Несколько лет назад перед строителями встал поистине гамлетовский вопрос: быть или не быть скале, нависшей над железной дорогой в Боржоми? «Дело ясное, — говорили одни, — скала уже дала трещину и может рухнуть при первом землетрясении». — «Взорвать скалу, — возражали другие. — А вы уверены, что взрыв не нарушит подземные стоки и Боржоми не лишится своих источников минеральных вод?»
Положение было серьезным, по дороге шли поезда. Строители следили за состоянием скалы, а саперы рыли шурфы, закладывали взрывчатку. Ожидали только приказа из Москвы.
И вот в кабинете председателя Госстроя СССР собрались специалисты на последний совет. Казалось, существует одно-единственное решение — взорвать.
Скала не плотина, тут не вызовешь автора, чтобы он поручился за свое детище.
— Я ручаюсь за эту скалу. — Весь зал повернулся к невысокому восьмидесятилетнему человеку.
Это говорил директор Международной ассоциации по сейсмостойкому строительству академик АН Грузинской ССР Кириак Самсонович Завриев. — Я осмотрел скалу в Боржоми. Трещины неопасны. Взрывать скалу не нужно. Более того, при данном положении дела, когда мощный взрыв невозможен из-за близости города, слабый только бы расшатал, но не обрушил скалу, и она, вполне возможно, рухнула бы при следующем, даже не очень сильном сотрясении земли.
В этом зале знали, как весомо каждое слово «антисейсмика № 1». Ведь он не только создатель новой теории сейсмостойкого строительства; его подпись стоит под проектами самих ответственных сооружений в сейсмически опасных районах — зданий, мостов, плотин. Но скала ведь не творение рук человека.
— Вы, конечно, понимаете всю ответственность, которую берете на себя. Вероятно, вам нужно подумать?
Следующее, последнее заседание председатель Госстроя СССР назначил на утро.
— Итак, вы настаиваете на своем решении?
— Да, скалу взрывать не следует: она неопасна.
— Необходимо письменное заключение. Сколько на это потребуется дней?
Кириак Самсонович протянул председателю конверт с заключением. В нем был труд одной бессонной ночи и вывод теории, которую он начал создавать еще студентом. Взрыв был отменен.
А вскоре после этого, в 1970 году, в Боржоми произошло сильное, восьмибалльное землетрясение. К. С. Завриев выехал к своей «подопечной». Как он и предсказал, скала стояла прочно, даже старые трещины не стали шире.
«Вокруг одни бронтозавры...»
Начало века. Тбилиси: глинобитные дворики, пузатые купеческие особняки, которые сохранились до наших дней разве что на полотнах Пиросмани. И Санкт-Петербург: высокие дома, дворцовые ансамбли, огромные мосты, соединившие берега полноводной реки. Что должен чувствовать юноша, приехавший с Кавказа в город на Неве, чтобы стать строителем, инженером? Восторг, восхищение перед бессмертными творениями зодчих? Боль за родной город, где подземные силы заставляют дома прижиматься к земле? Да, пожалуй. Желание строить как лучшие мастера? Вряд ли. Нет.
«Все подвергай сомнению». Если бы этот принцип не выдвинули древние философы, его бы предложили современные инженеры.
У студента Петербургского института путей сообщения были руки рабочего, голова инженера и глаз художника. Студентом четвертого курса он уже работал на строительстве Дворцового моста и делал не учебные, а заказные проекты. Он пытался рассчитать новые конструкции, старые не удовлетворяли его эстетическому чувству: все эти здания, дворцы, мосты, которыми восхищался мир, казались ему недостаточно легкими, изящными. И он решил проверить видимую гармонию сооружений алгеброй строительной механики.
Дерзкая идея: архитектура — древнее искусство, инженеры в начале века умели великолепно строить. Но Завриев поставил под сомнение не их способности, а сами методы расчета, на которых покоилась вся мировая строительная практика.
Тогда господствовал метод допускаемых напряжений. Истинных напряжений, которые вызывает нагрузка, получить по нему было нельзя: рассчитанные по этому методу конструкции работали, как говорится, в четверть силы и получались массивными. Завриев прикинул: миллионы тонн камня, дерева и металла укладывались, по сути дела, напрасно! Настоящие могилы для строительных материалов. «Бронтозавры, вокруг одни бронтозавры», — говорил он, проделывая расчеты.
В таком положении повинен был и невысокий уровень строительной механики. Однако главная причина была в другом: фирмам выгодно было расходовать лишний материал — это увеличивало их доходы. И проектировщики тоже могли спать спокойно: они создавали надежные, хотя и тяжелые, конструкции. Но сравнивать было не с чем — лучших тогда в мировой практике не существовало.
Завриев предложил нечто новое: посмотреть, на что способна конструкция, если довести ее до разрушения. А уж потом вполне сознательно дать сооружению запас прочности. Он создал новый метод расчета — по разрушающим нагрузкам. Рассчитанные по-новому, сооружения становились легкими, изящными, рациональными.
Сегодня это азы строительной науки. А в 1913 году профессор, впоследствии академик С. П. Тимошенко, прочитавший записки своего студента, увидел в них начало революции в методах расчетов. Взволнованный вошел он в кабинет ректора господина Янковского и потребовал доложить студенческую работу на ученом совете.
— Но, господин Тимошенко, вам же известно: студентам строжайше запрещено выступать перед профессорами! Достаточно и того, что они пытаются поучать нас на своих сходках.
Ректор был непреклонен, и профессор решился на хитрость.
— Приглашаю вас, господа, присутствовать завтра на экзамене...
Коллеги, сидевшие в кабинете ректора, поклонились.
А на следующее утро состоялся самый странный в истории института экзамен. На нем отвечал лишь один студент, Завриев. И, странное дело, попался ему как раз тот самый вопрос, который он осветил в записке. Тимошенко и его коллеги засыпали Завриева вопросами. Потом было обсуждение. Фактически это был не экзамен — доклад. А вскоре статью Завриева опубликовали в научном журнале. И появилась она не в плохой компании: в том же номере был напечатан труд самого Тимошенко и статья Н. А. Рынина, энтузиаста межпланетных полетов.
Известно, как важен в науке первый шаг. У Завриева он был удачным, даже чересчур: первая серьезная публикация еще на студенческой скамье, золотая медаль по окончании института, поощрительная командировка в Германию (которая не состоялась из-за войны), наконец, предложение остаться при кафедре — его он принял. Казалось, что впереди обеспеченная жизнь, профессорская карьера. Однако ни преподавание, ни «чистая» наука Завриева не привлекали. Он знал: созданный им метод — это рычаг, которым можно перевернуть всю строительную практику. Но в царской России между наукой и строительством зияла пропасть. К тому же «нет пророка в своем отечестве»: строительные фирмы ориентировались на Запад.
Завриев покинул институт; он строит мосты в Бессарабии, затем возвращается в родной Тбилиси. Теперь он практик: восстанавливает мосты, заводы. Так что же, забыты юношеские мечты? С грустью смотрит он на родные кавказские земли: каждый клочок здесь дорог, способен дать большие урожаи, а люди застраивают Кавказ низкими, приземистыми домами. «Живем как на шкуре беспокойного зверя», — думает Завриев.
В 1920 году он пережил землетрясение в Гори. Если бы только знать те силы, что вызывают трясение земли, тогда дома можно было бы рассчитывать на подземный удар! Если бы, если бы...
Завриев обращается к мировому опыту землетрясений. Перед ним встает один из сложнейших вопросов, который издавна волнует человечество.
Строить все равно надо
На Земле нет мест, абсолютно неуязвимых для подземной стихии. Так, летопись сообщает, что 1 октября 1445 года «потрясся град Москва, Кремль и Посад и храм поколебашеся». А один из героев Шекспира, описывая лондонское землетрясение 1580 года, замечает: «Земля до основанья содрогалась, как жалкий трус».
И все-таки на равнинах землетрясение — явление редкое. Иное положение в районах сейсмических поясов — по обе стороны Тихого океана и в молодых горах на юге Азии, — здесь подземные толчки случаются особенно часто. Тут и бед и каверз — всего сполна.
13 апреля 1950 года в США, в Пьюджет-Саунде, произошло очень сильное землетрясение. А год спустя Американское сейсмологическое общество проводило свое заседание в соседнем с Пьюджет-Саундом Сиэтле, который тогда тоже пострадал. В США число 13 считается роковым, под этим номером в стране, как правило, не найдешь ни квартир, ни этажей, ни самолетных рейсов. «13 апреля, — решили репортеры, — может случиться всякое». И они, как говорится, в лоб спросили ученых: будет ли в этот день в Сиэтле землетрясение? Сейсмологи рассмеялись и, обвинив журналистов в суеверии, поместили в газете официальное заявление: «В этот день в Сиэтле никакого землетрясения не будет».
Однако 13 апреля в 15 часов 8 минут, когда Американское сейсмологическое общество собралось на новое заседание, раздался оглушительный подземный толчок. Правда, не такой сильный, как год назад, но зато какова точность! Как говорится, комментарии излишни...
Это, правда, не значит, что прогноз землетрясений всегда бывает неудачным. Бывают и удачные. Так удалось предсказать повторные толчки после землетрясения 1966 года в Ташкенте, сотрясение земли на Дальнем Востоке — это только по Советскому Союзу. Аналогичные успехи есть и за границей. Но успехи пока нигде не стали правилом.
Между тем сейсмически опасные зоны охватывают огромные густо заселенные районы. Только в Советском Союзе они занимают пятую часть территории страны, там проживает около 50 миллионов человек, расположены сотни городов, среди них девять столиц союзных республик. Не может быть и речи о том, чтобы даже замедлить в них строительство. Строить надо. Но как?
В 1906 году Сан-Франциско пострадал от сильнейшего землетрясения. А вскоре после этого через пролив Золотые Ворота начали возводить самый длинный в мире мост. Фирмы, осуществлявшие строительство, вовсе не действовали «рассудку вопреки, наперекор стихиям»: они застраховали свое гигантское детище, и за бесчинство стихий теперь отвечала страховая компания. Вот эта компания как раз и решила приостановить стройку вплоть до выяснения степени риска.
Для беспокойства имелись веские основания, так как вход в бухту у Сан-Франциско пересекает в недрах земли гигантская, закрытая, но активная трещина — разлом Сан-Андреас. В 1857 году Сан-Андреас разрушил форт вблизи Лос-Анджелеса, в 1906 году сместил участок границы между США и Мексикой. Заметим, кстати, что Сан-Андреас не утихомирился и до сих пор; по данным топографической съемки, он расширяется примерно со скоростью пять сантиметров в год. Более того, согласно некоторым прогнозам Калифорния вообще может отколоться от материка.
Мост через залив тем не менее был построен, да и не только мост, Калифорния сейчас, как известно, один из самых населенных и богатых штатов Америки. Ну а прогноз сейсмологов... Строить возле «живых трещин» опасно, это ясно всем. Но даже известный американский сейсмолог Байерли, не раз утверждавший это, построил свой дом как раз в зоне разлома. Ведь сейсмологи и по сей день находятся в положении воображаемого диспетчера, который знает, что поезд придет, но не знает когда — завтра или через тысячелетие.
И понятно почему рекомендации сейсмологов до сих пор не всегда однозначны. Им приходится изучать землетрясения по тем разрушениям и сдвигам, которые они производят. А это так же непросто, как судить по обломкам о причинах аварии неизвестного инопланетного корабля. Удивляться приходится не тому, что их рекомендации неполны и неточны, а тому, что ими все же можно руководствоваться при строительстве, можно определить заранее, какой силы толчки будут здесь и какой там.
Но строителям этого, естественно, недостаточно.
Колонны и трубы, падая в одну сторону, подсказывают, с какой стороны налетела подземная буря; памятники, сброшенные со своих мест, позволяют судить о силе волны. Однако здесь все не так просто. До сих пор считается, что от подземного толчка груз может быть подброшен или перемещен в сторону. Но вращаться? С чего? И, словно насмехаясь над здравым смыслом, памятники нет-нет да и закружатся в вальсе. В последний раз это произошло на кладбище в Ташкенте в 1966 году. Повернулась даже верхняя часть минарета. Вот и делай здесь однозначные выводы!
А в 1952 году во время землетрясения в Калифорнии пропал... рельс. То есть не просто исчез, а изогнулся и спрятался под массивной стеной туннеля. Как это произошло, до сих пор непонятно. Чтобы как-то объяснить столь странное явление, сейсмики предположили, что стена подпрыгнула, а рельс в это мгновение влез под нее...
А что прикажете делать в этой ситуации строителям? Если бы инженеры ждали, пока о характере землетрясений станет известно все, им бы не удалось рассчитать ни одного сооружения в сейсмически опасных районах.
Еще в начале века профессор Ф. Омори предложил всю проблему упростить. Он рассудил так: какие колебания чаще — те, что сотрясают землю прямо под сооружением, или те, что приходят издалека? Природа не выбирает целей, значит, обычнее вторые. Выходит, чаще всего на сооружение наваливаются горизонтальные, самые опасные нагрузки: они пытаются свалить и здания, и мосты, и трубы (вертикальные же способны только ненадолго как бы понизить их вес).
Так родилась самая первая, японская, теория расчета конструкций, которая исходила из того, что к основанию сооружения прикладываются горизонтальные силы. Это было большим достижением науки, наконец-то сооружения можно было рассчитывать и на случай землетрясения. В Токио, Киото и Иокогаме выросли дома, которые, как сообщала реклама, не боятся подземных толчков. И сразу же эти здания были объявлены строительной классикой, а книги японских сейсмологов стали почитаться как священное писание.
Мой дом — моя крепость
Японский опыт: приземистые, массивные здания на мягких, как матрац, основаниях, зоны безопасности в центре городов, там, где из-зa возможных толчков запрещено строить, — нужно ли копировать его? Не значит ли это просто отступать перед стихией? Все-таки дом крепостью быть не должен.
Чем больше К. С. Завриев знакомился с последствиями, землетрясений, тем меньше верил в абсолютную правоту японских сейсмиков. Нет, их работы очень полезны, но... Только горизонтальные силы, а если толчок придется под самим сооружением?
Японские сейсмики отказывали зданию в праве на сопротивление и оборону. Массивное сооружение всей своей мощью воспринимает удар, гибкое — смягчает его, подобно дереву в бурю... Так перед Завриевым встала задача, с которой он уже встречался в первой своей научной работе: расчет внешних воздействий с учетом гибкости конструкций.
Молодой ученый не надеялся на легкую победу над землетрясением, он был готов к долгим годам исследований. В середине двадцатых годов он создал и возглавил Закавказский институт сооружений.
Перед новым институтом Завриев поставил исключительно трудную задачу. Представим, что земная твердь вдруг превратилась в бурный, бушующий океан. Наши дома, мосты, плотины нужно сделать легкими, прочными и непотопляемыми, как лучшие корабли. Взаимодействие корабля — сооружения и земли — океана: Завриев ограничил проблему только этим. Но в те времена ученые мало что знали и о первом, и о втором.
А тут бывает всякое. К примеру, не раз случалось, что дома по одну сторону улицы сметены подземными толчками, а по другую — стоят целые, как ни в чем не бывало. Выяснилось в конце концов, что причина в подстилающих грунтах. Гравий и песок лучше «принимают» толчок, чем глина, тем более глина, насыщенная водой (вопреки библейской притче не так уж плохо строить на песке). Но самым надежным основанием в пору землетрясений оказывается прочная скала (на такой каменной горе, кстати, расположена ныне тбилисская гостиница «Иверия»). По сути, это островок безопасности в пору подземных бурь: сейсмичность там всего лишь шесть баллов, а на более рыхлых грунтах в том же Тбилиси на 1—2 балла выше.
Определив опасность того или иного грунта в сейсмических районах (теперь это называется микрорайонированием), ученые создали точные карты более или менее опасных участков в Тбилиси, Ташкенте, Душанбе и других городах.
Здесь, в Закавказском институте сооружений, впервые землетрясение начали изучать крупным планом, отдельные сооружения попали как бы под микроскоп науки. Японские сейсмики считали: землетрясение наносит удар, и здание испытывает вынужденные колебания, значит, нужно его запроектировать так, чтобы толчки эти не были для него опасны. А Завриев, изучая землетрясения, определил иное: дома, как правило, рушатся от первых ударов, нечему «дрожать» от подземных толчков, потому что здание уже превратилось в руины; если же оно сохранилось после первого сотрясения, то никакие удары ему уже не страшны.
У каждой конструкции свой ритм колебания — такой же, как у маятника, в который попал камень. Но как создать сооружения, которые будут и недвижными и податливыми одновременно?
В 1926 году К. С. Завриев предложил «подпоясывать» дома антисейсмическими поясами. Они скрепляют здание, как обруч бочку, как стальной каркас борта корабля, и не дают ему развалиться от напора подземной бури. В таких подпоясанных домах проживают сейчас миллионы людей.
Здание в сейсмическом районе должно быть легким и прочным, чем меньше его вес, тем слабее его колышут сейсмические волны.
И вот из института Завриева выходит первый в стране легкий бетон для стен, первый в мире преднапряженный бетон — материалы, определившие в строительстве целую эпоху.
Однако и легкие доспехи тоже доспехи. А ведь строить нужно не только надежно, но и недорого. Завриев ставит вопрос так: в пору землетрясений нужно защищать не все, прежде всего людей, ценное оборудование, памятники культуры. Если в пору подземной бури обвалится железнодорожный мост или вода прорвет горную плотину, целый район лишится помощи или дополнительно подвергнется наводнению. Эти сооружения должны быть особенно прочными. Что же касается зданий, то самое главное, чтобы они не обвалились, а трещины несложно заделать потом. Подсобные же помещения, коровники, склады, вряд ли стоит особенно укреплять.
Это еще одна из идей академика Завриева: оценивать на сейсмичность не только грунты, но и сами сооружения. Он любит говорить, что в сейсмических районах нужно строить так же, как в спокойных, только много лучше. Широкие улицы, зеленые бульвары не только удобны, они встают барьерами на пути столь опасных при землетрясениях пожаров. Статуи на крышах, большие карнизы не только некрасивы, они могут упасть от подземных ударов и поранить, убить людей.
Строить как можно лучше...
Несколько лет назад в Перу произошло сильное землетрясение. Пострадал Куско — тот самый город, где когда-то была древняя столица инков. Но вот что интересно: разрушенными оказались как раз более новые здания, построенные испанцами, строения же инков полностью сохранились.
В чем дело, быть может, инки владели некими неизвестными нам строительными секретами? Нет, испанские дома, по идее, должны быть прочнее, ведь инки не скрепляли камни раствором. Но качество у инков было выше: они очень точно пригоняли друг к другу массивные блоки.
Качество строительства — примелькавшиеся и даже надоевшие слова, но иного пути к созданию сейсмостойких конструкций нет. Без этого все предложения ученых, теории и данные лабораторных экспериментов — благие намерения, которыми, как известно, вымощена дорога в никуда.
Но что значит самый прочный дом, если корнями своими, фундаментом он уходит в беспокойную землю? Не напоминает ли он могучий корабль, бессильный перед еще более могучей стихией?
Однажды на лекции для молодых строителей К. С. Завриеву задали необычные вопросы:
«А нельзя ли полностью изолировать здание от подземного удара? Например, оторвать его от земли как раз на время землетрясения?»
Старый ученый улыбнулся, развел руками: увы, пока еще никто не додумался до воздушных замков, строить приходится на земле. Однако сильно ослабить связь сооружения с его основанием, самортизировать толчки, не пропустить вверх самые разрушительные волны — это, пожалуй, можно.
Сооружения должны сочетать и жесткость и гибкость: куда, к примеру, годится мост, дрожащий от ветра, или здание с пружинящими полами? Поэтому инженеры прибегают к ухищрениям. В Лос-Анджелесе запроектирован дом, нижний этаж которого покоится на катках. Предлагают для этой же цели применять шары и даже смазку. Расчет простой: подземный удар передвинет сооружение, но не разрушит его.
Интересный проект сделал и воплотил в жизнь инженер Ф. Д. Зеленьков. Под его руководством в Ашхабаде построен трехэтажный каменный дом, который, по утверждению автора, совершенно не откликается на сотрясения земли. Дом опирается на огромные рессоры, вес одного лишь болта 120 килограммов, однако металл расходуется не зря: связь экспериментального дома с землей в тринадцать раз меньше, чем у обычных зданий. Считается, что и при десятибалльном землетрясении в доме даже не зазвенит посуда, а ведь обычно в районах, где возможны толчки более восьми баллов, строить не рекомендуется.
Так что же, найдена универсальная защита от землетрясения? Здесь специалисты отнюдь не единодушны: считают, что рессоры обходятся дорого и многоэтажные здания ни на какие пружины не поставишь. Вероятно, последнее слово останется за природой: дом Зеленькова построен после ашхабадского землетрясения 1948 года и не был опробован сильной подземной бурей.
Вероятно, одного какого-то средства защиты сооружений просто не существует. Делают под зданием ленточный фундамент, своеобразную подушку, ослабляющую колебания, но это эффективно, если грунт под ней прочный и не проседает. Поднимают сооружение на бетонных столбах, защищая его от самых энергичных, высокочастотных колебаний, но более частые низкочастотные волны его сотрясают. И, наконец, используют в качестве буфера первый этаж высокого здания. Никаких дополнительных средств это не требует, обычно там расположены просторные помещения — ателье, магазины, которые ограждают высокие, а значит, гибкие колонны. Такой «гибкий» этаж действительно способен (хоть не полностью) защитить здание при сильных землетрясениях.
И все же есть сооружения, которые ни на какие амортизаторы не поставишь. Трехсотметровая плотина Нурекской ГЭС должна выдержать толчки силой в девять баллов. В не менее сложных условиях должна будет работать и гигантская высотная плотина, которая перегородит Ингури. Их модели уже прошли испытания в лабораториях. Решено сделать их не только прочными, но и легкими, тонкостенными, так чтобы в колебания не были вовлечены большие массы. А в теле плотин и в их основании заделают сторожа-автоматы и специальные сейсмографы. Высочайшие в мире ГЭС будут служить не только энергетике, но и сейсмологии.
...У сильных землетрясений есть одно пренеприятное свойство: они всячески избегают встреч с учеными. Приходится имитировать подземные толчки, трясти конструкции на мощных многопрограммных виброплатформах, разрушать дома на полигонах сильными взрывами. И все-таки никогда нельзя сказать заранее, так ли поведут себя сооружения в пору подземной бури. Землетрясение и коварно и многолико, его буйство мало напоминает то, что удается организовать в лабораториях. Поэтому ученые и инженеры решили устроить на него засаду.
В Душанбе на проспекте Ленина есть дом 90. Дом как дом, многоэтажное здание из железобетона построено по последним рекомендациям науки. Живут в нем люди. И только одна квартира на первом этаже нежилая. Здесь контрольный пост, стоят приборы, провода от которых протянулись к датчикам на этажах.
Идет необычный эксперимент: режим его навязывает природа. Но не вечно нам пассивно выжидать приход подземной бури, укреплять свои дома, мосты, плотины только затем, чтобы они удержались на гребне подземной волны. Прогноз землетрясений, даже самый точный, — все-таки полдела. Предвидеть подземные толчки для того, чтобы их предотвратить, — вот достойная цель. И кое-что для ее достижения делается уже сегодня. Однако достижение этой цели — деле дня завтрашнего.
...Приборы сообщили: через несколько дней содрогнется земля. Подземная тетива натянута, и энергия недр должна получить выход. Но люди не ждут наступления буйства стихии. Мощные заряды в глубоких шурфах срабатывают, возбуждая вибрацию подземной тетивы. И вместо мощной бури, сильных толчков — целая серия слабых, которые не ощущают ни люди, ни дома. Это не фантазия, так в опытах уже «гасят» грозную энергию недр.
Земля, надежная, как... земля. И легкие сооружения, устремившиеся к солнцу. Таким видится завтрашний день планеты.
Александр Харьковский
