Землетрясения
Шрифт:
Потребовалось землетрясение 1923 года, чтобы обнаружить, что тростник подвел.
Уже землетрясение 1906 года в Сан-Франциско заставило призадуматься инженеров и архитекторов. Оно показало, что обычные каменные строения разрушались, причиняя гибель, деревянные домишки тоже разваливались, правда не нанося такого вреда, и только высокие здания с металлическим каркасом победоносно выдержали натиск. События 1923 года в Токио и Иокогаме подтвердили превосходство массивных строений над легкими. После катастрофы тяжелые монолиты из бетона, непоколебимые
После этого строители впервые призадумались, не пора ли заняться исследованием проблем сейсмостойкости архитектурных сооружений не эмпирически, а теоретически. Первый сигнал тревоги дал американский инженер Фримен, о котором мы уже упоминали.
«Как в нашей стране, страдающей от землетрясений, архитекторы смеют заниматься строительством, не учитывая возможности сейсмических возмущений! — негодовал этот поборник сейсмостойкой архитектуры. — Сейсмология остается теоретической наукой, и никто не пытается сделать из нее практические выводы! Возмутительно, что курсы лекций, читаемых в высших школах, и техническая литература не отводят ни одной строки сейсмическим явлениям и не учат будущих инженеров, как бороться с ними».
Когда Фримен бросил первый камень в болото косности, когда он начал кричать, бушевать, требовать пересмотра учебных программ, конструирования измерительных приборов, сбора статистических данных, проведения экспериментов, только тогда зашевелились власти в его стране. Проблема была поставлена на обсуждение конгресса, который проголосовал за выделение соответствующих ассигнований. Измерительные приборы, которых требовал Фримен, были изобретены, сконструированы и распределены по сейсмическим районам США. Тогда идея об усилении жесткости конструкций получила всеобщую поддержку. Стало очевидным, что, если здание состоит из нескольких слабо связанных частей, землетрясение может отразиться на каждой из них по-разному, так что каждая линия контакта станет неизбежно линией разрыва. В частности, на рыхлом грунте рекомендовалось возводить только монолитные здания, и те, кто последовал этому совету, добились поразительных результатов.
Здания, столь же жесткие, как стальные кубы, остались нетронутыми на растрескавшейся и смятой в складки земле. Были и такие строения, которые наклонялись от толчков, но не растрескались, и их удалось выпрямить домкратом. Научились придавать жесткость не только самим зданиям, но и их внутреннему оборудованию. Если закрепление мебели посредством металлической арматуры и оказалось неосуществимым, то по крайней мере удалось прочно закрепить дверные коробки и оконные рамы, канализационные и водопроводные трубы, нагревательные приборы, осветительную аппаратуру, не говоря уже о штукатурке потолков, один квадратный метр которой, согласно одному американскому докладу, может весить до 39 килограммов.
Единственная трудность, которую не удалось преодолеть сторонникам сейсмостойкой архитектуры, заключалась в следующем: исследования, начатые в Германии в 1930 году и продолженные в США, показали, что у грунта могут быть свои собственные периоды колебаний. Если у здания оказываются случайно точно такие же периоды колебаний, то может возникнуть явление резонанса, способное свалить самое прочное сооружение. Объясним, в чем тут дело. Все знают, что качели при данной длине веревок имеют совершенно определенный период колебаний. Можно увеличить или уменьшить амплитуду, но нельзя изменить продолжительность ьтих колебаний. Если раскачивать качели в одном темпе, то есть сообщить им импульс, отвечающий периоду их собственных колебаний, то амплитуда этих колебаний все больше и больше увеличивается. В этом случае говорят, что качели «резонируют». Явление резонанса имеет очень важное значение и может даже привести к катастрофе. В 1850 году около Анжера полк, не нарушая размеренного шага, вступил на подвесной мост. Период шагов совпал с периодом колебаний моста. И тут произошло то же, что случается с качелями: мост начал раскачиваться все сильнее и сильнее, пока его колебания не стали столь значительными, что тросы лопнули и солдаты очутились в воде.
Ну так вот, исследования периодов колебаний, проводившиеся в США в 1935–1940 годах, показали, что вибрации «резонирующего» здания при повторных импульсах могут привести к его разлому. Как бороться с этой угрозой, еще не найдено. К счастью, в действительности к периоду колебаний здания присовокупляются колебания различных его элементов — каркаса, балок, полов и т. д., — и они взаимно погашаются.
Не думайте, что удовлетворение такого требования, как жесткость здания, совсем уж простая проблема. В самом деле, исследования, связанные с сейсмостойкостью, сопровождались не только опытами, но и потоком математических и инженерных выкладок. Ученые обнаружили, что эту проблему надо решать не только в статике, но и в динамике и что подземный толчок — сам по себе явление значительно более сложное, чем думали раньше.
Разумеется, мы не станем здесь излагать все детали математических вычислений и сложных анализов и ограничимся лишь теми выводами, к которым пришли специалисты. Теперь эти выводы кладутся в основу проектирования всех сейсмостойких сооружений.
Прежде всего отметим, что сейсмостойкое сооружение должно проектироваться совсем не так, как обычное. Последнее несет главным образом вертикальные нагрузки. Идет ли здесь речь о жилом доме, мосте или водонапорной башне, жесткость должна с особенной тщательностью обеспечиваться по вертикальной компоненте. Надо рассчитать так, чтобы пол десятого этажа не рухнул, если на него поставят рояль или несгораемый шкаф. Что касается горизонтального сопротивления, то здесь не приходится бояться ни перегрузки, ни ударов, разве только давления сильных ветров. В данном случае вместо каменной стены можно обойтись цементной, прикрепленной к металлическому каркасу.
Между тем при землетрясении разрушительной бывает именно горизонтальная компонента удара. Она измеряется ускорением, то есть сантиметрами на секунду в квадрате. Этим показателем пользуются для оценки сейсмостойкости строений. Мы не будем вдаваться в эти малозанимательные сухие подробности, но скажем все же, что именно ускорение толчка в данном месте определяет интенсивность землетрясения. Например, землетрясение с интенсивностью V соответствует ускорению, равному 0,015 ускорения силы тяжести (то есть 0,015 g); с интенсивностью X — 0,7 g, а с интенсивностью XII — 3 g.
Остается выяснить, к каким практическим выводам могут прийти архитекторы после таких вычислений? В первую очередь потребовалось конечно, создать приборы для измерения ускорений. Конструкторы использовали небольшие сейсмографы с очень малым периодом (0,1 секунды). Затем они преобразовали эти приборы в акселографы, которые дают на ленте фотографической бумаги графическое изображение ускорений. Акселографы были установлены на различных этажах жилых зданий.
Посредством приборов установили, что ускорение гораздо сильнее на верхних этажах, чем внизу (хотя в этом не сомневались и раньше), причем в среднем оно составляло 0,05–0,25 ускорения силы тяжести.