Чему Венесуэла может поучиться у Чили, Японии и других стран, которые строят здания «на опорах», чтобы они выдерживали землетрясения

Землетрясения, подобные тому, что произошло 24 июня в Венесуэле, уносят жизни, разрушают кварталы и целые миры. По официальным данным на данный момент, в результате двойного землетрясения погибло более 4 700 человек. А в официальном отчете от 7 июля сообщается о 856 поврежденных и 190 обрушившихся зданиях. Глядя на картины разрушений, возникает главный вопрос: какие именно здания способны защитить жизни людей? В странах с частыми землетрясениями, таких как, например, Чили, с каждым землетрясением углубляются знания об этих конструкциях, и сегодня страна находится на передовых позициях в области сейсмостойкого строительства. BBC Mundo поговорила с двумя чилийскими экспертами, признанными на международном уровне в этой области. Инженер-строитель Хуан Карлос де Ла Ллера, в настоящее время занимающий пост ректора Папского католического университета Чили, внес значительный вклад в развитие сейсмостойких технологий, применяемых в разных частях мира. А Эдуардо Каузель — почетный профессор кафедры гражданского строительства Массачусетского технологического института (MIT). «Существуют две основные философии проектирования такого рода сооружений, и каждая из них дает свой ответ», — отмечает Де Ла Ллера. Согласно традиционному подходу, который лежит в основе подавляющего большинства сейсмостойких норм по всему миру, при очень сильном землетрясении «сооружение может получить повреждения, может оказаться практически непригодным для использования, но не должно обрушиться — именно для того, чтобы избежать той серьезной проблемы, которую мы наблюдали в Ла-Гуайре в Венесуэле, где произошло обрушение, и люди оказались заблокированы и погибли непосредственно от завала». В более современной философии проектирования, напротив, при очень сильном землетрясении «здание по сути не должно получать повреждений и в большинстве случаев должно оставаться даже работоспособным». Этот второй подход предусматривает применение в зданиях таких технологий, как сейсмические изоляторы и энергопоглотители. По словам Де Ла Ллера, эти технологии уменьшают колебания конструкции во время землетрясения в 8–10 раз. «В конструкцию вводятся элементы, выполняющие две функции. Одна из них — изолировать конструкцию от грунта, как будто вы подвесили её к небу, чтобы грунт мог свободно двигаться, а с конструкцией ничего не происходило». Другой подход заключается в том, чтобы включить в эту конструкцию элементы, поглощающие энергию, именно она и наносит ущерб зданию». Обычные сейсмостойкие здания укрепляются с помощью традиционных методов. Существует множество факторов, которые необходимо учитывать, но Де Ла Ллера и Каузель привели BBC Mundo примеры некоторых основных принципов. Арматура. Конструктивный элемент из бетона (будь то балка, колонна или несущая стена) должен содержать достаточное количество так называемой «арматуры». «Если он изготовлен исключительно из бетона, то при воздействии нагрузки он будет вести себя хрупко, растрескиваться и ломаться, как стекло. Но если добавить в него арматурные стержни и подвергнуть той же нагрузке, материал приобретет способность к деформации, то есть «пластичность» — способность сопротивляться деформации, не разрушаясь», — объясняет Каузель. Именно такое сочетание бетона и арматуры обычно называют железобетоном. Каузель демонстрирует принцип работы арматуры с помощью мела. Если мы попытаемся согнуть мелок, он сломается. Но если мы обернём его, например, скотчем, то при попытке согнуть он устоит. «Именно такую роль играет арматура, находящаяся внутри бетона». «Могут появляться трещины, но конструкция не разрушается», — утверждает Каузель. Кроме того, между арматурой и бетоном должна быть надлежащая сцепка, иначе арматура будет скользить. Арматурные стержни должны иметь достаточный размер и количество, а также рифление — шероховатую поверхность, обеспечивающую хорошее сцепление с бетоном — и быть окружены «скобами». «Предположим, что у нас есть круглая колонна. Арматура обычно располагается по периферии, а не в центре. Кроме того, через определённые промежутки — каждые 30 или 40 см, в зависимости от норм — должен быть установлен хомут, то есть круглая арматурная стержень, которая скрепляет эти стержни». Очень важно надлежащим образом «зафиксировать» бетон таким образом, то есть хорошо закрепить арматурную сетку с помощью скоб или стальных поясов, чтобы стержни не «прогибались» (не смещались в боковом направлении при сжатии), поскольку это привело бы к хрупкому разрушению, отмечает эксперт из MIT. Качество бетона «Иногда в бетон добавляют больше воды, чем положено, потому что так его легче обрабатывать. Это делает бетон очень слабым. Или в нём слишком много песка». «Или работы были выполнены некачественно», — отмечает Каузель. «Необходим контроль качества: нужно отбирать пробы бетона в разных местах, чтобы убедиться, что он соответствует техническим требованиям и обладает необходимой прочностью». В случае с Чили, объясняет он, действуют очень строгие нормы и осуществляется тщательный контроль качества в этой сфере. Стены. Здания должны иметь очень прочный каркас из несущих стен в обоих направлениях — с севера на юг и с востока на запад. Например, отмечает Каузель, что «фатальной» ошибкой, способной привести к обрушению здания, является «нежесткий или гибкий первый этаж» — типичный первый этаж на уровне земли, в котором убирают стены, чтобы создать просторные помещения для магазинов или парковок. «Во время землетрясения это первое, что разрушается. Это неоднократно наблюдалось в Турции». В Чили, добавляет он, если и строятся парковки, «но там также имеется множество несущих стен. Не всё открыто». Соединения. Де Ла Лльера подчеркивает важность того, чтобы перекрытие — элемент, разделяющий два этажа, — было надёжно соединено с периметральными элементами. «Если соединения слишком слабые, это тоже очень опасно». В сейсмостойком проектировании ключевое значение имеет внимание к деталям, отмечает Каузель. «Как вы соединяете колонны с балками и перекрытиями». «Если конструкция не закреплена надлежащим образом и не представляет собой единое целое, если в ней имеется слабое место, именно там сосредотачиваются повреждения, которые могут распространиться на остальную часть здания». Де Ла Ллера и его группа запатентовали множество инноваций в этой современной технологии, которые они применили в строительстве от Перу до Новой Зеландии. «Подавляющее большинство зданий было спроектировано или разработано совместно с компанией SIRVE, совладельцем которой является Католический университет, поскольку технологии принадлежат университету», — отмечает инженер. Как удаётся изолировать здание от грунта и «подвесить его к небу»? «Первым делом при строительстве здания вы копаете землю и создаёте так называемый фундамент, который является своего рода «обувью» конструкции», — объясняет эксперт. «В традиционном здании на этом фундаменте возводится вся конструкция, которая закреплена на грунте». Когда же на уровне фундамента устанавливаются сейсмоизоляторы, создается впечатление, будто здание стоит «на коньках». «Устройство похоже на слоеный пирог. Оно состоит из слоев натурального каучука, стали, каучука, стали, каучука, стали, и в результате получается вулканизированный пирог, который обрабатывается под воздействием температуры и давления». «Это как роликовый конек: очень гибкий в горизонтальном направлении, но очень жесткий в вертикальном, потому что, если бы он был мягким в вертикальном направлении, здание под собственным весом просто раздавилось бы». Когда во время землетрясения движется грунт, здание скользит. «Если здание «скользит» относительно фундамента, землетрясение не может передать ему энергию, вызывающую колебания, потому что вибрацию вызывает энергия, передаваемая движением грунта». Сейсмоизоляторы можно устанавливать даже в уже построенных зданиях. Их использование в Чили не является обязательным, но практически все больницы страны уже оснащены сейсмоизоляцией. «В Чили это требовалось, потому что больницы должны оставаться работоспособными. В Турции в 2023 году ситуация была ужасной: обрушилось огромное количество больниц, и негде было принимать пациентов». «В Перу такая же проблема с больницами, но не с остальными сооружениями». И, как он объясняет, в Японии это совершенно обычная практика для всех зданий. Другой современной технологией являются энергопоглотители, которые, по словам Де ла Ллера, работают как амортизатор в автомобиле. Когда на дороге появляется ухаб, колесо колеблется, но этот эффект не передается в салон, где находится водитель, потому что между колесом и кузовом автомобиля находится амортизатор. «В здании с энергопоглощающими устройствами происходит точно то же самое. Здесь здание закреплено на земле, как и в традиционной технологии. «Но когда во время землетрясения здание начинает колебаться, а этажи — смещаться относительно друг друга, энергорассеиватель поглощает эту энергию, предотвращая значительную деформацию между этажами, что позволяет существенно снизить ущерб». Каузель отмечает, что примером применения энергопоглощающих устройств является башня «Костанера-Центр» в Сантьяго-де-Чили, которая с 62 этажами и высотой 300 метров является самым высоким зданием в Южной Америке. «Она пережила Великое землетрясение в Мауле 2010 года (магнитудой 8,8) без трещин и каких-либо повреждений». Перед началом строительства крайне важно провести геотехнические исследования грунта. В частности, мягкие грунты могут вызвать серьёзные проблемы. Ла-Гуаира, например, один из наиболее пострадавших районов Венесуэлы, «представляет собой зону аллювиальных наносов, и поэтому грунт значительно усиливает колебания», — отмечает Де Ла Лльера. Инженер объясняет эффект мягкого грунта с помощью аналогии с миской, наполненной желе. «Представьте, что миска символизирует твёрдую или упругую часть грунта. Если встряхнуть миску, желе колеблется гораздо сильнее, то есть колебания усиливаются». Точно так же колебание в горной породе, которое могло быть слабой интенсивности, «столкнувшись с этим грунтом, похожим на желе, вызывает огромное усиление». Мягкие грунты могут также вызывать другой серьезный эффект, называемый резонансом. Каузель объясняет, что «каждое здание вибрирует по-своему, как струны скрипки». «Кроме того, у землетрясения есть так называемые доминирующие частоты, из-за которых оно вызывает боковое колебание», — поясняет он. «В очень высоких зданиях», — добавляет он, — «колебания из стороны в сторону происходят очень медленно». Время, за которое здание совершает одно такое колебание, называется периодом. Если частота или период конструкции совпадают с частотой грунта, «возникает очень, очень драматическое явление — резонанс, — и это приводит к тому, что здания значительно усиливают колебания», — объясняет Де Ла Ллера. Каузель отмечает, что «в некоторых случаях, если грунт не слишком плохой, его можно укрепить: залить цементом, установить сваи». Геотехнические исследования также имеют решающее значение для выявления риска явления, называемого «разжижением». «Грунт нужно представлять себе как своего рода соты, если смотреть на него под микроскопом. Он состоит из твердых частиц, воздуха и воды», — объясняет Де Ла Ллера. «Давайте просто представим, что каждая из ячеек этих сот заполнена водой. Такой грунт называется насыщенным». «И когда грунт насыщен, наступает момент, когда его движение приводит к тому, что давление воды внутри просто разрушает всё его сопротивление». «Это называется разжижением, и именно тогда грунт превращается в жидкость». Чтобы избежать этой проблемы, можно откачать или удалить воду из насыщенного грунта. Но если под зданием происходит разжижение грунта, «здание опрокидывается». И Де Ла Ллера, и Каузель отмечают, что снимки обрушившихся зданий в Венесуэле свидетельствуют о строительных недостатках. «На снимках, которые я видел, заметны серьезные конструктивные недостатки. Достаточно на них взглянуть, чтобы понять: отсутствуют арматурные стержни, отсутствуют элементы, удерживающие бетон. Это очень привлекло моё внимание», — отметил Де Ла Ллера. «То, что этажи лежат друг на друге, — это явно конструктивный дефект». «То, что произошло в Венесуэле, — это действительно гигантская трагедия», — добавляет эксперт. По мнению Каузеля, двух последовательных сильных землетрясений недостаточно, чтобы объяснить «огромный ущерб». «Они были интенсивными, но их магнитуда вполне типична для стран, подверженных землетрясениям. Общая продолжительность составила 90 секунд, что намного меньше, чем у сильных землетрясений в других регионах мира. Для меня очевидно, что здесь имеются строительные дефекты». Эксперт из Массачусетского технологического института отмечает, что при просмотре видео из Венесуэлы его внимание особенно привлекли две вещи. «Во-первых, среди обломков не было видно арматуры, а во-вторых, в большинстве обрушившихся зданий сталь да и была видна, но она выглядела как спагетти. Так быть не должно». «На этих „спагетти“ должны были бы быть куски разбитого бетона, прилипшие к арматуре. Но это не так. Это указывает мне на то, что между арматурой и бетоном не было сцепления». «И если это так, то арматура не помогает обеспечить прочность». «Это могло быть связано с тем, что на арматуре отсутствовали рифления, или что в бетоне было слишком много воды или песка, либо он был плохо уплотнён, из-за чего не возникает сцепления». «Сейсмоизоляторы и энергопоглотители следует использовать чаще, — отмечает Де ла Ллера. — За 25 лет, что я занимаюсь исследованиями в этой области, был достигнут значительный прогресс, но просто невероятно, что это не стало стандартом, как антиблокировочная система тормозов (ABS) в автомобиле. Нет никаких технических причин, мешающих этому; с экономической точки зрения существуют решения по той же цене, а преимущества огромны». Он объясняет, что в Чили было разработано множество собственных технологий для снижения затрат на сейсмоизоляцию социального жилья. «Это имеет абсолютно существенное значение. Это как иметь вакцину от страшной болезни, когда ты действительно знаешь, что защищен». Каузель делится заключительной мыслью: «Нормы существуют для того, чтобы их соблюдали, а не для украшения». «На всё нужно время: подготовить материалы, изготовить опоры так, как положено, укрепить конструкцию должным образом… Нельзя игнорировать научные факты». «Если строить некачественно, может случиться что угодно». «Во время землетрясения 2023 года в Турции погибло много людей, и обрушилось множество зданий из-за некачественного строительства — даже новые элитные здания обрушились целиком». «Качество работы, — заключает он, — имеет решающее значение. Как говорят в MIT, „ничто не заменит совершенства“, и всё нужно делать как можно лучше». «Ничего не даст наличие на бумаге норм, определяющих, как сделать что-то очень прочным, если они не соблюдаются, а качество строительства оставляет желать лучшего». Нажмите здесь, чтобы прочитать больше статей BBC News Mundo. Подпишитесь здесь на нашу новую рассылку, чтобы каждую пятницу получать подборку лучших материалов недели. Вы также можете следить за нами на YouTube, Instagram, TikTok, X, Facebook и в нашем новом канале WhatsApp. И не забывайте, что вы можете получать уведомления в нашем приложении. Загрузите последнюю версию и включите уведомления.