Невидимый конфликт - [11]
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/м>2 Столько весит железобетонная плита толщиной 30 см. Так как поверхность человеческого тела, противостоящая такому стремительному ветру, приблизительно равна 0,5 м>2, 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.
