Table of Contents

Землетрясения и трансформация городских ландшафтов

Землетрясения представляют собой одну из самых грозных природных опасностей для городов, способную за считанные секунды изменить всю городскую среду. Внезапное высвобождение сейсмической энергии вызывает сотрясение земли, поверхностные разломы, сжижение и вторичные опасности, такие как цунами и оползни. В то время как непосредственные человеческие потери разрушительны, долгосрочное воздействие на построенную среду, экономическую активность и городское планирование одинаково глубоко. Изучение того, как города, подверженные землетрясениям, отреагировали на крупные сейсмические события, дает критические уроки для повышения устойчивости. В этой статье рассматриваются подробные тематические исследования из нескольких городов с высоким воздействием и исследуются стратегии устойчивости, которые возникли из этих переживаний.

Последствия землетрясений для городской инфраструктуры

Наиболее заметным следствием крупного землетрясения является разрушение физической инфраструктуры. Тяжесть ущерба зависит от таких факторов, как магнитуда землетрясения, глубина, расстояние от эпицентра, местные почвенные условия и уязвимость существующих сооружений. К ключевым компонентам городской инфраструктуры, которые особенно подвержены воздействию, относятся:

Здания и жилье

Обрушенные или сильно поврежденные здания составляют большинство смертельных случаев и травм землетрясения. Старые каменные конструкции, не армированные бетонные рамы и здания с мягкими историями (например, с наземным этажом розничной торговли) особенно подвержены отказу. В 1994 году землетрясение Нортриджа, например, многие многоквартирные дома рухнули из-за слабых стен первого этажа, что привело к значительной гибели людей. Современные строительные нормы с тех пор требуют тонкой детализации и железобетонных стен сдвига для улучшения сейсмических характеристик.

Транспортные сети

Мосты, эстакады, туннели и дорожные поверхности могут понести значительный ущерб. Землетрясение в Кобе в 1995 году разрушило часть автомагистрали Ханшин, одной из самых оживленных автомагистралей Японии, что подчеркивает уязвимость возвышенных сооружений. Аналогичным образом, землетрясение на Гаити в 2010 году сделало большую часть дорожной сети Порт-о-Пренса непроходимой, серьезно препятствуя усилиям по реагированию на чрезвычайные ситуации. Перебои в транспорте оказывают каскадное воздействие на цепочки поставок, эвакуацию и спасательные операции.

Жизненно важные услуги

Вода, газ, электричество и телекоммуникационные системы очень уязвимы для подземных толчков. Разрывы газовых линий часто воспламеняют пожары, как это было в 1906 году в Сан-Франциско и в 1995 году в Кобе, где после землетрясения пожар вызвал больше разрушений, чем само землетрясение. Отключения электроэнергии могут нанести ущерб больницам, водоочистным сооружениям и коммуникациям, что осложняет спасение и восстановление. Землетрясение в Крайстчерче в 2011 году вызвало широкое сжижение, которое разорвало водопроводные и канализационные линии, заставив город осуществить многолетнюю реконструкцию своей подземной сети.

Критические объекты

Больницы, пожарные части, штаб-квартира полиции и центры экстренной помощи должны оставаться в рабочем состоянии сразу после землетрясения. Однако многие из них были повреждены в прошлых событиях. Землетрясение в Мехико в 1985 году разрушило крыло больницы общего профиля, а землетрясение в Нортридже в 1994 году повредило несколько больниц, вынудив эвакуацию. В ответ на это многие юрисдикции теперь требуют новых критических объектов для удовлетворения более высоких стандартов сейсмической конструкции и для включения резервной мощности и избыточных систем связи.

Тематические исследования из городов, подверженных землетрясениям

Изучение конкретных городов, переживших крупные землетрясения, показывает, как нарушаются городские ландшафты и как общины адаптируются с течением времени. Следующие тематические исследования иллюстрируют диапазон воздействий и ответных мер на устойчивость.

Крайстчерч, Новая Зеландия (2011)

Землетрясение магнитудой 6,3, обрушившееся на Крайстчерч 22 февраля 2011 года, было одной из самых разрушительных катастроф Новой Зеландии. Хотя по величине оно было умеренным, неглубокая глубина и близость к центру города в сочетании с плохими почвенными условиями вызвали экстремальное ускорение грунта и широкое сжижение. Более 180 человек погибли, а центральный деловой район (ЦБД) был разрушен. Сносилось более 1000 зданий, в том числе исторический собор Крайстчерч. Событие коренным образом изменило городскую ткань.

Реконструкция заняла более десяти лет и стоила около 40 млрд. нововведений. Ключевые изменения включали создание «зеленого позвоночника» парков и открытых пространств через КБР, реконструкцию участка реки Эйвон и принятие более строгих строительных стандартов. В городе также была внедрена комплексная система планирования землепользования, которая ограничивает развитие в наиболее подверженных сжижению зонах. Восстановление Крайстчерча теперь считается глобальной моделью для городской трансформации после землетрясения, подчеркивая вовлеченность сообщества, инновации и интеграцию зеленого пространства.

Нортридж, Калифорния (1994)

Землетрясение магнитудой 6,7 Нортридж ударило по густонаселённому району округа Лос-Анджелес 17 января 1994 года. Несмотря на умеренную величину, разрыв непосредственно под долиной Сан-Фернандо нанёс серьёзный ущерб зданиям, автомагистралям и коммунальным службам. Событие привело к 57 смертям и, по оценкам, ущербу в 44 миллиарда долларов. Оно выявило критические слабости типов зданий, распространённых по всей Калифорнии, включая деревянные многоквартирные дома со слабыми первыми этажами и непроводимыми бетонными конструкциями.

После этого Калифорния значительно обновила свои строительные кодексы. Единый строительный кодекс 1997 года включал новые положения для зданий со «слабой историей», требующих модернизации многоквартирных домов. Это событие также стимулировало разработку Закона о картировании сейсмических опасностей в Калифорнии, который теперь предписывает исследования почвы и инженерные работы для нового строительства. Кроме того, землетрясение в Нортридже вызвало улучшения в дизайне мостов и эстакад, многие из которых были модернизированы после землетрясения в Сан-Фернандо 1971 года, но все еще понесли ущерб. Сегодня Лос-Анджелес является одним из наиболее сейсмически подготовленных городов в мире, хотя проблемы остаются со старыми неукрепленными зданиями каменной кладки и стареющей водной инфраструктурой города.

Кобе, Япония (1995)

Великое землетрясение Хансин (магнитуда 6,9) произошло в Кобе 17 января 1995 года, в результате чего погибло более 6400 человек и было нанесено ущерб в размере 100 миллиардов долларов. Это событие стало переломным моментом для готовности Японии к землетрясениям. Городской ландшафт Кобе отличался узкими улочками, плотным деревянным жильем и динамичной портовой экономикой. Сочетание разрушенных зданий и пожаров, питаемых разрушенными газовыми магистралями, разрушило целые районы. Повышенная скоростная автомагистраль Ханшина рухнула, разорвав крупный артериальный маршрут.

В ответ Япония значительно пересмотрела свои строительные стандарты. В 1998 году в Закон о строительных стандартах были введены стандарты «Син-Тайшин» (новый сейсмический дизайн), которые требуют, чтобы здания имели проект на основе производительности, способный выдерживать большие землетрясения с ограниченным ущербом. Япония также расширила свою систему раннего предупреждения, теперь самую передовую в мире, которая может обеспечить секунды предупреждения до того, как прибудет сильное потрясение. Сам Кобе осуществил массивную перепланировку земли, расширение улиц, создание пожароопасных сооружений и перемещение критической инфраструктуры под землей. Реконструкция города подчеркнула устойчивое к стихийным бедствиям городское планирование, включая создание многоцелевых открытых пространств и укрепление организаций реагирования на стихийные бедствия.

Мехико (1985)

Землетрясение магнитудой 8,1, обрушившееся на побережье Мичоакан 19 сентября 1985 года, нанесло катастрофический ущерб в Мехико, расположенном почти в 400 километрах. Мягкие отложения озера города усилили сейсмические волны, вызвав интенсивное сотрясение, которое длилось минуты. Тысячи зданий рухнули, а официальные оценки числа погибших колеблются от 10 000 до 40 000. Катастрофа выявила глубокие уязвимости в строительном фонде столицы, особенно высотные здания, построенные до современных кодов.

После трагедии Мехико внедрил один из самых строгих в мире сейсмических строительных кодексов. Код 1987 года, регулярно обновляемый с тех пор, включает подробные карты микрозонирования, которые назначают различные требования к проектированию на основе местных условий почвы. Город также создал Centro de Instrumentación y Registro Sísmico (CIRES) для мониторинга сейсмической активности и эффективности строительства. Общественные образовательные кампании и обязательные эвакуационные учения стали рутиной, и город модернизировал сотни школ и больниц. Событие 1985 года коренным образом изменило то, как Мехико планирует и строит, с сейсмической устойчивостью, теперь встроенной в его городскую ДНК.

Городское планирование и стратегии устойчивости

Опыт Крайстчерча, Нортриджа, Кобе и Мехико сформировал современное городское планирование для устойчивости к землетрясениям.В то время как каждый город столкнулся с уникальными проблемами, появились общие стратегии, которые теперь широко приняты во всем мире.

Строгие строительные кодексы и правоприменение

Все изученные города обновили свои строительные нормы после крупных землетрясений. Современные нормы основаны на показателях, требующих от зданий выдерживать землетрясения проектного уровня (с вероятностью превышения 10% за 50 лет) без коллапса и с ограниченным ущербом. Принудительное исполнение кодекса имеет решающее значение, о чем свидетельствуют разрушительные коллапсы в Турции и Сирии в 2023 году, где слабое приведение в исполнение привело к широко распространенным сбоям. В таких городах, как Токио, Сан-Франциско и Веллингтон, в настоящее время действуют одни из самых строгих сейсмических кодексов в мире.

Сейсмическая модификация существующих структур

Поскольку новое строительство представляет собой лишь небольшую часть строительного фонда каждый год, модернизация старых зданий имеет важное значение. Многие города приняли обязательные постановления о модернизации для уязвимых типов, таких как неукрепленная кладки, квартиры с мягкой историей и непроводящие бетонные рамы. Обязательная программа модернизации мягкой истории Сан-Франциско и Лос-Анджелесский указ о модернизации старых деревянных каркасных зданий являются ведущими примерами. Модернизация может включать в себя добавление стенок сдвига, стальных креплений, изоляторов оснований или амортизаторов для снижения сейсмических сил. В то время как дорогостоящая модернизация намного дешевле, чем послеземлетрясение. реконструкция.

Планирование землепользования и микрозонирование

Понимание местных условий почвы имеет основополагающее значение для устойчивости к землетрясениям. Предрасположенные к сжижению районы, зоны оползней и бассейны мягких почв требуют специального планирования. План землепользования Крайстчерча после 2011 года ограничивает развитие в самых опасных районах, превращая их в парки и зеленые насаждения. Аналогичным образом, Закон о картировании сейсмических опасностей Калифорнии требует, чтобы города регулировали развитие в идентифицированных зонах опасности. Карты микрозонирования, которые определяют интенсивность встряхивания земли в масштабе района, помогают планировщикам правильно размещать критические объекты и проектировать инфраструктуру. Землетрясение в Мехико в 1985 году привело к первой всеобъемлющей микрозонации этого города.

Системы раннего предупреждения и мониторинг в реальном времени

Система раннего предупреждения Японии, работающая с 2007 года, автоматически вызывает оповещения поездов, заводов и общественности за несколько секунд до сильного встряхивания. Мексиканская система SASMEX, протестированная в результате землетрясения в Чьяпасе в 2017 году, предоставляет аналогичные предупреждения. Соединенные Штаты расширяют свою систему ShakeAlert на Западном побережье. Раннее предупреждение не предотвращает ущерб, но может уменьшить потери, позволяя людям сбрасывать, прикрывать и удерживать, а также за счет запуска автоматических действий, таких как остановка лифтов, открытие противопожарных дверей и изоляция газовых линий. Сети мониторинга в режиме реального времени, включая сейсмические станции и структурные датчики здоровья, подают данные в эти системы и помогают направлять быструю оценку ущерба после события.

Общественное образование и готовность сообщества

Ни одна структурная устойчивость не может полностью устранить риск; поведение человека во время землетрясения имеет огромное значение. Города, которые инвестируют в государственное образование, учения и готовность к стихийным бедствиям на уровне общин, видят лучшие результаты. Учения Great ShakeOut, которые в настоящее время проводятся ежегодно десятками миллионов людей во всем мире, начались в Калифорнии в 2008 году и расширились до более чем 60 стран. В Японии ежегодный День предотвращения стихийных бедствий 1 сентября включает в себя общенациональные учения, школьные учения и кампании в средствах массовой информации. Группы реагирования на чрезвычайные ситуации (CERT) в Соединенных Штатах обучают соседей помогать друг другу до прибытия профессиональных специалистов. Эти программы создают культуру готовности, которая дополняет инженерные решения.

Устойчивость инфраструктуры и избыточность

Городские спасательные линии должны быть спроектированы так, чтобы оставаться функциональными после крупного землетрясения. Это включает в себя гибкие трубопроводы, которые могут вместить движение земли, резервное питание и водоснабжение для критических объектов, а также избыточные маршруты для транспорта и связи. После землетрясения в Крайстчерче в 2011 году город перестроил свою сеть водоснабжения и канализации с гибкими водопроводно-железными трубами и стратегически расположенными изоляционными клапанами. Токио построил подземную систему «аварийного хранения» для воды и продовольствия. Распределенная генерация и микросети могут поддерживать питание даже в случае отказа основной сети. Концепция «устойчивых городов» выходит за рамки отдельных зданий и позволяет всей городской системе отскочить назад.

Экономические и социальные аспекты

Землетрясения накладывают ошеломляющие экономические издержки. Прямые потери включают в себя ущерб зданиям, ремонт инфраструктуры и прерывание бизнеса. Косвенные потери связаны с перебоями в цепочке поставок, перемещением населения и сокращением инвестиций. Землетрясение и цунами в Тохоку в 2011 году стоили примерно 235 миллиардов долларов, что делает его самым дорогостоящим стихийным бедствием в истории. Для городов фискальное бремя может перегружать местные бюджеты, что приводит к долгосрочному долгу и сокращению государственных услуг. В социальном плане землетрясения могут усугубить неравенство: районы с низким доходом часто страдают от худшего ущерба и имеют меньше ресурсов для восстановления. В Крайстчерче сообщества с низким доходом сталкиваются с более длительными сроками реконструкции и более высокими страховыми препятствиями. Городское планирование должно поэтому интегрировать соображения справедливости, гарантируя, что инвестиции в устойчивость приносят пользу всем жителям.

Более того, психологическое воздействие выживания при крупном землетрясении может быть длительным. Посттравматический стресс, беспокойство о послетравматических потрясениях и горе по поводу потерянных домов и соседей часто сохраняются в течение многих лет. Программы восстановления сообщества, поддержка психического здоровья и инклюзивные процессы планирования могут помочь социальному исцелению. Землетрясение в Кобе стимулировало создание инициатив по «заботе о сердце» и сетей поддержки жертв, в то время как кампания Крайстчерча «Все в порядке?» была сосредоточена на психическом благополучии по всему городу.

Новые технологии и будущие направления

Достижения в области инженерных и технологических разработок продолжают повышать устойчивость к землетрясениям. Некоторые перспективные разработки включают:

  • Базовая изоляция: Здания, смонтированные на гибких подшипниках, которые отделяют структуру от движения по земле, широко используются в Японии и все чаще в США. Новый терминал международного аэропорта Сан-Франциско использует базовую изоляцию.
  • Устройства для рассеивания энергии: Дамперы (визуальные, фрикционные или металлические), установленные в рамках строительных рам для поглощения сейсмической энергии. Башня Тайбэй 101 использует гигантский настроенный массовый амортизатор для уменьшения раскачивания.
  • Сплавы памяти формы: Материалы, которые могут подвергаться большим деформациям и возвращаться к своей первоначальной форме, предлагая потенциал для самоцентрирующихся структур после землетрясений.
  • Искусственный интеллект и сенсорные сети: Алгоритмы машинного обучения могут быстро оценивать модели повреждений на основе данных встряхивания в реальном времени, что позволяет быстрее развертывать ресурсы спасения. Системы ShakeMap и PAGER Геологической службы США уже используют такие подходы.
  • Материалы, устойчивые к землетрясениям: Волоконно-армированные полимеры, инженерная древесина и высокопроизводительный бетон с повышенной пластичностью используются в новой конструкции и модернизациях.
  • На базе сообщества мониторинг: Дешевые датчики, развернутые в домах и школах, могут обеспечить плотные сейсмические данные, улучшая карты опасности и валидацию строительного кода.

Эти нововведения в сочетании с уроками прошлых землетрясений подталкивают города к будущему, где ущерб от землетрясения, хотя и не устранен, может быть гораздо менее катастрофическим. Цель состоит не только в том, чтобы пережить потрясение, но и в поддержании функциональной непрерывности после него.

Заключение

Землетрясения неизбежны во многих городских районах, но их влияние на городские ландшафты не предопределено. Как показывают тематические исследования Крайстчерча, Нортриджа, Кобе и Мехико, последствия крупного землетрясения часто служат катализатором трансформационных изменений. За разрушением городской ткани следует перестройка, которая включает в себя новые знания, более строгие стандарты и более продуманное планирование. Переход от коллапса к устойчивости не быстрый и не простой, но достижимый.

Современные градостроители и инженеры имеют растущий набор инструментов: строительные нормы, основанные на производительности, сейсморазработка, правила землепользования, системы раннего предупреждения и программы готовности сообщества. Наиболее устойчивыми городами являются те, которые охватывают непрерывное обучение, инвестируют как в жесткую инфраструктуру, так и в социальный потенциал и уделяют приоритетное внимание справедливости в восстановлении. Изучая влияние землетрясений на городские ландшафты, мы можем лучше проектировать города, которые не только сильнее, но и умнее, более адаптируемы и более пригодны для жизни перед лицом неизбежных сейсмических событий.

Для дальнейшего чтения, изучите Программа геологической службы США по опасности землетрясений , FEMA Управление рисками землетрясений , Университет Кентерберийского центра землетрясений для исследований Крайстчерча и Калифорнийская комиссия по сейсмической безопасности для разработки строительного кодекса США.