Почему землетрясения считаются глобальной проблемой?
Как было рассмотрено в предыдущей статье, число разрушительных «сверхсдвиговых» землетрясений растет по не совсем понятным причинам.
При этом стремительно растет население Земли — нас уже 8 миллиардов человек. Люди все больше концентрируются в больших городах, многие из которых расположены в сейсмоопасных зонах. Десять крупнейших мегаполисов и городских агломераций мира находятся под постоянной угрозой сильных землетрясений: Мехико, Токио, Джакарта, Мумбаи, Нью-Дели, Калькутта, Шанхай, Стамбул, Лос-Анжелес и Сан-Франциско. В настоящее время особо опасна ситуация в Лос-Анжелесе. Он расположен вдоль южной части разлома Сан-Андреас, а через сам город проходит разлом Пунте-Хиллс. Еще в 2007 году американские сейсмологи заявили, что внутренние напряжения в разломе земной коры Сан-Андреас достигли максимума за всю историю наблюдений и давление в тектонических пластах может вылиться в разрушительное землетрясение. Сейчас американские инженеры пытаются снизить напряжение в земной коре с помощью большого количества глубинных скважин, в которые закачивается вода. Но нет уверенности, что это поможет избежать катастрофы…
Менее крупных городов, расположенных у разломов земной коры и вблизи растущих «молодых» горных систем — сотни по всему миру. Мощное землетрясение в любом из них обязательно станет мировой проблемой, потому что ни одна страна в одиночку не сможет справиться с последствиями стихийного бедствия. Вспомним жуткие недавние репортажи из Турции, когда люди звонили из-под завалов и просили о помощи — но она опаздывала, и несчастные погибали в длительных муках. Спасателей и строительной техники категорически не хватало... Видимо, хорошо оснащенные отряды быстрого реагирования при стихийных бедствиях придется создавать под эгидой ООН. А еще нужны новые идеи и эффективные технологии для уменьшения разрушительных последствий землетрясений.
Немного истории
При сильном землетрясении людей убивают не сами по себе подземные толчки, а разрушение домов и других сооружений. Это понимали еще наши далекие предки. Они явно жили по принципу «на бога надейся, а сам не плошай». И придумывали разные способы повышения устойчивости зданий в условиях возможных подземных толчков.
О сейсмобезопасности своих домов и культовых сооружений заботились еще древние греки. Яркий пример такого строительства — Кносский дворец на острове Крит, построенный примерно в 1700 году до н.э. Его стены сложены из каменных плит, уложенных без раствора и соединенных деревянными штырями. Внешние стены сделали трехслойными, пространство между слоями плит заполнено строительным мусором. Внешние и внутренние стены, а также перекрытие были связаны в единую устойчивую систему с помощью деревянных брусьев. Дворец находился в наиболее сейсмоопасной зоне острова, но его большие фрагменты сохранились до сих пор.
Свои приемы сейсмостойкого строительства разработали и древние римляне. Под тяжелые сооружения устраивались мощные сплошные фундаменты. Была изобретена особо прочная бетонная смесь. Наконец, римляне использовали архитектурные приемы, повышающие устойчивость зданий. Яркий пример такого строительства — Пантеон в Риме (возведен около 120 года нашей эры). Внутренне пространство здания выполнено так, что в него вписывается шар диаметром 43,44 метра. Это отвечает важнейшему принципу сейсмостойкого строительства: форма сооружения должна быть максимально простой и пропорциональной. Для снижения веса кирпичных стен в них были устроены ниши. Уникальный купол Пантеона, который никто не мог превзойти по габаритам почти 2 тыс. лет, также имеет ряд особенностей, связанных с технологиями сейсмостойкого строительства. Получившаяся конструкция обладала пластическими свойствами и фактически служила гасителем колебаний при землетрясениях.
Народы, населяющие горную местность, всегда помнили об угрозе землетрясений и учились противостоять стихии. На территории нынешнего Перу находятся древние поселения инков, построенные из каменных плит в 12–15 веках нашей эры. Камни так искусно подогнаны друг к другу, что прочно удерживаются без строительных растворов. При землетрясении такая стена немного «подпрыгивает», но после толчка камни укладываются в прежнем порядке. По такому же принципу строились древние сторожевые башни на Кавказе. В подобных постройках отсутствовали резонанс частот и точки концентрации напряжений. По мнению исследователей, сухую кладку стен древних инков можно считать одним из первых в мировой истории устройств пассивного виброконтроля строений.
Современные способы повышения сейсмоустойчивости строений
Во время сильных подземных толчков искусственные сооружения испытывают как вертикальное, так и горизонтальное действие ударных волн. Одним толчком дело никогда не ограничивается. Горизонтальное движение вызывает вибрацию всех элементов здания. Из-за экстремального напряжения происходит разрыв несущей рамы и, как результат, разрушение всей конструкции.
Обычные строения приспособлены справляться только с гравитацией. Но и тут требуются инженерные расчеты, чтобы здание не рухнуло под собственным весом.
Сейсмостойкие здания, рассчитанные на сильные землетрясения, имеют глубокие фундаменты в виде сплошной плиты или стоят на сильно заглубленных прочных забивных сваях. Все элементы здания соединены так, чтобы при вибрациях двигаться как единое целое. Этот прием, как уже говорилось, использовался еще в древности.
Один из самых эффективных современных способов борьбы с подземными вибрациями — максимальная сеймоизоляция основания здания от земли. При этом передача сейсмической энергии в основную часть здания оказывается значительно ослабленной. Использование базовой изоляции дает возможность зданию перемещаться примерно на 30 см относительно поверхности земли. Изоляция основания создается разными способами. Один из приемов — использование композитных резинометаллических амортизаторов и компонентов, работающих по принципу скольжения. Для этих целей используют гибкие подшипники. Здание возводят поверх прокладок из стали, резины и свинца, которые крепятся подшипниками к фундаменту и основной части строения. Во время землетрясения фундамент движется, но сама конструкция остается устойчивой. По сути, используется тот же принцип, что и у систем автомобильной подвески. Установка большого числа таких изоляторов на 80% снижает сейсмическую нагрузку. Рекордный образец применения этой технологии — многофункциональное здание Philippine Arena в Булакане на Филиппинах. Это сооружение вмещает одновременно 55 тысяч человек.
Филиппины подвержены чуть ли не всем стихийным бедствиям, возможным на Земле — это и ураганы, и землетрясения с цунами, и активность вулканов. По расчетам, арена должна выдержать практически любые нагрузки.
Наиболее страдающая от землетрясений страна — это Япония. Неудивительно, что именно японские инженеры придумали радикальный способ изоляции оснований. Парящие над землей дома уже не научная фантастика, а реальность. Такие здания в Японии способны подниматься на 3 см над землей, чтобы изолироваться от вибраций. Эту технологию разработала и продвигает компания Air Danshin. На май 2021 год построено 227 таких домов в Японии и на Тайване. Система работает следующим образом: сенсоры, распознающие сигнал сейсмической активности, передают компрессору сигнал о включении в работу; между фундаментом и основанием здания с помощью компрессора, моментально нагнетающего воздух, создается воздушная подушка; здание левитирует пока идут толчки, а по завершению землетрясения компрессор автоматически выключается, и дом возвращается на прежнюю позицию. Понятно, что такая система может работать только при устойчивом электроснабжении, и это отдельная задача для инженеров. Данная технология заметно дешевле других способов защиты от вибраций, но не подходит для очень тяжелых высотных строений.
Демонстрация технологии левитирующих домов от компании Air Danshin System Inc.
Между тем, небоскребы теперь строят и в сейсмоопасных зонах. Это очень дорогие здания, своеобразные символы мощи государства. Поэтому никто не жалеет денег на разнообразные инженерные изыски, в том числе предназначенные для повышения сейсмобезопасности сооружения. В первую очередь применяются устройства для гашения колебаний — разнообразные демпферы. Одно из красивых решений — небоскреб Тайбэй 101 на Тайване.
Здание высотой больше 500 метров, построенное по всем канонам сейсмобезопасности, имеет в центре своей конструкции гигантский маятник весом 800 тонн. Это металлический шар, работающий как настроенный массовый демпфер. Когда мощные силы — ураган или землетрясение — действуют на башню, маятник качается в противоположном направлении, тем самым уравновешивая конструкцию всего здания.
Видеофиксация колебаний маятника внутри Taipei 101 (cw.com.tw)
Экзотические решения для уникальных зданий могут быть очень красивыми, но они не решают больной вопрос с уже существующей массовой застройкой в сейсмоопасных районах. Не защищены и многие ценные исторические здания. Наука работает и в этом направлении. Одно из возможных решений — создание прочного внешнего каркаса, своеобразной
клетки для здания.
Например, из стали. Стальные балки в десять раз прочнее бетона и кирпичной кладки. К тому же металл обладает гибкостью. Этой темой активно занимаются в Инженерном центре землетрясений при Стэнфордском университете. Ученые разработали специальные стальные рамы, которые могут крепиться на стенах домов, причем не только современных, но и старых. Этот прочный каркас соединяет все этажи с фундаментом таким образом, чтобы во время землетрясения стены могли отклоняться в разные стороны. Дом перестает сопротивляться колебаниям почвы, движется с ними в такт. А когда сотрясения заканчиваются, стальная рама возвращает здание в исходное положение. Правда, при этом повреждаются металлические детали предохранителей, и приходится их заменять после землетрясения. Это не дешево, но жизнь дороже.
На снимке один из корпусов Университета Беркли, оборудованный стальной сейсмозащитой:
с самыми современными материалами для создания внешней сейсмозащиты — сплавы с памятью формы, гибкие фибробетоны, струнные опоры из углеродного волокна. Результаты испытаний можно было бы назвать превосходными, если бы не дороговизна материалов…
Обнадеживает то, что в практику инженеров и ученых быстро входит искусственный интеллект. А это значит, что можно будет быстро анализировать объемные базы данных, проверять тысячи решений, виртуально проводить испытания перспективных материалов и конструкций. Обученный на этой базе ИИ начнет сам генерировать новые идеи в области сейсмобезопасности и моментально проверять их с помощью систем дополненной реальности. Если среди наших читателей есть изобретатели, готовые заняться темой сейсмобезопасности, то им следует поспешить.
Почитать подробнее:
1. 10 мегаполисов в опасности: https://ria.ru/20100129/206815602.html
2. Интересная книга — Кириков Б.А. Сейсмостойкость древних сооружений (pdf): https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_001634093
4. Опыт сейсмостойкого строительства в Японии: https://www.planradar.com/gb/japan-earthquake-proof-buildings
5. 5 выдающихся сейсмостойких зданий: https://novate.ru/blogs/010920/55837
6. Научная статья Е.А. Шаламовой, Е.Д. Телеповой «Инновационные технологии в сейсмостойком строительстве», Пермский государственный исследовательский политехнический университет: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49184788
Ирина Самахова
Статья впервые была опубликована 29 августа
Специально для Telegram-канала «Глобальные вызовы. Локальные решения»