Чтение онлайн

Такова картина глобальных атмосферных движений. Однако вблизи земной поверхности эта картина гораздо сложнее и почти не поддается какой-либо систематизации. Помимо трения воздушных струй о земную поверхность большое значение здесь имеет также характер рельефа — его неровности, которые становятся причиной своеобразных и в известной степени специфических для данного района ветров. Столь же важным является соотношение между водой и сушей. Контактирующие с морями и океанами зоны систематически продуваются местными ветрами, которые в различных районах земного шара даже имеют свои имена. В конечном счете именно эти низкие ветры оказывают непосредственное воздействие на здания и сооружения. Но мы должны еще немного рассказать о том, как они превращаются в нагрузку.

Тропические ураганы — наиболее драматичная форма атмосферной динамики. По существу, это колоссальный энергетический «транспорт», который движется со скоростью современного экспресса от тропиков к умеренным широтам, растрачивая по дороге свою пагубную энергию. А энергия эта может быть приравнена примерно к ста 20-мегатонным водородным бомбам! К счастью (если в данном случае уместно говорить о счастье), такая летящая супербомба не взрывается сразу, а отдает свою энергию медленно, постепенно, в течение нескольких дней, благодаря чему есть возможность в известной степени предсказать направление ее дальнейшего движения. В этом отличие ураганов от землетрясений. Сейчас существует сравнительно хорошо налаженная система обнаружения зарождающихся ураганов и прослеживания их движения, которая располагает множеством современных средств — самолетами и кораблями- лабораториями, искусственными спутниками и наземными станциями. Так что элемент неожиданности почти исключен.

И если жертвы и разрушения все же огромны, метеорологи в этом не виноваты. Нескольких часов или даже дней, которыми располагают предупрежденные районы, практически недостаточно для массовой эвакуации населения. Посевы, в сущности, обречены. Конструкции зданий и сооружений, однако, должны устоять любой ценой. Рушатся декоративные элементы, остекление, различные покрытия, но с точки зрения материальных затрат это минимальные и легковосполнимые потери.

Ежегодно несколько десятков таких образований возникают в теплых морях и некоторые из них по сложному пути устремляются к суше. Сезон ураганов в Северном полушарии продолжается с августа до ноября, а в Южном — с декабря до апреля. В сущности, слова «ураган», «тайфун», «циклон», «харикейн» (от индейского «хуракан» — сильный ветер), которыми мы пользуемся в разных случаях, являются полными синонимами.

Всякое устойчивое завихрение со скоростью более 60 км/ч уже называется ураганом, а часто удостаивается и своего собственного имени. Эта интересная традиция родилась в 40-х годах нынешнего столетия, и ее основоположником стал американский писатель Джеймс Стюарт. В одном из своих романов он позволил себе такую авторскую вольность, а метеорологи быстро взяли ее на вооружение.

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».