Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
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.
НЕВИДИМЫЙ КОНФЛИКТ
ВОПРОС ПЕРВОСТЕПЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ
К новым материалам для строительных конструкций обыкновенно подходят крайне осторожно. Их проверка продолжается годами, часто они испытываются в действии — в экспериментальных зданиях и сооружениях. А вот «доверять» им начинают только тогда, когда их прекрасные первоначальные характеристики сохраняются в течение всего срока эксплуатации сооружения.
Каждый понимает, что для конструкции первостепенное значение имеет материал, из которого она выполнена. Именно он в основном определяет такие ее качества, как несущая способность, долговечность, стоимость. Кроме того, материал оказывает решающее влияние на конструктивные формы. Стальная балка, например, совсем непохожа на деревянную или железобетонную. Требования, которые в основном предъявляются к материалам для строительных конструкций, приблизительно таковы: высокая прочность; сравнительно небольшая деформируемость; долговечность прочностных характеристик; устойчивость к атмосферным воздействиям; высокая стойкость к динамическим нагрузкам, без усталости; огнестойкость; легкость; простота обработки, отсутствие производства и возможность его организации при минимальных капиталовложениях; ясность физической природы материала, обеспечивающая возможность ее изучения; возможность индустриализации строительного процесса при конструктивных формах, обусловленных применением материала; относительно невысокая стоимость.
Как можно видеть, требования эти весьма противоречивы. Сталь, например, при высокой прочности является достаточно дорогим, а во многих странах и дефицитным материалом. Она неогнестойка и поддается атмосферным воздействиям (корродирует). Бетон — дешевый и недефицитный материал, но он сравнительно тяжел и подвержен деформациям. Дерево при относительно большой прочности и исключительной легкости весьма чувствительно к атмосферным воздействиям и быстро загорается, не говоря уже о том, что оно в настоящее время крайне дефицитно. Очевидно, что эти три наиболее распространенных строительных материала далеки от совершенства. Правда, за последние десятилетия для нужд самолетостроения и космической техники создан ряд превосходных материалов, соответствующих значительной части предъявляемых к ним требований. Однако абсолютно идеальный материал с универсальными свойствами едва ли когда-нибудь будет создан. Но если даже он и появится, то цена его будет, естественно, огромной. А ведь строительство — массовая отрасль, может быть, даже самая массовая форма технической деятельности человека. Почти вся жизнь человека проходит под крышей — здесь он рождается, растет, работает, спит, развлекается, говорит. Здания и сооружения — это насущная человеческая потребность, которая, по-видимому, будет ощущаться вечно. Ясно, что ни одна страна не может себе позволить применять в массовом строительстве алюминиевые сплавы, специальные хромованадиевые, титановые и никелевые стали, легкую и исключительную прочную керамику, которая используется в космической индустрии.
Но рассмотрим вопрос материалов с другой стороны. Машина или предмет широкого потребления рассчитаны на срок эксплуатации от двух до десяти лет. Здания обычно строятся едва ли не на века. Поэтому необходимо, чтобы материал для конструкций сохранял свои свойства неизменными в течение десятков лет. За это время облицовка фасада может быть сменена 5 раз, а покрытия пола — 15 раз, могут разрушиться и снова быть смонтированы перегородки, в конце концов само здание может быть надстроено, но конструкция должна во всех случаях и в любой момент своей жизни сохранять необходимую несущую способность. Амортизация, при которой конструкция подвергается воздействию наиболее губительного фактора — времени (разумеется, речь идет о физических и химических процессах, которые непрерывно происходят в течение многих лет), несравнима с усилиями работы самолетной турбины или вращающегося с огромной скоростью вала. Просто и турбина, и вал изначально рассчитаны на более короткий срок службы и, следовательно, могут быть заменены. Подобные изделия выпускаются небольшими сериями, и применение для их изготовления исключительно дорогостоящих материалов вполне уместно. Строительство же — массовое производство. Строительные материалы должны быть дешевыми, очень дешевыми … и долговечными; они должны сохранять свои прочностные свойства в течение многих лет, несмотря на все разрушительные воздействия, несколько метафизически обобщенные в слове «время».
