Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Пагубное воздействие, которое грунт оказывает на здания, имеет волнообразный характер. Волны исходят из так называемого гипоцентра, или очага, расположенного в земной коре на глубине от 2—3 до 60 и даже 100 км. Обычно чем ближе к поверхности очаг землетрясения, тем сильнее разрушения. В Агадире (1963 г.) он находился на глубине 3 км, в Ташкенте (1966 г.) — 8 км, в Софии (1917 г.) — 5 км.

Проекцией гипоцентра на земную поверхность является всем известный эпицентр. Большая плотность минеральных образований в земной коре определяет высокую скорость волн, которая приблизительно равна первой космической скорости. С удалением от очага их горизонтальная компонента становится все значительнее, а ведь именно она представляет наибольшую опасность для сооружений. Строительные конструкции в конечном счете предназначены для восприятия вертикальных нагрузок (собственной массы, массы людей, оборудования, снега) и в этом отношении обладают известными резервами, т.е. могут выдерживать и определенные толки. Горизонтальная же их устойчивость зачастую минимальна.

Описанное распространение волн в значительной степени идеализировано. В действительности картина намного сложнее. Различные виды прямых, отраженных и преломленных волн подвержены интерференции, дифракции; их путь трудно проследить. Волны обладают целым «букетом» различных характеристик — длиной, частотой, амплитудой, — и если не все, то большая часть из них — это «цветы смерти и разрушения». Речь идет о волнах большой длины и малой частоты (порядка 1—10 колебаний в секунду). Особенно опасны так называемые волны Рейли, которые возникают на поверхности земли и создают главную сейсмическую проблему для строительства.

В названном диапазоне находятся и собственные частоты колебаний большинства сооружений, созданных человеком, так что эффективность (если можно так выразиться) землетрясения значительно повышается. Вероятность резонанса не исключена, а это значит, что здания могут быть полностью разрушены даже при сравнительно слабых толчках. Имеет значение и вид грунта, на котором возводится сооружение. Например, скальные породы являются проводником высоких частот, тогда как нескальные в известном смысле становятся их фильтром. Во втором случае вполне приемлемы жесткие несущие системы (монолитные стены из железобетона и т.д.) с высокой собственной частотой, а в первом следует применять более гибкие конструктивные системы. Таким образом можно добиться «расхождения» частот.

Но важнейшая характеристика сейсмических волн, бесспорно, — их ускорение. В сущности, именно ему землетрясения обязаны своей разрушительной силой. (Вспомним второй закон Ньютона: масса, умноженная на ускорение, дает силу.) Ускорение определяется по записи акселерографа и может варьироваться в достаточно широких пределах: Скопле, 1963 г. — 0,l g; Мессина, 1908 г. — 0,2 g; Фукуи (Япония), 1948 г. — 6 g.

Что касается амплитуды колебаний, то она имеет три пространственных измерений, вследствие чего произвольная точка земной поверхности описывает невероятно сложную кривую в пространстве. Эта кривая может быть построена по записям на сейсмографе, который работает в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Важно другое — ведь этот сумасшедший путь точка проходит за доли секунды. Не удивительно, что «… трудно сохранить равновесие … перспектива искажена … изображения предметов пляшут в воздухе. Так вспоминает о землетрясении в Токио в 1923 г. компетентный очевидец — проф. А. Имамура. В это время он находился в подземной части здания у сейсмографа. «Через 12 секунд после первого толчка, — писал Имамура, — начались исключительно сильные колебания. С крыши сыпалась черепица, стоял ужасный грохот … Невозможно было понять, стоит ли еще здание или уже рухнуло. Несколько минут меня подбрасывало, как маленькую лодку в штормовом море… Я испытывал ужасный страх.

Как рождается мощный импульс — источник разрушительных сейсмических волн? Откуда берется энергия уничтожения?

Механика этого вопроса в значительной степени ясна.

Естественное движение земных пластов не является свободным, и это приводит к их деформации. Местами деформации настолько значительны, что происходит аккумулирование гигантской потенциальной энергии. На земном шаре много таких сжатых пружин, которые, однако, не могут оставаться в таком состоянии вечно. Наступает момент, когда случай «спускает курок» и вся потенциальная энергия деформаций за считанные секунды переходит в кинетическую. Происходит землетрясение, после которого процесс накопления энергии начинается снова и продолжается годы и даже века.