Как строят здания в сейсмоопасной местности?

Оценка: 0.0 1846 0 Наука и Технологии

10:23

Землетрясения — вещь неизбежная, однако мало кто из проживающих в непосредственной близости от крупного геологического разлома предпринимает хоть какие-то самостоятельные меры для защиты своих семей и жилищ. А ведь правильный ответ на вопрос, готов ли ты к настоящей катастрофе, предопределяет и ответ, есть ли у тебя шанс без потерь выкрутиться из неприятной ситуации или же ты обречен утратить все, что у тебя есть.

Последние несколько лет планету явно лихорадило. То там, то здесь землетрясения вели к ущербу грандиозного масштаба. В 2005 году в Пакистане от землетрясения погибло 86 000 человек, в 2008 году в Китае — 87 000, в 2010 году на Гаити число жертв приблизилось к 100 000 человек. При этом мы не будем говорить о двух сильнейших землетрясениях за последние 10 лет — землетрясении 2004 года на Суматре и катастрофе Тохоку в 2011 году в Японии, поскольку там львиная доля жертв была следствием цунами, достаточно редкого геологического явления, которое в глазах большей части американцев выглядит такой же экзотикой, таким же исключением из правил, как, скажем, падение астероида. Тот факт, что из 13 самых губительных катастроф человеческой истории, связанных с землетрясениями, четыре произошли только после 2004 года, говорит не столько об изменениях в геофизике, сколько в переменах, коснувшихся человеческих обычаев. Растущая плотность населения, все более густая застройка центральных городских кварталов — все это делает привычные стихийные бедствия более серьезной угрозой для городских обитателей. (Для человека в чистом поле даже самое сильное землетрясение не представляет такой уж большой опасности. Зато скученное население большого города с его плотной застройкой легко может стать жертвой подобной катастрофы.)

Стыки тектонических плит. Давление соседних плит приводит к их сдвигу и разрушению лежащих над ними слоев породы. Из этого гипоцентра расходится цепочка сейсмических волн (не следует его путать с «эпицентром» — точкой, лежащей непосредственно над ним на земной поверхности). P-волны. Первыми на сейсмостанции приходят продольные волны сжатия (Р-волны), имеющие высокую скорость распространения. Благодаря этому эффекту мы можем получить драгоценные секунды, позволяющие принять какие-то меры до прихода настоящего землетрясения. S-волны. Поперечные сдвиговые волны (S-волны) приводят к смещению пород в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. До поверхности земли они доходят существенно позже. Подобно волнам, бегущим по поверхности океана, они возбуждают волнообразные движения земной коры, и вызывают основные разрушения зданий. «Потерять в результате землетрясения целый город из первой десятки — сейчас это трудно даже представить. Найдутся люди, готовые с уверенностью сказать, что такого не может быть никогда. Хотя я бы сказал, что сейчас никто не имеет права на подобные категорические суждения». Том Хитон, сейсмолог из калифорнийского технологического института.

Зоны особого риска

На картах сейсмической угрозы зона вдоль всего тихоокеанского побережья залита красным цветом. Это и не странно, поскольку именно там пролегают линии основных разломов и стыкуются тектонические плиты. Имеется 82-процентная вероятность, что в течение ближайших 30 лет где-то под Южной Калифорнией произойдет землетрясение силой не менее 7 баллов. Именно этот штат обречен понести три четверти ущерба, запрогнозированного на все национальные потери от землетрясений.

Сейсмологический ликбез

Строительные нормы не всегда были такими строгими, как сейчас. Особенно это касается зон с повышенной сейсмической опасностью. Можно ли оценить степень безопасности тех или иных конструкций к землетрясению?

Глядя с тротуара на какой-нибудь небоскреб, мы не можем у него запросить весь пакет строительных документов, но кое-какие выводы вы можете сделать и по внешнему виду. Стальной каркас более надежен, чем бетонный или, тем более, кирпичная кладка, а более современные небоскребы строились с учетом более жестких требований по сейсмостойкости. «При строительстве нового здания не следует тупо добиваться все большей и большей прочности, — говорит инженер-архитектор Аарон Рейнольдс. — Вам просто нужно держать под контролем те самые места, где первым делом должны выявиться разрушения». Для этого в конструкцию зачастую включают балки, содержащие ослабленные места, называемые за свою форму «собачьи кости». Эти специально ослабленные зоны поглощают колебания, отводя напряжения от сварных швов.

Но американцам следует помнить, что землетрясения угрожают не только Калифорнии. В августе 2011 года толчок силой 5,8 балла постиг город Ричмонд, штат Виргиния. Землетрясение, которое люди почувствовали на всем пространстве от Джорджии до Квебека, было в этих краях самым сильным за все последнее столетие. На базе новых палеосейсмических данных и более сложной методики компьютерного прогнозирования Геологическая служба США (USGS) создает новые, более точные карты сейсмического риска, где красная заливка ограничивается не столь обширными зонами и концентрируется в таких участках, как, например, зона субдукции Каскадия неподалеку от северо-западного тихоокеанского побережья, разлом Уасатч рядом с Солт-Лейк-Сити и сейсмическая зона Нью-Мадрид, простирающаяся от южного Иллинойса в глубь Арканзаса (именно здесь в 1811—1812 годах были отмечены землетрясения с магнитудой 7). Последним землетрясением в регионе Лос-Анджелеса, повлекшим серьезные последствия, можно считать толчок в Нортридже магнитудой 6,7. Тогда, в 1994 году, погибло 57 человек, а материальный ущерб составил $20 млрд.

Одно из самых безопасных мест, где можно было бы переждать землетрясение — это добротно построенный малоэтажный дом с деревянным каркасом. В новых домах стены и полы бывают сочленены с помощью специальных металлических коннекторов, в домах более ранней постройки часто можно увидеть следы профессионально сделанной реконструкции — в частности, болтовые соединения. Благодаря этому во время землетрясения весь каркас здания двигается как единое целое. Добавочные стальные элементы должны соединять фундамент с вертикальными опорами.

Расплывчатые цифры

Прослужив более тридцати лет в Калифорнийском технологическом институте, сейсмолог Том Хитон стяжал себе репутацию научного диссидента, способного одерживать верх в дискуссиях как по геофизическим, так и по техническим вопросам. Я обратилась к нему в надежде, что он вооружит меня необходимым арсеналом бесспорных фактов и веских аргументов, с помощью которых можно было бы реально оценить вероятность грозящих всем нам землетрясений. Однако, вместо того чтобы дать прямой ответ, Хитон откинулся в кресле и поглядел на меня веселыми глазами, в которых читалось, что этот вопрос он слышал уже тысячу раз. «Лучше спросите меня, когда начнется война или какова вероятность возникновения эпидемий, — сказал он. — Глядя на статистическое распределение сейсмических катастроф, мы видим, что это крайне редкие события, но каждое из них может приобрести исключительное значение».

Как говорит Хитон, статистика сейсмических событий на территории США не дает нам фактического материала, который позволил бы предсказывать будущие землетрясения. «В течение всего последнего столетия людские потери от землетрясений измерялись в сотнях человек. Однако вспомним катастрофу 1906 года, когда крупнейший город на Западе США был, по сути дела, стерт с лица земли. А ведь сейчас мы даже не смогли бы себе представить, что это значит — потерять целый город из нашей первой десятки. Кто-то может заявлять, что подобные вещи в принципе не могут происходить. А вот на мой взгляд, никто вообще не вправе делать на эту тему какие бы то ни было категорические заявления».

Под воздействием сильных толчков кирпичная кладка растрескивается, крошится и может обрушиться. Кирпичные здания можно усилить, воспользовавшись для этого бетонными и стальными накладными рамами, которые укладывают по фасаду. Со стороны улицы нередко можно увидеть штифты, соединяющие стены с межэтажными перекрытиями. Строительные нормы категорически требуют выполнения этих дополнительных работ, однако все равно следует помнить, что это старые кирпичные здания, которые практически беззащитны перед землетрясениями.

После этого я спросила Хитона, что он думает о страховании недвижимости на случай землетрясения. В ответ он только улыбнулся. «Все прогнозы землетрясений принято формулировать на временной интервал в 30 лет, — сказал он, — точно такой же, какой общепринят для закладных на недвижимость». Хитон по своей работе всю жизнь был тесно связан со сложнейшими расчетами, лежащими в основе подобных статистических вычислений. Да, конечно, все эти численные показатели помогают гражданам оценивать приемлемый для них риск, а строителям — устанавливать нормативы безопасности. Но с другой стороны, кто как не он имеет право с полной ответственностью говорить о том, насколько расплывчаты все эти цифры и сделанные на их основании выводы. «Сколько раз мне доводилось засыпать, положив голову на все эти таблицы и графики, — говорит он. — Мы, специалисты, бодаемся друг с другом до последнего, и все равно все эти выводы имеют под собой тысячи произвольных допущений». Да и землетрясение силой в 7 баллов в одних случаях будет представлять собой катастрофу, уничтожающую целые города, а в других — забавное происшествие, о котором приятно рассказать в кругу друзей. Все зависит от времени, места и многих других обстоятельств.

Думая о землетрясениях, мы больше всего переживаем за нашу недвижимость — а зря, поскольку она оказывается наименее уязвима. Это, по крайней мере, относится к семейным особнякам на деревянном каркасе — таким, в каком живу я или Хитон. «Деревянные дома исключительно стойки к воздействию землетрясений», — говорит Хитон. Гораздо более опасными следует считать кирпичные дома, в которых не предусмотрено каких-либо специальных мер противосейсмического усиления, и постройки из материала, который инженеры называют непластичным бетоном. Если бы землетрясение в Нортридже произошло не в 4:30 утра, а во время рабочего дня, жертв, как показывают специальные исследования, было бы в 20−30 раз больше. Тот же принцип останется в силе, когда к нам придет неотвратимый «час Х», то есть когда страну сотрясет катастрофа мирового масштаба.

Если бетонные конструкции не содержат достаточного количества стальной арматуры (как это требуется по строительным нормам после 1970 года), они при землетрясении способны сложиться как карточный домик. Эта опасность становится еще больше, если в здании имеется «мягкий» первый этаж с высоким потолком и большим количеством широких проемов. Хотя арматура внутри бетонных колонн невидима, другие виды усиления остаются у вас на виду. Обычно при реконструкции бетонные стены и столбы принято усиливать углеволокном. «Снаружи это выглядит так, будто столбы просто обклеены мешковиной», — говорит Рейнольдс. Иной раз видно, что «мягкий» первый этаж усилен специальными накладными рамами.

Как мне рассказала Мэри Комерио, профессор архитектуры в Университете штата Калифорния в Беркли, количество зданий, представляющих потенциальную угрозу, в Лос-Анджелесе гораздо меньше, чем во многих других городах. «В Лос-Анджелесе действует очень агрессивная программа обновления общественных зданий. Согласно этой программе, практически все общественные здания города должны либо исчезнуть, либо подвергнуться весьма существенной реконструкции». При этом правила застройки подразумевают, что во всякую подобную реконструкцию должно быть заложено повышение сейсмозащиты.

Благодаря всем этим мерам Лос-Анджелес, бурно растущий город, нацеленный в будущее, стал весьма безопасным местом для жизни.

«В настоящее время, — объяснил мне инженер-сейсмолог Аарон Рейнольдс, компания которого занимается проектированием больниц и школ, а также реконструирует старые здания с целью повышения их сейсмобезопасности, — источником основных проблем уже являются не сами несущие конструкции, а разного типа трубопроводы и кабели. Современные здания в своей массе отлично подготовлены к тому, чтобы встретить сейсмическую катастрофу». Поглядывая то на блистающие металлические паруса Фрэнка Гери, то на глыбы небоскребов городского бизнес-центра, Рейнольдс добавляет: «Я не допускаю мысли, что хоть одно из них может рухнуть».

Здание с сейсмической изоляцией фундамента покоится на нескольких эластичных резиновых цилиндрах. Они действуют как автомобильные амортизаторы, превращая резкие толчки в легкую вибрацию. Такое решение можно считать идеальным для зданий т.н. высокой ответственности — школ, больниц, электростанций и других сооружений энергетической или коммуникационной инфраструктуры. Обычно такие здания по периметру бывают окружены специальной бетонированной траншеей на уровне земли. Эту траншею можно заметить по узкой щели, которая проходит по тротуару в паре метров от наружных стен здания.

Мы прошли несколько кварталов до Темпл-стрит и похожего на крепость городского кафедрального собора. Рейнольдс останавливается в паре метров от наружной стены и указывает на глубокую щель, разрезающую тротуар. Это граница бетонированной траншеи шириной несколько метров, окружающей фундамент старого здания. Прямо на своем айпэде он вчерне набрасывает эскизик конструкции. Весь бетонный монолит покоится на резиновых цилиндрах — «фундаментных изоляторах»; они, подобно автомобильной подвеске, защищают всю конструкцию от толчков и сдвигов. Во время землетрясения эти изоляторы должны поглотить основную часть разрушительной энергии. Бетонная конструкция, окруженная траншеей, способна сдвигаться в любую сторону более чем на метр, а вместе с ней будет сдвигаться и все здание. «Весьма популярны шутки, что в любых катастрофах пьяные пребывают под покровительством высших сил, — рассказывает Рейнольдс. — За этим стоят вполне материалистические наблюдения. Трезвый человек с большей вероятностью получит травму, так как в момент опасности он склонен напрягать все свои мышцы, в то время как пьяный встречает опасность в полном расслаблении. Здесь работает та же аналогия. Существенная доля сейсмической энергии, проникая в слишком жесткое здание, разряжается в узлах его конструкции. А вот вставляя в его фундамент эластичные элементы, мы создаем каналы для отвода опасных напряжений».

Сейсмоопасное место

Для некоторых регионов России строительство сейсмоизолированных и сейсмоустойчивых зданий весьма актуально. К таким регионам относится, в частности, Камчатка. «Против землетрясения силой в 9 баллов не устоят не то, что небоскребы, а даже обычные 2-этажные дома, если не предпринимать специальных мер, — объясняет «Популярной механике» главный конструктор проектного института «Камчатскгражданпроект» Валерий Дроздюк. — Поэтому в Петропавловске-Камчатском большинство многоэтажных домов — крупнопанельные, усиленные наружными пилонами-контрфорсами — внешним каркасом, принимающим на себя часть нагрузок во время толчков. Для расчета зданий, максимально устойчивых к землетрясением, нужно принимать в расчет не только нагрузки (средние ускорения при 10-балльном землетрясения составляют около 0,8g), но и собственные частоты зданий — жесткие имеют период колебаний 0,2−0,5 с, мягкие — 1−2 с, а также длину зданий (при длине более 30 м начинают сказываться еще и крутильные колебания). Поэтому максимально устойчивое к землетрясению сооружение выглядит так: более-менее симметричное в плане, разрезанное деформационными швами на небольшие секции, крупнопанельное, с идущими снизу доверху несущими конструкциями, связанными с межэтажными перекрытиями. Жесткость такого здания должна меняться (уменьшаться) по высоте. Достаточно перспективным выглядят сейсмоизолированные здания, «отрезанные» от фундамента. Мы экспериментировали с несколькими типами подобных зданий в середине 1980-х годов, и они показали себя очень хорошо».

Предупрежден — значит вооружен

В дни, последовавшие за японской катастрофой, я много слышала о том, что у японцев имелась самая продвинутая в мире система раннего оповещения о сейсмической опасности. Огромная сеть сейсмодатчиков автоматически формировала сигналы на торможение скоростных поездов, отключение электростанций, рассылку по телефонным и компьютерным сетям сообщений о начинающейся катастрофе. Обычно время опережения для таких аварийных экстренных мер составляет всего лишь десятки секунд — столько, сколько проходит между началом сдвига в зоне разлома и моментом, когда сейсмические волны достигнут крупных населенных пунктов. Это немного, но может быть достаточно, чтобы спасти многие человеческие жизни.

Дом на сейсмоизолирующем поясе. Такой дом стоит на монолитном бетонном фундаменте, опираясь на него монолитным железобетонным поясом, которым заканчиваются цокольные стеновые бетонные панели. Но жесткой связи между ними поясом и фундаментом нет — между ними расположены тефлоновые прокладки. В результате все здание при толчках «проскальзывает» относительно фундамента. Края фундамента снабжены резиновыми амортизаторами и работают как «ограничители хода» скользящего пояса. Дом центрируется нежестким креплением — с помощью закладных деталей между фундаментом и цокольной плитой.

Ученые уже несколько десятилетий обсуждают возможность установки такой сети раннего оповещения в штате Калифорния, однако для реализации этого проекта не хватает политической воли. Возможно, общество не готово к таким мерам, так как сохраняет надежду на то, что когда-нибудь будут разработаны способы абсолютно точных и достоверных предсказаний. Если вынести за скобки газетные россказни о домашних животных, наделенных даром предвидения, никто, кроме этих мифических существ, так и не сумел достоверно предсказать ни одно серьезное землетрясение. Адекватная система раннего оповещения — наша единственная надежда, однако и здесь у нас мало оснований для оптимизма. Специалисты считают, что выделенные на такую программу средства материализуются в работающую систему не раньше, чем нас без предупреждения посетит еще одно катастрофическое землетрясение. «Посмотрите на историю внедрения таких систем в других странах, — говорит сейсмолог из USGS (Геологической службы США) Дуг Дживен. — Все они организованы в качестве экстренного ответа на какую-нибудь катастрофу. В Мексике- после того как в 1985 году землетрясение унесло 9500человеческих жизней. В Японии — после землетрясения в Кобе, когда в 1995 году погибло 6400 человек».

Дом на кинематическом фундаменте. Чертеж такого дома напоминает здание на сваях, но это лишь на первый взгляд. Здание опирается на толстые опоры, к которым внизу прикреплены железобетонные катки, которые не имеют жесткой связи с фундаментом, а опираются на железобетонные подушки с выемкой. По принципу действия такая система сейсмоизоляции напоминает известную игрушку «неваляшка» — при толчках здание отклоняется от положения равновесия, а затем возвращается обратно. Это самая простая из всех систем сейсмоизоляции, но весьма эффективная: дом по собственной частоте получается длиннопериодический, и короткопериодические толчки просто «не замечает».

Офис Элизабет Кочран расположен на кампусе Калтеха в пяти минутах ходьбы от офиса Хитона. Кочран является создателем сети Quake-Catcher Network, проекта в духе «науки на общественных началах». Согласно этой идее тысячи добровольцев закрепляют на корпусах своих стационарных настольных компьютеров особые сейсмодатчики — каждый размером со спичечный коробок. Сигналы от всех датчиков, действующих, когда включен ваш компьютер, выведены в интернет и поступают в единую диспетчерскую. Теперь, если достаточно большое количество таких датчиков, расположенных в границах одного района, одновременно фиксируют колебания или толчки похожего характера, у вас будут основания предположить, что это не случайные сотрясения того или иного системного блока, а регистрация реального землетрясения.

Дом с выключающимися связями. В отличие от других систем, где жесткость фиксирована, дом с выключающимися связями может изменять этот параметр. В его конструкции используются диафрагмы жесткости — железобетонные панели, связывающие стеновые панели, колонны и межэтажные перекрытия. Соединения этих деталей выполнены с помощью сварных заклепок, которые при определенном уровне сейсмических нагрузок просто срезаются (это и называется выключением связей), уменьшая жесткость здания и увеличивая период собственных колебаний. После окончания землетрясений заклепки нужно ставить заново.

Буквально за день до моего визита к северу от Сан-Франциско имело место землетрясение магнитудой 4,0. С запозданием всего в восемь секунд система Quake-Catcher выдала свой результат — 3,7. Согласитесь, точность совпадения не такая уж и плохая. «Наши расчеты строятся на том, что когда-нибудь все наконец признают, что эта система выдает вполне достоверную информацию, и тогда данные Quake-Catcher будут направлены непосредственно в систему раннего оповещения», — говорит Кочран. После каждого землетрясения сейсмологи составляют его карту, на которой должны быть отмечены амплитуды смещения земной поверхности в разных точках. «Сейчас такие карты строятся на основе весьма смелых интерполяций, — говорит Кочран. — Если одна сейсмостанция отстоит от другой на 50 км, все показатели смещений для промежуточных точек оказываются высосаны из пальца». Достаточно густая сеть из датчиков Quake-Catcher, выведенных непосредственно в интернет, может радикально повысить разрешение подобных карт, выдавая конкретные указания, куда следует первым делом послать отряды спасателей.

«В нашем мире полно вещей, которых мы так до конца и не понимаем, — говорит Хитон, — но это не значит, что нужно опустить руки и сказать, что поражение неизбежно и все равно мы когда-нибудь умрем». Вовсе нет. Это всего лишь значит, что мы будем строить более надежные дома. Мы будем готовить наши жилища и наши семьи к подобным напастям и будем удовлетворяться надеждой, что, готовясь к худшему, мы в случае беды окажемся в числе тех, кто оказывает помощь, а не в числе тех, кто ждет эту помощь от других.

Комментарии 0

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]

« Январь 2018 »
Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
1	2	3	4	5	6	7
8	9	10	11	12	13	14
15	16	17	18	19	20	21
22	23	24	25	26	27	28
29	30	31