Впрочем, оставим эти уходящие в прошлое способы строительства и ограничимся поведением при землетрясении современных зданий. Здесь немало примеров дают нам катастрофы в Сан-Франциско, Мессине и Японии. Строения там сооружались из камня, скрепленного известковым раствором, но мы уже говорили, что причиной чудовищных разрушений было низкое качество работ и плохие строительные материалы. Добавим к этому и мертвую хватку традиций: жители некоторых областей Италии даже в 1930 году строили новые дома по способу, который Малле считал преступным еще в 1857 году. Рихтер пишет: «В Калифорнии часто использовали настолько слабый раствор, что после нескольких разрушительных землетрясений оказалось выгодным собирать кирпичи разрушенных зданий, смывать с них остатки старого раствора и вновь продавать»[67].
…И от строения поверхностиРазумеется, размеры ущерба зависят главным образом от интенсивности сотрясений, а последняя в свою очередь от строения поверхности. Строить жилища близко от разлома — это поистине искушать судьбу! Нет сомнения, что рантье, которому пришло бы в голову построить взлелеянную в мечтах виллу на краю разлома Сан-Андреас, недолго наслаждался бы ею. И вряд ли нашлась бы компания, которая согласилась бы ее застраховать.
Земля не везде одинаково прочна, даже если в ней нет трещин. Ее прочность зависит от слагающих пород. Если рельеф сложен компактными и стойкими породами, например гранитами, то поверхность вибрирует, подвижки происходят целыми глыбами, которые не деформируются… Чтобы построенные на таком грунте дома сразу же обрушились, нужен внезапный и достаточно интенсивный толчок. Наоборот, на рыхлом грунте, скажем на песчаном или глинистом, сопротивляемость толчкам не везде одинакова, и, следовательно, деформация тоже оказывается неодинаковой в разных местах. Достаточно небольшого толчка, чтобы разрушить дома, построенные на таком грунте: они деформируются неравномерно и испытывают воздействие сил, нажимающих на них в разных направлениях. Положение становится особенно угрожающим на стыке жестких пород с наносами: даже слабого толчка достаточно, чтобы все превратить в развалины.
Как будто единственная возможность избежать разрушения зданий, воздвигнутых в таких местах или на любом другом рыхлом грунте, — это строить жилища легкими и эластичными, чтобы они плотно примыкали к грунту и могли приспособиться к его деформациям. Именно так уже издавна строят в Японии. Вспомним описания старого Токио с его жилищами из раскрашенной бумаги, которые послушно изгибались при землетрясении, а затем так же легко принимали первоначальную форму. Тростник победил дуб и на этот раз!
Фримен, поборник сейсмостойких строенийПотребовалось 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 и невоспламеняющиеся, возвышались среди развалин, красноречиво доказывая, что подземные толчки не имеют над ними власти.
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.
Как сейсмические толчки разрушают строенияНе 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.
