Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

УРАГАННЫЕ ВЕТРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВО

Сильные порывы ветра — это не только внушительное явление природы, но и источник серьезных технико-экономических проблем общечеловеческого значения. Почти бесплотный воздух может быть носителем колоссальной кинетической энергии. Будучи вовлеченными в циклоническое движение земной атмосферы, он превращается в могучий вал, оставляющий на своем пути многочисленные разрушения.

По сообщению секретариата Всемирной службы погоды, ураганные ветры ежегодно наносят ущерб, исчисляемый 1,5 млрд. долл, (на основании данных за последние сто лет). Почти 2/3 этой суммы составляет ущерб, причиняемый нашей градообразующей среде — зданиям и сооружениям. Сумма ущерба, в среднем причиняемого ежегодно землетрясениями, примерно на 40% меньше. Только в США ежегодные потери за период 1915 — 1924 гг. составили 63 млн. долл. С этого времени до наших дней они в среднем увеличиваются на 9,5%, что на 40% больше прироста национального дохода США. В Японии потери от ураганных ветров возросли с 273 млн. в 1945 г. до 600 млн. долл. В странах Карибского бассейна за последние десять лет эта сумма возросла втрое. Подобным же образом растут потери от ураганных ветров в странах юго-восточной Азии и на Филиппинах.

Разумеется, ветры не стали ни более сильными, ни более продолжительными, чем, например, в ХVIII в. Просто препятствия, которые человек ставит на их пути, т.е. все возвышающиеся над землей искусственные сооружения, в связи с нынешней ускоренной урбанизацией стали значительно выше.

Нет страны, которая была бы застрахована от внезапного воздействия ураганных ветров, и это создает необходимость в специальных конструктивных мерах для обеспечения надежности зданий и сооружений. Их несущие конструкции предназначены в первую очередь для восприятия вертикальных гравитационных нагрузок — собственной массы, массы людей, оборудования, снега и т.д., о чем мы уже говорили. Ветровые же нагрузки — горизонтальны, и именно это является причиной их специфического воздействия на конструкции. Механизм их «агрессии» коренным образом отличается от действия вертикальных гравитационных нагрузок. Создание устойчивости к ветровым нагрузкам обыкновенно требует дополнительных капиталовложений, и обеспечение необходимой надежности, в сущности, связано с удорожанием строительства.

Сто лет назад подобных проблем еще не существовало. Здания строились из тяжелого кирпича или камня, и массивность в сочетании с малой высотой делала их устойчивыми к порывам ветра. Но переход к новым материалам, каркасным конструкциям и большой высоте зданий и сооружений поставил перед конструкторами весьма острые «ветровые» проблемы. Очевидно, что для 100-метрового административного здания или 200-метровой трубы ветер — это первостепенный «агрессивный фактор», и его воздействие должно быть тщательно исследовано.

Но вернемся к убыткам. Экономисты утверждают, что они возрастают в прямой зависимости от роста строительства. Однако размеры их строго индивидуальны для каждой климатической зоны и даже для каждой страны. В особенно невыгодном положении находятся страны тропического пояса — «царства ураганов». Как правило, это развивающиеся страны с еще не окрепшей экономикой, которая ежегодно испытывает сокрушительные удары от традиционных атмосферных явлений. Некоторые скептически настроенные ученые на Западе даже делают вывод, что технический прогресс теряет смысл в этих странах, так как они постоянно находятся под географически предопределенной угрозой, и стоимость ежегодных потерь всегда будет соизмерима с процентом роста национального дохода.

Но такой подход, разумеется, является антигуманным и до некоторой степени нелогичным. Сколь ни пессимистичны перспективы для этих стран, у них есть и своя положительная сторона — они стимулируют ученых и специалистов искать новые пути и средства размыкания «клещей» природы. С точки зрения математической статистики ветры не становятся ни сильнее, ни продолжительнее. Но в определенные годы, дни и часы в различных районах планеты поднимаются особенно сильные, особенно опустошительные ветры.

Снова возникает вопрос: на какую силу ветра проектировщик должен рассчитывать конструкцию? В каком случае она будет надежной?

Принципиальный ответ на этот вопрос дать нетрудно. Надо проанализировать многолетние метеорологические наблюдения в данном районе и выбрать наиболее сильный ветер. Но какой выбрать — тот, что, по статистике, наблюдается раз в пять лет? Или раз в пятьдесят лет? Или, может быть, тот, что теоретически возникает раз в столетие? Здесь вопрос далеко не только инженерный; в нем просматриваются моральные и социальные мотивы, примешиваются экономические соображения, а его решение, коль скоро оно дискуссионно, нуждается в юридическом «облачении». Подобная дилемма возникает и при строительстве в сейсмических условиях: полное исключение фактора риска, конечно, вещь прекрасная, но связанная с неимоверным удорожанием строительства. В настоящее время оно является массовым, а в мире нет столь богатой державы, которая могла бы позволить себе строить без риска, хотя бы теоретически.

Среди специалистов весьма популярная формула, представленная на рис. 3. С ее помощью скорость ветра трансформируется в лобовое давление (напор), которое струи воздуха оказывают на плоскость, поставленную перпендикулярно направлению их движения. Скорость выражается в метрах в секунду, а давление — в килограммах на квадратный метр. Наибольшая скорость ветра была зарегистрирована 12 апреля 1934 г. в Нью-Гемпшире (США). Она составляла 416 км/ч, что соответствует давлению 722 кг/м2 Столько весит железобетонная плита толщиной 30 см. Так как поверхность человеческого тела, противостоящая такому стремительному ветру, приблизительно равна 0,5 м2, человек не устоит и секунды — он будет мгновенно повален горизонтальной силой в 360 кг. Для сравнения заметим, что даже самый страшный удар лучшего боксера в десятки раз слабее этого природного «нокаута».

Все сказанное выше справедливо, но … при идеальных условиях. Практически же здания и сооружения, которые часто представляют собой тела сложной формы, нарушают нормальное течение воздушных масс и вызывают ряд аэродинамических эффектов, от которых сами и страдают. Возьмем наиболее простой случай — прямоугольное в плане здание с плоской кровлей. Этот элементарный параллелепипед деформирует силовые линии воздушного потока, который обтекает его с пяти сторон. Получающуюся при этом сложную картину лучше всего можно наблюдать в аэродинамическом туннеле. Около 80% напора ветра приходится на лобовую, наветренную стену, однако примерно 60% той же нагрузки испытывает противоположная, подветренная сторона в виде так называемого отсоса. Две другие, параллельные направлению ветра стены, затягиваются воздушным потоком, а на плоскую кровлю оказывается определенное давление.

При двускатной кровле картина усложняется. В зависимости от угла наклона наветренный скат испытывает значительный напор ветра, а подветренный — отсос, возникающий в силу разрежения; поэтому подветренный скат кровли как бы стремится взлететь. При более сложной форме кровли воздействие ветра распределяется иначе, но все же становится более или менее ясно, почему в сообщениях о бурях и ураганах говорится о снесенных крышах. В случае легких конструкций и кровель крыша может оказаться в положении самолетного крыла — благодаря ее форме возникает подъемная сила, превышающая ее собственный вес и прочность ее закрепления на конструкции.

Известные приближения и упрощения в сложной аэродинамической картине вполне допустимы, особенно если они обеспечивают большую надежность здания. Наиболее существенным упрощением можно считать рассмотрение напора ветра как статической нагрузки. Если здание достаточно массивно, пульсации ветра обычно не могут возбудить в нем динамических (инерционных) сил.

Однако при создании очень высоких и гибких сооружений такой подход недопустим. Многолетний негативный опыт заставил специалистов окончательно убедиться в этом. Среди наиболее трагичных историй такого рода первое место, несомненно, занимает катастрофа с висячим мостом у города Такома (США), произошедшая в 1940 г. Но об этом мы расскажем несколько позже.

В Болгарии, как и в большинстве развитых стран, «ветровые вопросы» регламентируются нормативными документами, имеющими силу закона. Страна разделена на три зоны в зависимости от преобладающих ветров. Нормативный напор ветра для этих зон — 35, 45 и 55 кг/м2, что соответствует скорости ветра 85, 97 и 107 км/ч. Для большинства горных районов напор ветра определяется индивидуально в зависимости от непосредственно измеренной скорости. Чаще всего нормативной здесь считается скорость ветра, которая превышает статистически встречающуюся раз в пять лет.