ЗДАНИЯ НА "СВОБОДНОМ УЗЛЕ"

В статье приведена информация об Ованесе Аветиковиче Калантарянце – английском враче армянского происхождения. Он родился в 1838 году в Армении и с целью получения высшего образования переехал в Англию, где сначала закончил теологический колледж Святого Айдана, а затем университетский колледж в Лондоне и в Эдинбурге, став дипломированным врачом.

В АВГУСТЕ 1909 ГОДА О.А.КАЛАНТАРЯНЦ НАПИСАЛ ПИСЬМО В САНТЬЯГО директору Сейсмологической службы Чили Фернандо Де Монтессусу Де Баллоре, обращая внимание последнего на разработанный им метод строительства зданий, в соответствии с которым "...множество зданий в сейсмоопасных странах могут быть построены с совершенной надежностью при соблюдении принципа устройства в основании смазанного свободного узла, значительно снижающего степень тяжелых потерь от землетрясения...". То, что врач описывал, было не что иное, как один из первых примеров стратегии проектирования сейсмостойких зданий, известной сегодня как изоляция в фундаментной части или сейсмоизоляция.   

О.А.Калантарянц, человек очень разных интересов, будучи врачом в больнице и диспансере города Скарбороу, что на севере Англии, был также известен своими изобретениями. В 1869 году он изобрел переносной барометр, сертифицированный в астрономической обсерватории в Кью.

В июле 1880 года газета The Argus, издающаяся в Мельбурне, известила: "Новая поверхность катания, названная "кристальный лед", была изобретена доктором Калантарянцем из Скарбороу. Рассматривая лед как кристаллическую материю, которая не может существовать в таком виде при обычных температурах, доктор Калантарянц экспериментировал с большим разнообразием солей и спустя некоторое время преуспел в создании смеси, состоящей в основном из карбоната и сульфата соды, которая, будучи уложена в горизонтальном положении, допускает скольжение, как по обычному льду; сопротивление такой поверхности соответствует (равно) сопротивлению льда; она выглядит как лед; и, действительно, когда в результате катания по ней она получает небольшие повреждения, эффект обмана весьма удивителен. Поверхность может быть в любое время заглажена соответствующим приспособлением и, будучи однажды уложенной, будет существовать многие годы. Смесь использованных солей включает до 60% кристаллизированной воды, иными словами, слой состоит из затвержденной воды".

В 1905 году Калантарянц избран вице-президентом англо-армянской ассоциации, базирующейся в Лондоне. В октябре 1903 года в газете The Lancet он публикует статью о предотвращении загрязнения улиц конским навозом.

 В 1908 ГОДУ В БРИТАНСКОМ МЕДИЦИНСКОМ ЖУРНАЛЕ ОН ПУБЛИКУЕТ статью, касающуюся широко распространенной оппозиции к вакцинации. Из большого числа изученных им  случаев многие относились к вакцинации детей. Удивляясь тем, кто против вакцинации, Калантарянц опрашивал матерей, которые подтверждали, что она была успешной.

Вышеприведенное изложено с намерением показать разносторонние интересы О.А.Калантарянца, его творческую натуру. Однако автор данной статьи, работающий последние вот уже 25 лет в области сейсмоизоляции, задался целью ознакомить читателей с деятельностью Калантарянца именно в этой сфере.

Как отмечалось выше, в 1909 году он написал письмо в Сейсмологическую службу Чили о своем изобретении.

Доктор Калантарянц отмечает в своем письме: "Я провел эксперимент с шарами за много лет до того, как это было сделано в Японии, или в любом случае до того, как какое-либо упоминание об этом появилось в статьях около 25 лет назад". Совершенно очевидно, что он имел в виду англичанина Джона Милна, профессора в области шахтной инженерии в Королевском инженерном колледже в Токио в 1876-1895 годах, который построил образец изолированного дома с применением чугунных плит с установленными между ними металлическими шарами.

Затем Калантарянц представил патентное предложение в Британский патентный офис о методе строительства, которым предлагал строить здания на так называемом свободном узле – слое из мелкого песка, слюды или талька (рис. 2), который позволил бы зданию скользить по нему во время землетрясения, снижая силы, действующие на само здание.

О.А.Калантарянц так объяснял свое изобретение, названное "Система, предназначенная для здания и его содержимого, с целью сопротивления действию землетрясения и аналогичных воздействий". Система, которую я предложил, может показаться весьма удивительным новшеством. В отсутствие реального эксперимента на здании, снабженном такой системой, позволяющего доказать ее эффективность, я предлагаю небольшой эксперимент, который позволит проиллюстрировать режим работы и который можно легко выполнить, не покидая свой стол за завтраком.  

 ВОЗЬМИТЕ ДВЕ НЕГЛУБОКИЕ ТАРЕЛКИ И ДВА ЯИЧНЫХ СТАКАНА. РАЗМАЖЬТЕ немного клейкой массы, например, мед или джем, на дно одного из стаканов, а затем положите его твердо на середину одной из двух тарелок. Мед или джем - это "раствор", который скрепляет стакан – "суперструктуру" и тарелку – "фундамент здания" типично, как это делается при обычном способе строительства. Теперь возьмите посуду обеими руками и двигайте ее быстро в разные стороны на несколько дюймов, как действует землетрясение. Вы увидите, что стакан – "здание" – сразу разрушается. Теперь положите другой стакан в середину другой тарелки, предварительно посыпав на нее немного соли, что будет представлять собой мою систему здания со "свободным узлом" без какого-либо связующего материала. Двигайте их, как и в первом случае, и вы увидите, что стакан, который ранее представлял разрушенное здание, сейчас просто скользит из стороны в сторону; но это так кажется, потому что в действительности тарелка – "фундамент здания" двигается из стороны в сторону, в то время как стакан – "здание" остается в основном на своем месте там, где он был.

Грунт не имеет контакта со зданием, и, следовательно, нет нужды усилять здание для того, чтобы оно сопротивлялось воздействию, делать его дороже, более чем необходимо для восприятия собственной инерции. В этом контексте степень силы землетрясения теряет свой смысл, потому что колебания грунта высокочастотные и маловероятно, что они будут передаваться суперструктуре. Это может быть хорошо оъяснено экспериментом со стаканом вина на листе, который в свою очередь положен на скользящую горизонтальную поверхность, стол. Чем быстрее (с большей скоростью) вы вытяните лист, тем меньше будет движение вина в стакане.

В отношении стоимости материала для конкретной документированной поверхности я рассчитал ценник, пользуясь информацией из магазина, и она оказалась очень низкой, особенно по сравнению со стоимостью здания. Если план получен асбестовой линией (круглого или квадратного сечения в дюймах) вдоль каждой стороны стены и внутренняя поверхность заполнена штукатуркой из французской пудры или глиной, то для здания 50?50 футов (232 кв.м) стоимость составит около ?16-?20, если толщина равна двум футам. Или если документированная поверхность сформирована листами асбеста толщиной в четверть дюйма, установленными по всей ширине стены и посыпанными пудрой с обеих сторон, то стоимость для того же здания составит порядка ?12. А если вы хотите иметь свободную пару без смазанного слоя, то можно сделать основание суперструктуры из такого типа камня, поверхность которого станет пылевидной в результате трения так, что с течением времени обеспечит возникновение слоя пудры как смазки".

Из чертежей (эскизов) и описаний Калантарянца очевидно, что он ясно понимал, что система сейсмоизоляции снижает ускорения в изолированном здании за счет большого относительного перемещения между зданием и фундаментом. Поэтому с целью обеспечения бесперебойной работы систем коммуникаций (в те дни они ограничивались газовыми и канализационными трубами) им были достаточно детально разработаны стыки в коммуникациях, позволяющие воспринимать упомянутые перемещения во время землетрясения (рис. 3).

О.А.КАЛАНТАРЯНЦ ОПИСАЛ ПРЕИМУЩЕСТВА ЗДАНИЙ, ПОСТРОЕННЫХ И ЗАЩИЩЕННЫХ его системой. Среди многих преимуществ он выделил следующие:

1) Стоимость сооружения, запроектированного и построенного по его системе, значительно мала по сравнению со стоимостью обычных зданий, предназначенных для сопротивления воздействию землетрясений.

2) Сооружения, построенные по этой системе, будут несравнимо меньше нуждаться в ремонтных и восстановительных работах.

3) Применение данной системы обеспечивает продолжительную долговечность сооружения, так как действие повторяющихся толчков имеет сравнительно малый эффект, поскольку наличие специальных поглощающих зон создает необходимую защиту.

4) Есть свобода от всевозможных беспокойств, а также от повреждения стекла, посуды, статуй и других переносных предметов или свободно установленных произведений искусства.

5) Будет большая экономия при ежегодных оплатах страхования жизни или от пожаров, так как меньше риска будет взято офисами, которые будут страховать здания, запроектированные и построенные с применением этой системы, по низшим расценкам.

6) У людей, находящихся в зданиях, построенных с применением данной системы, будет большее ощущение собственной безопасности против толчков, чем в зданиях, построенных для сопротивления землетрясениям по обычной практике.

7) Персональная безопасность против перспективы оказаться под руинами при внезапном разрушении здания от землетрясения, или быть насмерть обожженным в результате последующего пожара.

8) Нет риска огня и прекращения подачи газа или воды как последствий землетрясений, и в целом большее ощущение безопасности всего вокруг, когда находишься в зданиях, надежных при землетрясениях, построенных в соответствии с системой доктора Калантарянца.  

По сути дела, система, предложенная Калантарянцем, впервые включала все необходимые элементы, ныне рассматриваемые при разработке и проектировании сооружений с сейсмоизоляцией в фундаментной части, а именно: отделение здания от фундамента, создание между ними сейсмоизолирующего свободного слоя, обеспечение бесперебойной работы систем коммуникаций и применение ограничителей ветровым воздействиям.

Истории известны предложения по сейсмоизоляции зданий, сделанные до Калантарянца в 1870 году французом Джулесом Туайллоном и американцем Алмондом Купером, в 1885 году англичанином Джоном Милном, в 1891 году японцем Казоу Каваи, в 1906 году немцем Джейкобом Бехтольдом и в начале 1909 года итальянцем Марио Вискардини. Однако ни одно из этих предложений не включало ту степень детализации и те необходимые компоненты, которые делали систему сейсмоизоляции приемлемой для практического внедрения так, как это было разработано и предложено Ованесом Аветиковичем Калантарянцем.   

Микаел МЕЛКУМЯН, создатель систем сейсмоизоляции в Армении