Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Но вернемся к колебаниям. Так называемые собственные частоты колебаний, подобно отпечаткам пальцев у людей, строго индивидуальны. Это просто данность, значение которой мы не всегда даже можем себе представить. Чем ближе частоты внешнего динамического воздействия к собственным частотам колебания сооружения, тем больше динамический эффект — ускорения, инерционные силы, амплитуды колебаний. На рис. 43графически показана зависимость этого эффекта от частоты возможного внешнего воздействия. Рассматривается конструкция, представленная на рис. 42, собственная частота которой равна 4 колебаниям в 1 с. Это так называемый динамический коэффициент: на него надо умножать усилия и деформации, определенные при статическом воздействии нагрузки. Когда частота внешнего воздействия равна нулю, динамический коэффициент равен единице, т. е. динамический эффект отсутствует. С ростом этой частоты динамический эффект резко увеличивается, пока не достигнет критического порога — околорезонансной области, когда внешнее воздействие имеет частоту, близкую к собственной частоте конструкции. Разумеется, на практике при резонансе динамический эффект не может быть бесконечно большим, так как конструкция сопротивляется воздействию, но, во всяком случае, последствия динамического конфликта при этом особенно велики. Если источник вибраций является достаточно мощным, дело может быстро закончиться разрушением.

В некоторых случаях, например в машинных залах электростанций, вращающиеся турбины (а они никогда не могут быть идеально сбалансированными) «атакуют» здание с частотой, которая значительно больше собственной частоты несущей конструкции. Это гораздо менее страшно. Как можно видеть на рис. 43, при таких значительных различиях динамический эффект весьма невелик, поскольку динамический коэффициент имеет малую величину. Однако опасен момент запуска и остановки агрегатов, так как в этом случае они проходят через резонансный порог. С подобным явлением мы можем столкнуться, пользуясь некоторыми хозяйственными электроприборами с вращающимися частями; которые начинают содрогаться и даже подскакивать при включении и выключении. Поэтому необходимо, чтобы этот порог был пройден как можно быстрее.

Как и в случае устойчивости при динамических воздействиях, возможны различные формы колебаний конструкций, которые колеблются со своей, характерной для каждой из них частотой (иначе говоря, собственные частоты могут быть сообразными возможным формам колебаний). На рис. 44показаны телевизионная башня и три возможные формы ее динамического поведения во время землетрясения. Какую из них следует ожидать? Это зависит от частоты внешнего воздействия; чем она больше, тем больше вибрации будут соответствовать второй или третьей форме. За 1 с вершина башни неоднократно отклонится от своей оси, но опасные перемещения будут значительно меньше, чем при первой форме колебаний. И наоборот, первая форма предполагает целых 4 секунды для полного круга, но перемещения, а следовательно, и усилия будут для ряда точек тела башни самыми большими.

Вибрации и колебания зданий и сооружений являются опасным, крайне нежелательным процессом. Они оказывают отрицательное влияние не только на несущую способность и эксплуатационную пригодность конструкций, но и на людей, которые работают в здании. Поэтому их уменьшение или полное устранение имеет первостепенное практическое значение. Но так как характеристики динамического воздействия представляют собой данность, которую можно только определить, в распоряжении проектировщика остаются лишь конструктивные меры. Благодаря этим мерам динамический конфликт более или менее успешно смягчается и ограничивается целесообразными, допустимыми пределами. Прежде всего проектировщики стремятся создать конструкции, собственные частоты которых существенно отличаются от частот возможного внешнего воздействия. Путем соответствующего варьирования статической схемы, жесткости отдельных элементов и конструкций в целом, а также их массы достигается расхождение частот и удаление от резонансной области. После обеспечения приемлемых, безопасных характеристик колебаний (поскольку они неизбежны) можно подумать и о «восприятии» дополнительных динамических усилий.

В антисейсмическом строительстве все чаще применяются сравнительно гибкие конструкции. Благодаря этому разрушительная энергия землетрясения «воспринимается» движениями здания, превращается в кинетическую энергию и опасные ускорения по высоте здания уменьшаются, а следовательно, уменьшаются и сейсмические силы. Другой путь их уменьшения — это облегчение конструкций, применение легких строительных материалов главным образом для ненесущих, ограждающих элементов. Таким образом уменьшаются массы, которые несет на себе конструкция, уменьшаются и инерционные силы. Но о землетрясениях мы еще поговорим.

В последнее время в печати встречаются два вида оценки силы землетрясения: в баллах и по шкале Рихтера. Как их следует понимать и каков их физический смысл?

Шкала Меркали, как и ее усовершенствованный вариант — шкала МСК (Медведев — Шпонхойер — Керник), является двенадцатибалльной. Эти шкалы используются для определения разрушительной силы землетрясений; для этого необходимо тщательно обследовать уже нанесенные повреждения. Градация при этом приблизительно следующая: толчки в VIII баллов в два раза разрушительнее толчков в VII баллов, толчки в IX баллов в четыре раза разрушительнее толчков в VIII баллов и т. д.

Землетрясения в VI баллов практически безопасны, хотя они всеми ощущаются и сопровождаются падением книг с полок, остановкой стенных часов и т. д. Но вот как описываются в шкале Меркали — Канкани (МК) толчки в VII баллов:

«… Все бегут на улицу. Некоторые выскакивают через окна. Водители теряют управление… Значительны повреждения плохо построенных зданий. Падают некоторые трубы…»

В шкале МСК читаем:

«… Трещины на дорогах … Изменяется дебит водоисточников, вода в водоемах мутнеет. Трудно передвигаться без опоры…»

Землетрясение в VIII баллов представляет собой весьма серьезное бедствие:

«… Рушатся стены, заводские трубы, памятники, автомобили мечутся на стоянках» (МК).

«… Трещины в почве … Все выбегают на улицу. Трудно сохранить равновесие…» (МСК).

IX баллов:

«Добротно спроектированные сооружения кренятся, фундаменты расходятся … Рельсы на железнодорожных линиях начинают искривляться … Большое волнение в водоемах, появляются новые и исчезают старые источники… Паника…» (МСК).