Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

• Название: Невидимый конфликт
• Автор: Людмил Оксанович
• Издательство: Стройиздат
• Жанр: Научпоп
• Год: 1986

В книге автора из НРБ рассматривается важная инженерно-техническая проблема — защита зданий и сооружений от  различных воздействий. В научно-популярной форме рассказывается об угрозе, которую представляют землетрясения и ураганы, о свойствах материалов и их способностях выдерживать  значительные нагрузки, о деформации железобетонных элементов, о  коэффициенте надежности. Большая часть книги посвящена  строительным формам и принципам их рационального выбора.

Книга предназначена для широкого круга читателей.

---

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.