Землетрясения

Хотя Нью-Йорк не расположен на крупном разломном поясе, который проявлял активность в последнее время, как, например, разлом Сан-Андреас в Калифорнии, землетрясения здесь возможны, о чём свидетельствуют землетрясение 1884 года и более позднее землетрясение 2024 года в Нью-Джерси. 

Вероятность сильного землетрясения умеренная, но риск повышается из-за плотности населения Нью-Йорка, масштабов застройки, взаимозависимости важнейших инфраструктурных систем, возраста инфраструктуры и высокой доли зданий, построенных до того, как в 1995 году в городских строительных нормах были приняты положения о сейсмическом проектировании. 

В чем заключается опасность?

Землетрясение возникает в результате внезапного сдвига по разлому, при котором энергия высвобождается в виде сейсмических волн. Поскольку горные породы и тектонические плиты подвергаются деформации в результате этих грандиозных геологических процессов, связанных с тектоникой плит, под поверхностью Земли накапливается энергия. В конечном итоге накопленное глубоко под землей напряжение становится настолько сильным, что внезапно высвобождается в виде землетрясения, которое генерирует сейсмические волны, вызывающие колебания. ¹Геологическая служба США, «Что такое землетрясение и что является его причиной?», Геологическая служба США.

От очага землетрясения, или «гипоцентра», расположенного глубоко под землей, волны распространяются во всех направлениях и вызывают колебания на поверхности Земли. Эпицентр землетрясения — это точка на поверхности Земли, расположенная непосредственно над очагом. Сейсмологи и инженеры часто измеряют возникающие колебания в виде «ускорения грунта». 

Интенсивность подземных толчков зависит от нескольких факторов, включая количество высвободившейся энергии, глубину залегания землетрясения под поверхностью Земли, расстояние до разлома и тип подстилающей почвы или коренной породы. 

То, насколько интенсивно построенное здание реагирует на тряску во время землетрясения, зависит от высоты, веса, конструкции здания и его связи с землей. Например, здание на бетонной площадке будет реагировать на землетрясение иначе, чем здание с глубоким фундаментом. 

Землетрясение может привести к повреждению и разрушению зданий и городской инфраструктуры, а также к гибели людей. При определенных условиях землетрясения могут вызывать оползни и приводить к разжижению грунта. Последнее явление возникает, когда колебания и вибрации грунта во время землетрясения приводят к размягчению и превращению ненасыщенных, насыщенных водой грунтов в жидкое состояние (то есть в состояние мягкой грязи). Совместное воздействие колебаний земли, оползней и разжижения грунта может повредить или разрушить здания, нарушить работу инженерных сетей, вызвать пожары и поставить под угрозу общественную безопасность. 

Афтершоки — это серия подземных толчков, следующих за самым сильным, первоначальным толчком. Афтершоки, как правило, слабее и, следовательно, менее интенсивны, чем основной толчок, и могут продолжаться в течение недель, месяцев или даже лет после первоначального землетрясения. 

Тяжесть

Сила землетрясения классифицируется по шкале магнитуды, которая связана с энергией, выделяющейся в очаге землетрясения. Для измерения и регистрации данных, позволяющих оценить силу каждого подземного толчка и интенсивность каждого землетрясения, используются сейсмографы и другие научные приборы. Раньше землетрясения классифицировались по шкале Рихтера, однако в 1970-х годах научное сообщество перешло на использование более точной шкалы моментной магнитуды. Шкала магнитуды момента измеряет размер землетрясения в его очаге в зависимости от размера разлома и степени его смещения. Это логарифмическая шкала — каждый пункт увеличения магнитуды землетрясения на шкале соответствует выделению энергии, в 32 раза превышающему энергию предыдущего пункта. ²Геологическая служба США, «Магнитуда землетрясения, выделение энергии и интенсивность колебаний», Геологическая служба США.

Шкала магнитных моментов

Землетрясение в Вирджинии 2011 года, которое ощущалось даже в Нью-Йорке, имело магнитуду 5,8. Для сравнения: землетрясение 2011 года, нанесшее ущерб восточному побережью Японии, имело магнитуду 9,0 и считается катастрофическим. Самым сильным землетрясением, зарегистрированным приборами, было землетрясение в Чили в 1960 году с магнитудой 9,5. Шкала интенсивности по модифицированной шкале Меркалли (MMI) — это система измерения, основанная на наблюдениях за сейсмическими колебаниями во время землетрясений. Шкала MMI отражает двенадцать категорий интенсивности, основанных на реакциях людей, их наблюдениях и повреждениях зданий во время сейсмических событий. ³Геологическая служба США, «Программа по изучению опасностей, связанных с землетрясениями», Геологическая служба США.

Модифицированная шкала интенсивности Меркалли

10 августа 1884 года в Нью-Йорке произошло самое сильное землетрясение в истории города, магнитуда которого, по оценкам, составила 5,2 балла по шкале Рихтера. ⁴Боб Гроувс, «Нью-Джерси не застрахован от землетрясений», The Record, округ Берген, 2 марта 2001 г. По шкале MMI максимальная интенсивность землетрясения 1884 года соответствует уровням VI–VII. Эксперты также используют количественные методы для описания силы землетрясения, такие как пиковое ускорение грунта (PGA). PGA — это показатель максимального ускорения грунта при его колебаниях и перемещениях во время землетрясения, а также мера изменения его скорости в зависимости от времени. Ускорение в горизонтальном направлении (в отличие от вертикального) является важным показателем для измерения и оценки интенсивности землетрясения, поскольку многие строительные нормы по сейсмостойкости включают его в рекомендации по возведению зданий. Строительные нормы, например, определяют величину горизонтальной инерционной силы (или массу, умноженную на ускорение), которую здания должны выдерживать во время землетрясения без повреждений, угрожающих жизни людей. PGA выражается в процентах от силы тяжести Земли (%g). Очень сильное землетрясение, такое как землетрясение магнитудой 6,7, произошедшее в 1994 году недалеко от Лос-Анджелеса, может вызвать PGA более 100 %g в горизонтальном направлении, что превышает ускорение свободного падения. ⁵Город Лос-Анджелес, «Вспоминая землетрясение в Нортридже», город Лос-Анджелес, 16 января 2020 г.

PGA по-прежнему остается важным показателем силы колебаний грунта. Однако спектральное ускорение (SA) является единицей измерения колебаний грунта, которая сегодня широко используется в современных строительных нормах и правилах по сейсмостойкости. По сравнению с PGA, SA считается более точным показателем вероятности повреждений для конкретных типов и высот зданий. SA отражает то, как здания с определенной массой, высотой и жесткостью конструкции (а также соответствующим собственным периодом колебаний) реагируют на воздействие землетрясения. 

Как моделировать спектральное ускорение (SA) здания

В упрощенном виде здание представляется в виде перевернутого маятника с определенной массой, закрепленного на безмассовом вертикальном стержне, который моделирует собственный период колебаний здания и механическое демпфирование. Очень приблизительное соотношение для собственного спектрального периода Tb (сек.) здания в зависимости от количества этажей (n) выглядит следующим образом: Tb (сек.) = 0,1n. 

Например, у двухэтажного здания собственный период, как правило, составляет около 0,2 секунды (частота 5 герц), тогда как у 10-этажного здания собственный период, как правило, близок к Tb = 1 секунда (частота 1 герц). Последнее означает, что для полного колебания вперед-назад потребуется около 1 секунды. 

Вероятность

PGA также используется для более глубокого понимания вероятных видов сейсмической опасности. Геологическая служба США (USGS), занимающаяся изучением сейсмических условий на территории страны, составляет карты, на которых указано, где наиболее вероятно возникновение землетрясений в будущем, с какой частотой они могут происходить и насколько сильным может быть колебание грунта (PGA).⁶Марк Д. Петерсен, Морган П. Москетти, Питер М. Пауэрс, Чарльз С. Мюллер, Кэтлин М. Халлер, Артур Д. Франкель, Юэхуа Цзен и др., Документация по обновлению 2014 года Национальных карт сейсмической опасности США (Геологическая служба США, 5 августа 2014 г.).

Национальная модель сейсмической опасности оценивает риски колебаний земли, связанные с землетрясениями, способными нанести ущерб, на территории Соединённых Штатов и их территорий. Эта модель позволяет составить карту, на которой указана вероятность возникновения разрушительной сейсмической активности на всей территории страны в течение следующего столетия. Последние карты USGS, опубликованные в 2023 году, показывают, что вероятность возникновения слабого или разрушительного землетрясения в районе города Нью-Йорка в течение 100-летнего периода составляет от 5 до 25 процентов. 

Национальная карта модели сейсмической опасности, 2023 г.

Расположение

В исторические времена в Нью-Йорке не происходило сильных землетрясений, однако возможны землетрясения средней магнитуды, и они уже имели место (например, в 1884 году). Даже если эпицентр землетрясения находится вдали от Нью-Йорка, геологические особенности северо-востока США могут привести к тому, что в городе будут ощущаться некоторые колебания земли. ⁷С. Николау, «Местная геология Нью-Йорка и ее влияние на сейсмические колебания грунта», материалы Пятой международной конференции по практическим примерам в геотехническом инжиниринге, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, 13–17 апреля 2004 г.

Когда происходит землетрясение, более древняя и твердая коренная порода Северо-Востока передает колебания земли, которые могут распространяться на большие расстояния, прежде чем их интенсивность ослабнет. Например, толчки от землетрясения 2011 года в центрально-восточной части Вирджинии и землетрясения 2013 года вдоль канадской реки Оттава ощущались многими людьми на востоке Соединенных Штатов, в том числе в Нью-Йорке. Землетрясение 2011 года в Вирджинии нанесло значительный ущерб в Вашингтоне, округ Колумбия, расположенном на расстоянии 87 миль. 

Если под Нью-Йорком произойдёт землетрясение, уникальные геологические особенности этого мегаполиса могут привести к значительным последствиям из-за усиления колебаний грунтом. Двумя основными факторами, способствующими усилению колебаний грунтом в данном случае, являются резкий контраст между мягкими грунтами и очень твёрдым коренным основанием, а также движения коренного основания, которые могут быть относительно короткими и иметь высокую частоту. 

Высокочастотные колебания эффективно передаются через коренные породы на востоке США и, как правило, оказывают воздействие на невысокие каменные здания высотой от двух до пяти этажей. Если поверх твёрдой коренной породы находится неглубокий слой мягкого грунта (толщиной менее 100 футов), колебания усиливаются, но лишь в течение относительно короткого периода времени. Напротив, высотное здание, построенное на глубоких отложениях грунта, во время землетрясения будет колебаться дольше и с меньшей скоростью. 

Подземные условия в Нью-Йорке, которые сильно различаются в пяти районах города, могут влиять на степень усиления подземных толчков при землетрясении. Как показано на карте под названием "Типы грунтов в Нью-Йорке", геологические условия варьируются от твердых коренных пород на поверхности земли (зеленый цвет) до искусственного заполнения (фиолетовый цвет). 

Типы почв в Нью-Йорке

На протяжении веков значительные территории Нью-Йорка засыпали, чтобы покрыть мягкие отложения и болота и создать новое пространство для застройки. ⁸Майкл Киммельман, «Когда Манхэттен был Маннахаттой: прогулка сквозь века», New York Times, 13 мая 2020 г. Например, современный китайский квартал Манхэттена расположен на территории, образованной в результате засыпки большого пруда; территория парка Всемирной выставки во Флашинге, Квинс, была построена на свалке золы; а аэропорт имени Джона Ф. Кеннеди на южном побережье Бруклина был построен на гидравлической песчаной насыпке. Эти районы схожи с районом Марина в Сан-Франциско, который понес значительные повреждения во время землетрясения в Лома-Приета в 1989 году из-за усиления сейсмических волн мягкими грунтами и их разжижением (то есть превращением в мягкую грязь). 

Историческая карта района Чайнатаун в Нью-Йорке

Исторические случаи

В период с 1700 по 1986 год в штате Нью-Йорк было зарегистрировано более 400 землетрясений магнитудой 2,0 и выше. 

В период с 1973 по 2012 год в штате Нью-Йорк произошло лишь два разрушительных землетрясения магнитудой 5,0 и выше. Исторически сложилось так, что более сильные землетрясения в Нью-Йорке характеризуются более длительным «периодом повторяемости». То есть они происходят гораздо реже, чем землетрясения меньшей силы. ⁹Джагтар С. Хинда, «Новые руководящие принципы сейсмического проектирования в Нью-Йорке для нового тысячелетия и обновленная информация о сейсмоусилении мостов Нью-Йорка», материалы Международной конференции по мостам, Питтсбург, Пенсильвания, 14–16 июня 1999 г.

10 августа 1884 года вблизи Нью-Йорка, где-то между Бруклином и Сэнди-Хуком (штат Нью-Джерси), произошло одно из самых сильных землетрясений в этом регионе. Основываясь на современных отчетах о нанесенном ущербе, ученые сегодня оценивают магнитуду этого землетрясения в 5,2 балла. Хотя по современным шкалам магнитуды это землетрясение считается умеренным, его толчки ощущались от Вирджинии до Мэна, повредив дымоходы и кирпичные здания в Нью-Джерси и Нью-Йорке. Учитывая объем строительства и застройки вдоль реки Гудзон и в Нью-Йорке с 1884 года, если бы землетрясение такой же магнитуды произошло сегодня, ущерб, нанесенный людям и имуществу, был бы гораздо больше. 

На карте исторических землетрясений показано распределение эпицентров землетрясений, произошедших в регионе «Три штата» в период с 1737 по 2014 год вблизи города Нью-Йорка. Обратите внимание, что на этой карте указаны лишь приблизительные координаты эпицентров событий, произошедших до 1973 года; кроме того, на карте представлены не все землетрясения, произошедшие до 1973 года. ¹⁰Геологическая служба США, «Исторические землетрясения в мире», Геологическая служба США.

Исторические землетрясения в Нью-Йорке

Источник: ГИС NYCEM

В чем заключается риск?

Хотя сейсмическая опасность в Нью-Йорке умеренная, из-за возможного возникновения уникального набора факторов, обобщенных в уравнении высокого сейсмического риска, риск для района может быть высоким из-за высокой стоимости устранения последствий любого землетрясения в условиях перегруженного города. 

Уравнение высокого сейсмического риска

Высокий сейсмический риск = Умеренная сейсмическая опасность x Высокая плотность населения и денежная стоимость x Отсутствие сейсмического проектирования (до 1995 г.)

В Нью-Йорке насчитывается около 1 миллиона зданий, поэтому уровень риска здесь очень высок, что в основном обусловлено отсутствием сейсмостойких норм в старых зданиях, высокой плотностью застройки и тесной взаимосвязью инфраструктурных объектов. 

Большинство зданий в Нью-Йорке было построено до 1995 года, когда были приняты более строгие сейсмические нормы в Строительном кодексе; поэтому многие из наиболее распространенных здесь типов зданий, например, здания из неармированной кладки, особенно уязвимы перед сейсмическими явлениями. 

Новейшие коммерческие и жилые здания Нью-Йорка возводятся в соответствии с современными сейсмическими нормами, что позволяет свести к минимуму физические риски. Однако экономический риск сохраняется: недвижимость и новые застройки, появляющиеся во всех районах города, имеют столь высокую ценность, что затраты на устранение ущерба, нанесенного землетрясением, будут чрезвычайно высокими. 

Любое событие, прерывающее деловые, транспортные, туристические или финансовые потоки в Нью-Йорке, известное как "прерывание деловой активности", создает риск негативного экономического воздействия на внутренних и международных торговых партнеров. 

Социальная среда

В отличие от большинства других стихийных бедствий, землетрясения происходят без предупреждения, что подвергает местное население непосредственной опасности. Поскольку жители Нью-Йорка сталкиваются с землетрясениями реже, чем с другими стихийными бедствиями, они могут подвергаться более высокому риску, так как, скорее всего, не готовы к реагированию на чрезвычайные ситуации такого рода. 

Землетрясения представляют серьезную угрозу для общественной безопасности и здоровья населения. Землетрясение большой магнитуды может привести к многочисленным травмам и жертвам, нарушить работу служб экстренной помощи и медицинских служб, а также поставить под угрозу людей, которые зависят от этих служб. К долгосрочным рискам для здоровья, связанным с землетрясениями, относятся посттравматическое стрессовое расстройство и целый ряд психических проблем, таких как депрессия и тревожность. 

Землетрясение средней силы (магнитудой от 5,5 до 6), которое может произойти в Нью-Йорке или в его окрестностях, может привести к значительным травмам и человеческим жертвам. Как правило, пик смертности и травматизма приходится на первые 72 часа после землетрясения. Согласно исследованию, посвященному 1 100 землетрясениям со смертельным исходом по всему миру, 75 процентов смертей были вызваны обрушением зданий. 

По данным Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям (FEMA), на долю неконструктивных повреждений приходится подавляющая часть ущерба, наносимого землетрясениями, что приводит к серьезным травмам или гибели людей и делает здания непригодными для эксплуатации. К неконструктивным элементам (не входящим в несущую конструкцию здания), создающим риск, относятся: 

• К архитектурным элементам относятся облицовка, окна, стекло и штукатурные потолки, а также элементы внешней отделки, такие как фронтоны, портики и статуи. 
• Механические, электрические и сантехнические (MEP) компоненты. 
• Мебель, оборудование и инвентарь (FF&E), а также предметы интерьера, такие как массивные рамы для картин, зеркала над кроватями, подвесные растения и тяжелая мебель (книжные шкафы, картотечные шкафы и серванты).¹¹FEMA, «Снижение рисков неструктурного ущерба от землетрясений — практическое руководство», FEMA, декабрь 2012 г.

Во время землетрясения эти элементы могут смещаться, раскачиваться, опрокидываться или падать, если они не закреплены надёжно на конструкции здания. В театрах, библиотеках и других крупных общественных помещениях часто устанавливаются гипсовые потолки, которые крайне уязвимы к обрушению, когда здание подвергается воздействию землетрясения. Неструктурные повреждения могут привести к гибели людей, травмам и материальному ущербу, а также перекрыть пути эвакуации в чрезвычайных ситуациях. 

В Калифорнии, а также в других сейсмоопасных регионах страны многие домовладельцы осознают риск землетрясений и принимают меры предосторожности, такие как крепление стеллажей к стенам, закрепление ценных предметов, закрепление водонагревателей, а также реализация дополнительных мер по снижению рисков. В городах на востоке США жители редко принимают такие меры, поскольку там землетрясения происходят крайне редко и они полагают, что риск невелик. 

Здания (шесть этажей и выше) с водонапорными башнями на крыше - еще одна опасность в Нью-Йорке. Если произойдет землетрясение, водонапорные башни могут быть опрокинуты, что нарушит водоснабжение жителей и может привести к травмам пешеходов. 

Разрушение дорог, мостов и туннелей в результате колебаний земли во время землетрясения может привести к массовым травмам и гибели людей. Нарушение работы и повреждение инфраструктуры, а также других критически важных систем часто влечет за собой цепную реакцию последствий. Колебания земли во время землетрясений могут вызвать повреждения, приводящие к возникновению пожаров, что создает серьезную угрозу для жителей. Нарушение работы транспортных сетей подвергает риску всех, кто зависит от них, а также затрудняет оказание экстренной и медицинской помощи. Кроме того, землетрясение может вывести из строя важнейшие объекты инфраструктуры, такие как системы водоотведения, что может привести к нехватке воды для тушения пожаров и увеличить риск возникновения цепной реакции. После землетрясения риски для здоровья возрастают из-за вероятности загрязнения воды и распространения болезней среди населения. 

Время суток, в которое происходит землетрясение, также влияет на его последствия. Как показывает опыт прошлых лет, если землетрясение происходит в будний день в период с 9:00 до 17:00, уровень смертности возрастает, поскольку в это время люди чаще находятся на работе в многоэтажных зданиях, а дети — в школе. Если же землетрясение происходит ночью, люди, как правило, находятся дома вместе со своими близкими. 

Повреждения зданий после землетрясения средней силы могут вынудить тысячи жителей Нью-Йорка переехать во временное жилье, а для многих людей это может потребовать постоянного переселения. Это создает проблему с поиском мест для размещения временного жилья, поскольку в городе имеется ограниченное количество жилых помещений, а прилегающие районы также могут пострадать. 

Землетрясение может поставить под угрозу экономику Нью-Йорка, перемещая и нарушая работу предприятий и коммунальных служб, а также снижая способность людей работать и получать доход. Владельцы недвижимости рискуют понести экономические потери из-за необходимости дорогостоящего ремонта и потери дохода от аренды. Любые перебои в работе Нью-Йорка, как крупного мирового финансового центра, потенциально влияют на всю мировую экономику. 

Если в результате землетрясения будут повреждены важные национальные памятники, достопримечательности, символы культурного наследия и учреждения в сфере искусства, в которых хранятся артефакты огромной ценности, психологические и культурные последствия ущерба, нанесенного этим символам, будут ощущаться по всей стране и, возможно, даже за рубежом. 

Построенная окружающая среда

Несмотря на то что вероятность землетрясений в Нью-Йорке является умеренной, любые потенциальные сильные подземные толчки в этом регионе могут привести к катастрофическим последствиям из-за ущерба и перебоев в работе инженерных систем в условиях уникальной городской застройки, характеризующейся плотной расстановкой старых зданий и инфраструктуры со сложными взаимосвязями и многоуровневой системой жизненно важных коммуникаций.  

Полезным аналогом для понимания того, как землетрясения могут повлиять на застроенную среду Нью-Йорка, является город Крайстчерч в Новой Зеландии, который в 2010–2011 годах пережил серию землетрясений. Крайстчерч гораздо менее плотно застроен, чем Нью-Йорк: его застройка ближе к типичному среднему городу США, а большинство зданий имеют высоту от одного до шести этажей. Междисциплинарный центр исследований в области сейсмостойкого строительства (MCEER) Университета Буффало подчеркнул связь между Крайстчерчем и Нью-Йорком, поскольку типология зданий в этих городах, особенно обширный фонд коммерческих кварталов из неармированного кирпича (URM) и многофункциональных сооружений, очень напоминает старые кирпичные здания, распространенные по всему Северо-Востоку. Исследователи Университета Буффало использовали записи о колебаниях грунта и данные о повреждениях в Крайстчерче для изучения уязвимости зданий из URM, типичных для старых городов Северо-Востока. ¹²Оскин, Б. (25 февраля 2013 г.). Браунстоуны Нью-Йорка разрушились в ходе испытаний на сейсмическую устойчивость. NBC News. https://www.nbcnews.com Их испытания на вибрационном столе, включая широко цитируемый эксперимент с полноразмерной стеной из бурого камня в стиле Нью-Йорка, продемонстрировали, что колебания уровня Крайстчерча могут вызвать катастрофическое разрушение стен из URM вне плоскости, подтверждая опасения относительно старого фонда каменного жилья Нью-Йорка. Этот комплекс исследований является одной из причин, по которой Крайстчерч регулярно используется в качестве реального аналога для понимания того, как умеренное, но близкое землетрясение может повлиять на Нью-Йорк. 

Здания

Архитектурный ландшафт Нью-Йорка представляет собой уникальное сочетание коммерческих и жилых высотных небоскрёбов и малоэтажных зданий, построенных преимущественно из неармированного кирпича. Каждый тип здания характеризуется совершенно иным профилем риска, зависящим от его высоты, материалов, местоположения и фундамента. 

Высотные и малоэтажные здания

Конструкции высотных зданий Нью-Йорка менее уязвимы к повреждениям в результате землетрясений, чем конструкции малоэтажных зданий. Сильные землетрясения с волнами длительного периода, как правило, наносят ущерб высотным зданиям; однако вероятность возникновения подобных землетрясений в Нью-Йорке относительно низка. Землетрясения большой магнитуды, происходящие вдали от Нью-Йорка, например в Канаде или на Среднем Западе, могут вызывать в городе низкочастотные (медленно проходящие) колебания, способные повлиять на высотные здания. Высотные здания, как правило, имеют более глубокие фундаменты, уходящие ниже неглубоких отложений. Их фундаменты чаще располагаются на твердой коренной породе или более прочных грунтах на глубине, тогда как малоэтажные здания часто возводятся на неглубоких отложениях. (https://www.exactusengineering.com/resources/shallow-vs-deep-foundations)  

Предполагается, что здания, построенные в соответствии со строительными нормами Департамента зданий Нью-Йорка (DOB) 1995 года и последующими сейсмическими нормами, такими как Строительные нормы и правила Нью-Йорка 2008, 2014 и 2022 годов, в которых есть глава, посвященная конструктивным требованиям, должны быть способны смягчить последствия землетрясения. Согласно этим правилам, здания должны быть спроектированы, как минимум, таким образом, чтобы сохранить человеческие жизни в случае сильного землетрясения и сохранить общие условия проживания, если здание сотрясают менее сильные землетрясения. 

Неармированные каменные и деревянные здания

С 1995 года, когда вступили в силу первые сейсмические нормы, здания в Нью-Йорке должны проектироваться с учётом сейсмических нагрузок. Старые здания, не рассчитанные на сейсмические нагрузки, по своей природе уязвимы в случае сильного землетрясения. Наибольшему риску подвержены здания из неармированной кладки (кирпича), поскольку кладка не способна поглощать растягивающие силы во время землетрясения. Вместо того чтобы изгибаться или прогибаться, стены, фасады и внутренние конструкции ломаются или рушатся. Во время сильного землетрясения система несущих конструкций здания из неармированной кладки подвергается повышенному риску обрушения. Типичные виды разрушения:  

• Разрушение соединения крыши со стенами с последующим обрушением. 
• Внеплоскостное (когда силы действуют перпендикулярно поверхности) разрушение стен из неармированной кладки. 
• Разрушение неармированных каменных стен в плоскости, при котором трещины возникают в плоскости стены.¹³FEMA, «Здания из неармированной кладки и землетрясения: разработка эффективных программ снижения рисков», FEMA P-774, октябрь 2009 г.

По данным на 2019 год в Нью-Йорке наибольшее количество каменных зданий находится в Бруклине (165 661), за которым следуют Квинс (108 694), Бронкс (49 734), Манхэттен (29 766) и Статен-Айленд (7 041). 

Среди них — более 100 000 многоквартирных зданий из неармированного кирпича в Нью-Йорке в целом, большинство из которых было построено в период с середины XIX века по 1930-е годы.¹⁴Дэн П. Э. Эшенаси, «Случаи разрушения неармированных кирпичных стен под воздействием внеплоскостных нагрузок», журнал Structural Forensics, май 2011 г. Все эти здания имеют высоту от трех до семи этажей. 

Многие районы Нью-Йорка состоят из рядов пристроенных друг к другу зданий из неармированной кирпичной кладки. Здания опираются друг на друга, поэтому любое здание, расположенное в конце квартала или рядом с пустырем, особенно уязвимо во время землетрясения. Мансардные здания из каменной кладки, которые часто встречаются в Нью-Йорке, уязвимы, поскольку в них нет внутренних стен, а потолки выше среднего. 

Поскольку дерево является более лёгким и гибким строительным материалом, здания с деревянным каркасом лучше выдерживают землетрясения. В пожарных округах города Нью-Йорка здания, построенные на деревянном каркасе, должны иметь облицовку из кирпича (или соблюдать большие расстояния между зданиями). Большинство одно- и двухквартирных домов в Нью-Йорке имеют деревянный каркас. В таких домах землетрясение может повредить кирпичный фасад, но сама конструкция останется на месте. Однако в случае трех- и четырёхэтажных зданий с несущей кладкой устойчивость здания во время землетрясения может оказаться под угрозой. 

Даже если землетрясение нанесло незначительный ущерб надземной части здания, повреждение его фундамента может сделать его непригодным для проживания или эксплуатации. Значительная часть набережной Нью-Йорка изначально представляла собой водно-болотные угодья или пустоши, которые со временем были засыпаны, рекультивированы и застроены. В колониальные времена эти земли, как правило, создавались с использованием насыпей, обладающих плохими конструктивными свойствами. Несколько десятилетий назад стали применяться более контролируемые методы насыпания и строительства. 

Город Нью-Йорк принял рекомендации по защите зданий от наводнений и повысил их устойчивость, предложив поднимать прибрежные здания таким образом, чтобы «мягкий» нижний ярус позволял проходить паводковым водам — например, опирая первый этаж на опоры. Однако во время землетрясения сочетание «мягкого» нижнего яруса и неблагоприятных грунтовых условий может привести к переносу большей части нагрузки здания на фундамент, в результате чего основной ущерб придется на нижний ярус. 

Оценка возможных последствий землетрясений для зданий Нью-Йорка 

NYCEM использует программное обеспечение HAZUS-MH от FEMA для прогнозирования убытков и оценки структурной уязвимости зданий Нью-Йорка в случае землетрясения. В модуле землетрясений HAZUS-MH есть пять категорий общего состояния повреждений: "Нет", "Незначительное", "Умеренное", "Обширное" и "Полное". На графике показаны четыре состояния структурного повреждения (от незначительного до полного) для одного класса зданий (в данном случае тип W1 - деревянный, легкий каркас). 

Состояния ущерба от землетрясений по системе HAZUS-MH 

Источник: Руководство пользователя по HAZUS-MH «Землетрясения», рис. 9.17 

В рамках обновления Плана по снижению рисков на 2026 год NYCEM перешел от детерминированной модели землетрясений с одним сценарием к вероятностному анализу. В то время как предыдущий план основывался на единственном событии магнитудой 5,2 с одним эпицентром, вероятностный подход позволяет оценить статистическую вероятность возникновения колебаний земли от всех потенциальных сейсмических источников. 

Этот переход от детерминированного к вероятностному моделированию позволяет NYCEM перейти от планирования, ориентированного на реагирование, к планированию, ориентированному на обеспечение устойчивости. Детерминированная модель представляет собой тактический инструмент, основанный на сценариях. Она опирается на фиксированные данные, такие как местоположение эпицентра и магнитуда, для моделирования потенциальных последствий. Например, она может помочь ответить на весьма конкретные вопросы, такие как:«Что произойдет с важнейшими объектами Нью-Йорка, если к западу от Манхэттена произойдет землетрясение магнитудой 6,1?» Напротив, вероятностная модель предоставляет всеобъемлющий профиль рисков. Она не опирается на фиксированные переменные, а рассматривает тысячи потенциальных событий за длительные периоды повторяемости. Она учитывает неопределенности в отношении местоположения, масштаба и частоты землетрясений, чтобы предложить более всеобъемлющую оценку. 

Моделируя различные периоды повторяемости, городские власти могут более точно оценить риски в разных временных рамках и при различной интенсивности: 

• Низкая интенсивность:периоды повторяемости 100 и 250 лет. 
• Умеренная интенсивность:периоды повторяемости 500, 750 и 1000 лет. 
• Экстремальная интенсивность:периоды повторяемости 1500, 2 000 и 2 500 лет. 

Периоды повторяемости, используемые в данном вероятностном анализе, определяются в рамках спектра, соотносящего частоту и интенсивность явлений. Периоды повторяемости явлений низкой интенсивности, такие как события с периодом повторяемости 100 и 250 лет, характеризуются высокой вероятностью возникновения в пределах типичного горизонта планирования, но, как правило, приводят к незначительным последствиям с точки зрения повреждений сооружений и экономических убытков. По мере увеличения периода повторяемости до диапазона от 1 500 до 2 500 лет события становятся статистически редкими, что означает низкую вероятность их возникновения. Однако эти сценарии экстремальной интенсивности сопровождаются значительно более сильными подземными толчками, что приводит к последствиям с серьезными последствиями. 

Эти результаты моделирования отражают текущую картину последствий землетрясений для города с учетом различных периодов повторяемости. Для количественной оценки эффективности потенциальных стратегий обеспечения устойчивости NYCEM разработало модели по смягчению последствий землетрясений, которые позволяют систематически корректировать различные стратегии смягчения последствий в рамках модели, например, повышать проектный уровень сейсмостойкости старых сооружений и проводить конструктивную модернизацию неармированной кладкив отдельных зданиях и на объектах жизненно важной инфраструктуры. 

К этим основным объектам относятся: 

• Аэропорты 
• Автобусные станции 
• Учреждения по уходу 
• Средства связи 
• Объекты электроэнергетики 
• Центры по чрезвычайным ситуациям 
• Паромы 
• Пожарные станции 
• Нефтяные объекты 
• Полицейские участки 
• Порты 
• Железнодорожные объекты 
• Школы 
• Сооружения для очистки сточных вод 

Сравнивая результаты этих сценариев с учетом мер по смягчению последствий с базовой моделью, NYCEM может рассчитать объем ущерба, которого удалось избежать благодаря укреплению важнейших объектов, и разработать более эффективные стратегии по смягчению последствий. 

NYCEM проанализировал вероятностные модели землетрясений, чтобы оценить последствия событий с различными периодами повторяемости — от землетрясения низкой интенсивности с периодом повторяемости 100 лет до землетрясения экстремальной интенсивности с периодом повторяемости 2500 лет. 

Базовые модели показывают, что риск для Нью-Йорка в первую очередь обусловлен плотностью застройки, высокой стоимостью недвижимости и изношенностью инфраструктуры. Другие факторы, такие как разжижение грунта, также могут повысить риск и усугубить последствия. Даже при умеренных периодах повторяемости высокая концентрация активов приводит к значительной экономической и социальной уязвимости. 

Чтобы понять, насколько различные меры по снижению рисков могут уменьшить воздействие на объекты жизненно важной инфраструктуры, NYCEM применил в рамках данного анализа две меры по снижению рисков.  

• Повышение уровня сейсмической устойчивости: даннаястратегия предусматривает приведение уровня сейсмической устойчивости старых зданий критически важных объектов, построенных до вступления в силу соответствующих норм в 1996 году, в соответствие с современными стандартами. Этот рубеж связан с принятием Местного закона № 17, который стал первым случаем обновления Строительных норм и правил города Нью-Йорка с целью включения в них конкретных положений по сейсмостойкости, направленных на защиту сооружений от воздействия сейсмических сил. До введения этого требования большинство зданий в городе строилось без формальных требований к сейсмостойкости.  
• Целевые меры по снижению рисков, связанных с неармированной кладкой (URM): посколькумало- и среднеэтажные здания из неармированной кладки в силу своей хрупкости вызывают непропорционально высокие экономические и социальные последствия, в данном сценарии моделируется влияние целевой модернизации конструкций зданий из кладки, построенных до 1950 года и характеризующихся высокой плотностью заселения. До 1950 года в большинстве зданий из URM использовалась гибкая древесина, что повышает вероятность их обрушения по типу «блинчика» во время землетрясения. После 1950 года произошел переход от деревянных перекрытий к бетонным/стальным, а также была стандартизирована прочность раствора и кирпича. Это снижает вероятность полного обрушения, даже если кладка по-прежнему остается неармированной.  

Моделируя эти меры по снижению рисков, NYCEM может рассчитать общий объем ущерба, которого удалось избежать для объектов жизненно важной инфраструктуры. 

Полный отчет можно скачать здесь. 

Инфраструктура

В случае землетрясения в Нью-Йорке существует риск, что его последствия могут нанести ущерб инфраструктуре, в частности транспортной системе, системам коммунального обслуживания, электроснабжения, водоснабжения и водоотведения. В рамках других капитальных работ, проводимых в городе, некоторые из существующих объектов жизненно важной инфраструктуры Нью-Йорка, такие как мосты, были частично модернизированы с целью повышения их сейсмостойкости.  

Тем не менее, сейсмическая уязвимость сложной сети взаимосвязанных объектов инфраструктуры города по-прежнему изучена недостаточно и остается предметом серьезной озабоченности, даже несмотря на то, что отдельные элементы инфраструктуры подвергаются изменениям, модернизации и обновлению. Некоторые системы критически важной инфраструктуры Нью-Йорка уязвимы из-за их износа, а также проблем, связанных с техническим обслуживанием и завершением срока эксплуатации.  

Во время землетрясения грунт, расположенный ниже уровня грунтовых вод, может подвергнуться разжижению, что приведет к снижению или полной потере его прочности. Это может вызвать масштабные просадки грунта, которые нанесут ущерб дорожному покрытию и фундаментам зданий, а также приведут к массовым повреждениям подземных инженерных сетей. Районы с искусственным насыпным грунтом уязвимы к разжижению и включают в себя побережье Лонг-Айленда (а также окрестности аэропорта имени Джона Ф. Кеннеди), район Всемирной выставки во Флашинге (район Квинс), южную оконечность острова (Бэттери-Парк) и Чайнатаун на Манхэттене. Сильное землетрясение в непосредственной близости от города может привести к оседанию и просадке сооружений, построенных на разжиженных грунтах. Повреждения подземной инфраструктуры обычно возникают там, где трубы и другие линии коммуникаций не способны выдержать дифференциальные сдвиги грунта. Повреждение этих критически важных звеньев может вызвать вторичные последствия, представляющие еще большую угрозу для населения — загрязнение воды, пожары и внезапные мощные взрывы.  

Природная среда

Землетрясения могут нанести серьезный ущерб природной среде, уничтожить деревья и нарушить ландшафт. 

Конкуренция за пространство может стимулировать застройку ранее малопригодных земель. В условиях растущей урбанизации землетрясение (в сочетании с последствиями экстремальных погодных явлений) затронет и более густонаселенные районы. То, что раньше было небольшим локальным явлением, теперь превратится в катастрофу  

Землетрясения также создают риски, которые могут нанести серьезный ущерб окружающей среде: пожары, вызванные взрывами газовых труб; наводнения и другие сбои в работе, вызванные повреждением водопроводных труб; аварийные выбросы опасных отходов и сточных вод; а также разрушительные оползни.  

В связи с участившимися случаями внезапных наводнений, ураганов и экстремальных осадков землетрясение может совпасть с этими климатическими явлениями, что может привести к экспоненциальному росту риска.  

Окружающая среда будущего

По мере того как значительный фонд сейсмоуязвимых зданий Нью-Йорка (построенных до введения сейсмических норм) постепенно заменяется новыми сооружениями, соответствующими более строгим требованиям сейсмических строительных норм, доля уязвимых зданий будет постепенно сокращаться. Однако на это уйдет очень много времени. Ожидается, что денежная стоимость уязвимости Нью-Йорка также снизится; однако, если стоимость и объем построенных активов Нью-Йорка со временем увеличатся, экономический риск, связанный с сейсмической уязвимостью, все же может возрасти. 

Стареющие компоненты инфраструктуры Нью-Йорка могут усилить структурное воздействие землетрясений в будущем. Инвестиции, такие как улучшение сейсмических характеристик существующих мостов, должны снизить риски от будущих землетрясений. 

Как управлять риском?

Несмотря на то, что землетрясения происходят без предупреждения и их невозможно предотвратить, многие стратегии могут быть использованы для снижения связанных с ними рисков. Стратегии снижения риска становятся все более успешными по мере того, как сейсмологи, геологи, инженеры, архитекторы, специалисты по чрезвычайным ситуациям и другие эксперты внедряют новые инициативы по обеспечению общественной безопасности в своих областях. 

Основные стратегии включают в себя ужесточение требований строительных норм в отношении сейсмостойкости, повышение требований к сейсмостойкому проектированию, активизацию работ по проверке и техническому обслуживанию критически важных объектов инфраструктуры, а также модернизацию зданий. 

Защита зданий: Регулирование, обеспечение соблюдения, инженерные стратегии и техническое обслуживание 

Землетрясения 2023 года в Турции и Сирии вновь привлекли внимание к важности строительных норм и их надлежащего соблюдения. В Нью-Йорке Департамент строительства (DOB) разрабатывает и обновляет строительные нормы с целью снижения рисков, связанных с землетрясениями, а также обеспечивает их соблюдение с помощью комплексных административных мер. Нормы сейсмобезопасности соответствуют последним изменениям и усовершенствованиям в национальных стандартах сейсмобезопасности. 

С 1985 года Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) финансирует исследования в области сейсмостойкого строительства, проводимые в рамках Национальной программы по снижению рисков землетрясений (NEHRP). Их последние «Рекомендации NEHRP по сейсмической безопасности 2020 года: примеры проектирования, учебные материалы и блок-схемы проектирования» является основным источником национальных требований к сейсмостойкому проектированию новых зданий и других сооружений. ¹⁵Национальная программа по снижению опасности землетрясений, «Влияние типов грунта и горных пород», координаторы по вопросам землетрясений.

Действующие строительные нормы Нью-Йорка являются одними из самых строгих в Соединённых Штатах, при этом вероятность повреждения или обрушения современного здания, построенного в соответствии с этими нормами, такая же, как и в Калифорнии. Нормы предусматривают общие условия эксплуатации зданий при землетрясениях средней силы. Любое существующее здание в Нью-Йорке, в котором проводятся существенные перестройки, также обязано соответствовать этим стандартам. 

Повышение готовности 

Геологическая служба США (USGS) разработала систему PAGER (Prompt Assessment of Global Earthquakes for Response) для оперативной оценки последствий крупных землетрясений по всему миру. В течение примерно 30 минут система PAGER предоставляет обновленные оценки по мере поступления новых данных. Эти отчеты содержат информацию о количестве людей и городов, подвергшихся воздействию колебаний различной интенсивности, а также прогнозные диапазоны числа погибших и экономического ущерба. 

Чтобы узнать больше о PAGER и о том, как подписаться на уведомления, посетите: PAGER. 

USGS ShakeCast— сокращение от ShakeMap Broadcast — представляет собой автоматизированную программную систему, предназначенную для предоставления индивидуализированных продуктов ShakeMap важнейшим пользователям и запуска протоколов реагирования после землетрясения. Этот бесплатный инструмент для оценки обстановки автоматически получает данные о колебаниях от ShakeMap и сравнивает интенсивность колебаний грунта с местоположением объектов пользователей. На основе этого анализа ShakeCast формирует оценки ущерба, уведомления о приоритетности проверок, карты и веб-продукты для руководителей служб по чрезвычайным ситуациям и других ключевых заинтересованных сторон. 

Эволюция положений сейсмических строительных норм и правил

Первые положения о сейсмобезопасности в Строительных нормах и правилах города Нью-Йорка были утверждены в 1995 году и вступили в силу в феврале 1996 года. ¹⁶Департамент строительства города Нью-Йорка, «Нормативные акты города Нью-Йорка», город Нью-Йорк.

В 2008 году, а затем в 2014 и 2022 годах Департамент городского строительства (DOB) продолжил работу над устранением структурной уязвимости города перед землетрясениями, приняв серию норм Международного совета по строительным нормам (ICC) в качестве основы для Строительных норм города Нью-Йорка. Важно отметить, что, хотя Строительные нормы города Нью-Йорка и были приняты на основе норм ICC, в них были внесены поправки, сделавшие некоторые положения более строгими, чем в ICC. 

Строительные нормы 2008, 2014 и 2022 годов направлены на то, чтобы сделать здания более прочными, гибкими и пластичными — способными поглощать энергию, не разрушаясь при этом в результате хрупкого разрушения. В этих нормах содержатся разделы, посвящённые типам грунтов и фундаментам зданий. Требуется разработка сейсмостойких конструктивных решений, чтобы обеспечить сохранность стыков, конструктивных соединений и трубопроводов здания во время землетрясения. 

В соответствии со Строительными нормами 2008, 2014 и 2022 годов критически важные объекты, такие как пожарные части и больницы, должны проектироваться таким образом, чтобы не только выдержать землетрясение, но и оставаться открытыми и работоспособными после него. 

В 2014 году Департамент строительства (DOB) пересмотрел строительные нормы и перешел к новой концепции — подходу, основанному на оценке рисков, следуя стандарту Американского общества инженеров-строителей (ASCE) 7-2010 по проектированию и строительству сейсмостойких сооружений. Аналогичным образом, Строительные нормы 2022 года следуют модели стандарта ASCE 7-2016. Эти усовершенствованные нормы требуют, чтобы новые здания в Нью-Йорке проектировались таким образом, чтобы вероятность их обрушения или получения значительных повреждений во время землетрясения была минимальной. 

Пересмотренный кодекс также ужесточает проектные требования по предотвращению разжижения грунта и учитывает уникальные геологические условия города. Проекты зданий должны учитывать особенности грунта на конкретном участке и особенности фундаментов, а также обеспечивать гибкость стыков и конструктивных соединений. Кроме того, в кодексе определены специальные требования к проектированию электрических и механических систем, внутреннему убранству зданий и архитектурным элементам. 

В настоящее время комитет по кодексу работает над следующим пересмотром Строительных кодексов. DOB также работает над проектом Свода правил по существующим зданиям Нью-Йорка, который включает в себя структурную главу, призванную решить вопросы, связанные с сейсмическими нагрузками в существующих зданиях, среди прочих проблем, отсылая пользователя к структурным требованиям Свода правил Нью-Йорка. Эта инициатива направлена на повышение безопасности или смягчение опасностей в зданиях, построенных до введения сейсмических требований. 

Соблюдение кодексов

Чтобы обеспечить соответствие зданий строительным нормам, начало нового строительства и капитального ремонта невозможно до тех пор, пока Департамент строительства (DOB) не рассмотрит проектную документацию и не выдаст разрешение на проведение работ. Большинство требований, предъявляемых к сейсмостойкому проектированию, подлежат специальной проверке, проводимой квалифицированными частными инженерами, которые обязаны сообщать о результатах проверки в Департамент строительства (DOB). 

Инженерные стратегии модернизации существующих зданий

Чтобы соответствовать сейсмическим стандартам, архитекторы и инженеры используют несколько методов проектирования и инженерной модернизации старых зданий - укрепление соединений между элементами здания, повышение гибкости конструкции, уменьшение массы здания для минимизации воздействия сейсмических сил, а также укрепление фундаментов, расположенных на плохой почве, для обеспечения устойчивости. 

В существующих зданиях из неармированной кладки соединения между конструктивными элементами укрепляются путем анкеровки стен к крыше, а также стен к фундаменту и отдельным этажам внутри здания, что повышает способность конструкции передавать нагрузки во время землетрясения. Другой подход заключается в установке стальных каркасов на неармированные кирпичные стены для повышения сопротивления силам, действующим вне плоскости.¹⁷Дэн П. Э. Эшенаси, «Случаи разрушения неармированных кирпичных стен под воздействием внеплоскостных нагрузок».

Парапеты часто являются наиболее поврежденными элементами неармированных зданий. Сейсмический риск можно снизить, закрепив парапеты стальными диагональными стойками с болтами и восстановив их раствор. В качестве альтернативы, парапеты из неармированной кладки можно заменить парапетами из каменной кладки, закрепленными на здании. 

Простых и основанных на здравом смысле решений зачастую достаточно для повышения сейсмостойкости сооружения и снижения сейсмического риска. Например, крепление мебели к стене с помощью анкеров или болтов снижает риск травм от падающих предметов, а также риск повреждения имущества, находящегося в здании. Закрепление резервуаров для воды на зданиях высотой шесть и более этажей — ещё один способ снизить риск опрокидывания башни, которое может привести к травмированию пешеходов. Закрепление водонагревателей в домах и квартирах предотвращает повреждение зданий, обеспечивая тем самым аварийное водоснабжение жильцов в случае выхода из строя водопроводной системы. 

В руководствах, разработанных для защиты прибрежных зданий от наводнений и прибрежных штормов, также рассматриваются вопросы сейсмической безопасности, в частности уязвимость зданий, возведенных на возвышенностях. Для защиты зданий с «слабым» нижним этажом предлагаются решения, направленные на снижение дополнительной нагрузки за счет установки раскосов или сдвиговых стен, а также увеличения размеров или усиления колонн и свай. 

Рутинное обслуживание

Регулярное техническое обслуживание всех зданий в Нью-Йорке необходимо для того, чтобы свести к минимуму риски, связанные с землетрясениями. Это включает в себя поддержание крыш в надежном и хорошем состоянии, крепление карнизов и алюминиевых панелей, регулярную заделку раствора (особенно на парапетах и дымовых трубах) и заделку всех трещин. 

Защита инфраструктуры: Правительственные рекомендации, инспекции и инженерные стратегии

Землетрясения могут нанести значительный ущерб инфраструктуре, которая изначально не была рассчитана на воздействие землетрясений - старым мостам, туннелям, канализации, системам водоснабжения и очистным сооружениям. Город Нью-Йорк принимает меры, чтобы обязать новые объекты инфраструктуры проектироваться с учетом более жестких требований к сейсмической нагрузке, а старые объекты - переоборудоваться в соответствии с этими стандартами. Федеральные, государственные и местные органы власти играют роль в установлении стандартов и контроле за реализацией мер по повышению сейсмической безопасности инфраструктуры. 

Сейсмические рекомендации для инфраструктуры регулируют действия Нью-Йорка по модернизации старых мостов, туннелей и других критически важных объектов, чтобы они могли противостоять риску землетрясений, а также по проектированию новой инфраструктуры в соответствии с более безопасными стандартами. 

Защита мостов

После землетрясения Лома Приета 1989 года, которое нанесло значительный ущерб нескольким мостам в Северной Калифорнии, многие центральные и северо-восточные штаты начали принимать новые сейсмические нормы для автодорожных мостов. 

В Нью-Йорке владельцы мостов наняли сейсмологов для оценки риска возникновения этой опасности в данном регионе. Федеральное управление автомобильных дорог (Federal Highway Administration) координирует работы по сейсмоусилению мостов через местные органы власти в рамках программы инспектирования и реконструкции, утвержденной Конгрессом в 1991 году. В 1998 году Департамент транспорта города Нью-Йорка (DOT) разработал руководящие принципы по сейсмическим критериям, которыеон обновляет по мере появления новых научных данных и решений.¹⁸ Федеральное управление автомобильных дорог, Руководство по сейсмоусилению дорожных сооружений: Часть 1 — Мосты (Публикация № FHWA-HRT-06-032), Исследовательский центр автомобильных дорог Тернера-Фэрбэнк, Министерство транспорта США, январь 2006 г.

В 1998 году в Нью-Йорке началась работа по сейсмоусилению важнейших и стратегически значимых мостов. Транспортные ведомства, обслуживающие территорию Нью-Йорка, либо уже провели сейсмоусиление мостов, находящихся в их ведении, либо в настоящее время занимаются этим. 

Сейсмическая изоляция

Сейсмическая изоляция является одним из наиболее распространенных методов сейсмозащиты мостов и сооружений. В Нью-Йорке этот метод применяется в системе легкорельсового транспорта JFK. Данный подход обеспечивает защиту мостов или сооружений за счёт изоляции движения, вызванного землетрясением, от фундамента до конструкций. Изоляторы (резиновые и стальные опоры) устанавливаются между мостовым настилом и опорами или между зданием и его фундаментом. Изоляторы предназначены для поглощения энергии землетрясения и минимизации энергии, передаваемой на конструкцию. 

Департамент транспорта (DOT) в настоящее время проводит работы по модернизации Бруклинского моста с целью приведения его в соответствие с действующими требованиями к сейсмостойкости, изложенными в нормах по инфраструктуре. В рамках контракта № 7, реализация которого началась в сентябре 2019 года и продлится до 2023 года, DOT занимался повышением несущей способности арочных блоков, укреплением каменных башен, а также уделял особое внимание ремонту исторических элементов из кирпича и гранита. ¹⁹Департамент транспорта города Нью-Йорка, «Инфраструктура: Бруклинский мост», город Нью-Йорк. Данная модернизация включает в себя замену оригинальных деревянных свай на более прочные конструкционные сваи, а также укрепление каменных элементов моста. Другие мосты были заменены после того, как их сейсмическая устойчивость была признана недостаточной.

При проведении сейсмической оценки мостов в районе Нью-Йорка необходимо проверить соответствие каждого моста эксплуатационным стандартам в зависимости от того, отнесен ли он к категории критически важных, важных или прочих мостов. При модернизации старых мостов или проектировании новых мостов следует предусматривать конструктивные элементы, рассчитанные на уровень повреждений, ожидаемый в результате прогнозируемого землетрясения, а также обеспечивающие возможность проведения необходимых ремонтных работ после землетрясения.²⁰Weidlinger Associates, «Исследование сейсмической опасности в Нью-Йорке и его инженерные применения: итоговый отчет» (Weidlinger Associates, подготовлено для Департамента транспорта Нью-Йорка, 1998 г.). Департамент транспорта Нью-Йорка (NYC DOT), который владеет и обслуживает 799 мостов, в настоящее время осуществляет сейсмоусиление всех своих критически важных, важных и прочих мостов. ²¹Департамент транспорта города Нью-Йорка, Ежегодный отчет о состоянии мостов и туннелей Департамента транспорта города Нью-Йорка за 2020 год, город Нью-Йорк.

Защита других объектов инфраструктуры

Департамент охраны окружающей среды Нью-Йорка (DEP) в настоящее время осуществляет несколько проектов по усилению сейсмической защиты системы очистки сточных вод. DEP переоборудует очистные сооружения и системы хранения газа метана, чтобы они могли противостоять землетрясениям, поскольку большинство из них были спроектированы и построены до введения нынешних, более строгих сейсмических стандартов. Чтобы снизить риски, связанные с сейсмической активностью для канализационной системы Нью-Йорка, DEP проводит инспекцию и устраняет структурные недостатки в некоторых крупных канализационных сетях. 

Департамент охраны окружающей среды (DEP) проводит исследование с целью оценки сейсмостойкости нашей системы водоснабжения (водопроводных туннелей, трубопроводов, насосных станций чистой воды, плотин, шахт и резервуаров) и определения соответствующих стандартов сейсмостойкого проектирования. Результаты исследования позволят определить приоритетные участки системы водораспределения, требующие модернизации для соответствия действующим сейсмическим стандартам. Городской водопроводный туннель № 3 (описанный в документе«Опасные условия в Нью-Йорке») в настоящее время спроектирован с учетом строгих сейсмических стандартов. 

Применяя городские рекомендации по сейсмостойкости, Столичное управление транзитных перевозок (MTA), находящееся в ведении штата Нью-Йорк, в настоящее время включает сейсмические требования в свои проекты по восстановлению мостов и тоннелей в Нью-Йорке. 

Исследования и профессиональное образование

Для управления рисками, связанными с землетрясениями, необходимо сотрудничество между сейсмологами, геологами, инженерами, архитекторами, политиками и специалистами по чрезвычайным ситуациям. Дальнейшие исследования потенциальных последствий землетрясений для города Нью-Йорка позволят расширить знания об этой опасности и повысить осведомленность общественности. Эти исследования могут включать моделирование последствий землетрясений для уникальной застроенной среды города Нью-Йорка с целью оценки потенциальных материальных и экономических убытков с учетом большого количества старых зданий, состояния грунта и уникальных геологических особенностей города. Ниже приведены примеры исследовательских проектов. 

В 2023 году Геологическая служба США (USGS) выпустила новую версию Национальной модели сейсмической опасности, предназначенной для прогнозирования сейсмической опасности на территории Соединённых Штатов в результате искусственных и естественных землетрясений.²²Геологическая служба США, «Модели краткосрочной индуцированной сейсмичности», Геологическая служба США, 24 октября 2019 г.

Аналогичным образом, проект «Модели ослабления колебаний грунта нового поколения» представлял собой междисциплинарную исследовательскую инициативу, завершившуюся в 2008 году. Эта инициатива, реализованная в рамках сотрудничества между научным сообществом, промышленностью и государственными органами, была направлена на достижение консенсуса в отношении новых моделей колебаний грунта (GMM), оценки опасности и реакции местности для центральной и восточной частей Северной Америки. Этот проект стал значительным шагом вперед в понимании и прогнозировании сейсмических колебаний грунта, особенно на западе США. Он заменил более ранние модели 1990-х и начала 2000-х годов, обеспечив более точную и надежную оценку колебаний грунта. ²³Тихоокеанский центр исследований в области сейсмостойкого строительства (PEER), «Дорожная карта для моделей затухания следующего поколения для центральной и восточной частей Северной Америки (NGA-East)» (Геологическая служба США, апрель 2008 г.).

Институт исследований в области сейсмостойкого строительства открыл отделение в Нью-Йорке и Северо-Восточном регионе с целью повышения осведомлённости о сейсмических рисках и предоставления образовательных материалов о способах снижения этих рисков на всех уровнях. Деятельность организации основана на междисциплинарных знаниях, объединяющих области инженерии, геонаук, архитектуры, градостроительства и социальных наук. 

Междисциплинарный центр сейсмостойкого строительства (MCEER) в сотрудничестве с Ассоциацией инженеров-строителей Нью-Йорка инициировал исследования, направленные на более глубокое изучение уязвимостей зданий из неармированной кладки в Нью-Йорке. Совместно с Государственным университетом Нью-Йорка в Буффало MCEER провел испытания на вибростоле прототипов конструкций из неармированного кирпича. Это стало предшественником обширной программы, направленной на разработку инженерных решений для устаревшего фонда зданий Нью-Йорка. ²⁴М. Тантала, Г. Норденсон и др., «Риски землетрясений и меры по их снижению в регионе Нью-Йорк | Нью-Джерси | Коннектикут», Итоговый сводный отчет Консорциума по снижению ущерба от землетрясений в районе Нью-Йорка (NYCEM). MCEER-03-SP02. (Междисциплинарный центр исследований в области сейсмостойкого строительства, Университет Буффало, 2003 г.).

Исследователи моделируют землетрясение, сотрясающее здания Нью-Йорка

Источник: SUNY Buffalo

Обучение и работа с общественностью

Многие жители Нью-Йорка не осознают, что их район подвержен риску землетрясений. Поскольку землетрясения происходят без предупреждения, крайне важно повышать осведомленность населения и способствовать его готовности к чрезвычайным ситуациям. Подготовка к чрезвычайным ситуациям, связанным с землетрясениями, во многом схожа с подготовкой к ураганам, штормам или другим стихийным бедствиям и поможет вам быть готовыми к любой чрезвычайной ситуации. 

Кампания «Ready New York», проводимая Управлением по чрезвычайным ситуациям города Нью-Йорка (NYCEM), призывает жителей города быть готовыми к любым чрезвычайным ситуациям, разработать личный план действий на случай бедствий и оставаться в курсе всего спектра угроз, которые могут затронуть город. NYCEM «Ready New York: Подготовка к чрезвычайным ситуациям в Нью-Йорке» объясняет, что делать в случае землетрясения и какие меры следует принять сразу после него. 

NYCEM's Руководство "Готовность Нью-Йорка к снижению риска содержит долгосрочные стратегии для домовладельцев и жителей по снижению потенциального ущерба, который может нанести землетрясение. 

Кроме того,программаNYCEM«Укрепление сообществ»предоставляет гранты общественным сетям на разработку планов готовности к чрезвычайным ситуациям и поддержку местных ресурсов сообществ. Программа обучения сосредоточена на пяти ключевых направлениях/результатах, необходимых для разработки плана действий в чрезвычайных ситуациях, адаптированного к особенностям каждого сообщества: проведение оценки потребностей; составление карт местности, на которой оказываются услуги; создание справочника ресурсов; разработка стратегии коммуникации; а также составление планов управления пожертвованиями и волонтерской деятельностью. Сотрудники NYCEM проводят обучение, коучинг-сессии и предоставляют инструменты, которые помогают участвующим сетям пройти программу. 

Землетрясения могут наносить не только физический, но и психологический ущерб, поэтому крайне важно предусмотреть оказание услуг в области психического здоровья в рамках любых будущих мер по ликвидации последствий и восстановлению. Образовательная программа «Первая помощь в области психического здоровья», реализуемая Департаментом здравоохранения и психической гигиены города Нью-Йорка (DOHMH), информирует общественность о спектре возможных проблем с психическим здоровьем, о том, как распознавать тревожные признаки, как проявляются эти проблемы, а также о доступных методах лечения. 

FEMA и Консорциум по чрезвычайным ситуациям северо-восточных штатов организуют ежегодные учения Great Northeast Shakeout, чтобы побудить организации, семьи и агентства к действиям по обеспечению безопасности во время землетрясения. Эти учения - возможность для групп обновить свои планы готовности, пополнить запасы и закрепить предметы в своих домах и на рабочих местах, чтобы предотвратить повреждения и травмы в случае стихийного бедствия. 

Сдвиг в дизайне за пределами кода 

Основной целью действующих строительных норм является обеспечение безопасности жизни на основе категории риска, рассчитанной с учетом сейсмического события, при котором вероятность обрушения нового здания составляет 1 % в течение 50-летнего периода. Это гарантирует отсутствие человеческих жертв во время и сразу после землетрясения, однако не учитывает сроки, необходимые для повторного заселения и возобновления эксплуатации здания или инфраструктуры жизненно важных систем, а также для их замены в случае повреждений, не поддающихся ремонту. Время восстановления для типичного офисного здания в Сан-Франциско оценивается в 6–12 месяцев в случае землетрясения, соответствующего проектному уровню, и примерно в 2 года в случае максимального землетрясения, предусмотренного нормами. Время восстановления зависит от риска здания и его конструкции. В Крайстчерче (Новая Зеландия) во время землетрясения здания были повреждены настолько, что их ремонт оказался невозможен, что привело к сносу и перестройке, что затянуло процесс восстановления. Сильное землетрясение в Нью-Йорке может потребовать аналогичной реконструкции, что удлинит процесс даже в том случае, если здания не обрушатся. 

Растущий интерес со стороны общественности и специалистов к повышению устойчивости и восстановлению после стихийных бедствий привел к продлению действия Национальной программы по снижению рисков землетрясений в 2018 году, в рамках которой Конгресс поручил Национальному институту стандартов и технологий и Федеральному агентству по чрезвычайным ситуациям (FEMA) возглавить работу по определению потребностей, необходимых для сокращения времени, требуемого для возвращения населения в свои дома и возобновления нормальной жизнедеятельности после землетрясения.  

В 2021 году эти два ведомства опубликовали документ «Рекомендуемые меры по улучшению состояния застроенной среды для обеспечения возможности повторного заселения и сокращения сроков восстановления функциональности после землетрясения». Понятие «функционального восстановления» (в дополнение к понятию «безопасности жизни») вводится в качестве состояния работоспособности после землетрясения, при котором здание или инфраструктурная система поддерживаются или восстанавливаются для безопасного и адекватного обеспечения основных функций, предусмотренных до землетрясения, или уровня обслуживания систем жизнеобеспечения. Приемлемый срок функционального восстановления после события может варьироваться в зависимости от назначения здания и видов услуг систем жизнеобеспечения.  

Новая концепция функционального восстановления ориентирована на человека и требует выхода за рамки чисто технического подхода, основываясь на философии, которая объединяет технические знания с процессами внедрения и восстановления. Первые исследования, в которых использовались системы поддержки принятия решений в области функционального восстановления, учитывающие не только риски и убытки от повреждений, но и время, необходимое для возобновления работы, продемонстрировали значительное увеличение выгод от инвестиций в обеспечение отказоустойчивости. ²⁵Специальная публикация NIST-FEMA NIST SP-1254/FEMA P-2090, «https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/SpecialPublications/NIST.SP.1254.pdf»

• 1
  Геологическая служба США, "Что такое землетрясение и что его вызывает?", Геологическая служба США.
• 2
  Геологическая служба США, "Магнитуда землетрясения, высвобождение энергии и интенсивность толчков", Геологическая служба США.
• 3
  Геологическая служба США, "Программа по изучению опасности землетрясений", Геологическая служба США.
• 4
  Боб Гровс, "Н.Дж. не застрахован от землетрясений", The Record, округ Берген, 2 марта 2001 г.
• 5
  Город Лос-Анджелес, "Вспоминая Нортриджское землетрясение", Город Лос-Анджелес, 16 января 2020 г.
• 6
  Марк Д. Петерсен, Морган П. Москетти, Питер М. Пауэрс, Чарльз С. Мюллер, Кэтлин М. Халлер, Артур Д. Френкель, Юэхуа Зенг и др., Документация для обновления 2014 г. Национальных карт сейсмической опасности США (Геологическая служба США, 5 августа 2014 г.).
• 7
  S. Николау, "Местная геология Нью-Йорка и ее влияние на сейсмические движения грунта", материалы Пятой международной конференции по истории конкретных случаев в геотехническом строительстве, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, 13-17 апреля 2004 г.
• 8
  Майкл Киммельман, "Когда Манхэттен был Маннахаттой: Прогулка сквозь столетия", Нью-Йорк Таймс, 13 мая 2020 г.
• 9
  Джагтар С. Кхинда, "Руководство по новым критериям сейсмического проектирования для Нью-Йорка в новом тысячелетии и обновленная информация о сейсмической модернизации мостов Нью-Йорка", материалы Международной конференции по мостам, Питтсбург, штат Пенсильвания, 14-16 июня 1999 г.
• 10
  Геологическая служба США, "Исторические землетрясения в мире", Геологическая служба США.
• 11
  FEMA, Снижение рисков неструктурного ущерба от землетрясений - практическое руководство, FEMA, декабрь 2012 г.
• 12
  Оскин, Б. (25 февраля 2013 г.). Браунстоуны Нью-Йорка разрушились во время испытания на сейсмическую устойчивость. NBC News. https://www.nbcnews.com
• 13
  FEMA, Здания из неармированной кладки и землетрясения: Разработка успешных программ по снижению риска, FEMA P-774, октябрь 2009 г.
• 14
  Дэн П. Э. Эшенаси, "Случаи разрушения неармированных кирпичных стен под действием внеплоскостных нагрузок", Журнал "Structural Forensics ", май 2011 г.
• 15
  Национальная программа по снижению опасности землетрясений, "Влияние типов почвы и горных пород", Координаторы землетрясений.
• 16
  NYC Department of Buildings, "NYC Codes", город Нью-Йорк.
• 17
  Дэн П. Е. Эшенази, "Случаи разрушения неармированных кирпичных стен под действием внеплоскостных нагрузок".
• 18
  Федеральное управление шоссейных дорог, Руководство по сейсмической модернизации дорожных сооружений: Часть 1 - Мосты (Публикация № FHWA-HRT-06-032), Научно-исследовательский центр шоссейных дорог Тернер-Фейрбанк, Министерство транспорта США, январь 2006 г.
• 19
  Департамент транспорта Нью-Йорка, "Инфраструктура: Бруклинский мост", город Нью-Йорк.
• 20
  Weidlinger Associates, Исследование сейсмической опасности Нью-Йорка и ее инженерного применения: Заключительный отчет (Weidlinger Associates подготовлен для Департамента транспорта Нью-Йорка, 1998 г.).
• 21
  Департамент транспорта Нью-Йорка, 2020 NYC DOT Bridges and Tunnels Annual Condition Report, Город Нью-Йорк.
• 22
  Геологическая служба США, "Модели краткосрочной наведенной сейсмичности", Геологическая служба США, 24 октября 2019 г.
• 23
  Тихоокеанский центр инженерных исследований землетрясений (PEER), Дорожная карта для моделей затухания следующего поколения для центральной и восточной частей Северной Америки (NGA-East) (Геологическая служба США, апрель 2008 г.).
• 24
  M. Тантала и Г. Норденсон, и др., Риски землетрясений и смягчение их последствий в регионе Нью-Йорк | Нью-Джерси | Коннектикут, Окончательный краткий отчет Консорциума по смягчению последствий землетрясений в районе Нью-Йорка (NYCEM). MCEER-03-SP02. (Многопрофильный центр инженерных исследований землетрясений, Университет Буффало, 2003 г.).
• 25
  Специальная публикация NIST-FEMA NIST SP-1254/FEMA P-2090, https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/SpecialPublications/NIST.SP.1254.pdf