Текст книги "Built. Неизвестные истории известных зданий"

Глава 3. Огонь

Утром 12 марта 1993 года я, как обычно, отправилась в школу в районе Джуху города Мумбаи, с аккуратно убранными назад волосами, в накрахмаленной белой блузке и сером форменном сарафане. На зубах у меня были брекеты с зелеными резиночками, которые я сама выбрала. Это уж точно было не круто (да, уже в девять лет я была изгоем класса). В два часа дня мама забрала нас с сестрой на лаймово-зеленом «Фиате» и отвезла домой. Пока мама парковалась, мы с сестрой, как обычно, побежали наверх по лестнице наперегонки к нашей входной двери. Но в этот раз что-то было по-другому. Мы остановились на последней ступеньке. Мы не добежали до двери, потому что там стояла наша соседка, нервно теребила в руках дупатту и выглядела ужасно расстроенной.

Вскоре мы узнали почему. Пока мама забирала нас из школы, на Бомбейской фондовой бирже взорвалась бомба, а там как раз работали мой отец и дядя.

В панике мы вбежали в квартиру и включили телевизор. По всем новостным каналам показывали этот хаос. По всему городу взрывались бомбы. Сотни людей пострадали или погибли. Это произошло еще до появления мобильных телефонов, так что мы никак не могли узнать, живы ли мой отец и дядя и находятся ли они в безопасности.

Бомбейская фондовая биржа представляет собой 29-этажную бетонную башню в самом сердце финансового района Мумбаи. В подвал здания въехала машина со взрывчаткой и взорвалась. Множество людей погибли, еще больше людей получили ранения. Я в ужасе стояла перед телевизором и смотрела на плачущих людей в крови и пыли на экране, которые выбегали из дымовой завесы. К башне мчались полицейские машины, пожарные и машины «Скорой помощи», их сирены ревели. Мы увидели, что офисы на первом и втором этажах здания, находящиеся ближе всего к месту взрыва, полностью разрушены. Было ясно, что в этой части здания никто не выжил. Потрясенные люди с верхних этажей спускались вниз по лестницам и выбегали из здания. Мы смотрели друг на друга и не произносили ни слова, но я знала, что думаем мы все об одном и том же. Мои отец и дядя работали на девятом этаже. Мы молча надеялись на лучшее.

Как мы узнали потом, мой отец сидел у себя за столом и кричал что-то в телефон с плохим соединением одному из своих клиентов, когда сильный взрыв потряс здание. Сначала он подумал, что взорвался электрический генератор или большое охлаждающее устройство. Он вскочил со стула и велел сотрудникам сохранять спокойствие и оставаться на местах. Через несколько секунд он услышал, как люди в ужасе бегут вниз по лестнице. Многие кричали, что это бомба и что нужно как можно быстрее покинуть здание. Мой отец, дядя и их коллеги вышли из офиса и увидели сцены ужаса.

Сотни людей толпой спускались вниз по лестнице. Места почти не было. Отец опустил голову и думал о том, как делает один шаг за другим, стараясь не смотреть на расчлененные тела – руки, ноги, кровь, – разбросанные за лестничными проемами. Наконец он дошел до первого этажа. Машины «Скорой помощи», которые не справлялись с ранеными, перекрыли улицы. Мой отец и дядя покинули территорию биржи, сели на автобус и поехали к моей бабушке. Примерно через два часа после того, как мы пришли домой из школы – самые долгие два часа в моей жизни, – папа позвонил нам и сообщил, что они оба в безопасности.

Много лет спустя, когда я училась в магистратуре по проектированию зданий, мы проходили, как обезопасить высотные здания от взрывов. Вдруг события того страшного дня в марте снова ожили передо мной. Впервые мне в голову пришла мысль: если взрыв произошел прямо в основании здания, а потом там возник пожар, то почему вся башня Бомбейской фондовой биржи не обрушилась?

Теперь я знаю, что этому есть две основные причины. Первая причина в том, что инженеры проектируют здания так, что они защищены от взрывов, так что, даже если здание будет повреждено, оно не обрушится как карточный домик. Существует минимальный стандарт безопасности, которым руководствуются проектировщики всех зданий, но самые уязвимые здания – культовые высотные сооружения, например, или те, где больше всего народу, – проектируют особым образом, чтобы защитить их от ряда возможных сценариев взрыва. Вторая причина состоит в том, что все здания проектируют так, чтобы пожар в них не мог распространяться слишком быстро, и люди, находящиеся в здании, могли успеть покинуть его, а пожар могли быстро потушить или запереть внутри одной зоны и не дать разгореться, пока он не нанес значительного ущерба.

Но мы не сразу начали так строить, нам пришлось учиться на катастрофах прошлого.

Проснувшись рано утром 16 мая 1968 года, Айви Ходж пошла на кухню приготовить себе чашку чая. Она включила газовую плиту, зажгла спичку – и в следующую секунду уже лежала на полу и смотрела на небо. Стены ее кухни и гостиной исчезли.

В квартире Айви на 18-м этаже 22-этажного жилого дома в Кэннинг-Тауне в Лондоне произошел взрыв. Это случилось в мирное время в тихом жилом районе, так что событие оказалось для Лондона беспрецедентным и сильно повлияло на все дальнейшее строительство.

Этот дом наспех построили в рамках проекта застройки, столь необходимого после Второй мировой войны. В этом районе около четверти домов разрушились во время бомбежек, а так как после войны население стало стремительно расти, город нуждался в срочном решении жилищного кризиса. Чтобы быстро застроить районы вместительными домами, проектировщики экспериментировали с новыми видами зданий. Этот дом был второй из девяти идентичных жилых башен, входивших в комплекс «Ронан-Поинт».

Некачественное соединение, подобное тому, которое использовали при строительстве «Ронан-Поинт», представляющее собой небольшое количество жидкого бетона между готовыми панелями

Башню наспех соорудили из «сборных конструкций». Вместо того чтобы заливать жидкий бетон в формы прямо на строительной площадке и ждать, когда он затвердеет, чтобы потом строить стены и перекрытия (как того требует большинство бетонных конструкций), бетонные панели в форме готовых комнат изготовили на заводе. Затем их привезли на площадку и собрали вместе с помощью подъемного крана. Это напоминало постройку карточного домика: сначала установили стены первого этажа, на них положили готовые горизонтальные перекрытия, и так до самого верха. Панели соединили между собой на площадке небольшим количеством жидкого бетона. Вес здания распределялся прямо на огромные несущие панели. У здания не было никакого каркаса. Такие панельные здания оказались гораздо дешевле и строились быстрее, да и рабочих требовалось меньше – а все эти экономические факторы оказались решающими в проекте восстановления послевоенной Британии.

В квартире Айви Ходж произошла утечка газа из-за недавно установленной неисправной системы котлов.

Из-за одной спички газ взорвался, и – БА-БАХ! – от дома оторвались угловые панели, из которых состояли стены. Так как панели квартиры внизу лишились опоры, они тоже упали на нижний этаж. И так одна за другой разрушились угловые панели всего дома, утащив за собой вниз большой кусок здания. Погибли четыре человека, которые спали в своих квартирах.

Странно, что взрыв не повредил Айви барабанные перепонки, – и это говорит о том, что взрывная волна была не такой уж и сильной, потому что для повреждения перепонок достаточно совсем небольшой силы. И в самом деле, расследование показало, что, даже если бы взрыв был в три раза слабее, эти бетонные панели все равно разрушились бы. Так как блоки просто стояли друг на друге и не были как следует соединены, ничто не мешало им оторваться и улететь. Проектировщики уповали на силу трения между блоками и на слабенькое соединение из жидкого бетона, которое должно было их скреплять. Этого было недостаточно. Сила взрывной волны, приложенная к стене, была больше сопротивления, которое оказывали сила трения и бетонное соединение, и стена просто отлетела. А так как стенам верхних этажей было больше некуда распределять вес, они попросту упали.

В этом обрушении был еще один интересный факт. Мы ожидаем, что наибольший ущерб нанесет взрыв в основании здания, так как над ним много этажей и все они могут обрушиться. Но в этом случае, если бы взрыв произошел в основании, обрушения могло и не быть.

Трение зависит от веса. Чем тяжелее груз, который давит на соединение двух поверхностей, тем больше между ними трение. Наверху башни (где была квартира Айви) было всего четыре этажа, вес которых был приложен к соединению стен и пола, поэтому сила трения была мала. Сила взрыва оказалась больше силы трения, и потому бетонные панели улетели. Но у основания башни вес более чем двадцати этажей бетонных блоков создавал гораздо большее трение между панелями (по той же причине достать журнал из основания стопки гораздо труднее, чем из ее вершины). Так что, вопреки интуитивным ожиданиям, взрыв в верхней части здания привел к катастрофическим последствиям. Сейчас такое происходит нечасто – в основном потому, что, как мы увидим, здания больше не строят подобным образом.

Трагедия в «Ронан-Поинт» научила будущих строителей двум важным вещам. Во-первых, необходимо соединять части постройки вместе таким образом, чтобы при воздействии какой-либо силы на стену или на поэтажное перекрытие соединения не дали панелям развалиться. (Например, в «Ронан-Поинт» можно было бы соединить готовые панели разных этажей стальными прутьями, и они бы выдержали взрыв. Подобная система соединений используется в современных панельных домах.) Даже при более традиционном способе постройки, когда на стройплощадке заливают бетон и фиксируют стальной каркас, нужно убедиться, что у всех балок и колонн прочные соединения. В случае со стальным каркасом нужно использовать при его сборке достаточно прочные болты, которые выдержат не только нормальную нагрузку под воздействием ветра и гравитации, но и прочно соединят между собой части конструкции.

Несоразмерное обрушение этажей после взрыва в «Ронан-Поинт» в Лондоне в 1968 году

Во-вторых, инженерам нужно было предотвратить несоразмерные последствия. В «Ронан-Поинт» из-за небольшого взрыва на 18-м этаже обрушился весь угол здания на всех этажах. Такой эффект домино несоразмерен силе взрыва, и так появился новый термин – несоразмерное разрушение. Если происходит, например, взрыв, то, конечно же, он нанесет зданию ущерб, но маленький взрыв на одном этаже не должен повреждать сразу все этажи. Проблемой башни в Кэннинг-Тауне было то, что нагрузке было некуда распределиться. Так что суть в том, чтобы убедиться, что силам есть куда распределяться, даже если какая-то часть постройки вдруг исчезнет. Это все равно что сидеть на стуле: теоретически на каждую из четырех его ножек приходится всего четверть нашего веса. Но если, как и многие люди, вы любите качаться на стуле, то нагрузка на эти две ножки удваивается относительно той, которую предусмотрели проектировщики стула, и ножки могут не выдержать, а вы упадете и ударитесь спиной. Зато если инженеры предусмотрят такое поведение и сделают ножки достаточно прочными для двойной нагрузки, то вы в безопасности.

Таким образом родилась идея сознательно создавать новые пути, по которым может распределяться дополнительная нагрузка. В компьютерной модели я удаляю одну колонну, учитываю увеличение силы, воздействующей теперь на соседние колонны, и проектирую их таким образом, чтобы они выдержали новую нагрузку. Я знаю, что если одну колонну убрать, то соседние все выдержат. Потом я ставлю колонну на место и убираю какую-нибудь другую, и так я тестирую различные варианты и проверяю, сохранит ли моя постройка устойчивость в случае взрыва. Никогда не пытайтесь выиграть у инженера-строителя в «Дженгу»: мы знаем, какие блоки вынимать и как извлечь из постройки детали так, чтобы она не обрушилась.

На протяжении всей истории и инженеры, и власти борются с общим врагом – пожарами, которые грозят сжечь наши города дотла. В Древнем Риме дома часто строили на деревянных каркасах, с деревянными перекрытиями и крышами, из-за чего они легко загорались, потому и пожары там были нередки. Великий пожар Рима в 64 году н. э. уничтожил две трети города. Раньше древесину не обрабатывали ничем противопожарным, а стены сооружали из плетеных прутьев и глины. Плетенку – решетку из узких деревянных реек, напоминавшую плетеную корзинку, – покрывали глиной, а точнее, смесью глины, влажного грунта, песка и соломы. Такая конструкция легко загорается, и пожар по ней распространяется очень быстро. Узкие улочки только усугубляли ситуацию, потому что огонь легко преодолевал небольшое расстояние между домами.

В I веке до н. э. в высших эшелонах римского общества родился Марк Лициний Красс. Он вырос и стал уважаемым генералом (он помог подавить восстание рабов под предводительством Спартака) и известным предпринимателем. Красс был человеком, который всюду видел возможности: наблюдая за тем, какие разрушения приносят римские пожары, он создал первую в мире пожарную бригаду, в которую входили 500 специально обученных рабов. Бригада представляла собой частный бизнес: они мчались к горящему зданию, угрожали конкурирующей пожарной бригаде и прогоняли ее, а затем стояли без дела, пока Красс согласовывал размер платы за тушение пожара с ошеломленными хозяевами дома. Если они не приходили к соглашению, то пожарные просто стояли и смотрели, как дом сгорает дотла. Потом Красс предлагал хозяевам смехотворную цену за их дымящиеся руины. Таким образом он быстро скупил много римской земли и на этом сколотил состояние. К счастью, современные пожарные бригады работают более честно.

После Великого пожара Рима император Нерон издал несколько важных указов. Он велел расширить улицы, ограничить высоту жилых домов шестью этажами, а пекарни и кузницы строить подальше от жилых районов и помещать их в зданиях с двойными стенами с воздушной прослойкой. Он провозгласил, что балконы следует делать огнеупорными, чтобы легче было бежать из горящего дома, и инвестировал средства в улучшение системы водоснабжения, благодаря которой можно тушить пожары. Римляне извлекли из этой трагедии урок, да и мы с вами только выиграли от их выстраданной мудрости. Тысячи лет спустя те же простые принципы – разделение комнат, квартир и зданий огнеупорными материалами, воздушные прослойки – по-прежнему используются для предотвращения пожаров в современных зданиях.

11 сентября 2001 года мир в ужасе наблюдал, как два самолета врезаются в башни Всемирного торгового центра в Нью-Йорке. Я тогда была на каникулах в Лос-Анджелесе перед началом учебы в университете, а на следующий день должна была лететь в Нью-Йорк. Я сидела и в оцепенении смотрела новости, потрясенная тем, что башни рухнули всего через час после того, как в них врезались самолеты. Через несколько дней я полетела прямым рейсом в Лондон, уже ощущая себя частью изменившегося мира.

Если взглянуть на те чудовищные события с инженерной точки зрения, то они оказали огромное влияние на строительство небоскребов. Когда я читала о том, какие упущения в проектировании привели к обрушению башен, я с удивлением узнала, что не только сами самолеты привели к разрушениям подобного масштаба, но и последующий пожар.

В Нью-Йорке много потрясающих небоскребов, а башни-близнецы Всемирного торгового центра (открытого в 1973 году) были одними из культовых символов города. Визуально обе башни казались очень простыми – ровные квадраты с высоты птичьего полета высотой в 110 этажей. В каждой башне была массивная сердцевина из стальных колонн. Но этот позвоночник не отвечал за устойчивость башен – для этого на них был особый «панцирь» с функцией экзоскелета.

Нагрузка находит новые точки приложения, и силы распределяются на соседние части каркаса

Вертикальные колонны, расположенные в метре друг от друга по всему периметру квадрата, соединялись балками на каждом этаже. Балки и колонны вместе образовывали прочный каркас, подобный каркасу «Корнишона», который мы рассматривали ранее, только с огромными прямоугольниками вместо треугольников. Соединения между балками и колоннами были очень прочными. Такой внешний скелет защищал здание от ветра.

Когда в башни врезались самолеты, в экзоскелете образовались огромные прорехи. Они разрушили много колонн и балок. На самом деле инженеры учитывали возможность того, что башню может задеть самолет. Они продумывали, что случится, если «Боинг-707» (самый большой коммерческий самолет на момент постройки зданий) врежется в здание, и производили соответствующие расчеты. Балки и колонны сконструировали с очень прочными соединениями, так что, даже если часть каркаса пострадает, нагрузке будет куда распределиться: она уйдет на соседние с повреждением части каркаса (здесь учтен принцип предотвращения несоразмерного разрушения, который инженеры используют после случая в «Ронан-Поинт»).

Самолеты, которые врезались в башни-близнецы, не были «Боингами-707», на основании габаритов которых инженеры делали расчеты за 30 лет до трагедии. Это были более крупные модели «767», и в них было больше топлива. При столкновении топливо загорелось, и из-за состава топлива, деталей самолетов, столов и других горючих предметов в здании стальные колонны раскалились. При нагревании сталь начинает плохо себя вести: крошечные кристаллики, из которых состоит материал, приходят в возбуждение и начинают двигаться, из-за чего прочные соединения между ними расслабляются. Расслабленные соединения делают металл мягким. Поэтому горячая сталь слабее холодной стали и не может выдерживать ту же нагрузку. 11 сентября на колонны, соседние с местами повреждения, пришлась большая нагрузка, потому что на них воздействовала не только та же сила, что и обычно, но и та, которая перераспределилась с их пострадавших соседей. Стальные колонны и горизонтальные балки были обработаны специальной краской с минеральными волокнами, которые защищали сталь от возгораний и перегрева. Но крушение самолета и осколки мусора повредили слой защитной краски, из-за чего большие участки стали оказались незащищенными. Температура колонн по периметру башни поднялась еще выше.

Стальные колонны в сердцевине тоже неестественно перегрелись. От остального здания сердцевину отделяли два слоя гипсокартона (панелей из гипсовой штукатурки, зажатой между двумя плотными листами картона). Смысл был в том, что в случае пожара огонь не сможет проникнуть в сердцевину через эти два слоя, так что люди смогут пройти в безопасную зону и эвакуироваться из здания по лестнице. Но гипсокартон оказался поврежден, из-за чего колонны в сердцевине оказались подвержены огню, и предполагаемый безопасный путь эвакуации оказался заблокирован.

Колонны становились все слабее и слабее, и, когда температура достигла 1000°C, они не выдержали. Они больше не выдерживали нагрузку и стали гнуться.

В конце концов колонны совсем обрушились, и часть здания над ними оказалась уязвима к воздействию гравитации. Этаж над упавшими колоннами рухнул. А этаж, на который он приземлился, не выдержал такой нагрузки и тоже обрушился. Этажи рушились один за другим, как кости домино, и катастрофа Кэннинг-Тауна повторилась, только в гораздо более поразительных масштабах – этажи обрушились, а за ними и обе башни. Противопожарная защита – краска и слои гипсокартона – не соответствовала масштабам и интенсивности возгорания.

С того дня проектирование небоскребов сильно изменилось. Теперь мы следим за тем, чтобы пути эвакуации были защищены более надежно. Легче всего этого добиться, если строить сердцевину здания из бетона, а не из стали, так что между огнем и безопасной зоной будет не слабая гипсокартонная стена, а прочная бетонная.

Бетон не является хорошим проводником: он плохо проводит тепло, а это значит, что ему нужно больше времени на нагревание. Однако для укрепления бетона в него вставляют стальную арматуру. Вот она как раз хорошо проводит тепло, и это создает инженерам проблемы. При пожаре стальная арматура накаляется, и тепловая энергия быстро распространяется по всей длине прутьев, а бетон вокруг них медленно нагревается. Горячая сталь расширяется быстрее, чем более холодный бетон, из-за чего внешние слои бетона трескаются и лопаются. По этой же причине трескаются стаканы из толстого стекла, если налить в них горячую воду: внутренний слой стекла сильно нагревается и расширяется, а внешний остается холодным, потому что стекло, как и бетон, плохо проводит тепло. Поскольку внутренний слой расширяется и создает дополнительную нагрузку на внешний, внешний слой трескается.

Благодаря экспериментам и испытаниям мы знаем, сколько времени нужно на то, чтобы бетон передал тепло стальной арматуре, и сколько нужно на нагревание арматуры, которая повредит бетон. Поэтому мы помещаем арматуру настолько глубоко в слой бетона, чтобы успеть потушить пожар до того, как внешний слой бетона треснет. Благодаря этому у людей будет достаточно времени, чтобы покинуть здание по эвакуационному пути внутри бетонной сердцевины, а пожарные успеют взять пламя под контроль, пока здание не рухнуло. Чем выше и больше здание, тем дольше эвакуация, и тем глубже сталь должна находиться в бетоне. Всего несколько сантиметров играют важную роль.

Поэтому бетонная сердцевина выполняет двойную функцию: противостоит силе ветра, воздействующей на здание, и предоставляет людям безопасный маршрут эвакуации. Сегодня, даже если для сопротивления ветру используется экзоскелет (что означает, что для этого не обязательно строить сердцевину), мы все равно строим внутри здания бетонные стены, чтобы обеспечить надежную эвакуацию. Уровень противопожарной защиты стальных колонн и балок тоже значительно вырос: огнеупорные доски и огнеупорная краска (которая при нагревании расширяется и изолирует металл) сейчас гораздо надежнее, чем прежде. Они предотвращают слишком быстрое нагревание стали, так что она остается твердой.

Извлекать уроки из катастроф – один из фундаментальных принципов инженерии: постоянное совершенствование технологий является частью работы инженера, и таким образом новые постройки становятся лучше, прочнее и безопаснее, чем прежние. Благодаря подобным урокам мы можем предсказать, что произойдет при повреждении колонн, и принять меры, чтобы здание не обрушилось. Бомбейскую фондовую биржу построили так, что, даже несмотря на то, что часть здания в непосредственной близости к взрыву сильно пострадала, нагрузка, которую она несла, перераспределилась на другие его части. Поврежденная зона сохранила устойчивость, потому что была прочно соединена с остальной структурой, так что, в отличие от дома в «Ронан-Поинт», верхние этажи не обрушились вниз. Стальная арматура внутри бетонных стен и колонн сохранила прочность, несмотря на пожар, который разразился после взрыва.

Те уроки, которые инженеры усвоили из истории, и новые строительные технологии, позволяющие предотвратить обрушение в непредвиденных ситуациях, в тот день спасли жизнь моему отцу.