Невидимый конфликт

ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ

В строительной статике негласно предполагается, что напряженное и деформативное состояние конструкций является устойчивым. Поэтому конечная цель статического исследования практически обусловливается тремя обстоятельствами: чтобы напряжения в любой точке конструкции не превышали допустимых пределов, чтобы перемещения любой точки не превышали допустимых пределов и чтобы конструкция в целом была достаточно устойчивой к сдвигу ( в зависимости от конкретного случая) . С древнейших времен до самого недавнего прошлого использовались материалы малой прочности, конструкции получались массивными и перечисленные три условия полностью исчерпывали возможные случаи катастроф, которые не должны были происходить.

Постепенно «хозяевами» строительной площадки оказались сталь и железобетон. Как мы уже знаем, это материалы большой прочности и элементы конструкций из них получаются тонкие, стройные. Конструкции становились все более легкими и экономичными, однако с течением времени специалисты постепенно начали понимать, что напряженное и деформативное состояние иногда может быть крайне неустойчивым. Тысячи примеров и результаты наблюдений свидетельствуют о внезапном разрушении отдельных элементов и целых конструкций при напряжениях значительно меньших, чем те, на которые они были рассчитаны. Обнаружилось почти неизвестное в прошлом явление, и его изучение оказалось неизбежным: ставилось на карту будущее новых материалов и конструктивных форм.

… 14 мая 1891 г. в швейцарском поселке Манхеншайн, расположенном на трассе Симплонской железнодорожной ветки, которая отходит от магистрали Париж—Женева, было получено печальное известие. В этот день внезапно разрушился мост на р. Брис, по которому в этот момент проходил пассажирский поезд. Погибли 74 человека, около 200 были ранены.

Первоначальный проект моста был разработан под руководством главного инженера железнодорожной компании, а строительство поручено всемирно известному Густаву Эйфелю. Согласно договору, Эйфель имел право на изменение проекта, если 60% достигнутой экономии останется за его фирмой. Получилось так, что французы приступили к строительству моста по совершенно новому проекту; мост уже не был арочным, его конструкция представляла собой свободно опертую балку пролетом 42 м и высотой 6 м.

После нескольких лет эксплуатации, после перерыва, связанного с ремонтом и усилением конструкции в связи с появлением более мощных и более тяжелых паровозов, пришел роковой день.

Около 10 ч утра к станции Манхеншайн медленно приближался экспресс Женева—Париж. Так как это был участок, где поезд преодолевал крутой склон, скорость его составляла около 25 км/ч. По свидетельствам очевидцев, когда состав достиг середины моста, тот внезапно рухнул, увлекая за собой и паровозы, и большинство вагонов. Несмотря на то что мост был достаточно велик, а его устои низки, из 12 вагонов в реку упали 7. Позже это было объяснено конструкцией вагонов, которые были очень легкими и слабыми; напирающие сзади вагоны разбивали и сталкивали в реку те, что были перед ними. Восьмой вагон угрожающе повис, остановившись на левом, базельском устое, и затем тоже упал вниз.

Швейцарское правительство поручило вести расследование известным профессорам Ритеру и Тетмайеру. По их единодушному заключению, главная причина катастрофы крылась в средних раскосах фермы, которые проектировались, по всей вероятности, как растянутые. В действительности же при определенной нагрузке они работали на сжатие и их тонкость была причиной внезапной потери устойчивости.

За редкими исключениями, все аварии и катастрофы стальных конструкций связаны с потерей устойчивости отдельными элементами или конструкцией в целом. Опасность потери устойчивости особенно велика потому, что она происходит внезапно. Начальные симптомы чаще всего отсутствуют, а ослабление даже сравнительно не ответственного элемента влечет за собой цепную реакцию огромных масштабов. Все происходит в течение считанных секунд.

Для иллюстрации этого явления мы воспользуемся хрестоматийным примером, представленным на рис. 38 (стержень, подвергающийся осевому сжатию). При малой величине сжимающей силы случайное отклонение стержня не является опасным: колеблясь, отклоняясь от своей оси, он быстро восстанавливает первоначальное положение. Как сказал бы специалист, стержень находится в состоянии устойчивого равновесия. Это явление можно сравнить с поведением струны, но там сила является растягивающей и в принципе помогает струне быстрее восстанавливать прямолинейность, а здесь сжимающая сила препятствует восстановлению прежнего положения. Действительно, при определенной величине внешней сжимающей силы отклонившийся от своего первоначального положения стержень уже не возвращается в прежнее положение. Это состояние безразличного равновесия является прелюдией к катастрофе: при увеличении силы стержень внезапно и сильно выгибается. Если материал оказывается хрупким, происходит мгновенное разрушение, если же гибким — необратимое искривление.

Для конструктора особенно важно в каждом конкретном случае знать величину силы, при которой равновесие становится безразличным. Но в любом случае эта величина должна быть больше возможного максимального усилия в стержне. Такая сила называется «критической силой», а соответствующие напряжения — «критическими напряжениями». Критические напряжения меньше расчетного сопротивления материала, и именно в этом заключается коварство искривления: преждевременно выйдет из строя неукрепленный сжатый стержень, и в результате будет ослаблена конструкция. Под сжатым стержнем мы подразумеваем многие конструктивные элементы: стержни фермы, колонны здания, стойки рамы, опоры мостов.

Подобно тому, как в случае элементов, работающих на изгиб, распределение изгибающих моментов зависит от опирания, так и в случае осевого сжатия условия опирания сильно влияют на величину критической силы. На рис. 37 хорошо видно, что величина критической силы, а следовательно, и несущая способность элемента тем больше, чем жестче опоры. В самом невыгодном положении оказываются консоли, которые искривляются под действием силы в четыре раза меньшей, чем та, что является критической для закрепленного с двух сторон стержня.

Но все это относится к стержням одинаковой длины и с одинаковым поперечным сечением. Если для элементов, работающих на растяжение, их длина и форма поперечного сечения значения не имеют, то при сжимаемых элементах положение совершенно иное. Трудность заключается в том, что при потере устойчивости элемент, по существу, выгибается; в связи с этим целесообразное поперечное сечение должно иметь такую форму, которая обеспечивала бы большое сопротивление изгибу.

22 января 1913 г. в Нью-Йорке внезапно рухнул во время строительства огромный театр «Орфеум». От внушительного здания остались только стены. Катастрофа произошла в 17 ч 20 мин, т. е. вскоре после того, как 200 рабочих покинули объект. Главной причиной была потеря устойчивости двумя высокими колоннами, поддерживающими покрытие. Как выяснилось при расследовании, проектировщик неправильно учитывал условия опирания колонн. В верхней части, как он считал, колонны должны были упираться в ферму покрытия, чего практически не было. Рассчитывал он также и на включение в работу двух промежуточных жестких опор — на уровне балкона и на уровне авансцены, чего тоже в натуре не было. Катастрофа произошла при нагрузке, которая была значительно меньше эксплуатационной.

Строительная практика преподносит нам много случаев, значительно более сложных, чем модель прямого сжатого стержня. Таким случаем являлись и колонны театра «Орфеум». У сложных систем не один, а несколько элементов могут потерять устойчивость (рис. 39), соответственно при различной по величине критической силе. Важнейшей из них, разумеется, является наименьшая. Именно поэтому необходимо все потенциально опасные элементы исследовать на потерю устойчивости. Искривление элемента в значительной степени зависит от рабочей диаграммы материала, поэтому при исследовании стальных конструкций используются одни методы, при исследовании деревянных — другие, а при исследовании железобетонных — третьи. Действительность всегда намного сложнее идеализированных условий, в которых иногда рассматривается явление. Проблемы возникают разные даже в случае простого сжатого стержня. Во-первых, он никогда не нагружен точно по оси, чаще всего имеются и поперечные нагрузки, и изгибающий момент. Но даже если они и отсутствуют, какая-нибудь случайная (например, монтажная) внецентричность нагрузки вносит условия, которые становятся причиной будущего искривления элемента. Во-вторых, стержень никогда не бывает идеально прямым, поскольку еще при изготовлении ему придается определенная, хотя и незаметная на глаз кривизна. Некоторый локальный изгиб может произойти и во время транспортировки или монтажа. Не последнюю роль играют и нарушения условий эксплуатации. Известен случай, когда в цех надо было вкатить крупногабаритный груз, а этому всего на несколько миллиметров мешала стойка одной из рам здания. Рабочие ломом попытались «слегка ее отогнуть», и элемент потерял устойчивость, увлекая в катастрофу конструкцию на значительной площади цеха.

Но на самом деле все обстоит еще сложнее, потому что потеря устойчивости представляет потенциальную угрозу для всех сжатых элементов и конструкций. Вопрос этот особенно важен для арочных конструкций (рис. 40), для некоторых плит, для большинства оболочек. Более того, может потерять устойчивость и изгибаемый элемент (рис. 41). Это одна из наиболее острых форм конфликта между конструкцией и нагрузкой … и даже, можно сказать, самый опасный вариант этой невидимой борьбы.

ДРАМАТИЧЕСКАЯ ФОРМА НЕВИДИМОГО КОНФЛИКТА

Летом 1940 г. успешно закончилось строительство большого висячего моста на р. Нероуз у города Такома (США, штат Вашингтон). Через несколько месяцев весть о нем облетела весь мир, а его короткая, но драматичная история послужила сюжетом для многочисленных очерков, нескольких книг и даже для одного художественного фильма. Пресловутый Такомский мост навсегда занесен в черную книгу истории техники как одна из множества жертв невидимого конфликта.

Его размеры: центральный пролет — 854 м, два боковых пролета по 336 м, ширина — 12 м (два дорожных полотна и два тротуара). Вся конструкция висела на двух стальных канатах диаметром по 438 мм. Еще одна важная особенность: высота балок жесткости на уровне дорожного полотна (стальные балки двутаврового сечения) составляла лишь 1/300 центрального пролета. Подобное малое поперечное сечение столь ответственных элементов еще и сегодня вызывает удивление.

В это время в технических кругах США уже носились слухи об опасном Уайтстоунском мосте. Его динамическая неустойчивость давала основания думать, что при определенных условиях может произойти и катастрофа. На этом тревожном фоне поведение моста на р. Нероуз внушало еще большие опасения; это был мост, по инженерной смелости претендовавший на уникальность, но еще во время строительства его путевое полотно обнаруживало значительные колебания даже при совсем слабом ветре — в иные дни амплитуда колебаний достигала полутора метров. В течение всех четырех месяцев своего существования мост, «оживавший» с каждым дуновением ветра, так и не был сдан в эксплуатацию.

Незадолго до «знаменательного» события специалисты приступили к спешным испытаниям модели Такомского моста в масштабе 1:100 в аэродинамическом туннеле. Результаты были отчаивающие. При определенной, не очень большой, скорости ветра (64 км/ч) мост оказывался динамически крайне неустойчивым и к тому же попадал в резонанс. Необходимо отметить, что конструкция была рассчитана на статический напор ветра скоростью 173 км/ч (сильный ураган). Но это статический напор… Динамика же явления в то время еще не была выяснена.

Одним из фундаментальных положений строительной статики является условие, что нагрузки на конструкцию неподвижны и постоянны по величине и что конструкция нагружается медленно. Так медленно, что нет никаких динамических эффектов. Строго говоря, это положение неверно, но практически вполне удовлетворительно отражает невидимый конфликт в подавляющем большинстве случаев.

Динамическое воздействие полезной нагрузки такого рода, как люди, совершенно не учитывается. Поэтому основные конструктивные формы продиктованы почти исключительно соображениями восприятия и передачи неподвижных, статических нагрузок. Неслучайно, что и главные испытания конструкций проводятся с целью выяснения именно статических нагрузок.

Но поэтому же динамическое воздействие нагрузок, когда оно отчетливо выражено, дает неожиданный эффект. По механизму воздействия динамические нагрузки неисправимы с обычными статическими нагрузками, и, если пренебречь этой особенностью, последствия могут быть самыми неприятными, вплоть до катастрофы. Именно таким является случай с Такомским мостом.

Конструкторы приняли экстренные меры для улучшения аэродинамических характеристик моста (что является одним из методов смягчения конфликта до приемлемых границ). Из предложенных пяти видов защитных средств был выбран вариант с полукруглыми деревянными щитами, которые должны были монтироваться на уровне путёвого полотна на всем его протяжении. Но события опередили конструкторов.

7 ноября 1940 г. начал дуть ветер, средняя скорость которого составляла 67 км/ч. Мост раскачивался, как простыня, вывешенная для просушки. Частота волновых колебаний (сверху вниз) достигала 36 циклов в 1 мин. С двух берегов реки на мост были направлены десятки камер. К 10 ч утра частота колебаний снизилась до 10 циклов в 1 мин и два каната оказались в противоположных фазах: когда один бросало вверх, другой опускался вниз. Путевое полотно подвергалось сильному кручению, так что поперечный наклон достигал 45°. Ускорения отдельных его точек по величине напоминали естественное земное ускорение. Балки жесткости сильно изогнулись, подвески стали разрываться и на глазах смятенных очевидцев мост стал распадаться секция за секцией. Эта грандиозная катастрофа, хотя и без человеческих жертв, потрясла весь инженерный мир, И до сих пор она приводится в качестве примера динамического воздействия ветра, его пульсаций.

Динамический эффект состоит главным образом в том, что в отдельных точках конструкции возникают значительные ускорения. А так как речь идет об ускорениях определенных масс вещества, возникают силы инерции. (Вспомним второй закон Ньютона!) Силы инерции в зависимости от обстоятельств могут быстро меняться как по величине, так и по направлению, а часто и по месту их приложения. Впрочем, различные виды динамических нагрузок нам уже знакомы. К ним относится воздействие множества машин. Динамическими, по существу, являются и процессы, которые происходят в конструкции во время землетрясения. В этом случае ускорения передаются снизу, со стороны основания, которое вибрирует сложным, строго индивидуальным для каждого землетрясения образом.

До некоторой степени строительные конструкции можно сравнить со струнами музыкального инструмента. Когда рука дергает эти струны (рис. 42), они начинают колебаться с частотой специфической для каждой конструкции. Возникают даже звуковые колебания, и хотя мы не слышим этот инфразвук, он тем не менее прекрасно ощущается живыми организмами. Многие ученые считают, что немаловажной причиной паники во время землетрясений являются именно инфразвуки, которые издают колеблющаяся земная кора и здания и которые скрыто воздействуют на человеческую психику и физиологию.

Но вернемся к колебаниям. Так называемые собственные частоты колебаний, подобно отпечаткам пальцев у людей, строго индивидуальны. Это просто данность, значение которой мы не всегда даже можем себе представить. Чем ближе частоты внешнего динамического воздействия к собственным частотам колебания сооружения, тем больше динамический эффект — ускорения, инерционные силы, амплитуды колебаний. На рис. 43 графически показана зависимость этого эффекта от частоты возможного внешнего воздействия. Рассматривается конструкция, представленная на рис. 42, собственная частота которой равна 4 колебаниям в 1 с. Это так называемый динамический коэффициент: на него надо умножать усилия и деформации, определенные при статическом воздействии нагрузки. Когда частота внешнего воздействия равна нулю, динамический коэффициент равен единице, т. е. динамический эффект отсутствует. С ростом этой частоты динамический эффект резко увеличивается, пока не достигнет критического порога — околорезонансной области, когда внешнее воздействие имеет частоту, близкую к собственной частоте конструкции. Разумеется, на практике при резонансе динамический эффект не может быть бесконечно большим, так как конструкция сопротивляется воздействию, но, во всяком случае, последствия динамического конфликта при этом особенно велики. Если источник вибраций является достаточно мощным, дело может быстро закончиться разрушением.

В некоторых случаях, например в машинных залах электростанций, вращающиеся турбины (а они никогда не могут быть идеально сбалансированными) «атакуют» здание с частотой, которая значительно больше собственной частоты несущей конструкции. Это гораздо менее страшно. Как можно видеть на рис. 43, при таких значительных различиях динамический эффект весьма невелик, поскольку динамический коэффициент имеет малую величину. Однако опасен момент запуска и остановки агрегатов, так как в этом случае они проходят через резонансный порог. С подобным явлением мы можем столкнуться, пользуясь некоторыми хозяйственными электроприборами с вращающимися частями; которые начинают содрогаться и даже подскакивать при включении и выключении. Поэтому необходимо, чтобы этот порог был пройден как можно быстрее.

Как и в случае устойчивости при динамических воздействиях, возможны различные формы колебаний конструкций, которые колеблются со своей, характерной для каждой из них частотой (иначе говоря, собственные частоты могут быть сообразными возможным формам колебаний). На рис. 44 показаны телевизионная башня и три возможные формы ее динамического поведения во время землетрясения. Какую из них следует ожидать? Это зависит от частоты внешнего воздействия; чем она больше, тем больше вибрации будут соответствовать второй или третьей форме. За 1 с вершина башни неоднократно отклонится от своей оси, но опасные перемещения будут значительно меньше, чем при первой форме колебаний. И наоборот, первая форма предполагает целых 4 секунды для полного круга, но перемещения, а следовательно, и усилия будут для ряда точек тела башни самыми большими.

Вибрации и колебания зданий и сооружений являются опасным, крайне нежелательным процессом. Они оказывают отрицательное влияние не только на несущую способность и эксплуатационную пригодность конструкций, но и на людей, которые работают в здании. Поэтому их уменьшение или полное устранение имеет первостепенное практическое значение. Но так как характеристики динамического воздействия представляют собой данность, которую можно только определить, в распоряжении проектировщика остаются лишь конструктивные меры. Благодаря этим мерам динамический конфликт более или менее успешно смягчается и ограничивается целесообразными, допустимыми пределами. Прежде всего проектировщики стремятся создать конструкции, собственные частоты которых существенно отличаются от частот возможного внешнего воздействия. Путем соответствующего варьирования статической схемы, жесткости отдельных элементов и конструкций в целом, а также их массы достигается расхождение частот и удаление от резонансной области. После обеспечения приемлемых, безопасных характеристик колебаний (поскольку они неизбежны) можно подумать и о «восприятии» дополнительных динамических усилий.

В антисейсмическом строительстве все чаще применяются сравнительно гибкие конструкции. Благодаря этому разрушительная энергия землетрясения «воспринимается» движениями здания, превращается в кинетическую энергию и опасные ускорения по высоте здания уменьшаются, а следовательно, уменьшаются и сейсмические силы. Другой путь их уменьшения — это облегчение конструкций, применение легких строительных материалов главным образом для ненесущих, ограждающих элементов. Таким образом уменьшаются массы, которые несет на себе конструкция, уменьшаются и инерционные силы. Но о землетрясениях мы еще поговорим.

СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА ВОКРУГ НАС

В последнее время в печати встречаются два вида оценки силы землетрясения: в баллах и по шкале Рихтера. Как их следует понимать и каков их физический смысл?

Шкала Меркали, как и ее усовершенствованный вариант — шкала МСК (Медведев — Шпонхойер — Керник), является двенадцатибалльной. Эти шкалы используются для определения разрушительной силы землетрясений; для этого необходимо тщательно обследовать уже нанесенные повреждения. Градация при этом приблизительно следующая: толчки в VIII баллов в два раза разрушительнее толчков в VII баллов, толчки в IX баллов в четыре раза разрушительнее толчков в VIII баллов и т. д.

Землетрясения в VI баллов практически безопасны, хотя они всеми ощущаются и сопровождаются падением книг с полок, остановкой стенных часов и т. д. Но вот как описываются в шкале Меркали — Канкани (МК) толчки в VII баллов:

В шкале МСК читаем:

Землетрясение в VIII баллов представляет собой весьма серьезное бедствие:

IX баллов:

X баллов:

XI баллов:

И, наконец, высшая ступень — XII баллов:

Шкала Рихтера (или шкала магнитуд) служит для определения энергии, которая освобождается при землетрясении, и потому по этой шкале оценка силы толчков может быть дана сравнительно быстро — на основе записей сейсмических станций. Чтобы представить себе градации этой шкалы, укажем только, что при землетрясении в 6 магнитуд освобождается энергии в 10 раз больше, чем при землетрясении в 5 магнитуд, которое в свою очередь энергетически эквивалентно 2—3 ядерным бомбам среднего действия. Как мы видим, шкала интенсивности и шкала магнитуд совершенно различны по характеру оценки землетрясений. Например, землетрясение в 7 магнитуд в эпицентре может иметь интенсивность в VIII баллов, в двухстах километрах от него — VI, а еще на двести километров дальше — IV баллов.

Какова же сейсмическая обстановка в Европе и непосредственно вокруг нас? Можно ли говорить о «европейских» по характеру землетрясениях в отличие, например, от тихоокеанских?

Это рассказ болгарского студента, учившегося в Бухаресте и ставшего очевидцем событий 4 марта 1977 г. Землетрясение продолжалось считанные секунды, но об этих секундах многие будут помнить всю свою жизнь. На этот раз центром событий стала Румыния. 1400 убитых, 10 500 раненых, 20 тысяч жилых домов, превращенных в развалины, 195 сильно поврежденных промышленных предприятий, ущерб в 6 млрд, лей — вот лишь часть тяжелого итога, который должны были подвести специалисты.

Сейсмоактивная зона Бранча, явившаяся причиной столь сильного землетрясения, обстоятельно исследовалась в течение многих лет. Она не раз давала поводы для беспокойства — в 1829, 1838, 1868, 1893, 1908 и 1940 гг. При глубине очага более ста километров от поверхности земли, как было в этом случае, обычно наблюдается серия сильных толчков, после чего толчки становятся значительно слабее или вообще отсутствуют. Это еще раз подтвердилось и при последнем землетрясении: несколько десятков слабых толчков, продолжавшихся до 30 марта, были замечены только приборами. В связи с большой магнитудой (7,2) и глубиной тектоническое событие охватило огромную территорию и было зарегистрировано всеми сейсмическими станциями планеты. В большей или меньшей степени пострадали и соседние с Румынией страны.

Рассказ принадлежит жителю города Свиштова — наиболее сильно пострадавшего при землетрясении 4 марта 1977 г. На его глазах рухнуло многоэтажное здание общежития комбината «Свилоза». Подобному тотальному разрушению подверглось и еще одно новое жилое здание. Вообще Северная Болгария и придунайские города сильнее всего пострадали от этого страшного стихийного бедствия. Однако разрушения имелись на всей территории страны. Несколько сотен жилых зданий были разрушены, тысячи — сильно повреждены. Десятки школ, административных учреждений, промышленных предприятий, и прежде всего комбинат «Свилоза», надо было восстанавливать, что не так легко было сделать, не говоря уже о сотнях убитых и раненых — ущерб, который не поддается денежному выражению.

Неправильно было бы обвинять специалистов-строителей, что они плохо работают, хотя первая массовая реакция бывает именно такой. В конечном счете при проектировании они ориентировались на официальные сейсмологические данные (т. е. принятое районирование территорий по степени предлагаемой сейсмичности), и если последние расходятся с действительностью, то в этом не их вина.

Чехословакия и Венгрия находятся в неактивных зонах. Четыреста лет тому назад в Чехии было землетрясение, из которого тогдашние строители извлекли серьезный урок: они начали строить замки с контрфорсами, обеспечивая тем самым большую их устойчивость. Южная часть ФРГ и часть Австрии считаются сейсмически активными районами, поэтому антисейсмические строительные нормы имеют там силу закона. Швейцария расположена в спокойной зоне, в отличие от Восточной Франции, где тоже действуют антисейсмические строительные нормы.

50 000 раненых, более 1000 убитых, 10 250 полностью разрушенных жилых домов и вдвое больше ставших непригодными для жилья, разрушенные дороги, водопроводные сети, канализация… Вот печальный итог землетрясения, разразившегося в области Фриули (Северная Италия) после 21 ч 6 мая 1976 г. В течение нескольких месяцев в печати публиковались сообщения о масштабах продолжительного землетрясения в этом районе, который считался неактивным.

Сравнительно крупное землетрясение произошло в Италии в 1968 г. Ареной действия стала Сицилия. Но самое сильное бедствие такого рода постигло Мессину (тоже в Сицилии), где произошло самое большое из землетрясений, когда-либо случавшихся в Италии. Большие или меньшие толчки там не редкость, поскольку этот район находится в Средиземноморском сейсмическом поясе, в котором происходит около 25% землетрясений на планете. Но речь идет только о Средней и Южной Италии; сейсмически активными считались только эти части страны. Как показали события в области Фриули, представление о спокойствии этого района было неверным.

В 70-х годах мы стали свидетелями целого ряда землетрясений, происходивших недалеко от Болгарии. После трагедии в Скопле последовало несколько землетрясений в районах Югославии, близких к Фриули. Видимо, город Удине (наиболее сильно пострадавший в 1976 г.) продолжает геотектоническую линию, образованную городами Скопле, Дебар и Баня-Лука. Отголоски последнего землетрясения прошли почти по всей Европе; слабые толчки были зарегистрированы даже в средних и неактивных зонах. Ночью 5 мая 1976 г. жители Праги, например, были серьезно встревожены толчками в IV балла, безопасными для зданий, но вполне ощутимыми для человека. Южные соседи Болгарии — Греция и прежде всего Турция — являются ареной частых тектонических событий.

Для сейсмически активной зоны Европы характерны очаги, расположенные близко к поверхности земли. Если в Тихоокеанском сейсмическом поясе гипоцентры находятся на глубине 150 — 200 и даже 500 км, то здесь, за редкими исключениями, — до 50 км. Кроме того, в Европе нет ясной картины разломов. Если разлом Сан-Андреас в Калифорнии дает возможность ученым наблюдать за этим районом и судить о его ближайшем будущем, то в Европе такие возможности отсутствуют. В геологическом отношении наш континент очень сложен и неоднороден, что неимоверно затрудняет исследования и прогнозы,

Еще несколько слов конкретно о Болгарии.

В 1958 г. София пережила сильное землетрясение. Интенсивность его в настоящее время определяется IX баллами по шкале МСК.

1901 г. Произошло землетрясение в X баллов с эпицентром, расположенным на 10 км южнее мыса Калиакра, и с очагом на глубине 15 км. Села Камен-Бряг и Горун были почти полностью разрушены. Имелись разрушения также в городах Каварна и Шабла.

Землетрясение большой разрушительной силы (X баллов) произошло в 1913 г. в городе Горна-Оряховица. Его очаг находился на глубине 7 км непосредственно под городом. Кирпичные здания получили большие повреждения, тогда как железобетонные заводские корпуса пострадали в гораздо меньшей степени, что было для того времени новостью.

В 1917 г. София снова стала ареной землетрясения, которое на этот раз было меньшей силы (VII баллов) а его очаг находился под территорией города в 5 км от поверхности.

1928 г. Землетрясение в Черпане и Пловдиве, которое является самым сильным из тех, что произошли в Болгарии за последние двести лет. Было разрушено 73 500 частных домов, 370 государственных построек, 467 школ … Всего в пострадавших районах было разрушено 36,5% зданий.

4 марта 1977 г… Ежегодно Софийская сейсмическая станция регистрировала около 50, а Павликенская — от 100 до 200 слабых землетрясений. Сейчас в стране период желанного сейсмического затишья. Оно может продолжаться тысячу лет, а может и только один год. Предполагается, что в недрах земли сейчас накапливается потенциальная энергия деформаций, которая все же когда-нибудь перейдет в кинетическую. Некоторые болгарские специалисты обеспокоены нарастающей сейсмической активностью многих близких к границам страны районов.

Законодательную силу в НРБ имеет официальное положение о строительстве в сейсмических районах. Требования этого положения, разработанные с учетом многолетнего опыта и результатов исследований, соблюдаются очень строго. Изданное в 1949 г., оно перерабатывалось и дополнялось в 1957, 1964 и 1977 гг., прежде чем приняло свой окончательный вид. Излишне говорить, что содержащиеся в нем рекомендации направлены на обеспечение надежности конструкций.

Большая часть территории страны является сейсмически активной и разделена на три группы в соответствии с интенсивностью возможных землетрясений (VII, VIII и IX баллов). Считается, что землетрясения наибольшей силы возможны только в Кюстендилском, Благоевградском, Пловдивском и Толбухинском округах.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КАТАСТРОФЫ

Река Тей в Шотландии образует вблизи города Данди большое озеро, через которое в 70-х годах прошлого века был построен внушительный мост: общая длина — 4 км, высота от уровня вод до рельсовых путей — 27 м, стальные конструкции перекрывали 85 пролетов длиной от 9 до 75 м.

Еще в середине XIX в. Северобританская железнодорожная компания решила построить подобное сооружение, но понадобилось 15 лет, чтобы добиться разрешения от правительства. Зондирование трассы показало, что грунт ненадежен. Эскизный проект предполагал вполне приемлемую стоимость строительства, и был объявлен аукцион, который выиграла именно та компания, которая разработала эскизный проект. Однако в рабочем проекте стоимость строительства увеличилась почти на 67%, в связи с чем был сделан ряд конструктивных изменений с целью его удешевления. Изменения эти с нынешней точки зрения «пошли не на пользу» будущему сооружению. Началось строительство. И снова неожиданность: оказалость, что надежная скала является лишь тонкой прослойкой скальной породы, под которой кроются бездонные плывуны. Фирма отказалась от строительства, заплатив огромную неустойку, а работы продолжила другая фирма, которая тоже в свою очередь внесла конструктивные изменения в проект. Мост был готов 30 мая 1878 г.; на его открытии присутствовали члены королевской семьи.

В связи с перипетиями проектирования и строительства максимальная скорость поездов на мосту была ограничена до 40 км/ч. Однако она систематически превышалась, как показал потом на процессе один из свидетелей. Так или иначе, но с самого начала наблюдались опасные вибрации. Рабочие, обслуживающие мост, например, специально привязывали свои ящики с инструментами, чтобы они не перевернулись во время прохождения поезда. Итак …

… В последнюю неделю 1879 г. в районе Данди бушевала сильная буря. В 7 ч вечера паровоз пассажирского поезда из Эдинбурга поравнялся с сигнальной будкой на южном конце моста; он двигался со скоростью 5 км/ч. Стрелочник Баркли подал машинисту сигнал жезлом, что давало право въезда на одноколейный мост, и направился обратно к будке, сильно согнувшись под напором ветра. До места он добрался чуть ли не ползком. Состав выехал на мост, быстро набирая скорость. «Вдруг я ощутил особенно сильный порыв ветра, — рассказывал потом Баркли. — Обернувшись, я на мгновение увидел яркий свет, а затем все снова погрузилось во мглу. Я не почувствовал ничего особенного, потому что еще не знал, что я спасся, а мост рухнул».

Поезд № 16 вышел из Сан-Эндрюса, но так и не пришел в Данди. Как потом установили водолазы, он вместе со всеми пассажирами лежал на дне озера, заключенный в металлическую ферму моста.

Эта строительная катастрофа потрясла весь цивилизованный мир. Это пример из прошлого, но примеры такого рода есть и в настоящем, хотя их и не так много. Внезапное разрушение зданий и сооружений при далеко не критических обстоятельствах отнюдь не является невозможным, хотя в последнее время это случается исключительно редко. Однако подобными случаями заполнены целые страницы в «черной» книге истории техники.

В 70-х годах прошлого века, когда не были разработаны Британские стандарты ветровых нагрузок, конструкторы пользовались таблицами, утвержденными Королевским научным обществом еще в 1759 г. В этих таблицах указывалось, что самый сильный ветер (буря) может оказывать горизонтальное давление до 58 кг/м². Следует отметить, что немецкие мостостроители в это время проектировали свои сооружения из расчета ветрового напора в 135 кг/см², а французские и американские — до 258 кг/см². Так что традиционный английский консерватизм проявился и здесь, хотя, надо сказать, автор проекта — специалист по гражданскому строительству — не пользовался даже этими таблицами. Как он сам заявил в следственной комиссии, расчетная надежность моста в 20 раз превышала вертикальные эксплуатационные нагрузки (!), в связи с чем какие-либо специальные меры для восприятия ветровых нагрузок он считал излишними. Но для такого высокого и изящного моста, как на р. Тей, подобное представление оказалось роковым. Реальный коэффициент надежности не только не был равен 20, но не достигал и единицы, а значит, мост с самого начала был обречен. Ни качество материала, ни качество работы, ни целесообразность поперечных связей — ничто из того, что подвергалось большей или меньшей критике, не угрожало мосту в такой степени, как общая его неустойчивость. При особенно сильном порыве ветра он просто перевернулся. Полностью были разрушены конструкции 13 пролетов, а частично — чугунные столбы вплоть до каменных оснований, на которых они практически не были достаточно хорошо закреплены.

Опасности таит в себе буквально каждый миг биографии сооружения. Эмоционально они определяются словами «незнание», «недобросовестность» или «небрежность», а что касается их специальной инженерной классификации и описания, то для этого необходимы целые тома. Вообще говоря, решающее значение могут иметь ошибки, допущенные на любой из четырех стадий создания и существования сооружения; при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации. Первая стадия таит в себе главным образом неожиданности геологического характера (слабый грунт и т. д.), и недостаточно тщательно проведенные изыскания могут впоследствии стать причиной больших неприятностей. Процесс проектирования в значительной степени субъективен; он зависит от конкретных знаний, возможностей и опыта проектировщика, однако в конечном счете он обусловлен уровнем научно-технических знаний в данный исторический период. Само строительство является чуть ли не самым слабым звеном в цепи. Ряд его специфических особенностей дает возможность (потенциальную) отклонения от требований проекта, проявления опасной инициативы и даже допущения грубых ошибок, которые могут скомпрометировать и самый лучший проект.

Что касается эксплуатации, то она имеет свои тонкости. Например, за мостами, которые находятся в тяжелых эксплуатационных условиях, должен осуществляться в течение всего срока их службы систематический контроль, позволяющий регулярно выявлять деформации и оценивать состояние отдельных элементов. Отсутствие такого контроля оказывается причиной большинства аварий мостов.

Из-за отсутствия технического надзора произошла катастрофа старого моста в филиппинском городе Нага-Сити в 1972 г., о которой мы уже рассказывали. Но, к счастью, сейчас сообщения о драматических инцидентах в строительстве появляются очень редко. Аварии и дефекты, разумеется, неизбежны при освоении экспериментальных технологических процессов, конструкций или методов работы. Но они представляют собой лишь отклонение от нормального положения вещей, которое, как правило, своевременно замечается и успешно устраняется. При нынешнем высоком уровне инженерных знаний и опыте, при высокоточной системе контроля за состоянием конструкции объективные предпосылки катастрофы практически отсутствуют. Остаются субъективные … Но это фактор риска, обусловленный особенностями человеческой природы, социальным фоном соответствующей страны, характером общественно-экономического строя. Вероятно, страницы больших строительных катастроф уже почти дописаны. Подобные события случались главным образом в прошлом …

Весь XIX и начало XX в. оказались переломными для мирового строительства. Человек постепенно заменял несовершенные природные материалы (дерево и камень) сначала металлом, а затем и железобетоном. Но конструктивные формы развивались медленнее, чем металлургическая промышленность. Переход от одних материалов к другим осуществлялся тоже медленно, часто с большими трудностями и неудачами. Необходимо было время, чтобы обнаружить плюсы и минусы уже построенных объектов нового типа, целесообразность новых форм и концепций. Теория строительства отставала от практики; в то время она нуждалась в первооткрывателях, прокладывавших путь для строительной механики. При таком положении именно аварии и катастрофы выявляли пробелы в инженерном знании, именно они были стимулом развития теоретической и экспериментальной базы строительства. Однако есть множество случаев крупных аварий, которые нельзя оправдать ничем. Именно таким случаем является катастрофа моста на р. Тей.

Но вернемся теперь в наши дни и рассмотрим аварии строительных конструкций, имевшие место у нас на родине — в НРБ. За последние 10— 20 лет произошло несколько весьма поучительных случаев. В 1966 г. во время бетонирования обрушился арочный железнодорожный мост в районе Лакатника. Были человеческие жертвы. В сущности, обрушился каркас, поддерживающий опалубку, — сложная большепролетная деревянная конструкция. Причиной аварии был ряд ошибок, допущенных при статических расчетах.

Причиной другой аварии являлось качество материала. Внезапно рухнула часть крытой разгрузочной площадки на ТЭЦ «Девня». Действие и тут развивалось в процессе строительства; конструкция была выполнена из сборного железобетона. Видимых причин для аварии не было. Детальная проверка проекта показала, что все в порядке. Тогда закрались сомнения в качестве стали. Оказалось, что при соответствии Болгарскому государственному стандарту содержание углерода и кремния в ней близко к верхней границе нормы. Вследствие повышенной хрупкости стали на участках изгиба в рамных узлах произошел внезапный разрыв арматуры, что привело к катастрофе. Разумеется, стандарт на сталь после этого был соответствующим образом скорректирован.

И все же чаще всего причиной аварий являются дефекты исполнения. Именно они привели к аварии жилого дома в Шумене, общежития в Кырджали, магазинов в Пазарджике и Благоевграде, школ в Радомире и Свиштове. Моральная и материальная ответственность может иметь самые неприятные, а иногда и роковые последствия.

Иногда строительные аварии бывают не менее страшными и драматичными, чем авиационные катастрофы. Но, к счастью, это случается редко, очень редко. Возможности крупных аварий зданий и сооружений в последние годы значительно уменьшились. Развитый экспериментально-теоретический аппарат, высококачественные материалы, современные технологические методы, четкая организация строительства и строгий технический надзор — вот те основные условия, которые позволяют свести эти возможности к минимуму.

НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Выбор той или иной степени надежности — это прежде всего экономическая задача. Но в ней присутствуют также другие аспекты — социальные и моральные. Итак, надежность… Какой она будет?

Расчет строительных конструкций, как мы уже знаем, должен предварительно, еще в проектной мастерской гарантировать, что выполненная в соответствии с расчетом конструкция в эксплуатационный период или во время каких-либо аварийных ситуаций сохранит свои качества и будет продолжать выполнять свои функции. Но этот процесс предполагает неизбежные приближения и упрощения: используется условная статическая схема, рассматривается идеализированный материал (идеально упругий или идеально упругопластичный), берутся нагрузки, хотя и хорошо обоснованные в различных нормах, но представляющие собой также значительную идеализацию реально существующих отношений между конструкцией и внешним силовым воздействием. Очевидно, что действительные конструкции, действительные материалы и действительные нагрузки в силу своей сложной, неясной, непостижимой природы будут отличаться от расчетных. Именно эти неизбежные различия перекрываются неким коэффициентом (так называемым коэффициентом запаса). Так что его место в строительстве определяется необходимостью некоего абстрактного начала — расчетных предпосылок о совпадении предполагаемых условий с реальными условиями работы сооружения в различные моменты его жизни.

В принципе надежность зависит от трех основных факторов — от свойств материала, внешних нагрузок и общих условий работы (и исполнения) конструкции. При всем этом полтора века назад, когда был впервые выведен коэффициент запаса, он понимался совершенно иначе, чем сейчас. Но нынешнее понимание его является зачастую противоречивым, во всяком случае, дискуссионным. Не возникает споров только о выборе расчетных характеристик материалов. Для упругих материалов основной расчетной характеристикой является предел текучести, поскольку значительные пластические деформации, которые происходят после его прохождения, приводят к недопустимым смещениям в конструкции. Для хрупких материалов такой основной характеристикой является предел разрушения. Для материалов, работающих в режиме постоянного динамического воздействия, отправной точкой считается так называемый предел усталости, который предполагает хрупкое разрушение, так как внутри материала возникают микротрещины. (Этот предел определяют в лабораторных условиях при многократно повторяющихся динамических воздействиях, причем число циклов в зависимости от конкретных требований может достигать миллиона и даже миллиарда.) Так что в любом случае речь идет о предельных сопротивлениях материала.

Но как же в конце концов вычисляется коэффициент запаса? Например, можно взять в качестве расчетной характеристики материала какую-то долю предельного напряжения; тогда коэффициент запаса будет представлять собой отношение между предельным и расчетным напряжением. Просто, не правда ли? И достаточно надежно — коэффициент запаса будет достаточно велик. Но всегда имеется и оборотная сторона медали, в данном случае — это проблема мотивировки такого коэффициента. Понятие «допускаемое напряжение» и основные положения метода расчета по допускаемым напряжениям сформулированы французом Навье еще в далеком 1826 г. Более века эта система являлась единственным аппаратом «предсказывания» и обеспечения надежности, которым располагали инженеры-конструкторы. Интересно, что в некоторых странах (ФРГ, Франции и др.) этот метод еще используется до сих пор как официальный.

Но ведь в нем не учитывается влияние других факторов на надежность! Очевидно, что односторонний подход имеет множество минусов. До сих пор никто и никогда еще не смог дать удовлетворительных критериев надежности, исходя лишь из свойств материала. Полученный таким образом коэффициент запаса является весьма субъективным и всегда оказывается в пользу надежности. Спроектированные по методу допускаемых напряжений сооружения обладают немотивированно высокой надежностью, которая в век точных расчетов является крайне нежелательной. Если вообще можно говорить в данном случае о какой-либо мотивировке, то ею может быть только низкий уровень знаний. Поэтому некоторые авторитетные специалисты совершенно серьезно называют эту архаичную форму коэффициента запаса коэффициентом незнания.

Только в 30-х годах нынешнего века был сделан качественно новый шаг вперед. В СССР был обоснован и постепенно разработан новый метод расчета строительных конструкций, который назывался методом расчета по стадии разрушения (или по разрушающим усилиям). Это — следующий этап борьбы человека с природой, новый этап в понимании и регулировании сложной картины невидимого конфликта. Как подсказывает название метода, в качестве расчетных характеристик берутся предельные прочности материалов. На основании этой величины вычисляется несущая способность элементов «за миг до разрушения», и именно отношение предельной несущей способности к соответствующим внешним усилиям, которые определяют при статическом исследовании, дает величину коэффициента запаса.

Этот новый метод определения коэффициента запаса гораздо лучше, точнее отражает реальное соотношение сил в невидимом конфликте. Особенно значительны различия в обоих методах определения коэффициента запаса для железобетона, для которого само понятие «допускаемые напряжения» выглядит нелепо, как заплата. Поскольку предельные напряжения для бетона одни, а для арматуры другие, точный коэффициент запаса определить невозможно, не говоря уже о том, что реальные напряжения в связи со сложной природой этого материала весьма далеки от допускаемых значений. Общий коэффициент запаса, определенный по новому методу, дает возможность более точного, более обоснованного нормирования. Величина коэффициента больше при перевесе подвижных нагрузок над постоянными, а поскольку характер подвижных неуловим, могут быть и неожиданности. Несмотря на недостатки этого метода, он до сих пор является основным в некоторых развитых странах.

И все же это далеко не предел. Следующий шаг был сделан в 40— 50-х годах, когда в СССР была создана и введена система расчета по предельным состояниям. Только здесь были наконец охвачены три основные группы факторов, от которых зависит надежность строительных конструкций. По-новому прозвучало и понятие «надежность», поскольку было введено логичное предположение, что важно не только не допустить разрушения, но и обеспечить сохранение эксплуатационной пригодности. Поэтому совсем не надо ждать разрушения, чтобы считать, что конструкция себя скомпрометировала; например, недопустимого прогиба вполне достаточно, чтобы ее «списать».

В настоящее время коэффициент запаса включает в себя как бы три компонента, каждый из которых учитывает различные группы факторов, влияющих на надежность. Начнем со свойств материалов. Их механические свойства, включая и предел прочности, изменяются в весьма широких границах. При прежних методах определения размеров проблема «как выбрать» решалась одним махом с помощью общего коэффициента запаса, который был весьма неточным. Сейчас эта проблема решается с помощью метода статистической вероятности. За расчетное сопротивление принимается такая величина, вероятность реального возникновения которой в конструкции является приемлемо малой. Но насколько мало? В Англии, например, она равна 1% (т.е. авария, связанная с «отказом» материала, может ожидаться в одном случае из ста). Согласно нашей практике, расчетное сопротивление имеет вероятностную надежность 0,01% (т. е. в одном случае из тысячи возможна авария). Такая вероятность «отказа» материала является вполне приемлемой, что убедительно подтверждает накопленный до настоящего времени опыт.

Второй стороной рассматриваемого конфликта являются нагрузки. Многолетние наблюдения и статистическая обработка результатов позволяют достаточно точно их нормировать. Максимальные значения внешних нагрузок, которые допускаются при нормальной эксплуатации конструкции, называются нормативными нагрузками. Однако существует возможность повысить эти значения при определенных обстоятельствах. Такое возможное повышение — при определенной вероятностной надежности — учитывается так называемым коэффициентом перегрузки, который является вторым важным компонентом коэффициента запаса.

Остается влияние последнего фактора — общих условий исполнения и работы конструкции и отдельных ее элементов. Этот фактор учитывается коэффициентами условий работы, определяющими важность элемента с точки зрения надежности конструкции в целом, значимость сооружения в системе хозяйственной жизни, качество, условия и контроль исполнения, несоответствие методов расчета реальному напряженному состоянию в конструкции и т. д. Как видим, построен мост между теоретической идеализацией и строительной практикой, синтезирующий в себе результаты множества наблюдений за выполненными зданиями и сооружениями, весь строительный опыт прошлого и настоящего.

Как же в конечном счете заранее — еще в проектной мастерской — обеспечивается необходимая надежность? Суть состоит в ряде сопоставлений, сравнении несущей способности с соответствующими внешними условиями. При этом ответственном процессе, т. е. расчете строительных конструкций, значения несущей способности должны быть больше или почти равны соответствующим внешним воздействиям. Но эта истина была известна еще в древности. Новое в методах и способах определения размеров — точное количественное выражение двух сторон невидимого конфликта. Усилия в элементе — это вероятные максимальные усилия, которые могут возникнуть при исключительных, критических, но все же ВОЗМОЖНЫХ обстоятельствах. А несущая способность — это вероятная минимальная несущая способность, которая может проявиться при роковых, но ВОЗМОЖНЫХ совпадениях, т. е. когда материал низкого качества оказывается в условиях работы, усложняющих его положение.

Так, с минимальным перевесом сил конструкция всегда должна стать победителем в конфликте. Слово «вероятность» никого не должно смущать. Когда необходимо обуздать случайные величины, обращение к вероятности неизбежно. Понятие «риск» в строительстве в наши дни имеет лишь теоретическое значение для тех, кто знает свое дело и вкладывает в него душу и знания.