Стол, имитирующий землетрясения, и миниатюрное цунами: Консепсьон внедряет инновации в сфере природных бедствий

Чилийское побережье — один из самых сейсмоопасных регионов планеты. Консепсьон, расположенный в 500 километрах к югу от Сантьяго, — один из городов, наиболее сильно пострадавших от разрушительной силы землетрясений и цунами. Британец Чарльз Дарвин в письме к своей сестре описал событие, произошедшее в этом городе в 1835 году: «Земля изрезана трещинами, скалы разбиты на осколки, прочные уступы толщиной от двух до трёх метров разломаны на куски, словно печенье», — писал он. Город вновь пострадал от стихийного бедствия в 2010 году, когда землетрясение магнитудой 8,8 баллов по шкале Рихтера — самое сильное за последние 50 лет в Чили — сильно сотрясло центральную и южную части страны и вызвало цунами. Одним из символов разрушений, вызванных землетрясением и цунами, стало обрушение 15-этажного здания, расположенного недалеко от берега реки Био-Био — единственного здания такого рода, которое обрушилось в этой южноамериканской стране. Стихийные бедствия, которые исторически обрушивались на Консепсьон, подтолкнули город к тому, чтобы превратиться в центр инноваций по разработке симуляторов, позволяющих оценивать прочность конструкций, тестировать меры по смягчению последствий и тем самым совершенствовать нормы проектирования. Одним из основных центров, где ведется разработка прикладной науки, является Католический университет Пресвятой Консепсьон (UCSC). В этом году совместно с другими университетами и при финансовой поддержке Национального агентства по исследованиям и разработкам (ANID) они построят самый большой вибрационный стол в Латинской Америке. Это будет платформа размером шесть на шесть метров, которая будет двигаться, как земля во время землетрясения, в двух направлениях, чтобы изучить, как на это реагируют конструкции, установленные на ней. Нельсон Маурейра, преподаватель факультета инженерии, утверждает, что площадь этого стола в четыре раза превысит площадь существующих в Чили, Мексике и Колумбии симуляторов размером 3 на 3 метра. Такой масштаб позволит проводить испытания целых зданий высотой в пять, шесть и более этажей, а не только макетов. В этот вторник Маурейра продемонстрирует самый большой на сегодняшний день в стране вибрационный стол, который он разработал совместно с коллегами и построил вместе со студентами. Её размеры составляют три с половиной на четыре с половиной метра, и она перемещается только в одном направлении. Она может разгоняться до 75 % от силы тяжести, что превышает 50 %, достигнутые во время землетрясения 2010 года. Одной из её особенностей является компьютерно-управляемый двигатель, который делит полный оборот на 10 000 частей, обеспечивая точность движения. С его помощью можно воспроизводить записи реальных землетрясений, таких как в Консепсьоне, Тальке или Чиллане, по отдельности, хотя и не их магнитуду: «То, что мы моделируем в лаборатории, — это колебания, которые данное землетрясение вызывает на поверхности», — поясняет он, отмечая, что магнитуда зависит от энергии, выделенной в ходе всего события. На столе лежит модуль из кросс-ламинированной древесины, изготовленный из перекрещенных слоёв досок, которые придают ему прочность, сопоставимую с прочностью бетонной стены. Модуль не содержит металлических соединений и оснащён системой изоляции, которая отделяет конструкцию от пола, благодаря чему он действует как амортизирующая прослойка между полом и зданием. «Вместо того чтобы ощущать 10 тонн, он воспринимает всего одну тонну боковой силы», — объясняет Маурейра, на имя которого зарегистрировано три патента в Чили, США и Японии, а также ещё четыре находятся на рассмотрении; все они касаются сейсмозащиты, и он является их главным изобретателем. Изоляция оказывает воздействие, выходящее за пределы конструкции, благодаря чему люди, находящиеся внутри здания, ощущают «ослабленное землетрясение», при котором повреждения могут быть «в основном косметическими». Новая платформа устранит главное ограничение существующей модели, которая перемещается только в одном направлении. Благодаря второму горизонтальному движению и удвоенному ходу от исходного положения она сможет воспроизводить также импульсные землетрясения, такие как в Калифорнии, при которых резкий толчок вызывает «импульс скорости, быстро разрушающий конструкции», а не только субдукционные землетрясения, типичные для Чили, которые возникают, когда одна плита погружается под другую, и длятся несколько минут. В то же время вертикальное движение не будет имитироваться: здания «привыкли постоянно ощущать свой собственный вес», — говорит Маурейра, — и их на прочность проверяет именно боковая вибрация, длящаяся «несколько минут». Новый стенд позволит проводить испытания пяти- или шестиэтажных зданий, а то и выше, в отличие от двух- или трехэтажных деревянных моделей, которые допускает нынешний стенд, ограниченный высотой лаборатории и весом: он выдерживает 12 тонн, а новый, по данным UCSC, рассчитан на максимальную нагрузку в 40 тонн. Он отмечает, что при работе с макетами «некоторые параметры масштабируются идеально, а другие — приблизительно»: можно уменьшить размер, но не ускорение или частоту колебаний, например, и приходится применять поправочные коэффициенты, что создает неопределенность, которая исчезает при испытании конструкций в натуральную величину. Во время крупных субдукционных землетрясений, таких как в 1960 и 2010 годах, когда дно океана смещается в зоне соприкосновения плит, возникали цунами. Поэтому другая группа ученых из университета занимается созданием симуляторов, способных моделировать это явление. Руководитель группы, Рафаэль Арангуис, инженер-строитель с докторской степенью по цунами, полученной в Японии, создал экспериментальный канал длиной 20 метров с затворами на обоих концах, двумя насосами и резервуаром объемом 10 000 литров, который в масштабе воспроизводит поступление и отток воды. С самого начала он поясняет, что цунами — это не огромная волна, как «в фильмах или на макетах, которые можно увидеть в Instagram», а «постепенное увеличение потока, которое может длиться несколько минут». Канал сжимает в три минуты то, что в реальности заняло бы около 20, и, по словам Арангиса, одна волна может затратить до 90 минут на полный цикл прилива и отлива в бухте Консепсьон. Его система имеет патент, выданный в Чили и Японии, и он с гордостью добавляет, что это единственная система, которой удалось воспроизвести волну целиком, с её высотой и скоростью. После землетрясения 2010 года Арангис чувствовал, что у людей остались вопросы, на которые они не могли найти объяснения, и на которые даже власти не могли дать простого ответа, например, почему одни районы не затопило, а другие — затопило, или почему третья волна оказалась самой большой. В своей докторской диссертации он рассмотрел эти вопросы и пришёл к одному ответу: резонанс. Каждая бухта имеет свой естественный ритм колебаний и усиливает волны, которые с ним совпадают, что объясняет, почему Дичато, Колиумо и Талькауано отреагировали иначе, чем, например, бухта Сан-Висенте или залив Арауко. Она использует метафору, чтобы объяснить это простыми словами: резонанс — это то же явление, из-за которого стакан разбивается под воздействием голоса. В рамках первого проекта канала изучалась подмывка, то есть эрозия грунта вокруг здания или его колонн, которая может привести к обрушению конструкции. На месте измеряется только оставшаяся яма. Изучение только конечного результата сопряжено с одной проблемой: оставшаяся яма, как правило, меньше максимального размера, достигнутого в какой-то момент, поскольку при спаде воды грунт оседает и частично заполняет углубление. В лаборатории в режиме реального времени можно наблюдать, когда происходит наибольшее подмывание. Главный вывод, утверждает Арангуис, заключается в том, что эрозия накапливается: вода уносит грунт при входе, откладывает его позади, а при обратном течении не возвращает его на место, так что каждая следующая волна подмывает грунт чуть сильнее. Поэтому «недостаточно учитывать только одну волну или проектировать с расчётом на самую сильную волну», — предупреждает он, поскольку предыдущие волны «уже вызвали начальное подмывание». Он добавляет, что за 500 лет наблюдений в этом районе постоянно повторяется закономерность: третья или четвёртая волна оказываются самыми мощными. С этого года в центре его внимания находится обломки: деревянные дома, суда и контейнеры, которые цунами уносит и бросает на сооружения. «Идея заключается в том, чтобы с помощью этих исследовательских проектов улучшить понимание существующих норм, как на местном, так и на международном уровне, для проектирования инфраструктуры, устойчивой к цунами», — отмечает он. В городе, который в 1751 году был перенесён на новое место после цунами и несколько раз перестраивался, исследователи стремятся к тому, чтобы будущие стихийные бедствия были как можно менее разрушительными.