Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
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.
