Огнестойкость и сейсмостойкость железобетонных конструкций. Проверка железобетона катастрофой 1906 года и последующие инженерные исследования
Иллюзия это не то же самое что ошибка. Мы называем веру иллюзией, когда исполнение желания является характерным фактором мотивации.
Зигмунд Фрейд. Будущее одной иллюзии.
Помимо конфликтов, возникающих из-за политики или религии, или совместных коварных гибридов обоих, мало какое заблуждение было настолько же дорогостоящим и в материальных, и в людских ресурсах за последнее столетие, как всеобщие заблуждения относительно железобетона, которые сохранялись до второй половины двадцатого века. Иногда получаемые повреждения являются незначительным и накапливается постепенно, как, например, медленное и неизбежное разрушение железобетона на протяжении десятилетий. В таких случаях возникает финансовый ущерб: железобетонный мост, причал или канализационная труба должны постоянно обслуживаться и в конечном счёте сноситься и заменяться, так как ремонт после определенного момента либо невозможен, либо слишком дорог. Если будет принято решение сохранить такое сооружение (например, железобетонное здание, имеющее важную историческую или художественную ценность), то можно ожидать, что стоимость ремонта будет многократно превышать первоначальные затраты на строительство. В других случаях ущерб не накапливается, а является более разрушительным, например, обрушение железобетонной конструкции в результате землетрясения и, как следствие, гибель десятков людей.
В конце девятнадцатого и начале двадцатого веков цементная промышленность сделала много заявлений о железобетоне. Эти заявления утверждали, что это "вечный" строительный материал, что он "огнеупорен" и что он "сейсмостоек", ни одно из которых не соответствует действительности. Это последнее утверждение имело самые неприятные последствия, поскольку в железобетонных зданиях, которые, как считалось ранее, могли выдержать сильные подземные толчки погибли тысячи людей.
Вероятно, в какой-то момент в ранней истории железобетона все три утверждения искренне признавались верными. Пантеон, безусловно, продемонстрировал долговечность римского бетона, и современные архитекторы и инженеры, стремящиеся использовать этот материал, часто указывали на древнее купольное здание как на подтверждение его долговечности. Бетон, несомненно, огнеупорный, особенно по сравнению с деревом; и хотя его устойчивость к землетрясениям еще не была доказана до Калифорнийского землетрясения 1906 года и пожара, казалось, что железобетон, безусловно, будет хорошо выдерживать землетрясения. Поскольку "вечность" бетона было последним из трех мифов, которые были дискредитированы, давайте сначала рассмотрим два других утверждения.
Бетон "огнестойкий" и "выдерживающий землетрясения"
Огнестойкость бетона одно из многих его преимуществ. Вероятность погибнуть или получить серьезные травмы при пожаре в железобетонном здании гораздо меньше, чем при пожаре в деревянном сооружении. Более того, такая огнестойкость даёт больше времени на эвакуацию при пожаре в бетонном здании, потому что, хотя обстановка и отделка внутри такого сооружения (мебель, драпировка и так далее) являются легковоспламеняющимися, каркас строения не возгорается. Огнестойкость бетона легко продемонстрировать: возьмите бетонный блок и попытайтесь его поджечь. Вы быстро обнаружите, если вы еще не знали об этом, что бетон не горюч. Однако, не возгорается, не означает пожаробезопасность. Возьмите тот же самый бетонный блок и бросьте его в печь, подходящим примером может служить клинкерная печь цементного завода, и посмотрите, что произойдет с ним после получасового воздействия интенсивного тепла. Он рассыплется. Это называется "шелушение" и демонстрирует неспособность бетона выдерживать длительное воздействие высоких температур. Кирпич, рожденный в огне, в значительной степени невосприимчив ко всем высоким температурам, кроме безумно высоких температур. Вот почему традиционные печи для хлеба и пиццы сделаны из кирпича; если бы они были сделаны из бетона, они бы быстро развалились.
Поскольку ранние сторонники бетонного строительства конкурировали с кирпичным строительством, они решили заявить, что бетон "огнеупорный". Их мотив был прост: бетон должен быть конкурентоспособен с кирпичом, который, для всех практических целей, является огнеупорным. Действительно, строительные кодексы многих американских городов требовали кирпичного строительства в деловых районах плотной застройки, чтобы предотвратить быстрое распространение пожаров, подобных тем, которые наблюдались при Великом Чикагском пожаре и в ранние годы в Сан-Франциско, последний, до1906 года, опустошался пожарами, по крайней мере, четыре раза. Просто потому, что кирпич является огнеупорным, не означает, что кирпичное здание не может быть серьезно повреждено при пожаре, так как то, что находится внутри него обычно огнеопасно. Однако горящее кирпичное здание помогало пожарным девятнадцатого века сдерживать распространение огня, особенно если соседние строения также были кирпичными. Отсюда и логическое обоснование строительных норм.
Железобетонные здания также обеспечивали аналогичную защиту от распространения огня, но до начала ХХ века, они не считались, наряду с кирпичными сооружениями, "огнеупорными" в городских строительных нормах. Излишне говорить, что это раздражало сторонников бетонного строительства. Кирпичное здание действительно имело одно преимущество перед своими железобетонными аналогами: даже если его полностью опустошил огонь, оставшуюся кирпичную оболочку часто можно было очистить и отремонтировать за меньшие деньги и за меньшее время, чем требовалось для строительства нового здания. Сотни, если не тысячи, исторических кирпичных зданий существуют по нынешний день, как доказательство их устойчивости к огню.
Железобетонное здание также может оправиться от пожара, если огонь не был слишком интенсивен или распространен. Одним из ранних примеров, на который часто указывали бетонные лоббисты, был построенный Эрнестом Рэнсомом в 1897 году в Байонне, штат Нью-Джерси, завод по переработке буры на тихоокеанском побережье, который пережил пожар, произошедший через пять лет после его строительства. Тем не менее, более пристальный взгляд на пожар ясно показывает, почему здание держалось так хорошо. Огонь был наиболее интенсивным в складском помещении внизу, и всё тепло там отводилась через шахту грузового лифта, очевидно, избавляя большую часть здания от воздействия экстремально высоких температур. Расплавленная железная лебедка, по некоторым данным, она была из латуни, с гордостью демонстрировалась как доказательство интенсивности пламени, но этот трофей, похоже, был взят из шахты грузового лифта, где был сосредоточен весь жар. Еще одной необычной особенностью склада была ее двухстенная конструкция с изолирующим воздушным зазором между стенами. Это, вероятно, позволило избежать большей части повреждений внутренних стен. (Рэнсом редко использовал свою гениальную конструкцию из двух стен, вероятно, из-за соображений стоимости.) В то время когда конструкция ремонтировалась, а затем была использована снова, фирма построила рядом подобную конструкцию из металла. Второе здание было возведено либо для расширения бизнеса, либо это свидетельствовало о некоторой нервозности со стороны компании.
Трудно сказать точно, когда защитники бетона на самом деле обнаружили, что их любимый материал не является действительно огнеупорным. Если бы я рискнул предположить, то это, вероятно, произошло примерно в то же время, когда некоторые из их числа начали проводить "опыты", которые якобы подтвердили утверждения об огнеупорности бетона. Критически важная информация в этих ранних отчетах об испытаниях всегда отсутствует, например, как долго и как близко бетон подвергался воздействию источника тепла. Эти замечательные пробелы в данных говорят о том, что те, кто проводил эксперименты, хорошо знали, от чего нужно держаться подальше. Тесты были настолько бесполезны, что даже некоторые защитники бетона были вынуждены указать на их недостатки. В своей книге 1912 года "Противопожарная защита применительно к строительству зданий" Джозеф Фрейтаг писал, что эксперименты "слишком много внимания уделяли нагрузочным характеристикам перед испытаниями бетона" и что "сомнения заключаются в их качествах после испытания огнем". Не понятно, являлись ли наблюдения Фрейтага его разочарованием в бетоне или выражением его чувства иронии.
Тем не менее промышленная пропаганда обычно побеждает отсутствие экспериментальных данных. В энциклопедии Британника 1911 года в статье, написанной о "бетоне", говорится, что железобетонный портландцемент на тот момент "считался одним из лучших известных огнестойких материалов. Хотя эксперименты по этому вопросу крайне необходимы, нет никаких сомнений в том, что хороший стальной бетон почти не поддается разрушению огнем". Видимо, отсутствие "крайне необходимых экспериментов" не помешало августовскому изданию поверить на слово бетонной отрасли.
Заявления о несгораемости бетона делались и в Европе. Одним из примеров является "Der Eisenbetonbau - Seine Theorie und Anwendung" Эмиля Морша ("железобетонная конструкция - ее теория и применение"), опубликованная в Германии в 1906 году. Морш утверждал, что железобетон обеспечивает "абсолютную огнестойкость" (absolute Feuersicherheit). Если огнестойкость становится "абсолютом," то мы теперь говорим о "пожаробезопасном". Это опасная словесная игра, но в этот период она практиковалась большинством бетонных лоббистов по всему миру.
Заявления о сейсмостойкости железобетонных зданий как, например, тех которые были сделаны в отношении обсерватории Суини в парке Золотые ворота - были менее частыми, просто потому, что землетрясения были чем-то, о чем мало кто думал, но пожары были почти ежедневным явлением в крупных городах.
Сомнительные утверждения об "огнеупорном" и "сейсмостойком" характере бетона должны были быть отброшены после землетрясения и пожара в Сан-Франциско 1906 года, что обеспечило "реальный" тест, который продемонстрировал, что бетон не был ни тем, ни другим. Вместо этого бетонные лоббисты исказили данные этой катастрофы, чтобы "доказать", что железобетон хорошо противостоял двойному злу - толчкам и огню. Из-за этого обмана многие люди во всем мире умрут в течение следующего столетия в зданиях, которые, по их мнению, не подвержены разрушению в результате движений земной коры.
Проверка железобетона катастрофой 1906 года
В начале 1970-х Глэдис Хансен, городской библиотекарь в Сан-Франциско, начала изучать случаи смертей, связанные с землетрясением и пожаром 1906 года. Она получила ряд писем от людей, чьи родственники исчезли после катастрофы, но не были включены в список 375 известных жертв в официальном списке погибших при катастрофе 478 человек. Очевидно, подумала Хансен, эти люди должны быть среди 103 неопознанных жертв. Она начала просматривать различные больничные записи, газетные статьи, неопубликованные письма и свидетельства очевидцев в попытке сопоставить имена, предоставленные семьями, с именами, указанными в этих архивных материалах. Шли месяцы и годы, Хансен очень упорный исследователь, и она постепенно осознала, что не только число погибших намного превышает официальное число погибших, но и отчеты из неопубликованных материалов, многие были взяты из безупречных источников, полностью расходятся с утвержденной версией событий, предоставленной городскими и военными чиновниками после катастрофы. К тому времени, когда Хансен и бывший шеф пожарной службы Сан-Франциско Эммет Кондон опубликовали свою замечательную книгу "Отрицание катастрофы" (1989), Хансен обнаружила факт 1800 смертей. В исследованиях Хансен проведённых с тех пор она обнаружила около 1600 смертей, связанных с катастрофой, и она считает, что общее число погибших, которое никогда не сможет быть выяснено точно, вероятно, выше. Неопубликованные письма, мемуары, монографии и один военный доклад (с пометкой "Совершенно секретно" и опубликованный в свободном доступе в соответствии с законом "О свободе информации") описывают стихийное бедствие, в котором больше ужаса и разрушений, чем кто-либо ранее осознавал или подозревал. Почти столь же обескураживающим было открытие, что городские и военные чиновники, за исключением ВМС США, справлялись с создавшейся ситуацией с такой полной некомпетентностью, что они фактически способствовали гибели людей и увеличению ущерба от катастрофы. Дальнейшие исследования, проведенные другими людьми, заполнили недостающие детали и в целом соответствуют рассказу Хансен о том, что произошло в 1906 году. Помимо "Отрицания катастрофы", есть работа Филипп Л. Фрадкина "Великое землетрясение и огненная буря 1906 года", и исключительная работа Денниса Смита "Сан-Франциско горит", обе были опубликованы в 2005 году. Смит обнаружил захватывающую неопубликованную монографию морского офицера, который вместе с другими офицерами, моряками и морскими пехотинцами под руководством лейтенанта. Фредерик Фримена, помогал пожарным Сан-Франциско бороться с пламенем в нескольких районах города.
Наша цель здесь не в том, чтобы еще раз исследовать ужасы, связанные с этим страшным событием в истории Калифорнии, а в том, чтобы взглянуть на один его аспект: как катастрофа была использована защитниками бетона, чтобы закрутить историю, которая не имела под собой никаких оснований.
Инженерные исследования после 1906 года
Когда утром 18 апреля 1906 года часть разлома Сан-Андреас, охватывающая большую часть побережья Северной Калифорнии, сместилась, это вызвало одно из крупнейших землетрясений, зарегистрированных в истории штата. Поскольку в то время современных сейсмографов не существовало, мы можем только догадываться о его силе, хотя большинство властей согласны с тем, что оно, вероятно, находилось бы между 7,8 и 8,25 баллами по магнитудной шкале (8,2 по шкале Рихтера). Эпицентр землетрясения находился в паре миль от западного берега Сан-Франциско. Через несколько минут после землетрясения по всему городу, особенно в так называемом южном районе рынка, вспыхнули пожары, вызванные разрывами газопроводов и обрушившимися линиями электропередач, там, где находились частные деревянные жилые дома которые были повреждены или разрушены в результате сдвига почвы, на которой они были построены. К сожалению, землетрясение также разрушило множество водопроводных сетей в этом же районе города. В условиях нехватки воды городские власти и военные попытались взрывами разорвать пламя в попытке остановить расширение площади возгорания, но использование взрывчатых веществ вызвало только ещё больше пожаров. Пожары слились в несколько мощных огненных бурь, которые, казалось, невозможно было остановить. К счастью, после трех дней ада, западные ветры повернули на восток, раздувая пламя над уже выжженными частями города, что позволило пожарным, наконец, погасить пожар.
Вскоре после катастрофы 1906 года было создано несколько комиссий для изучения землетрясения и ущерба, которое оно причинило конструкциям города. Одна из них была организована Геологической службой Соединенных Штатов (USGS); другая была независимым комитетом под председательством президента Стэнфордского университета Дэвида Старра Джордана; а третья, самая амбициозная, была сформирована и возглавлялась Эндрю Лоусоном, профессором геологии Калифорнийского университета в Беркли. Сегодня эти три комиссии по исследованию результатов землетрясения обычно упоминаются историками как "Отчёты USGS, Jordan и Lawson о землетрясении 1906 года". Первые две комиссии рассматривали как геологические, так и сейсмические инженерные вопросы, но в основном сосредоточились на последних. Хотя в докладе Лоусона рассматривалось влияние подземных толчков на сооружения и ландшафт Северной Калифорнии, он в основном сосредоточился на геологических аспектах землетрясения. По этой причине мы просто сосредоточимся на докладах первых двух комиссий - USGS и Jordan.
Отчёт USGS
В комитете USGS было три гражданских инженера, привлечённых для изучения ущерба, причиненного катастрофой 1906 года: капитан Джон Стивен Сьюэлл из Инженерного корпуса армии; Фрэнк Соул, профессор инженерии Калифорнийского университета в Беркли; и Ричард Льюис Хамфри, инженер-материаловед, работающий в USGS. (Первопроходец-геолог Гроув Карл Гилберт затронул в докладе геологические вопросы, тему, которую мы здесь рассматривать не будем.)
Читая отчет USGS, становится ясно, что все трое специалистов были благосклонно настроены по отношению к бетону. (Хамфри позже стал президентом Национальной Ассоциации потребителей цемента, теперь Американского института бетона). Хотя все трое неохотно согласились с тем, что разрушение кирпичных зданий было вызвано главным образом плохим раствором и/или расшатавшимися стенами (кирпичные стены не были прикреплены болтами к каркасу), они не могли не трубить в фанфары о достоинствах железобетона по сравнению со строительством из кирпича, утверждая, что последнее особенно уязвимо для землетрясений.
Одним из фактов внушающих тревогу было то, что железобетонная обсерватория Суини - главная достопримечательность Сан-Франциско, построенная Эрнестом Рэнсомом в конце 1880-х годов, - быстро рухнула во время землетрясения. Соул никогда не упоминает об этом в своей статье. Хамфри, к его чести, делает такое упоминание, но он также отмечает, что сланцевый заполнитель сделал бетон "очень плохим" и приписывает обрушение обсерватории оседанию грунта, вызванному землетрясением. Хамфри пытается придать оптимистичный оттенок разрушению обсерватории. Сравнивая его обрушение с разрушением двух каменных зданий в парке, он пишет: "Ни одно кирпичное или каменное сооружение не смогло выдержать удар". Другими словами, сотрясение было настолько сильным, а песчаная почва настолько не прочной, что мало что в парке могло противостоять таким силам. Сьюэлл упоминает обсерваторию только мимоходом, признавая, что он не исследовал ее руины "кроме как издалека". Любопытно, что нигде в этих отчетах городская достопримечательность "обсерватории Суини" не называется прямо. Хамфри называет её "циклорамой" (имя, которое я не могу найти ни в одной из открыток Сан-Франциско до 1906 года или в туристических брошюрах, в которых упоминается здание), а Сьюэлл просто называет его "круглой обсерваторией". Практически все известные здания в городе упоминаются своими именами, особенно здание Bekins Van and Storage Company, которое, по словам Хамфри, было "единственным примером чистого типа железобетона [о как!] в городе" и, конечно же, было среди выдержавших катастрофу. Странно, что Хамфри, тот, кто упоминает "циклораму" всего за четыре страницы до своих замечаний о складе Бекинса, теперь, по-видимому, забыл о том, что знаковое здание в парке Золотые Ворота было, в отличие от кирпично-бетонного склада Бекинса, действительно "чистым" железобетонным сооружением.
Хамфри был не одинок в искажении фактов: замечания всех трех инженеров в отчете USGS, бесспорно, предвзяты в пользу железобетонного и против кирпичного строительства. Сьюэлл отмечает, что "большую полезность железобетона при землетрясениях нельзя отрицать" и что "прочная монолитная бетонная конструкция любого рода защищена от серьезного ущерба в любой стране где бывают землетрясения", только если здание "не оказывается на линии сдвига [сейсмический разлом]; в этом случае ущерб может быть роковым, а может и нет, в зависимости от величины сдвига и интенсивности сопутствующих ему сил". Как и многие инженеры, благосклонно относящиеся к бетону, Сьюэлл не смог устоять перед ударом в "оппозицию Союза каменщиков и подобных организаций", которые "препятствовали использованию железобетона в Сан-Франциско для всех частей зданий. Эта акция профсоюзов дорого обойдется городу, а если она будет продолжена, то в будущем обойдется гораздо дороже." Под "всеми частями зданий" Сьюэлл имеет в виду кирпичные навесные стены вместо железобетонных, которые устанавливались в больших офисных зданиях, возводимых из стальных каркасов. В своем резюме Сьюэлл пишет, что "железобетон доказал свое превосходство над кирпичной кладкой вне всякого сомнения" в произошедшей катастрофе. Соул подтверждает эту точку зрения в своей статье и, подобно Хамфри, указывает на склад компании "Бекинс Ван энд Сторидж" как на "единственное в городе здание значительных размеров из железобетона" и на то, что оно сопротивлялось "действию землетрясения и пожара. В этом здании бетон действовал как совершенная огнестойкая защита для стали. В том, что объект Бекинса был единственным железобетонным зданием в Сан-Франциско (опять же, обсерватория Суини была полностью забыта), Соул обвиняет в "противодействие некоторых профсоюзов при использовании этого материала вместо кирпича и камня"."