Як будують будівлі, які можуть протистояти землетрусам

1. Зони особливого ризику
2. сейсмологічний лікнеп
3. розпливчасті цифри
4. сейсмонебезпечних місце
5. Попереджений значить озброєний

Землетруси - річ неминуча, проте мало хто з проживають в безпосередній близькості від великого геологічного розлому робить хоч якісь самостійні заходи для захисту своїх сімей і жител. Але ж правильну відповідь на питання, чи готовий ти до справжньої катастрофи, зумовлює і відповідь, чи є у тебе шанс без втрат викрутитися з неприємної ситуації або ж ти приречений втратити все, що в тебе є.

Останні кілька років планету явно лихоманило. То там, то тут землетрусу вели до збитку грандіозного масштабу. У 2005 році в Пакистані від землетрусу загинуло 86 000 чоловік, в 2008 році в Китаї - 87 000, у 2010 році на Гаїті кількість жертв наблизилася до 100 000 чоловік. При цьому ми не будемо говорити про двох найсильніших землетрусах за останні 10 років - землетрус 2004 року на Суматрі і катастрофи Тохоку в 2011 році в Японії, оскільки там левова частка жертв була наслідком цунамі, досить рідкісного геологічного явища, яке в очах більшої частини американців виглядає такою ж екзотикою, таким же винятком з правил, як, скажімо, падіння астероїда. Той факт, що з 13 найбільш згубних катастроф людської історії, пов'язаних із землетрусами, чотири відбулися тільки після 2004 року, говорить не стільки про зміни в геофізики, скільки в змінах, які торкнулися людських звичаїв. Зростаюча щільність населення, все густіша забудова центральних міських кварталів - все це робить звичні стихійні лиха більш серйозною загрозою для міських мешканців. (Для людини в чистому полі навіть найсильніший землетрус не становить такої вже великої небезпеки. Зате скупченість населення великого міста з його щільною забудовою легко може стати жертвою подібної катастрофи.)

Стики тектонічних плит. Тиск сусідніх плит призводить до їх зсуву і руйнування лежать над ними шарів породи. З цього гипоцентра розходиться ланцюжок сейсмічних хвиль (не слід його плутати з «епіцентром» - точкою, що лежить безпосередньо над ним на земній поверхні). P-хвилі. Першими на сейсмостанції приходять поздовжні хвилі стиснення (Р-хвилі), що мають високу швидкість поширення. Завдяки цьому ефекту ми можемо отримати дорогоцінні секунди, що дозволяють прийняти якісь заходи до приходу справжнього землетрусу. S-хвилі. Поперечні зсувні хвилі (S-хвилі) призводять до зміщення порід в напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення хвилі. До поверхні землі вони доходять значно пізніше. Подібно хвилям, що біжить по поверхні океану, вони збуджують хвилеподібні рухи земної кори, і викликають основні руйнування будівель. «Втратити в результаті землетрусу ціле місто з першої десятки - зараз це важко навіть уявити. Знайдуться люди, готові з упевненістю сказати, що такого не може бути ніколи. Хоча я б сказав, що зараз ніхто не має права на подібні категоричні судження ». Том Хітон, сейсмолог з каліфорнійського технологічного інституту.

Зони особливого ризику

На картах сейсмічної загрози зона вздовж усього тихоокеанського узбережжя залита червоним кольором. Це і не дивно, оскільки саме там пролягають лінії основних розломів і стикуються тектонічні плити. Є 82-відсоткова ймовірність, що протягом найближчих 30 років десь під Південній Каліфорнією відбудеться землетрус силою не менше 7 балів. Саме цей штат приречений понести три чверті шкоди, запрогнозірованного на всі національні втрати від землетрусів.

сейсмологічний лікнеп

Будівельні норми не завжди були такими суворими, як зараз. Особливо це стосується зон з підвищеною сейсмічною небезпекою. Чи можна оцінити ступінь безпеки тих чи інших конструкцій до землетрусу?
Дивлячись з тротуару на який-небудь хмарочос, ми не можемо у нього запитати весь пакет будівельних документів, але деякі висновки ви можете зробити і за зовнішнім виглядом. Сталевий каркас надійніший, ніж бетонний або, тим більше, цегляна кладка, а більш сучасні хмарочоси будувалися з урахуванням більш жорстких вимог по сейсмостійкості. «При будівництві нового будинку не слід тупо домагатися все більшої і більшої міцності, - каже інженер-архітектор Аарон Рейнольдс. - Вам просто потрібно тримати під контролем ті самі місця, де в першу чергу повинні виявитися руйнування ». Для цього в конструкцію часто включають балки, що містять ослаблені місця, звані за свою форму «собачі кістки». Ці спеціально ослаблені зони поглинають коливання, відводячи напруги від зварних швів.

Але американцям слід пам'ятати, що землетруси загрожують не тільки Каліфорнії. У серпні 2011 року поштовх силою 5,8 бала збагнув місто Річмонд, штат Віргінія. Землетрус, який люди відчули на всьому просторі від Джорджії до Квебека, було в цих краях найсильнішим за все останнє сторіччя. На базі нових палеосейсміческіх даних і більш складною методики комп'ютерного прогнозування Геологічна служба США (USGS) створює нові, більш точні карти сейсмічного ризику, де червона заливка обмежується не настільки великими зонами і концентрується в таких ділянках, як, наприклад, зона субдукції Каскад неподалік від північно -Західного тихоокеанського узбережжя, розлом Уасатч поруч з Солт-Лейк-Сіті і сейсмічна зона Нью-Мадрид, що простягається від південного Іллінойсу в глиб Арканзасу (саме тут у 1811-1812 роках були відзначені земл трясіння з магнітудою 7). Останнім землетрусом в регіоні Лос-Анджелеса, що спричинило серйозні наслідки, можна вважати поштовх в Нортриджі магнітудою 6,7. Тоді, в 1994 році, загинуло 57 осіб, а матеріальні збитки склали $ 20 млрд.

Одне з найбезпечніших місць, де можна було б перечекати землетрус - це добротно побудований малоповерховий будинок з дерев'яним каркасом. У нових будинках стіни і підлоги бувають сочленени за допомогою спеціальних металевих конекторів, в будинках більш ранньої споруди часто можна побачити сліди професійно зробленої реконструкції - зокрема, болтові з'єднання. Завдяки цьому під час землетрусу весь каркас будівлі рухається як єдине ціле. Додаткові сталеві елементи повинні з'єднувати фундамент з вертикальними опорами.

розпливчасті цифри

Прослуживши більше тридцяти років в Каліфорнійському технологічному інституті, сейсмолог Том Хітон здобув собі репутацію наукового дисидента, здатного брати верх в дискусіях як з геофізичних, так і з технічних питань. Я звернулася до нього в надії, що він озброїть мене необхідним арсеналом безперечних фактів і вагомих аргументів, за допомогою яких можна було б реально оцінити ймовірність загрожують усім нам землетрусів. Однак, замість того щоб дати пряму відповідь, Хітон відкинувся в кріслі і подивився на мене веселими очима, в яких читалося, що це питання він чув уже тисячу разів. «Краще запитайте мене, коли почнеться війна або наскільки ймовірним є виникнення епідемій, - сказав він. - Дивлячись на статистичний розподіл сейсмічних катастроф, ми бачимо, що це вкрай рідкісні події, але кожне з них може придбати виняткове значення ».

Як говорить Хітон, статистика сейсмічних подій на території США не дає нам фактичного матеріалу, який дозволив би передбачати майбутні землетрусу. «Протягом всього останнього століття людські втрати від землетрусів вимірювалися в сотнях людей. Однак згадаємо катастрофу 1906 року, коли найбільше місто на Заході США був, по суті справи, стертий з лиця землі. Але ж зараз ми навіть не змогли б собі уявити, що це значить - втратити ціле місто з нашої першої десятки. Хтось може заявляти, що подібні речі в принципі не можуть відбуватися. А ось на мій погляд, ніхто взагалі не має права робити на цю тему які б то не було категоричні заяви ».

Під впливом сильних поштовхів цегляна кладка тріскає, кришиться і може обрушитися. Цегляні будівлі можна посилити, скориставшись для цього бетонними і сталевими накладними рамами, які укладають по фасаду. З боку вулиці нерідко можна побачити штифти, що з'єднують стіни з міжповерховими перекриттями. Будівельні норми категорично вимагають виконання цих додаткових робіт, проте все одно слід пам'ятати, що це старі цегляні будівлі, які практично беззахисні перед землетрусами.

Після цього я запитала Хітона, що він думає про страхування нерухомості на випадок землетрусу. У відповідь він тільки посміхнувся. «Всі прогнози землетрусів прийнято формулювати на часовий інтервал в 30 років, - сказав він, - точно такий же, який загальноприйнятий для закладних на нерухомість». Хітон по своїй роботі все життя був тісно пов'язаний зі складними розрахунками, що лежать в основі подібних статистичних обчислень. Так, звичайно, всі ці чисельні показники допомагають громадянам оцінювати прийнятний для них ризик, а будівельникам - встановлювати нормативи безпеки. Але з іншого боку, хто як не він має право з повною відповідальністю говорити про те, наскільки розпливчасті всі ці цифри і зроблені на їх підставі висновки. «Скільки разів мені доводилося засинати, поклавши голову на всі ці таблиці і графіки, - говорить він. - Ми, фахівці, буцається один з одним до останнього, і все одно всі ці висновки мають під собою тисячі довільних припущень ». Та й землетрус силою в 7 балів в одних випадках буде являти собою катастрофу, яка нищить цілі міста, а в інших - веселе пригода, про яку приємно розповісти в колі друзів. Все залежить від часу, місця і багатьох інших обставин.

Думаючи про землетруси, ми найбільше переживаємо за нашу нерухомість - а дарма, оскільки вона виявляється найменш вразлива. Це, по крайней мере, відноситься до сімейних особняків на дерев'яному каркасі - таким, в якому живу я чи Хітон. «Дерев'яні будинки виключно стійкі до дії землетрусів», - каже Хітон. Набагато більш небезпечними слід вважати цегляні будинки, в яких не передбачено будь-яких спеціальних заходів протисейсмічних посилення, і споруди з матеріалу, який інженери називають непластічним бетоном. Якби землетрус в Нортриджі сталося не в 4:30 ранку, а під час робочого дня, жертв, як показують спеціальні дослідження, було б в 20-30 разів більше. Той же принцип залишиться в силі, коли до нас прийде невідворотний «час Х», тобто коли країну струсоне катастрофа світового масштабу.

Якщо бетонні конструкції не містять достатньої кількості сталевої арматури (як це вимагається за будівельними нормами після 1970 року), вони під час землетрусу здатні скластися як картковий будиночок. Ця небезпека стає ще більше, якщо в будинку є «м'який» перший поверх з високою стелею і великою кількістю широких прорізів. Хоча арматура всередині бетонних колон невидима, інші види посилення залишаються у вас на увазі. Зазвичай при реконструкції бетонні стіни і стовпи прийнято посилювати углеволокном. «Зовні це виглядає так, ніби стовпи просто обклеєні мішковиною», - каже Рейнольдс. Інший раз видно, що «м'який» перший поверх посилений спеціальними накладними рамами.

Як мені розповіла Мері Комер, професор архітектури в Університеті штату Каліфорнія в Берклі, кількість будівель, що представляють потенційну загрозу, в Лос-Анджелесі набагато менше, ніж у багатьох інших містах. «У Лос-Анджелесі діє дуже агресивна програма оновлення суспільних будівель. Згідно з цією програмою, практично всі громадські будівлі міста повинні або зникнути, або піддатися вельми суттєвої реконструкції ». При цьому правила забудови на увазі, що у будь-яку подібну реконструкцію має бути закладено підвищення сейсмозахисту.

Завдяки всім цим заходам Лос-Анджелес, бурхливо зростаючий місто, націлений в майбутнє, став вельми безпечним місцем для життя.

«В даний час, - пояснив мені інженер-сейсмолог Аарон Рейнольдс, компанія якого займається проектуванням лікарень і шкіл, а також реконструює старі будівлі з метою підвищення їх сейсмобезпеки, - джерелом основних проблем вже є не самі несучі конструкції, а різного типу трубопроводи і кабелі . Сучасні будівлі в своїй масі відмінно підготовлені до того, щоб зустріти сейсмічну катастрофу ». Поглядаючи то на блискучі металеві вітрила Френка Гері, то на брили хмарочосів міського бізнес-центру, Рейнольдс додає: «Я не допускаю думки, що хоч одне з них може впасти».

Будівля з сейсмічної ізоляцією фундаменту спочиває на кількох еластичних гумових циліндрах. Вони діють як автомобільні амортизатори, перетворюючи різкі поштовхи в легку вібрацію. Таке рішення можна вважати ідеальним для будівель т.зв. високої відповідальності - шкіл, лікарень, електростанцій та інших споруд енергетичної або комунікаційної інфраструктури. Зазвичай такі будівлі по периметру бувають оточені спеціальної бетонної траншеєю на рівні землі. Цю траншею можна помітити по вузької щілини, яка проходить по тротуару в парі метрів від зовнішніх стін будівлі.

Ми пройшли кілька кварталів до Темпл-стріт і схожого на фортецю міського кафедрального собору. Рейнольдс зупиняється в парі метрів від зовнішньої стіни і вказує на глибоку щілину, розрізану тротуар. Це межа бетонованій траншеї шириною кілька метрів, що оточує фундамент старої будівлі. Прямо на своєму айпедов він начорно накидає ескізік конструкції. Весь бетонний моноліт покоїться на гумових циліндрах - «фундаментних ізоляторах»; вони, подібно до автомобільної підвісці, захищають всю конструкцію від поштовхів і зрушень. Під час землетрусу ці ізолятори повинні поглинути основну частину руйнівної енергії. Бетонна конструкція, оточена траншеєю, здатна зрушуватися в будь-яку сторону більш ніж на метр, а разом з нею буде зрушуватися і всю будівлю. «Досить популярні жарти, що в будь-яких катастрофах п'яні перебувають під заступництвом вищих сил, - розповідає Рейнольдс. - За цим стоять цілком матеріалістичні спостереження. Твереза ​​людина з більшою ймовірністю отримає травму, так як в момент небезпеки він схильний напружувати всі свої м'язи, в той час як п'яний зустрічає небезпеку в повному розслабленні. Тут працює та ж аналогія. Істотна частка сейсмічної енергії, проникаючи в занадто жорстке будівлю, розряджається в вузлах його конструкції. А ось вставляючи в його фундамент еластичні елементи, ми створюємо канали для відведення небезпечних напруг ».

сейсмонебезпечних місце

Для деяких регіонів Росії будівництво сейсмоізолірованних і сейсмостійких будівель вельми актуально. До таких регіонів відноситься, зокрема, Камчатка. «Проти землетрусу силою в 9 балів не встоять не те, що хмарочоси, а навіть звичайні 2-поверхові будинки, якщо не вживати спеціальних заходів, - пояснює« Популярною механіці »головний конструктор проектного інституту« Камчатскгражданпроект »Валерій Дроздюк. - Тому в Петропавловську-Камчатському більшість багатоповерхових будинків - великопанельні, посилені зовнішніми пілонами-контрфорсами - зовнішнім каркасом, які приймають на себе частину навантаження під час поштовхів. Для розрахунку будівель, максимально стійких до землетрусом, потрібно брати до уваги не тільки навантаження (середні прискорення при 10-бальному землетрусу становлять близько 0,8g), але і власні частоти будівель - жорсткі мають період коливань 0,2-0,5 с, м'які - 1-2 с, а також довжину будівель (при довжині понад 30 м починають позначатися ще й крутильні коливання). Тому максимально стійке до землетрусу спорудження виглядає так: більш-менш симетричне в плані, розрізане деформаційними швами на невеликі секції, великопанельне, з йдуть знизу доверху несучими конструкціями, пов'язаними з міжповерховими перекриттями. Жорсткість такого будинку повинна змінюватися (зменшуватися) за висотою. Досить перспективним виглядають сейсмоізолірованние будівлі, «відрізані» від фундаменту. Ми експериментували з кількома типами подібних будівель в середині 1980-х років, і вони показали себе дуже добре ».

Попереджений значить озброєний

У дні, що послідували за японською катастрофою, я багато чула про те, що у японців була сама просунута в світі система раннього оповіщення про сейсмічної небезпеки. Величезна мережа сейсмодатчиків автоматично формувала сигнали на гальмування швидкісних поїздів, відключення електростанцій, розсилку по телефонних і комп'ютерних мереж повідомлень про початок катастрофи. Зазвичай час випередження для таких аварійних екстрених заходів становить всього лише десятки секунд - стільки, скільки проходить між початком зсуву в зоні розлому і моментом, коли сейсмічні хвилі досягнуть великих населених пунктів. Це небагато, але може бути досить, щоб врятувати багато людських життя.

Будинок на сейсмоизолирующим поясі. Такий будинок стоїть на монолітному бетонному фундаменті, спираючись на нього монолітним залізобетонним поясом, яким закінчуються цокольні стін бетонні панелі. Але жорсткого зв'язку між ними поясом і фундаментом немає - між ними розташовані тефлонові прокладки. В результаті вся будівля при поштовхах «прослизає» щодо фундаменту. Краї фундаменту забезпечені гумовими амортизаторами і працюють як «обмежувачі ходу» ковзного пояса. Будинок центрируется нежестким кріпленням - за допомогою заставних деталей між фундаментом і цокольній плитою.

Вчені вже кілька десятиліть обговорюють можливість установки такої мережі раннього оповіщення в штаті Каліфорнія, однак для реалізації цього проекту не вистачає політичної волі. Можливо, суспільство не готове до таких заходів, так як зберігає надію на те, що коли-небудь будуть розроблені способи абсолютно точних і достовірних прогнозів. Якщо винести за дужки газетні вигадки про домашніх тварин, наділених даром передбачення, ніхто, крім цих міфічних істот, так і не зумів достовірно передбачити жодне серйозне землетрус. Адекватна система раннього оповіщення - наша єдина надія, однак і тут у нас мало підстав для оптимізму. Фахівці вважають, що виділені на таку програму кошти матеріалізуються в працюючу систему не раніше, ніж нас без попередження відвідає ще одне катастрофічний землетрус. «Подивіться на історію впровадження таких систем в інших країнах, - каже сейсмолог з USGS (Геологічної служби США) Дуг джива. - Всі вони організовані як екстреного відповіді на якусь катастрофу. У Мексіке- після того як в 1985 році землетрус забрав 9500человеческіх життів. В Японії - після землетрусу в Кобе, коли в 1995 році загинуло 6400 осіб ».

Будинок на кінематичному фундаменті. Креслення такого будинку нагадує будівлю на палях, але це лише на перший погляд. Будівля спирається на товсті опори, до яких внизу прикріплені залізобетонні катки, які не мають жорсткого зв'язку з фундаментом, а спираються на залізобетонні подушки з виїмкою. За принципом дії така система сейсмоізоляції нагадує відому іграшку «неваляшка» - при поштовхах будівлю відхиляється від положення рівноваги, а потім повертається назад. Це найпростіша з усіх систем сейсмоізоляції, але вельми ефективна: будинок по власній частоті виходить длінноперіодіческій, і короткопериодические поштовхи просто «не помічає».

Офіс Елізабет Кочран розташований на кампусі Калтеха в п'яти хвилинах ходьби від офісу Хітона. Кочран є творцем мережі Quake-Catcher Network, проекту в дусі «науки на громадських засадах». Відповідно до цієї ідеї тисячі добровольців закріплюють на корпусах своїх стаціонарних настільних комп'ютерів особливі сейсмодатчики - кожен розміром із сірникову коробку. Сигнали від усіх датчиків, що діють, коли включений ваш комп'ютер, виведені в інтернет і надходять в єдину диспетчерську. Тепер, якщо достатньо велика кількість таких датчиків, розташованих в межах одного району, одночасно фіксують коливання або поштовхи схожого характеру, у вас будуть підстави припустити, що це не випадкові струсу того чи іншого системного блоку, а реєстрація реального землетрусу.

Будинок з виключаються. На відміну від інших систем, де жорсткість фіксована, будинок з виключаються може змінювати цей параметр. У його конструкції використовуються діафрагми жорсткості - залізобетонні панелі, що зв'язують стінові панелі, колони і міжповерхові перекриття. З'єднання цих деталей виконані за допомогою зварних заклепок, які за певного рівня сейсмічних навантажень просто зрізаються (це і називається виключенням зв'язків), зменшуючи жорсткість будівлі і збільшуючи період власних коливань. Після закінчення землетрусів заклепки потрібно ставити заново.

Буквально за день до мого візиту на північ від Сан-Франциско мало місце землетрус магнітудою 4,0. З запізненням всього в вісім секунд система Quake-Catcher видала свій результат - 3,7. Погодьтеся, точність збігу не така вже й погана. «Наші розрахунки будуються на тому, що коли-небудь все нарешті визнають, що ця система видає цілком достовірну інформацію, і тоді дані Quake-Catcher будуть спрямовані безпосередньо в систему раннього оповіщення», - каже Кочран. Після кожного землетрусу сейсмологи складають його карту, на якій повинні бути відзначені амплітуди зміщення земної поверхні в різних точках. «Зараз такі карти будуються на основі досить сміливих інтерполяцій, - каже Кочран. - Якщо одна сейсмостанція відстоїть від іншої на 50 км, всі показники зсувів для проміжних точок виявляються висмоктані з пальця ». Досить густа мережа з датчиків Quake-Catcher, виведених безпосередньо в інтернет, може радикально підвищити дозвіл подібних карт, видаючи конкретні вказівки, куди слід насамперед послати загони рятувальників.

«У нашому світі повно речей, яких ми так до кінця і не розуміємо, - каже Хітон, - але це не означає, що потрібно опустити руки і сказати, що поразка неминуча і все одно ми колись помремо». Зовсім ні. Це всього лише означає, що ми будемо будувати більш надійні будинки. Ми будемо готувати наші оселі і наші сім'ї до подібних напастей і будемо задовольнятися надією, що, готуючись до гіршого, ми в разі біди опинимося в числі тих, хто надає допомогу, а не в числі тих, хто чекає цю допомогу від інших.

Стаття «Життя в епіцентрі» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №9, Сентябрь 2012 ).