполне уместна, поэтому именно эта величина считается для них нормативной. Для коридоров и лестничных клеток административных зданий нормативная полезная нагрузка составляет 300 кг/м2. При проектировании жилых зданий, где статическая ситуация, подобная описанной, является почти невероятной, проектировщик практически ориентируется на полезную нагрузку 150 кг/м2.

Подобным же образом, но путем гораздо более сложных расчетов решается вопрос о подвижных полезных нагрузках в случае мостовых конструкций. Расчетом учитываются транспортные средства, которые, с одной стороны, наиболее типичны для данного исторического момента в данной стране, а с другой стороны, могут оказывать наиболее тяжелое воздействие на мост и вызывать в нем напряжения и деформации. Причем важное значение здесь имеет не только величина нагрузок, но и их взаимное расположение. Поэтому еще в проектной мастерской моделируются различные дорожно-транспортные ситуации, которые могут самым неблагоприятным образом отразиться на состоянии как отдельных конструктивных элементов, так и конструкции в целом.

 

КАТАСТРОФЫ В ПРОШЛОМ И В НАШИ ДНИ

28 января 1922 г. над Вашингтоном бушевала метель. Во второй половине дня снегопад усилился и улицы опустели. К вечеру огромные снежные сугробы покрыли крыши, парки, улицы и площади, а снег все шел и шел.

Демонстрация фильма в огромном кинотеатре «Никарбокар» началась при переполненном зале. Едва ли кто-нибудь из зрителей подозревал, что происходит над его головой, хотя именно в это время сложные процессы в конструкции перекрытия тайно готовили катастрофу.

Едва ли кто-нибудь подозревал, что невидимый конфликт между силами гравитации и слабой, плохо спроектированной и выполненной конструкцией стремительно развивается в самом опасном, гибельном направлении и что очень скоро верх возьмут слепые силы гравитации. Тем временем толщина снежного покрывала на перекрытии достигла полуметра, более чем на 15% превысив расчетную величину. И «чаша переполнилась»…

В 21 ч 10 мин перекрытие над зрительным залом внезапно рухнуло: 91 человек погиб, а около 200 были тяжело ранены.

Каждый специалист хорошо знает, что снег — далеко не маловажный фактор и его нельзя недооценивать. Пушистый и легкий, он постепенно образует толстые пласты и уплотняется, вследствие чего его объемная масса может достигать значительной величины. Если в январе — феврале свежий снег весит до 300 кг/м2, то в марте масса 1 м2 снежного покрова может достигать 0,5 т. Кроме того, следует принимать во внимание одно дополнительное и весьма неприятное обстоятельство: в промышленных районах и крупных городах снег смешан с пылью (тяжелый снег), в связи с чем снежные нагрузки здесь могут быть гораздо более значительными, чем в сельской местности. О том, насколько коварным может оказаться обычный снег, говорит следующий факт. С 1955 по 1966 г. только в Канаде произошло восемь крупных аварий на строительных объектах, и, как показала экспертиза, причина была одна — чрезмерные снежные нагрузки.

Наибольшая толщина слоя снега, накопившегося за одни сутки, зарегистрирована в штате Колорадо (США) 14—15 апреля 1921 г. Это так называемая экстремальная ситуация, которая складывается не так уже часто. Возникает логичный вопрос: какой же должна быть нормативная снежная нагрузка, чтобы конструкция не подвергалась опасности аварии, но в то же время не была и «чрезмерно» надежной?

Здесь, как и в случае полезных нагрузок, вопрос может решаться с точки зрения статистической вероятности. Но, в отличие от полезных нагрузок, паразитическая снежная нагрузка не поддается никакому регулированию со стороны человека. Снег — это просто довольно неприятный для конструктора фактор, который он должен учесть и по возможности наиболее точно. Многолетние наблюдения позволяют получить подробные данные о колебаниях толщины снежного покрова. На основании этих данных выбирается год с особенно обильными снегопадами. Но как часто, по теории вероятности, повторяются такие снежные годы? Именно здесь возникает дилемма, которая всегда встает перед конструктором, когда он имеет дело с явлениями природы. Решение находится где-то на границе между чрезмерной драматизацией опасности и преувеличенным оптимизмом. Таким образом, речь снова идет о разумном компромиссе, который в значительной степени зависит от социальных и экономических установок.

Очевидно, было бы излишней предосторожностью ориентироваться на толщину снежного покрова, которая наблюдается раз в сто лет. Вполне вероятно, что период существования постройки может целиком уместиться между двумя такими «снежными событиями». Но, естественно, снег, который выпадает раз в пять лет, ни в коей мере нельзя считать обычным природным явлением. Так или иначе, но эта проблема имеет наибольшее значение для северных стран. На территории Болгарии снежный покров бывает значительно более скромным.

В соответствии с нормами снеговых нагрузок территория Болгарии разделена на три зоны, в которых максимальная масса снежного покрова на горизонтальной поверхности равна 50, 70 и 100 кг/м2. Для особых, главным образом горных, районов нормативная снеговая нагрузка определяется на основании результатов специальных наблюдений.

15 июля 1976 г. в ФРГ был официально открыт большой отводной, канал на р. Эльбе. Внушительная 115-километровая трасса канала, включая десятки километров дамбы, береговые сооружения и мосты, была построена за необыкновенно короткий срок. Канал рекламировался как техническое достижение XX в.

Через три дня после официального открытия, 18 июля, в районе Люнебурга был прорван 20-метровый участок одной из дамб. За считанные минуты огромная масса воды затопила обширную территорию — жилые районы, сельскохозяйственные угодья, несколько автомобильных магистралей и железнодорожную линию.

Вот одно из недавних событий, которое может служить иллюстрацией внушительных возможностей воды, водной стихии. Лишенные преграды водяные массы устремляются вперед с ужасающей скоростью. Их кинетическая энергия огромна, их движение неудержимо, и нет силы, которая могла бы укротить эту разбушевавшуюся стихию, сметающую на своем пути здания, улицы, целые села и города. Есть только одна возможность — не допускать подобных ситуаций.

Гарантией безопасности являются надежность и качество исполнения гидротехнических сооружений — стен водохранилищ, дамб, шлюзов, резервуаров. В течение всего срока эксплуатации они подвергаются огромному гидростатическому давлению. Известно, что каждый метр глубины увеличивает давление воды на одну тонну. В связи с этим нижняя часть стены водоема глубиной 10 м испытывает нагрузку в 10 т/м2, а давление воды на нижнюю часть стены водоема глубиной 40 м составляет 40 т/м2. С такими огромными нагрузками конструктор имеет дело в случае строительства гидротехнических сооружений. Разумеется, величине нагрузок соответствуют и масштабы самих сооружений, которые должны сдерживать столь грозную силу.

Но сколь трагичными оказываются последствия, если эти сооружения не оправдывают надежд, которые на них возлагаются! Мы остановимся лишь на одном из таких случаев. Он произошел в середине прошлого века в США.

Вблизи города Джонстауна в Пенсильвании было построено большое водохранилище (емкостью 20 млн. м3 воды) на р. Саут Форк. Насыпная земляная плотина имела длину 248 м и ширину в основании 61 м. В мае вследствие проливных дождей уровень воды в водоеме начал угрожающе повышаться, а водосбросные сооружения «подвели». Были приняты срочные меры по отводу излишней воды, но они не дали желаемых результатов. Вода стала переливаться через гребень плотины потоком шириной 90 м и постепенно ее размыла. Произошел прорыв плотины на значительном участке, и вода окончательно пробила себе дорогу. Через 45 мин перед глазами изумленных очевидцев появилось илистое дно водохранилища.

Долина реки перед плотиной имела сильный наклон к Джонстауну. По ней со скоростью гоночного автомобиля устремился мощный поток, высота фронтальной волны которого достигала 12 м. Все, что встречалось на его пути, уничтожалось до основания. Погибло около 2,5 тыс. человек. В локомотивном депо, находившемся в 5 км от места катастрофы, 16 шестидесятитонных паровозов были, подобно игрушкам, разбросаны в радиусе полукилометра.

Само по себе гидростатическое давление может довольно надежно «восприниматься» и сдерживаться. Ведь оно представляет собой такую нагрузку, которая наиболее просто и точно рассчитывается и, следовательно, позволяет обеспечить надежность конструкции гидротехнического сооружения. Опасность была бы действительно весьма незначительной, если бы не существовало целого ряда «подрывных» механических и физических процессов, происходящих в основании стен и в самих стенах и медленно, но верно подготавливающих условия для невозможной, на первый взгляд, катастрофы. Столь же негативную роль играет неисправность предохранительных сооружений или, что бывает гораздо реже, неправильная эксплуатация сооружений.

В поле земной гравитации внушительной нагрузкой является и сама масса земли. Иногда она в буквальном смысле слова не может удержаться, и тогда происходят обвалы и оползни.

Все стены подвальных этажей зданий, помимо всего прочего, должны сдерживать давление грунта, в котором они находятся. В отличие от воды грунты обладают значительным внутренним трением и сильной когезией (сцеплением между частицами), поэтому давление грунта, как правило, меньше давления воды. Грунт может удерживаться на откосах, а вода нет. Но это возможно лишь до известного предела, зависящего от качества самого грунта и от внешней нагрузки, которая может появиться в области откоса. В определенный момент внутреннее равновесие нарушается и массив может обрушиться.

От неприятных последствий защищают различные подпорные сооружения — обязательный элемент укрепления склонов при строительстве дорог в горных местностях, при вертикальной планировке на уклоне, в подвальных и подземных помещениях зданий. От правильного определения давления грунта, которое часто является основной нагрузкой, зависит, удержатся ли на месте опасные земляные массы.

ТЕЛЕГРАФНЫЕ АГЕНСТВА СООБЩАЮТ…

«РАНГУН. Не менее 253 человек погибло во время циклона, который на прошлой неделе опустошил дельту реки Иравади в Бирме. Циклон, пронесшийся над районом 7—8 мая со скоростью 140 км/ч, разрушил 123 тысячи жилищ, уничтожил 6 тысяч голов скота и потопил 50 речных судов. Нанесенный ущерб исчисляется более чем 60 млн. долларов» (ТАСС).

«МАНИЛА. 800 человек погибли от тропического урагана «Лола», который промчался над шестью южными и центральными провинциями Филиппин. В провинции Суригао 5 тысяч человек остались без крова» (Рейтер).

«ТОКИО. Тайфун «Филис», сильнейший из обрушивавшихся до сих пор на Японию, явился причиной гибели 60 человек, еще 146 человек были ранены, а 12 бесследно исчезли. Тайфун пронесся над юго-западной частью Японии, разрушив 1124 дома. Десятки тысяч зданий затоплены. Сильно пострадали посевы и сельскохозяйственные постройки» (БТА).

«ВАШИНГТОН. Американский президент Джералд Форд объявил районом бедствия штат Арканзас, пострадавший от ураганов и наводнения. Разбушевавшаяся стихия нанесла значительный материальный ущерб. Разрушены здания, мосты и дороги, частично выведены из строя электростанции, обслуживающие 22 населенных пункта» (БТА).

«НЬЮ-ЙОРК. Полуразрушенные здания, сорванные крыши, выбитые окна, вырванные с корнем деревья и поврежденные электропровода — вот следы урагана, бушевавшего над центральной частью Алабамы. Девяносто человек ранены и один убит. Значительный ущерб причинен и соседнему штату Джорджия» (БТА).

Даты в приведенных выше сообщениях умышленно опущены. Они просто излишни. Подобные сообщения поступают чуть ли не ежедневно, и мы уже привыкли к драматизму, скрытому в их сухих строчках. Но стоит задуматься о бедствиях, которые за ними стоят, об ужасных бедствиях…

21 сентября 1974 г. из Нью-Йорка были получены первые сообщения об урагане «Фифи», позднее названном «ураганом века». В последующие дни сообщения о нем не сходили со страниц мировой печати. Он пронесся над Никарагуа, Гондурасом, Сальвадором, Гватемалой, северо-восточной частью Мексики. Согласно официальным данным, масштабы ущерба, причиненного этим ураганом, достигали миллиарда долларов.

Было подсчитано, что понадобится около пяти лет, прежде чем экономика этих стран оправится от последствий урагана. Насчитывалось около 9 тыс. погибших, 15 тыс. человек бесследно исчезли.

Несколько месяцев спустя над австралийским городом Дарвином пронесся циклон «Трейси».

По масштабам разрушений — около 90% всех зданий в городе — двигавшиеся со скоростью 200 км/ч ветры напоминали массированную бомбардировку. По непосредственному воздействию на здания и сооружения «Трейси» — наиболее опустошительный циклон последних лет. Во всяком случае, немногие города Европы во время второй мировой войны подвергались сразу столь сильному разрушению.

Однако не должно складываться впечатление, что опустошительные ветры «запатентованы» лишь в тропиках. В странах умеренного пояса периодически бушуют ураганы, которые по силе часто соперничают с тропическими.

«БЕРЛИН. Ураганные ветры, скорость которых достигала 125 км/ч, пронеслись над Берлином и другими районами ГДР. Пострадали крыши промышленных объектов и жилых зданий, вырваны с корнем деревья, а местами и телеграфные столбы. На некоторых автомагистралях было остановлено движение транспортных средств» (БТА).

«ВАРШАВА. За последние сутки погода в Польше резко изменилась. Дуют сильные ветры и идут проливные дожди. Ветер разорвал несколько магистральных линий электропередачи, разрушил крыши на ряде хозяйственных построек. Настоящие летние бури разыгрались в Люблине, Кракове и в районе Варшавы» (ПАП).

«БЕЛГРАД. Над северо-восточными и центральными районами Югославии пронесся сильный ураган. Скорость ветра местами достигала 140—150 км/ч. Разрушены магистральные линии электропередачи, прервано телефонное сообщение. В Белграде на несколько часов было приостановлено движение городского транспорта. В Нови-Саде ураган срывал крыши с домов с корнем вырывал деревья. Нанесен большой ущерб посевам зерновых. На внеочередной сессии правительственных органов Сербии обсуждались меры по оказанию помощи пострадавшим. Части югославской народной армии, милиции и граждане страны ликвидируют последствия урагана» (БТА).

«РИМ. Над Генуей и ее окрестностями пронесся ураган. Ветер, скорость которого достигла 100 км/ч, сносил крыши, вырывал с корнем деревья. Нарушено снабжение электроэнергией. Ущерб, причиненный ураганом, оценивается в несколько сот миллионов лир» (БТА).

«НЬЮ-ЙОРК. Сегодня ураган «Бел», движущийся со скоростью 175 км/ч, пронесся над самой густонаселенной частью нью-йоркского пригорода Лонг-Айленд. Были снесены крыши, вырваны с корнем деревья, порваны электрокабели. Более 60 тыс. квартир осталось без освещения» (БТА).

Как рождаются ветры? Древние греки, например, считали, что их вызывают морские волны. Но в действительности происходит скорее наоборот.

Вообще говоря, речь идет об атмосферной циркуляции, о глобальном и постоянном движении воздушных масс, из которых человек может непосредственно воспринимать лишь те, что находятся на нижнем уровне «многоэтажной атмосферы» Земли. Реально планета получает около половины поступающей на внешнюю границу земной атмосферы солнечной энергии в виде прямой и рассеянной радиации, а вторая половина отражается в пространство. Три четверти этой получаемой энергии уходит на согревание земной поверхности, а одна четверть остается в атмосфере. И именно эта четверть является «виновником» мощных движений воздуха, которые называются атмосферной циркуляцией.

С другой стороны, океаны в тропиках расходуют тепло, которое поступает в атмосферу, на испарение воды со своей поверхности. В конечном счете в области экватора концентрируется огромное количество тепла, которое, не распространяясь к высоким широтам, угрожает экваториальной и тропической зонам исполинским тепловым ударом. Роль фактора, обеспечивающего выравнивание температур, играют в основном воздушные течения. Более чем половиной получаемого тепла высокие широты обязаны атмосферной циркуляции.

Происходит это приблизительно следующим образом: с севера к экватору течет холодный и тяжелый воздух, который, достигая низких широт, нагревается и поднимается вверх, после чего снова поворачивает на север. Так формируются два потока — один над другим, образуя нечто вроде клетки (известной под названием «клетка Хадли»). Следовало бы ожидать, что эта клетка замкнется где-то в области полюса. Однако она не замыкается, а распадается в зоне умеренных широт. Причиной этого оказываются динамические силы, возникающие при вращении Земли и возрастающие к сороковой параллели. В умеренных широтах постоянно происходит струйное течение, которое, будучи достаточно извилистым, в общем направлено с запада на восток.

Такова картина глобальных атмосферных движений. Однако вблизи земной поверхности эта картина гораздо сложнее и почти не поддается какой-либо систематизации. Помимо трения воздушных струй о земную поверхность большое значение здесь имеет также характер рельефа — его неровности, которые становятся причиной своеобразных и в известной степени специфических для данного района ветров. Столь же важным является соотношение между водой и сушей. Контактирующие с морями и океанами зоны систематически продуваются местными ветрами, которые в различных районах земного шара даже имеют свои имена. В конечном счете именно эти низкие ветры оказывают непосредственное воздействие на здания и сооружения. Но мы должны еще немного рассказать о том, как они превращаются в нагрузку.

Тропические ураганы — наиболее драматичная форма атмосферной динамики. По существу, это колоссальный энергетический «транспорт», который движется со скоростью современного экспресса от тропиков к умеренным широтам, растрачивая по дороге свою пагубную энергию. А энергия эта может быть приравнена примерно к ста 20-мегатонным водородным бомбам! К счастью (если в данном случае уместно говорить о счастье), такая летящая супербомба не взрывается сразу, а отдает свою энергию медленно, постепенно, в течение нескольких дней, благодаря чему есть возможность в известной степени предсказать направление ее дальнейшего движения. В этом отличие ураганов от землетрясений. Сейчас существует сравнительно хорошо налаженная система обнаружения зарождающихся ураганов и прослеживания их движения, которая располагает множеством современных средств — самолетами и кораблями- лабораториями, искусственными спутниками и наземными станциями. Так что элемент неожиданности почти исключен.

И если жертвы и разрушения все же огромны, метеорологи в этом не виноваты. Нескольких часов или даже дней, которыми располагают предупрежденные районы, практически недостаточно для массовой эвакуации населения. Посевы, в сущности, обречены. Конструкции зданий и сооружений, однако, должны устоять любой ценой. Рушатся декоративные элементы, остекление, различные покрытия, но с точки зрения материальных затрат это минимальные и легковосполнимые потери.

Как возникают эти грозные атмосферные явления? Какие силы превращают почти невесомый и неощутимый воздух в неукротимую стихию?

Наука все еще не может полностью ответить на этот естественный вопрос. Известно, что ураганы возникают в области экватора, в полосе между 20° северной и 20° южной широты. Около зоны низкого атмосферного давления образуются быстровосходящие потоки воздушных масс, что обусловлено большой разницей давлений на периферии и в центре. Стремительно вращающееся образование имеет диаметр до 1000 км, высоту до 15 км, а скорость его может превышать 300 км/ч. При этом в центре царит … абсолютное спокойствие. В такой эллипсовидной зоне, названной «оком урагана», ярко светит солнце и на много квадратных километров вокруг погода тихая и ясная.

Ежегодно несколько десятков таких образований возникают в теплых морях и некоторые из них по сложному пути устремляются к суше. Сезон ураганов в Северном полушарии продолжается с августа до ноября, а в Южном — с декабря до апреля. В сущности, слова «ураган», «тайфун», «циклон», «харикейн» (от индейского «хуракан» — сильный ветер), которыми мы пользуемся в разных случаях, являются полными синонимами.

Всякое устойчивое завихрение со скоростью более 60 км/ч уже называется ураганом, а часто удостаивается и своего собственного имени. Эта интересная традиция родилась в 40-х годах нынешнего столетия, и ее основоположником стал американский писатель Джеймс Стюарт. В одном из своих романов он позволил себе такую авторскую вольность, а метеорологи быстро взяли ее на вооружение.

 

УРАГАННЫЕ ВЕТРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВО

Сильные порывы ветра — это не только внушительное явление природы, но и источник серьезных технико-экономических проблем общечеловеческого значения. Почти бесплотный воздух может быть носителем колоссальной кинетической энергии. Будучи вовлеченными в циклоническое движение земной атмосферы, он превращается в могучий вал, оставляющий на своем пути многочисленные разрушения.

По сообщению секретариата Всемирной службы погоды, ураганные ветры ежегодно наносят ущерб, исчисляемый 1,5 млрд. долл, (на основании данных за последние сто лет). Почти 2/3 этой суммы составляет ущерб, причиняемый нашей градообразующей среде — зданиям и сооружениям. Сумма ущерба, в среднем причиняемого ежегодно землетрясениями, примерно на 40% меньше. Только в США ежегодные потери за период 1915 — 1924 гг. составили 63 млн. долл. С этого времени до наших дней они в среднем увеличиваются на 9,5%, что на 40% больше прироста национального дохода США. В Японии потери от ураганных ветров возросли с 273 млн. в 1945 г. до 600 млн. долл. В странах Карибского бассейна за последние десять лет эта сумма возросла втрое. Подобным же образом растут потери от ураганных ветров в странах юго-восточной Азии и на Филиппинах.

Разумеется, ветры не стали ни более сильными, ни более продолжительными, чем, например, в ХVIII в. Просто препятствия, которые человек ставит на их пути, т.е. все возвышающиеся над землей искусственные сооружения, в связи с нынешней ускоренной урбанизацией стали значительно выше.

Нет страны, которая была бы застрахована от внезапного воздействия ураганных ветров, и это создает необходимость в специальных конструктивных мерах для обеспечения надежности зданий и сооружений. Их несущие конструкции предназначены в первую очередь для восприятия вертикальных гравитационных нагрузок — собственной массы, массы людей, оборудования, снега и т.д., о чем мы уже говорили. Ветровые же нагрузки — горизонтальны, и именно это является причиной их специфического воздействия на конструкции. Механизм их «агрессии» коренным образом отличается от действия вертикальных гравитационных нагрузок. Создание устойчивости к ветровым нагрузкам обыкновенно требует дополнительных капиталовложений, и обеспечение необходимой надежности, в сущности, связано с удорожанием строительства.

Сто лет назад подобных проблем еще не существовало. Здания строились из тяжелого кирпича или камня, и массивность в сочетании с малой высотой делала их устойчивыми к порывам ветра. Но переход к новым материалам, каркасным конструкциям и большой высоте зданий и сооружений поставил перед конструкторами весьма острые «ветровые» проблемы. Очевидно, что для 100-метрового административного здания или 200-метровой трубы ветер — это первостепенный «агрессивный фактор», и его воздействие должно быть тщательно исследовано.

Но вернемся к убыткам. Экономисты утверждают, что они возрастают в прямой зависимости от роста строительства. Однако размеры их строго индивидуальны для каждой климатической зоны и даже для каждой страны. В особенно невыгодном положении находятся страны тропического пояса — «царства ураганов». Как правило, это развивающиеся страны с еще не окрепшей экономикой, которая ежегодно испытывает сокрушительные удары от традиционных атмосферных явлений. Некоторые скептически настроенные ученые на Западе даже делают вывод, что технический прогресс теряет смысл в этих странах, так как они постоянно находятся под географически предопределенной угрозой, и стоимость ежегодных потерь всегда будет соизмерима с процентом роста национального дохода.

Но такой подход, разумеется, является антигуманным и до некоторой степени нелогичным. Сколь ни пессимистичны перспективы для этих стран, у них есть и своя положительная сторона — они стимулируют ученых и специалистов искать новые пути и средства размыкания «клещей» природы. С точки зрения математической статистики ветры не становятся ни сильнее, ни продолжительнее. Но в определенные годы, дни и часы в различных районах планеты поднимаются особенно сильные, особенно опустошительные ветры.

Рис. 3. Сильные порывы ветра - не только внушительное явление природы, но и источник возникновения технико-экономических проблем общечеловеческого значения

Снова возникает вопрос: на какую силу ветра проектировщик должен рассчитывать конструкцию? В каком случае она будет надежной?

Принципиальный ответ на этот вопрос дать нетрудно. Надо проанализировать многолетние метеорологические наблюдения в данном районе и выбрать наиболее сильный ветер. Но какой выбрать — тот, что, по статистике, наблюдается раз в пять лет? Или раз в пятьдесят лет? Или, может быть, тот, что теоретически возникает раз в столетие? Здесь вопрос далеко не только инженерный; в нем просматриваются моральные и социальные мотивы, примешиваются экономические соображения, а его решение, коль скоро оно дискуссионно, нуждается в юридическом «облачении». Подобная дилемма возникает и при строительстве в сейсмических условиях: полное исключение фактора риска, конечно, вещь прекрасная, но связанная с неимоверным удорожанием строительства. В настоящее время оно является массовым, а в мире нет столь богатой державы, которая могла бы позволить себе строить без риска, хотя бы теоретически.

Среди специалистов весьма популярная формула, представленная на . С ее помощью скорость ветра трансформируется в лобовое давление (напор), которое струи воздуха оказывают на плоскость, поставленную перпендикулярно направлению их движения. Скорость выражается в метрах в секунду, а давление — в килограммах на квадратный метр. Наибольшая скорость ветра была зарегистрирована 12 апреля 1934 г. в Нью-Гемпшире (США). Она составляла 416 км/ч, что соответствует давлению 722 кг/м2 Столько весит железобетонная плита толщиной 30 см. Так как поверхность человеческого тела, противостоящая такому стремительному ветру, приблизительно равна 0,5 м2, человек не устоит и секунды — он будет мгновенно повален горизонтальной силой в 360 кг. Для сравнения заметим, что даже самый страшный удар лучшего боксера в десятки раз слабее этого природного «нокаута».

Все сказанное выше справедливо, но … при идеальных условиях. Практически же здания и сооружения, которые часто представляют собой тела сложной формы, нарушают нормальное течение воздушных масс и вызывают ряд аэродинамических эффектов, от которых сами и страдают. Возьмем наиболее простой случай — прямоугольное в плане здание с плоской кровлей. Этот элементарный параллелепипед деформирует силовые линии воздушного потока, который обтекает его с пяти сторон. Получающуюся при этом сложную картину лучше всего можно наблюдать в аэродинамическом туннеле. Около 80% напора ветра приходится на лобовую, наветренную стену, однако примерно 60% той же нагрузки испытывает противоположная, подветренная сторона в виде так называемого отсоса. Две другие, параллельные направлению ветра стены, затягиваются воздушным потоком, а на плоскую кровлю оказывается определенное давление.

При двускатной кровле картина усложняется. В зависимости от угла наклона наветренный скат испытывает значительный напор ветра, а подветренный — отсос, возникающий в силу разрежения; поэтому подветренный скат кровли как бы стремится взлететь. При более сложной форме кровли воздействие ветра распределяется иначе, но все же становится более или менее ясно, почему в сообщениях о бурях и ураганах говорится о снесенных крышах. В случае легких конструкций и кровель крыша может оказаться в положении самолетного крыла — благодаря ее форме возникает подъемная сила, превышающая ее собственный вес и прочность ее закрепления на конструкции.

Известные приближения и упрощения в сложной аэродинамической картине вполне допустимы, особенно если они обеспечивают большую надежность здания. Наиболее существенным упрощением можно считать рассмотрение напора ветра как статической нагрузки. Если здание достаточно массивно, пульсации ветра обычно не могут возбудить в нем динамических (инерционных) сил.

Однако при создании очень высоких и гибких сооружений такой подход недопустим. Многолетний негативный опыт заставил специалистов окончательно убедиться в этом. Среди наиболее трагичных историй такого рода первое место, несомненно, занимает катастрофа с висячим мостом у города Такома (США), произошедшая в 1940 г. Но об этом мы расскажем несколько позже.

В Болгарии, как и в большинстве развитых стран, «ветровые вопросы» регламентируются нормативными документами, имеющими силу закона. Страна разделена на три зоны в зависимости от преобладающих ветров. Нормативный напор ветра для этих зон — 35, 45 и 55 кг/м2, что соответствует скорости ветра 85, 97 и 107 км/ч. Для большинства горных районов напор ветра определяется индивидуально в зависимости от непосредственно измеренной скорости. Чаще всего нормативной здесь считается скорость ветра, которая превышает статистически встречающуюся раз в пять лет.

 

В ОПРЕДЕЛЕННОЕ ВРЕМЯ, ПРИ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ…

Может показаться странным, но изменение температуры окружающей среды является нагрузкой — и часто весьма значительной — на строительные конструкции.

Все мы знаем, что железнодорожные рельсы неплотно пригнаны один к другому, между ними оставлены определенные люфты. Это достаточно ясно ощущается по ритмичному постукиванию при движении поезда, когда колеса вагона минуют стыки. Причиняется вред подвижному составу, поскольку ускоряется его амортизация, неприятные ощущения испытывают пассажиры, но пока это неизбежно. Во время летнего зноя рельсы должны иметь возможность свободно удлиняться, для чего и оставляются промежутки между ними. Легко себе представить, что произошло бы при отсутствии люфтов на стыках между рельсами: сотни километров деформированных, искривленных железнодорожных путей…

Подобная, хотя и значительно более сложная картина наблюдается в зданиях и сооружениях. Они состоят из определенного числа взаимно связанных элементов, вследствие чего возможность свободной температурной деформации ограничена, а иногда и полностью отсутствует. В сравнительно узком диапазоне температур, на который рассчитываются обычно здания, все обходится благополучно. Однако летом температура воздуха может достигать 35°С в тени и ничто не может воспрепятствовать неудержимому стремлению тел расшириться. Не составляют исключения и конструктивные элементы. И, как следует ожидать, невозможность их удлинения приводит к возникновению сжимающих напряжений. И наоборот, при понижении температуры элементы стремятся укоротиться, сжаться, но, так как не имеют такой возможности, в них возникают растягивающие напряжения.

Катастрофа с кинотеатром «Никарбокар» в Вашингтоне в значительной степени была обусловлена воздействием низких температур в сочетании с общим состоянием конструкции. В морозный зимний вечер покрытие, подчиняясь законам физики, сжалось и увлекло за собой несущие кирпичные стены. Этой общей деформации, столь незначительной с житейской точки зрения, было вполне достаточно, чтобы возникли условия для проявления серьезных конструктивных недостатков.

Примерно так обстоит дело с качественной стороной вопроса. Чтобы рассмотреть его количественную сторону, обратимся еще к одному примеру. Коэффициент температурного расширения стали равен 0,012 мм/м. Это значит, что при повышении внешней температуры на 1°С стальной прут длиной 1 м удлинится на 0,012 мм. Если рассматриваемый прут неподвижно закреплен с двух сторон, а внешняя температура повысилась на 10°С, прут попытается закономерно деформироваться на 0,012х10=0,12 мм. А поскольку это невозможно, в нем возникают внутренние сжимающие нагрузки, сила которых соответствует потенциальному удлинению. Таким образом, значительная доля прочностных возможностей элемента занята борьбой с температурным воздействием. Вот уж поистине паразитическая нагрузка!

Для реальных сооружений, например для стальной части моста, такое невинное, на первый взгляд, изменение температуры на 10°С может иметь самые трагические последствия. Уже в конструкции, рассчитанной на одну-две железнодорожные колеи, возникает сжимающая сила, равная приблизительно 1000 т. Для сравнения заметим, что примерно столько же весит товарный состав вместе с локомотивом.

Разумеется, и в этом, и в ряде других случаев подобные напряжения недопустимы. Конструкторы принимают специальные меры, чтобы температурные нагрузки проявляли себя как можно слабее. Проще всего это сделать, обеспечив конструкциям возможность свободно удлиняться и укорачиваться. Мостовые балки, например, устанавливают на специальные опоры, которые обеспечивают их подвижность в надлежащем направлении. Здания «рассекаются» деформационными швами, ширина которых (обычно около 2 см), как правило, достаточна для температурного расширения отдельных блоков. Принимают еще целый ряд мер с одной единственной целью — ограничить «аппетит» нежелательной паразитической нагрузки.

Описанная картина температурной «агрессии» далеко не полная. В сущности, мы коснулись лишь одной, наиболее невинной ее формы — равномерного нагревания и охлаждения. А если оно будет неравномерным?

Многие помнят школьный опыт по физике, когда к пламени спиртовой горелки подносят стальную пластину, края которой через несколько секунд изгибаются вверх. Если стальной прут, который мы выше использовали в качестве примера, закреплен неподвижно, подобный свободный изгиб невозможен, по крайней мере первое время. В случае более сильного нагрева нижней стороны прута именно с этой стороны сжимающее напряжение больше. В конечном счете возникнет снова сжимающая сила с той лишь разницей, что состояние несимметричного нагревания предполагает несимметрично действующую силу. Возникнет также стремление к изгибу или, как сказали бы специалисты, — изгибающий момент.

Итак, из сказанного сделаем вывод, который будет звучать приблизительно так: невозможность свободного изгиба при неравномерном температурном воздействии приводит к появлению изгибающего момента. Но механизм изгиба значительно неприятнее, чем просто растяжение или сжатие, и мы в этом еще убедимся. Именно изгибающий момент в наибольшей степени предопределяет конструктивную форму и количество материала, в нее вложенного. К сожалению, изменения в температуре окружающей среды чаще всего действуют на конструктивные элементы именно таким образом. Зимой внутри любого здания всегда теплее, чем снаружи, и уже это говорит о неравномерном температурном воздействии. Летом, наоборот, внешняя температура выше внутренней, так как здание снаружи нагревается солнцем. При проектировании моста, например, для центральной его части, выполняемой из стали, учитывается дополнительная нагрузка, обусловленная разностью температур между нижней и верхней поверхностями пролетного строения. Таким образом отражается «нагружающее» воздействие Солнца, о котором большинство людей даже не подозревает.

Можно себе представить, какую опасность для конструкции создает пожар в многоэтажном здании! Температуры во время пожара несравнимы с температурами климатического воздействия. А ведь пожары вовсе не такая редкость, как нам бы того хотелось. В 1974 г., например, только в Японии произошло 67568 пожаров в зданиях, причем 8496 из них в Токио. Погибло 1646 человек.

Особенно чувствительны к подобным бедствиям стальные конструкции. Независимо от мер, которые принимаются для их защиты от воздействия высоких температур,— огнезащитные лаки, расширяющиеся покрытия, специальные облицовки — пожар обычно все же добирается до них. А ведь каждый поймет, насколько нежелательно, чтобы помимо человеческих жертв и всякого другого ущерба, причиненного зданию, в конце концов и оно само рухнуло.

С особой остротой эта проблема встает в случае высотных зданий, небоскребов. Их конструкции, как правило, стальные, поскольку при таких огромных нагрузках, которым они подвергаются, может быть применен только этот материал. Пожар в небоскребе — это больше, чем обычная катастрофа, — это массовая трагедия. Поэтому принимаются всевозможные меры, чтобы он там не возник. В двух зданиях Всемирного торгового центра («сиамских близнецах») в Нью-Йорке, которые до недавнего времени были самыми высокими в мире, в разных местах установлено до 6500 детекторов для регистрации температуры, дыма, концентрации газов. Диспетчерский зал этих зданий напоминает командный пункт центра управления космическими полетами.

С точки зрения инженера-строителя, пожар — это аварийная нагрузка, которая в определенных случаях должна быть учтена. Разумеется, нецелесообразно, а обычно и невозможно рассчитывать конструкцию таким образом, чтобы она устояла при любом, даже самом сильном пожаре. Считается, что пожарные будут действовать достаточно эффективно и вся конструкция устоит до их прибытия. Так что огнестойкость измеряется минутами. В сущности, должны быть приняты меры, чтобы конструкция выдержала температурные нагрузки в течение определенного числа тех критических минут, которые регламентируются специальными техническими нормами.

Существуют сооружения, для которых пожар — нормальное, эксплуатационное состояние. У их основания температура дыма составляет несколько сот градусов, а вверху немногим ниже. Очевидно, что обычный строительный материал не может непосредственно подвергаться такому тепловому воздействию, особенно в связи с высокой химической активностью дымовых газов. Поэтому предусматривается специальная изоляция. Но, несмотря ни на что, в конструкции возникают значительные температурные напряжения, которые являются результатом не каких-либо экстремальных, а обычных, повседневных условий. Но сколь тяжела такая эксплуатационная повседневность…

 

«ПЕРЕД ВЗОРАМИ СМЯТЕННЫХ ОЧЕВИДЦЕВ…»

Петербург, 1905 г. По улицам столицы среди плотной толпы любопытных горожан бодро шествовали колонны кавалерийского полка со знаменами и полковой музыкой. Первые конники приблизились к Неве, а затем вступили на полотно Египетского моста. В ту минуту, когда они достигли его противоположного конца и мост заполнился торжественно движущейся кавалерией, перед взорами смятенных очевидцев разыгралось зрелище, которое может быть внесено и в классический список строительных катастроф, и в альманах курьезов. Неожиданно мост «ожил», задвигался почти в такт со стуком конских копыт и с глухим шумом рухнул в воду вместе с находящейся на нем конницей.

Резонанс — так принято называть то, что послужило причиной этого уникального в мировой строительной практике случая.

Одно из фундаментальных положений строительной, статики заключается в требовании, чтобы нагрузки на конструкцию были постоянны по месту и величине и чтобы они повышались постепенно от нуля до максимального значения. Статические нагрузки представляют собой скорее исключение, чем правило. Реальные нагрузки чаще всего изменяются и по величине, и по местоположению, так что они должны оказывать динамическое воздействие.

Динамический эффект выражается в ускорении, с которым прилагается нагрузка. Второй закон Ньютона гласит: масса, умноженная на ускорение, равна силе. Именно инерционные силы являются причиной дополнительных нагрузок, которыми мы часто пренебрегаем, но которые иногда имеют решающее значение. Не будет преувеличением сказать, что они возникают всегда и всюду.

Рис. 4. Одним из фундаментальных положений строительной статики является условие о том, что внешние нагрузки постоянны по месту их приложения и по своей величине и что конструкция подвергается их воздействию очень медленно. Однако статические нагрузки, скорее исключение, чем правило

Начнем с так называемых ударных нагрузок. Их воздействие определяется кинетической энергией удара. В промышленности источником такого воздействия являются различные виды автоматических молотов. Иногда их мощность имеет фантастические величины, и, если не принимать специальных мер, по их изоляции, они за несколько часов своего взрывоподобного режима работы могут разрушить здание, в котором находятся, и серьезно повредить соседние. В транспортном строительстве существует возможность удара транспортных средств о мостовые сооружения при аварийной ситуации. Например, для автодорожных мостов предусматривается расчетная сила удара, равная 100 т (нормы НРБ по нагрузкам для мостов). Гораздо большая сила удара наблюдается при столкновении судов с опорами моста. Но ударные нагрузки могут быть и совсем тривиальными, например при прохождении колесами железнодорожного состава рельсовых стыков.

Воздействие нагрузок этого рода обычно ограничивается небольшой частью конструкции. И чем выше скорость удара, тем меньше область его воздействия. Например, камень разбивает все стекло, в которое попадает, тогда как пуля благодаря несравнимо большей скорости оставляет в нем лишь маленькое отверстие.

Последствия удара предусмотреть сравнительно легко. Совершенно иначе обстоит дело с другим видом динамических нагрузок — вибрационными. Самое неприятное в них то, что они воздействуют на всю конструкцию в целом и даже на конструкции объектов, расположенных вблизи источника вибраций. Несущие системы зданий и сооружений сами по себе склонны к вибрациям, к колебаниям, характеристики которых в каждом случае строго индивидуальны. Когда характеристики совпадают с характеристиками внешнего воздействия, система попадает в резонанс. Амплитуда колебаний резко увеличивается, что может привести к полному разрушению конструкции даже при сравнительно слабых по абсолютной величине динамических нагрузках. Именно это и случилось с Египетским мостом в Петербурге.

Вокруг нас много источников подобных пагубных воздействий, и мы часто о них даже не подозреваем. Начиная с колес парового локомотива, неуравновешенные массы которыхвызывают гармонично изменяющуюся инерционную силу, и кончая всеми машинами и агрегатами, вращающиеся части которых, несмотря на самый точный монтаж, никогда не могут быть идеально центрированы, что опять же приводит к возникновению инерционных сил, — вот длинный и практически бесконечный список источников вибраций. Но первое место среди них, бесспорно, принадлежит турбоагрегатам — генераторам, компрессорам, помпам. Скорость вращения высокочастотных турбоагрегатов превышает 300 об/мин, а это значит, что своеобразные приливы и отливы чередуются в сотые доли секунды. За одну секунду здание может испытывать от 10 до 50 и даже до 100 толчков.

Весной 1965 г. со складом одной флотационной фабрики в течение 24 ч произошло нечто странное. С чего все началось, никто не видел, но к 9 ч утра работники заметили, что некоторые элементы стальной конструкции сильно деформировались. Была поднята тревога.

Склад — весьма внушительное сооружение — достигал в длину 350 м, в ширину — 42 м, а верхняя точка перекрытия находилась на высоте 27 м над поверхностью земли. Внутри здания хранилась огромная масса влажного концентрата, каждый кубический метр которого весил более трех тонн. 42-метровый пролет склада был перекрыт стальной конструкцией в виде трехшарнирной арки, а в середине перекрытия по всей длине здания проходила линия транспортировки концентрата. Вся эта масса в десятки тысяч тонн весом тайно и систематически подтачивала фундамент здания, подготавливая последующие события.

В 9 ч 20 мин на место происшествия спешно прибыл один из заместителей главного инженера, который собственными глазами увидел, как последовательно изгибаются и разрушаются связи между главными несущими конструкциями. Кроме того, было замечено, что покрываются трещинами стены трансформаторной подстанции. В 10 ч 5 мин здание подстанции полностью разрушилось.

Тогда стало ясно, что П-образные рамы медленно, но верно раздвигаются, а расстояние между фундаментами, первоначально составлявшее 42 м, явно увеличивается. Когда в полдень на место происшествия прибыла комиссия, состоящая из специалистов по строительству, их взорам предстала выпуклость грунта, простирающаяся с внешней стороны склада по всей длине. Грунтовое основание утратило устойчивость под действием огромного веса влажного концентрата и сил, направленных на фундамент, грунт перешел из статического состояния в состояние неустойчивого динамического равновесия. Перед взорами смятенных очевидцев постепенно вырисовывались контуры огромной строительной катастрофы, которая должна была вскоре произойти.

К 13 ч появились первые признаки разрушения транспортировочной линии. В это время смещение внешних стен достигало 2 м. В 13 ч 20 мин обрушились груды концентрата, и с этого времени вплоть до утра следующего дня деформации нарастали с постоянной скоростью.

Через 24 ч после сигнала тревоги ширина склада составляла уже не 42, а 48 м, покрытие снизилось на 3,2 м, а вал вспучившегося грунта достигал в высоту 2 м. Деформации и локальные повреждения в конструкции были настолько велики, что дальнейшая эксплуатация здания стала невозможной.

Этим примером мы хотим привлечь внимание к одной из непредвиденных, но часто катастрофических нагрузок, которым подвергаются здания и сооружения, — подъему грунтового основания. Определенные деформации в нем неминуемы, но если они переходят известные границы, конструкции угрожает авария.

Рис.5. Непредусмотреннными и часто роковыми являются силовые воздействия, которым подвергается строительная конструкция вследствие подъема грунтового основания

Как материал для основания грунт по качеству сильно уступает строительным материалам, и, следовательно, возможности его весьма ограничены. Его поведение трудно предсказать количественно (а иногда и качественно) неожиданности в его поведении, не будучи правилом, не являются и исключением. Он — природная данность, созданная вне нашего контроля и без консультации с нами по тем вопросам, которые нас интересовали бы, а также в то время, когда нас еще не было. Мы вынуждены принимать все его недостатки, странности и капризы.

Основная задача при проектировании — сведение к минимуму оседания грунта под фундаментами, поскольку благодаря этому уменьшаются дополнительные нагрузки (и перегрузки!) конструкций, которые и без того должны воспринимать целый ряд постоянных и временных нагрузок. Оседание грунта, даже если оно и не вызовет катастрофы, может привести к образованию трещин в кирпичной кладке, к локальным повреждениям и вообще к отклонениям от нормального состояния сооружения. Это — паразитическая нагрузка, влияние которой должно быть тщательно проанализировано.

Трудно за один раз исчерпать длинный список всевозможных нагрузок. Чрезвычайно многообразны формы воздействия природы и самого человека на здания и сооружения. Оказывается, что не бывает важных и неважных нагрузок, что все они в разное время и при разных обстоятельствах могут иметь решающее значение. Каждая из них может оказаться «каплей, переполнившей чашу», и … случится непоправимое.

Теперь несколько слов о так называемых особых нагрузках.

В конце лыжного сезона 1975/76 г. 10 марта телеграфные агентства разнесли по всему миру весть о гигантской катастрофе в итальянских Альпах. При нормальных атмосферных условиях на высоте 150 м в области Мазодель-Тета разорвался несущий канат большой канатной дороги. Вагон с 43 пассажирами упал на землю и был раздавлен обрушившимся на него несущим устройством, весящим около 4 т. Экспертная комиссия сообщила о сильном искривлении стальных несущих опор в районе разрыва. Было это причиной или следствием?

Если мы будем считать, что деформация опор является следствием разрыва каната, то речь идет о негативном проявлении одной из наиболее опасных особых нагрузок. Разрыв несущего или тягового троса на канатной дороге — это аварийная (особая) ситуация. Чаще всего такие случаи связаны с человеческими жертвами, но если отвлечься от эмоциональной стороны происшествия и оценить его хладнокровно, станет ясно, что погибшее утрачено безвозвратно, а то, что можно сохранить, должно быть спасено. В нашем примере это несущие опоры, а также начальная, конечная и, возможно, промежуточные станции. Их конструкция любой ценой должна остаться неповрежденной. Поскольку стоимость одного каната не слишком велика, его замена не так уж сложна. Сложно было бы заново строить основные сооружения канатной дороги. Поэтому их конструкция должна быть рассчитана таким образом, чтобы в случае необходимости она могла выдержать подобную аварию.

Приблизительно так же обстоит дело и с надшахтными копрами, служащими для извлечения полезных ископаемых из земных недр. Они представляют собой сооружения с клетью подъемника, несущим канатом и подъемным устройством на поверхности. Очевидно, что разрыв подъемного каната — это значительная аварийная нагрузка для конструкции копра, которая в этом случае должна выстоять без повреждений.

Особыми нагрузками являются вакуум, который может возникнуть в трубопроводах или при опорожнении силосов, короткое замыкание в мощных электрических машинах и агрегатах, взрывная волна. В конечном счете особыми нагрузками можно назвать все силовые воздействия, которые возникают в ненормальных, аварийных ситуациях, если только последние не совсем уж невероятные. Конструктор должен обладать большими знаниями, опытом и предусмотрительностью, чтобы ясно представить себе, что может ожидать его творение в течение всего периода эксплуатации, и своевременно оградить его от грозных капризов природы и невольного человеческого вмешательства. Но поскольку это не всегда возможно, раздел «непредвиденные причины» в мировой антологии строительных аварий и катастроф будет пополняться.

 

САМОЕ СТРАШНОЕ БЕДСТВИЕ

Нам всем известно, каким огромным бедствием является землетрясение. Человеческие жертвы и материальный ущерб при землетресении можно сравнить лишь с ужасами войны.

История человечества создавалась на крыше котла, в котором кипят необузданные тектонические стихии. Со времен конкистадоров до наших дней Латинская Америка 32 раза подвергалась сильнейшим землетрясениям. Гватемала, Кито, Консепсьон, Манагуа, Мендоса и десятки других городов и сел сравнивались с землей. На границе Ближнего Востока и Средиземноморской области с 1 в. до н.э. до настоящего времени произошло около 2200 больших землетрясений. Еще не изгладилась память об опустошительном землетрясении в Западной Анатолии в 1971 г., энергия которого эквивалентна нескольким тысячам атомных бомб, подобных той, что была сброшена на Хиросиму. В Японии ежегодно регистрируется до 12 000 подземных толчков, из которых около 10% очень опасные. Агадир, Иокогама, Сан-Франциско, Скопле — названия этих городов стали синонимами ужасного несчастья.

ЛИМА, 9 октября (ТАСС). Продолжается подсчет числа жертв и размеров ущерба, причиненного землетрясением, которое произошло здесь 3 октября. По последним данным, погибли 83 человека, более 2400 ранены. Материальный ущерб исчисляется несколькими сотнями миллионов долларов.

ЛОНДОН, 6 апреля (БТА). Вчера утром в западной части Венесуэлы произошло сильное землетрясение, продолжавшееся 10 с. Сила толчков достигала 6,3 балла по шкале Рихтера. Город Сан-Пабло наполовину разрушен. Есть убитые и раненые. Землетрясение ощущалось и в столице страны Каракасе.

АФИНЫ. 1 января (БТА). В новогоднюю ночь в западной части Греции произошло землетрясение. Было зарегистрировано 40 подземных толчков, лишивших крова жителей нескольких сел, которые вынуждены были провести ночь под открытым небом. Наиболее сильный подземный толчок произошел в 2 ч следующей ночи. В среду сильный подземный толчок разрушил 103 жилища в районе деревни Агринион на западе Греции.

ПАРИЖ, 30 декабря (БТА). По данным пакистанского информационного агентства, в результате землетрясения, которое произошло в северо-западной части Пакистана во второй половине дня в субботу, погибли 4700 и ранены 15 000 человек. Ряд деревень, стоящих на протяжении 100 км вдоль берега р. Инд, были застигнуты ужасным бедствием. Полностью исчезла деревня Патан, находившаяся в 175 км к северо-западу от города Равалпинди, не существует больше и деревни Джаджал, расположенной несколькими километрами южнее. Предполагается, что разрушено много разбросанных в горах ферм. Точные сведения о размерах материального ущерба и числе человеческих жертв могут быть получены только через несколько дней.

ТОКИО, 18 августа (БТА). Национальный центр контроля за стихийными бедствиями на Филиппинах сообщил, что, по последним данным, во время землетрясения, которое произошло здесь в понедельник ночью, погибли 5300, ранены 688 и бесследно исчезли 2282 человека. Около 29 000 человек остались без крова. В информационном центре сообщили, что число погибших постоянно увеличивается, так как под развалинами разрушенных зданий находят все новые трупы. Наибольшее число жертв зарегистрировано в городе Котабато, расположенном на расстоянии 880 км от Манилы, где погибли 1500 человек и среди них целая воинская часть вместе с семьями.

НЬЮ-ЙОРК, 6 февраля (БТА). Как сообщил полковник Гильермо Эчевериа — представитель специальной комиссии, созданной в Гватемале в связи с чрезвычайным положением, сложившимся после землетрясения, которое произошло в среду вечером, — по последним, еще не окончательным данным, число убитых превышает 6000, а раненых — 40 000 человек. Со многими населенными пунктами, расположенными в горах, прервано телефонное и транспортное сообщение, вследствие чего комиссия не располагает сведениями о положении в них.

Председатель Красного Креста в Гватемале Хосе Альварадо сообщил журналистам, что целые селения в горных районах вблизи столицы были разрушены до основания. Заместитель министра путей сообщения Касерес отметил, что дороги, ведущие к Атлантическому побережью, все еще недоступны для транспорта. Половина зданий в столице Гватемалы — городе с населением 1 млн. 200 тыс. человек — в той или иной степени пострадала от землетрясения.

Последнее сообщение касается одного из сравнительно недавних крупных землетрясений, которое произошло в ночь с 4 на 5 февраля 1976 г. в Гватемале. Эта небольшая центральноамериканская республика не знала подобного стихийного бедствия с 1902 г. Среди нескольких европейцев, ставших очевидцами этого страшного события в столице страны, был и знаменитый норвежский путешественник Тур Хейердал. О его полуночной одиссее в Гватемале известный болгарский переводчик Светослав Колев, друг путешественника, рассказывает следующее:

«Четвертого февраля Хейердал и Караско выбрались из джунглей в столицу. Поскольку они не успели снять номер в современном отеле-небоскребе, им пришлось остановиться в старомодной гостинице «Континенталь», которая считалась шикарной перед второй мировой войной. Хейердал получил комнату №13, но так как он не был суеверен, то не стал возражать. Прежде, чем лечь, он переставил кровать, которая стояла у двери балкона, на середину комнаты, чтобы ему не дуло. В силу приобретенной в многолетних странствиях привычки он положил на ночной столик в головах электрический фонарик, а на стул у кровати — сумку с документами, деньги и свою одежду.

В 3 ч 35 мин его разбудили легкие толчки. Пока он сообразил, что это землетрясение, кровать начала подскакивать и танцевать, как бешеная. Раздался оглушительный треск, как будто в здание гостиницы ударила молния. С потолка сыпалась штукатурка, стоял страшный грохот, скрежет, пыль, дым, раздавались крики людей — истинная преисподняя! Затем толчки уменьшились, грохот стих. Хейердал, засыпанный в своей постели штукатуркой, кусками кирпича и щепками, вскочил, ощупью нашел фонарик, схватил туфли, полные извести, песка и пыли, сумку, одежду и побежал. К счастью, лестница была цела. Перепрыгивая через рухнувшие колонны, кучи кирпича и штукатурки, он выбрался на улицу. Лихорадочно озираясь, вокруг продолжавшегося разрушаться здания бегали испуганные люди. Хейердал начал одеваться, но тут заметил, что по дороге потерял одну туфлю. Через некоторое время появился Герман Караско, успевший захватить свой чемодан и фотоаппарат. Несмотря на продолжавшиеся подземные толчки, Хейердал вернулся в гостиницу. Когда он добрался до своей комнаты, то увидел, что наружная стена с балконом обрушилась и вместо нее зияет огромная дыра. Так что если бы он не переставил кровать, то непременно бы погиб. Кое-как собрав свои вещи, он снова выбежал на улицу. Там он с ужасом обнаружил, что не взял дневника и записной книжки, в которую записывал свои наблюдения во время экспедиции. Пробираясь среди развалин, он снова поднялся в комнату, нашел нужные вещи и затем в третий раз выскочил на улицу. В это время появились первые «шакалы в человеческом обличье», которые проникают в разрушенные здания с целью грабежа. Появилась и полиция, чтобы навести порядок. Люди выносили на руках раненых, кричали женщины, громко плакали дети. Вокруг ужасающая картина ада. Хейердал рассказывал: «Я пережил такое же страшное приключение, как тогда, когда «Кон-Тики» разбился о коралловый риф острова Рароя. Но комната №13 не принесла мне несчастья. Я остался жив, отделавшись лишь царапиной на ноге».

 

КАК ГИГАНТСКАЯ ПРУЖИНА…

Пагубное воздействие, которое грунт оказывает на здания, имеет волнообразный характер. Волны исходят из так называемого гипоцентра, или очага, расположенного в земной коре на глубине от 2—3 до 60 и даже 100 км. Обычно чем ближе к поверхности очаг землетрясения, тем сильнее разрушения. В Агадире (1963 г.) он находился на глубине 3 км, в Ташкенте (1966 г.) — 8 км, в Софии (1917 г.) — 5 км.

Проекцией гипоцентра на земную поверхность является всем известный эпицентр. Большая плотность минеральных образований в земной коре определяет высокую скорость волн, которая приблизительно равна первой космической скорости. С удалением от очага их горизонтальная компонента становится все значительнее, а ведь именно она представляет наибольшую опасность для сооружений. Строительные конструкции в конечном счете предназначены для восприятия вертикальных нагрузок (собственной массы, массы людей, оборудования, снега) и в этом отношении обладают известными резервами, т.е. могут выдерживать и определенные толки. Горизонтальная же их устойчивость зачастую минимальна.

Описанное распространение волн в значительной степени идеализировано. В действительности картина намного сложнее. Различные виды прямых, отраженных и преломленных волн подвержены интерференции, дифракции; их путь трудно проследить. Волны обладают целым «букетом» различных характеристик — длиной, частотой, амплитудой, — и если не все, то большая часть из них — это «цветы смерти и разрушения». Речь идет о волнах большой длины и малой частоты (порядка 1—10 колебаний в секунду). Особенно опасны так называемые волны Рейли, которые возникают на поверхности земли и создают главную сейсмическую проблему для строительства.

В названном диапазоне находятся и собственные частоты колебаний большинства сооружений, созданных человеком, так что эффективность (если можно так выразиться) землетрясения значительно повышается. Вероятность резонанса не исключена, а это значит, что здания могут быть полностью разрушены даже при сравнительно слабых толчках. Имеет значение и вид грунта, на котором возводится сооружение. Например, скальные породы являются проводником высоких частот, тогда как нескальные в известном смысле становятся их фильтром. Во втором случае вполне приемлемы жесткие несущие системы (монолитные стены из железобетона и т.д.) с высокой собственной частотой, а в первом следует применять более гибкие конструктивные системы. Таким образом можно добиться «расхождения» частот.

Но важнейшая характеристика сейсмических волн, бесспорно, — их ускорение. В сущности, именно ему землетрясения обязаны своей разрушительной силой. (Вспомним второй закон Ньютона: масса, умноженная на ускорение, дает силу.) Ускорение определяется по записи акселерографа и может варьироваться в достаточно широких пределах: Скопле, 1963 г. — 0,l g; Мессина, 1908 г. — 0,2 g; Фукуи (Япония), 1948 г. — 6 g.

Что касается амплитуды колебаний, то она имеет три пространственных измерений, вследствие чего произвольная точка земной поверхности описывает невероятно сложную кривую в пространстве. Эта кривая может быть построена по записям на сейсмографе, который работает в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Важно другое — ведь этот сумасшедший путь точка проходит за доли секунды. Не удивительно, что «… трудно сохранить равновесие … перспектива искажена … изображения предметов пляшут в воздухе. Так вспоминает о землетрясении в Токио в 1923 г. компетентный очевидец — проф. А. Имамура. В это время он находился в подземной части здания у сейсмографа. «Через 12 секунд после первого толчка, — писал Имамура, — начались исключительно сильные колебания. С крыши сыпалась черепица, стоял ужасный грохот … Невозможно было понять, стоит ли еще здание или уже рухнуло. Несколько минут меня подбрасывало, как маленькую лодку в штормовом море… Я испытывал ужасный страх.

Как рождается мощный импульс — источник разрушительных сейсмических волн? Откуда берется энергия уничтожения?

Механика этого вопроса в значительной степени ясна.

Естественное движение земных пластов не является свободным, и это приводит к их деформации. Местами деформации настолько значительны, что происходит аккумулирование гигантской потенциальной энергии. На земном шаре много таких сжатых пружин, которые, однако, не могут оставаться в таком состоянии вечно. Наступает момент, когда случай «спускает курок» и вся потенциальная энергия деформаций за считанные секунды переходит в кинетическую. Происходит землетрясение, после которого процесс накопления энергии начинается снова и продолжается годы и даже века.

Следуя в направлении, обратном пути сейсмических волн, мы добрались до их источника — освобожденной потенциальной энергии деформаций — и сил, которые приводят к аккумулированию этой энергии. Это последнее звено, о котором ученые могут сказать что-либо определенное, хотя само по себе оно далеко не последнее в мрачной цепи разрушений.

Во второй половине нынешнего века благодаря появлению новой теории, получившей название «плоскостной тектоники», в сейсмологии произошла революция. Стало возможным доказать факт движения континентов. В соответствии с этой теорией внешняя оболочка Земли глубиной до 60 км разделена трещинами на множество плоскостей, которые несут «на своем горбу» груз океанов и континентов. Швы между этими глыбами, которые называются сейсмическими швами, или разломами, заполнены значительно менее прочным материалом и являются своеобразными «осевыми линиями» сейсмических зон. Огромные глыбы «плавают» в значительно более тяжелой земной мантии и непрерывно сталкиваются одна с другой краями. Именно эти столкновения становятся причиной опасных деформаций, которые, как мы знаем, проявляются в виде землетрясений и локализируются в периферийных зонах глыб.

По мнению некоторых сейсмологов, ежегодно происходит от одного до десяти миллионов землетрясений, самые слабые из которых почти не воспринимаются человеком. Географически они распределяются по так называемым сейсмическим поясам. Самый большой — Тихоокеанский сейсмический пояс (75% всех землетрясений), второй по величине — Альпийско-Гималайский (23%), и только 2% землетрясений происходит в других частях планеты.

Наиболее «популярным» разломом, бесспорно, является Сен-Андреас (Калифорния). Это центр движения, которое стало причиной землетрясения 1906 г. на площади 1 000 000 км2. Как известно, оно произошло 18 апреля в 5 ч 20 мин местного времени и продолжалось 60 с. В Сан- Франциско оно сопровождалось огромным пожаром. По энергетическому признаку это землетрясение эквивалентно 6300 таким, как в Агадире (Марокко) в 1960 г.; 350 км из общей 900-километровой длины разлома ожили, чтобы затем снова застыть, но с вертикальным смещением, местами достигающим 7 м.

В настоящее время некоторые части разлома Сен-Андреас, особенно вблизи Сан-Франциско, медленно движутся, никого не беспокоя. Однако для специалистов это сигнал того, что «пружина снова сжалась» — пласты деформируются, аккумулируя в себе потенциальную энергию разрушения. Многие ученые придерживаются мнения, что в этом районе «что-то еще должно произойти», но когда — никто не может сказать. Постепенно создается атмосфера, удобная для спекуляции научным авторитетом. В начале 70-х годов д-р Грийн из Калифорнийского университета «предсказал» день и даже час землетрясения: 4 января 1972 г., в 9 ч местного времени. К указанному времени была выключена вода, пожарная служба находилась в полной готовности, но все напрасно — землетрясения не было. Некий Джонсон, шарлатан без научного звания, указал в качестве даты землетрясения 12 февраля 1974 г. Но, как мы знаем, Сан-Франциско до сих пор цел и невредим.

И все же над проблемой предсказания землетрясений много и упорно работают ученые в заинтересованных странах. Время от времени появляются сообщения об определенных успехах (или случайных совпадениях?), но гораздо большую известность приобретают неудачи в этой области. Ряд специалистов придерживаются мнения, что даже определенные достижения вряд ли могут оказаться настолько полезными, как принято считать. Здания и сооружения, во всяком случае, не могут избежать пагубного воздействия. А для иллюстрации специальной и моральной стороны предсказаний достаточно привести лишь один пример. В 1972 г. в Японии произошел нашумевший случай, когда в результате массовой паники, вызванной таким предсказанием, остановилось движение на всех дорогах и была парализована хозяйственная жизнь огромного района, а землетрясение так и «не состоялось».

Однако крайний пессимизм едва ли можно считать самой удачной позицией в тот момент, когда еще слишком рано судить о возможностях, которые могут открыться при получении более точной информации о месте и времени ожидаемых разрушительных катаклизмов. Эти возможности зависят как от высокого качества информации (что пока еще недостижимо), так и от способности местных властей организовать быструю и эффективную эвакуацию населения из района, которому угрожает опасность.

 

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВО

Итак, здания и сооружения в обширных районах планеты находятся на своеобразных виброплатформах, которые в определенный момент могут заколебаться. Какие меры следует принимать, чтобы оградить их от пагубных последствий этих колебаний?

Проблемы сейсмостойкого строительства, пожалуй, наиболее сложные для современной технической цивилизации. Трудности обусловлены тем, что заранее, «авансом», необходимо принимать меры против события, разрушительную силу которого невозможно рассчитать. Отдельные землетрясения имеют случайный характер. Последующее землетрясение в той или иной степени отличается от предыдущего. Поэтому подход специалистов к решению проблем сейсмостойкости сооружений в значительной мере умозрительный, теоретический, основывающийся на весьма идеализированных предположениях. Разумеется, в нынешнем веке, и особенно в последнее время, было проведено много важных исследований. Однако до сих пор землетрясения остаются единственной надежной проверкой как геологических и сейсмологических постулатов, так и принятых методов расчета конструкций на сейсмостойкость.

Первый метод расчета сейсмостойких конструкций был разработан в начале нашего столетия в Японии. Его создателя Омори побудили к этому ужасные последствия землетрясения в Токио и Иокогаме — одного из самых колоссальных бедствий, постигших планету в новое время. Метод был очень несовершенным: сейсмические нагрузки были представлены в виде статических сил, а здание рассматривалось как недеформируемое. Совершенно очевидно, что землетрясение вообще, и воздействие его на конструкцию в частности, представляет собой чисто динамический процесс: сейсмические нагрузки на конструкцию за доли секунды изменяются как по величине, так и по направлению воздействия. Это привело к появлению и быстрому развитию динамических методов, которые в настоящее время приняты почти во всех странах, расположенных в сейсмоактивных районах.

Первый опыт в этой области датируется 1920 г. (Монобе, Япония), но основы метода в наиболее общем виде были изложены советским ученым Завриевым в 1927 г. Сейсмические силы, являясь инерционными силами, обусловлены массой колеблющегося тела и ускорением отдельных его частиц. Масса в любом случае известна: она определяется постоянной нагрузкой и в значительной степени временными вертикальными нагрузками, расчет которых не представляет проблемы. Путем уменьшения массы можно достигнуть и уменьшения сейсмических нагрузок. Отсюда и современная тенденция к облегчению конструкций в сейсмоактивных районах посредством применения более легких строительных материалов главным образом для несущих, например, ограждающих элементов.

Самым «крепким орешком» при определении сейсмических сил является ускорение, с которым колеблются отдельные части конструкции. Из множества характеристик землетрясения — амплитуд, скоростей, интенсивности, продолжительности — самая важная — ускорение, с которым колеблются частицы почвы. Каким оно будет? Предусмотреть величину ускорения, по существу, значит предусмотреть силу землетрясения, а это почти так же трудно, как предсказать день, в который оно произойдет. Мы уже говорили, что землетрясения имеют случайный характер. Так или иначе, но эти проблемы решают сейсмологи; конструкторы же работают с учетом того фактора, что может произойти землетрясение, от которого они должны обезопасить свое творение. Фактически они располагают вероятной картиной землетрясения в основании здания. Однако каким будет ускорение отдельных точек по высоте конструкции?

Из почвы в конструкцию поступают колебания, сейсмические силы, но почва и отдельные точки сооружения колеблются с разным ускорением. Это обусловлено относительной гибкостью конструкции, ее неизбежной склонностью к деформациям, которая в данном случае исключительно полезна: благодаря разнице ускорений кинематическая энергия землетрясения расходуется на работу по деформации конструкции и общий разрушительный потенциал земного катаклизма сильно уменьшается. Деформации, которым подвергается конструкция, в значительной степени не являются необратимыми. Такие динамические и упругопластические свойства конструкции и материалов, из которых она изготовлена, обусловливают в основном эффект от воздействия сейсмических сил на сооружение.

Именно это обстоятельство не учитывалось в статическом методе расчета конструкций на сейсмостойкость, созданном Омори. И именно оно более или менее точно учитывается при современных динамических методах. Одна из наиболее распространенных разновидностей этих методов называется спектральной. Она появилась в начале 40-х годов в США и была разработана на основе обширной информации о землетрясениях 1923 г. в Сан-Франциско в 1933 г. в Лонг-Бич. Для американского варианта спектрального метода характерно то, что динамическое воздействие на здания и сооружения определяется с помощью универсальных моделей. На этой основе создается серия графиков (спектров) максимального ускорения, скорости и перемещения систем с различными собственными частотами при данном землетрясении. Поскольку характер землетрясения специфичен для каждого района, подобный подход вполне приемлем. Однако, чтобы иметь записи местных ускорений при землетрясении, необходимо, чтобы район достаточно проявил себя в сейсмическом отношении, да к тому же в недавнее время. Посредством анализа многих обстоятельств определяется соответствующий данному месту спектр сейсмических ускорений, которым пользуются конструкторы. Именно таким образом был создан стандартный спектр калифорнийских норм, с помощью которого в США проектируются сейсмостойкие здания и сооружения.

Параллельно с американскими исследованиями, но независимо от них развивается советский вариант спектрального метода, полное теоретическое обоснование которого дано исследователем Корчинским. Особенностью этого метода является аналитическое определение реакции конструкций на сейсмическое воздействие. Параллельно развивается разновидность динамического метода, при которой используются акселерограммы действительно происходивших землетрясений. Акселерограммами называются записи ускорений почвы во время землетрясения. На основе определенного числа таких записей и специальных математических методов получаются довольно точные результаты. Но из-за большого объема вычислительной работы и отсутствия достаточно полных и точных записей эта разновидность метода используется редко, в основном для очень ответственных сооружений. В последние годы все шире применяются методы, основывающиеся на теории вероятности и математической статистике.

Так или иначе, но не будет преувеличением сказать, что расчет сейсмических сил, которые нагружают конструкции, составляет 90% общего объема вычислительных работ. Практические методы определения этих сил весьма разнообразны. Сравнение технических норм различных стран обнаруживает значительное разнообразие даже основных концепций. Разумеется, это до некоторой степени оправданно, поскольку существуют различия между странами как в условиях их сейсмичности, так и в условиях их экономических и технологических возможностей. Однако два основных момента являются общими: 1. Несмотря на произвольное направление сейсмических сил, считается, что здания и сооружения имеют определенный резерв устойчивости по отношению к вертикальным нагрузкам, и поэтому расчет на сейсмику учитывает лишь горизонтальные нагрузки, возникающие при землетрясении. Исключение составляют некоторые мосты, козырьки, консоли, для которых вертикальные нагрузки имеют решающее значение. 2. Рассматривается только один момент динамического процесса колебаний, но именно тот самый момент, когда сейсмические силы достигают своей экстремальной величины. Далее полученные силы трактуются как статическая нагрузка. В этом нет ничего удивительного, потому что динамичность явления в достаточной степени учитывается при определении величины самих сейсмических сил.

Для удобства расчетов предполагается, что массы зданий и сооружений сконцентрированы в определенных их точках, хотя в действительности они равномерно распределены по всей их высоте. Например, для многоэтажных зданий такими точками считаются уровни отдельных этажей. При расчете зданий на устойчивость к сейсмическим воздействиям допускается возможность известных пластических деформаций и даже частичных разрушений, но лишь в неответственных и легковосстановимых несущих элементах, таких, как перегородки или фасадные стены. Все это продиктовано стремлением к разумному компромиссу между затратами на строительство и обеспечением необходимой надежности. В последнее время проводятся исследования по изучению взаимодействий между грунтовым основанием и конструкцией. Деформации в почве тоже поглощают часть кинетической энергии подземных толчков, и это еще один резерв удешевления антисейсмических мероприятий.

Когда речь идет о конфликте между сейсмическими силами и конструкцией, необходимо иметь в виду, что землетрясения представляют собой серию толчков, иногда с определенными паузами между ними, и что первые толчки создают условия для усиления эффекта последующих. Некоторые здания способны устоять при первых тектонических колебаниях, но получают при этом частичные повреждения — образуются трещины, ослабляются связи и т.п., что значительно снижает их устойчивость. Достаточно следующего, даже сравнительно слабого толчка, чтобы они разрушились.

Итак, конструкторские проблемы сейсмостойкого строительства являются весьма нелегкими, но покоятся на солидном, хотя и формальном основании: известны характеристики землетрясения. Насколько это основание совпадает с действительностью, другой вопрос. Здесь мы снова наталкиваемся на «твердый орешек» сейсмологии: каким будет характер вероятного будущего землетрясения, будут ли здания и сооружения надежны до такой степени, чтобы «и волки были сыты и овцы целы»? На эти вопросы пока точного ответа дать нельзя. Проделана огромная работа по сейсмическому районированию потенциально опасных территорий. Она выполнена с помощью современных геологических и сейсмологических исследований на основе тщательного изучения различных древних письменных источников и хроник, в которых речь идет о происходивших землетрясениях. И поскольку большое значение имеет локальная геологическая и гидрогеологическая картина, наметилась уже тенденция и к микрорайонированию, т.е. выделению более мелких сейсмических районов.

Сейчас еще нельзя дать категорического ответа на вопросы, касающиеся столь сложной области, где условия диктуются капризами природы и где метафизическая случайность (облаченная в одежды научной вероятности) играет почти такую же роль, как и тысячу лет назад. И все же, если характер будущих землетрясений окажется близким к ожидаемому (а это весьма вероятно, поскольку прогнозы составляются на основе всех тех знаний, которыми располагает мировая наука и практика), можно будет сказать со всей определенностью, что принимаются самые надежные меры против самого страшного стихийного бедствия.