Почему одни здания рушатся при землетрясении, а другие нет
Землетрясения магнитудой 7,2 и 7,5 в Венесуэле в июне привлекли внимание к главному вопросу: почему одни здания обрушиваются, а расположенные рядом выдерживают нагрузку. Специалисты Норвежского геотехнического института NGI выяснили, что ответ часто скрыт не в самом здании, а в грунте под ним.
Катастрофа в Венесуэле
Оба эпицентра располагались западнее Каракаса, но разрушения в северной части страны оказались крайне неравномерными. В районах Каракаса, сложенных мощной толщей осадочных пород, пострадали отдельные высотные здания, тогда как другие сооружения поблизости сохранились. Инженер Брайан Карлтон и специалист по геоопасностям Йорген Юханссон подчеркивают: они объясняют общие процессы, а не устанавливают причины разрушения конкретных домов — для этого нужны обследования площадок, фундаментов и конструкций.
«Решающим становится сочетание силы колебаний, состава грунта и того, насколько хорошо сооружение рассчитано именно на эти условия», — отмечает Карлтон. По словам Юханссона, большая часть ущерба при землетрясениях связана с деятельностью человека: методы сейсмостойкого проектирования известны давно, но не все здания строились по современным требованиям. Особенно уязвимы старые дома, возведенные до введения актуальных норм или без должного контроля за их соблюдением.
Появление сейсмических правил во многих странах было реакцией на катастрофы. Первые в мире предписания для строительства в сейсмоопасных районах Италия ввела после Мессинского землетрясения 1908 года, а Япония приняла первый общенациональный сейсмический кодекс в 1924 году — после Великого землетрясения Канто.
Ключевой механизм разрушения
Один из важнейших механизмов повреждений — резонанс. Каракас расположен в глубокой впадине, заполненной мягкими осадочными породами. Когда сейсмические волны переходят из твердой скальной породы в такой грунт, колебания могут многократно усилиться.
И у грунта, и у здания есть собственный период колебаний — характерный ритм, с которым они раскачиваются. У высотного сооружения он обычно длиннее, чем у невысокого. Если период грунта совпадает с периодом здания, колебания усиливают друг друга — как раскачивание качелей: толчки в правильном ритме увеличивают амплитуду, а случайные почти не дают эффекта.
Поэтому повреждения нередко концентрируются в районах с самыми мягкими и глубокими грунтами: они могут медленно колебаться в ритме, близком к собственному ритму высоток. Низкие дома или здания на более плотном основании тот же толчок иногда переносят гораздо лучше. Подобный эффект уже наблюдался в Каракасе после землетрясения 1967 года и в Мехико в 1985 году.
Защита от резонанса — инженерные изыскания до строительства. Они позволяют определить мощность грунтовых слоев и их период колебаний, после чего проектировщики могут изменить динамические свойства здания, усилить основание или сделать его более жестким. Если избежать совпадения периодов невозможно, конструкцию рассчитывают на повышенные нагрузки. Такие требования закреплены в строительных стандартах разных стран.
Разжижение грунта и смещение разлома
Второй опасный процесс — разжижение грунта. Оно возникает в рыхлых песчаных слоях, насыщенных водой. При сильной вибрации давление воды между песчинками возрастает, и грунт почти теряет несущую способность, начиная вести себя как плотная жидкость. Здания могут проседать, наклоняться или разрушаться. На склонах и у берегов разжиженный слой способен смещаться в сторону, разрывая фундаменты и коммуникации; люки колодцев иногда выдавливает на поверхность.
Третья угроза — если разлом выходит непосредственно на поверхность и смещает землю на несколько метров. Обычное строение почти не может пережить такую деформацию. Но инженеры ищут решения: например, стадион California Memorial Stadium в Беркли, построенный прямо над известным разломом, при реконструкции разделили на части, способные смещаться относительно друг друга без разрушения всей конструкции.
Технологии и нормы
Современные технологии позволяют возводить здания, выдерживающие чрезвычайно сильные землетрясения. Карлтон приводит в пример Токио: во время землетрясения Тохоку магнитудой 9,0 в 2011 году многие небоскребы получили минимальные повреждения. Их долго раскачивало из-за близости частоты сейсмических волн к частотам собственных колебаний высоток, но они были рассчитаны на такое воздействие.
Когда строения все же рушатся, причина нередко не в неизвестных силах природы, а в нарушении известных правил. Почти в каждой стране есть приемлемые строительные нормы, но они могут не соблюдаться при проектировании или строительстве. На это влияют стоимость работ, недостаточный надзор и возраст зданий. Установить, имели ли эти факторы значение в Каракасе, можно только после детального расследования.
Разрушительное землетрясение на Гаити в 2010 году показало, насколько важны нормы и качество строительства: близость очага к столице усугубила последствия, но массовые разрушения были связаны и с тем, что здания не соответствовали стандартам, применяемым, например, в Японии или США. При этом правильно спроектированное здание способно пережить даже очень сильную тряску: людям внутри может быть крайне тяжело из-за вибрации и раскачивания, но задача конструкции — не допустить обрушения. Важны и простые меры: мебель следует крепить к стенам и полу, чтобы она не падала на людей.
Магнитуда — не главное
Магнитуда сама по себе не описывает риск для конкретного дома. Юханссон сравнивает ее с размером взрыва: важно, находится ли условный «взрыв» в километре или в тысяче километров от объекта. На реальную нагрузку влияют расстояние до очага, глубина землетрясения, геология местности и характеристики здания.
Неглубокое землетрясение прямо под городом способно вызвать более сильное сотрясение, чем более глубокий толчок той же магнитуды. В Перу это подтвердили два события: землетрясение магнитудой 5,5 возле Уанкайо в июле разрушило сотни домов, тогда как толчок магнитудой 6,7 на глубине около 100 км на юге страны в августе привел лишь к локальному ущербу.
