Оксанович Людмил

Невидимый конфликт

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемая вниманию советского читателя книга болгарского специалиста Людмила Оксанорича посвящена исключительно важному инженерно-техническому вопросу — проблеме взаимодействия между зданиями и сооружениями, воздвигнутыми человеком на нашей планете, и внешними силами окружающей среды, оказывающими на них разрушительное воздействие. В конечном счете эта проблема сводится к теме защиты градообразующей среды от внешних воздействий как естественного, так и искусственного происхождения.

В легкой и занимательной научно-популярной форме, используя богатый фактический материал, автор рассказывает об опасности, которую несут зданиям и сооружениям грозные силы природы (землетрясения, ураганные ветры и т.д.), различные физические явления (температурные деформации материалов, резонанс и др.), а также воздействия, создаваемые уже «рукой человека», — различные вибрации, динамические нагрузки и пр. Автором рассматриваются и многочисленные случаи строительных катастроф, причиной которых был всего лишь низкий уровень профессиональных знаний строителей. Затрагиваются в книге и проблемы надежности и долговечности сооружений.

Л. Оксанович рассказывает о процессе становления строительной науки, о значении строительства как одной из важнейших отраслей народного хозяйства, о важнейших строительных материалах, в частности о стали и бетоне, которые являются в наше время основными материалами для возведения несущих конструкций зданий и сооружений; интересно описываются свойства этих материалов, особенности их работы в конструкциях.

Так же интересно и доходчиво автор преподносит читателю основы современной строительной механики. По ходу изложения приводятся элементарные математические выкладки, диаграммы и формулы, однако все это подается просто, без излишних техницизмов и очень доступно для понимания даже непосвященному читателю.

В популярной форме описаны основные виды строительных конструкций в историческом аспекте их развития, начиная от однопролетных балок и кончая современными пространственными конструкциями. Автор объясняет принципы работы тех или иных конструкций, рассказывает о рациональных методах возведения прочных и удобных в эксплуатационном отношении зданий и сооружений, уделяя особое внимание сложным вопросам мостостроения.

Автор не обошел вниманием и проблему взаимоотношений творцов современной градообразующей среды — архитекторов и инженеров, противоречия, возникающие в ходе их совместной работы, и пути преодоления этих противоречий.

Необходимо отметить, что появление настоящей книги в русском переводе — явление отрадное хотя бы потому, что до сих пор в нашем распоряжении не было подобных изданий, столь интересно излагающих, казалось бы, довольно сухие профессиональные проблемы строителей.

Книга Л. Оксановича, безусловно, окажется интересной и полезной для самого широкого читательского круга — как для специалистов-строителей, так и для совершенно не подготовленных читателей. Она может помочь юношам и девушкам в выборе профессии, с ее помощью учащиеся строительных училищ и техникумов, а также студенты первых курсов инженерно-строительных институтов легче овладеют основами своей будущей профессии. Факты, изложенные в книге, могут быть использованы и преподавателями учебных заведений для того, чтобы сделать учебный материал более интересным и увлекательным.

Ю. М. Веллер, инженер-строитель

ТРИ ВОПРОСА И ДВА ОТВЕТА

(ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ)

Отдаем ли мы себе отчет в том, сколь негостеприимна среда, в которой живет и творит человек? Ураганы, землетрясения, наводнения, пожары, обвалы и оползни — вот лишь небольшая часть того множества обличий, которые принимает многообразная, но слепая природа, показывая нам свое грозное могущество.

С многочисленными опасностями и стихийными бедствиями человек упорно борется тысячелетиями, но в результате этой борьбы изменилось само человечество, а не природа. Ее капризы, ее агрессивность остались теми же, что и сто, тысячу, десять тысяч лет назад. Ее мрачный «репертуар» направлен прежде всего против «недвижимой собственности» человечества — против наших зданий и сооружений. Причем ареной действия является вся планета. Мест, где наблюдаются (хотя и не одновременно) все перечисленные стихийные бедствия, не так уже много, но едва ли на земном шаре найдется место, где в определенный момент не могло бы разразиться по крайней мере одно из них. А это уже не мало! Достаточно одного землетрясения, чтобы уничтожить целый город или даже регион. Излишне говорить после этого о пожаре или наводнении. А ведь часто стихийные бедствия следуют одно за другим, одно порождает другое — картина разрушений в этом случае становится еще более трагичной. Так, в 1906 г. в результате сильного землетрясения, продолжавшегося всего 60 секунд, в городе Сан-Франциско сразу в пятидесяти местах возникли локальные пожары, которые быстро объединились в огромный огненный вал, полностью уничтоживший центральную часть города.

Итак, нигде и никогда нельзя предотвратить внезапного столкновения с силами природы. Однако в каждом случае различна степень риска. Если риск весьма реален и достаточно велик для участника автогонок, мчащегося со скоростью 200 км/ч, то для пассажира городского автобуса он несравнимо меньше. Еще меньше степень риска должна быть для пассажира самолета перевозящего впятеро больше людей, чем автобус, или океанского лайнера, плывущего с тысячей человек на борту. И это логично: чем большему количеству людей потенциально угрожает какая-либо, пусть даже гипотетическая, опасность, тем более серьезные меры следует принимать для обеспечения их безопасности.

Рис. 1. Вариант диалектического противоречия между формой и содержанием.

Но что же можно сказать тогда о городах, этих человеческих агломерациях, в которых живут сотни тысяч или даже миллионы представителей нашего биологического вида? Каким должен быть риск в этом случае? Естественно, наименьшим, практически нулевым. Жилища, в которых мы живем, заводы, на которых мы работаем, сооружения, которые нам служат, — все это должно быть в высшей степени надежно, устойчиво. И это естественно. Можно сказать, что это — неписаный общечеловеческий закон, знакомый нашим предкам и сохранившийся до наших дней.

В наше время исполнителем этого древнего закона является инженер-конструктор. Его основная миссия — обеспечение достаточной устойчивости зданий и сооружений к воздействию множества факторов природного и искусственного происхождения, которые создают для них угрозу в самой различной форме.

Но почему строительством должны заниматься две столь разные группы специалистов — архитекторы и инженеры, а не просто строители, как это было сто, двести лет тому назад? На первый взгляд, такое разделение кажется искусственным: ведь объектом труда и тех и других является одно — здание!

Вообще говоря, существует мало продуктов материального производства, которые в процессе создания передаются из рук одного специалиста в руки другого с совершенно иным профилем работы. Инженеры-машиностроители от начала до конца создают машины, кораблестроители — суда, химики — новые соединения с неизвестными до этого свойствами. Если в их работу включается специалист из другой области, его вмешательство не имеет решающего значения — автор в конечном счете остается один. Здания же, прежде чем их проекты покинут проектную мастерскую и будут осуществлены в натуре на отведенном для них месте, проходят через руки двух специалистов — архитектора и инженера-конструктора. Так что «отцов» здесь всегда два и авторство должно быть поделено.

Эта примечательная особенность обусловлена спецификой строительной деятельности. Конечный продукт — здание (или сооружение) в отличие от всякого другого продукта многосторонней человеческой деятельности должно в наибольшей мере сочетать в себе три момента: функциональность, эстетический облик и конструкцию. Первые два момента являются сферой действия архитектора. В известном смысле его продукция — это образ, замысел, объем. Но на основании одного этого здание не может быть построено.

Именно продукция инженера-конструктора есть то «нечто», на основании которого рабочие будут бетонировать фундамент, возводить стены, реализовывать нанесенное на чертеж. Однако… продукция конструктора невозможна без продукции архитектора. От него конструктор получает форму, объем, который он должен «наполнить» надежностью, реальностью и технической целесообразностью. Взаимозависимость и взаимообусловленность настолько велики, что бессмысленно и даже вредно говорить о том, «кто важнее» или «кто истинный творец». Однако в процессе совместной работы неминуемо возникают противоречия и конфликты. Каждый в большей или меньшей степени старается утвердить свою точку зрения как более авторитетную. Если мы подробнее остановимся на конкретных проявлениях профессионального антагонизма, то очень скоро убедимся, что речь идет о внутренних противоречиях строительства, об особом варианте диалектического противоречия между формой и содержанием.

Итак, архитектор призван в соответствии с некоей эстетической концепцией дать объемно-планировочное решение здания, исходя из его функций, назначения отдельных помещений и связей между ними. Он должен учитывать климатические особенности района, специфику рельефа местности, «звучание» экстерьера и в то же время все основные человеческие потребности и нужды — от потребности в пище, отдыхе и туалете до требования, чтобы от спинки стула до стены было не менее 90 см, поскольку именно такое расстояние позволяет свободно проходить между ними.

Инженер должен «вписать» свою конструкцию в уже созданный облик будущего здания. При этом часто выдвигается обязательное требование скрыть собственно конструкцию: чтобы потолок не обезображивали балки, в углах помещений не выступали колонны, чтобы сами помещения были светлыми и просторными. Эти и подобные им ограничения значительно осложняют труд конструктора. Еще сложнее обстоит дело, когда конструкция демонстрируется в чистом виде (мосты, залы, ангары, промышленные сооружения): помимо прочего в этом случае требуется, чтобы она была носителем и эстетической ценности. Однако это все же не главное. Конструкция должна быть прежде всего спроектирована так, чтобы она надежно воспринимала все возможные нагрузки и воздействия на здание или сооружение и невидимо, скрыто передавала их на естественное основание. Вес людей, машин, оборудования, напор ураганных ветров, возможные землетрясения и еще многие другие реальные или предполагаемые воздействия должны быть своевременно учтены. Дело это зачастую неимоверно трудное и не всегда возможное.

Когда же возникла необходимость в обособлении этих двух самостоятельных строительных специальностей?

Философ ответил бы: «Когда общественно-экономическая структура человеческого общества достигла уровня развития, нуждающегося в сравнительно массовом, быстром, дешевом и надежном строительстве». Психолог уточнил бы: «Когда информация в обширной области строительства превысила оперативную способность нормального человеческого мозга и он вынужден был ограничиться более узкой специализацией». А историк просто добавил бы: «100—150 лет назад».

В конце ХVIII — начале XIX в. в наиболее развитых странах потребности экономики (главным образом промышленности и транспорта) сделали первоочередной задачей создание зданий и сооружений нового типа: мостов с большими пролетами, промышленных зданий значительной площади и объема, таких внушительных сооружений, как резервуары, водонапорные башни, промышленные печи, трубопроводы. Их успешное строительство требовало более глубокого проникновения в тайны неживой природы и особенно более серьезного знакомства с законами механики. А поскольку для одного и того же человека достаточно сложно быть одновременно и компетентным специалистом в области архитектурной эстетики, и экспертом в точных науках, строительная деятельность распалась на два профиля — архитектурный и инженерно-конструкторский. Появились специалисты с различными методами работы и, несмотря на общий объект интереса, даже с различными типами интеллекта. В конечном счете архитектор, коль скоро он оперирует эстетическими категориями, причастен к эмоционально-интуитивному художественному творчеству, тогда как инженер-конструктор является представителем точных наук, а следовательно, должен иметь дело со сложнейшими абстракциями и владеть методом индукции, относящимся к области математики и механики.

Однако еще в начале нашего века стали обнаруживаться катастрофические последствия такой дифференциации. Занимаясь своим конкретным делом, инженер-строитель вынужден был решать такое множество самых разнообразных проблем, что объем необходимых для этого знаний снова стал выходить за рамки неписаных границ одной специальности. В настоящее время инженеров-строителей универсального профиля больше нет — современные условия потребовали дальнейшей внутренней специализации.

Одни из них являются непосредственными исполнителями, под руководством которых здание обретает, как говорится, плоть и кровь. Другие трудятся в лабораториях, создают новые материалы, новую технологию и новые строительные машины. Третьи в тихих кабинетах институтов разрабатывают мощный теоретико-вычислительный аппарат, без которого и сейчас, и особенно в будущем, строительство просто немыслимо. Но самая романтичная работа у четвертых — конструкторов. Именно они, используя «продукцию» лабораторий и институтов и опираясь на мастерство непосредственных исполнителей, совершают в своих мастерских «таинство», известное только посвященным.

Как это происходит? На этот простой вопрос одинаково трудно ответить не только сразу, но и после длительных размышлений.

Мы уже знаем, что основная миссия инженера-конструктора в нашем материальном мире заключается в обеспечении надежности зданий и сооружений, достаточной их устойчивости к воздействию множества естественных и искусственных факторов. Но это лишь половина правды. Другая половина состоит в том, что все это должно быть сделано при минимальном расходе времени, труда, материалов, энергии, короче говоря, при максимальной экономии средств. Ибо нетрудно выстроить одно 20-этажное здание так, чтобы оно не падало, трудно построить много таких зданий. Всякий перерасход материалов, всякая перестраховка или нерациональность, которые допустимы во имя «уникальности», являются пагубными в условиях массового строительства, поскольку могут свести на нет его смысл. Иначе говоря, экономичное, рациональное и всесторонне- обоснованное решение позволяет «скопить» достаточный капитал и вложить его в массовое строительство. И именно конструктору принадлежит здесь ведущая роль — ведь только он может доказать, что при данной степени экономичности конструкция обладает необходимой надежностью, что именно столько требуется данного материала, что именно такими методами следует строить здание, чтобы застраховать творение рук человеческих от различных — реальных или возможных — опасностей.

Однако едва ли массовое строительство является истинным полем деятельности конструктора. Истинное поле деятельности, область проявления таланта конструктора, где он может приложить все свои знания и фантазию — уникальные сооружения. Это, например, мосты, перекрывающие без промежуточных опор пролеты в десятки и сотни метров. Невидимый конфликт между силами гравитации и конструкцией, который в обычном строительстве является не таким острым, здесь достигает своего апогея. Внутренние силы стремятся разорвать связи в конструкции, разрушить материал, из которого она выполнена. И только хороший конструктор может правильно «дозировать» количество, форму и структуру материала, чтобы сооружение в конечном счете вышло победителем из любого столкновения со слепыми силами природы.

Подобные проблемы решаются также при перекрывании больших пространств или площадей. Каждый ангар для самолетов, крытый стадион или зрительный зал по существу являются маленьким триумфом инженерной мысли. Каждая заводская труба, каждая водонапорная или телевизионная башня — это убедительная победа технического гения человека над силами природы.

Мы до некоторой степени смогли ответить на вопросы, почему необходим специальный инженерный профиль в строительстве и когда возникла необходимость в таких специалистах, а на вопрос, как эти специалисты обеспечивают надежность зданий и сооружений, вы сможете ответить сами, после того как прочтете эту книгу.

«ТЫСЯЧИ ТОНН НАД НАШИМИ ГОЛОВАМИ…»

КОНФЛИКТ БЕЗ СВИДЕТЕЛЕЙ

В середине 60-х годов газеты сообщили, что в Анкаре (Турция) обрушилась трибуна городского стадиона, переполненная зрителями. В 1972 г. такая же участь постигла другую трибуну, только на этот раз в Саламанке (Северная Испания). Во время сильного ветра 15-метровый козырек не выдержал дополнительной нагрузки и рухнул сверху на места для зрителей, которые, к счастью, были пустыми. В это же время тоже в Испании, в одном из старых кварталов Барселоны, неожиданно рухнуло старое четырехэтажное здание. Подобное тотальное разрушение здания от крыши до основания может произойти по исключительным причинам, но ничего особенного в этот день и час в данном районе не было. Погибли 52 человека, а несколько десятков были ранены.

Стихийные бедствия и различные аварийные ситуации возникают редко, в некоторых счастливых случаях их может не быть в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения. Подобная безмятежная биография далеко не означает, что конструкция отдыхает. Напротив, ежедневно, ежечасно, в течение всей своей жизни она подвергается «дежурным» нагрузкам, которые являются для нее неизбежными.

Например, кровля из марсельской черепицы на одноэтажном одноквартирном доме по существу оказывается внушительным 15-тонным грузом, покоящимся на стенах. Человек, живущий на первом этаже семиэтажного здания, едва ли подозревает, что спит под потенциальным прессом в несколько тысяч тонн. Едва ли он подозревает также и о естественном стремлении этой тяжести двинуться вниз по наиболее прямому пути — вертикали, которое в переводе на обычный язык означает обрушение, катастрофу. Только рациональная и целесообразная конструкция здания сдерживает это катастрофическое движение вниз, и подобная борьба конструкции с нагрузками продолжается без устали дни, годы, а иногда и века. Вполне можно сказать, что конструкция — балки, колонны, фундаменты — это единая денно и нощно напряженная мышца, которая должна быть неутомимой. Ибо нетрудно себе представить, что случится, если эта мышца, удерживающая тысячи тонн над нашей головой, устанет и расслабится.

Разумеется, мышца-конструкция чаще всего не является максимально напряженной. И это логично, так как она должна беречь силы для экстренных, особенно тяжелых состояний. При нормальных эксплуатационных условиях основной воздействующей силой оказывается масса самой конструкции, внутренних перегородок, покрытий пола, оборудования и находящихся в здании людей. Напряжения в этом случае значительно ниже предельных прочностных возможностей материала. Своеобразными приливами и отливами напряжений в отдельных своих элементах несущая система реагирует на усиление и ослабление нагрузок. В определенный момент, когда по неизвестной причине все помещения здания целиком заполняются людьми, (гипотетическое обстоятельство, которое проектировщик все же должен принимать во внимание), напряжения резко возрастают. Снег, ветер, дождь, лед — вот все те нагрузки, которые в это время могут перегрузить и без того сильно напряженную мышцу конструкции.

Но вот в некий день, час и минуту возникает экстремальная ситуация, обстоятельства складываются самым неблагоприятным образом и напряжения достигают максимальной величины. В этот момент мышца напряжена до крайности, материал работает на пределе своих возможностей. Сумел ли конструктор предусмотреть столь тяжелую, но все же достаточно реальную ситуацию, которая может оказаться критической для данного элемента или узла несущей системы? Он должен был... Он должен предвидеть все.

Итак, нагрузки. Стены, мебель, люди, снег, ветры, землетрясения — все это в крайних обстоятельствах является нагрузкой. В сущности, этот список должен быть значительно длиннее. Может быть, это звучит странно, но нагрузкой могут быть и солнечные лучи, и птичьи стаи. С этой необычной точки зрения все вещественное утрачивает свой материальный облик и функциональный смысл и превращается в тысячи и тысячи тонн, которые конструкция здания или сооружения должна принять на себя и передать на основание. Это почти абсурдная, но необходимая трансформация известного и обычного в нечто столь же известное, но абстрактное — нагрузку.

Но важно одно — нагрузки агрессивны по своей природе. Они коварно изыскивают малейшее упущение, малейшее несовершенство в конструкции, чтобы тотчас же обнаружить свою разрушительную силу. Об этом свидетельствуют тысячи примеров аварий и катастроф, происходивших в недалеком прошлом и происходящих в наши дни. Разумеется, тщательный анализ позволяет выявить причины подобных трагических событий: чаще всего это погрешность проекта, некачественное исполнение, нарушение условий эксплуатации или стихийное бедствие. Однако во всех случаях в основе лежат нагрузки. Предусмотренные или непредусмотренные, ощутимые или нет, но именно они становятся причиной всякой аварии в строительстве. Поэтому специалист должен предвидеть не только все возможные воздействия на будущее здание или сооружение, но и все возможные неблагоприятные комбинации отдельных воздействий. И не просто предвидеть, а дать им как можно более точную количественную оценку.

Все это сравнительно полно регламентируется во всех развитых странах мира различными техническими условиями и нормативными документами. Например, в принятых в НРБ нормах нагрузки делятся на две основные группы — постоянные и временные. Постоянными называются нагрузки, которые в силу своей природы действуют в течение всего срока эксплуатации сооружения. Очевидно, что таковыми являются нагрузки, обусловленные собственной массой самой конструкции, всех наружных и внутренних стен, облицовки, перекрытий и покрытий, остекления, элементов архитектурного декора, ограждений лестниц, балконов и т.п. Постоянные нагрузки создаются также внутренним оборудованием и инженерными сетями, а кроме того, за счет давления грунта на стены подвала.

Нагрузки второй группы — временные — весьма разнообразны как по характеру, так и по длительности воздействия, в связи с чем они дополнительно поделены на подгруппы. Длительными нагрузками считаются масса машин и оборудования в промышленных зданиях, содержимого библиотек, архивов, книгохранилищ, человеческие нагрузки на конструкции кинотеатров, театров, фойе, выставочных залов и трибун стадионов. К длительным временным нагрузкам относятся также нагрузки от массы газов и жидкостей в резервуарах, постепенно скапливающаяся промышленная пыль, какие-либо особые температурные воздействия.

Другой подгруппой являются кратковременные нагрузки. К ним относятся движущиеся подъемные и транспортные машины (краны, тельферы, автомобили), снег, ветер, а также человеческие нагрузки в критических размерах. К этому можно добавить еще нагрузки на сборные конструкции во время их транспортировки и монтажа, при кратковременных испытаниях машин, а также от климатических (т.е. температурных) воздействий.

И вот, наконец, мы дошли до последней подгруппы, которая носит многозначительное название «особые нагрузки». Уже само название говорит о том, что они могут возникать в особых, чрезвычайных, исключительных обстоятельствах. Или, иначе говоря, они могут не возникать вообще, но инженер обязательно должен иметь их в виду при соответствующих условиях строительства и эксплуатации. Такого рода нагрузками являются, например, неожиданное оседание или даже проваливание грунтового основания, взрывы, разрывы канатов на канатной дороге и т.д. Но, несомненно, наиболее страшной из «особых» нагрузок является нагрузка от землетрясения. По масштабам и степени воздействия она несравнима ни с какой другой.

ГРАВИТАЦИЯ

Формируясь на планете, мчащейся с огромной скоростью во Вселенной, создавая свою историю в поле ее невидимых гравитационных волн, человечество обречено было с самого начала сообразовывать каждый свой шаг с этим обстоятельством. Еще первые полуосознанные действия наших далеких предков сталкивались с таинственной силой, которая отклоняла к земле брошенный камень. В последующие века человек на каждом шагу убеждался в неизменном свойстве окружающих его тел падать при всяком удобном случае: падало срубленное дерево, убитый олень, отколовшийся кусок скалы, а при определенных обстоятельствах и сам задумавшийся наблюдатель. Вероятно, такие спонтанные наблюдения были весьма полезны и для первых строительных начинаний человека. Например, свайные постройки… Для того чтобы их создать, необходима определенная, хотя и интуитивная, оценка гравитационных нагрузок, которые эти постройки должны выдержать.

К нашему большому сожалению, все тела обладают массой. Какой была бы архитектура городов, если бы не было силы тяжести? Трудно сказать. Да и вряд ли кто-нибудь станет пытаться отвечать на столь абсурдный вопрос. Во всяком случае, она была бы совершенно иной, нежели та, к которой мы привыкли. Строительство исчерпывалось бы одной архитектурой, поскольку почти не было бы нужды в конструкциях — ведь исчезли бы гравитационные нагрузки, которые обычно воспринимаются конструкциями. Поэтому вполне можно сказать, что именно гравитация и связанная с ней масса всех тел создает необходимость в строительных конструкциях. Она определяет и все конструктивные формы, с которыми мы познакомимся далее.

Один кубический метр воды весит одну тонну. В сравнении с этим показателем мы можем оценить, как проявляют себя в поле земной гравитации некоторые широко используемые строительные материалы. Например, один кубический метр стали обладает массой почти в 8 раз, а алюминиевого сплава — в 3 раза большей, чем кубический метр воды. Приблизительно такова и удельная масса многих скальных пород — гранита, мрамора, песчаника.

Наиболее распространенный строительный материал — железобетон — в вибрированном состоянии весит 2,5 т/м^3. Отсюда довольно легко рассчитать массу плиты междуэтажного перекрытия толщиной 10 см: 1x0,1х2,5=0,25 т/м^2. Для помещения размером 4х4 м она будет внушительна — 4 т. Не слишком приятно сознавать, что эти четыре тонны постоянно «висят» в метре от твоей головы.

В действительности «пресс» над нашими головами значительно тяжелее. Элемент за элементом, массу за массой конструктор должен учесть и рассчитать все возможные постоянные нагрузки. Он не может перестраховываться во имя наибольшей надежности, хотя гораздо опаснее противоположный вариант — упустить из виду реально существующую нагрузку.

Известен случай с плитой перекрытия одного административного здания, на которой предусматривалось смонтировать небольшой металлический резервуар для воды. Инженер-проектировщик не принял во внимание эту «мелочь». После того как здание было построено, а резервуар смонтирован, его начали наполнять водой. В это время в плите появились трещины. К счастью, эти угрожающие симптомы были своевременно замечены служащими, работавшими на последнем этаже здания, которые покинули помещение и подняли тревогу. Под влиянием непредвиденной восьмитонной нагрузки плита разрушилась. Это была довольно легко поправимая авария, но бывают и значительно более сложные случаи.

Классическим примером грубой ошибки, допущенной при определении собственной массы конструкции, является авария моста на р. Св. Лаврентия близ Квебека (Канада). На отдельных участках моста отношение реальной нагрузки к расчетной достигало 10:3. Но на столь грандиозной инженерной ошибке мы еще остановимся ниже и рассмотрим ее более подробно.

Рис. 2. Возможная интерпретация нормативной полезной нагрузки  на стадионах, в зрительных залах, в фойе

Значительно более сложен случай с так называемыми полезными нагрузками. Они являются полезными в подлинном смысле слова поскольку конструкция предназначена как раз для того, чтобы воспринимать и выдерживать именно эти нагрузки.

Собственная масса конструкции и несущих ограждающих элементов представляет собой скорее паразитическую, чем полезную нагрузку! Полезные нагрузки — это нагрузки от людей, машин, оборудования, складируемых материалов и т.д. Однако вся тонкость состоит в том, чтобы конструкция была максимально ориентирована на восприятие этих нагрузок, т.е. чтобы, как говорится, «и волки были сыты, и овцы целы».

В 1972 г. в филиппинском городе Нага-Сити произошла следующая история. Приближался день большого религиозного праздника, насыщенный массовыми шествиями и зрелищами. Кульминационным событием была торжественная процессия на полноводной реке, протекающей через город: в ней участвовали сотни верующих на пышно украшенных лодках и небольших парусных суденышках. Это зрелище удобнее всего было наблюдать с большого автодорожного моста, который в роковой день и час заполнился любопытствующими — верующими и неверующими, местными жителями и иностранными туристами. Когда ожидаемая процессия наконец показалась, люди столпились на одной стороне моста, не подозревая о том, что случится в следующее мгновение. Мост ужасающе заскрежетал, изогнулся и, не выдержав огромной односторонней нагрузки, внезапно рухнул. Деревянными балками и металлическими конструкциями было раздавлено 130 человек. Знаменательно, что подобная катастрофа при тех же обстоятельствах уже произошла в этом месте в 1949 г.

В принципе бывает довольно трудно предусмотреть обстоятельства (или, соответственно, «живую нагрузку»), которые могут сказаться критическими для здания или сооружения. Тем не менее они не такие уж невозможные. Совершенно очевидно, что увеличение полезных нагрузок до невероятных пределов предполагает проектирование чрезмерно прочных, чрезмерно надежных и, естественно, чрезмерно неэкономичных строительных конструкций. Другой крайностью было бы закрыть глаза на известную, но маловероятную возможность реализации необычайно высокой полезной нагрузки. В этом случае конструкции будут гораздо более экономичными при весьма сомнительной надежности. По-видимому, наилучшим решением здесь будет разумный компромисс.

Возьмем следующий пример. Возможно ли, чтобы в жилом доме помещения наполнились людьми до такой степени, чтобы полезная нагрузка достигла величины 400 кг/м^2? Говоря житейским языком, на каждом квадратном метре пола должно собраться по четыре толстяка весом по 100 кг. Но чтобы разместиться на столь малой площади, они должны были бы прижаться друг к другу… А это была бы уже такая теснота, которая возможна только при огромных скоплениях людей — на стадионах, в зрительных залах, в фойе и т.п. Для подобных объектов полезная нагрузка 400 кг/м^2 вполне уместна, поэтому именно эта величина считается для них нормативной. Для коридоров и лестничных клеток административных зданий нормативная полезная нагрузка составляет 300 кг/м^2. При проектировании жилых зданий, где статическая ситуация, подобная описанной, является почти невероятной, проектировщик практически ориентируется на полезную нагрузку 150 кг/м^2.

Подобным же образом, но путем гораздо более сложных расчетов решается вопрос о подвижных полезных нагрузках в случае мостовых конструкций. Расчетом учитываются транспортные средства, которые, с одной стороны, наиболее типичны для данного исторического момента в данной стране, а с другой стороны, могут оказывать наиболее тяжелое воздействие на мост и вызывать в нем напряжения и деформации. Причем важное значение здесь имеет не только величина нагрузок, но и их взаимное расположение. Поэтому еще в проектной мастерской моделируются различные дорожно-транспортные ситуации, которые могут самым неблагоприятным образом отразиться на состоянии как отдельных конструктивных элементов, так и конструкции в целом.

КАТАСТРОФЫ В ПРОШЛОМ И В НАШИ ДНИ

28 января 1922 г. над Вашингтоном бушевала метель. Во второй половине дня снегопад усилился и улицы опустели. К вечеру огромные снежные сугробы покрыли крыши, парки, улицы и площади, а снег все шел и шел.

Демонстрация фильма в огромном кинотеатре «Никарбокар» началась при переполненном зале. Едва ли кто-нибудь из зрителей подозревал, что происходит над его головой, хотя именно в это время сложные процессы в конструкции перекрытия тайно готовили катастрофу.

Едва ли кто-нибудь подозревал, что невидимый конфликт между силами гравитации и слабой, плохо спроектированной и выполненной конструкцией стремительно развивается в самом опасном, гибельном направлении и что очень скоро верх возьмут слепые силы гравитации. Тем временем толщина снежного покрывала на перекрытии достигла полуметра, более чем на 15% превысив расчетную величину. И «чаша переполнилась»…

В 21 ч 10 мин перекрытие над зрительным залом внезапно рухнуло: 91 человек погиб, а около 200 были тяжело ранены.

Каждый специалист хорошо знает, что снег — далеко не маловажный фактор и его нельзя недооценивать. Пушистый и легкий, он постепенно образует толстые пласты и уплотняется, вследствие чего его объемная масса может достигать значительной величины. Если в январе — феврале свежий снег весит до 300 кг/м^2, то в марте масса 1 м^2 снежного покрова может достигать 0,5 т. Кроме того, следует принимать во внимание одно дополнительное и весьма неприятное обстоятельство: в промышленных районах и крупных городах снег смешан с пылью (тяжелый снег), в связи с чем снежные нагрузки здесь могут быть гораздо более значительными, чем в сельской местности. О том, насколько коварным может оказаться обычный снег, говорит следующий факт. С 1955 по 1966 г. только в Канаде произошло восемь крупных аварий на строительных объектах, и, как показала экспертиза, причина была одна — чрезмерные снежные нагрузки.

Наибольшая толщина слоя снега, накопившегося за одни сутки, зарегистрирована в штате Колорадо (США) 14—15 апреля 1921 г. Это так называемая экстремальная ситуация, которая складывается не так уже часто. Возникает логичный вопрос: какой же должна быть нормативная снежная нагрузка, чтобы конструкция не подвергалась опасности аварии, но в то же время не была и «чрезмерно» надежной?

Здесь, как и в случае полезных нагрузок, вопрос может решаться с точки зрения статистической вероятности. Но, в отличие от полезных нагрузок, паразитическая снежная нагрузка не поддается никакому регулированию со стороны человека. Снег — это просто довольно неприятный для конструктора фактор, который он должен учесть и по возможности наиболее точно. Многолетние наблюдения позволяют получить подробные данные о колебаниях толщины снежного покрова. На основании этих данных выбирается год с особенно обильными снегопадами. Но как часто, по теории вероятности, повторяются такие снежные годы? Именно здесь возникает дилемма, которая всегда встает перед конструктором, когда он имеет дело с явлениями природы. Решение находится где-то на границе между чрезмерной драматизацией опасности и преувеличенным оптимизмом. Таким образом, речь снова идет о разумном компромиссе, который в значительной степени зависит от социальных и экономических установок.

Очевидно, было бы излишней предосторожностью ориентироваться на толщину снежного покрова, которая наблюдается раз в сто лет. Вполне вероятно, что период существования постройки может целиком уместиться между двумя такими «снежными событиями». Но, естественно, снег, который выпадает раз в пять лет, ни в коей мере нельзя считать обычным природным явлением. Так или иначе, но эта проблема имеет наибольшее значение для северных стран. На территории Болгарии снежный покров бывает значительно более скромным.

В соответствии с нормами снеговых нагрузок территория Болгарии разделена на три зоны, в которых максимальная масса снежного покрова на горизонтальной поверхности равна 50, 70 и 100 кг/м^2. Для особых, главным образом горных, районов нормативная снеговая нагрузка определяется на основании результатов специальных наблюдений.

15 июля 1976 г. в ФРГ был официально открыт большой отводной, канал на р. Эльбе. Внушительная 115-километровая трасса канала, включая десятки километров дамбы, береговые сооружения и мосты, была построена за необыкновенно короткий срок. Канал рекламировался как техническое достижение XX в.

Через три дня после официального открытия, 18 июля, в районе Люнебурга был прорван 20-метровый участок одной из дамб. За считанные минуты огромная масса воды затопила обширную территорию — жилые районы, сельскохозяйственные угодья, несколько автомобильных магистралей и железнодорожную линию.

Вот одно из недавних событий, которое может служить иллюстрацией внушительных возможностей воды, водной стихии. Лишенные преграды водяные массы устремляются вперед с ужасающей скоростью. Их кинетическая энергия огромна, их движение неудержимо, и нет силы, которая могла бы укротить эту разбушевавшуюся стихию, сметающую на своем пути здания, улицы, целые села и города. Есть только одна возможность — не допускать подобных ситуаций.

Гарантией безопасности являются надежность и качество исполнения гидротехнических сооружений — стен водохранилищ, дамб, шлюзов, резервуаров. В течение всего срока эксплуатации они подвергаются огромному гидростатическому давлению. Известно, что каждый метр глубины увеличивает давление воды на одну тонну. В связи с этим нижняя часть стены водоема глубиной 10 м испытывает нагрузку в 10 т/м^2, а давление воды на нижнюю часть стены водоема глубиной 40 м составляет 40 т/м^2. С такими огромными нагрузками конструктор имеет дело в случае строительства гидротехнических сооружений. Разумеется, величине нагрузок соответствуют и масштабы самих сооружений, которые должны сдерживать столь грозную силу.

Но сколь трагичными оказываются последствия, если эти сооружения не оправдывают надежд, которые на них возлагаются! Мы остановимся лишь на одном из таких случаев. Он произошел в середине прошлого века в США.

Вблизи города Джонстауна в Пенсильвании было построено большое водохранилище (емкостью 20 млн. м^3 воды) на р. Саут Форк. Насыпная земляная плотина имела длину 248 м и ширину в основании 61 м. В мае вследствие проливных дождей уровень воды в водоеме начал угрожающе повышаться, а водосбросные сооружения «подвели». Были приняты срочные меры по отводу излишней воды, но они не дали желаемых результатов. Вода стала переливаться через гребень плотины потоком шириной 90 м и постепенно ее размыла. Произошел прорыв плотины на значительном участке, и вода окончательно пробила себе дорогу. Через 45 мин перед глазами изумленных очевидцев появилось илистое дно водохранилища.

Долина реки перед плотиной имела сильный наклон к Джонстауну. По ней со скоростью гоночного автомобиля устремился мощный поток, высота фронтальной волны которого достигала 12 м. Все, что встречалось на его пути, уничтожалось до основания. Погибло около 2,5 тыс. человек. В локомотивном депо, находившемся в 5 км от места катастрофы, 16 шестидесятитонных паровозов были, подобно игрушкам, разбросаны в радиусе полукилометра.

Само по себе гидростатическое давление может довольно надежно «восприниматься» и сдерживаться. Ведь оно представляет собой такую нагрузку, которая наиболее просто и точно рассчитывается и, следовательно, позволяет обеспечить надежность конструкции гидротехнического сооружения. Опасность была бы действительно весьма незначительной, если бы не существовало целого ряда «подрывных» механических и физических процессов, происходящих в основании стен и в самих стенах и медленно, но верно подготавливающих условия для невозможной, на первый взгляд, катастрофы. Столь же негативную роль играет неисправность предохранительных сооружений или, что бывает гораздо реже, неправильная эксплуатация сооружений.

В поле земной гравитации внушительной нагрузкой является и сама масса земли. Иногда она в буквальном смысле слова не может удержаться, и тогда происходят обвалы и оползни.

Все стены подвальных этажей зданий, помимо всего прочего, должны сдерживать давление грунта, в котором они находятся. В отличие от воды грунты обладают значительным внутренним трением и сильной когезией (сцеплением между частицами), поэтому давление грунта, как правило, меньше давления воды. Грунт может удерживаться на откосах, а вода нет. Но это возможно лишь до известного предела, зависящего от качества самого грунта и от внешней нагрузки, которая может появиться в области откоса. В определенный момент внутреннее равновесие нарушается и массив может обрушиться.

От неприятных последствий защищают различные подпорные сооружения — обязательный элемент укрепления склонов при строительстве дорог в горных местностях, при вертикальной планировке на уклоне, в подвальных и подземных помещениях зданий. От правильного определения давления грунта, которое часто является основной нагрузкой, зависит, удержатся ли на месте опасные земляные массы.

ТЕЛЕГРАФНЫЕ АГЕНСТВА СООБЩАЮТ…

«РАНГУН. Не менее 253 человек погибло во время циклона, который на прошлой неделе опустошил дельту реки Иравади в Бирме. Циклон, пронесшийся над районом 7—8 мая со скоростью 140 км/ч, разрушил 123 тысячи жилищ, уничтожил 6 тысяч голов скота и потопил 50 речных судов. Нанесенный ущерб исчисляется более чем 60 млн. долларов» (ТАСС).

«МАНИЛА. 800 человек погибли от тропического урагана «Лола», который промчался над шестью южными и центральными провинциями Филиппин. В провинции Суригао 5 тысяч человек остались без крова» (Рейтер).

«ТОКИО. Тайфун «Филис», сильнейший из обрушивавшихся до сих пор на Японию, явился причиной гибели 60 человек, еще 146 человек были ранены, а 12 бесследно исчезли. Тайфун пронесся над юго-западной частью Японии, разрушив 1124 дома. Десятки тысяч зданий затоплены. Сильно пострадали посевы и сельскохозяйственные постройки» (БТА).

«ВАШИНГТОН. Американский президент Джералд Форд объявил районом бедствия штат Арканзас, пострадавший от ураганов и наводнения. Разбушевавшаяся стихия нанесла значительный материальный ущерб. Разрушены здания, мосты и дороги, частично выведены из строя электростанции, обслуживающие 22 населенных пункта» (БТА).

«НЬЮ-ЙОРК. Полуразрушенные здания, сорванные крыши, выбитые окна, вырванные с корнем деревья и поврежденные электропровода — вот следы урагана, бушевавшего над центральной частью Алабамы. Девяносто человек ранены и один убит. Значительный ущерб причинен и соседнему штату Джорджия» (БТА).

Даты в приведенных выше сообщениях умышленно опущены. Они просто излишни. Подобные сообщения поступают чуть ли не ежедневно, и мы уже привыкли к драматизму, скрытому в их сухих строчках. Но стоит задуматься о бедствиях, которые за ними стоят, об ужасных бедствиях…

21 сентября 1974 г. из Нью-Йорка были получены первые сообщения об урагане «Фифи», позднее названном «ураганом века». В последующие дни сообщения о нем не сходили со страниц мировой печати. Он пронесся над Никарагуа, Гондурасом, Сальвадором, Гватемалой, северо-восточной частью Мексики. Согласно официальным данным, масштабы ущерба, причиненного этим ураганом, достигали миллиарда долларов.

Было подсчитано, что понадобится около пяти лет, прежде чем экономика этих стран оправится от последствий урагана. Насчитывалось около 9 тыс. погибших, 15 тыс. человек бесследно исчезли.

Несколько месяцев спустя над австралийским городом Дарвином пронесся циклон «Трейси».

По масштабам разрушений — около 90% всех зданий в городе — двигавшиеся со скоростью 200 км/ч ветры напоминали массированную бомбардировку. По непосредственному воздействию на здания и сооружения «Трейси» — наиболее опустошительный циклон последних лет. Во всяком случае, немногие города Европы во время второй мировой войны подвергались сразу столь сильному разрушению.

Однако не должно складываться впечатление, что опустошительные ветры «запатентованы» лишь в тропиках. В странах умеренного пояса периодически бушуют ураганы, которые по силе часто соперничают с тропическими.

«БЕРЛИН. Ураганные ветры, скорость которых достигала 125 км/ч, пронеслись над Берлином и другими районами ГДР. Пострадали крыши промышленных объектов и жилых зданий, вырваны с корнем деревья, а местами и телеграфные столбы. На некоторых автомагистралях было остановлено движение транспортных средств» (БТА).

«ВАРШАВА. За последние сутки погода в Польше резко изменилась. Дуют сильные ветры и идут проливные дожди. Ветер разорвал несколько магистральных линий электропередачи, разрушил крыши на ряде хозяйственных построек. Настоящие летние бури разыгрались в Люблине, Кракове и в районе Варшавы» (ПАП).

«БЕЛГРАД. Над северо-восточными и центральными районами Югославии пронесся сильный ураган. Скорость ветра местами достигала 140—150 км/ч. Разрушены магистральные линии электропередачи, прервано телефонное сообщение. В Белграде на несколько часов было приостановлено движение городского транспорта. В Нови-Саде ураган срывал крыши с домов с корнем вырывал деревья. Нанесен большой ущерб посевам зерновых. На внеочередной сессии правительственных органов Сербии обсуждались меры по оказанию помощи пострадавшим. Части югославской народной армии, милиции и граждане страны ликвидируют последствия урагана» (БТА).

«РИМ. Над Генуей и ее окрестностями пронесся ураган. Ветер, скорость которого достигла 100 км/ч, сносил крыши, вырывал с корнем деревья. Нарушено снабжение электроэнергией. Ущерб, причиненный ураганом, оценивается в несколько сот миллионов лир» (БТА).

«НЬЮ-ЙОРК. Сегодня ураган «Бел», движущийся со скоростью 175 км/ч, пронесся над самой густонаселенной частью нью-йоркского пригорода Лонг-Айленд. Были снесены крыши, вырваны с корнем деревья, порваны электрокабели. Более 60 тыс. квартир осталось без освещения» (БТА).

Как рождаются ветры? Древние греки, например, считали, что их вызывают морские волны. Но в действительности происходит скорее наоборот.

Вообще говоря, речь идет об атмосферной циркуляции, о глобальном и постоянном движении воздушных масс, из которых человек может непосредственно воспринимать лишь те, что находятся на нижнем уровне «многоэтажной атмосферы» Земли. Реально планета получает около половины поступающей на внешнюю границу земной атмосферы солнечной энергии в виде прямой и рассеянной радиации, а вторая половина отражается в пространство. Три четверти этой получаемой энергии уходит на согревание земной поверхности, а одна четверть остается в атмосфере. И именно эта четверть является «виновником» мощных движений воздуха, которые называются атмосферной циркуляцией.

С другой стороны, океаны в тропиках расходуют тепло, которое поступает в атмосферу, на испарение воды со своей поверхности. В конечном счете в области экватора концентрируется огромное количество тепла, которое, не распространяясь к высоким широтам, угрожает экваториальной и тропической зонам исполинским тепловым ударом. Роль фактора, обеспечивающего выравнивание температур, играют в основном воздушные течения. Более чем половиной получаемого тепла высокие широты обязаны атмосферной циркуляции.

Происходит это приблизительно следующим образом: с севера к экватору течет холодный и тяжелый воздух, который, достигая низких широт, нагревается и поднимается вверх, после чего снова поворачивает на север. Так формируются два потока — один над другим, образуя нечто вроде клетки (известной под названием «клетка Хадли»). Следовало бы ожидать, что эта клетка замкнется где-то в области полюса. Однако она не замыкается, а распадается в зоне умеренных широт. Причиной этого оказываются динамические силы, возникающие при вращении Земли и возрастающие к сороковой параллели. В умеренных широтах постоянно происходит струйное течение, которое, будучи достаточно извилистым, в общем направлено с запада на восток.

Такова картина глобальных атмосферных движений. Однако вблизи земной поверхности эта картина гораздо сложнее и почти не поддается какой-либо систематизации. Помимо трения воздушных струй о земную поверхность большое значение здесь имеет также характер рельефа — его неровности, которые становятся причиной своеобразных и в известной степени специфических для данного района ветров. Столь же важным является соотношение между водой и сушей. Контактирующие с морями и океанами зоны систематически продуваются местными ветрами, которые в различных районах земного шара даже имеют свои имена. В конечном счете именно эти низкие ветры оказывают непосредственное воздействие на здания и сооружения. Но мы должны еще немного рассказать о том, как они превращаются в нагрузку.

Тропические ураганы — наиболее драматичная форма атмосферной динамики. По существу, это колоссальный энергетический «транспорт», который движется со скоростью современного экспресса от тропиков к умеренным широтам, растрачивая по дороге свою пагубную энергию. А энергия эта может быть приравнена примерно к ста 20-мегатонным водородным бомбам! К счастью (если в данном случае уместно говорить о счастье), такая летящая супербомба не взрывается сразу, а отдает свою энергию медленно, постепенно, в течение нескольких дней, благодаря чему есть возможность в известной степени предсказать направление ее дальнейшего движения. В этом отличие ураганов от землетрясений. Сейчас существует сравнительно хорошо налаженная система обнаружения зарождающихся ураганов и прослеживания их движения, которая располагает множеством современных средств — самолетами и кораблями- лабораториями, искусственными спутниками и наземными станциями. Так что элемент неожиданности почти исключен.

И если жертвы и разрушения все же огромны, метеорологи в этом не виноваты. Нескольких часов или даже дней, которыми располагают предупрежденные районы, практически недостаточно для массовой эвакуации населения. Посевы, в сущности, обречены. Конструкции зданий и сооружений, однако, должны устоять любой ценой. Рушатся декоративные элементы, остекление, различные покрытия, но с точки зрения материальных затрат это минимальные и легковосполнимые потери.

Как возникают эти грозные атмосферные явления? Какие силы превращают почти невесомый и неощутимый воздух в неукротимую стихию?

Наука все еще не может полностью ответить на этот естественный вопрос. Известно, что ураганы возникают в области экватора, в полосе между 20° северной и 20° южной широты. Около зоны низкого атмосферного давления образуются быстровосходящие потоки воздушных масс, что обусловлено большой разницей давлений на периферии и в центре. Стремительно вращающееся образование имеет диаметр до 1000 км, высоту до 15 км, а скорость его может превышать 300 км/ч. При этом в центре царит … абсолютное спокойствие. В такой эллипсовидной зоне, названной «оком урагана», ярко светит солнце и на много квадратных километров вокруг погода тихая и ясная.

Ежегодно несколько десятков таких образований возникают в теплых морях и некоторые из них по сложному пути устремляются к суше. Сезон ураганов в Северном полушарии продолжается с августа до ноября, а в Южном — с декабря до апреля. В сущности, слова «ураган», «тайфун», «циклон», «харикейн» (от индейского «хуракан» — сильный ветер), которыми мы пользуемся в разных случаях, являются полными синонимами.

Всякое устойчивое завихрение со скоростью более 60 км/ч уже называется ураганом, а часто удостаивается и своего собственного имени. Эта интересная традиция родилась в 40-х годах нынешнего столетия, и ее основоположником стал американский писатель Джеймс Стюарт. В одном из своих романов он позволил себе такую авторскую вольность, а метеорологи быстро взяли ее на вооружение.

УРАГАННЫЕ ВЕТРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВО

Сильные порывы ветра — это не только внушительное явление природы, но и источник серьезных технико-экономических проблем общечеловеческого значения. Почти бесплотный воздух может быть носителем колоссальной кинетической энергии. Будучи вовлеченными в циклоническое движение земной атмосферы, он превращается в могучий вал, оставляющий на своем пути многочисленные разрушения.

По сообщению секретариата Всемирной службы погоды, ураганные ветры ежегодно наносят ущерб, исчисляемый 1,5 млрд. долл, (на основании данных за последние сто лет). Почти 2/3 этой суммы составляет ущерб, причиняемый нашей градообразующей среде — зданиям и сооружениям. Сумма ущерба, в среднем причиняемого ежегодно землетрясениями, примерно на 40% меньше. Только в США ежегодные потери за период 1915 — 1924 гг. составили 63 млн. долл. С этого времени до наших дней они в среднем увеличиваются на 9,5%, что на 40% больше прироста национального дохода США. В Японии потери от ураганных ветров возросли с 273 млн. в 1945 г. до 600 млн. долл. В странах Карибского бассейна за последние десять лет эта сумма возросла втрое. Подобным же образом растут потери от ураганных ветров в странах юго-восточной Азии и на Филиппинах.

Разумеется, ветры не стали ни более сильными, ни более продолжительными, чем, например, в ХVIII в. Просто препятствия, которые человек ставит на их пути, т.е. все возвышающиеся над землей искусственные сооружения, в связи с нынешней ускоренной урбанизацией стали значительно выше.

Нет страны, которая была бы застрахована от внезапного воздействия ураганных ветров, и это создает необходимость в специальных конструктивных мерах для обеспечения надежности зданий и сооружений. Их несущие конструкции предназначены в первую очередь для восприятия вертикальных гравитационных нагрузок — собственной массы, массы людей, оборудования, снега и т.д., о чем мы уже говорили. Ветровые же нагрузки — горизонтальны, и именно это является причиной их специфического воздействия на конструкции. Механизм их «агрессии» коренным образом отличается от действия вертикальных гравитационных нагрузок. Создание устойчивости к ветровым нагрузкам обыкновенно требует дополнительных капиталовложений, и обеспечение необходимой надежности, в сущности, связано с удорожанием строительства.

Сто лет назад подобных проблем еще не существовало. Здания строились из тяжелого кирпича или камня, и массивность в сочетании с малой высотой делала их устойчивыми к порывам ветра. Но переход к новым материалам, каркасным конструкциям и большой высоте зданий и сооружений поставил перед конструкторами весьма острые «ветровые» проблемы. Очевидно, что для 100-метрового административного здания или 200-метровой трубы ветер — это первостепенный «агрессивный фактор», и его воздействие должно быть тщательно исследовано.

Но вернемся к убыткам. Экономисты утверждают, что они возрастают в прямой зависимости от роста строительства. Однако размеры их строго индивидуальны для каждой климатической зоны и даже для каждой страны. В особенно невыгодном положении находятся страны тропического пояса — «царства ураганов». Как правило, это развивающиеся страны с еще не окрепшей экономикой, которая ежегодно испытывает сокрушительные удары от традиционных атмосферных явлений. Некоторые скептически настроенные ученые на Западе даже делают вывод, что технический прогресс теряет смысл в этих странах, так как они постоянно находятся под географически предопределенной угрозой, и стоимость ежегодных потерь всегда будет соизмерима с процентом роста национального дохода.

Но такой подход, разумеется, является антигуманным и до некоторой степени нелогичным. Сколь ни пессимистичны перспективы для этих стран, у них есть и своя положительная сторона — они стимулируют ученых и специалистов искать новые пути и средства размыкания «клещей» природы. С точки зрения математической статистики ветры не становятся ни сильнее, ни продолжительнее. Но в определенные годы, дни и часы в различных районах планеты поднимаются особенно сильные, особенно опустошительные ветры.

Рис. 3. Сильные порывы ветра - не только внушительное явление природы, но и источник возникновения технико-экономических проблем общечеловеческого значения

Снова возникает вопрос: на какую силу ветра проектировщик должен рассчитывать конструкцию? В каком случае она будет надежной?

Принципиальный ответ на этот вопрос дать нетрудно. Надо проанализировать многолетние метеорологические наблюдения в данном районе и выбрать наиболее сильный ветер. Но какой выбрать — тот, что, по статистике, наблюдается раз в пять лет? Или раз в пятьдесят лет? Или, может быть, тот, что теоретически возникает раз в столетие? Здесь вопрос далеко не только инженерный; в нем просматриваются моральные и социальные мотивы, примешиваются экономические соображения, а его решение, коль скоро оно дискуссионно, нуждается в юридическом «облачении». Подобная дилемма возникает и при строительстве в сейсмических условиях: полное исключение фактора риска, конечно, вещь прекрасная, но связанная с неимоверным удорожанием строительства. В настоящее время оно является массовым, а в мире нет столь богатой державы, которая могла бы позволить себе строить без риска, хотя бы теоретически.

Среди специалистов весьма популярная формула, представленная на рис. 3. С ее помощью скорость ветра трансформируется в лобовое давление (напор), которое струи воздуха оказывают на плоскость, поставленную перпендикулярно направлению их движения. Скорость выражается в метрах в секунду, а давление — в килограммах на квадратный метр. Наибольшая скорость ветра была зарегистрирована 12 апреля 1934 г. в Нью-Гемпшире (США). Она составляла 416 км/ч, что соответствует давлению 722 кг/м^2 Столько весит железобетонная плита толщиной 30 см. Так как поверхность человеческого тела, противостоящая такому стремительному ветру, приблизительно равна 0,5 м^2, человек не устоит и секунды — он будет мгновенно повален горизонтальной силой в 360 кг. Для сравнения заметим, что даже самый страшный удар лучшего боксера в десятки раз слабее этого природного «нокаута».

Все сказанное выше справедливо, но … при идеальных условиях. Практически же здания и сооружения, которые часто представляют собой тела сложной формы, нарушают нормальное течение воздушных масс и вызывают ряд аэродинамических эффектов, от которых сами и страдают. Возьмем наиболее простой случай — прямоугольное в плане здание с плоской кровлей. Этот элементарный параллелепипед деформирует силовые линии воздушного потока, который обтекает его с пяти сторон. Получающуюся при этом сложную картину лучше всего можно наблюдать в аэродинамическом туннеле. Около 80% напора ветра приходится на лобовую, наветренную стену, однако примерно 60% той же нагрузки испытывает противоположная, подветренная сторона в виде так называемого отсоса. Две другие, параллельные направлению ветра стены, затягиваются воздушным потоком, а на плоскую кровлю оказывается определенное давление.

При двускатной кровле картина усложняется. В зависимости от угла наклона наветренный скат испытывает значительный напор ветра, а подветренный — отсос, возникающий в силу разрежения; поэтому подветренный скат кровли как бы стремится взлететь. При более сложной форме кровли воздействие ветра распределяется иначе, но все же становится более или менее ясно, почему в сообщениях о бурях и ураганах говорится о снесенных крышах. В случае легких конструкций и кровель крыша может оказаться в положении самолетного крыла — благодаря ее форме возникает подъемная сила, превышающая ее собственный вес и прочность ее закрепления на конструкции.

Известные приближения и упрощения в сложной аэродинамической картине вполне допустимы, особенно если они обеспечивают большую надежность здания. Наиболее существенным упрощением можно считать рассмотрение напора ветра как статической нагрузки. Если здание достаточно массивно, пульсации ветра обычно не могут возбудить в нем динамических (инерционных) сил.

Однако при создании очень высоких и гибких сооружений такой подход недопустим. Многолетний негативный опыт заставил специалистов окончательно убедиться в этом. Среди наиболее трагичных историй такого рода первое место, несомненно, занимает катастрофа с висячим мостом у города Такома (США), произошедшая в 1940 г. Но об этом мы расскажем несколько позже.

В Болгарии, как и в большинстве развитых стран, «ветровые вопросы» регламентируются нормативными документами, имеющими силу закона. Страна разделена на три зоны в зависимости от преобладающих ветров. Нормативный напор ветра для этих зон — 35, 45 и 55 кг/м^2, что соответствует скорости ветра 85, 97 и 107 км/ч. Для большинства горных районов напор ветра определяется индивидуально в зависимости от непосредственно измеренной скорости. Чаще всего нормативной здесь считается скорость ветра, которая превышает статистически встречающуюся раз в пять лет.

В ОПРЕДЕЛЕННОЕ ВРЕМЯ, ПРИ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ…

Может показаться странным, но изменение температуры окружающей среды является нагрузкой — и часто весьма значительной — на строительные конструкции.

Все мы знаем, что железнодорожные рельсы неплотно пригнаны один к другому, между ними оставлены определенные люфты. Это достаточно ясно ощущается по ритмичному постукиванию при движении поезда, когда колеса вагона минуют стыки. Причиняется вред подвижному составу, поскольку ускоряется его амортизация, неприятные ощущения испытывают пассажиры, но пока это неизбежно. Во время летнего зноя рельсы должны иметь возможность свободно удлиняться, для чего и оставляются промежутки между ними. Легко себе представить, что произошло бы при отсутствии люфтов на стыках между рельсами: сотни километров деформированных, искривленных железнодорожных путей…

Подобная, хотя и значительно более сложная картина наблюдается в зданиях и сооружениях. Они состоят из определенного числа взаимно связанных элементов, вследствие чего возможность свободной температурной деформации ограничена, а иногда и полностью отсутствует. В сравнительно узком диапазоне температур, на который рассчитываются обычно здания, все обходится благополучно. Однако летом температура воздуха может достигать 35°С в тени и ничто не может воспрепятствовать неудержимому стремлению тел расшириться. Не составляют исключения и конструктивные элементы. И, как следует ожидать, невозможность их удлинения приводит к возникновению сжимающих напряжений. И наоборот, при понижении температуры элементы стремятся укоротиться, сжаться, но, так как не имеют такой возможности, в них возникают растягивающие напряжения.

Катастрофа с кинотеатром «Никарбокар» в Вашингтоне в значительной степени была обусловлена воздействием низких температур в сочетании с общим состоянием конструкции. В морозный зимний вечер покрытие, подчиняясь законам физики, сжалось и увлекло за собой несущие кирпичные стены. Этой общей деформации, столь незначительной с житейской точки зрения, было вполне достаточно, чтобы возникли условия для проявления серьезных конструктивных недостатков.

Примерно так обстоит дело с качественной стороной вопроса. Чтобы рассмотреть его количественную сторону, обратимся еще к одному примеру. Коэффициент температурного расширения стали равен 0,012 мм/м. Это значит, что при повышении внешней температуры на 1°С стальной прут длиной 1 м удлинится на 0,012 мм. Если рассматриваемый прут неподвижно закреплен с двух сторон, а внешняя температура повысилась на 10°С, прут попытается закономерно деформироваться на 0,012х10=0,12 мм. А поскольку это невозможно, в нем возникают внутренние сжимающие нагрузки, сила которых соответствует потенциальному удлинению. Таким образом, значительная доля прочностных возможностей элемента занята борьбой с температурным воздействием. Вот уж поистине паразитическая нагрузка!

Для реальных сооружений, например для стальной части моста, такое невинное, на первый взгляд, изменение температуры на 10°С может иметь самые трагические последствия. Уже в конструкции, рассчитанной на одну-две железнодорожные колеи, возникает сжимающая сила, равная приблизительно 1000 т. Для сравнения заметим, что примерно столько же весит товарный состав вместе с локомотивом.

Разумеется, и в этом, и в ряде других случаев подобные напряжения недопустимы. Конструкторы принимают специальные меры, чтобы температурные нагрузки проявляли себя как можно слабее. Проще всего это сделать, обеспечив конструкциям возможность свободно удлиняться и укорачиваться. Мостовые балки, например, устанавливают на специальные опоры, которые обеспечивают их подвижность в надлежащем направлении. Здания «рассекаются» деформационными швами, ширина которых (обычно около 2 см), как правило, достаточна для температурного расширения отдельных блоков. Принимают еще целый ряд мер с одной единственной целью — ограничить «аппетит» нежелательной паразитической нагрузки.

Описанная картина температурной «агрессии» далеко не полная. В сущности, мы коснулись лишь одной, наиболее невинной ее формы — равномерного нагревания и охлаждения. А если оно будет неравномерным?

Многие помнят школьный опыт по физике, когда к пламени спиртовой горелки подносят стальную пластину, края которой через несколько секунд изгибаются вверх. Если стальной прут, который мы выше использовали в качестве примера, закреплен неподвижно, подобный свободный изгиб невозможен, по крайней мере первое время. В случае более сильного нагрева нижней стороны прута именно с этой стороны сжимающее напряжение больше. В конечном счете возникнет снова сжимающая сила с той лишь разницей, что состояние несимметричного нагревания предполагает несимметрично действующую силу. Возникнет также стремление к изгибу или, как сказали бы специалисты, — изгибающий момент.

Итак, из сказанного сделаем вывод, который будет звучать приблизительно так: невозможность свободного изгиба при неравномерном температурном воздействии приводит к появлению изгибающего момента. Но механизм изгиба значительно неприятнее, чем просто растяжение или сжатие, и мы в этом еще убедимся. Именно изгибающий момент в наибольшей степени предопределяет конструктивную форму и количество материала, в нее вложенного. К сожалению, изменения в температуре окружающей среды чаще всего действуют на конструктивные элементы именно таким образом. Зимой внутри любого здания всегда теплее, чем снаружи, и уже это говорит о неравномерном температурном воздействии. Летом, наоборот, внешняя температура выше внутренней, так как здание снаружи нагревается солнцем. При проектировании моста, например, для центральной его части, выполняемой из стали, учитывается дополнительная нагрузка, обусловленная разностью температур между нижней и верхней поверхностями пролетного строения. Таким образом отражается «нагружающее» воздействие Солнца, о котором большинство людей даже не подозревает.

Можно себе представить, какую опасность для конструкции создает пожар в многоэтажном здании! Температуры во время пожара несравнимы с температурами климатического воздействия. А ведь пожары вовсе не такая редкость, как нам бы того хотелось. В 1974 г., например, только в Японии произошло 67568 пожаров в зданиях, причем 8496 из них в Токио. Погибло 1646 человек.

Особенно чувствительны к подобным бедствиям стальные конструкции. Независимо от мер, которые принимаются для их защиты от воздействия высоких температур,— огнезащитные лаки, расширяющиеся покрытия, специальные облицовки — пожар обычно все же добирается до них. А ведь каждый поймет, насколько нежелательно, чтобы помимо человеческих жертв и всякого другого ущерба, причиненного зданию, в конце концов и оно само рухнуло.

С особой остротой эта проблема встает в случае высотных зданий, небоскребов. Их конструкции, как правило, стальные, поскольку при таких огромных нагрузках, которым они подвергаются, может быть применен только этот материал. Пожар в небоскребе — это больше, чем обычная катастрофа, — это массовая трагедия. Поэтому принимаются всевозможные меры, чтобы он там не возник. В двух зданиях Всемирного торгового центра («сиамских близнецах») в Нью-Йорке, которые до недавнего времени были самыми высокими в мире, в разных местах установлено до 6500 детекторов для регистрации температуры, дыма, концентрации газов. Диспетчерский зал этих зданий напоминает командный пункт центра управления космическими полетами.

С точки зрения инженера-строителя, пожар — это аварийная нагрузка, которая в определенных случаях должна быть учтена. Разумеется, нецелесообразно, а обычно и невозможно рассчитывать конструкцию таким образом, чтобы она устояла при любом, даже самом сильном пожаре. Считается, что пожарные будут действовать достаточно эффективно и вся конструкция устоит до их прибытия. Так что огнестойкость измеряется минутами. В сущности, должны быть приняты меры, чтобы конструкция выдержала температурные нагрузки в течение определенного числа тех критических минут, которые регламентируются специальными техническими нормами.

Существуют сооружения, для которых пожар — нормальное, эксплуатационное состояние. У их основания температура дыма составляет несколько сот градусов, а вверху немногим ниже. Очевидно, что обычный строительный материал не может непосредственно подвергаться такому тепловому воздействию, особенно в связи с высокой химической активностью дымовых газов. Поэтому предусматривается специальная изоляция. Но, несмотря ни на что, в конструкции возникают значительные температурные напряжения, которые являются результатом не каких-либо экстремальных, а обычных, повседневных условий. Но сколь тяжела такая эксплуатационная повседневность…

«ПЕРЕД ВЗОРАМИ СМЯТЕННЫХ ОЧЕВИДЦЕВ…»

Петербург, 1905 г. По улицам столицы среди плотной толпы любопытных горожан бодро шествовали колонны кавалерийского полка со знаменами и полковой музыкой. Первые конники приблизились к Неве, а затем вступили на полотно Египетского моста. В ту минуту, когда они достигли его противоположного конца и мост заполнился торжественно движущейся кавалерией, перед взорами смятенных очевидцев разыгралось зрелище, которое может быть внесено и в классический список строительных катастроф, и в альманах курьезов. Неожиданно мост «ожил», задвигался почти в такт со стуком конских копыт и с глухим шумом рухнул в воду вместе с находящейся на нем конницей.

Резонанс — так принято называть то, что послужило причиной этого уникального в мировой строительной практике случая.

Одно из фундаментальных положений строительной, статики заключается в требовании, чтобы нагрузки на конструкцию были постоянны по месту и величине и чтобы они повышались постепенно от нуля до максимального значения. Статические нагрузки представляют собой скорее исключение, чем правило. Реальные нагрузки чаще всего изменяются и по величине, и по местоположению, так что они должны оказывать динамическое воздействие.

Динамический эффект выражается в ускорении, с которым прилагается нагрузка. Второй закон Ньютона гласит: масса, умноженная на ускорение, равна силе. Именно инерционные силы являются причиной дополнительных нагрузок, которыми мы часто пренебрегаем, но которые иногда имеют решающее значение. Не будет преувеличением сказать, что они возникают всегда и всюду.

Рис. 4. Одним из фундаментальных положений строительной статики является условие о том, что внешние нагрузки постоянны по месту их приложения и по своей величине и что конструкция подвергается их воздействию очень медленно. Однако статические нагрузки, скорее исключение, чем правило

Начнем с так называемых ударных нагрузок. Их воздействие определяется кинетической энергией удара. В промышленности источником такого воздействия являются различные виды автоматических молотов. Иногда их мощность имеет фантастические величины, и, если не принимать специальных мер, по их изоляции, они за несколько часов своего взрывоподобного режима работы могут разрушить здание, в котором находятся, и серьезно повредить соседние. В транспортном строительстве существует возможность удара транспортных средств о мостовые сооружения при аварийной ситуации. Например, для автодорожных мостов предусматривается расчетная сила удара, равная 100 т (нормы НРБ по нагрузкам для мостов). Гораздо большая сила удара наблюдается при столкновении судов с опорами моста. Но ударные нагрузки могут быть и совсем тривиальными, например при прохождении колесами железнодорожного состава рельсовых стыков.

Воздействие нагрузок этого рода обычно ограничивается небольшой частью конструкции. И чем выше скорость удара, тем меньше область его воздействия. Например, камень разбивает все стекло, в которое попадает, тогда как пуля благодаря несравнимо большей скорости оставляет в нем лишь маленькое отверстие.

Последствия удара предусмотреть сравнительно легко. Совершенно иначе обстоит дело с другим видом динамических нагрузок — вибрационными. Самое неприятное в них то, что они воздействуют на всю конструкцию в целом и даже на конструкции объектов, расположенных вблизи источника вибраций. Несущие системы зданий и сооружений сами по себе склонны к вибрациям, к колебаниям, характеристики которых в каждом случае строго индивидуальны. Когда характеристики совпадают с характеристиками внешнего воздействия, система попадает в резонанс. Амплитуда колебаний резко увеличивается, что может привести к полному разрушению конструкции даже при сравнительно слабых по абсолютной величине динамических нагрузках. Именно это и случилось с Египетским мостом в Петербурге.

Вокруг нас много источников подобных пагубных воздействий, и мы часто о них даже не подозреваем. Начиная с колес парового локомотива, неуравновешенные массы которыхвызывают гармонично изменяющуюся инерционную силу, и кончая всеми машинами и агрегатами, вращающиеся части которых, несмотря на самый точный монтаж, никогда не могут быть идеально центрированы, что опять же приводит к возникновению инерционных сил, — вот длинный и практически бесконечный список источников вибраций. Но первое место среди них, бесспорно, принадлежит турбоагрегатам — генераторам, компрессорам, помпам. Скорость вращения высокочастотных турбоагрегатов превышает 300 об/мин, а это значит, что своеобразные приливы и отливы чередуются в сотые доли секунды. За одну секунду здание может испытывать от 10 до 50 и даже до 100 толчков.

Весной 1965 г. со складом одной флотационной фабрики в течение 24 ч произошло нечто странное. С чего все началось, никто не видел, но к 9 ч утра работники заметили, что некоторые элементы стальной конструкции сильно деформировались. Была поднята тревога.

Склад — весьма внушительное сооружение — достигал в длину 350 м, в ширину — 42 м, а верхняя точка перекрытия находилась на высоте 27 м над поверхностью земли. Внутри здания хранилась огромная масса влажного концентрата, каждый кубический метр которого весил более трех тонн. 42-метровый пролет склада был перекрыт стальной конструкцией в виде трехшарнирной арки, а в середине перекрытия по всей длине здания проходила линия транспортировки концентрата. Вся эта масса в десятки тысяч тонн весом тайно и систематически подтачивала фундамент здания, подготавливая последующие события.

В 9 ч 20 мин на место происшествия спешно прибыл один из заместителей главного инженера, который собственными глазами увидел, как последовательно изгибаются и разрушаются связи между главными несущими конструкциями. Кроме того, было замечено, что покрываются трещинами стены трансформаторной подстанции. В 10 ч 5 мин здание подстанции полностью разрушилось.

Тогда стало ясно, что П-образные рамы медленно, но верно раздвигаются, а расстояние между фундаментами, первоначально составлявшее 42 м, явно увеличивается. Когда в полдень на место происшествия прибыла комиссия, состоящая из специалистов по строительству, их взорам предстала выпуклость грунта, простирающаяся с внешней стороны склада по всей длине. Грунтовое основание утратило устойчивость под действием огромного веса влажного концентрата и сил, направленных на фундамент, грунт перешел из статического состояния в состояние неустойчивого динамического равновесия. Перед взорами смятенных очевидцев постепенно вырисовывались контуры огромной строительной катастрофы, которая должна была вскоре произойти.

К 13 ч появились первые признаки разрушения транспортировочной линии. В это время смещение внешних стен достигало 2 м. В 13 ч 20 мин обрушились груды концентрата, и с этого времени вплоть до утра следующего дня деформации нарастали с постоянной скоростью.

Через 24 ч после сигнала тревоги ширина склада составляла уже не 42, а 48 м, покрытие снизилось на 3,2 м, а вал вспучившегося грунта достигал в высоту 2 м. Деформации и локальные повреждения в конструкции были настолько велики, что дальнейшая эксплуатация здания стала невозможной.

Этим примером мы хотим привлечь внимание к одной из непредвиденных, но часто катастрофических нагрузок, которым подвергаются здания и сооружения, — подъему грунтового основания. Определенные деформации в нем неминуемы, но если они переходят известные границы, конструкции угрожает авария.

Рис.5. Непредусмотреннными и часто роковыми являются силовые воздействия, которым подвергается строительная конструкция вследствие подъема грунтового основания

Как материал для основания грунт по качеству сильно уступает строительным материалам, и, следовательно, возможности его весьма ограничены. Его поведение трудно предсказать количественно (а иногда и качественно) неожиданности в его поведении, не будучи правилом, не являются и исключением. Он — природная данность, созданная вне нашего контроля и без консультации с нами по тем вопросам, которые нас интересовали бы, а также в то время, когда нас еще не было. Мы вынуждены принимать все его недостатки, странности и капризы.

Основная задача при проектировании — сведение к минимуму оседания грунта под фундаментами, поскольку благодаря этому уменьшаются дополнительные нагрузки (и перегрузки!) конструкций, которые и без того должны воспринимать целый ряд постоянных и временных нагрузок. Оседание грунта, даже если оно и не вызовет катастрофы, может привести к образованию трещин в кирпичной кладке, к локальным повреждениям и вообще к отклонениям от нормального состояния сооружения. Это — паразитическая нагрузка, влияние которой должно быть тщательно проанализировано.

Трудно за один раз исчерпать длинный список всевозможных нагрузок. Чрезвычайно многообразны формы воздействия природы и самого человека на здания и сооружения. Оказывается, что не бывает важных и неважных нагрузок, что все они в разное время и при разных обстоятельствах могут иметь решающее значение. Каждая из них может оказаться «каплей, переполнившей чашу», и … случится непоправимое.

Теперь несколько слов о так называемых особых нагрузках.

В конце лыжного сезона 1975/76 г. 10 марта телеграфные агентства разнесли по всему миру весть о гигантской катастрофе в итальянских Альпах. При нормальных атмосферных условиях на высоте 150 м в области Мазодель-Тета разорвался несущий канат большой канатной дороги. Вагон с 43 пассажирами упал на землю и был раздавлен обрушившимся на него несущим устройством, весящим около 4 т. Экспертная комиссия сообщила о сильном искривлении стальных несущих опор в районе разрыва. Было это причиной или следствием?

Если мы будем считать, что деформация опор является следствием разрыва каната, то речь идет о негативном проявлении одной из наиболее опасных особых нагрузок. Разрыв несущего или тягового троса на канатной дороге — это аварийная (особая) ситуация. Чаще всего такие случаи связаны с человеческими жертвами, но если отвлечься от эмоциональной стороны происшествия и оценить его хладнокровно, станет ясно, что погибшее утрачено безвозвратно, а то, что можно сохранить, должно быть спасено. В нашем примере это несущие опоры, а также начальная, конечная и, возможно, промежуточные станции. Их конструкция любой ценой должна остаться неповрежденной. Поскольку стоимость одного каната не слишком велика, его замена не так уж сложна. Сложно было бы заново строить основные сооружения канатной дороги. Поэтому их конструкция должна быть рассчитана таким образом, чтобы в случае необходимости она могла выдержать подобную аварию.

Приблизительно так же обстоит дело и с надшахтными копрами, служащими для извлечения полезных ископаемых из земных недр. Они представляют собой сооружения с клетью подъемника, несущим канатом и подъемным устройством на поверхности. Очевидно, что разрыв подъемного каната — это значительная аварийная нагрузка для конструкции копра, которая в этом случае должна выстоять без повреждений.

Особыми нагрузками являются вакуум, который может возникнуть в трубопроводах или при опорожнении силосов, короткое замыкание в мощных электрических машинах и агрегатах, взрывная волна. В конечном счете особыми нагрузками можно назвать все силовые воздействия, которые возникают в ненормальных, аварийных ситуациях, если только последние не совсем уж невероятные. Конструктор должен обладать большими знаниями, опытом и предусмотрительностью, чтобы ясно представить себе, что может ожидать его творение в течение всего периода эксплуатации, и своевременно оградить его от грозных капризов природы и невольного человеческого вмешательства. Но поскольку это не всегда возможно, раздел «непредвиденные причины» в мировой антологии строительных аварий и катастроф будет пополняться.

САМОЕ СТРАШНОЕ БЕДСТВИЕ

Нам всем известно, каким огромным бедствием является землетрясение. Человеческие жертвы и материальный ущерб при землетресении можно сравнить лишь с ужасами войны.

История человечества создавалась на крыше котла, в котором кипят необузданные тектонические стихии. Со времен конкистадоров до наших дней Латинская Америка 32 раза подвергалась сильнейшим землетрясениям. Гватемала, Кито, Консепсьон, Манагуа, Мендоса и десятки других городов и сел сравнивались с землей. На границе Ближнего Востока и Средиземноморской области с 1 в. до н.э. до настоящего времени произошло около 2200 больших землетрясений. Еще не изгладилась память об опустошительном землетрясении в Западной Анатолии в 1971 г., энергия которого эквивалентна нескольким тысячам атомных бомб, подобных той, что была сброшена на Хиросиму. В Японии ежегодно регистрируется до 12 000 подземных толчков, из которых около 10% очень опасные. Агадир, Иокогама, Сан-Франциско, Скопле — названия этих городов стали синонимами ужасного несчастья.

ЛИМА, 9 октября (ТАСС). Продолжается подсчет числа жертв и размеров ущерба, причиненного землетрясением, которое произошло здесь 3 октября. По последним данным, погибли 83 человека, более 2400 ранены. Материальный ущерб исчисляется несколькими сотнями миллионов долларов.

ЛОНДОН, 6 апреля (БТА). Вчера утром в западной части Венесуэлы произошло сильное землетрясение, продолжавшееся 10 с. Сила толчков достигала 6,3 балла по шкале Рихтера. Город Сан-Пабло наполовину разрушен. Есть убитые и раненые. Землетрясение ощущалось и в столице страны Каракасе.

АФИНЫ. 1 января (БТА). В новогоднюю ночь в западной части Греции произошло землетрясение. Было зарегистрировано 40 подземных толчков, лишивших крова жителей нескольких сел, которые вынуждены были провести ночь под открытым небом. Наиболее сильный подземный толчок произошел в 2 ч следующей ночи. В среду сильный подземный толчок разрушил 103 жилища в районе деревни Агринион на западе Греции.

ПАРИЖ, 30 декабря (БТА). По данным пакистанского информационного агентства, в результате землетрясения, которое произошло в северо-западной части Пакистана во второй половине дня в субботу, погибли 4700 и ранены 15 000 человек. Ряд деревень, стоящих на протяжении 100 км вдоль берега р. Инд, были застигнуты ужасным бедствием. Полностью исчезла деревня Патан, находившаяся в 175 км к северо-западу от города Равалпинди, не существует больше и деревни Джаджал, расположенной несколькими километрами южнее. Предполагается, что разрушено много разбросанных в горах ферм. Точные сведения о размерах материального ущерба и числе человеческих жертв могут быть получены только через несколько дней.

ТОКИО, 18 августа (БТА). Национальный центр контроля за стихийными бедствиями на Филиппинах сообщил, что, по последним данным, во время землетрясения, которое произошло здесь в понедельник ночью, погибли 5300, ранены 688 и бесследно исчезли 2282 человека. Около 29 000 человек остались без крова. В информационном центре сообщили, что число погибших постоянно увеличивается, так как под развалинами разрушенных зданий находят все новые трупы. Наибольшее число жертв зарегистрировано в городе Котабато, расположенном на расстоянии 880 км от Манилы, где погибли 1500 человек и среди них целая воинская часть вместе с семьями.

НЬЮ-ЙОРК, 6 февраля (БТА). Как сообщил полковник Гильермо Эчевериа — представитель специальной комиссии, созданной в Гватемале в связи с чрезвычайным положением, сложившимся после землетрясения, которое произошло в среду вечером, — по последним, еще не окончательным данным, число убитых превышает 6000, а раненых — 40 000 человек. Со многими населенными пунктами, расположенными в горах, прервано телефонное и транспортное сообщение, вследствие чего комиссия не располагает сведениями о положении в них.

Председатель Красного Креста в Гватемале Хосе Альварадо сообщил журналистам, что целые селения в горных районах вблизи столицы были разрушены до основания. Заместитель министра путей сообщения Касерес отметил, что дороги, ведущие к Атлантическому побережью, все еще недоступны для транспорта. Половина зданий в столице Гватемалы — городе с населением 1 млн. 200 тыс. человек — в той или иной степени пострадала от землетрясения.

Последнее сообщение касается одного из сравнительно недавних крупных землетрясений, которое произошло в ночь с 4 на 5 февраля 1976 г. в Гватемале. Эта небольшая центральноамериканская республика не знала подобного стихийного бедствия с 1902 г. Среди нескольких европейцев, ставших очевидцами этого страшного события в столице страны, был и знаменитый норвежский путешественник Тур Хейердал. О его полуночной одиссее в Гватемале известный болгарский переводчик Светослав Колев, друг путешественника, рассказывает следующее:

«Четвертого февраля Хейердал и Караско выбрались из джунглей в столицу. Поскольку они не успели снять номер в современном отеле-небоскребе, им пришлось остановиться в старомодной гостинице «Континенталь», которая считалась шикарной перед второй мировой войной. Хейердал получил комнату №13, но так как он не был суеверен, то не стал возражать. Прежде, чем лечь, он переставил кровать, которая стояла у двери балкона, на середину комнаты, чтобы ему не дуло. В силу приобретенной в многолетних странствиях привычки он положил на ночной столик в головах электрический фонарик, а на стул у кровати — сумку с документами, деньги и свою одежду.

В 3 ч 35 мин его разбудили легкие толчки. Пока он сообразил, что это землетрясение, кровать начала подскакивать и танцевать, как бешеная. Раздался оглушительный треск, как будто в здание гостиницы ударила молния. С потолка сыпалась штукатурка, стоял страшный грохот, скрежет, пыль, дым, раздавались крики людей — истинная преисподняя! Затем толчки уменьшились, грохот стих. Хейердал, засыпанный в своей постели штукатуркой, кусками кирпича и щепками, вскочил, ощупью нашел фонарик, схватил туфли, полные извести, песка и пыли, сумку, одежду и побежал. К счастью, лестница была цела. Перепрыгивая через рухнувшие колонны, кучи кирпича и штукатурки, он выбрался на улицу. Лихорадочно озираясь, вокруг продолжавшегося разрушаться здания бегали испуганные люди. Хейердал начал одеваться, но тут заметил, что по дороге потерял одну туфлю. Через некоторое время появился Герман Караско, успевший захватить свой чемодан и фотоаппарат. Несмотря на продолжавшиеся подземные толчки, Хейердал вернулся в гостиницу. Когда он добрался до своей комнаты, то увидел, что наружная стена с балконом обрушилась и вместо нее зияет огромная дыра. Так что если бы он не переставил кровать, то непременно бы погиб. Кое-как собрав свои вещи, он снова выбежал на улицу. Там он с ужасом обнаружил, что не взял дневника и записной книжки, в которую записывал свои наблюдения во время экспедиции. Пробираясь среди развалин, он снова поднялся в комнату, нашел нужные вещи и затем в третий раз выскочил на улицу. В это время появились первые «шакалы в человеческом обличье», которые проникают в разрушенные здания с целью грабежа. Появилась и полиция, чтобы навести порядок. Люди выносили на руках раненых, кричали женщины, громко плакали дети. Вокруг ужасающая картина ада. Хейердал рассказывал: «Я пережил такое же страшное приключение, как тогда, когда «Кон-Тики» разбился о коралловый риф острова Рароя. Но комната №13 не принесла мне несчастья. Я остался жив, отделавшись лишь царапиной на ноге».

КАК ГИГАНТСКАЯ ПРУЖИНА…

Пагубное воздействие, которое грунт оказывает на здания, имеет волнообразный характер. Волны исходят из так называемого гипоцентра, или очага, расположенного в земной коре на глубине от 2—3 до 60 и даже 100 км. Обычно чем ближе к поверхности очаг землетрясения, тем сильнее разрушения. В Агадире (1963 г.) он находился на глубине 3 км, в Ташкенте (1966 г.) — 8 км, в Софии (1917 г.) — 5 км.

Проекцией гипоцентра на земную поверхность является всем известный эпицентр. Большая плотность минеральных образований в земной коре определяет высокую скорость волн, которая приблизительно равна первой космической скорости. С удалением от очага их горизонтальная компонента становится все значительнее, а ведь именно она представляет наибольшую опасность для сооружений. Строительные конструкции в конечном счете предназначены для восприятия вертикальных нагрузок (собственной массы, массы людей, оборудования, снега) и в этом отношении обладают известными резервами, т.е. могут выдерживать и определенные толки. Горизонтальная же их устойчивость зачастую минимальна.

Описанное распространение волн в значительной степени идеализировано. В действительности картина намного сложнее. Различные виды прямых, отраженных и преломленных волн подвержены интерференции, дифракции; их путь трудно проследить. Волны обладают целым «букетом» различных характеристик — длиной, частотой, амплитудой, — и если не все, то большая часть из них — это «цветы смерти и разрушения». Речь идет о волнах большой длины и малой частоты (порядка 1—10 колебаний в секунду). Особенно опасны так называемые волны Рейли, которые возникают на поверхности земли и создают главную сейсмическую проблему для строительства.

В названном диапазоне находятся и собственные частоты колебаний большинства сооружений, созданных человеком, так что эффективность (если можно так выразиться) землетрясения значительно повышается. Вероятность резонанса не исключена, а это значит, что здания могут быть полностью разрушены даже при сравнительно слабых толчках. Имеет значение и вид грунта, на котором возводится сооружение. Например, скальные породы являются проводником высоких частот, тогда как нескальные в известном смысле становятся их фильтром. Во втором случае вполне приемлемы жесткие несущие системы (монолитные стены из железобетона и т.д.) с высокой собственной частотой, а в первом следует применять более гибкие конструктивные системы. Таким образом можно добиться «расхождения» частот.

Но важнейшая характеристика сейсмических волн, бесспорно, — их ускорение. В сущности, именно ему землетрясения обязаны своей разрушительной силой. (Вспомним второй закон Ньютона: масса, умноженная на ускорение, дает силу.) Ускорение определяется по записи акселерографа и может варьироваться в достаточно широких пределах: Скопле, 1963 г. — 0,l g; Мессина, 1908 г. — 0,2 g; Фукуи (Япония), 1948 г. — 6 g.

Что касается амплитуды колебаний, то она имеет три пространственных измерений, вследствие чего произвольная точка земной поверхности описывает невероятно сложную кривую в пространстве. Эта кривая может быть построена по записям на сейсмографе, который работает в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Важно другое — ведь этот сумасшедший путь точка проходит за доли секунды. Не удивительно, что «… трудно сохранить равновесие … перспектива искажена … изображения предметов пляшут в воздухе. Так вспоминает о землетрясении в Токио в 1923 г. компетентный очевидец — проф. А. Имамура. В это время он находился в подземной части здания у сейсмографа. «Через 12 секунд после первого толчка, — писал Имамура, — начались исключительно сильные колебания. С крыши сыпалась черепица, стоял ужасный грохот … Невозможно было понять, стоит ли еще здание или уже рухнуло. Несколько минут меня подбрасывало, как маленькую лодку в штормовом море… Я испытывал ужасный страх.

Как рождается мощный импульс — источник разрушительных сейсмических волн? Откуда берется энергия уничтожения?

Механика этого вопроса в значительной степени ясна.

Естественное движение земных пластов не является свободным, и это приводит к их деформации. Местами деформации настолько значительны, что происходит аккумулирование гигантской потенциальной энергии. На земном шаре много таких сжатых пружин, которые, однако, не могут оставаться в таком состоянии вечно. Наступает момент, когда случай «спускает курок» и вся потенциальная энергия деформаций за считанные секунды переходит в кинетическую. Происходит землетрясение, после которого процесс накопления энергии начинается снова и продолжается годы и даже века.

Следуя в направлении, обратном пути сейсмических волн, мы добрались до их источника — освобожденной потенциальной энергии деформаций — и сил, которые приводят к аккумулированию этой энергии. Это последнее звено, о котором ученые могут сказать что-либо определенное, хотя само по себе оно далеко не последнее в мрачной цепи разрушений.

Во второй половине нынешнего века благодаря появлению новой теории, получившей название «плоскостной тектоники», в сейсмологии произошла революция. Стало возможным доказать факт движения континентов. В соответствии с этой теорией внешняя оболочка Земли глубиной до 60 км разделена трещинами на множество плоскостей, которые несут «на своем горбу» груз океанов и континентов. Швы между этими глыбами, которые называются сейсмическими швами, или разломами, заполнены значительно менее прочным материалом и являются своеобразными «осевыми линиями» сейсмических зон. Огромные глыбы «плавают» в значительно более тяжелой земной мантии и непрерывно сталкиваются одна с другой краями. Именно эти столкновения становятся причиной опасных деформаций, которые, как мы знаем, проявляются в виде землетрясений и локализируются в периферийных зонах глыб.

По мнению некоторых сейсмологов, ежегодно происходит от одного до десяти миллионов землетрясений, самые слабые из которых почти не воспринимаются человеком. Географически они распределяются по так называемым сейсмическим поясам. Самый большой — Тихоокеанский сейсмический пояс (75% всех землетрясений), второй по величине — Альпийско-Гималайский (23%), и только 2% землетрясений происходит в других частях планеты.

Наиболее «популярным» разломом, бесспорно, является Сен-Андреас (Калифорния). Это центр движения, которое стало причиной землетрясения 1906 г. на площади 1 000 000 км^2. Как известно, оно произошло 18 апреля в 5 ч 20 мин местного времени и продолжалось 60 с. В Сан- Франциско оно сопровождалось огромным пожаром. По энергетическому признаку это землетрясение эквивалентно 6300 таким, как в Агадире (Марокко) в 1960 г.; 350 км из общей 900-километровой длины разлома ожили, чтобы затем снова застыть, но с вертикальным смещением, местами достигающим 7 м.

В настоящее время некоторые части разлома Сен-Андреас, особенно вблизи Сан-Франциско, медленно движутся, никого не беспокоя. Однако для специалистов это сигнал того, что «пружина снова сжалась» — пласты деформируются, аккумулируя в себе потенциальную энергию разрушения. Многие ученые придерживаются мнения, что в этом районе «что-то еще должно произойти», но когда — никто не может сказать. Постепенно создается атмосфера, удобная для спекуляции научным авторитетом. В начале 70-х годов д-р Грийн из Калифорнийского университета «предсказал» день и даже час землетрясения: 4 января 1972 г., в 9 ч местного времени. К указанному времени была выключена вода, пожарная служба находилась в полной готовности, но все напрасно — землетрясения не было. Некий Джонсон, шарлатан без научного звания, указал в качестве даты землетрясения 12 февраля 1974 г. Но, как мы знаем, Сан-Франциско до сих пор цел и невредим.

И все же над проблемой предсказания землетрясений много и упорно работают ученые в заинтересованных странах. Время от времени появляются сообщения об определенных успехах (или случайных совпадениях?), но гораздо большую известность приобретают неудачи в этой области. Ряд специалистов придерживаются мнения, что даже определенные достижения вряд ли могут оказаться настолько полезными, как принято считать. Здания и сооружения, во всяком случае, не могут избежать пагубного воздействия. А для иллюстрации специальной и моральной стороны предсказаний достаточно привести лишь один пример. В 1972 г. в Японии произошел нашумевший случай, когда в результате массовой паники, вызванной таким предсказанием, остановилось движение на всех дорогах и была парализована хозяйственная жизнь огромного района, а землетрясение так и «не состоялось».

Однако крайний пессимизм едва ли можно считать самой удачной позицией в тот момент, когда еще слишком рано судить о возможностях, которые могут открыться при получении более точной информации о месте и времени ожидаемых разрушительных катаклизмов. Эти возможности зависят как от высокого качества информации (что пока еще недостижимо), так и от способности местных властей организовать быструю и эффективную эвакуацию населения из района, которому угрожает опасность.

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВО

Итак, здания и сооружения в обширных районах планеты находятся на своеобразных виброплатформах, которые в определенный момент могут заколебаться. Какие меры следует принимать, чтобы оградить их от пагубных последствий этих колебаний?

Проблемы сейсмостойкого строительства, пожалуй, наиболее сложные для современной технической цивилизации. Трудности обусловлены тем, что заранее, «авансом», необходимо принимать меры против события, разрушительную силу которого невозможно рассчитать. Отдельные землетрясения имеют случайный характер. Последующее землетрясение в той или иной степени отличается от предыдущего. Поэтому подход специалистов к решению проблем сейсмостойкости сооружений в значительной мере умозрительный, теоретический, основывающийся на весьма идеализированных предположениях. Разумеется, в нынешнем веке, и особенно в последнее время, было проведено много важных исследований. Однако до сих пор землетрясения остаются единственной надежной проверкой как геологических и сейсмологических постулатов, так и принятых методов расчета конструкций на сейсмостойкость.

Первый метод расчета сейсмостойких конструкций был разработан в начале нашего столетия в Японии. Его создателя Омори побудили к этому ужасные последствия землетрясения в Токио и Иокогаме — одного из самых колоссальных бедствий, постигших планету в новое время. Метод был очень несовершенным: сейсмические нагрузки были представлены в виде статических сил, а здание рассматривалось как недеформируемое. Совершенно очевидно, что землетрясение вообще, и воздействие его на конструкцию в частности, представляет собой чисто динамический процесс: сейсмические нагрузки на конструкцию за доли секунды изменяются как по величине, так и по направлению воздействия. Это привело к появлению и быстрому развитию динамических методов, которые в настоящее время приняты почти во всех странах, расположенных в сейсмоактивных районах.

Первый опыт в этой области датируется 1920 г. (Монобе, Япония), но основы метода в наиболее общем виде были изложены советским ученым Завриевым в 1927 г. Сейсмические силы, являясь инерционными силами, обусловлены массой колеблющегося тела и ускорением отдельных его частиц. Масса в любом случае известна: она определяется постоянной нагрузкой и в значительной степени временными вертикальными нагрузками, расчет которых не представляет проблемы. Путем уменьшения массы можно достигнуть и уменьшения сейсмических нагрузок. Отсюда и современная тенденция к облегчению конструкций в сейсмоактивных районах посредством применения более легких строительных материалов главным образом для несущих, например, ограждающих элементов.

Самым «крепким орешком» при определении сейсмических сил является ускорение, с которым колеблются отдельные части конструкции. Из множества характеристик землетрясения — амплитуд, скоростей, интенсивности, продолжительности — самая важная — ускорение, с которым колеблются частицы почвы. Каким оно будет? Предусмотреть величину ускорения, по существу, значит предусмотреть силу землетрясения, а это почти так же трудно, как предсказать день, в который оно произойдет. Мы уже говорили, что землетрясения имеют случайный характер. Так или иначе, но эти проблемы решают сейсмологи; конструкторы же работают с учетом того фактора, что может произойти землетрясение, от которого они должны обезопасить свое творение. Фактически они располагают вероятной картиной землетрясения в основании здания. Однако каким будет ускорение отдельных точек по высоте конструкции?

Из почвы в конструкцию поступают колебания, сейсмические силы, но почва и отдельные точки сооружения колеблются с разным ускорением. Это обусловлено относительной гибкостью конструкции, ее неизбежной склонностью к деформациям, которая в данном случае исключительно полезна: благодаря разнице ускорений кинематическая энергия землетрясения расходуется на работу по деформации конструкции и общий разрушительный потенциал земного катаклизма сильно уменьшается. Деформации, которым подвергается конструкция, в значительной степени не являются необратимыми. Такие динамические и упругопластические свойства конструкции и материалов, из которых она изготовлена, обусловливают в основном эффект от воздействия сейсмических сил на сооружение.

Именно это обстоятельство не учитывалось в статическом методе расчета конструкций на сейсмостойкость, созданном Омори. И именно оно более или менее точно учитывается при современных динамических методах. Одна из наиболее распространенных разновидностей этих методов называется спектральной. Она появилась в начале 40-х годов в США и была разработана на основе обширной информации о землетрясениях 1923 г. в Сан-Франциско в 1933 г. в Лонг-Бич. Для американского варианта спектрального метода характерно то, что динамическое воздействие на здания и сооружения определяется с помощью универсальных моделей. На этой основе создается серия графиков (спектров) максимального ускорения, скорости и перемещения систем с различными собственными частотами при данном землетрясении. Поскольку характер землетрясения специфичен для каждого района, подобный подход вполне приемлем. Однако, чтобы иметь записи местных ускорений при землетрясении, необходимо, чтобы район достаточно проявил себя в сейсмическом отношении, да к тому же в недавнее время. Посредством анализа многих обстоятельств определяется соответствующий данному месту спектр сейсмических ускорений, которым пользуются конструкторы. Именно таким образом был создан стандартный спектр калифорнийских норм, с помощью которого в США проектируются сейсмостойкие здания и сооружения.

Параллельно с американскими исследованиями, но независимо от них развивается советский вариант спектрального метода, полное теоретическое обоснование которого дано исследователем Корчинским. Особенностью этого метода является аналитическое определение реакции конструкций на сейсмическое воздействие. Параллельно развивается разновидность динамического метода, при которой используются акселерограммы действительно происходивших землетрясений. Акселерограммами называются записи ускорений почвы во время землетрясения. На основе определенного числа таких записей и специальных математических методов получаются довольно точные результаты. Но из-за большого объема вычислительной работы и отсутствия достаточно полных и точных записей эта разновидность метода используется редко, в основном для очень ответственных сооружений. В последние годы все шире применяются методы, основывающиеся на теории вероятности и математической статистике.

Так или иначе, но не будет преувеличением сказать, что расчет сейсмических сил, которые нагружают конструкции, составляет 90% общего объема вычислительных работ. Практические методы определения этих сил весьма разнообразны. Сравнение технических норм различных стран обнаруживает значительное разнообразие даже основных концепций. Разумеется, это до некоторой степени оправданно, поскольку существуют различия между странами как в условиях их сейсмичности, так и в условиях их экономических и технологических возможностей. Однако два основных момента являются общими: 1. Несмотря на произвольное направление сейсмических сил, считается, что здания и сооружения имеют определенный резерв устойчивости по отношению к вертикальным нагрузкам, и поэтому расчет на сейсмику учитывает лишь горизонтальные нагрузки, возникающие при землетрясении. Исключение составляют некоторые мосты, козырьки, консоли, для которых вертикальные нагрузки имеют решающее значение. 2. Рассматривается только один момент динамического процесса колебаний, но именно тот самый момент, когда сейсмические силы достигают своей экстремальной величины. Далее полученные силы трактуются как статическая нагрузка. В этом нет ничего удивительного, потому что динамичность явления в достаточной степени учитывается при определении величины самих сейсмических сил.

Для удобства расчетов предполагается, что массы зданий и сооружений сконцентрированы в определенных их точках, хотя в действительности они равномерно распределены по всей их высоте. Например, для многоэтажных зданий такими точками считаются уровни отдельных этажей. При расчете зданий на устойчивость к сейсмическим воздействиям допускается возможность известных пластических деформаций и даже частичных разрушений, но лишь в неответственных и легковосстановимых несущих элементах, таких, как перегородки или фасадные стены. Все это продиктовано стремлением к разумному компромиссу между затратами на строительство и обеспечением необходимой надежности. В последнее время проводятся исследования по изучению взаимодействий между грунтовым основанием и конструкцией. Деформации в почве тоже поглощают часть кинетической энергии подземных толчков, и это еще один резерв удешевления антисейсмических мероприятий.

Когда речь идет о конфликте между сейсмическими силами и конструкцией, необходимо иметь в виду, что землетрясения представляют собой серию толчков, иногда с определенными паузами между ними, и что первые толчки создают условия для усиления эффекта последующих. Некоторые здания способны устоять при первых тектонических колебаниях, но получают при этом частичные повреждения — образуются трещины, ослабляются связи и т.п., что значительно снижает их устойчивость. Достаточно следующего, даже сравнительно слабого толчка, чтобы они разрушились.

Итак, конструкторские проблемы сейсмостойкого строительства являются весьма нелегкими, но покоятся на солидном, хотя и формальном основании: известны характеристики землетрясения. Насколько это основание совпадает с действительностью, другой вопрос. Здесь мы снова наталкиваемся на «твердый орешек» сейсмологии: каким будет характер вероятного будущего землетрясения, будут ли здания и сооружения надежны до такой степени, чтобы «и волки были сыты и овцы целы»? На эти вопросы пока точного ответа дать нельзя. Проделана огромная работа по сейсмическому районированию потенциально опасных территорий. Она выполнена с помощью современных геологических и сейсмологических исследований на основе тщательного изучения различных древних письменных источников и хроник, в которых речь идет о происходивших землетрясениях. И поскольку большое значение имеет локальная геологическая и гидрогеологическая картина, наметилась уже тенденция и к микрорайонированию, т.е. выделению более мелких сейсмических районов.

Сейчас еще нельзя дать категорического ответа на вопросы, касающиеся столь сложной области, где условия диктуются капризами природы и где метафизическая случайность (облаченная в одежды научной вероятности) играет почти такую же роль, как и тысячу лет назад. И все же, если характер будущих землетрясений окажется близким к ожидаемому (а это весьма вероятно, поскольку прогнозы составляются на основе всех тех знаний, которыми располагает мировая наука и практика), можно будет сказать со всей определенностью, что принимаются самые надежные меры против самого страшного стихийного бедствия.

НЕВИДИМЫЙ КОНФЛИКТ

ВОПРОС ПЕРВОСТЕПЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ

К новым материалам для строительных конструкций обыкновенно подходят крайне осторожно. Их проверка продолжается годами, часто они испытываются в действии — в экспериментальных зданиях и сооружениях. А вот «доверять» им начинают только тогда, когда их прекрасные первоначальные характеристики сохраняются в течение всего срока эксплуатации сооружения.

Каждый понимает, что для конструкции первостепенное значение имеет материал, из которого она выполнена. Именно он в основном определяет такие ее качества, как несущая способность, долговечность, стоимость. Кроме того, материал оказывает решающее влияние на конструктивные формы. Стальная балка, например, совсем непохожа на деревянную или железобетонную. Требования, которые в основном предъявляются к материалам для строительных конструкций, приблизительно таковы: высокая прочность; сравнительно небольшая деформируемость; долговечность прочностных характеристик; устойчивость к атмосферным воздействиям; высокая стойкость к динамическим нагрузкам, без усталости; огнестойкость; легкость; простота обработки, отсутствие производства и возможность его организации при минимальных капиталовложениях; ясность физической природы материала, обеспечивающая возможность ее изучения; возможность индустриализации строительного процесса при конструктивных формах, обусловленных применением материала; относительно невысокая стоимость.

Как можно видеть, требования эти весьма противоречивы. Сталь, например, при высокой прочности является достаточно дорогим, а во многих странах и дефицитным материалом. Она неогнестойка и поддается атмосферным воздействиям (корродирует). Бетон — дешевый и недефицитный материал, но он сравнительно тяжел и подвержен деформациям. Дерево при относительно большой прочности и исключительной легкости весьма чувствительно к атмосферным воздействиям и быстро загорается, не говоря уже о том, что оно в настоящее время крайне дефицитно. Очевидно, что эти три наиболее распространенных строительных материала далеки от совершенства. Правда, за последние десятилетия для нужд самолетостроения и космической техники создан ряд превосходных материалов, соответствующих значительной части предъявляемых к ним требований. Однако абсолютно идеальный материал с универсальными свойствами едва ли когда-нибудь будет создан. Но если даже он и появится, то цена его будет, естественно, огромной. А ведь строительство — массовая отрасль, может быть, даже самая массовая форма технической деятельности человека. Почти вся жизнь человека проходит под крышей — здесь он рождается, растет, работает, спит, развлекается, говорит. Здания и сооружения — это насущная человеческая потребность, которая, по-видимому, будет ощущаться вечно. Ясно, что ни одна страна не может себе позволить применять в массовом строительстве алюминиевые сплавы, специальные хромованадиевые, титановые и никелевые стали, легкую и исключительную прочную керамику, которая используется в космической индустрии.

Но рассмотрим вопрос материалов с другой стороны. Машина или предмет широкого потребления рассчитаны на срок эксплуатации от двух до десяти лет. Здания обычно строятся едва ли не на века. Поэтому необходимо, чтобы материал для конструкций сохранял свои свойства неизменными в течение десятков лет. За это время облицовка фасада может быть сменена 5 раз, а покрытия пола — 15 раз, могут разрушиться и снова быть смонтированы перегородки, в конце концов само здание может быть надстроено, но конструкция должна во всех случаях и в любой момент своей жизни сохранять необходимую несущую способность. Амортизация, при которой конструкция подвергается воздействию наиболее губительного фактора — времени (разумеется, речь идет о физических и химических процессах, которые непрерывно происходят в течение многих лет), несравнима с усилиями работы самолетной турбины или вращающегося с огромной скоростью вала. Просто и турбина, и вал изначально рассчитаны на более короткий срок службы и, следовательно, могут быть заменены. Подобные изделия выпускаются небольшими сериями, и применение для их изготовления исключительно дорогостоящих материалов вполне уместно. Строительство же — массовое производство. Строительные материалы должны быть дешевыми, очень дешевыми … и долговечными; они должны сохранять свои прочностные свойства в течение многих лет, несмотря на все разрушительные воздействия, несколько метафизически обобщенные в слове «время».

Длинный список требований к материалам для строительных конструкций можно интерпретировать более оптимистично. Практически нет сооружения, для которого необходимо соблюдение всех требований. Поэтому во всяком конкретном случае выбирается подходящий материал — такой, который наиболее полно отвечает данным условиям. Так, например, заводские трубы никогда не выполняются из дерева и почти никогда из стали, поскольку материалом, наиболее устойчивым к температурным и химическим воздействиям, является железобетон. Массовое жилищное строительство базируется на сборных железобетонных элементах конструкций. А вот уникальные многоэтажные здания — небоскребы — обязаны своим существованием исключительной прочности стали; бетон в этом случае, как материал гораздо более слабый, неконкурентоспособен.

Хотя практически нет сооружения, для которого было бы необходимым соблюдение всего комплекса требований к материалам, первые три требования из числа перечисленных выше являются обязательными. Они — закон.

Требование высокой прочности легко объяснимо: именно прочность материала определяет несущую способность конструкции, само ее существование. Однако прочность должна обеспечиваться ценой малых деформаций. Резина может выдержать большую нагрузку, только растягиваясь до предела; при малом относительном удлинении она не отличается прочностью. Если бы резина была конструктивным элементом, чтобы использовать ее прочностные возможности, ее надо было бы как можно сильнее растянуть. Но ясно, что человечество не нуждается в конструкциях, которые могут воспринимать необходимые нагрузки только ценой невообразимых деформаций и перемещений. Нетрудно представить себе мост, балки которого прогибаются до самой воды. По нему в конечном счете не сможет проехать ни одно транспортное средство. Или, например, здания: если на воздействие ветра они реагируют так же, как и ствол дерева, оконные стекла перебьются, облицовка фасада разрушится, покрытия пола потрескаются, а все трубы и коммуникации разорвутся, не говоря уже о том, что крайне неприятно жить в доме, который качается, как лодка в открытом море.

Что касается третьего требования, то оно, в сущности, является очень мудрым. Ведь две основные характеристики — прочность и деформируемость — с течением времени изменяются, и часто весьма значительно. В качестве примера (положительного!) можно взять бетон, который при благоприятных условиях в течение всей своей жизни накапливает прочность, т.е. становится не слабее, а прочнее. Но значительно больше можно привести отрицательных примеров. Как правило, сопротивление и деформация с течением времени изменяются в нежелательном направлении. Под действием нагрузок и времени материалы в большей или меньшей степени изменяют свое поведение, характеристики, и понимание этих сложных процессов является хотя и трудным, но необходимым условием. Желательно, чтобы еще в конструкторском бюро можно было предсказать состояние конструкции по истечении продолжительного времени. Только в этом случае можно гарантировать долговечность конструкции с необходимой степенью надежности.

«КАКОВО УДЛИНЕНИЕ, ТАКОВА И СИЛА»

В 1675 г. в Англии была опубликована странная научная работа. В одной из глав не было никакого текста, за исключением 14 латинских букв, расположенных таким образом, что это ни о чем не говорило. Это была анаграмма; наличие ее в этом месте можно было понимать только как своеобразную заявку на приоритет в случае, если с течением времени кто-нибудь откроет и опубликует то, что заключено в шифре. Опередив события на несколько веков, раскроем еще часть тайны: речь идет о том, что является одной из основ современной техники, — о законе Гука. Итак, автор анаграммы Роберт Гук — знаменитый для своего времени естествоиспытатель, исследователь с весьма разносторонними интересами, один из основателей Королевского научного общества Великобритании.

О широте интересов Гука говорит то множество областей, в которых он успешно работал. Он усовершенствовал микроскоп и телескоп, предложил теорию света, сконструировал воздушный насос, почти открыл закон всемирного тяготения (из-за чего всегда был очень неприятен великому Ньютону), усовершенствовал барометр, изобрел оптический телеграф, создал прообраз теодолита и прибор для измерения силы ветра, вместе с Гюйгенсом установил постоянные точки на термометре, занимался ботаникой, первым ввел термин «клетка». Гук, по-видимому, был и первым сейсмологом. В 1688 г. он опубликовал труд «Книга о землетрясениях». Но с нынешней точки зрения Гук, несомненно, замечателен тем, что дал крайне лаконичную формулировку — «каково удлинение, такова и сила». Именно такое значение имел текст анаграммы.

Интерес к упругим свойствам тел возник у Гука под влиянием бесед с известным в то время часовщиком Томасом Темпианом. В стремлении изучить механизм, который заставляет всякое твердое тело восстанавливать первоначальную форму после деформации (и вообще сопротивляться деформациям), он проделал много опытов со стальными нитями и стержнями, подвергая их нагрузке на растяжение и изучая их удлинение. Так, эмпирическим путем Гук постиг соотношение между растягивающей силой и удлинением элемента, т.е. то, что издавна лежит в основе технических расчетов человечества.

Итак, сила, с которой всякое тело сопротивляется нагрузке, стремясь вернуть свою первоначальную форму, пропорциональна деформации, которую вызывает внешняя сила. Необходимо четко разграничить понятия «внешняя сила» и «внутренняя сила». Внешняя сила — это воздействие нагрузки, которое чаще всего обусловлено земным притяжением. А внутренняя сила (или, как ее еще называют, внутреннее сопротивление) обусловлена молекулярным строением тела, когезией внутренних частиц. Эти простые истины, которые мы повторяем в течение целой минуты, помогут объяснить многие явления, связанные с работой различных конструкций. Простой стальной прут, подвергающийся нагрузке на растяжение, и закон Гука явно или тайно будут нас преследовать всюду.

Когда речь идет о внутреннем усилии, гораздо удобнее брать не всю силу, а лишь ту ее часть, которая действует на единицу площади сечения. Эта относительная сила называется напряжением. Хорошо запомним это слово, чтобы оно уже никогда не звучало для нас абстрактно. По тем же причинам гораздо удобнее рассматривать не полное удлинение элемента, а удлинение по отношению к единице длины, например к одному метру. Такое относительное удлинение (или укорачивание) называется деформацией. Это точный научный термин, хотя он довольно свободно и безответственно употребляется в «ненаучном» мире.

После такого, может быть, досадного, но необходимого вступления давайте перенесемся в современную лабораторию испытаний строительных материалов, где повторим один из опытов Роберта Гука.

Это — большой и светлый зал, вокруг серьезно и сосредоточенно движутся люди в белых халатах, в воздухе носится приглушенный гул испытательных машин. Их много: для испытаний на растяжение и на сжатие, на изгиб и на срез, на скручивание и на смятение, для испытаний бетона, стали или дерева. Испытуемые тела тоже отличны от тех, которыми пользовались во времена Гука. Наш стальной образец (так его называют специалисты) имеет круглое сечение диаметром 20 мм и в десять раз большую рабочую длину, а по краям снабжен специальными расширениями, которые вставляются в зажимы машины. Сталь должна быть с малым содержанием углерода (около 0,2%). Именно такая сталь в основном используется для строительных целей во всех странах мира. Болгарский вариант такой арматурной стали в государственном стандарте НРБ обозначен символом A-I.

Зажимаем образец челюстями машины, нажимаем на кнопку — и гидравлическое устройство начинает работать. Нагрузка на образец становится все больше, увеличивается и его удлинение. В это время специальное устройство автоматически вычерчивает график зависимости между напряжениями и деформацией. От нас требуется только наблюдать и делать выводы.

Рис.6. "Удостоверение личности" низкоуглеродистой мягкой стали. Экспериментально установленные зависимости между деформациями и напряжениями являются важнейшей характеристикой строительно-конструкционного материала

Первый, довольно длительный период эксперимента подтверждает слова Гука о том, что «каково удлинение, такова и сила» или наоборот (рис. 6). Записывающее устройство с начала опыта до точки «а» вычерчивает круто поднимающуюся прямую линию. Однако внезапно эта линия перестает подниматься и идет по другому пути: это тоже прямая (или почти прямая) линия, но только горизонтальная. От точки «а» до точки «б» деформации в материале резко нарастают … при фиксируемом, но почти незаметном росте напряжения. Если бы Гук стоял рядом с нами, он бы очень расстроился, так как происходит что-то такое, о чем он даже не подозревал. При предельной нагрузке в структуре тела происходит качественный скачок: его полированная поверхность становится матовой, появляются едва заметные линии, направленные под углом 45° к его оси. Материал как бы течет. Поэтому горизонтальная площадка называется площадкой текучести, а его начало — в точке «а» — точкой текучести. В интервале «а—б» происходят деформации, которые приблизительно в 20 раз больше, чем в точке текучести.

Но и это еще не предел возможностей материала. От точки «б» график начинает подниматься вверх: растут напряжения, растут и деформации. Но теперь он идет вверх не так круто и к тому же криволинейно. Зависимость между напряжениями и деформациями уже не подчиняется в чистом виде закону Гука, поскольку деформации растут быстрее, чем напряжения. Говоря обыденным языком, эта часть графика свидетельствует о том, что увеличение напряжений в материале происходит ценой значительных деформаций. А это слишком большая цена, которая ни в коем случае не приемлема.

Опыт приближается к концу. В последний момент образец разрывается. Эта маленькая катастрофа происходит после того, как испытуемое тело удлиняется на 25%. Или, как сказали бы специалисты, деформация разрушения равна 0,25. Это соответствует сопротивлению материала приблизительно в 4200 кг/см^2.

Можно ли использовать столь внушительные возможности мягких сталей (так называются низкоуглеродистые стали) в строительстве? Ответ будет категорическим: нельзя. Вспомним пример с конструкциями из резины: большая прочность за счет относительно больших деформаций абсолютно не нужна и даже опасна. Перекрытия провиснут, едва ли не придавливая людей, облицовка будет осыпаться со стен, а вместо зданий и сооружений будет как бы гигантская пружина.

С мягкими сталями положение особое, так как существует площадка текучести. Это своеобразный барьер, который материал должен преодолеть, чтобы перейти в область более значительных напряжений. Однако для реальных конструкций преодоление этого барьера означает наличие аварийных деформаций и перемещений. Следовательно, практическое значение имеет лишь часть графика σ-ε, которая находится ниже площадки текучести (линия «0—а»). Но здесь напряжения едва достигают 2400 кг/см^2. Что делать, такова действительность…

Есть возможность использовать часть прочностного резерва сталей этого типа в случае применения их в качестве арматуры. Это делается следующим образом. На специальных стендах арматурные прутья растягиваются так, чтобы была пройдена площадка текучести и реализовалась часть последующих деформаций. После этого прут, разумеется, не восстанавливает своей первоначальной длины, по сравнению с которой он увеличился примерно на 6%. Такая необратимая остаточная деформация называется пластической. Здесь, в сущности, начинается нечто особенное. Если прут повторно напрягается (уже как часть конструкции), его площадка текучести оказывается значительно выше, т.е. при значительно больших напряжениях, чем при первоначальном растяжении. Новая площадка текучести приблизительно соответствует напряжению, которое достигнуто при первоначальном растяжении. Структурные повреждения, которые произошли в стали при такой первоначальной обработке, в этом случае оказываются полезными. Предел текучести может подняться с 2400 кг/см^2 примерно до 3000 кг/см^2.

Такой вид механической отработки имеет и свои отрицательные стороны. Новые свойства стали являются не такими стабильными во времени, как основные ее свойства. Но это еще только полбеды. Важно то, что таким несложным и сравнительно дешевым способом на практике «облагораживается» значительное количество низкоуглеродистой арматурной стали для железобетонных конструкций.

Практикуется также холодная вытяжка арматурной стали через отверстия с постепенно уменьшающимся диаметром. Высокие напряжения и пластические деформации в стали могут достигаться и путем так называемой холодной прокатки. Специальными вальцами мягкая сталь круглого сечения частично сдавливается, причем на ее поверхности остаются характерные отпечатки, а механический эффект в конечном счете подобен тому, который наблюдается при холодной вытяжке.

Стали такого рода могут работать с напряжением, которое для необработанных сталей находится далеко за критическим пределом текучести.

СТАЛИ XX ВЕКА

До самого последнего времени в строительстве применялись в основном мягкие, низкоуглеродистые стали типа болгарской арматурной стали класса A-I. Верхняя граница практически целесообразного их сопротивления — это предел текучести. Так как рабочий участок графика σ—ε является почти линейным, здесь в силе закон Гука о соответствии между напряжениями и деформациями. Поэтому достаточно знать величину одной из двух характеристик, чтобы найти величину другой. Следует заметить, что подобная ясность и «чистота» поведения присуща только сталям. Позже мы еще увидим, что графики работы других строительных материалов сильно отличаются от такой простой и ясной схемы пропорциональности, как график σ—ε для сталей, ужасающим образом выходя за рамки области, на которую распространяется закон Гука. Сталь — единственный материал, приближающийся по своим свойствам к однородной и упругой модели твердого тела, которой обычно оперирует строительная механика.

Чтобы в сечении возникли напряжения 2100 кг/м^2 (таково расчетное сопротивление стали класса A-I)согласно закону Гука, должна реализоваться деформация 0,001 (0,1%). Это значит, что каждый метр элемента должен удлиниться на 1 мм. Подобная незначительная деформация вполне приемлема в практике строительства. Вообще необходимо отметить, что деформации в строительных конструкциях в принципе очень малы, просто несоизмеримы с размерами конструктивных элементов.

Мерилом твердости материала является его линейный модуль упругости. Он выражается как тангенс угла между отрезком «0—а» и горизонтальной осью графика σ—ε (см. рис. 6). С физической точки зрения этот модуль означает напряжение — условное напряжение, которое возникает в материале, когда образец вдвое увеличивает свою длину. С математической точки зрения это просто коэффициент пропорциональности в формуле закона Гука, которая представлена на рис. 6.

Линейный модуль упругости строительных сталей приблизительно равен 2 млн. кг/см^2. Сталь в наибольшей степени отвечает требованиям прочности и твердости. Но если вариантов по твердости не так уж много, то с прочностью дело обстоит гораздо сложнее.

Рис. 7. Сравнение рабочих диаграмм мягкой, низколегированной и высокопрочных сталей. Площадка текучести постепенно исчезает, а в зоне малых, конструктивно целесообразных деформаций сопротивления продолжают нарастать

Существует достаточно много видов современных, строительных сталей. До этого мы говорили о самом распространенном из них, возможности которого наиболее ограничены. Достаточно, например, повысить содержание углерода до 0,3%, чтобы качества стали существенно изменились. Так как мы уже умеем разбираться в «паспорте» материала — в его графике σ—ε, мы сможем почерпнуть необходимую информацию на рис. 7. Поведение такой стали там показано линией II. Как можно видеть, линейная зависимость между напряжениями и деформациями здесь сохраняется до гораздо более высокого предела, чем у мягких сталей (линия I). Площадка текучести не только значительно выше расположена, но и менее ярко выражена. Это значит, что такие стали, которые называются низколегированными, менее пластичны, чем мягкие. Например, арматурная сталь класса А-II имеет расчетное сопротивление 2700 кг/см^2, а сталь класса А-III — 3600 кг/см^2. Столь значительные сопротивления реализуются при соответствующих деформациях 0,13 и 0,18%. А поскольку напряжения разрушения равны соответственно 5000 и 6000 кг/см^2, сталь класса А-II используется приблизительно на 55% своих предельных возможностей, а арматурная сталь класса А-III — приблизительно на 60%. Этот важный показатель использования возможностей материала для арматурной стали класса A-I едва достигает 50%. Очевидно, что у низколегированных сталей не только выше расчетное сопротивление, но в этом случае значительно полнее используются и прочностные резервы материала.

Среди довольно широкого ассортимента строительных сталей специальные высокопрочные стали являются своего рода «аристократией». Они находят применение главным образом в предварительно напряженных конструкциях, и их сопротивление действительно весьма внушительно — в 5—10 раз больше, чему вышеупомянутых сталей. В качестве примера рассмотрим высокопрочную проволоку диаметром 2,5 мм. При расчетных напряжениях 11 000 кг/см^2 напряжения разрушения составляют около 16 000 кг/см^2. Если теперь мы разделим одно число на другое, то увидим, что в строительстве непосредственно используется приблизительно 70% предельных возможностей материала. Это уже такой результат, который достоин уважения. К лучшему вряд ли следует стремиться, так как иначе может пострадать надежность, являющаяся гарантией против внезапного разрушения. Объяснение этому мы сможем получить из рис. 7.

Линией III показана зависимость σ—ε для подобной высокопрочной стали. Она коренным образом отличается от «поведения» мягких и низколегированных сталей. Площадка текучести полностью отсутствует; длинный, почти линейный график внезапно обрывается в точке разрушения материала — хрупкого разрушения.

Для характеристики этого явления приведем пример из прошлого. Год 1891. Место действия — Англия, станция Норвуд на железнодорожной линии Лондон — Брайтон. В этом месте был построен широкий железнодорожный путепровод с пролетом 9 м, по которому проходило семь рельсовых путей. Утром 1 мая по путепроводу в Норвуд с обычной скоростью 65 км/ч промчался почтовый поезд из Лондона. Его хвостовой вагон уже подтягивался к последней промежуточной опоре, когда вдруг с грохотом разорвалась одна из двух чугунных балок под железнодорожной колеей. Два четырехметровых обломка упали на дорогу, которая, к счастью, была пуста, а другие угрожающе повисли, неизвестно на чем держась. Состав сошел с рельсов, но все же успел миновать последний участок путепровода, не перевернувшись на крутой склон насыпи. Хвостовой вагон устоял на опоре, сильно наклонившись к пропасти и удерживаясь только благодаря зацепляющему устройству.

Разрушившаяся чугунная балка была в эксплуатации уже 31 год. После катастрофы в области разрыва был обнаружен пористый участок, оставшийся еще с того времени, когда отливалась балка. Тяжелые условия эксплуатации послужили причиной процессов, которые постепенно подрывали несущую способность элемента, подготавливая последовавшее за этим событие. Эта катастрофа вызвала большое волнение в инженерном мире Англии того времени. Из 9576 находящихся в эксплуатации мостов 2828 были чугунными. Перспектива их разрушения после примера с мостом в Норвуде была достаточно реальной, и потому было принято решение о срочной их замене.

Эта катастрофа в сотый раз доказала, что чугун — хрупкий и чувствительный к ударам материал — не подходит для строительства мостов, особенно мостов железнодорожных. Впрочем, с 1883 г. его применение для подобных целей в Англии было запрещено.

В принципе существует два вида разрушения материала — хрупкое и пластичное. Хрупкое разрушение обусловлено сцеплением между частицами; когда внешнее воздействие превосходит силы сцепления, материал внезапно разрывается. Пластичное разрушение предполагает такое сильное сцепление, что частицы материала раздвигаются, взаимно перемещаются и только потом разделяются. Именно такое взаимное смещение частиц является причиной большой деформируемости и пластичности мягких сталей. В силу обстоятельства мы вынуждены работать с расчетным сопротивлением, не превышающим предел текучести, но если в действительности конструкция окажется в состоянии перегрузки (в случае некой аварийной ситуации), она не разрушится внезапно. Напряжения сначала достигнут предела текучести, сталь начнет «течь» и сильно деформироваться. Конструкция провиснет, искривится, станет аварийной, неиспользуемой, но разрушения в буквальном смысле слова, по-видимому, вообще не произойдет.

Коренным образом отличное от описанного выше — и гораздо более опасное положение складывается при применении хрупких материалов, таких, как все легированные и высокопрочные стали. Отсутствие предела текучести, по существу, лишает нас сигнала о том, что напряжения опасно возросли. При слабой деформируемости этих сталей разрушение наступает внезапно, без видимых внешних причин.

Заслуживает внимания тот факт, что один и тот же материал может разрушаться и хрупко, и пластично. Например, мягкие стали при низких температурах, при систематическом динамическом воздействии или при сложных конструктивных формах, которые ограничивают возможности взаимного смещения кристаллов в металле, могут разрушаться внезапно, т.е. хрупко. Поэтому конструктор обязательно должен иметь в виду все эти особенности условий эксплуатации. В противном случае конфликт может завершиться победой внешних сил. А это значит, что катастрофа неминуема…

Дальше мы часто будем говорить о том, что материал «работает» или что конструкция «работает». Ставить кавычки в дальнейшем нет надобности, потому что это действительно так. Коль скоро мы говорим о напряжениях и деформациях, или о силах и перемещениях, очевидно, речь идет и о работе, ибо, как нам известно, работа есть произведение силы на величину перемещения точки ее приложения (в направлении действия силы). Если мы представим себе стальной прут с поперечным сечением 1 см^2 и длиной 1 м, на котором висит груз 2 т, то деформация будет равна 0,1% (арматурная сталь A-I). Но в этом случае деформация идентична перемещению в 1 мм. Если мы умножим силу на величину перемещения точки ее приложения, то получим работу, которая совершается при деформации стального прута: 2000x0,001=2 кгм. Такую работу совершают и внутренние силы в пруте, сопротивляющемся деформации. Такую же работу совершаем и мы сами, перенося груз в 1 кг на расстояние 2 м. Приблизительно такую энергию выделяет и 1000-ваттная электроплитка за 5 ч работы.

Но в нашем случае энергия является потенциальной и своей величиной обязана деформации. Площадка на диаграмме σ—ε, — в сущности, графическое выражение потенциальной энергии деформации материала, или — что то же самое — работы, которую должны совершить внешние силы, чтобы произошла деформация. Разумеется, в реальных конструкциях потенциальная энергия деформации несравнимо больше и по величине приближается к часовой производительности небольшой электростанции.

О ПОЛЗУЧЕСТИ, РЕЛАКСАЦИИ И ДРУГИХ ВЕЩАХ

Высокая прочность при сравнительно малой деформируемости в течение длительного времени (нескольких десятков лет) — так формулировали мы в начале главы три основных требования к материалам для строительных конструкций. До сих пор мы рассматривали в комплексе два первых требования, что является единственно возможным подходом, поскольку напряжения и деформации тесно связаны и взаимно обусловлены. О третьем условии мы как бы забыли. А ведь прочность и деформация не остаются постоянными с течением времени, и потому правильнее было бы все три фактора рассматривать вместе. Но именно это и самое трудное. Фактор времени все путает.

Ясно, что эксперименты с материалами не могут по своей продолжительности соответствовать реальным срокам эксплуатации зданий и сооружений. К сожалению, любая имитация фактора времени в лабораторных условиях сказывается на чистоте результатов. С другой стороны, результатов из естественной лаборатории жизни и практики надо ждать годы, а часто и десятилетия. Многое в этом сложном узле проблем уже известно, многое еще предстоит исследовать и уточнить. О некоторых свойствах сталей, связанных с фактором времени, мы поговорим сейчас.

Рис. 8. Даже самый идеальный из материалов далеко не идеален: он склонён к "ползучести". При постоянных, фиксированных напряжениях деформации с течением времени продолжают проявляться

Конструкции работают в режиме постоянной смены нагрузок: они непрерывно нагружаются, разгружаются, перегружаются и снова разгружаются. При данной степени нагрузки в данной точке устанавливаются определенные напряжения. Нагрузка обычно держится дни, часы, месяцы. И тогда при постоянных напряжениях возникает деформация ползучести, которая, естественно, крайне нежелательна. Это можно увидеть на рабочей диаграмме σ—ε, представленной на рис. 8. (Почему диаграмма σ—ε названа «рабочей», надеемся, теперь понятно.) Явление ползучести на первый взгляд напоминает текучесть, но имеет место при напряжениях, которые меньше предела текучести, и деформации при этом значительно более ограниченные. Кроме того, процесс постепенно прекращается: в сталях, где ползучесть проявляется слабо, за 100—120 ч реализуется лишь около половины деформации ползучести. Чем выше фиксируемая величина напряжения, тем сильнее обнаруживает себя этот вид паразитической деформации.

Но со временем конструкция разгружается, напряжения падают. Для удобства будем считать, что они уменьшаются до нуля. Но, как можно видеть на рабочей диаграмме, деформации исчезают не полностью, что не характерно для идеально упругого тела. Вопреки отсутствию напряжений деформации сохраняются. С течением времени они без видимой причины начинают уменьшаться. Это интересное явление, которое называется упругим последействием, или гистерезисом, обусловлено особенностями структуры материалов. Но в любом случае деформация не исчезает полностью. Всегда остается необратимая пластическая ее часть. Это свидетельствует о длительных повреждениях в структуре материала.

Рис. 9. Релаксация - одно из самых неприятных свойств сталей

Для практики строительства значительно более важным оказывается другое неприятное свойство стали — релаксация. Оно проявляется в подвергающихся нагрузкам на растяжение и сжатие конструктивных элементах, концы которых закреплены неподвижно. На рис. 9 показан стальной прут, который растянут с неким известным напряжением, после чего зажат в неподвижных опорах. Хотя опоры остаются абсолютно неподвижными, напряжение в стали с течением времени начинает уменьшаться. В сущности, с релаксацией мы все часто сталкиваемся. Например, хорошо натянутая веревка для просушки выстиранного белья со временем начинает все сильнее провисать, пока не становится совершенно непригодной для использования. По той же причине туристские палатки надо время от времени заново натягивать, так как их веревки постепенно ослабевают.

Ползучесть и релаксация — это различные проявления одного и того же свойства материалов. Оно особенно ярко выражено у дерева и других материалов органического происхождения, но и в случае применения строительных конструкций неорганического происхождения не следует забывать об этих негативных явлениях. Релаксация имеет особенно важное значение для предварительно напряженных железобетонных конструкций, так как в этом случае непредвиденное ослабление напряженного элемента может резко снизить несущую способность конструкции. На первых этапах применения предварительно напряженного бетона, когда влияние релаксации еще не было достаточно хорошо изучено, целый ряд строительных аварий квалифицировался как необъяснимые случаи.

Итак, сталь… Самый жесткий материал с самыми устойчивыми во времени характеристиками. Она, несомненно, наиболее мощное оружие в руках инженера-конструктора. Благодаря ей можно перекрывать большие пролеты, чего не позволяет сделать никакой другой материал, можно создавать небоскребы и конструкции, надежные даже при самом тяжелом режиме эксплуатации. В силу ряда обстоятельств сталь также наиболее хорошо изученный строительный материал, самый однородный, самый упругий, который почти адекватен «стерильному» идеалу строительной механики. Поистине сталь незаменима во всех случаях строительной практики, когда демонстрируются огромные возможности конструкций при особенно сложных и ответственных условиях.

Сталь вошла в жизнь человека сравнительно поздно, причем не сразу. Сначала частичное применение нашел чугун. Вероятно, одной из первых цельнометаллических конструкций был Невянский завод на Урале (Россия), построенный в 1725 г. Первый чугунный мост был построен в 1779 г. на р. Северн в Англии. Но это были лишь особые случаи, так как металлургия была еще слабо развита, возможности чугуна весьма ограничены, а методы соединения отдельных элементов из этого принципиально нового для своего времени материала в целостную конструкцию не были разработаны. Строительство ждало нового материала, который коренным образом изменит сам облик строительства и поднимет его на качественно новую ступень. Строительство ждало стали.

В 1780 г. был создан метод получения пудлинговой (сварочной) стали, который в начале XIX в. был поставлен на индустриальную основу. В 20-х годах прошлого века решился вопрос соединения стальных элементов — появились заклепочные соединения. «Зеленая улица» для стали окончательно была открыта после создания вальцованного железа — проката.

Тогдашним конструкторам было еще неизвестно, что расход материала на выполнение конструкций зависит не только от нагрузок и усилий, но и от формы отдельных элементов. Должно было возникнуть и развиться промышленное производство стальных элементов с оптимальной формой поперечного сечения, обеспечивающей надлежащую несущую способность при минимальном расходе материала. Трудность состояла в том, что сталь нельзя, подобно бетону, отливать непосредственно на строительной площадке, а также обрабатывать простыми инструментами подобно дереву. Однажды отлитая и прокатанная на металлургическом заводе, она должна использоваться в максимально «фабричном» виде, так как ее дополнительная обработка — резание, изгибание, соединение — весьма трудоемкое дело и требует применения специальной техники. Разумеется, когда подобная обработка неизбежна, она производится, но задача в том, чтобы свести ее к минимуму. Ряд наиболее распространенных в практике профилей наиболее целесообразно получать, когда «железо еще горячо», т.е: на прокатных станах металлургических заводов, вместо того чтобы собирать их из отдельных частей в мастерских или в цехах монтажа конструкций.

Эти несложные соображения были реализованы еще в конце ХVШ в., когда в Англии возникла идея промышленного производства профилированной стали. К 1819—1820 гг. там уже выпускались угловые, Т-образные и Z-образные элементы различной длины. Одно из наиболее удачных сечений — двутавровое — начали вьь пускать большими сериями во Франции в 1845 г. Постепенно этот процесс был охвачен государственными стандартами, профили приобрели более оптимальные размеры, и наконец, возникло современное производство прокатной стали. Можно сказать со всей определенностью, что нынешние конструктивные формы из этого замечательного материала обязаны своим существованием богатой гамме всевозможных прокатных профилей, которая позволяет создавать самые разнообразные их сочетания в соответствии с замыслом конструктора и требованиями конкретных условий.

Итак, изделия современной металлургической промышленности, которые попадают в руки строителя-конструктора, — это разнообразные виды горячекатаной стали (листовая сталь толщиной от 4 до 60 мм), а также стальные профили, получаемые холодным способом. Путем штамповки, изгибания или холодной прокатки из тонких стальных листов (1—4 мм) изготовляются тонкостенные профили сложного сечения с высокими экономическими и статическими показателями, которые находят широкое применение в конструкциях облегченного типа. На повестку дня была поставлена проблема соединения отдельных частей и элементов конструкций. По несущей способности, деформируемости и долговечности соединения непременно должны соответствовать классу материала, а в нашем конкретном случае даже быть классом выше.

Отсутствие подходящих соединений было одним из главных препятствий на пути развития чугунных, а позднее и стальных конструкций. Сначала появились болтовые соединения — метод, известный с древнейших времен. Сразу необходимо отметить, что современный вариант болтовых соединений следует считать анахронизмом только как идею, но не как техническое решение. Подобный вид соединений занимает важное место в строительстве не только наших дней, но и будет играть большую роль в будущем. Такое же положение и с заклепочными соединениями, которые, как уже было сказано, появились в 20-годах прошлого века. Но, несомненно в наши дни наиболее важный метод соединения — сварка. Ее рождение можно датировать 80-ми годами XIX в., когда русские инженеры Славянов и Бернардос изобрели электродуговой способ соединения стали. Однако сварка стала достаточно широко применяться в строительстве только в 20-е годы нынешнего столетия, а в настоящее время достигла такого качества, многообразия и чистоты, что заслуженно была возведена в ранг фаворита. А если мы попытаемся заглянуть в будущее, то, вероятно, увидим много поистине нового и интересного — исключительно простые и надежные соединения стальных деталей, выполняемые путем склеивания синтетическими материалами. Исследования в этом направлении, и, надо сказать, довольно успешные, уже проводятся.

Ежегодно в мире производится 500 млн. т стали. Около половины этого внушительного количества приходится на долю низкоуглеродистых, мягких сталей. К ним предъявляется целый ряд сложных требований, которые даже нельзя сравнивать с первым трогательным нормативом, который был введен в далеком 1886 году и касался только величины временного сопротивления и деформаций. Оказалось, что очень важное значение имеют химический состав материала, методы плавления, литья и горячей обработки. Около 62% производимой в мире стали получается мартеновским методом, который был предложен еще в 1867 г. Существуют две разновидности мартеновской стали — кипящая и успокоенная. Кипящая мартеновская сталь — более дешевая, так как сразу после кипения ее выливают в специальные ковши, чем и завершается процесс ее получения. Но и качество ее ниже: в ней остается много растворенных газов, в том числе и таких вредных, как азот. В определенный момент, например при сварке, это может сыграть негативную роль. Поэтому для ответственных сварных конструкций применяется успокоенная мартеновская сталь. Что же касается конверторной стали (в 1855 г. был предложен бессемеровский, а в 1878 г. — томасовский метод ее получения, но ее сомнительная чистота еще ниже, чем у кипящей мартеновской стали, что существенно ограничивает возможности ее применения. Не случайно во всем мире при строительстве металлургических заводов в основном все же возводятся мартеновские печи.

Но как же обстоит дело с прочностью? Здесь происходит такой рост, который вряд ли возможно остановить. Когда в 1826 г. француз Навье ввел фундаментальное понятие «допустимое напряжение», он имел в виду мягкую сталь с пределом текучести 1800 кг/см^2. Шестьюдесятью годами позже в Нью-Йорке был построен Бруклинский мост (висячая система) . Его канатные связи имеют предельное сопротивление 11 000 кг/см^2. Канаты моста Джорджа Вашингтона в Нью-Йорке, построенного в 1931 г., обладают предельным сопротивлением уже в 15 000 кг/см^2. Современные методы термической и термомеханической обработки позволяют получать стали с пределом прочности до 35 000 кг/см^2! А специалисты считают, что это еще далеко не предел…

Наряду со своими неоспоримыми достоинствами сталь как строительный материал имеет и недостатки, которые серьезно ограничивают область ее применения, а в ряде случаев делают его совсем невозможным. Большим минусом является, например, подверженность атмосферным воздействиям. Было бы излишним объяснять, что такое коррозия. Ежегодно коррозия, против которой нет единого рецепта, наносит огромный ущерб; в мире безвозвратно исчезает, как бы растворяясь в воздухе, несколько миллионов тонн стали. Стальная конструкция, оставленная без всякого покрытия, даже при самых благоприятных условиях эксплуатации за короткое время превратится в изъеденный ржавчиной скелет, готовый рухнуть в любой момент. Стальные конструкции требуют постоянной заботы, их необходимо регулярно покрывать антикоррозионными составами в течение всего срока эксплуатации.

Но, к сожалению, это еще не все. Сталь подвержена воздействию высоких температур. Сравнительно большой коэффициент температурного расширения, с одной стороны, и высокий модуль упругости, с другой стороны, при высоких температурах и ограничении свободных деформаций становятся причиной возникновения значительных внутренних напряжений в элементах стальных конструкций. Но это еще полбеды. При температуре свыше 200°С прочность материала резко уменьшается, и при роковом стечении обстоятельств могут последовать весьма печальные события. Пожар в здании со стальной конструкцией — такая ситуация, которой лучше не допускать. Не случайно противопожарные меры в небоскребах напоминают меры, которые принимаются конструкторами самолетов или обитаемых космических кораблей.

Сталь — материал дорогой. Ее производство связано со значительными капиталовложениями, оно предполагает сложный технологический цикл и наличие высококвалифицированных специалистов. Изготовление самих стальных конструкций — тоже процесс не легкий, поскольку речь идет о материале, который, в отличие от других строительных материалов, должен обрабатываться специальными машинами и в заводских условиях. Так что даже один из главных полюсов стальных конструкций — индустриальные методы их производства — обусловлен технологическими трудностями. Другими словами, неоспоримые преимущества стали «покупаются» дорогой ценой.

«… НАС ОХВАТИТ УЖАС»

Самым древним строительным материалом является дерево. Первые инженерные сооружения человека — свайные постройки — были из дерева. Обилие леса на планете, простота получения и обработки с помощью самых элементарных инструментов способствовали тому, что в течение тысячелетий дерево было основным строительным материалом человечества.

Деревянное строительство достигло наивысшего расцвета во времена Римской империи. Этим периодом, в сущности, датируются известные и в наши дни конструкции пролетных строений, с помощью которых римляне «за один раз» перекрывали значительные расстояния между опорами, достигающие 23 м. Сохранились исторические свидетельства о большом деревянном мосте через Тибр в Риме (630 г. до н. э.), о мосте Юлия Цезаря на Рейне длиной в полкилометра, который был построен в 56 г. до н. э. всего за 10 дней, о мосте Трояна на Дунае, представляющем значительное достижение для своего времени (19 пролетов по 35 м каждый).

Второй период расцвета — эпоха Возрождения. Знаменитый итальянский архитектор Палладио предложил ряд новых и оригинальных конструктивных форм из дерева, которые далеко опередили технологические возможности своего времени и, по существу, явились прототипом некоторых современных конструкций. Настоящим «деревянным» бумом, однако, стала первая половина прошлого века. Благодаря этому легкому, прочному и упругому материалу строители перекрывали пролеты в 40—50 м при сооружении зданий и в 60—70 м — в случае мостовых конструкций. Это было триумфом строительной практики и мощным стимулом развития теоретической инженерии.

С развитием черной металлургии и снижением цен на сталь последняя постепенно завоевала ведущее место в строительстве. В связи с этим наступил застой в развитии деревянных конструкций. Так продолжалось до 20-х годов нынешнего века, когда впервые стала ощущаться нехватка стали. Оказалось, что деревом, этим старейшим из строительных материалов, не только не следует пренебрегать, но что при современном уровне развития техники и технологии оно даже может составить конкуренцию новым материалам во многих областях строительства, особенно в некоторых видах инженерных сооружений. В настоящее время в странах с большими лесными ресурсами, таких, как СССР, США, Канада, Скандинавские страны, дерево находит довольно широкое применение, хотя и не является основным строительным материалом. Многие известные специалисты придерживаются мнения, что у дерева как строительного материала большое будущее.

Главные его достоинства обусловлены счастливым сочетанием большой легкости (дерево почти в 2 раза легче воды и в 14 раз легче стали!) со сравнительно высокой прочностью на растяжение, сжатие и изгиб.

Если мы введем понятие относительной прочности (т. е. прочности по отношению к единице объема), то по этому важному инженерному показателю дерево приближается к стали и так же, как сталь, примерно в 10 раз превосходит бетон. Другими словами, деревянная конструкция во много раз легче железобетонной того же назначения, при тех же нагрузках и одинаковых прочих условиях. Хотя дерево подвергается большим деформациям, чем сталь, но все же его реальные деформации находятся в пределах практической целесообразности.

Известно, что производство древесины — дело достаточно простое, дешевое и быстрое. Для него не нужна сложная технология (рудники, флотационные фабрики, доменные и мартеновские печи, прокатные станы, специальные цементные заводы). То же самое можно сказать и об обработке древесины, которую можно производить как централизованно — в заводских условиях, так и в небольшой мастерской. Энергоемкость и трудоемкость производственного процесса сравнительно малы, не говоря уже о том, что нет необходимости в особой квалификации работников. Ничего подобного нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне. Иными словами, производство древесины и изготовление деревянных конструкций связано с минимальными капиталовложениями. При нашем динамичном и массовом строительстве, в которое вкладываются огромные средства на длительный срок, это тоже имеет достаточно важное значение.

Строительство с применением деревянных конструкций практически не зависит от сезона. В этом сходство стальных и деревянных конструкций и их отличие от классических монолитных. Зимние условия не удорожают строительного процесса, чего, как известно, нельзя сказать о железобетоне. Это обусловлено тем, что деревянные конструкции подобно металлическим являются сборными. Их централизованное производство в цехе создает возможность индустриализации, переноса части строительных работ «под крышу», в заводские условия.

Завершая общее описание дерева как строительного материала, добавим несколько слов о его прекрасных физических и химических свойствах. Благодаря весьма малому коэффициенту теплового расширения на дерево, в отличие от бетона и стали, практически не влияют сезонные колебания температуры. В конструкциях не возникает дополнительных температурных напряжений, а следовательно, нет необходимости в специальных мерах. В отличие от бетона и стали дерево — превосходный теплоизолятор. Кроме того, оно устойчиво к воздействию дымов и газов, которые выделяются рядом производств. Есть случаи, когда оно поистине незаменимо. Для современных деревянных конструкций характерен эффективный симбиоз между деревом и сталью (применяемой в весьма скромных количествах), что по сравнению с далеким прошлым позволяет поднять этот тип конструкций на новую высоту.

Непременно следует упомянуть и о проблеме связей и соединений. Для дерева эта проблема так же важна, как и для стали, с той лишь разницей, что в этом случае она решается значительно легче, поскольку существует более прочный и твердый материал — сталь. Наиболее широко распространены гвоздевые и болтовые соединения, однако все большее применение находят клееные деревянные конструкции. Современные синтетические клеящие составы обеспечивают прочное и надежное соединение элементов, а также дают ряд технико-экономических преимуществ, одним из которых является сокращение расхода стали.

Все сказанное выше незаметно превратилось в одну хвалебную речь, в прославление дерева. А медаль, естественно, имеет и оборотную сторону. Теперь с риском перечеркнуть все перечисленные достоинства перевернем медаль … и постепенно нас охватит ужас…

Как естественный продукт, изготовленный природой совсем не для строительных целей, древесина имеет много отклонений от нормального строения, соответствующего стандарту, много естественных повреждений. Это, например, сучки (т.е. места, от которых отходили отдельные ветви дерева), внутренние трещины, закручивание волокон на стволе в процессе роста или их сужение и расширение, а в результате волокнистая структура дерева оказывается неупорядоченной, что влияет на механические характеристики древесины. Невнимание при сортировке лесоматериалов может катастрофическим образом отразиться на несущей способности изготовленных из них элементов.

Весьма серьезный недостаток древесины — ее склонность к гниению и разрушению живыми вредителями (жуком-древоточцем, термитами и т. д.). Для органических материалов гниение — всеобщий процесс. Это биологическое явление обусловлено паразитированием в древесине при определенной температуре и влажности самых разнообразных микроорганизмов. В зависимости от конкретных условий с момента поражения до полного разрушения дерева проходит от нескольких месяцев до нескольких лет.

Пожароустойчивость древесины равна нулю. Неимпрегированное дерево не только быстро загорается, но и выделяет в процессе сгорания большое количество тепла, что способствует быстрому распространению пожара. С другой стороны, древесина очень гигроскопична. С ростом влажности ее объем увеличивается, прочность уменьшается. При высыхании древесина сокращается до своего первоначального объема. Неравномерное набухание и высыхание приводят к вспучиванию и искривлению дерева, что очень сказывается на его качествах как строительного материала.

Рис 10. Сопротивление древесины в значительной степени зависит от угла, образованного направлением силового воздействия и направлением древесных волокон

С точки зрения механики природа древесины трудно поддается изучению. Основная причина этого — ее волокнистое строение. Волокна создают своеобразный скелет, в направлении которого древесина обладает наибольшей прочностью и твердостью. С увеличением угла отклонения силового воздействия от направления волокон сопротивления и модули упругости резко уменьшаются, а деформации быстро нарастают. О весьма чувствительных различиях в механических свойствах древесины при изменении этого угла может дать представление рис. 10. Показанная кривая характеризует работу элемента на сжатие. Только теперь мы сможем оценить, каким прекрасным, однородным и упругим материалом является сталь. Ведь у дерева сколько видов силового воздействия, столько и разных сопротивлений — на растяжение, на сжатие, на изгиб, на скручивание. И, что еще хуже, эти сопротивления, как и модули упругости, зависят от угла наклона относительно волокон. Поэтому расчет деревянных конструкций и их элементов весьма сложен, а точный анализ множества активных факторов просто неизбежен.

Рис. 11. Дерево, в отличие от стали, имеет несколько "удостоверений личности". Здесь показаны две его важнейшие рабочие диаграммы — на растяжение и на сжатие в соответствии с направлением волокон

Основные расчетные характеристики определяются для воздействии, параллельных и перпендикулярных направлению волокон. На основании полученных результатов можно получить и механические характеристики древесины, нагруженной под определенным углом относительно волокон. На рис. 11 показаны рабочие диаграммы древесины, подвергающейся нагрузке на растяжение и сжатие в направлении волокон. При растяжении зависимость между напряжениями и деформациями представляет собой линию, слегка изогнутую вначале. Никакой пропорциональности нет. Строго говоря, закон Гука здесь теряет силу. Бросается в глаза отсутствие какой бы то ни было площадки текучести. В конечной фазе растяжения волокна начинают быстро рваться и разрушение наступает внезапно (хрупкое разрушение) при напряжениях порядка 1000 кг/см^2.

Поведение дерева при нагрузке на сжатие представляет весьма разнообразную картину. После значительного почти прямолинейного участка в связи с быстрым ростом деформаций наблюдается нечто похожее на площадку текучести у мягких сталей. Другими словами, при работе на сжатие древесина обладает ярко выраженными пластическими свойствами. Разрушение начинается с искривления самых прочных волокон в направлении более слабых; при этом на поверхности испытуемого тела образуются характерные складки. При нарастании нагрузки происходит и окончательное разрушение — при напряжениях в 2—3 раза меньших, чем в случаях работы дерева на растяжение.

Полезно сравнить рассмотренные графики с рабочими диаграммами стали. Предельная (разрушающая) деформация древесины при сжатии равна 0,6%. а при растяжении — 0,8%. По этим характеристикам дерево приближается к высокопрочным сталям, тогда как у мягких и низколегированных сталей они значительно выше. В интервале же практически целесообразных и допустимых деформаций положение обратное. За предел пропорциональности (точка, до которой остается в силе закон Гука) и при растяжении, и при сжатии принимается напряжение, равное половине предельной прочности. Оно может быть достигнуто при деформации 0,15% (сжатие) и 0,35% (растяжение), тогда как у мягких сталей рабочий диапазон простирается до деформации 0,1%. Таким образом, в реальных конструкциях дерево проявляет себя как материал более деформируемый, чем сталь.

С другой стороны, при рабочих деформациях одного и того же порядке древесина работает со значительно меньшим напряжением. Отсюда следует, что ее жесткость, упругость и модуль упругости гораздо меньше, чем у стали. Почти в 20 раз меньше…

Когда мы рассматривали сталь, мы упомянули о еще одном сложном виде силового воздействия — об изгибе. Теперь же сделать это просто необходимо.

На изгиб работают почти все элементы почти всех видов строительных конструкций. Это, наверное, самая распространенная форма конфликта между нагрузками и конструкциями, между силовыми воздействиями и материалом.

Рис.12. Работа элемента изогнутой балки. Изгиб является самой неприятной, но и наиболее частой формой невидимого конфликта жесткость, упругость и модуль упругости гораздо меньше, чем у стали. Почти в 20 раз меньше...

Едва ли мы удивим кого-нибудь утверждением, что при изгибе одна часть сечения элемента подвергается сжатию, а другая — растяжению. Каждому случалось преодолевать препятствие по перекинутой доске или бревну. Физическое ощущение при этом наиболее яркое; провисающая под тяжестью нашего тела доска сама по себе достаточно отчетливо характеризует одно из главных инженерно-теоретических понятий — «изгиб». На рис. 12 показано, что верхняя часть изгибаемого элемента укоротилась, а нижняя удлинилась. Но деформация укорачивания предполагает возникновение сжимающих напряжений, а деформация удлинения — растягивающих. Следовательно, можно сказать, что изгиб — это форма одновременного сочетания растяжения и сжатия в рамках одного и того же сечения.

Практическая модель этого явления основывается на весьма простой гипотезе: предполагается, что элемент состоит из множества нитей, каждая из которых деформируется независимо от других. Кроме того, любые два сечения, находящиеся достаточно близко один от другого и перпендикулярные оси элемента, даже в случае очень сильной деформации остаются перпендикулярными провисшей оси. Физический эквивалент этого словесного описания можно видеть на рис. 12. При взаимном развороте двух сечений наиболее сильно деформируется (растягивается) нижний слой волокон. Следовательно, по закону Гука, в этом слое возникают самые большие напряжения. Волокна над этим слоем деформируются слабее и работают с меньшим напряжением. Еще слабее деформируется следующий слой волокон. Так мы доходим до среднего слоя, который вообще не деформируется и, следовательно, оказывается ненапряженным. Вверх от этого слоя деформации и напряжения снова нарастают, но с обратным знаком. Теперь это деформации сжатия.

Так как деформации распределяются линейно по высоте сечения, соответствующие напряжения тоже распределены линейно, что можно видеть и на их диаграмме. Следует обратить внимание, что напряжения, действующие перпендикулярно (или нормально) по отношению к плоскости сечения, называются нормальными напряжениями. Ниже на рисунке показаны и другие напряжения, которые действуют в плоскости сечения (тангенциально). Эти напряжения называются тангенциальными. Но не будем опережать события.

Мы добрались до одной из важнейших истин, до одного из фундаментальных положений классической инженерной науки. Изгиб присутствует всегда, и определение нормальных напряжений в изгибаемых элементах осуществляется на основе вышеописанной схемы независимо от их формы, величины и материала. Мосты, ангары, жилые, общественные и промышленные здания — все конструкции, которые создает человек и которые изгибаются, проходят через «сито» точных расчетов, характерных для механики, одно из положений которой мы рассмотрели почти в классическом виде. Разумеется, на практике это делается с помощью длинных формул, по специальным алгоритмам, а вся сложная процедура называется определением размеров сечения. Цель ее состоит в том, чтобы выбрать такие размеры сечения, при которых напряжения в элементе не превышали бы известного предельного значения. Но, вообще говоря, физическая сущность явления вполне может быть рассмотрена на простой модели, о которой мы рассказали выше.

Интересно сравнить работу материала в режиме осевого растяжения (или сжатия) и в режиме изгиба. Очевидно, что при осевой нагрузке диаграмма напряжений будет постоянна и однозначна, а в работу будет вовлечено все сечение, весь объем элемента, каждый грамм материала. При изгибе же по-настоящему работать будут только крайние слои. И даже еще хуже. В области нейтральной зоны, где напряжения растяжения становятся напряжениями сжатия, материал вообще не будет работать. К сожалению, наличие материала в этом месте чуть ли не формально.

В этом смысле изгиб является «тяжелым случаем» для каждого элемента, для каждой конструкции. Наличие изгиба (а оно почти правило) вынуждает конструкторов вкладывать дополнительные количества материала, который, как мы видели, не может использоваться полноценно. Размеры пролетов, которые перекрываются конструкциями, работающими на изгиб, не так уж велики. Даже в случаях возведения специальных залов, ангаров и мостов они не превышают нескольких сотен метров. До сих пор абсолютные рекорды «преодоления» расстояний принадлежат арочным (сводчатым) и особенно висячим системам. Но там элементы работают главным образом на растяжение или сжатие и гораздо более полноценно используются возможности вложенного материала. О конструктивных формах мы еще расскажем.

Все, что до сих пор было сказано об изгибе, в большей или меньшей степени можно считать идеализацией. В сущности, мы говорили об изгибе, рассматривая теоретическую физическую модель, а не реальное тело. Гораздо важнее знать, как работают реальные материалы. Логично предположить, что выдуманные человеком законы и гипотезы не соблюдаются так полно и точно, как нам бы хотелось. Рассматривая сталь в качестве строительного материала, мы убедились, что различия там минимальны, что гипотезы и теории «скроены» почти в полном соответствии с природой стали. Однако для других строительных материалов различия эти весьма существенны: не составляет исключения и дерево — низкий и грубый материал в сравнении с благородной сталью.

Прежде всего у дерева, как, впрочем, и у всех материалов органического происхождения, сильно выражены текучесть и релаксация. Картина изгиба тоже существенно отличается от той идеальной, которую мы рассматривали. При малых напряжениях диаграмма нормальных напряжений еще может сойти за линейную. В качестве доказательства можно привести диаграммы, представленные на рис. 11. Как в случае растяжения, так и в случае сжатия при малых напряжениях рабочие графики близки к прямой, следовательно, можно сад тать, что закон Гука остается в силе. Но посмотрим, что происходит потом.

При напряжениях около 200 кг/см^2 при сжатии рабочая диаграмма начинает обнаруживать пластические свойства материала: напряжения приблизительно постоянны, а деформации интенсивно нарастают. Материал в зоне сжатая элемента подвергается изгибу, начинает течь. В конечном счете после верхних, наиболее нагруженных слоев силовому воздействию начинают уступать и нижние слои. Этот процесс предполагает, что напряжение в уже пластифицированных волокнах не изменяется, хотя сопротивление всего сечения растущему внешнему моменту увеличивается за счет пластификации и «уступок» все новых и новых слоев в зоне сжатия. В конце концов, диаграмма напряжений сжатия изменяет свою форму так, как показано на рис. 12.

Посмотрим, что происходит в это время в зоне растяжения. По рабочей диаграмме напряжений при растяжении можно видеть, что дерево не обнаруживает существенных пластических свойств вплоть до разрушения. Зависимость между напряжениями и деформациями в течение всего времени приложения нагрузки близка к линейной, а следовательно, закон Гука остается в силе. Диаграмма напряжений в зоне растяжения сохраняет форму треугольника.

Непосредственно перед разрушением на открытой поверхности зоны сжатия наблюдается характерное сморщивание — волокна начинают искривляться. Зона сжатия сильно пластифицируется, кривизна изгиба увеличивается и происходит разрушение со стороны … Как это ни парадоксально, но разрушение происходит не со стороны наиболее слабого звена, каким в данном случае является зона сжатия. При соотношении предельной прочности 2:1 — 3:1 в пользу растяжения (для большинства видов древесины) пластификация зоны сжатия приводит к резкому увеличению напряжений в зоне растяжения, которые вскоре превышают предельное сопротивление растяжению. Разрушение начинается именно с разрыва хрупких растягиваемых слоев, а не пластичных сжимаемых волокон.

Итак, нормальные напряжения в древесине, работающей на изгиб, достаточно сильно отличаются от идеальной картины. Однако это не мешает на практике пользоваться идеализированной картиной: линейным, треугольным распределением напряжений по высоте сечения, когда за расчетные сопротивления принимаются условные, средние напряжения как в случае применения однородного материала. Определение этих значений производится в лабораториях по испытанию строительных материалов после многочисленных опытов с экспериментальными изгибаемыми образцами и статистической обработки результатов.

Следует отметить, что на древесину, а вернее на ее прочность весьма существенное влияние оказывает длительность нагрузки. Рабочие диаграммы на рис. 11, в сущности, характеризуют поведение дерева при кратковременных нагрузках (весь опыт продолжался примерно 15 мин). Однако если конструктивный элемент будет работать продолжительное время с напряжениями даже меньшими, чем его предельная временная прочность, то через несколько часов или дней он разрушится без всякой видимой причины. Поэтому для длительных нагрузок элементов рассчитывается так называемая длительная прочность, которая составляет приблизительно 70% временной прочности.

Но пора уже оставить магический круг абстрактных понятий и вернуться в мир реальных вещей. Какую древесину можно использовать для строительных целей? Главным образом хвойные породы — сосну, ель, лиственницу, секвойю, кедр, а также твердые лиственные — дуб, ясень, клен, граб, акацию, березу, бук, вяз. Иногда используются и мягкие лиственные породы дерева, такие как липа, осина или тополь.

Еще сравнительно недавно дерево занимало исключительно важное место в жизни людей. До появления каменного угля и нефтепродуктов оно использовалось как топливо, до появления стали и бетона — как строительный материал; когда не было легких металлов (сплавов) и синтетических материалов (пластмасс), его применение вообще было универсальным. Но естественный прирост лесов требует десятков лет и даже веков. А так как в течение длительного времени леса интенсивно вырубались, во многих географических районах планеты дерево стало крайне дефицитным материалом. Вследствие этого в Болгарии, как и в ряде других стран, деревянные конструкции находят весьма ограниченное применение. Изменится ли положение в будущем, зависит от того, насколько экономно будет расходоваться древесина, а также от мер, которые будут приняты для ускорения естественного воспроизводства лесов.

В принципе сейчас в строительстве используется лишь малая часть добываемой древесины, а для деревянных конструкций — совсем незначительная. Такое ограниченное применение деревянных конструкций объясняется не только и даже не столько дефицитностью лесоматериалов, сколько инертностью мышления. Очевидно, что экономить древесину надо в тех областях, где она используется в несравнимо больших количествах. В ряде случаев ее применение как материала для строительных конструкций уже сейчас экономически и технически целесообразно.

БЕТОН

Вряд ли кто-нибудь станет отрицать, что бетон — «самый строительный» из всех строительных материалов. Он создан специально для нужд строительства, производится исключительно для целей строительства, и каждый миг его «биографии» и как исторического феномена, и как конкретного реального продукта тесно связан со строительством и рассматривается именно в рамках строительства.

Его нет необходимости представлять: кто не видел бетономешалки, сырого, еще не уложенного бетона и бетона, уже отвердевшего, принявшего соответствующую конструктивную форму? Его состав неимоверно прост — цемент, вода и заполнители типа песка и гравия. Вода вступает в химические реакции с цементом и образует новую структуру — так называемый цементный камень, которая связывает в единую массу инертные материалы. Так что качества полученного бетона в наибольшей степени обусловлены свойствами цементного камня и инертных материалов. В наибольшей степени, но не полностью, поскольку свойства бетона зависят также от метода приготовления, укладки и уплотнения смеси, а также от условий, в которых происходит ее твердение. Существует еще много других факторов, влияющих на качество бетона, но здесь теория и практика строительства пока не могут дать исчерпывающего объяснения.

Особенно важным является количество и качество (марка) используемого цемента, выбор которого зависит в конечном счете от характера конструкции. Это может быть пуццолановый портландцемент, шлако- портландцемент или глиноземистый портландцемент, однако чаще всего применяется обычный портландцемент марки не менее 300. Для прочности и деформируемости бетона особое значение имеет так называемое водоцементное отношение, т.е. соотношение весовых частей воды и цемента в 1 м^3 бетона. Чтобы произошла химическая реакция между водой и цементом, достаточно, если это отношение будет равно 0,2 — 0,4. На практике при необходимости получения более подвижной пластичной смеси для удобства ее укладывания берутся водоцементные отношения до 0,8. Очевидно, что после схватывания в бетоне остается значительное количество лишней воды. Лишь малая часть воды оказывается химически связанной с зернами цемента, тогда как основная ее часть остается в капиллярах бетона и постепенно испаряется в течение всего продолжительного периода отвердевания. Бетон «ссыхается» (дает усадку) подобно дереву.

Усадка — это весьма неприятное свойство. Открытые поверхности, особенно в случае крупногабаритных элементов, в стремлении сжаться растрескиваются, в результате чего уменьшается прочность бетона на растяжение. Но если даже дело не доходит до появления трещин, налицо начальные растягивающие напряжения, которые вскоре увеличиваются под влиянием какого-либо другого фактора. Таким фактором может быть, например, изменение температуры.

В отличие от дерева бетон, так же как и сталь, имеет довольно большой коэффициент температурного расширения — 0,001%. Это значит, что при изменении температуры на 1°С деформации материала составляют 0,01 мм на 1 м его длины. При понижении температуры, когда тела стремятся сжаться, а этому что-либо препятствует, в элементах снова возникают опасные растягивающие напряжения.

Усадка и температурные деформации по ряду причин сильнее всего отражаются на длине элементов или конструкций. Но если природа температурных деформаций более или менее ясна, то с усадкой дело обстоит гораздо сложнее. Она наиболее сильно проявляется в первые дни и месяцы после укладывания бетона и постепенно ослабевает приблизительно в течение года. Об общем характере этого явления дает представление средняя величина деформаций (при средней влажности воздуха и средней температуре), равная приблизительно 0,03%. Если бы подобное свойство имела сталь, оно привело бы к возникновению начальных напряжений в 630 кг/см^2! А эта величина составляет 1/3 расчетного сопротивления арматурной стали класса А-I! К счастью (или к сожалению), модуль «упругости» (почему здесь кавычки, мы увидим позже) у бетона значительно меньше и соответственно меньше напряжения усадки. Но во всяком случае этих напряжений достаточно, чтобы бетон растрескался. Предельная деформация бетона при растяжении (в среднем 0,015%) вдвое меньше, чем при усадке, и очевидно, что образование трещин, как правило, неизбежно.

Разнообразие видов бетона огромно. Начав со сверхтяжелых бетонов, применяемых для противорадиационной защиты, мы перейдем к обычным тяжелым (в 2,5 раза тяжелее воды) и наконец достигнем области легких бетонов. Последние благодаря легким естественным (туф, пемза) и искусственным (керамзит, перлит, алгопорит, термозит) заполнителям имеют относительно небольшую массу, а некоторые из них даже легче воды. Именно к ним обращаются апологеты железобетона, когда их упрекают, что бетон как строительный материал слишком тяжел. Поскольку легкие бетоны изучены еще довольно слабо и сравнительно мало применяются, подобные упреки вполне обоснованы, но, вероятно, в недалеком будущем они уже не будут столь справедливы. Чтобы закончить разговор о массе бетона, добавим, что существуют и сверхлегкие его разновидности (до 500 кг/м^3), которые, однако, не представляют интереса как конструкционные материалы.

Весьма разнообразны бетоны и с точки зрения специальных требований к ним. Они могут отличаться повышенной водонепроницаемостью, морозостойкостью или стойкостью к воздействию агрессивных сред. Подобной гаммы качественных характеристик нет ни у сталей, ни у пород древесины. Бетон принципиально отличается от стали и дерева значительной пожароустойчивостью. Некоторые специальные марки бетона могут длительное время выдерживать температуры свыше 1000°С!

В последние годы начали применяться так называемые полимербетоны, для которых в качестве добавок используются различные виды термопластов — поливинилхлорид, поливинилацетат и др. Благодаря этому значительно повышается антикоррозионная стойкость бетона, его ударная прочность и сопротивление истиранию, что значительно расширяет область применения этого строительного материала, который и без того наиболее распространен. Со всей определенностью можно сказать, что бетон, и прежде всего армированный бетон (железобетон), — это материал XX в.

Однако сразу же в противовес сказанному выше отметим недостатки бетона как материала для строительных конструкций. Так, например, при выполнении монолитных железобетонных конструкций для опалубки требуется большое количество лесоматериалов, строительство не только удорожается, но и удлиняются его сроки. Этот недостаток преодолевается при строительстве из сборного железобетона. Однако такая форма строительства, естественная и неизбежная для стали и дерева, для железобетона не столь естественна. Вообще говоря, «шлягером» бетона являются классические монолитные конструкции.

Производство бетона является не таким простым, как может показаться на первый взгляд; оно включает изготовление опалубки, армирование, укладку бетонной смеси (с вибрированием), вообще весь процесс строительства здания или сооружения. Кроме того, чтобы получаемые результаты отвечали требованиям сегодняшнего дня, необходимы квалифицированные кадры — бетонщики, плотники-опалубщики, арматурщики, сварщики. И все это ради материала, отличающегося низкой шумо- и теплоизоляционной способностью. Ремонт и усиление железобетонных конструкций в случае их повреждения или аварий в процессе эксплуатации связаны со значительными трудностями и довольно большими затратами времени.

Но есть нечто особенно неприятное. Речь идет о малой прочности самого бетона на растяжение, которая почти в 10 раз ниже, чем его прочность на сжатие. Вследствие этого бетон склонен к трещинообразованию, представляющему большую сложность для человечества. С одной из причин образования трещин — усадкой — мы уже познакомились. Но, к сожалению, это еще не все. Обычный железобетон, как мы потом убедимся, нормально работает при наличии трещин; они (к сожалению) неизбежны при напряжениях и деформациях в бетоне. Но трещины крайне негативно отражаются на общей жесткости элемента и конструкции в целом, не говоря уже о том, что существует опасность коррозии находящейся в бетоне стали.

Из этого положения есть выход, который называется «предварительно напряженный железобетон» (о нем мы узнаем немного позже). Можно сказать, что ни один из недостатков бетона и железобетона нельзя назвать вечным и неустранимым, что само по себе большой плюс этого материала. В сущности, нам уже пора перейти к его плюсам.

АПОКАЛИПСИС ХАОСА

Сама технология укладки бетона обусловлена его исключительными архитектурными и конструктивными возможностями: он принимает такую форму, какую мы только пожелаем. Пластичность бетонной смеси позволяет сравнительно легко облечь в плоть наиболее рациональные конструктивные решения, самые эффективные архитектурные замыслы. В этом отношении он единственный, бесценный, незаменимый.

Одна приятная особенность — с годами прочность бетона при благоприятных условиях не только не уменьшается, но даже возрастает. Это свойство делает железобетонные конструкции самыми долговечными, рассчитанными чуть ли не на века. При этом для бетона (за исключением сборных конструкций) не существует проблемы соединений, которая так важна для стали и дерева. Конструкция изготовляется целиком, монолитно и, по существу, представляет собой единый искусственный камень сложной формы с большой несущей способностью. Монолитность обеспечивает значительную жесткость и высокое общее сопротивление опасным горизонтальным усилиям при землетрясениях и ураганах.

Но важно, какой ценой покупаются все эти заманчивые качества. К радости человечества и славе бетона — весьма низкой. Хотя его механические характеристики значительно хуже, чем у стали, но ведь и их стоимость несопоставима. Здесь бетон «берет верх» во многих отношениях. Прежде всего понятие «дефицитность» к нему просто неприменимо: в его состав входят те материалы, которые имеются везде. Что же касается наиболее тонкого и качественного компонента — цемента, то его производство во много раз проще и дешевле, чем производство стали.

После такого «коктейля» из физических, механических, технологических и экономических показателей бетона не может не возникнуть вопрос: что же такое в конце концов бетон?

Если ответ должен быть кратким и ясным, он будет звучать так: самое грубое и неоднородное тело, созданное человеком.

Разные по величине зерна песка и гравия, связанные в произвольную структуру цементным камнем, совершенно хаотично расположенные крупные и мелкие частицы, поры и пустоты, заполненные водой и воздухом, микротрещины и капилляры — вот что такое бетон.

Истинный апокалипсис случайности и хаоса, необычайно далекий от идеально упругого, изотропного и однородного тела — любимца строительной механики. Если вообще понятие однородности применимо к бетону, то его сущность можно определить так: бетон исключительно однороден в своей неоднородности. С течением времени и под действием нагрузок он изменяет свои механические свойства, ползет, дает усадку, разбухает, нормально работает, несмотря на наличие трещин…

Рис. 13. Закон Гука "в немилости" перед его раскрытыми от ужаса глазами рабочая диаграмма самого грубого и неоднородного тела, созданного человеком, причем при кратковременной нагрузке

Неоднородная структура бетона, изменение его свойств с течением времени и значительные пластические деформации создают огромные трудности для исследователей. Давайте посмотрим диаграмму его работы на сжатие (рис. 13). Нет и следа пропорциональности между напряжениями и деформациями: рабочая кривая сильно изогнута. При таком положении разговор о модуле упругости бетона будет беспредметным. Гораздо правильнее было бы назвать его деформационным модулем. Он явно представляет собой переменную величину: значение его различно при разной степени напряжения. Это отчетливо видно и на диаграмме σ—ε. Каждая точка кривой имеет свою, индивидуальную касательную. Вывод будет ясен, если мы вспомним, что угол, который касательная образует с горизонтальной осью, и есть геометрическое выражение деформационного модуля в соответствующей точке.

При снятии нагрузки определенная часть деформаций исчезает, но только определенная часть. Это — упругая деформация. Так же, как у сталей, но только в значительно более явной форме сохраняются необратимые деформации, вызванные изменениями в структуре материала. Малая часть из них — тоже, как у стали, — через некоторое время восстанавливается (упругое последействие), но в основном это окончательные, необратимые пластические деформации.

Теперь посмотрим, что происходит при многократно повторяющихся нагрузках. В таком режиме работают балки под электрические мостовые краны, конструкции некоторых мостов и эстакад, фундаменты под машины и турбоагрегаты. Многократные «приливы» и «отливы» силовых воздействий, несомненно, отражаются на поведении такого неоднородного упруго пластичного материала, как бетон.

Если нагрузка возрастает до уровня относительно малых напряжений и сразу после этого снимается, то в конце каждого цикла остается определенное количество необратимых пластических деформаций. После многих таких циклов пластические деформации наслаиваются одна на другую, постепенно достигая общей величины, при которой пластический потенциал материала исчерпывается. Когда исчезают все люфты материала, он начинает работать как однородное упругое тело и его рабочая диаграмма выглядит как прямая линия.

Однако если нагрузки возрастают до уровня относительно больших напряжений, после определенного числа повторных нагрузок материал разрушается. В этом случае пластические деформации, постепенно нарастая до большой величины, достигают предела, за которым может следовать только разрушение. Максимальное напряжение, при котором материал работает по первоначальной схеме без разрушения, называется пределом выносливости, или пределом усталости. Определение усталостной прочности имеет большое значение для конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам: их проектирование осуществляется на основании именно этой характеристики. Однако необходимо, чтобы число рабочих циклов достигало почти двух миллионов.

До сих пор речь шла о кратковременных — однократных или многократных— нагрузках, при которых пластические деформации достаточно отчетливо выражены. Что же произойдет, если на каком-либо этапе нагрузка будет более длительной? Именно таким образом действуют постоянные и многие временные нагрузки.

Рис.14. При длительной нагрузке картина еще более ужасная: бетон имеет четко выраженную склонность к "ползучести"

Тогда картина будет еще менее приятной (рис. 14). Всякая задержка нагрузки приводит к ползучести — к увеличению деформаций при постоянных, фиксированных напряжениях. Это явление наблюдается и в случае применения сталей, хотя и в более ограниченных масштабах. В реальных конструкциях деформации ползучести крайне нежелательны, но абсолютно неизбежны. Причем они тем больше, чем выше фиксированные напряжения и чем ниже марка бетона. Сильнее всего ползучесть проявляется в первые 4—5 месяцев после нагрузки, а через несколько лет почти затихает. Следует отметить, что величина деформаций этого рода в четыре-пять раз выше величины упругих деформаций.

Ползучесть, в отличие от усадки и температурных деформаций, наблюдается только при наличии нагрузки. Причем деформации в этом случае являются не пространственными, а линейными (в направлении силового воздействия).

Рис. 15. Список парадоксов бетона почти бесконечен. Так, например, его прочность на сжатие обусловлена его ... сопротивлением растяжению

Все, что было сказано до сих пор, касается напряжений и деформаций при сжатии. Почти так же ведет себя бетон и при растяжении с той лишь разницей, что его сопротивление растяжению почти в 10 раз меньше, чем сопротивление сжатию. А это весьма существенное различие... Именно роковое соотношение 1:10 в пользу сжатия определяет почти все особенности и парадоксы не только бетона как материала, но и выполненных из него конструкций (рис. 15).

В качестве примера возьмем хотя бы характер разрушения образца, подвергающегося сжатию. Это может прозвучать неожиданно, но разрушение обусловлено исчерпанием резервов прочности на растяжение, а не на сжатие. Прочности на растяжение, но только в поперечном направлении… Каждая пора или пустота в бетоне (а их бесчисленное множество) может рассматриваться как отверстие в однородном материале, вокруг которого происходит неизбежная концентрация напряжений. Перпендикулярно силовому воздействию возникают деформации (боковое расширение) и, следовательно, боковые напряжения расширения. Именно это вторичное силовое поле в основном решает судьбу элемента, подвергающегося сжатию. Сначала образуются внутренние микротрещины, которые затем расширяются, и материал сжатого бетонного образца разрушается.

Роковое соотношение 1:10 в пользу сжатия определяет и необычную работу бетона и железобетона на изгиб. Из-за относительной слабости растянутой зоны (а также из-за ее особой склонности к пластическим деформациям) прежде всего происходит ее пластификация: крайние, наиболее нагруженные слои начинают течь при фиксированном напряжении, а их примеру вынуждены последовать и внутренние слои. В конечном счете во всей растянутой зоне устанавливаются почти постоянные напряжения, а их диаграмма из треугольника превращается в почти правильный прямоугольник. Поэтому аналогичные напряжения сжатия значительно ниже возможностей бетона, вследствие чего в сжатой зоне пластификация почти не проявляется. Диаграмма напряжений сохраняет линейную, треугольную форму, в силе (с известными оговорками) закон Гука.

При увеличении изгибающего момента разрушение наступает со стороны растянутой зоны — она растрескивается, и элемент ломается. Однако, если вся растягивающая сила будет восприниматься сталью (что имеет место в железобетоне), элемент, несмотря на исключение растянутой зоны собственно бетона, сохраняет способность сопротивляться изгибу; более того, эта способность проявляется в своих истинных размерах. В конечном счете начинает наконец пластифицироваться и сжатая зона. Это происходит с того момента, когда диаграмма напряжений сильно приближается к форме прямоугольника.

Помимо прочности на растяжение и сжатие бетон обладает также прочностью на изгиб, срез, смятие и истирание. Каковы силовые воздействия, такова и прочность бетона. В отличие от древесины у бетона эти характеристики одинаковы во всех направлениях. Их величина определяется в лабораторных условиях после испытания большого числа образцов. Однако неоднородная структура бетона оказывает сильное влияние на устойчивость этих характеристик. Разные результаты получаются даже при испытании одинаковых образцов из бетона одного качества, одного возраста и одинаковых условий «дозревания».

Поэтому график на рис. 13 следует воспринимать как весьма условный. Он относится к некоему среднестатистическому образцу, которого реально вообще может не быть в серии. Примерно при восьмом опыте разрушение наступило при напряжении 170 кг/см^2,а при 88-м — при напряжении 110 кг/см^2. Варианты среднего значения приданной степени вероятной надежности даются с так называемым коэффициентом однородности. У сталей этот коэффициент близок к единице, тогда как у бетона его величина составляет 0,5—0,6, что тем не менее воспринимается чуть ли не с восторгом.

Точно такое же запутанное положение и с деформациями. Средняя деформация разрушения при сжатии (см. рис. 13) равна 0,2%. Но ведь деформации такого порядка у стали и дерева являются рабочими, конструктивно целесообразными! Следовательно, в отличие от этих двух материалов, которые с деформационной точки зрения реализуют 50—60% своих возможностей, бетон может работать в элементах и конструкциях в пределах всей своей рабочей диаграммы без опасности чрезмерных деформаций и провисания. Поэтому из бетона можно «выжать» все, на что он способен (разумеется, в рамках регламентированной степени надежности).

В результате экспериментов установлено, что независимо от скорости нагрузки конечные деформации в бетоне остаются одинаковыми. Просто при быстром увеличении и последующем сохранении нагрузки создается возможность сравнительно независимого проявления сначала упругих, а затем пластических деформаций (см. рис. 14), тогда как при плавном, постепенном нагружении материала два вида деформаций (упругие и пластические) проявляются одновременно, и рабочая диаграмма представляет собой сильно изогнутую кривую (см. рис. 13). Однако в обоих случаях разрушение происходит при предельной деформации сжатия, которая в среднем составляет 0,2%. При нагрузке на растяжение предельная деформация приблизительно равна 0,02%, да и то лишь у бетона достаточно высокой марки. Если теперь мы разделим одну из приведенных величин на другую, то получим роковое отношение 1:10 в пользу сжатия.

Основной прочностью бетона считается так называемая кубиковая прочность. Согласно стандартам НРБ, образцами для испытания бетона служат бетонные кубики со стороной 20 см, выдержанные при температуре 15—20°С и влажности воздуха около 60%. Образцы испытываются на сжатие на 28-й день после изготовления. Полученная прочность определяет так называемую марку бетона. Стандартными марками обычного тяжелого бетона, согласно нормам НРБ, являются: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600. Например, бетон марки 200—это бетон, стандартные кубики которого при испытаниях обнаружили среднюю прочность 200 кг/см^2.

При проектировании марка бетона выбирается в зависимости от характера конструкции и технико-экономических условий. Для чисто бетонных элементов и конструкций (основания, фундаменты, подпорные стенки и т. д.) чаще всего используется бетон марок 150—200, для обычных железобетонных конструкций — 150—200, реже 300, а для предварительно напряженных конструкций — 400 и выше.

В заключение разговора о бетоне еще раз подчеркнем, что его главное достоинство — высокая прочность на сжатие, а основной недостаток — низкое сопротивление растяжению. Но, как мы убедимся позже, эта «болезнь» излечима, поскольку в наши дни в строительстве наиболее широко применяется не обычный, а армированный бетон, т. е. железобетон. И если часто бетон, армированный сталью, называют материалом XX в., это не преувеличение, так как именно из железобетона строится основная часть всех зданий и сооружений на нашей планете. В замыслах, проектах и реализованных конструкциях он приобретает формы, которые невозможны при использовании любого другого материала, — формы, которых не знает ни природа, ни история. Подобно тому как дети лепят из пластилина самые необычные фигурки, инженер-строитель «лепит» из этого замечательного материала свои конструкции, воплощает свои новые идеи, реализует в нем свои концепции. В этом таинственном процессе сложнейшим образом переплетаются соображения красоты и надежности, рациональности и технической целесообразности. Здесь человек должен быть одновременно скульптором, физиком и инженером. Разве неприятно облекать свои идеи в подходящий пластичный материал, который быстро превращается в прочный монолит? Этот процесс более чем приятен — он восхитителен.

ЭСКАЛАЦИЯ РАЗМЕРОВ И ИДЕЙ

ГАЛОПОМ ЧЕРЕЗ ГОДЫ

18 мая 1975 г. в геометрическом центре Польши был смонтирован последний элемент самого высокого сооружения нашего времени — 646-метровой мачты национальной радиостанции в Константинуве, в 100 км от Варшавы. А осенью следующего года телеграфные агентства сообщили, что в Японии сдан в эксплуатацию самый большой висячий мост в мире. Его центральный пролет длиной около 2,5 км действительно является самым большим расстоянием, которое «преодолел» человек. Эти два события представляют собой предел — разумеется, временный — внушительной эскалации размеров в строительстве, который наиболее ярко отражает мощь современной техники.

Грубо говоря, строители-конструкторы с глубокой древности до наших дней стремились, с одной стороны, перекрыть без промежуточных опор как можно большее расстояние (или, как сказали бы специалисты, пролет), а с другой стороны, достичь как можно большей высоты зданий и сооружений. Эти два стремления обусловлены вовсе не соображениями установить своеобразный рекорд или выразить таким способом уникальность строящегося объекта, как может показаться на первый взгляд. Они отражают требования целесообразности, функциональности и экономии материалов или земельных участков, а в конечном счете — экономии средств.

Воспользуемся примером промышленного строительства. Многие виды производств и технологических процессов нуждаются в обширных площадях, свободных от каких бы то ни было колонн, на которые опиралась бы конструкция перекрытия. Это необходимо для свободного развертывания технологических линий, для нормальной работы машин, механизмов и отдельных производственных узлов. В связи с этим конструкции перекрытий должны иметь пролеты длиной от 9—12 до 24, 36 м и более, а пространство, ограниченное четырьмя соседними колоннами, должно обеспечивать свободную площадь порядка 500 и даже 1000 м^2. Примерно такова площадь десяти больших квартир… с той лишь разницей, что квартиры предельно насыщены перегородками, ограждающими наружными стенами, несущими железобетонными стенами, а часто и колоннами.

Подобные, хотя и не такие острые, конструктивные проблемы возникают и при возведении некоторых общественных зданий — магазинов, университетов, больниц, административных и научных учреждений, где современные эксплуатационные концепции предполагают наличие свободных пространств размерами приблизительно 8x8, 10x10 или 12x12 м. Но, без сомнения, наиболее остро эти проблемы встают при строительстве таких специальных зданий и сооружений, как ангары, выставочные и зрительные залы, крытые стадионы. В этих сооружениях, по вполне понятным соображениям, крайне нежелательны, а часто и вообще должны быть исключены какие бы то ни было промежуточные опоры, хотя бы даже в виде стройных колонн. В этих случаях огромное свободное пространство должна перекрывать специальная несущая конструкция, которая в течение всего срока эксплуатации будет находиться в состоянии острого, хотя и невидимого конфликта с силами внешнего воздействия, и ни на одно мгновение нагрузки не должны взять над нею верх…

Это, без сомнения, наиболее яркая область инженерного творчества, и те, кто «расписывается» под подобным проектом, всегда принадлежат к технической элите своего времени. Но, так же как и в искусстве, элита в технике малочисленна. Путь к вершинам конструкторского искусства не гладок; от «кандидата в знаменитости» требуется много таланта, трудолюбия и самоотдачи. Но, в отличие от искусства, здесь требуется и мужество. Если гениальный музыкант рискует лишь разочаровать публику, то гениальный конструктор при подобных обстоятельствах рискует быть физически уничтоженным. При таком положении вещей хороший инженер-конструктор должен быть достаточно смел духом, чтобы взять на себя большую моральную и материальную ответственность, с которой связано его творчество.

Самые большие пролеты делаются у мостов. Стремление к большей величине пролетов здесь продиктовано не функциональными соображениями, поскольку водителю транспортного средства все равно, на скольких опорах покоится полотно моста, по которому он едет. Ведущими в данном случае оказываются технические, технологические, а также экономические требования. Например, трехкилометровый пролив невозможно преодолеть сразу, одним пролетом. Даже если он достаточно глубок и устройство промежуточных опор является очень сложным делом, данный случай выйдет за пределы нынешних технических возможностей человека и, несмотря ни на что, промежуточные опоры будут возведены. Но для глубоких проливов и ущелий меньшей ширины предпочтительно преодолевать препятствие «на одном дыхании» — с помощью однопролетной несущей конструкции и двух береговых устоев. В этом случае сооружению заведомо предстоит многие десятки лет бороться с гравитацией самым головокружительным образом.

Если считать наибольшую величину пролета своеобразным показателем технических возможностей данного времени и галопом промчаться по последнему тысячелетию, можно заметить устойчивую тенденцию, представленную ниже на ряде примеров.

437 г. до н. э. Построен Акрополь. Каменные архитравы по его фасаду преодолевают 6-метровые расстояния между опорами.

104 г. до н. э. Мост Трояна на р. Дунай с рядом пролетов по 35 м. Конструкция моста выполнена из дерева.

1779 г. В Швейцарии братья Губерманы построили самый большой для того времени деревянный мост арочной конструкции с пролетом 119 м.

1883 г. Началось строительство висячего моста над заливом Ферт-оф-Форт (Великобритания) с пролетом 142 м.

Несколькими годами позже сдан в эксплуатацию Бруклинский висячий мост в Нью-Йорке с пролетом шириной в полкилометра. Материал, из которого выполнены конструкции двух последних мостов, — естественно, сталь. В это время в области строительства общественных и производственных зданий происходят следующие события.

1873 г., Вена. Ротонда перекрыта куполом, имеющим диаметр 105 м. Площадь, перекрытия куполом, равна 8700 м^2.

Чикаго. Мировое достижение 1893 г. — конструкция зала для мануфактурных товаров представляет собой стальную арку с пролетом 112 м.

Гамбург, 1913 г. Построен ангар арочной конструкции с пролетом 220 м.

А теперь снова перенесемся в область мостового строительства, где устанавливаются очередные «абсолютные рекорды».

548 м — такова ширина центрального пролета самого большого стального моста, построенного в 1917 г. на р. Св. Лаврентия близ Квебека (Канада).

1937 г. Завершено строительство висячего моста над проливом Золотые Ворота близ Сан-Франциско (США). Его центральный пролет имеет ширину 1276 м! (Пролет в 1 км уже был преодолен несколькими годами раньше при строительстве моста Джорджа Вашингтона между островом Манхеттен и штатом Нью-Джерси.)

В 1966 г. «победителем» в неофициальных состязаниях стал висячий мост Верозано на р. Веруози в Нью-Йорке. Центральный пролет равен 1300 м. С этого момента соперничать один с другим в части размеров пролетов могут уже только висячие мосты.

В 1976 г. первенство захватил висячий мост, сооруженный в Японии.

Создается впечатление, что все эти своеобразные рекорды нашего времени достигнуты на базе такого материала, как сталь. Железобетонное строительство не вступает в борьбу за абсолютные рекорды, оно хорошо знает свое место — ведь оно наиболее массовое, наиболее предпочитаемое, — хотя некоторые его формы успешно конкурируют со сталью при средней и даже достаточно большой величине пролетов.

Подобным образом обстоит дело и с высотой строительства. Рекламные спекуляции и псевдопатриотическая шумиха, создаваемая средствами массовой информации в капиталистических странах, нисколько не умаляет инженерной ценности и значимости конкретных сооружений. И в этой области ведущим мотивом является целесообразность, хотя она и затенена особенностями, характерными для конкретных социально-экономических условий.

Начнем с небоскребов. Первый из них был построен в 1885 г. в Чикаго. Семью годами позже завершено строительство 21-этажного небоскреба, призванного возвести округ Колумбия в ранг мировых рекордсменов. Эскалация высоты продолжена в Нью-Йорке: в 1894 г. в Манхеттене возник 104-метровый, а через 8 лет — 150-метровый гигант. В 1932 г. было завершено строительство здания «Эмпайр стейтс билдинг», которое благодаря своей высоте в 381 м стало мировым рекордсменом на долгие годы. В настоящее время самыми высокими зданиями в мире являются здания-близнецы Всемирного торгового центра в Нью-Йорке. Высота этих 110-этажных зданий равна 405 м.

Здания в последнее время растут вверх, и этот процесс вряд ли прекратится в ближайшие несколько веков, поскольку численность человечества стремительно увеличивается, а свободные территории для отдыха и регенерации земной атмосферы катастрофически сокращаются. Но впечатляющая этажность перечисленных небоскребов продиктована особыми обстоятельствами: чрезвычайно высокими ценами на городские участки в капиталистических странах и спекуляцией этими участками. Владелец участка стремится «выжать» из него все, что можно, а это как раз и достигается путем строительства зданий головокружительной высоты. И если небоскребы в инженерном отношении являются блестящими образцами технической мощи человечества, в социальном аспекте их можно считать злокачественными образованиями в организме городской агломерации.

Высота заводских труб обусловливается теплотехническими и экологическими обстоятельствами. С одной стороны, должна создаваться хорошая тяга, а с другой стороны, вредные дымы и газы следует отводить на такую высоту, чтобы они рассеивались в атмосфере, не представляя угрозы для людей. Одной из самых высоких труб в мире является труба болгарской ТЭЦ «Марица-исток 3», высота которой 325 м.

Высота телевизионных башен непосредственно продиктована требованием прямой видимости на как можно большей территории. В 50—60-х годах начали возникать одна за другой все более высокие телевизионные башни: Роттердам — 110 м, Лондон — 188 м, Штутгарт — 213 м, Гамбург и Дортмунд — по 217 м, Мюнхен — 290 м. Берлинская телевизионная башня высотой 361 м впервые побила рекорд Старого света, в течение восьми десятилетий принадлежавший известному сооружению Гюстава Эйфеля. Японцы увековечили визитную карточку Парижа в … Токио, сделав ее в семь раз легче. Вслед за этим они установили свой собственный рекорд, построив массивную радиотелебашню высотой почти в полкилометра. Однако этот рекорд побила Московская телевизионная башня в Останкине. Ее 500-метровый железобетонный монолит до сих пор остается мировым рекордсменом в «тяжелой категории» телебашен.

Высота радиомачт — другого вида высотных сооружений — обусловлена длиной основной несущей волны транслируемых программ. Это «легкая категория» сооружений башенного типа: их ажурная металлическая конструкция, лишенная балласта в виде студий, вращающихся ресторанов и других развлекательных заведений, оказывающая слабое давление на основание, придерживается мощными стальными растяжками, которые «запрещены» для «настоящих» башен. Поэтому и высота радиомачт несколько больше. До последнего времени самой высокой была радиомачта, находящаяся в Кейп-Джераро (штат Миссури, США), достигающая высоты 535 м.

Мы кратко рассказали о «верхней границе» инженерных поисков последних лет. Она отражает если не наиболее характерные, то, во всяком случае, потенциальные возможности нынешних инженерно-теоретических знаний, строительных материалов и строительной технологии. Однако гораздо более интересен средний уровень строительства, где наиболее остро сталкиваются противоречивые стремления к надежности и экономичности, к ускорению темпов работ и высокому качеству, к эстетическому эффекту и типизации. В этом остром конфликте рождаются самые разнообразные инженерные решения, воплощаемые в конструкциях, различных по виду, назначению и величине. Одни требования перевешивают в ущерб другим (ведь идеальных решений не бывает!), каждая новая конструктивная форма находит однократное или многократное массовое приложение, превалирует над старыми формами или, наоборот, не оправдывает надежд. Богат, сложен и многообразен спектр современных инженерных концепций в области строительства.

Таково положение сегодня, во второй половине XX в. Оно — результат долгого и мучительного опыта, восторгов и разочарований, успехов и неудач; это результат пути, начало которого уходит в глубь тысячелетий…

«ЕСЛИ ДОМОВЛАДЕЛЕЦ ПОГИБНЕТ, СТРОИТЕЛЬ БУДЕТ КАЗНЕН»

Археологические раскопки в области Этеменан на территории древнего Вавилона раскрыли основание огромного сооружения, которое многие историки считают прототипом библейской Вавилонской башни. Значительные размеры в плане и толщина стен подкрепляют подобное мнение. Большое впечатление производит строительный материал, из которого выполнено это внушительное для своего времени сооружение, — необожженный кирпич. Для нас ясно, что его судьба была предрешена, что оно просто не могло не разрушиться под действием огромного собственного веса и при активном влиянии дождей и ветров. Неизвестна точная высота, вершины которой достигли древние строители, но при таком ненадежном материале вряд ли она была особенно большой. Вавилонская башня была первым известным случаем драматического конфликта между стремлениями человека и его ограниченными техническими возможностями.

Древний человек не был ни трусливым, ни глупым. Большинство цивилизаций — от крито-микенской до позднеримской — обладали достаточными знаниями и опытом, которые позволяли им успешно бороться с капризами природы, отстаивать свое право на существование в скромных географических рамках внутри огромного, таинственного и негостеприимного мира. Древние люди владели огнем, делали керамику, плавили металл, пересекали моря и даже океаны на маленьких деревянных суденышках, движимых силой ветра или их собственными силами, пользовались плугами, весами, нивелирами, отвесами, угломерами, циркулями, пилами, клещами, топорами, сверлами, ножницами. Они строили сооружения, которые и сегодня удивляют нас своими масштабами и прочностью. Некоторые из них, несомненно, замечательны и с эстетической точки зрения. Но … если мы рассмотрим их с современных технических позиций, они могут удивить нас только своей наивностью, полным пренебрежением многими основными законами механики и элементарными строительными правилами.

Прекрасные арки древнеримских виадуков свидетельствуют не столько об изощренном эстетическом вкусе, сколько о весьма ограниченных занятиях. При тех же технических возможностях, но при наличии известного инженерно-теоретического аппарата можно было достичь гораздо большего. Так, например, римляне не знали наиболее рациональных линий сводчатого покрытия и придерживались самой простой геометрической формы — округлой. Римские строители, несомненно, располагали неплохой информацией о качественной стороне невидимого конфликта между нагрузкой и конструкцией, но о количественной его стороне не знали почти ничего. В противном случае их арки не имели бы столь малых размеров. Кому нужно было строить водопроводы, рассчитанные на тысячелетия службы? Тот факт, что множество римских акведуков сохранилось до наших дней, говорит только о чудовищном превышении необходимых размеров, связанном с огромным перерасходом человеческого труда и строительных материалов.

Более того, древние римляне не были знакомы с основными положениями гидравлики. Они считали, что если водопровод не связывает источника с потребителем посредством определенного постоянного уклона (по Витрувию, около 1:100), то вода независимо от естественного напора не потечет. Все долины и овраги, испещренные трассами их водопроводов, все естественные неровности местности преодолевались самым сложным и трудоемким образом — с помощью акведуков. Именно незнание было оплачено строительством сотен тысяч акведуков, некоторые из которых были двух- и трехъярусными. И при всем этом мы, вместо того чтобы возмущаться, восхищаемся ими.

Дерево, камень, сырой или обожженный кирпич — вот единственные строительные материалы человечества в течение многих тысячелетий и даже еще 150—200 лет назад. О внешнем виде и формах самых первых сооружений мы можем только гадать: почти наверняка они были из мягкого и легко обрабатываемого даже каменными орудиями дерева, почему и не сохранились до наших дней. Только камень является устойчивым свидетельством первых серьезных опытов человека как строителя.

Вероятно, наиболее древними сооружениями, сохранившимися до наших дней, являются погребальные постройки людей каменного века — долмены. Их название происходит от бретонских слов «дол» — стол и «мен» — камень. Они представляют собой четырехугольник из грубых монолитных каменных стен, покрытых цельной плитой. И сегодня вызывает удивление, как могли быть смонтированы покрывающие их плиты массой 17 т, которые к тому же точно уложены в уступы, сделанные в верхнем крае стен.

Одно из древнейших сохранившихся сооружений (назначение которого пока неясно) — кромлех у города Солсбери в Англии. Его название происходит от бретонских слов «кром» — круг и «лех» — камень. Огромные 7—8-метровые каменные столбы вкопаны в землю так, что образуется правильный круг диаметром в несколько десятков метров. На столбы по всему периметру круга уложены продолговатые каменные блоки, прочно соединенные со столбами с помощью выдолбленных в камне желобов и шипов. С инженерной точки зрения можно отметить, что эти «балки» перекрывают пролет около 3 м при высоте элемента, приблизительно равной 1/2 пролета. Однако гораздо более впечатляюще другое: как были принесены, подняты и смонтированы эти многотонные громады при примитивной технике древних?

Всякий народ и всякая цивилизация строили из того материала, которым они располагали. Применение каждого из трех строительных материалов не было связано с каким-либо определенным уровнем технического развития; решающее значение имели в основном географические условия. Для японцев, например, в течение многих веков практически существовало только дерево, а для китайцев — дерево и кирпич. Арабы пользовались исключительно кирпичом, сначала сырым, а затем и обожженным, тогда как древние индусы одинаково успешно включали в свой строительный арсенал все три материала. В Египте дерево было роскошью. Произростающие там пальмы и тростники не годились для строительных целей, а залежи камня находились очень далеко. Многие века основным строительным материалом египтян была глина, из которой изготовлялся необожженный кирпич. Во время строительства в качестве раствора использовали сырую глину, а дерево весьма экономно употребляли только для усиления глиняных стен. Конструктивные формы, насколько можно о них говорить, были элементарными: несущие стены и плоское или слегка наклонное покрытие. Своды были еще неизвестны.

Пресловутые пирамиды (все же со временем и ценой неимоверных усилий египтяне добрались до камня), которыми мы вроде бы должны восхищаться, с конструктивной точки зрения крайне неинтересны. Массивное тело пирамиды не оставляет места для проблем устойчивости, прочности и деформаций. Из немногих возможностей камня используется лишь приблизительно 1/100. Ничего особенно примечательного нет и в соединении деталей этих построек. Без всяких угрызений совести можно сказать, что строительные проблемы в древнем Египте имели чисто технологический характер.

Гораздо более интересно, с нашей, несколько необычной точки зрения, обстояло дело в междуречье Тигра и Евфрата. Месопотамия, колыбель нескольких исключительных цивилизаций, представляет собой единую платформу из насосных отложений без всяких следов камня. У ассирийцев, вавилонян и шумеров не было другого выбора — в их распоряжении был только кирпич. В качестве раствора использовалась глина или асфальт. Покрытия были легкими, из дерева; в этих местах впервые встречается и кирпичный свод.

Геологическая предопределенность наложила особый отпечаток на фундаменты больших зданий и дворцов Месопотамии. Слабая несущая способность почвы требовала большой площади для передачи нагрузки и точного учета возможного оседания грунта. Дворец в Хорсабаде (построенный в 722—705 гг. до н.э.) покоился на прообразе нынешней фундаментной плиты, имевшей толщину 14 м! Огромный фундамент был выполнен из сырого кирпича.

Здесь же, но уже во времена вавилонской цивилизации начали строить первые сооружения башенного типа (зиккураты) культового назначения. Среди них найдена мифическая башня, с которой мы начали свой рассказ. Она является первым документированным (хотя и в библии) случаем строительной катастрофы. Впрочем, рост конструктивизма в строительстве древности при его эмпиричности и интуитивности был, вероятно, оплачен ценой многих строительных катастроф. Об этом недвусмысленно говорит дошедший до нас кодекс законов вавилонского царя Хаммурапи, который среди всего прочего затрагивает и этот деликатный вопрос:

«§ 229. Если строитель построит для кого-нибудь дом и случится так, что его создание будет недостаточно прочно и упадет, и если при этом погибнет домовладелец, то строитель должен быть казнен.

§ 230 если погибнет ребенок домовладельца, ребенок строителя должен быть убит.

§ 231 если погибнет раб домовладельца, строитель должен возместить потерю».

С методологической точки зрения в строительстве древних народов замечательно то, что в их сооружениях отсутствует конструкция в чистом виде. Необходимость перекрывать определенные пространства проводила к столкновению строителей с невидимыми силами гравитации, с необходимостью специальных мер для ее преодоления. Появились балочные перекрытия и деревянные балочные ростверки (Греция), своды и купола (Восток). Но они одновременно выполняли и ограждающую, и несущую функцию — точно так же, как и стены здания. В принципе о конструкции в нынешнем смысле можно говорить тогда, когда данный элемент или группа взаимосвязанных элементов используется исключительно как несущая система. Если мы будем отталкиваться от этого, вероятно, неполного определения и поищем «что-нибудь», отвечающее ему, то непременно придем к колонне.

Первым исключительно несущим элементом в составе здания была колонна, появившаяся еще во время крито-микенской цивилизации. Мы абстрагируемся от ее эстетических функций: не обращаем внимания на то, что она рождена не целесообразным стремлением к освобождению внутреннего пространства, а суетным стремлением к яркости и богатству фасада. Для нас важно одно: когда-то, в глубине тысячелетий, в недрах таинственной крито-микенской культуры, человек впервые обратился к элементу, который ничего не ограждает, а только несет. С инженерной точки зрения колонна предназначена исключительно для восприятия и передачи на основание определенной вертикальной нагрузки.

Греческие храмы представляют собой замечательные образцы не только древней архитектуры, но и древнего строительного искусства. Типичный греческий храм — это прямоугольное помещение с легким покрытием, окруженное помпезной колоннадой, обычно по всему периметру здания. В доклассический период греки строили из сырого или обожженного кирпича и грубо обработанного камня, но в последующую эпоху почти исключительно из камня. Это были такие твердые породы камня, как мрамор, который к тому же не терпит соединения с помощью раствора, что вынуждало тогдашних строителей очень точно его обрабатывать, поскольку иначе опирание происходило бы в отдельных точках и возникала бы опасность растрескивания блоков.

Но Греция находится в опасной сейсмической зоне, и древние строители хорошо понимали это. Они соединяли отдельные блоки металлическими скобами, спаянными с камнем с помощью олова.

Небольшие колонны были монолитными, а более крупные состояли из нескольких каменных элементов, связанных изнутри металлическими прутьями. Для этого в камне выдалбливались глубокие отверстия, в местах стыков требовалось их точное совпадение (одно против другого). Усиление оказывалось полностью скрытым, так что даже трудно было заметить швы. На смену сравнительно простым в архитектурном и конструктивном отношении дорическим колоннам пришли значительно более стройные коринфские и ионические, в которых благодаря хорошему интуитивному пониманию строителями внутренних сил и их траекторий полнее использовался материал. Эти колонны уже имели базу, которая способствовала более равномерному распределению нагрузки на основание.

На колонны укладывались архитравы (в конструктивном отношении — монолитные каменные балки), с помощью которых преодолевались определенные расстояния между опорами. У Парфенона они достигают 2,5 м, а у других древнегреческих построек в афинском Акрополе — 6 м. Такой значительный для простой каменной балки пролет архитектор Мнесикл (437 г. до н. э.) обеспечил благодаря своеобразному армированию: в нижнем крае балки в специально выдолбленных желобах укладывались металлические прутья, которые заливались расплавленным оловом. Насколько все это было эффективно — другой вопрос, но факт остается фактом: древний строитель имел представление об изгибе, о растягиваемой и сжимаемой зонах и усомнился в прочности камня на растяжение. При архитравах с большими пролетами прибегали к составным балкам, которые ставились одна на другую и работали независимо одна от другой. Верхние балки были шире нижних, и таким образом оформлялась основа карниза.

Древние греки не знали или не признавали свода. Римляне же возвели его чуть ли не в культ. Мосты, акведуки, бани, дворцы, базилики — кирпичные и каменные арки и своды были наиболее распространенной конструктивной формой на территории Рима. Сначала римское строительное искусство было компилятивным и базировалось главным образом на греческой основе. Но, как можно видеть, оно включало и нечто новое и даже оригинальное, например массивные кирпичные стены. В качестве связующего вещества использовался более надежный известковый раствор. Между двумя независимо одна от другой возводимыми стенами насыпался балласт, связанный известковым раствором; при достаточно большой высоте оба слоя стены соединялись кирпичными диафрагмами. Такой несложный тип строительства, в отличие от точно обработанных и отшлифованных камней древних греков, превратил римское строительство в массовое. Ни одна древняя цивилизация не знала таких огромных масштабов строительства, таких крупных, долговечных и дешевых сооружений. Во времена императора Константина, например, в одном только Риме насчитывалось 1800 дворцов, 11 общественных бань, 10 базилик, 36 триумфальных арок, множество храмов, амфитеатров и больших частных домов.

Одно из наиболее замечательных каменных сооружений древности — храм Юпитера в городе Гелиополисе (Малая Азия). Таких храмов не было даже в самом Риме. При площади застройки 7000 м^2 (равной футбольному полю) по периметру были установлены 62 колонны высотой до 20 м. Фундаментом служил огромный искусственный массив из камня, выполненный в незапамятные времена анонимным автором (знаменитая Баалбекская терраса). В северо-западном углу фундамента уложены три каменных блока по 850 т. Это самые тяжелые каменные блоки, применявшиеся когда-либо в истории человечества.

РАЗВИТИЕ «ЯСНОВИДЕНИЯ» В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Древние строители были лишены одного очень важного оружия — научных знаний. Если бы они владели хотя бы самыми основами строительной механики, им было бы достаточно четырех действий арифметики, чтобы точно знать, выдержат ли балки приложенную нагрузку, выдержат ли стены тяжесть свода, а свод — свою собственную тяжесть. Но древние строители были далеки от самых простых истин механики. Это оплачивалось дорогой, очень дорогой ценой.

История не сохранила свидетельств о неудачах — о катастрофах дворцов, обрушивании башен, разрушении мостов. Но мы можем быть уверены, что такие события не были редкостью. Катастрофы практически оказывались единственной возможностью проверить границы несущей способности и устойчивости сооружения.

Но, разумеется, от острого ума древних народов не укрылись некоторые закономерности природы; присутствовало и стремление к широким обобщениям на базе скромного и одностороннего опыта. Человеческое сознание уже было способно оперировать такими абстрактными понятиями, как «длина», «сила», «отношение». Постепенно в разных местах и в разное время начали возникать научные центры, пытавшиеся интерпретировать накопленный до этого момента опыт в виде теорий создававшихся чисто умозрительно. Одной их наиболее известных научных школ древности была Афинская школа Аристотеля, а также ее прямой наследник — Александрийская. Именно там создавался прообраз инженерной науки — науки, которая ставит своей целью практическую пользу, решение жизненно важных задач.

Это яркое и нетипичное для своего времени явление связано с деятельностью великого ученого древности Архимеда. Разумеется, это преувеличение; до него было много людей с богатым техническим опытом и тонкой интуицией, построивших много замечательных сооружений. Однако Архимед был первым ученым, применившим результаты своих научных исследований на практике.

Значителен его вклад в механику, который почти полностью относится к строительному делу: основы статики и гидростатики, теория центра тяжести; Архимед точно определил понятие «момент силы», ввел понятие «относительный вес». Условие равновесия рычага, в отличие от расплывчатой формулировки Аристотеля, было дано им в точном и ясном математическом виде.

Следующий яркий всплеск человеческого технического гения произошел многими веками позже — после падения Римской империи и нашествия варваров, где-то на закате мрачного средневековья, речь идет об универсальном гении Леонардо да Винчи.

Едва ли какая-либо другая крупная фигура того времени так полно и концентрированно воплощала в себе дух эпохи Возрождения. Леонардо — это великий художник, крупный скульптор, замечательный архитектор, мудрый философ, прозорливый ученый, изобретательный техник; в нем удивительным образом сочетались математический ум и пространственное воображение, дальновидность и сила воли. В многочисленных его трудах можно найти прототипы самолета с машущими крыльями, вертолета, парашюта, велосипеда, различных машин и даже военной техники.

Леонардо — ученый с современными представлениями. «В науке не может быть никакой достоверности, — писал он, — если отсутствует почва для приложения математики. Всякая практика должна опираться на теорию. Наука — полководец, а практика — воин». И далее: «Мудрость — дочка опыта. Опыт непогрешим; грешат наши суждения, которые ожидают от опыта то, что находится вне его власти».

Многие из нынешних инженерных наук уходят своими корнями в труды Леонардо. Мы могли бы назвать его и первым инженером-строителем. Многое свидетельствует о том, что он размышлял над вопросом: почему одни сооружения прочны, надежны и стоят веками, а другие при тех же условиях очень быстро разрушаются? Ответы, которые он себе давал, тоже были современными: во-первых, необходимо целесообразное и хорошо продуманное конструктивное решение и, во-вторых, необходимо знать, какие силы действуют в самой конструкции и какова несущая способность ее элементов. Но как это узнать? До этого момента никто и никогда не ставил вопроса так правильно и так необычно для того времени. И соответственно, не было никакой основы, на которую можно было бы опереться, кроме основ статики, сформулированных еще Александрийской школой. Леонардо да Винчи был первым человеком. который использовал скромные достижения тогдашней статики для определения усилий, возникающих в отдельных элементах конструкции. Более того, он был первым человеком, который провел натурные испытания конструктивных элементов с целью определения их несущей способности.

Известны его опыты с металлическими нитями, исписывавшимися на растяжение. Хотя он и был далек от выводов Роберта Гука, но с помощью своей достаточно сложной опытной установки смог определить несущие возможности тел разного сечения и длины, а также место и характер их разрушения. Позднее он провел серию опытов с деревянными балками, подвергавшимися нагрузке на изгиб при разных типах опирания (свободно лежащими на двух опорах и с жесткой заделкой с одной стороны). А вот вывод, который мы находим в его рукописях: «Если балка длиной в два локтя выдерживает сто фунтов, то балка длиной в один локоть — двести фунтов. Насколько короче балка, настолько большую нагрузку она может выдержать».

Леонардо путем опытов смог дойти до истины, что несущая способность балок обратно пропорциональна их длине и прямо пропорциональна ширине сечения. От его внимания ускользнула зависимость между высотой сечения и несущей способностью элемента, которая была открыта несколько веков спустя.

Великий художник исследовал и несущую способность колонн. Он, установил, что она прямо пропорциональна сечению колонны (что совершенно верно) и обратно пропорциональна длине (достаточно приблизительно). Так или иначе, он руководил строительством с истинно научных позиций, и можно себе представить, какое сильное впечатление производило на невежественных современников его строительное «ясновидение».

К сожалению, после его смерти многие его труды и открытия долгое время оставались неизвестными, а некоторые были безвозвратно потеряны. «Инженеры» следующих веков определяли размеры элементов, как это делали древние римляне, — по интуиции, «на глазок», так что аварии и катастрофы продолжали оставаться неизменным спутником строительной практики. Люди учились на своем горьком опыте, даже не подозревая, какую большую помощь им может оказать наука.

Первым исследователем, чьи труды не были утеряны, уничтожены или забыты, а наоборот, стали общепризнанными, многократно повторяемыми, проверяемыми и уточняемыми, является Гилилео Галилей.

После перипетий со святой инквизицией и «добровольного» отречения от своей космогонической теории он был вынужден уединиться в деревеньке Арчетри близ Флоренции. Там он посвятил свой деятельный дух давно задуманному (и далеко не безопасному) фундаментальному труду по физике, математике и механике. По важности идей и ценности выводов эта книга имеет не меньшее значение, чем его астрономический труд.

Галилей был глубоко убежден, что «книга природы еще будет написана… на языке математики; её буквами будут треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без которых человек не поймет языка этой книги, а будет блуждать в темном лабиринте природы». Кроме того, Галилей очень правильно понимал и роль эксперимента, считая, что он должен быть хорошо продуманным и спланированным, явление должно изучаться в чистом виде, без нарушающих факторов, и может интерпретироваться математически. Следуя по этому пути, великий итальянец дошел до некоторых основных истин механики, неизвестных в то время. Современники называли его всевидящим, что можно рассматривать как неофициальное признание его прозорливости.

Он начал с опытов на осевое растяжение, сначала на металлических нитях, а затем на деревянных балках. Введя понятие «абсолютное сопротивление» (по нынешней терминологии — несущая способность при осевом растяжении), Галилей доказал, что оно зависит не от длины элемента, а от площади его сечения, притом прямо пропорционально. Следующие опыты были на изгиб балок. Опытными телами были призматические деревянные балки, опирающиеся на массивную стену. И тут его острый глаз заметил то, что ускользнуло от внимания Леонардо. «Всякая пластинка или призма, — писал Галилей, — ширина которой больше толщины, оказывает наибольшее сопротивление изгибу тогда, когда она поставлена на ребро, а не когда лежит плоско. При этом сопротивление будет настолько больше, насколько ширина больше толщины».

Хотя математическая трактовка этих наблюдений была не совсем верной, Галилей все же сделал еще один шаг до пути познания. Он доказал, что геометрически подобные балки обладают разной прочностью, что балки меньшего размера всегда отличаются большей несущей способностью. На этом основании он позволил себе сделать более общее заключение: размеры всех живых и мертвых объектов в природе имеют некий верхний предел, поэтому, например, мухи не бывают такими, как слоны, а слоны такими, как горы. Материалы — кости животных, древесина растений — имеют некие предельные несущие возможности, которые не могут быть превышены. Величина объекта обусловлена усилиями и напряжениями, которые может выдержать его скелет, а также деформациями, которые не должны быть платой за функционирование организма или целостность объекта. Приблизительно так звучат фундаментальные выводы о живой и мертвой природе, сделанные с подчеркнуто инженерных позиций около пяти веков назад.

А после этого… После этого было открытие Гука — новый ключ к объяснению природы твердых тел. Оказалось, что они упруги, упорно сопротивляются внешним воздействиям и обладают особенностями поведения, которые придают индивидуальный облик конструкции, образуемой этими телами. Несколько позже известный французский ученый Мариотт самостоятельно разобрался в сущности закона и даже использовал его в вычислениях, связанных со строительством нового водопровода Версальского дворца. Более того, он заметил, что изгиб — это своеобразный симбиоз растяжения и сжатия: мысленно выделенные слои, параллельные оси элемента, укорачиваются или удлиняются, т.е. работают на растяжение или на сжатие.

В 1776 г. Кулон смог дать метод определения нейтрального слоя в элементе, работающем на изгиб, — слоя, который разделяет зоны растяжения и сжатия и в котором напряжения и деформации равны нулю. Он первым зарегистрировал и наличие необратимых пластических деформаций в реальных твердых телах. Он также первым разработал метод определения напряжений и деформаций в цилиндрическом стержне, подвергающемся сравнительно редкому в строительной практике воздействию — скручиванию.

Требования времени обусловили стремительное развитие науки. В конце ХVIII — начале XIX в. произошел настоящий бум в этой застойной области человеческих знаний. Качественно новой основой ее бурного развития стало дифференциальное и интегральное исчисление — эта природосообразная форма абстрактной мыслительной деятельности. Капитализм начал набирать скорость. Его молодая интенсивная экономика нуждалась в дорогах, мостах, машинах и больших фабричных зданиях. Нужны были новые знания, новые умения, новая фундаментальная база для категорического утверждения этого нового и на первых порах прогрессивного общественно-экономического строя. Именно эти требования времени обусловили такое почти взрывоподобное развитие научной мысли.

Гук, Мариотт, Бернулли, Кулон, Лагранж, Пуассон, Клапейрон, Максвелл, Эйлер — вот имена, которые все мы хорошо знаем еще со школьной скамьи. Мы знаем об их большом вкладе в развитие физики и почти ничего о том, что они были механиками — инженерами-строителями. А ведь в большой степени это было именно так. Надежность зданий и сооружений была одним из главных мотивов в научной жизни их бурного времени.

1807 г. знаменателен в истории строительной науки. В первый раз был сделан качественный скачок от относительных величин, которыми в основном оперировали до этого, к абсолютным, характеризующим работу реальных материалов. Английский исследователь Юнг экспериментальным путем определил модуль упругости для различных материалов. Благодаря этому таинственное число, которое как множитель присутствует в законе Гука, наконец лишилось анонимности и приобрело точное значение, а словесная формулировка Роберта Гука стала математической формулой. Так «одним махом» была наполовину обеспечена вычислительная база тогдашнего инженера, скромного в своих требованиях. Теперь он мог выполнять некоторые несложные на вид, но важные расчеты, связанные с прочностью и деформациями конструкций. Так, например, при известных (скажем, вычисленных) напряжениях в данной точке несущего элемента путем одного лишь умножения можно получить соответствующие деформации. И наоборот, если каким-либо образом (например, с помощью измерения) сначала определены деформации, то путем простого деления на волшебное число Е выводятся соответствующие напряжения. Подобные вычисления мы можем производить и сами для некоторых элементарных конструкций, которые нас окружают, — например для веревок качелей. Но самое важное и интересное еще не это. Закон Гука благодаря его математической формулировке лег в основу многих важных инженерных теорий и является как бы столбом, на котором держится почти весь инженерно-теоретический аппарат.

В 1820 г. француз Навье полностью исследовал поведение прямой балки при изгибе и на основе всех известных в то время теоретических и экспериментальных данных вывел общие уравнения равновесия упругого твердого тела. Круг замкнулся — теперь налицо были все фундаментальные знания, которые положили начало развитию новой науки, которая называется «сопротивление материалов».

Закон Гука, формула Юнга и общие уравнения Навье — вот основа сопромата. Сопротивление материалов — это единственная наука, которая почти век назад взялась ответить на издавна волнующий человека вопрос: «Упадет или не упадет?» Это наука, позволяющая «предсказать», какими должны быть размеры конструктивных элементов, чтобы обеспечивалась достаточная несущая способность и приемлемые деформации при минимальном расходе материала. В сущности, эта наука дала пищу для воображения крупнейшим математикам минувшего столетия, подвинув математику на несколько шагов вперед. Сопромат (вернее его «благородный» спутник — теория упругости) стал проблемным импульсом для Лагранжа, Коши, Адамара, Грийна, Ламе, Лейбница, Гаусса и многих других математиков прошлого. А в наши дни многочисленные отрасли строительной механики являются своеобразным «банком» идей для некоторых направлений современной математики.

«ПОЛОЖЕНИЕ ОТНЮДЬ НЕ КАТАСТРОФИЧЕСКОЕ …»

Но вернемся опять в прошлое, точнее — в недалекое прошлое. Во второй половине дня 29 августа 1907 г. разразилась одна из самых драматичных в истории техники и единственная в своем роде строительная катастрофа. Действие происходит в Канаде, в 14 км юго-западнее Квебека.

Двумя годами раньше в этом месте началось строительство одного из крупнейших мостов нашего времени. При общей длине около 1 км мощная стальная конструкция моста несла «на своих плечах» два железнодорожных пути, две трамвайные линии, два шоссейных полотна и два тротуара. Мост строился по проекту железнодорожной компании, финансировавшей строительство. Разработка рабочих чертежей и монтаж стальных конструкций были возложены на одну фирму, а устройство оснований и опор — на другую. Все контракты были уже заключены, когда по совету главного консультанта, американского инженера Купера, центральный пролет моста был увеличен с 488 до 549 м. Благодаря этому уменьшалась глубина заложения фундаментов и стоимость опор, а пролет становился рекордным.

О величине сооружения красноречиво говорит даже то, что у береговых опор высота конструкции достигала 96 м, а диаметр соединительных болтов равнялся 60 см! Оригинальность технологии возведения огромного центрального пролета состояла в следующем: сначала от обоих берегов навстречу одна другой монтировались мощные фермы-консоли, а затем на них водружалась 195-метровая центральная ферма, которая в готовом виде доставлялась по реке на баржах. При таком методе монтажа две консольные части соединялись в общую систему без промежуточных опор, преодолевая широкое русло реки.

Летом 1907 г. южная половина моста была уже готова; усиленно монтировалась консоль центрального пролета. На фермах находилось два крана: один массой 1100 т, а другой — 250 т. Однако в начале августа рабочие заметили, что стальные листы, из которых состоял наиболее мощный (сжатый) нижний пояс, обнаруживают признаки потери прочности. По этому поводу между строительной и финансирующей фирмами завязалась переписка. Возникли взаимные претензии монтажной организации и завода—изготовителя стальных конструкций.

За девять дней до катастрофы инспектор железнодорожной компании установил наличие сильного изгиба еще в трех панелях постепенно наращиваемой консольной части, но на его предупреждение не обратили достаточно серьезного внимания. На состоявшемся 27 августа совещании положение было охарактеризовано как «серьезное, но не угрожающее». В тот же день крановщик получил распоряжение выдвинуть вперед еще одну секцию и ускорить монтаж. Строительный сезон и без того приближался к концу, и никому не хотелось прекращать его преждевременно. Однако все же было принято решение сообщить о странном положении главному консультанту.

Инженер Купер был одной из ведущих фигур в мостостроении тех лет. Специалист с многолетним опытом практической деятельности и безупречной международной репутацией, он владел всеми тонкостями своей профессии, и его советы воспринимались как закон. Однако, будучи в преклонном возрасте, он постоянно болел и за все время строительства ни разу не посетил объект.

На следующий день среди рабочих началось брожение, но, несмотря ни на что, работа продолжалась. 29 августа пришла долгожданная телеграмма из Нью-Йорка. «Положение отнюдь не катастрофическое», — бодро извещала она.

На следующий день, за четверть часа до окончания рабочего дня, произошла одна из самых крупных катастроф в истории техники. С громоподобным треском рухнули девять тысяч тонн стальных конструкций вместе с кранами и рабочими: за считанные секунды огромный мост превратился в кучу жалких обломков. Из 86 человек, работавших в это время на мосту, в живых остались лишь 11. Большая часть обломков погрузилась на глубину до 42 м. Чтобы очистить речное дно, понадобилось два года напряженного труда.

Для выяснения всех обстоятельств катастрофы была назначена правительственная комиссия. Мы не будем распространяться ни о работе комиссии, ни о причинах столь грандиозной катастрофы. Как обычно в таких случаях, причин было значительно больше, чем одна или две. Заслуживает внимания другое — этому мосту не «везло» с самого начала. Его злоключения не кончились описанными событиями. Девятью годами позже при не менее драматических обстоятельствах и на глазах у гораздо большего числа очевидцев с ним произошла новая катастрофа. После этого мост на р. Св. Лаврентия близ Квебека стал беспрецедентным случаем строительных катастроф в истории техники.

Но вернемся к теме нашего разговора. Человечество еще не имело опыта в строительстве столь масштабных сооружений, Инженерно-теоретический аппарат того времени хотя и стал значительно сильнее, чем во времена Навье и Кулона, все же был еще не совсем полным и содержал существенные пробелы, которые зачастую оказывались решающими.

Вообще говоря, конструкторское мышление всегда развивалось быстрее, чем инженерно-теоретический аппарат. Строительная механика рождена строительной практикой, и чтобы она могла разработать теоретический аппарат для расчета объекта, последний должен быть уже построен. Как теоретическая наука прямой практической ориентации, она черпает жизненные соки из нужд конструктивных идей и реализованных объектов строительства. Например, никогда бы не появилась теория тонкостенных пространственных конструкций, если бы не были созданы пионерные образцы, убедительно доказывающие свою конструктивную и технико-экономическую целесообразность.

К сожалению, в недалеком прошлом (и даже в наши дни) строительная механика не успевала угнаться за смелыми поисками практиков. Часто конструкторы почти вслепую работали на «территории», которую предстояло завоевать лишь в будущем. При таком положении вещей только аварии и катастрофы были основными индикаторами пробелов в инженерных знаниях. Однако мы вовсе не оправдываем грубых ошибок, допущенных на «освоенной земле». Мы хотим лишь подчеркнуть тесную связь и взаимозависимость между теорией и практикой, которая в строительстве проявляется значительно более отчетливо, чем в других инженерных специальностях.

Почему? Сложность в том, что здания и сооружения являются наиболее масштабными из инженерных творений человека. Здесь, как правило, нет и не может быть опытных образцов и экспериментальных серий; чаще всего объекты сами по себе уникальны. Следовательно, отсутствует тот этап инженерного творчества, когда своевременно могут быть выявлены и устранены недостатки решения, слабости проекта, вообще все то, что на чертежном столе заметить и предсказать нельзя.

Здания и сооружения, гак сказать, «по условиям игры» должны отвечать сложному комплексу требований, которые к ним предъявляются. Отсюда вытекает необходимость в очень точной системе методов «передвижения» всего: нагрузок, эксплуатационных условий, самых различных экстремальных состояний, которых в данный момент может и не быть, размеров отдельных несущих элементов и связей между ними, обеспечивающих достаточную надежность при минимальных затратах материала, труда и вообще средств. Ясно, что аппарат строительного «ясновидения» может быть в основном теоретическим.

Воспользуемся примером авиации. Каждый новый двигатель для выяснения его моторесурса испытывается на специальных стендах чуть ли не до полного выхода из строя. Излишне производить сложные теоретические расчеты, когда можно быстрее и проще получить более точные результаты путем непосредственных испытаний, даже если затраты при этом будут несколько больше. Каждая опытная модель самолета многократно «облетывается» пилотами-испытателями, и путем непосредственных измерений устанавливается величина всех характеристик — нагрузок, напряжений и деформаций, которые до этого были определены теоретически. Если возникает необходимость, в конструкцию вносятся изменения, соответствующие реальным условиям, реальным параметрам и пусть более тяжелому, но реальному режиму работы.

В строительстве такие «удобства» отсутствуют. Да вряд ли они и могут быть. Никто не может позволить себе построить 30-этажное здание в качестве опытной модели для генеральной репетиции «настоящего» строительства, для наблюдения за тем, как оно будет вести себя во время ураганного ветра или землетрясения. Все должно быть предусмотрено в проектной мастерской.

Разумеется, весьма ценен опыт наблюдения за уже построенными зданиями и сооружениями подобного типа. Анализ типичного, закономерного служит как бы основой для последующего проектирования конструкций данного рода при близких условиях работы. С другой стороны, ценная информация о многих явлениях и процессах в сложных сооружениях может быть получена путем исследования моделей и макетов. Но, поскольку полного подобия во всем достичь невозможно, такие исследования не могут решить основных проблем строительства.

Вопрос еще более усложняется в связи с одной сильной тенденцией современности — стремлением к экономичному строительству. В прошлом, когда не существовало еще теоретического аппарата строительного «ясновидения», люди строили безумно расточительным образом. Сохранившиеся до наших дней памятники древнего строительства замечательны не только своим архитектурным обликом, но и характером разрешения конфликта между конструкцией и нагрузкой: только чудовищный перерасход материала и человеческого труда обеспечивал их многовековую прочность и непоколебимость.

Подобного строительства сейчас — при его массовых масштабах — не может себе позволить ни одно государство. Да это и не нужно: морально и функционально здания устаревают очень быстро. Выход — в минимальных затратах на строительство зданий и сооружений при степени надежности, приемлемой как с моральной, так и с экономической точки зрения. Но именно это балансирование «на краю пропасти» требует особо точного теоретического аппарата.

Поскольку результаты строительства обусловлены такими факторами, как расходы материалов, затраты труда, сроки сооружения, объем капиталовложений и т. д., решение вопроса «каким будет здание?» (или сооружение) является неоднозначным, вернее, решений может быть много. В этой деликатной области мировая практика представлена тремя школами — советской, европейской и американской.

Советская конструктивная школа комплексно рассматривает все факторы, влияющие на конечный продукт строительства. Решения оптимизируются по обобщенным показателям и, по-видимому, учитывают характерные особенности планового хозяйства социалистического общества на данном этапе его развития в общегосударственном масштабе.

Позиция европейской конструктивной школы может быть приемлема как одно из возможных решений задачи, условием которой является минимальный расход материала. Каждое сооружение рассматривается чуть ли не как уникальное, и путем тщательных расчетов от него «отсекается» каждый лишний килограмм, благодаря чему конструкция получается максимально легкой. Конструктивные решения американской школы ориентированы на условие минимальных затрат человеческого труда с учетом килограммов сооружения. Очевидно, что в различных случаях немалое значение имеют и основные социально-экономические особенности стран, обусловленные их общественным строем. Очевидно и то, что планомерность и гуманность социалистической системы не может не оказать благотворного влияния на конструктивные решения и их реализацию.

Конструкторы середины минувшего столетия имели в своем арсенале только науку о сопротивлении материалов. Она позволяла им определять с достаточной для того времени точностью напряжения и деформации в элементах линейного, балочного и стержневого типа, т. е. в элементах (или конструкциях), у которых один размер (длина) намного больше двух других. Однако в практике строительства начали появляться и плоскостные (пространственные) конструктивные формы, такие, как плиты, своды, оболочки, а также сложные пространственные конструкции, состоящие из линейных элементов. Все они выходили за рамки области, на которую распространялся радиус действия такого «дальнобойного оружия», как сопромат.

Это вызвало необходимость выделения и обособления специальной науки, которая называется «строительная статика». Ее задача заключается в разработке методов определения усилий и деформаций в конструкциях всех видов. Параллельно с ней развивается методологический фундамент строительной механики — теория упругости. Это «тяжелая артиллерия» механики, законы которой периодически «простреливают» ее прикладные области, чтобы скорректировать их результаты; в сущности, она дает наиболее общие решения, распространяющиеся и на самые сложные реальные конструкции.

Но, как мы уже знаем, в действительности строительные материалы не являются ни идеально упругими, ни изотропными. Поэтому постепенно выделились научные направления, изучающие работу упругопластичных тел при различных силовых воздействиях и в составе различных конструктивных форм. Более того, в последние десятилетия теория «взяла в работу» и фактор времени. Зависимость напряжений и деформаций от времени для нас уже не тайна; она не была тайной для специалистов и сорок лет назад. Однако гораздо труднее было создать механико-математические модели явлений, которые еще не были достаточно хорошо изучены. Математической интерпретацией таких явлений в строительных материалах и конструкциях занимается специализированная отрасль науки.

Но оказалось, что в ряде случаев постулаты статики бессильны. У многих конструкций напряженные и деформационные состояния могут быть крайне неустойчивыми и взрывообразно изменять свой характер; проще говоря, конструкция становится аварийной, даже разрушается. Проблемы механической устойчивости решаются наукой об устойчивости конструкций. Величины критических нагрузок и напряжений, определенные с помощью методов этой науки, позволяют избежать наиболее драматическую форму невидимого конфликта. Ведь именно потеря устойчивости была главной причиной внезапной катастрофы моста на р. Св. Лаврентия в Канаде.

Важное место в арсенале методов нынешнего конструктора занимает строительная динамика, которая занимается изучением напряженных и деформационных состояний, возникающих под действием динамических нагрузок. Как мы видели, большая часть силовых воздействий имеет подчеркнуто динамический характер, но только во второй половине XX в. средства «предвидения» их эффекта количественно и качественно доросли до такого уровня, когда оказалось возможным объединить их в новую науку.

А геомеханика? Относительно поведения и свойств почвы, которая в течение многих лет должна носить на себе тысячетонный груз зданий и сооружений, тоже не все ясно. Более того, здесь гораздо больше тайн и ненадежности, чем в любой другой области, связанной со строительством. Разгадыванием этих тайн и поисками путей преодоления этой ненадежности как раз и занимается геомеханика.

Вот краткое описание «боевых соединений» современного инженера-полководца. И, как все настоящие соединения, они состоят из многочисленных частей и подразделений, многие из которых имеют специальное назначение и сами являются особыми науками. Роль теоретического аппарата в строительном проектировании огромна, но современные тенденции требуют от него все большей широты и точности. Поэтому если не все, то большинство направлений нынешней математики поставлено на службу строительной механике. Мы не удивим читателя тем, что строительная механика математизирована «с головы до пят». Она представляет собой арену, на которой современная математика показывает, на что она способна. Но на этой арене математика сама оказывается средством, с помощью которого инженер проникает в таинственный мир невидимого конфликта подобного тому, как с помощью скальпеля хирург проникает в табу человеческого организма. Средство, без сомнения, — вещь важная, и слава специалистам, которые создают такие чудесные «скальпели». Однако если рука, которая держит скальпель, дрогнет и пациент умрет на операционном столе, виновным считается только сам хирург. Специалист по скальпелям за это ответственности не несет.

Едва ли есть необходимость говорить, что это в полной мере относится и к строительству. Ответственности в обычном смысле слова математик не несет: если его решение неверно, катастрофы не произойдет. Но подобная ошибка, допущенная инженером-строителем, может привести и к катастрофе. Инженер как бы оживляет сухую математику и превращает в нечто конкретное и полезное. Истина одна: огромная моральная и материальная ответственность всецело ложится на плечи конструктора, и никто не должен мешать ему держать «скальпель» так, как он считает нужным.

И все же главным в строительстве остается выбор, даже открытие рациональных форм несущих конструкций. Формообразование является тем исключительным процессом, который сочетает в неизвестных пропорциях образно-интуитивное творчество художника или скульптора с конкретным аппаратом точных наук. Этот процесс требует пространственного воображения и абстрактного мышления, логического ума и эмоциональности, развитого конструктивного чутья, определенной интуиции и очень много опыта. А так как наши предшественники имели и хорошее чутье, и интуицию, и строительный опыт, многие из нынешних конструктивных форм уходят своими корнями в далекое прошлое. Но многие из конструктивных форм нашего времени появились в связи с возникновением новых материалов, новых технологий и новых, гораздо более строгих требований. Идеи некоторых из них — сознательно или бессознательно — заимствованы у мудрой и рациональной природы. Но идеи других являются концентрированным выражением неуловимых процессов инженерного мышления человека.

КОНСТРУКТИВНАЯ ФОРМА № 1

Самой простой, распространенной (и самой старой) конструктивной формой является балка. Это, без сомнения, наиболее доступный способ перекрыть определенные расстояния между опорами, а в большинстве случаев — и самый функциональный. Так или иначе, но все конструкции перекрытия — плоские, все конструкции кровли — плоские или почти плоские, путевое полотно мостов — тоже плоское. Логично, что несущая система тоже будет развиваться плоскостно, чтобы излишне не усложнять дело.

Авторы этой конструктивной формы неизвестны. Если в этом случае вообще говорить об авторстве, то следует обратиться к далекой доисторической эпохе и предположить, что первые анонимные реализации этой идеи имели вид необработанных древесных стволов. Следующей ступенью были отесанные с четырех сторон бревна, которые в таком виде дошли до наших дней и до сих пор применяются во временных сооружениях для перекрытия пролетов до 6—7 м. Этот явный атавизм мирно уживается с вершинами в развитии балочных конструкций, одну из которых представляет, например, стальной балочный мост на р. Саве в Белграде. Длина его центрального пролета 260 м!

В огромном диапазоне размеров, которые характеризуют эти два столь разных по масштабам явления, фигурируют сотни и тысячи современных решений, имеющих свой облик и специфику, свое назначение и возможности, свое место в жизни. На облик всякой конструктивной формы, и в частности на балочную конструкцию, большое влияние оказывают три фактора: материал, назначение и метод строительства. А так как число возможных комбинаций практически необозримо, не стоит удивляться бесчисленному множеству решений, в которых основным элементом оказывается балка. Формообразование — это исключительно сложный процесс, который предполагает высокое развитие как абстрактного мышления математика, так и образно-пространственного мышления художника. Параллельно приходится решать десятки проблем самого различного характера — конструктивные, статические, технологические. Балка может представляться простой только дилетанту. На самом же деле, если бы требовалось создать обобщающий символ строительных конструктивных форм, первым претендентом могла бы быть «добрая старая» балка. Она словно существует вне времени. Однако нынешний отрезок ее бытия характеризуется переплетением всех проблем и тенденций мирового строительства.

Но прежде чем рассматривать разнообразнейшие формы элементов этого типа, мы обязательно должны познакомиться с некоторыми особенностями работы балки. Двумя основными рычагами, с помощью которых конструктор может в известных целесообразных пределах регулировать эту работу, являются тип опирания и вид поперечного сечения.

Начнем с типа опирания. Об изгибе, этой наиболее острой форме проявления конфликта между нагрузкой и конструкцией, мы уже говорили, но касались лишь эффекта изгиба в одном конкретном сечении балки. Однако гораздо большее значение имеет то, как распределяются изгибающие моменты по длине балки, т. е. какова их величина не только в одном, а во всех сечениях на всем протяжении элемента. А распределение это в наибольшей степени зависит как раз от типа опирания. На рис. 16 показаны диаграммы изгибающих моментов при пяти разных типах опирания и равномерном распределении нагрузки по всей длине балки. По этим примерам можно видеть, какие значительные различия можно наблюдать в работе балок. Сохраняется прежнее правило — диаграмма чертится со стороны растягиваемого слоя. Это можно проверить путем сравнения с деформированной линией балки или, как сказали бы специалисты, с линией упругости.

Рис. 16. Диаграммы (или эпюры) изгибающих моментов в балках при различных типах опирания

Итак, при одной и той же нагрузке и при одном и том же пролете балок в первых четырех (основных) случаях опирания картина совершенно различна. Крайнее сечение так называемой консольной балки, жестко заделанной с одной стороны, просто «испускает последний вздох» — на него действует изгибающий момент такой огромной величины, какая только возможна в случае балок. И наоборот, с приближением к другому, свободному концу балки сечение резко разгружается до такой степени, что моменты становятся равными нулю (на самом краю консоли). Для балки с постоянным поперечным сечением это может означать, что вложенный материал используется крайне неполноценно. В полную силу своих возможностей работает только материал в сечении, которое находится в месте заделки.

Подобная односторонняя реакция (растяжению здесь подвергаются лишь нижние слои, тогда как в консоли — верхние) наблюдается и у балки, свободно опертой с двух сторон. Однако здесь максимальная величина изгибающего момента, которая на этот раз регистрируется в середине элемента, в четыре раза меньше, чем в консольной балке.

Значительно эффективнее распределяются моменты в двух других случаях: когда балка с одной стороны жестко закреплена, а с другой свободно опирается или когда жестко закреплены оба ее конца. В отличие от случая свободного опирания (второй пример) диаграмма более равномерно распределяется по длине балки, величина моментов значительно меньше, так как в одних сечениях растяжению подвергаются нижние, а в других — верхние слои. Материал здесь используется более полноценно: наблюдается меньшее провисание. При таких условиях опирания сокращается расход материала, а следовательно, решение более экономично.

Но не следует думать, что последние два случая опирания балок самые распространенные. К сожалению, использование того или другого типа опирания связано с большими или меньшими, а часто и непреодолимыми трудностями. Свободное опирание (самый архаичный его тип) остается самым распространенным вариантом, хотя балки в этом случае работают и не самым эффективным образом. Обусловлено это простотой такого типа опирания. Для сборного строительства (из дерева, стали или железобетона) этот тип опирания обеспечивает минимальные затраты труда и средств при выполнении соединений. А ведь именно соединения при таком роде строительства являются одним из самых уязвимых мест. В то же время трудно представить себе конструкцию, которая гарантировала бы полное и абсолютно жесткое закрепление элемента хотя бы с одной стороны. Относительная гибкость элементов и неизбежное ослабление отдельных узлов ограничивают такую возможность. Поэтому на практике в различных видах конструкций перекрытия и крыши чаще всего встречается частичное закрепление балок. В ограниченных пределах это приводит к перераспределению моментов и обеспечивает тот положительный эффект, о котором мы упоминали. Таким случаем являются все жесткие рамные узлы железобетонных конструкций.

На первый взгляд, закрепление балки с одной стороны (консоль) кажется абсолютно абсурдным типом опирания. Однако часто это единственно возможное решение (например, в случае различных козырьков, эркеров и балконов), а иногда даже и целесообразное. Следует отметить, что консоль лежит в основе и некоторых весьма эффективных мостовых конструкций с большими пролетами. Самым большим консольным мостом до сих пор остается мост на р. Св. Лаврентия близ Квебека, о котором мы уже рассказывали и который все же был наконец построен. Его центральная ферма с двух сторон свободно опирается на две береговые консоли, каждая из которых имеет длину 177 м.

Когда преодолеваемый пролет очень велик и есть возможность возведения промежуточных опор (и это выгодно), они возводятся. Получается конструкция, статическая схема которой чаще всего выглядит так, как показано на рис. 16 (неразрезная балка). По схеме видно, что такая форма опирания весьма целесообразна: максимальные моменты относительно малы (по сравнению со свободно опертой балкой), так как они распределены по всей оси балки. Условия сборного строительства требуют расчленения такой непрерывной балки на отдельные элементы соответствующего веса и габаритов в целях обеспечения возможности их транспортировки и монтажа. Это расчленение совершенно логично осуществляется в так называемых нулевых точках, где изгибающие моменты изменяют знак, т. е. становятся равными нулю. Если при этом монтажные соединения являются не жесткими, а шарнирными (что значительно проще), получаются различные несущие системы. Чаще всего такие системы применяются в мостостроении, но иногда используются и в качестве второстепенных элементов в конструкциях покрытий (деревянных и стальных).

Рассмотренные статические схемы являются весьма идеализированным подобием реальных условий работы простейших балочных конструкций. В действительности же они работают при гораздо более сложных условиях опирания и самых разнообразных комбинациях нагрузок — подвижных и неподвижных, статических и динамических, сосредоточенных и распределенных. Цель статического исследования состоит в том, чтобы на идеализированной схеме, максимально приближенной к реальности, установить максимальную величину усилий для достаточно большого числа балки.

А теперь несколько слов о реальных балках. Следует помнить, что изгибающий момент и связанные с ним нормальные напряжения далеко не единственный результат воздействия нагрузки на балку. В этом мы можем убедиться, вернувшись к рис. 12. Представленная там модель сослужила нам хорошую службу при рассмотрении эффекта, возникающего при изгибе. Однако если внимательно вглядеться в рисунок, можно заметить, что здесь не все в порядке. Балка, состоящая из отдельных, не связанных между собой слоев, существовать не может. Она будет деформироваться, «срезаться» таким образом, как это показано на рис. 17, и в конечном счете разрушится. Очевидно, при воздействии внешней нагрузки наблюдается еще какой-то «срезающий» эффект. Проделаем небольшой опыт. Если перекинуть через канаву две доски, положенные одна на другую, и встать на этот импровизированный «мостик», можно заметить, что доски работают независимо одна от другой: в плоскости соприкосновения одна скользит по другой. Явно возникают силы взаимного скольжения и поскольку сдерживающие силы (силы трения) меньше, происходит смещение. В целостной, монолитной балке подобное взаимное скольжение слоев ограничивается, так как частицы материала сильно связаны между собой. А как мы уже знаем, любое препятствие на пути деформаций ведет к возникновению внутренних сил и напряжений, в данном случае напряжений сдвига.

Рис. 17. Проблема далеко не исчерпывается изгибом. Почти всегда он сопровождается поперечными силами, которые вызывают тангенциальные напряжения (в плоскости сечения). Эффект здесь как бы сдвоен: стремление к "перерезанию" элемента и стремлению к расслоению, сдвигу отдельных его слоев

Итак, тайна раскрыта: возникают тангенциальные напряжения, которые действуют одновременно и в вертикальном, и в горизонтальном направлении. Именно этим объясняется их двойственная роль — стремление к срезу и стремление к смещению отдельных слоев (см. рис. 17).

На этом рисунке показана диаграмма поперечных сил, которые служат основной причиной описанных явлений в свободно опертой балке при равномерно распределенной нагрузке. Физически их можно интерпретировать как соответствующую часть вертикальной нагрузки, которая «переносится» через данное сечение. Очевидно, что у опор эта часть является наибольшей и равна реакции опор — в конечном счете там сходится вся внешняя нагрузка. Сечение в середине балки не нагружено поперечной силой, поскольку нагрузка передается влево и вправо от него в направлении опор.- Однако именно в этом месте изгибающий момент имеет наибольшую величину.

По высоте сечения поперечная сила распределяется по параболическому закону; поэтому напряжения, которые действуют в плоскости сечения, в отличие от нормальных напряжений, называются тангенциальными. Они достигают максимальной величины там, где нормальные напряжения изгиба равны нулю. В таком случае взаимное смещение слоев балки будет различным: максимальным в средних слоях и постепенно уменьшающимся в направлении верхних и нижних. На рис. 17 показана сдвигающая сила в середине балки для линейной единицы ее длины.

Однако здесь есть одна тонкость. Одновременное действие нормального и тангенциального напряжений в данной точке выражается их равнодействующей, которая называется главным напряжением. В сущности, это не совсем так. В каждой точке объема балки существуют два взаимно перпендикулярных направления, которые подвергаются соответственно чистому растяжению и чистому сжатию. Величина этих главных нормальных напряжений значительно больше, и иногда именно они определяют облик и судьбу конструкций. Но нахождение рассматриваемых главных напряжений — совсем не легкая работа, а нахождение точек, где величина напряжений наибольшая, — еще труднее. Причем для каждого материала «ведущим» является определенный вид напряжения, и поэтому детальное исследование стальной балки достаточно сильно отличается от детального исследования, например, предварительно напряженной железобетонной балки. Все это очень сложно … и вряд ли стоит залезать в дебри, где порой с трудом ориентируются даже сами специалисты.

Есть два способа, с помощью которых конструктор может регулировать работу балки в целесообразных пределах, — выбор типа опирания (о котором мы уже говорили) и выбор типа поперечного сечения. Рассмотрим второй из них.

Первая балка, использованная человеком, вероятно, представляла собой круглый ствол срубленного дерева. Круг может быть рациональным во многих отношениях, но для элемента, работающего на изгиб, эта форма сечения нерациональна. Сопротивление круга приблизительно на 12% меньше, чем у квадрата такой же площади. На столько же будет тяжелее круглая балка из-за своей нерациональной формы.

Рис. 18. При одном и том же расходе материала более целесообразные формы поперечного сечения обладают гораздо большим сопротивлением изгибу

Балка прямоугольного сечения, поставленная на ребро, обладает еще большей несущей способностью, что заметил еще Галилей. Вообще цель конструктора — размещение как можно большей массы над и под центром тяжести сечения. На рис. 18 приводится сопоставление так называемых «моментов сопротивления» (измеряемых в см^3) для различных сечений одной и той же площади, т. е. эквивалентных по расходу материала. Как можно видеть, с растягиванием сечения по высоте его сопротивление резко возрастает, достигая наибольшей величины в случае некоторых прокатных стальных профилей.

Это не значит, что прямоугольное сечение применяется редко. Трудность в том, что форма сечения определяется рядом обстоятельств. Кроме конструктивных, технологических, эстетических и функциональных соображений большое значение имеет и вид материала. Для всех монолитных и даже для некоторых сборных железобетонных конструкций прямоугольная форма наиболее желательна, поскольку она обусловливает самую легкую и простую опалубку. По вполне понятным причинам лесоматериалы тоже имеют вид элементов прямоугольного сечения (доски, рейки, бруски и т. д.).

В случае применения стали прямоугольное сечение является исключением. Для такого дорогого, тяжелого и технологического материала прямоугольная форма элемента, подвергающегося нагрузке на изгиб, была бы невероятным расточительством, не говоря уже об излишнем утяжелении конструкции. Поэтому основной формой стальных элементов являются различные сложные профили, обеспечивающие наибольший эффект их работы в конструкции.

Прямоугольное сечение составляет исключение независимо от материала в случаях, когда речь идет о преодолении пролетов большой величины. В этих случаях собственный вес имеет решающее значение и потому должен быть сведен к минимуму. В железобетонных конструкциях для этого приходится идти на неизбежные компромиссы с опалубкой, чтобы получить хоть и не такие стройные, как стальные, но все же достаточно эффективные тавровые или двутавровые сечения. С деревянными конструкциями дело обстоит проще, поскольку из отдельных элементов прямоугольного сечения можно получить составные сечения более сложной, но более эффективной формы.

Составные деревянные балки бывают главным образом двух видов — на гвоздевых соединениях и клееные. В первом случае стенка выполняется из двух слоев досок, сколоченных между собой под углом 45° относительно оси балки, т. е. под углом 90° один к другому. К нижнему и верхнему краям стенки прибивают мощные пояса из балок. Клееные конструкции выполняют приблизительно таким же образом, только стенка состоит из листов фанеры, соединенных с помощью синтетических клеящих составов. У балок типа «стенка-пояс» отчетливо выражена дифференциация в восприятии нормальных и поперечных усилий.

Если тонкие и стройные стенки воспринимают главным образом поперечные усилия (тангенциальные напряжения), то мощные пояса, в которых сконцентрирована основная масса элемента и притом на значительном расстоянии от центра тяжести, воспринимают нормальные усилия изгиба.

Наиболее отчетливо эта система выступает в случае применения стальных составных балок. В связи с тонкостью стенки ее усиливают специальными ребрами жесткости. Такие ребра можно видеть также у составных деревянных балок и у некоторых тонкостенных балок из железобетона.

У железобетона стремление к «утонченности» сечений наиболее ярко выражено в предварительно напряженных элементах. Но за счет этого они перекрывают значительные расстояния между опорами — до 50—60 м при свободно опертых балках (чаще всего в мостостроении) и до 70—80 м при частично защемленных балках из монолитных рам. Профиль из предварительно напряженного железобетона по изяществу силуэта приближается к стальному прокату.

В случае материалов с ярко выраженными различиями между прочностью на сжатие и прочностью на растяжение форма поперечного сечения асимметрична — верхний и нижний пояса имеют разные размеры. Например, чисто бетонная балка (хотя вряд ли где-нибудь применяются такие балки) должна отличаться более сильным нижним поясом, подвергающимся нагрузке на растяжение, так как прочность бетона на растяжение в 10-20 раз меньше, чем на сжатие. У железобетонных балок положение противоположное. Благодаря стальной арматуре зона растяжения относительно сильная, следовательно, должна быть обеспечена равная прочность зоны сжатия, которая выполнена из гораздо более слабого бетона. Равная прочность достигается в этом случае только за счет увеличения сечения зоны сжатия.

А как обстоит дело с высотой сечения? С одной стороны, чем она больше, тем меньше нормальные напряжения изгиба и тем легче пояса балок. Однако, с другой стороны, чрезмерное увеличение высоты тоже приводит к перерасходу материала. Это объясняется тем, что сэкономленный материал поясов начинает вкладываться в стенку, ставшую неоправданно высокой. Нахождение оптимальной высоты — тоже работа не из легких. Но очень часто высота бывает обусловлена совсем не конструктивными соображениями. Так, например, в конструкциях перекрытия наблюдается стремление к минимальной высоте, поскольку большая часть строительного объема здания будет занята конструкцией, а не обитателями, что совершенно недопустимо, не говоря уже о дополнительных расходах, связанных с необходимостью обогревания зимой этого «мертвого», неиспользуемого объема. Во всех случаях высота балки (когда она не ограничивается никакими дополнительными обстоятельствами) определяется на основе технико-экономических условий, различных для разных типов и видов конструкций. Она может составлять от 1/7 до 1/12 пролета при деревянных и железобетонных балках и менее 1/20 при предварительно напряженном железобетоне и стали.

Одна из самых рациональных форм, отличающаяся высокой прочностью на изгиб и кручение, завоевывает в последние годы все большую популярность, особенно в мостостроении. Это закрытое коробчатое сечение. Такое сечение имеют, например, балки трех центральных пролетов Аспаруховского моста в Варне. Конструкция по статической схеме представляет собой непрерывную балку на четырех опорах. Коробчатое сечение балки, ширина которого равна ширине путевого полотна, образовано мощными стальными листами толщиной более 20 мм. В этом случае едва ли даже подходит слово «балка». Это сложная пространственная конструкция, для детального исследования которой необходим гораздо более точный аппарат, чем тот, которым располагает сопромат. Но этот вид конструкций уже выходит за рамки рассматриваемой нами темы.

ФЕРМЫ ВЧЕРА И СЕГОДНЯ

В последней четверти минувшего века произошел ряд крупных строительных катастроф с железнодорожными мостами. Первым инцидентом, который как бы дал старт всей веренице последующих событий, стала катастрофа, случившаяся 100 лет назад в США.

Декабрь 1878 г. в большинстве штатов Среднего Запада был суровым с непрекращающимися снежными бурями, наметавшими огромные сугробы и усложнившими и без того трудное сообщение с удаленными районами. 29 декабря движение на трансконтинентальной железнодорожной линии совсем разладилось. Поезда двигались очень медленно. Точно в 8 часов на мост через р. Эйстебл вблизи одноименного города выехал экспресс «Нью-Йорк — Сан-Франциско». Состав из 11 вагонов со скоростью 15—20 км/ч тянули два паровоза.

Когда до западного края моста оставалось не больше 10 м, машинист первого локомотива почувствовал, как что-то сильно тянет машину назад, и инстинктивно дернул рычаг регулятора пара. Машина устремилась вперед, быстро выехала на крайний устой моста, проехала еще 40—50 м и остановилась. Оглянувшись назад, машинист ужаснулся: не было ни второго паровоза, ни вагонов. Состав рухнул на дно каньона глубиной 20 м, где огонь быстро довершил дело. Вагоны отапливались обычными угольными печками, а почти вся отделка в них была из дерева. Из 158 пассажиров погибли 92, остальные были легко или тяжело ранены.

Для выяснения причин катастрофы была назначена специальная следственная комиссия. Судебное разбирательство продолжалось почти два месяца, пока наконец было вынесено документально подтвержденное заключение, что «при сегодняшнем неудовлетворительном состоянии теоретических и практических зданий в области строительства стальных мостов инженеры должны очень тщательно определять размеры и сечения элементов проектируемого сооружения».

И все же открылось множество конкретных причин самого различного характера. Прежде всего были выявлены серьезные конструктивные ошибки. Балки, которые входили в состав верхнего (сжатого) пояса, не были связаны между собой и работали независимо одна от другой, что резко снизило несущую способность сжимаемой зоны как целого. Приблизительно так же обстояло дело и со сжатыми стержнями решетки мостовой фермы.

У этого моста была «дурная слава». Когда за 11 лет до катастрофы завершилось его строительство и начали демонтироваться подпорные леса, конструкция стала угрожающе провисать. Стало ясно, что мост разрушается под действием собственной массы, и демонтаж лесов приостановили. Не предавая случившееся огласке, строители приступили к анализу причин аварийного состояния конструкции. Выявили погрешности как в проекте, так и в самом исполнении, которое было поручено неопытным лицам.

Когда в июле 1866 г. мост после усиления подвергся пробным испытаниям, на него было установлено не шесть паровозов, как полагалось в подобных случаях, а только три. После испытаний большая часть провисания не восстановилась — деформации остались необратимыми. Несмотря на это, компетентными лицами состояние моста было признано удовлетворительным и вскоре он был сдан в эксплуатацию.

Рис. 19. На заре технической цивилизации — ферма системы Гау-Журавского

Вся эта история — типичный пример того, к каким страшным последствиям может привести неудачный выбор конструктивной системы. Мост был выполнен по системе Гау-Журавского (рис. 19), созданной специально для нужд строительства из дерева и действительно хорошо учитывавшей особенности этого материала. Поэтому механическое перенесение этой конструктивной системы на «территорию» другого материла (в данном случае стали) закономерно привело к целой серии ошибок и недоработок.

Весь XIX в. и даже начало XX в. были годами революции в мировом строительстве, и в частности в мостостроении. Человечество постепенно расставалось с архаичными материалами — камнем и деревом, обращаясь к металлам как к более солидным материалам (сначала к чугуну, а затем к стали). Но переход от одних материалов к другим (с принципиально различными свойствами и возможностями) при инерционности мышления, отсутствии опыта и достаточного числа прецедентов был мучительно труден, а часто и трагичен. Появление новых конструктивных форм требовало времени, а между тем старые, уже известные формы надо было приспосабливать к специфике новых материалов. Но если у полностенных балочных конструкций такая адаптация происходила безболезненно, то у стержневых балочных конструкций (ферм) процесс протекал более драматично.

В принципе стержневые конструкции тоже не были чем-то новым. Как мы видели, они применялись еще в древнем Риме, позволяя преодолевать пролеты до 35 м (мост Трояна на Дунае). Разумеется, нынешние фермы мало походят на те, которые встречались в прошлом. Исключительное геометрическое и конструктивное разнообразие ферм, а также их несущие возможности делают применение этих несущих конструкций весьма желательным при пролетах средней величины и обязательным при больших пролетах.

Рис. 20. Разнообразие ферм исключительно велико. В их силуэте зашифровано много информации — о материале, о его назначении, о величине пролета, который перекрывается фермой

Начнем с разнообразия геометрических решений. Определенное, хотя и отнюдь не полное представление о нем дает рис. 20. Но поскольку геометрическая форма конструкций тесно связана с их статической работой и назначением, а также с видом материала, при рассмотрении геометрии ферм следует учитывать одновременно все эти аспекты.

На рис. 20, а мы видим самую естественную «стержневую модификацию» обычной полностенной балки. Это ферма с параллельными поясами. Восприятие внешних нагрузок подчеркнуто дифференцируется: изгибающий момент воспринимают пояса, причем в верхнем поясе возникают усилия сжатия, а в нижнем — усилия растяжения; соответственно поперечные силы (срез и сдвиг) воспринимаются диагональными и вертикальными стержнями (решеткой). С приближением к опорам усилия в поясах постепенно уменьшаются, а в решетке увеличиваются. Эти изменения точно повторяют картину диаграмм М и Q на рис. 16 и 17. Обычно по очертаниям решетки можно определить, из какого конкретного материала изготовлена ферма. Решетка на рис. 20, а с диагоналями (раскосами) , подвергающимися растяжению, и вертикалями (стойками) , подвергающимися сжатию, характерна главным образом для стальных конструкций, где растяжение всегда более желательно. Желательно оно потому, что не может привести к потере устойчивости в тонких стальных стержнях и не создает никаких проблем с соединением стержней в узлы. И наоборот, решетка на рис. 20, б (сжимаемые раскосы и растянутые стойки) почти точно «указывает» на присутствие дерева. Для деревянных ферм узловые соединения растягиваемых стержней в недалеком прошлом (и особенно при устройстве раскосов) были серьезной проблемой, в связи с чем здесь более желательно сжатие.

Что же касается железобетона, то его монолитные конструкции не представляют никакой проблемы с точки зрения соединений, а определенная массивность стержней снижает остроту проблемы устойчивости (в сравнении со сталью). Поэтому встречаются железобетонные фермы с самой различной формой решетки. На рис. 20, в показана типовая ферма, применяемая для пролетов длиной до 30 м (раскосы подвергаются растяжению). На рис. 20, г мы видим силуэт фермы со сжимаемыми раскосами (это нам подсказывает, что она может быть выполнена из железобетона) для пролетов длиной до 40 м, которая тоже выдержала конкурс на типовой проект.

Вообще можно сказать, что усилия в раскосах больше, чем в соседних стойках, соответственно больше и их длина. Поэтому в случае применения относительно массивных и менее прочных материалов, какими являются дерево и железобетон, предпочтительны системы со сжатыми раскосами и растягиваемыми стойками.

А это как раз и есть система Гау-Журавского. Ее даже можно назвать «конструкцией XIX века». Сначала она появилась в Германии, но затем русский инженер Журавский разработал теорию расчета этой системы, что способствовало ее исключительно широкому распространению. Ее «рождение» продиктовано стремлением «вместить» все диагонали в узлы путем простого стыкования. Но такое соединение может передавать только сжатие. Поэтому раскосы дублируются «крест-накрест». В определенный момент работает только одна из них. Когда нагрузка изменяется так, что усилие из сжимающего становится растягивающим, в работу включается ее противоположно ориентированный двойник, причем тоже на сжатие. Растянутые стойки (они всегда подвергаются растяжению!) выполняют из стальных стержней круглого сечения, которые завершаются резьбой и гайками. Эти гайки предварительно затягивают для устранения люфтов, главным образом от неплотного опирания. Впоследствии, когда древесина, ссыхаясь, сжимается, гайки снова периодически затягивают во избежание ослабления конструкции.

С помощью таких легких и жестких решетчатых балок, обладающих к тому же большой несущей способностью, в мостостроении преодолеваются пролеты длиной 20, 30 и даже 50 м. Но, как видим, в этой системе все подчинено материалу — дереву. Поэтому судьба моста на р. Эйстебл не вызывает удивления (пролет 37 м). Попытка заставить такой гораздо более прочный материал, как сталь, работать в конструкции, которая полностью рассчитана на специфику дерева, оказалась роковой.

Очень эффективно работают конструкции с параболическими или полигональными очертаниями верхнего пояса. Проблем при выполнении таких конструкций значительно больше, но в случае больших пролетов все сложности окупаются. Положительный эффект обусловлен тем, что очертания пояса повторяют очертания диаграммы моментов. В направлении опор моменты уменьшаются, но в соответствии с тем же законом уменьшается и плечо внутренней пары сил (растяжение — сжатие) в ферме. Другими словами, усилия в поясах постоянны или почти постоянны. Здесь мы имеем дело с эффектом свода, с которым мы познакомимся ближе несколько позже. Стержни решетки нагружены очень слабо, они легки и имеют предельно малое сечение.

Двускатные фермы по статической работе занимают промежуточное положение между фермами с параллельными и параболическими поясами. Но именно в этом случае следует подчеркнуть, насколько много факторов определяют очертания поясов. Это, в сущности, целый комплекс конструктивных, эстетических, функциональных, производственных и технико-экономических соображений. Так, например, фермы покрытия чаще всего имеют некоторый уклон, чтобы обеспечивался сток атмосферных осадков, причем при малых пролетах он односкатный, а при больших — двускатный. Если покрытие выполняется из материала типа черепицы, уклон должен быть больше (рис. 20, ж), а при современных гидроизоляционных покрытиях — значительно меньше (рис. 20, з—л) . С точки зрения монтажа предпочтительны фермы с пониженным центром тяжести (рис. 20, и). На общую конфигурацию ферм влияет и размер деталей, изготовленных в заводских условиях, и то, как они соединяются на строительной площадке. Для малых пролетов мостов выбирают фермы с параллельными поясами, но для больших пролетов (а также в связи с определенными эстетическими требованиями) необходимы более сложные и более рациональные формы.

Серьезной проблемой оказывается выбор расстояния между узлами фермы. Чем меньше узлов, тем лучше — без того большое их число и связанная с этим трудоемкость исполнения являются главным минусом этого рода конструкций. Но конструктивных узлов не должно быть и слишком мало, поскольку в межузловом пространстве может усиливаться локальный изгиб от воздействующих нагрузок. Поэтому у сборной железобетонной фермы для пролетов до 30 м, которая представлена на рис. 20, е, верхний пояс подпирается стойками, которые делят пополам расстояния между узлами. А на рис. 20, з показана ферма с пролетом 18 м, растягиваемый пояс которой усилен стойками с той же целью — чтобы уменьшить негативный эффект от локального изгиба под действием собственного веса. При больших пролетах и больших расстояниях между узлами в рамках одной секции развиваются целые дополнительные фермы во избежание местного изгиба в межузловых пространствах (рис. 20, м). Но, разумеется, все зависит от вида второстепенной конструкции, которая ставится на ферму и нагружает ее. На рис. 20, д мы видим геометрическое решение польской типовой фермы для пролетов до 60 м, которая имеет предельно простую решетку. Устанавливаемые на нее элементы имеют достаточно большой шаг (от одного узла до другого).

А как здесь обстоит дело с высотой конструкции? Поскольку сплошная стенка полностенной балки заменена более экономичной решеткой, конструктивная высота может быть увеличена без ущерба для стоимости конструкции. Более того, оптимальные (по расходу материала) решения для ферм предполагают высоту намного большую, чем у балок: от 1/6 до 1/10 перекрываемого пролета.

Покрытия в виде стержневых конструкций — одни из самых распространенных. Легкость, с какой они перекрывают даже самые большие расстояния между опорами, экономичность, возможность полного изготовления в заводских условиях и монтажа (сборки) на стройплощадке делает их применимыми почти во всех случаях строительной практики. Мы их встретим и в промышленных зданиях, и в зальных помещениях. При больших пролетах (от 10 до 30 м в зависимости от материала) их применение крайне желательно с технико-экономической точки зрения, и сегодня, когда наступило время «точных расчетов», этого нельзя не учитывать.

АПОФЕОЗ ЧИСТОГО СЖАТИЯ

Одни из самых рациональных конструктивных форм, которыми располагает человечество, — арочные и висячие системы. В этом случае режим работы строительного материала доведен до совершенства: это в основном или чистое сжатие (у арочных конструкций), или чистое растяжение (у висячих систем).

Мы уже познакомились с изгибающим моментом — наиболее неприятной формой конфликта между конструкцией и нагрузкой. Мы убедились, что восприятие этого момента элементами балочного типа связано с неполноценным использованием вложенного материала: средние слои, например, работают с напряжениями, которые намного ниже реальных возможностей материала. В решетчатых балках (фермах) — более сложной, высшей конструктивной форме — материал концентрируется только в определенных направлениях, чем объясняется его более полное использование. Но и здесь изгибающий момент присутствует, хотя и в скрытой форме: в одном и том же сечении фермы наблюдается как растяжение, так и сжатие. Такая «двузначная» работа сечения представляет собой естественный предел несущих возможностей ферм.

Рис. 21. Можно ли исключить изгиб? При конструктивных формах определенного при определенных условиях - да. Принцип действия арочных конструкций

Однако существуют возможности полного исключения изгибающего момента из «игры сил». Одной из них являются арочные конструкции. В этом случае обеспечивается равновесие нового типа, представление о котором нам может дать рис. 21.

Если мы мысленно вырежем фрагмент арки и обозначим действующие на него силы (соответствующая часть внешней нагрузки и сжимающие усилия в местах разрезов), то увидим, что фрагмент находится в состоянии равновесия. Нет никаких «остаточных» сил, которые стремились бы его переместить или повернуть в пространстве. Но это необходимое и достаточное условие работы произвольного фрагмента и конструкции в целом под действием внешней нагрузки в так называемом «безмоментном состоянии» — столь ценное и желательное, — увы, возможно только в конструкциях с нелинейными очертаниями.

Итак, единственным внутренним усилием будет чистое сжатие, а мы уже знаем, что при этом в работу активно включается все сечение, каждый его квадратный сантиметр. Следовательно, можно говорить о полном использовании вложенного материала. В данном случае и общие деформации имеют другой, более благоприятный характер. Непосредственный прогиб, так ярко выраженный у балок и ферм, здесь отсутствует, имеет место лишь общее «скручивание» арки вследствие неизбежных деформаций сжатия.

Арочные конструкции обладают большой несущей способностью и жесткостью и предназначены для крупных пролетов. Это одно из самых мощных средств, которыми располагает инженер-конструктор для покрытия значительных пространств без промежуточных опор. И, естественно, мостостроение является той территорией, где арки и своды встречают самый теплый прием.

Каждый из нас не однажды видел арочные мосты. Это, несомненно, наиболее масштабное проявление одной из древнейших конструктивных форм, превосходящей возрастом даже ферму. Свод пришел в Европу с Востока. У арабов он находил применение в культовых и религиозных зданиях (мечетях, медресе), где с помощью конструкций дугообразного очертания перекрывались проемы, а позже устраивались и покрытия. В Риме свод был неотъемлемой частью знаменитых виадуков и акведуков, некоторые из которых сохранились до наших дней. В эпоху средневековья свод и его пространственный эквивалент — купол были вообще единственным средством для перекрытия определенных площадей без промежуточных опор (храмы, дворцы и т. п.), точнее — единственным средством, позволяющим использовать камень и кирпич не только для стен и колонн, но и для конструкций покрытия. Благодаря постоянному и относительно равномерному сжатию швы между отдельными каменными блоками не нуждались в специальных связях.

Замечательные образцы арочных мостов оставили средневековые болгарские строители. «Дьявольский мост» на р. Арда — прекрасный пример средневекового мостостроения Болгарии. При центральном пролете 38 м и высоте арки (стреле подъема) 16 м его толщина в верхней части (ключе или замке) составляет всего лишь 45 см! Замечательный образец синтеза архитектурного облика, конструктивной формы и слияния с окружающим ландшафтом — мост на р. Янтра, построенный знаменитым болгарским мастером Николой Фичевым.

Вообще мосты представляют собой не только конструкции и пути сообщения, но и сильное средство эстетического воздействия, часто определяя облик всей местности или города. В этом смысле свод и арка прекрасно выполняют двойную функцию эстетически выразительной и рациональной конструктивной формы. Комплексное воздействие современных арочных мостов поистине неповторимо, их арки очень стройны: высота их сечения достигает 1/40 — 1/60 величины пролета (тогда как у балок и ферм это соотношение колеблется от 1/16 до 1/30).

По вполне понятным соображениям, конструкция путевого полотна предполагает горизонтальную поверхность, в связи с чем арка должна быть «надстроена». Это достигается с помощью сплошной надсводовой части, как делали прежние строители, или с помощью расчлененной надсводовой конструкции. В последнем случае стойки, выступающие над сводом, передают нагрузку от горизонтальных балок, находящихся под плитой путевого полотна. Существуют также сводовые конструкции с «ездой понизу», когда мостовое полотно находится на уровне пяты (опоры) свода и висит на специальных подвесках.

Деформации свода не могут не вовлекать в работу и надсводовую конструкцию, так что в конечном счете получается единая сложная несущая система. Однако чаще всего вся надсводовая часть рассматривается как нагрузка на свод. Но есть системы, где подобное взаимодействие желательно, например, системы «лангер» (езда понизу) и «консидер» (езда поверху). Для этих систем характерны очень тонкие и высокие арки и относительно мощные главные балки мостового полотна. Последние здесь ведут себя уже не как нагрузка для арок, а как самостоятельный элемент. Арки же в этом случае являются вторичным, усиливающим элементом, который значительно увеличивает несущие возможности горизонтальной балки.

Ясная идеализированная схема, с которой мы начали, в действительности может быть намного сложнее. В ряде случаев это делается умышленно в стремлении к более целесообразной и эффективной конструкции. Однако чаще всего речь идет о нежелательных (и неизбежных) вторичных эффектах. Достаточно сказать о том, что безмоментное напряженное состояние предполагает сравнительно равномерно распределенную, но обязательно неподвижную, статическую нагрузку. Существуют аналитические и графические методы определения очертания арок (линии сжатия), обеспечивающего их работу под действием постоянной нагрузки без изгибающего момента. Но в случае мостов, кранов и т. п. подвижные нагрузки (транспорт) создают сложную и быстро меняющуюся картину внутренних сил, при которой каждому моменту времени соответствует своя форма равновесия. Но арка жесткая, она не может раздвинуться, принимая необходимую устойчивую безмоментную форму, а сохраняет прежнее положение. Так появляются изгибающие моменты, которые имеют временный характер. По величине они намного меньше моментов в балочных конструкциях. В целом арка работает преимущественно без моментов и остается исключительно рациональной и удобной конструктивной формой.

Существуют арки из стали и дерева, но поскольку речь идет о сжатии, то основной материал здесь, конечно, железобетон. Чаще всего исполнение бывает монолитным, что предполагает несущий каркас для опалубки. А это серьезный технологический минус. Но что делать? Без минусов не обойтись нигде.

Однако этот минус преодолим в условиях обычного надземного строительства. Поскольку в конструкциях покрытий зданий превалируют постоянные нагрузки, то в промышленном и гражданском строительстве почва для работы арок более благоприятна, чем в мостостроении. Другими словами, безмоментное состояние здесь будет преобладающим. Причем арки используются в «чистом виде», без надстройки, так как в конструкциях покрытия естественный уклон необходим — по нему стекают дождевые воды. Арочные конструкции из железобетона выполняют с пролетом более 100 м (для ангаров), а в сочетании с оболочкообразными покрытиями — с пролетом свыше 200 м.

Формы с параболическим верхним поясом, которые мы рассматривали раньше, по существу, тоже можно считать одной из многообразных форм арок. Если действует только нагрузка, для которой и выбрана такая линия верхнего пояса, решетка фермы не нагружена, а следовательно, ферма работает как арка. Другой формой, широко применяемой в промышленном строительстве, является так называемая балка Виранделя, которая состоит из прямолинейного нижнего пояса, параболического верхнего пояса и вертикальных стержней решетки. При постоянной равномерно распределенной нагрузке она тоже работает как арка. (Однако при неравномерной нагрузке возникают значительные изгибающие моменты, поскольку в решетке отсутствуют диагональные стержни. Такая система работает уже гораздо более сложным образом. Ее работа представляет собой нечто среднее между работой балки, фермы, арки и рамы.) В промышленном строительстве НРБ широко применяется типовая балка Виранделя из сборного железобетона для пролетов величиной 12, 18 и 24 м. В Берлине построено промышленное здание с пролетом 60 м, в покрытии которого тоже применены балки этого типа. В Бельгии балки Виранделя были использованы при строительстве ряда стальных мостов с пролетами до 80 м. Катастрофа, которая произошла с одним из них, служит убедительным доказательством огромной роли горизонтального сжатия в случае применения арочных конструкций.

Речь идет о том, что работа арок предполагает не только вертикальное давление на опоры (как у балок), но и значительное горизонтальное сжимающее усилие. Это хорошо видно на рис. 21. С одной стороны, это весьма неприятное явление, поскольку оно создает ряд проблем, связанных с восприятием подобной нагрузки. Необходим или специальный фундамент, который передавал бы это усилие на грунт, или — когда геологические условия, а чаще всего вид и назначение конструкции не позволяет это сделать, — дополнительный элемент (затяжка), который связывает две пяты арки и воспринимает горизонтальную силу. В случае ферм и балок Виранделя роль затяжки выполняет нижний пояс. Однако, с другой стороны, горизонтальное сжатие является просто бесценным обстоятельством, именно оно определяет безмоментное напряженное состояние и превращает криволинейную форму арки (сама по себе криволинейность еще ничего не значит) в рациональную и эффективную конструктивную форму. Так или иначе, но горизонтальное сжатие имеет место, а его восприятие обязательно. Однако вернемся к катастрофе бельгийского моста, в конструкции которого была применена балка Виранделя.

Утром 14 марта 1938 г. внезапно рухнул стальной мост на канале Принц Альберт близ города Хасселт. Очевидцы утверждают, что слышали звук, подобный выстрелу, после чего заметили разрыв в нижнем поясе между третьей и четвертой вертикалями. Мост начал сильно провисать и приблизительно через 6 мин, развалившись на три части, упал в замерзшие воды канала. Было минус 10°С.

Мы не будем останавливаться на причинах катастрофы: низкокачественная сталь, некачественная сварка, конструктивные погрешности и т. д. Важно то, что речь идет о «хрупком» разрушении, которое у низкоуглеродистых сталей может происходить только при особых условиях, например при низких температурах. Однако гораздо интереснее механизм самого разрушения, стадии, через которые последовательно прошла конструкция, прежде, чем окончательно рухнула.

Рис. 22. Последовательное развитие катастрофы моста у города Хасселт (Бельгия). Все произошло в течение нескольких секунд

Сначала все было в порядке — транспорта на мосту не было, нагрузка только от собственной массы предполагала чистое сжатие в верхнем поясе. Конструкция работала как арка, а горизонтальное усилие воспринимал нижний пояс-затяжка. Внезапно он разорвался. Конструкция «пыталась» продолжать работать как арка, передавая горизонтальную силу на фундаменты, которые, разумеется, не были рассчитаны на такую ситуацию. В результате вершины фундаментов были срезаны (рис. 22). Горизонтальная сила исчезла, исчез и эффект арки. С этого момента конструкция (вернее, ее верхний пояс), стала работать как свободно опертая балка (хотя и с параболическими очертаниями, что, впрочем, несущественно). Появились огромные изгибающие моменты, которые верхний пояс был не в состоянии выдержать. Балка, естественно, переломилась и рухнула в канал.

ВИСЯЧИЕ МОСТЫ

В середине 1976 г. в Японии был сдан в эксплуатацию самый большой из современных висячих мостов. После строительства моста между островами Хонсю и Кюсю, объявленного рекордсменом азиатского континента, и еще нескольких событий такого рода специалисты заговорили о висячих мостах как об одной из интереснейших областей техники, у которой едва ли не самая драматичная история.

Остановимся немного на искусственно раздуваемом межнациональном соперничестве и конъюнктурных амбициях, которые в развитых капиталистических странах часто накладывают свой отпечаток на развитие техники. Займем позицию беспристрастного наблюдателя. Однако в случае висячих мостов нам вряд ли это удастся, потому что история этой области строительства неминуемо вызовет у нас всевозможные эмоции. Несмотря на свой невероятно тонкий ажурный силуэт, они легко и естественно преодолевают огромные расстояния, как будто для них не существует законов гравитации. По эстетическому воздействию этот род мостов уникален: нет другого технического сооружения, где конструкция, демонстрируемая в столь чистом, первичном виде, вызывала бы такое впечатляющее ощущение мощи, легкости и изящества. И если мосты вообще являются наиболее ограниченной формой симбиоза техники и искусства, то висячие мосты — вершина этого симбиоза.

Висячие мосты строились еще первобытными людьми: их строят и сейчас некоторые полудикие племена, обитающие в джунглях Амазонки. В принципе это антитеза арочных конструкций. Их напряженное состояние тоже является безмоментным, но только на базе растягивающего усилия. Это предопределяет и единственно применимый для цепей и канатов материал — сталь. Равновесная форма провисшей дуги весьма изменчива, склонна к самоадаптации в условиях каждой новой конфигурации нагрузок. Арочным конструкциям такая гибкость недоступна, поэтому и их безмоментное состояние возможно только при строго определенной нагрузке. Висячие конструкции реагируют на изменение нагрузки изменением линий своих очертаний, что обеспечивает постоянное и абсолютно чистое безмоментное состояние. Но это имеет и другую сторону медали: такие вариации висячей равновесной формы связаны с деформациями путевого полотна. Поэтому висячие системы в чистом виде в мостовых конструкциях практически не встречаются. Цепи всегда сочетаются с жесткой конструкцией на уровне мостового полотна, которая воспринимает как определенные поперечные силы, так и определенные изгибающие моменты (вследствие ограничения свободных деформаций).

Материал висячей дуги, будь то лиана, веревка, цепь или стальной канат, работает в режиме постоянного растяжения. Именно по этой причине наиболее рационально используется все сечение элемента. Каждый грамм, каждый квадратный сантиметр материала может быть полностью вовлечен в работу по восприятию нагрузки и ее передаче береговым опорам. Этим обусловлена большая легкость висячих мостов, благодаря которой они (и только они) в состоянии преодолевать «за один раз», без промежуточных опор огромные расстояния. В случаях очень глубоких и очень широких препятствий, когда возведение каких бы то ни было промежуточных опор сложно, дорого, а часто и невозможно, висячий мост оказывается единственно возможным решением.

Большие или меньшие висячие мосты есть во всех странах мира. В последние годы дорожно-строительный «бум» в Японии привел к необходимости замены паромного сообщения между некоторыми островами мостовыми связями, а определенные особенности в рельефе дна обусловили неизбежность применения висячих систем. Классической страной висячих мостов, однако, считаются Соединенные Штаты. Грандиозные каньоны на крайнем западе, широкие полноводные реки и глубокие проливы Тихоокеанского побережья служат объективной предпосылкой расцвета висячих систем именно в этом районе земного шара.

В течение первого десятилетия минувшего века в США были построены шесть первых больших мостов с пролетами до 72 м, выполненные с применением кованых железных цепей. Один из них мост на р. Меримей просуществовал целых сто лет. Над Ниагарой возник мост с пролетом 252 м, а в 1848 г. на р. Огайо — мост с пролетом 336 м. Девятнадцатью годами позже был построен Бруклинский мост в Нью-Йорке, который «сразу» преодолел 487 м. Вместо цепей давно уже стали применять стальные канаты, а пролеты продолжали расти со средними темпами 10 м в год, достигнув в 1931 г. максимальной величины 1068 м (мост на р. Хадсон, Нью-Йорк). Через четыре года над проливом Золотые Ворота у Сан-Франциско началось строительство исключительно большого для этого времени сооружения, или, как его называли, моста века. Один из моментов его строительства запечатлен двумя очевидцами — советскими писателями Ильей Ильфом и Евгением Петровым, находившимися тогда в Калифорнии.

«Мистер Адамс показал рукой на сооружение, представляющееся издали протянутыми через залив проводами. Так вот оно, всемирное чудо техники — знаменитый висячий мост!

Чем ближе подходил к нему паром, тем грандиознее казался мост. Паром проходил мимо поднимавшегося из воды пилона. Он был широк и высок, как «Генерал Шерман». С высоты его наш паром казался, вероятно, таким маленьким, как человек на дне Гранд-Каньона. Пилон до половины был выкрашен серебристой алюминиевой краской. Другая половина была еще покрыта суриком.

Благодаря любезности строителей моста мы получили возможность осмотреть работы. Мы сели в военный катер, который поджидал нас в гавани, и отправились на островок Йерба-Буэна, расположенный на середине залива.

… Сейчас кончают сплетать стальной канат, на котором повиснет мост. Его толщина около метра в диаметре. Это он-то показался нам тонкими проводами, когда мы подъезжали к Сан-Франциско. Трос, который на наших глазах сплетали в воздухе движущиеся станки, напоминал Гулливера, каждый волосок которого был прикреплен лилипутами к колышкам. Повисший над заливом трос снабжен предохранительной проволочной сеткой, по которой ходят рабочие. Мы отважились совершить вдоль троса небольшое путешествие. Чувствуешь себя там, словно на крыше небоскреба, только с той разницей, что под ногами нет ничего, кроме тонкой проволочной сеточки, сквозь которую видны волны залива. Дует сильный ветер».

Это сооружение с центральным пролетом в 1280 м в течение 27 лет оставалось единственным в своем роде. Только в 1965 г. его рекорд на 30 м «перекрыл» мост Верозано, построенный у входа в нью-йоркский порт. А еще через десять лет мировой рекорд перекочевал за Тихий океан, в Японию (может быть, ненадолго).

Мало кто знает, что история висячих мостов, в сущности, представляет собой длинную вереницу катастроф. В истории техники нет другого примера, чтобы конструктивное решение завоевывало свое право на жизнь при столь противоречивых обстоятельствах и было оплачено столь дорогой ценой.

В 1864 и 1889 гг. жертвами ветра стали два моста на Ниагаре. В США только за период с 1876 по 1888 г. рухнул 251 мост. Большинство из этих больших и маленьких мостов были висячими. Один из первых документированных примеров катастрофы датируется 1854 г., когда во время сильного ветра разрушился 336-метровый мост на р. Огайо близ Уилинга. «В течение нескольких минут, — писал один из очевидцев, — мы с тревогой наблюдали за мостом, который напоминал качку корабля во время шторма. Внезапно мост поднялся почти до высоты пилонов, потом резко опустился; огромная конструкция сильно изогнулась, почти перевернувшись, и с ужасным грохотом рухнула с головокружительной высоты в реку».

Динамическая устойчивость висячих мостов — их слабая сторона. Легкость и гибкость, будучи их неоспоримым преимуществом, во время сильного ветра превращается в серьезный недостаток. Часто мост оказывается в роли качающейся и прыгающей корабельной палубы. Отсутствие жесткой конструкции и нужных килограммов превращает сооружение в игрушку для мощных порывов ветра. Стабилизация достигается с помощью балок жесткости, находящихся под путевым полотном, а чаще сами перила моста трансформируются в силовую конструкцию. Однако на протяжении десятилетий их роль была недостаточно ясна, и в тех случаях, когда они ставились, конструкторы делали это чисто интуитивно.

Особенно трагическими событиями было отмечено английское мостостроение тех лет. За относительно короткое время последовал целый ряд катастроф с висячими мостами над Менайским проливом, на р. Туид, у города Монтро и снова над Менайским проливом. Во Франции висячие мосты были надолго запрещены как опасные и непрочные конструкции после трагического случая на р. Майенн близ Анже, когда под действием сильного ветра и маршировавших по путевому полотну войск внезапно обрушился мост такой конструкции и в результате катастрофы погибли 226 человек. Египетский мост в Петербурге, превратившийся в инженерный курьез, тоже представлял собой висячую конструкцию.

В 1936 г. в Нью-Йорке был построен мост Уайтстоунбридж пролетом 702 м и очень экономичной балкой жесткости. Его высота (1/200 пролета) оказалась недостаточно большой, и в конструкции возникли опасные вибрации. В инженерных кругах США стали распространяться страшные слухи об этом мосте. Еще более страшные вещи говорились о пресловутом Такомском мосте, который в то время только еще был построен. Его балка жесткости составляла лишь 1/300 пролета (средний пролет 854 м), и поведение конструкции тоже вызывало сомнения. Но о последующих событиях мы расскажем, когда придет время…

Анализ происшествия с Такомским мостом дал исследователям больше, чем практический опыт всех предыдущих десятилетий. В настоящее время испытания модели моста в аэродинамической трубе являются обязательной фазой для каждого будущего висячего моста. Но висячие системы в мостостроении имеют и серьезных противников в инженерном мире. Существует несколько крупных проектов: второго моста над Босфором, мостов над Мессинским проливом и над Гибралтаром. Если их технико-экономическое обоснование будет убедительным, вероятно, некоторые из них будут построены. По-видимому, у висячих мостов есть будущее, однако не следует забывать об их далеко не безоблачном прошлом.

«ШЛЯГЕР» КАРКАСА

С развитием промышленности в прошлом веке постепенно начали появляться промышленные здания с большими пролетами и электрическими мостовыми кранами. Повысились и требования к многоэтажным общественным зданиям (большая площадь остекления, отсутствие промежуточных перегородок, большие внутренние пространства, свободные от конструктивных элементов). Все это стало возможным благодаря рождению новой строительной концепции — каркасных конструкций.

Первые каркасные конструкции многоэтажных зданий появились после того, как сталь была узаконена в качестве строительного материала, т. е. после того, как развитие металлургической промышленности в некоторых ведущих странах достигло такого уровня, что стало возможным выделять определенные количества этого дорогого материала для строительных целей. Первые образцы каркасных конструкций датируются серединой прошлого века (Чикаго, а затем и другие американские города). После того, как они утвердились в Америке, им был оказан добрый прием и в Европе. Сразу же после рождения железобетона его апологеты преподнесли миру массивные на вид, но обладающие большой несущей способностью и жесткостью каркасные конструкции (Франция, конец XIX в.). В настоящее время каркасные конструктивные системы широко применяются почти во всех случаях мировой строительной практики: при строительстве жилых, промышленных и общественных зданий, гаражей, складов, а также таких специальных сооружений, как канатные дороги, эстакады и т. д.

Каркасные конструкции состоят из вертикальных (или почти вертикальных) несущих элементов — колонн или стоек — и горизонтальных (или почти горизонтальных) несущих элементов — балок или ригелей. У зданий с несущим каркасом функции отдельных частей и конструкций четко дифференцированы. Одни из них предназначены исключительно для того, чтобы ограничивать определенные функциональные объемы, оформлять фасады, обеспечивать тепло- и звукоизоляцию. С точки зрения конструктора, они являются нагрузкой для второй группы элементов — несущих. Именно эта особая группа элементов, единственное назначение которых — воспринимать и передавать внешние нагрузки, представляет собой каркас.

С освобождением фасадов и перегородок от несущих функций создается возможность расширить площадь остекления, благодаря чему здания становятся легкими и изящными, а также обеспечивается более свободная внутренняя планировка, которая к тому же может претерпевать определенные изменения в процессе эксплуатации. Этого нельзя сказать об архаичных зданиях с несущими кирпичными стенами, где разрушение стены равносильно катастрофе. Таких богатых возможностей не имеют и современные крупнопанельные здания с подчеркнуто жесткой планировкой. Вообще каркас позволяет использовать обширные свободные пространства практически в рамках целого этажа, что считается бесценным качеством для общественных зданий.

Рис. 23. Рамная конструкция, нагруженная вертикальной равномерно распределенной нагрузкой: общий изгибающий момент распределяется между пролетом и узлами

Значимость такого рода конструкций трудно переоценить. Каркасные конструкции созданы в соответствии с образцами, рожденными природой, — почти все представители животного и растительного мира тоже имеют каркас — скелет. Более того, скелет является признаком высших биологических видов, который появился на одном из поздних этапов их эволюции. Самостоятельное выделение несущих функций среди всех остальных, будучи целесообразным и полезным, достигается при наличии подходящего материала для каркаса (скелета). В животном мире это костная ткань — материал, в основе которого лежат соединения кальция. Кость отличается от мягких тканей огромной прочностью и жесткостью. В строительстве аналогичными материалами служат сталь и железобетон. Их свойства позволяют концентрировать огромные внутренние усилия в незначительной части общего объема здания, а именно в объеме конструкции, и на предельно малой площади, какой является площадь колонн.

Рис. 24. Рама, подвергнутая воздействию горизонтальных сил: общий изгибающий момент в колонне тоже рационально распределяется по высоте стоек. Все это обеспечивает более полное использование материала и большую экономичность конструкции

Статический эквивалент каркасных конструкций называется рамой. По существу, рамы — это пространственные элементы, и это имеет большое значение для их общей работы. Однако чаще всего рамы работают в основном в плоскости своих отдельных плоскостных конструкций. На рис. 23 показана схема простейшей рамы — одноэтажной однопролетной. Такая рама может использоваться, например, в конструкции промышленного здания. Система рам, поставленных параллельно одна другой на расстояниях от 6 до 12 м, образует каркас данного производственного помещения. Разумеется, рамы связаны между собой определенными элементами, так что вне плоскости схемы находятся другие рамы: стойки те же, а горизонтальные элементы расположены перпендикулярно листу. Очевидно, что речь идет о пространственной каркасной конструкции, главные рамы которой взаимно перпендикулярны (рис. 23 и 24), в связи с чем мы и обращаем на них свое внимание. Что является эффективным в их очертаниях?

Во-первых, частичное защемление балок в узлах их опирания на стойки каркаса. Изгибающий момент, который совсем не так уж мал, распределяется по всей длине балки более равномерно, чем в случае свободного опирания: в пролете растяжению подвергаются нижние слои, а вблизи стоек — верхние. Таким образом, в стойки «вводится» определенный момент, но он не имеет для них решающего значения. Важно то, что балки могут быть более стройными и экономичными.

Во-вторых, более эффективно воспринимаются горизонтальные силы (ветер, землетрясения, толчки мостовых кранов). Частичное защемление балок в верхней части стоек приводит также к перераспределению изгибающего момента в стойках по сравнению с чистой консолью, которой была бы стойка в случае отсутствия такого защемления (см. рис. 24). Иначе говоря, здесь совместно работают горизонтальные (балки) и вертикальные (стойки) элементы рамы, благодаря чему увеличивается общая жесткость конструкции и уменьшается ее вес.

Подобные жесткие угловые связи между отдельными элементами рамы не представляют проблемы для монолитного железобетона, более того, они отвечают его природе. Поэтому монолитные железобетонные конструкции оказывают значительное сопротивление внешним воздействиям, отличаются большой жесткостью и устойчивостью к землетрясениям. К сожалению, в случае сборных железобетонных и стальных конструкций положение более сложное. Там решающее значение имеют соединения между отдельными готовыми элементами. А так как выполнение жестких соединений — дело сложное, трудоемкое и требует значительных затрат времени, конструкторы во имя простоты и высоких темпов строительства отказываются от них. В таких, весьма частых, случаях балка свободно опирается на колонны, а колонны, по существу, оказываются консолями (для горизонтальных усилий). Как мы видим, при подобном компромиссе в жертву приносятся два плюса рамных конструкций.

В многоэтажных зданиях воздействие горизонтальных сил приобретает устрашающие размеры. Оно с трудом воспринимается рамами. А при определенной этажности восприятие горизонтальных усилий посредством совместной работы вертикальных и горизонтальных элементов становится совсем невозможным. В таких случаях по высоте здания проектируются специальные вертикальные диафрагмы и жесткие узлы; как правило, в работу включаются и лестничные клетки, которые должны полностью воспринимать горизонтальные усилия. Будучи выполненными из железобетона, они имеют вид сплошных гладких стен, а из стали — вид стержневых систем. Воспринятые диафрагмами жесткости или лестничными клетками горизонтальные усилия в значительной степени освобождают проектировщиков от необходимости обеспечить рамную работу стоек и балок, а следовательно, жесткие угловые соединения уже не являются необходимыми (это, однако, не означает, что они нежелательны). Жесткость рамных узлов — самое ценное свойство рам, и жертвуют им только тогда, когда этого требует само строительство.

ЭСКАЛАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ

Одно из важнейших достижений современного строительства — широкое применение пространственных конструкций покрытия. Последние десятилетия нашего времени стали качественно новым этапом в истории техники.

Было бы преувеличением утверждать, что эти конструктивные формы возникли в нынешнем столетии. Простейшие из них имеют свои, хотя и грубые, аналоги в далеком прошлом. Но только аналоги и притом грубые. Так что было бы преувеличением говорить также о «возрождении» и «развитии» в новых вариантах старых, известных конструктивных форм. И все же первоисточник существует, и искать его следует в природе. Как мы знаем, в природе нет ни балок, ни ферм, ни рам. Природные конструкции, как правило, имеют пространственный характер, а поскольку все в природе мудро и рационально, они выдержали тысячелетние испытания и прошли сквозь сито естественного отбора. Так что мы можем считать их действительно самой эффективной формой преодоления пространства, предполагающей пространственность восприятия нагрузок.

Все рассмотренные нами основные конструктивные формы имеют линейный характер. Их ширина и высота несравнимо меньше длины, а рабочие схемы, в сущности, представляют собой сочетание прямых и кривых линий. Двухмерного листа бумаги практически достаточно, чтобы отразить их напряженные и деформационные состояния. Такой искусственный и «природонесообразный» подход человека приводит к серьезным конструктивным и эстетическим ограничениям конечного продукта строительства.

Промежуточной формой перехода от линейных (одномерных) к пространственным (трехмерным) конструкциям можно считать плиту. Это плоскостной несущий элемент, описывать который излишне. Железобетонные плиты мы видим каждый день как над своей головой, так и под ногами. Что же касается большинства человеческих нужд, то эта плоскостная и наиболее функциональная конструктивная форма является одной из самых распространенных на земном шаре. В сочетании с балками и без них плиты широко применяются в конструкциях перекрытий и крыш, в качестве путевого полотна в мостостроении и т. д. Однако плиты имеют весьма ограниченные конструктивные возможности. Поэтому и значение их в общем конструктивном решении может быть только локальным.

Рис. 25. В отличие от балок, ферм, арок и т.д. плита не линейная, а плоскостная конструктивная форма. Это форма, которая работает в весьма неблагоприятном режиме — прежде всего в режиме изгиба

О неэффективности плит при перекрытии больших пространств говорит рис. 25. Под действием вертикальных нагрузок возникает очень сложное напряженное состояние: изгибающие моменты в двух направлениях, крутящие моменты и поперечные силы — тоже в двух направлениях. Как и в случае балок, возникают нормальные напряжения изгиба и тангенциальные напряжения — от поперечных сил и от крутящего момента. Но, в отличие от балочных элементов, действие развивается не в одном направлении, а в плоскости плиты. Грубо можно представить ее работу как совместную работу большого числа перекрещивающихся в двух направлениях балок. Самым неприятным следует считать, конечно, наличие значительных изгибающих моментов, которые превалируют и в конечном счете определяют толщину плиты. А как мы помним, именно изгиб представляет собой наиболее острую форму невидимого конфликта между нагрузкой и конструкцией. Поэтому толщина плиты оказывается тем сечением, которое работает в самом неблагоприятном режиме.

Рис.26. Пологая оболочка двоякой кривизны: почти плита, но ...

Однако достаточно слегка искривить плиту (рис. 26), чтобы получилась совершенно иная картина. Такую плиту, естественно, нельзя использовать в качестве конструкции перекрытия, но зато она может быть прекрасной конструкцией для крыши. Итак, при стреле подъема, составляющей лишь 1/10 меньшего пролета, плита мгновенно превращается в тонкостенную пространственную конструкцию — оболочку. Изгибающий момент почти исчезает — по крайней мере в обширной средней части оболочки, где устанавливается столь ценное безмоментное напряженное состояние. Внешняя нагрузка вызывает только нормальные (сжатие и растяжение) и тангенциальные (сдвиг) усилия. Последние, как и поперечные силы, действуют в плоскости сечения, но, в отличие от них, «повернуты» на 90° и фактически находятся в плоскости оболочки. Чтобы представить их действие физически, сопоставим его с уже известным нам эффектом от поперечных сил. Поперечные силы стремятся расслоить материал, сместить отдельные мысленно выделяемые по высоте сечения слои; в оболочке тангенциальные силы стремятся сдвинуть один относительно другого отдельные криволинейные слои, из которых она состоит. По высоте сечения напряжения постоянны. Этим как раз и определяется эффективность данной конструктивной формы — материал используется равномерно и полностью.

Мысленно выделенные в двух направлениях криволинейные слои являются лишь весьма приблизительной моделью, которая помогает нам понять, как работают конструкции этого типа. Эти слои работают совместно, почему и возникают сдвигающие силы. Плюсы сводчатой оболочки двоякой кривизны (так называется эта конструктивная форма) обеспечиваются только при наличии определенных условий опирания. По четырем контурам оболочки необходимы несущие конструкции линейного типа (балки, фермы или арки), которые называются диафрагмами. Диафрагмы нагружены особым образом: вертикальные нагрузки оказываются не основными. Это звучит малоубедительно, но оболочка передает свою нагрузку на диафрагмы в основном посредством направленных под углом, сдвигающих усилий. Их вертикальная составляющая неминуемо вызывает в опорных элементах изгибающие моменты и поперечные силы, а горизонтальная — значительные растягивающие усилия. Для диафрагм характерно сложное, комбинированное силовое воздействие, обусловленное их функциями, так как они служат не просто балками, а опорами оболочки двоякой кривизны. О механизме нагрузки диафрагм (с физической точки зрения) можно судить по тому, что под действием нагрузки оболочка стремится расправиться, превратиться в плиту. Именно этому выпрямлению препятствуют диафрагмы, вследствие чего в них возникают растягивающие усилия.

Этот тип сводчатых конструкций — один из наиболее распространенных в мировой строительной практике и служит для покрытия обширных прямоугольных пространств самого различного назначения (промышленных зданий, залов, ангаров и т.д.). Их поверхность может быть частью сферы, эллипсоида, эллиптического параболоида или другой стереометрической фигуры. Основным материалом, из которого они выполняются, является железобетон, хотя имеются примеры оболочек из стали в виде системы взаимно пересекающихся несущих ребер, клетки которых заполняются легкими панелями. Для меньших приемов применяют также оболочки из стеклопластиков и армированных пластмасс, которые называют материалами будущего. В НРБ сводчатая оболочка двоякой кривизны выполнена над главным корпусом ТЭЦ «Марица-исток 1», где она перекрывает пролеты до 40 м. Об экономичности покрытий этого рода говорит тот факт, что средняя толщина оболочки при таком пролете составляет всего 15 см.

Рис.27. Разнообразие токкостенных пространственных конструкций практически бесконечно. Не редки случаи и "плагиата" у природы

Но сводчатые оболочки двоякой кривизны — это лишь один из огромного множества видов пространственных конструкций. Для нынешнего этапа их развития характерно то, что специалисты уже давно не довольствуются элементарными видами поверхностей криволинейного профиля, а применяют самые сложные сочетания криволинейных поверхностей и плоскостей. В последние годы видов пространственных конструкций стало так много, что их классификация выходит за рамки даже самых полных математических курсов по теории поверхностей. В ряде случаев единственным методом описания поверхностей оболочек может быть только чертеж. Впрочем, некоторое представление о разнообразии их видов может дать рис. 27.

К наиболее распространенным видам пространственных конструкций покрытия можно отнести и купола. Гладкие толстостенные купола известны с древнейших времен; выполнялись и ребристые купола (кирпичные арки по меридианам и кирпичные пояса по параллелям), В связи с целым рядом статических, экономических и эстетических соображений этот род покрытия актуален и в наши дни. Область его применения — это такие огромные пространства, как манежи, цирки, спортивные залы, планетарии.

В геометрическом отношении купола представляют собой осесимметричные поверхности ротационного типа. Эти поверхности могут быть частью сферы, эллипсоида или другой фигуры. Главное то, что под действием эксплуатационных нагрузок достигается безмоментное напряженное состояние.

Рис. 28. У тонкостенных куполов пространственный режим работы является еще более благоприятным. Стремление оболочки к "кручению" определяет возникновение сжимающих усилий в направлении меридианов и параллелей. Изгибающие моменты,почти исключены

На рис. 28 представлена схема напряженного состояния сферического купола. Здесь при осесимметричной нагрузке усилия в направлении меридианов являются только растягивающими и постепенно нарастают книзу, так что мы снова можем воспользоваться аналогией системы из взаимно пересекающихся арок. Но конструкция все же пространственная: отдельные мысленно выделенные арки будут взаимодействовать через усилия, направленные по параллелям купола. Эти усилия тоже нормальные — сжимающие, которые у высоких оболочек в нижней их части могут переходить в растягивающие. У пологих оболочек над прямоугольным основанием, как мы уже видели, пространственность работы выражается, в отличие от куполов, главным образом в усилиях сдвига.

И здесь положительный эффект может достигаться только благодаря особому опиранию. Для куполов характерно значительное горизонтальное давление в нижней их части. Как мы уже видели, подобное давление существует и у арочных конструкций, где оно воспринимается стяжками или специальными фундаментами. Поэтому для куполов в связи с их осевой симметрией необходимо специальное опорное кольцо. Это кольцо симметрично нагружено по всему периметру изнутри наружу горизонтальным усилием от купола, вследствие чего оно работает на растяжение.

Разумеется, при несимметричной нагрузке в куполе возникнут сдвигающие усилия, а в области опорного кольца всегда имеются и местные изгибающие моменты. Но вообще этот тип конструкций работает преимущественно на сжатие, которое предполагает почти полное использование материала и, следовательно, более легкие и экономичные решения.

По рассмотренным выше причинам основным материалом для куполов служит железобетон. Правда, возникают серьезные трудности с опалубкой криволинейных поверхностей, но они все же разрешимы. В Ленинграде, например, железобетонный купол покрывает круглый лабораторный зал диаметром 76 м. При стреле подъема купола 17 м (1:4,5 пролета) толщина оболочки равна 10 см. В Солуне выполнен купол диаметром 90 м и толщиной тоже 10 см, которая составляет 1/900 пролета. В случае применения плоской плиты соотношение толщины и пролета составило бы до 1/50, а в случае балок — значительно больше. О смелости купольных решений говорят самые различные показатели, перечислять которые вряд ли имеет смысл.

Купола могут состоять и из отдельных ребер (так называемые ребристые купола). Такая разновидность куполов весьма целесообразна для сборного строительства, поскольку их можно расчленять на отдельные элементы (чаще всего прямолинейные), что отвечает требованиям заводского изготовления, складирования, транспортировки и монтажа.

Среди ребристых куполов можно выделить три основных типа (которые появились на разных этапах развития этой конструктивной формы): комбинация из отдельных арок, работающих независимо одна от другой; комбинация из ребер, расположенных в направлении меридианов и параллелей; сложные стержневые системы с меридиональными, кольцевидными и диагональными ребрами или только с диагональными ребрами. Статические недостатки первого типа в значительной степени компенсируются технологическими выгодами (небольшое число сборных элементов, немногочисленность и простота соединений между элементами), тогда как рациональная пространственная работа третьего покупается ценой существенного усложнения строительства.

Ребристый купол первого типа построен в 1958 г. в Атланте (США) над зрительным залом, рассчитанным на 7000 мест. Диаметр купола — 82 м. Материал — сталь. В Литл-Роке (США) возведен ребристый купол второго типа диаметром 86 м. Куполов третьего типа известно много разновидностей. Наибольший диаметр в этом случае превышает 100 м.

Но обратимся к еще одному виду пространственных покрытий, который находит широкое применение в строительстве наших дней. Для них характерно отсутствие кривизны в одном направлении. Наиболее популярный тип таких конструкций — цилиндрические оболочки. Как в далеком прошлом, так и сейчас они широко применяются в качестве конструкций покрытия (в наши дни — для промышленных зданий, складов, ангаров и даже для зрелищных сооружений). Хотя по расходу материала цилиндрические оболочки менее экономичны, чем купола, у них есть одно неоспоримое преимущество — более высокая технологичность, обусловленная линейным характером поверхности в одном направлении. А это имеет большое значение для сборного строительства из стали, поскольку могут использоваться длинные линейные элементы (причем с малым числом соединений), а также в случае железобетона, поскольку значительно облегчается выполнение опалубочных работ.

Рис. 29. Длинная цилиндрическая оболочка. И здесь усилия действуют только в плоскости (а вернее, в поверхности) оболочки

На рис. 29 схематично показана работа цилиндрической оболочки. В областях, достаточно удаленных от краев, состояние конструкции является безмоментным — присутствуют только нормальные и тангенциальные усилия. В работе такой оболочки наблюдается определенная двойственность: в соответствующем направлении конструкция работает как балка — сжимающие напряжения в верхней части и растягивающие в нижней. В другом направлении имеет место эффект свода. Последний, разумеется, зависит от жесткости продольных балок, которые играют роль опор для множества мысленно вычленяемых арок. Чем мощнее эти балки, тем отчетливее проявляется эффект свода, тем большая часть нагрузки стекает в поперечном направлении на балки, которые уже передают ее на опорные колонны. Этот тип работы, однако, нельзя доводить до крайности, поскольку утрачивается пространственное действие, а балки становятся большими и тяжелыми. Но это не значит, что продольные балки следует делать как можно меньше — ведь они значительно ужесточают оболочку и увеличивают ее несущую способность. В продольных балках в основном концентрируются растягивающие напряжения от балочной работы оболочки.

Эти балки работают по сложной схеме: на двойной изгиб, на растяжение и на кручение. Что же касается диафрагм, то в случае пологих оболочек на прямоугольном основании они подвергаются воздействию сдвигающих усилий и работают главным образом на растяжение и изгиб.

В зонах опирания, к сожалению, неизбежно возникают определенные изгибающие моменты. Причина этого кроется в самой системе опирания — балки и диафрагмы ограничивают свободные деформации оболочки, свободное выпрямление ее краев. Точно так же, как ограничение удлинения приводит к усилиям растяжения, а ограничение укорачивания — к усилиям сжатия, ограничение выпрямления приводит к появлению изгибающих моментов.

Рис. 30. Гиперболический параболоид. В определенных направлениях линии, образующие поверхности, не кривые, а прямые. Путем "разрезания" на отдельные части по этим линиям и соответствующего их комбинирования получается один из самых интересных видов пространственных покрытий

Одна из самых современных форм пространственных конструкций — гиперболо-параболическая. Несмотря на двоякую кривизну, у нее есть два направления, где линии всегда прямые. О технологических преимуществах, которые это дает, мы уже говорили. Именно благодаря технологическим достоинствам этот тип покрытия находит самое широкое применение. Различные гиперболо-параболические оболочки получаются путем «отрезания» части основной поверхности (рис. 30) и соответствующего соединения нескольких таких частей в единую конструкцию.

Для выполнения таких конструкций одинаково подходят и железобетон, и сталь, причем не исключается возможность сборных методов строительства. В СССР, например, разработаны типовые проекты покрытий для помещений с сеткой колонн от 12x12 до 42x42 м. Перекрытие таких пространств классическими плоскостными несущими системами связано с серьезными трудностями и в конечном счете может привести к значительному перерасходу материала.

Рис.31. Одна из возможных комбинаций четырех гиперболо-параболических частей

Статически (рис. 31) этот тип оболочки работает почти исключительно на сдвиг. В стальных конструкциях гиперболо-параболическая поверхность получается другим способом — с помощью растягиваемых канатов. При этом одна система канатов образует вогнутую параболическую поверхность, а другая — выпуклую. Таким образом, достигается предварительное напряжение несущей системы, обеспечивающее ее стабилизацию.

Вообще в случае использования стали растяжение более желательно, более выгодно. Хотя сталь обладает одинаковой прочностью на сжатие и растяжение, однако сравнительно тонкие стальные элементы при работе на сжатие всегда подвергаются опасности потери устойчивости. В связи с этим конструкторы в целях обеспечения устойчивости стараются сделать сжимающие напряжения в элементе во много раз меньшими, чем расчетное сопротивление сжатию. При растяжении такой опасности нет, и материал может работать в полную меру своих возможностей. Поэтому наиболее интересные пространственные конструкции из стали проектируются с ориентацией на растяжение.

Специально для нужд строительства из стали создан ряд вантовых (канатных) и мембранных (висячих тонкостенных) конструктивных форм. Принцип натягиваемых поверхностей (мембран) был впервые применен известным русским инженером В. Г. Шуховым, по проекту которого в 1896 г. было выполнено покрытие большого павильона Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде. Через 45 лет американец Сейс спроектировал висячее покрытие для одного из павильонов всемирной выставки в Нью-Йорке, а знаменитый Фрэнк Ллойд Райт разработал несколько висячих систем для покрытия спортивных залов. Однако два последних проекта остались неосуществленными. В сущности, первым примером большого сооружения с вантовым покрытием следут считать зал в Роли (Северная Каролина, США). Опыт последующих лет убедительно доказал прогрессивность этого рода систем, в которых наиболее полно используются возможности специальных высокопрочных сталей. В настоящее время они довольно широко применяются в СССР, США, ФРГ, Японии, Франции и других странах. В Ленинграде мембранное покрытие выполнено над универсальным спортивным залом (пролет 160 м). В Болгарии вантовое покрытие имеет спортивный зал в Варне.

Трудно рассказать подробно о множестве типов и видов висячих конструкций покрытия. В некоторых из них преобладает плоскостное действие, и они состоят из отдельных, независимых висячих систем (как в случае висячих мостов). Но большинство таких конструкций действует пространственно. Такой эффект достигается благодаря системе взаимно пересекающихся канатов или с помощью мембран — поверхностей из тонкой листовой стали. В отличие от оболочек висячие системы не обладают прочностью на изгиб, они сильно деформируются. Речь идет не о мелких упругих деформациях, которые связаны с работой материала, а о чисто геометрических и гораздо более сильных деформациях (точнее, смещениях), которые претерпевает система в стремлении обрести новое равновесие при изменении внешней нагрузки. Поэтому часто, как и в случае висячих мостов, проектируются специальные усиливающие (ужесточающие) конструкции в целях обеспечения большей динамической устойчивости.

Но вернемся к железобетону. Среди множества видов современных оболочковых конструкций есть один особый, который обладает практически неограниченными конструктивными и эстетическими возможностями, — волнистые оболочки. Бесконечное разнообразие их форм не сможет уместиться ни в какую классификацию. В виде волнистых оболочек могут быть выполнены все типы тонкостенных конструкций. При этом во много раз расширяются возможности распространенных криволинейных форм, так как значительные массы материала выносятся с основной, нейтральной поверхности и располагаются над и под ней, вследствие чего, как и в случае применения балок, достигается большая жесткость и прочность на изгиб. В этом отношении особенно замечательны так называемые призматические или складчатые оболочки. Как можно судить уже по названию этих конструкций, они состоят из призм, образованных отдельными плоскими элементами, что обеспечивает значительные технологические выгоды. В отличие от плит, которые работают из своей плоскости, плоскостные элементы призматических оболочек работают в плоскости своего сечения главным образом с нормальными и сдвигающими усилиями. О преимуществах такого действия говорить уже излишне. Здесь обнаруживается большая жесткость и несущая способность волнистых оболочек при более простой форме. Этот технологический плюс в ряде случаев счастливо сочетается с оригинальным эстетическим звучанием.

Несколько смущает то, что потребителем этих новых, смелых и эффективных конструктивных форм является только уникальное строительство. Самые интересные и яркие решения действительно встречаются при возведении таких уникальных сооружений, как зрительные залы, ангары и т. п. Однако в области промышленного строительства они могут применяться достаточно широко. Благодаря применению современных оболочек для зданий с сеткой колонн приблизительно 15x40 м можно добиться значительного сокращения расхода бетона и стали. При соответствующей типизации тонкостенных пространственных систем и индустриализации процесса строительства замена ими классических плоскостных несущих систем может дать большой технико-экономический эффект. Так, например, в СССР, в Ленинградском экономическом районе, только за три года было построено 200 000 м^2 тонкостенных конструкций покрытия с сеткой колонн от 18x18 до 36x36 м. В Англии около 10% всех промышленных зданий, построенных за последнее время, выполнено с покрытиями тонкостенного типа.

Но нам уже пора заканчивать разговор о пространственных конструкциях. Следует только заметить в заключение, что будущее безусловно принадлежит тонкостенным и висячим конструкциям покрытия, для которых настоящее — лишь скромная прелюдия.

ФЕНОМЕН ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Еще в 50-е годы его называли материалом века, и это определение недалеко от истины. Во всяком случае, к нему оно применимо в значительно большей степени, чем к пластмассам, специальным сплавам и другим искусственным материалам, с которыми у нас обычно ассоциируется представление о техническом прогрессе. История железобетона писалась одновременно с историей нынешнего столетия и оказала на нее огромное влияние, которое можно сравнить лишь с влиянием таких великих открытий, как автомобиль, радио, ядерная реакция. Его будущее — это и наше будущее. У железобетона нет конкурентов; он — единственное средство, позволяющее нам справиться с демографическим взрывом, ибо только благодаря этому материалу возможно массовое строительство.

ПРАВДА О ЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ

Подавляющая часть зданий и сооружений на нашей планете построена из железобетона. Для его повсеместного распространения преградой не были ни климатические пояса, ни государственные границы, ни общественно-экономические условия. Он окружает нас всегда и везде. К его присутствию мы привыкли настолько, что почти не отдаем себе отчета о месте бетона в материальной культуре современного мира. А ведь он является тем столпом, на котором держится современное строительство. В нашей жизни он старательно скрывается за облицовкой и всевозможными покрытиями как нечто неприличное, чего не следует выставлять напоказ. А в сущности, мы должны им гордиться.

… Париж, 1855 г. Первая всемирная выставка. Среди кринолинов, цилиндров и фраков «доброго старого времени», рядом с огромным локомотивом Круппа и розовым монгольфьером последней модели затерялся, оставшись почти незамеченным, экспонат француза Ламбо — лодка из металлической сетки, покрытой цементом. Действие происходило под 50-метровыми стальными арками выставочного павильона, построенного специально для этого случая и являвшего собой чудо строительного искусства того времени. И это символично: под сводами из уже широко применяемого и сравнительно хорошо изученного материала — стали — скромно появился материал следующего века — железобетон.

Несмотря на такой документально засвидетельствованный факт, нынешние историки затрудняются назвать имя первооткрывателя этого исключительного материала. Сведений об отдельных изобретениях такого рода не так уж мало, но их половинчатый характер едва ли достаточное основание для присуждения лавров первооткрывателя. А ведь речь идет об открытии «столпа современного строительства»!

В 1861 г, француз Куанье опубликовал первую известную статью, посвященную будущему материалу. В статье описывались его предполагаемые возможности и подчеркивалось, что через некоторое время он займет ведущее положение. В 1967 г. Франция торжественно отмечала 100-летие железобетона, причем «героем дня» был садовник Монье. В 1867 г. он получил первый патент на необычайный симбиоз бетона и стали. Но история часто бывает несправедливой: запатентованные Монье армированные цветочные горшки, трубы и железнодорожные шпалы были эмпирическим продуктом, неким формальным железобетоном, который еще не был оплодотворен теоретической идеей. Она будет наполовину высказана только через 10 лет, а окончательно сформулирована еще 40 лет спустя, чтобы претвориться в жизнь в наши дни.

О бетоне мы рассказывали уже достаточно много. В сущности, это просто искусственный камень. Но, в отличие от природного камня, бетон может принимать различные конструктивные формы, застывать в самых необычных, нестандартных положениях, что делает его идеальным материалом для архитектурно-строительного творчества. С течением времени его прочность на сжатие (а она, как мы уже знаем, действительно каменная) не только не уменьшается, а, напротив, увеличивается. Хотя его рабочая диаграмма сильно отличается от рабочей диаграммы идеально упругого тела, но это не так уж страшно. Хуже то, что деформации реализуются не сразу после нагрузки, а медленно, постепенно, с течением времени; бетон ползет. Такая ползучесть бетона — весьма неприятное свойство, поскольку ведет к перераспределению усилий, которое трудно предусмотреть. Деформируемость бетона является причиной и другого типа перераспределения усилий, которое, в отличие от первого случая, оказывается даже желательным. Пластичность и «податливость» материала подобна аварийным клапанам в паровых котлах; благодаря этому опасность взрыва и катастрофы резко уменьшается. Более того, естественная «податливость» бетона приводит к более активному включению в работу слабо нагруженных сечений элемента, и конструкция используется более полноценно. Разумеется, поскольку это связано с пластическими деформациями, существует и оборотная сторона. Однако важнее другое — отсутствует опасность хрупкого, внезапного разрушения при работе бетона на сжатие.

Низкая цена и недефицитность бетона несколько омрачаются его исключительно малой прочностью на растяжение. Не трудно себе представить, где именно сильнее всего скажется это пренеприятное обстоятельство — в работе бетона на изгиб. Задолго до того, как будет полностью включена в работу зона сжатия и появятся описанные выше пластические явления, растягиваемая зона окажется на пороге разрушения.

А теперь несколько слов о «партнере» бетона — стали. Сталь — один из самых прочных материалов, известных человеку. Но и один из самых дорогих. В железобетоне используется почти исключительно прочность стали на растяжение, благодаря чему получается новый, сверходнородный композиционный материал. Замечательно в этом симбиозе то, что по сравнению со стальными конструкциями расход стали значительно снижается. Роль стали в железобетонных конструкциях подобна роли, которую играет в химических реакциях катализатор: относительно небольшие количества его превращают слабые или даже невозможные в иных условиях реакции в бурно протекающий процесс большого практического значения. Только в случае железобетона речь идет не о химических, а о механических свойствах. Минимальный расход такого дорогого материала, как сталь, не оказывает большого влияния на стоимость нового продукта. Железобетон несколько дороже бетона, но намного дешевле стали.

Причем сталь в данном случае попадает в «хорошие руки». Она защищена от коррозии, не нуждается в специальном уходе, а следовательно, и не требует дополнительных затрат. Более того, если даже в железобетонные конструкции закладывается арматура, которая находится в начальной стадии коррозии, то с течением времени она полностью очищается от ржавчины. Сталь хорошо защищена и от воздействия высоких температур, которые могли бы возникнуть во время пожара и самым неприятным образом отразиться на незащищенном металле. Кроме того, бетон и сталь, к счастью, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. В противном случае при изменении температуры возникали бы значительные внутренние напряжения, что сделало бы невозможным сосуществование этих двух материалов. Подобный иммунный барьер у живых организмов обычно ведет к гибели одного из «партнеров». Между сталью и бетоном такой «иммунной несовместимости» нет.

В железобетоне, как в математике, минусы взаимно нейтрализуются, а плюсы складываются. В результате получается исключительно удачная композиция из двух совершенно противоположных материалов. Сталь сообщает бетону столь необходимую ему прочность на растяжение, а бетон надежно защищает ее от внешних воздействий. Но в чем же «общая идея» этого материала?

Впервые с ее описанием мы встречаемся в американском патенте № 206112, выданном 16 июля 1878 г. на имя Тадеуша Хайата, коренного американца польского происхождения. Там мы можем прочесть: «Цементобетон — это бетон, изготовленный из цемента … в таком сочетании со сталью круглого сечения, что сталь помещается в областях, где есть растягивающие усилия». В 1885 г, та же идея была высказана немцем Кёненом.

Рис. 32. Принцип армирования: сталь концентрируется в областях, где возникают растягивающие напряжения

Действительно, главная, несущая арматура концентрируется в областях, где возникают напряжения-растяжения. Сначала методами строительной механики подробно исследуются усилия — изгибающие и крутящие моменты, нормальные и поперечные силы — и на основе полученной картины конструктор может судить о том, где в процессе эксплуатации или при аварийном состоянии могут возникнуть растягивающие напряжения. В соответствии с их величиной он определяет количество стали, которая должна быть вложена в определенные места железобетонной конструкции. На рис. 32 показаны принципиальные схемы трех наиболее распространенных железобетонных элементов — балки, плиты и вертикальной диафрагмы высокого здания. Арматура уложена со стороны растягивающих напряжений в бетоне.

Но это лишь часть правды о железобетоне. Необходимо знать, что между сталью и бетоном возникает сильное сцепление, которое практически непреодолимо вплоть до полного разрушения. А это говорит о том, что их деформации идентичны.

Рис. 33. Принцип работы железобетона основан на прочном сцеплении бетона с арматурой. При совместной деформации 0,015% бетон перестает работать, разрывается. В этот момент напряжение Арматуры составляет около 300 кг/см^2. После этого трещины свободно расширяются и арматура беспрепятственно растягивается до того момента, пока в ней не возникнут соответствующие напряжения большей величины

Простейшую схему их совместной работы в зоне растяжения мы видим на рис. 33, где показаны символические представители двух материалов в виде тел длиной, равной 1, и сечением, тоже равным 1. Два тела связаны в общий блок, который одинаково их деформирует (растягивает). Таким образом символически отражается сцепление, которое является причиной одинаковых деформаций в двух материалах. Но так как у стали модуль упругости приблизительно в 10 раз больше, чем у бетона, она (в соответствии с законом Гука) при данных деформациях будет работать с растягивающими напряжениями, тоже в 10 раз большими.

В этом и заключается рациональное зерно железобетона. Предельная, разрушительная деформация для бетона при растяжении в среднем составляет 0,15 мм на метр длины. Легко подсчитать, что в этом случае (т. е. при полном использовании сопротивления бетона растяжению) в нем возникнет напряжение 30 кг/см^2, а в стали, которая в 10 раз прочнее, — 300 кг/см^2. Но напряжение 300 кг/см^2 значительно ниже возможностей стали. Как мы помним, расчетное сопротивление арматурной стали класса A-I равно 2100 кг/см^2. Следовательно, несмотря на благоприятное соотношение напряжений в бетоне и арматуре, последняя используется не полностью… Тут мы приблизились к последней части правды о железобетоне, которая предполагает небольшую, так сказать, локальную катастрофу.

Итак, при деформации около 0,015% бетон раскрывается и «тандем» перестает существовать. Теряем ли мы от этого? Нет. Значительно более растяжимая сталь беспрепятственно реализует свою деформацию и при достижении величины, которая в 10 раз больше, чем критическая у бетона, начинает работать поистине в полную силу. Для стали класса А-III, например, она составляет 3600 кг/см^2. В сравнении со столь значительной величиной скромное общее сопротивление «тандема» — всего лишь 330 кг/см^2 — почти что ничего не значит, но это значит, что сопротивление бетона растяжению может вообще не приниматься в расчет. Оно не только само по себе мало, но и существенно ограничивает возможности стали.

Процессы в зоне растяжения железобетонного элемента, подвергающегося изгибу, можно огрублено сравнить с элементарной физической моделью, какой является полоска бумаги с приклеенной к ней резинкой. С растяжением этой несколько смешной конструкции начинаются и деформации. Но так как бумага значительно менее растяжима, чем резинка, то в какой-то момент она рвется. С этого мгновения резинка растягивается свободно, воспринимая все большую нагрузку — во много раз больше той, которую воспринимает система «бумага — резинка».

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Итак, подведем итоги. В растягиваемой зоне всех железобетонных элементов с обычной арматурой допускаются трещины. Может быть, это звучит странно и необычно, но практически только так может существовать целесообразный железобетон, только так может быть достигнут ощутимый эффект от арматуры. Иначе говоря, теория и практика современных железобетонных конструкций строятся на локальных катастрофах, которые происходят в подвергающихся растяжению объемах, после чего бетон полностью исключается из работы на растяжение.

Рис.34. Возможная картина трещин в железобетонной балке

О размерах трещин, которые возникают в реальных конструкциях, можно получить представление из рис. 34 (свободно опертая изгибаемая балка). Необходимая полезная деформация в арматуре возможна главным образом за счет трещин. При напряжении в стали 2100 кг/см^2 и модуле упругости 210 000 кг/см^2 относительное удлинение (деформация), по закону Гука, составляет 1 мм/м. Оно может реализоваться при трещинах шириной 0,2 мм, расположенных на расстоянии 20 см одна от другой.

Рис.35. Идеализированная схема напряженного состояния при изгибе железобетона. Стадия III - миг перед разрушением

Проследим стадии напряженного состояния, через которые последовательно проходит, например, среднее (наиболее нагруженное) сечение балки, от момента нагрузки до разрушения. При очень малой величине внешней нагрузки изгибающий момент тоже очень мал (рис. 35). Бетон в состоянии воспринимать незначительные растягивающие напряжения, а в связи с их незначительной величиной пластические деформации почти не проявляются. Можно сказать, что закон Гука в силе — диаграмма напряжений имеет линейный характер. Такое идиллическое положение сохраняется до того момента, пока растягивающие напряжения в бетоне не достигнут величины его прочности на растяжение (стадия I напряженного состояния).

Но изгибающий момент продолжает увеличиваться. В связи со склонностью к пластификации зона растяжения не разрывается; наиболее нагруженные нижние слои «поддаются» — начинают деформироваться при постоянном напряжении, равном прочности на растяжение, что позволяет расположенным выше и менее нагруженным слоям тоже растягиваться до того момента, пока в них не установится напряжение, равное прочности на растяжение. Этот процесс перераспределения напряжений охватывает всю зону растяжения, и их диаграмма принимает вид, близкий к прямоугольнику (стадия 1а).

Но это лишь прелюдия к локальной катастрофе. Незначительное увеличение момента неминуемо ее вызовет, и появится трещина. В этот момент все растягивающие напряжения концентрируются в арматуре. Однако напряжения в зоне сжатия все еще гораздо ниже возможностей бетона, поэтому пластификация там выражена слабо. С известными оговорками их диаграмма может считаться треугольной. С увеличением момента сжимающие напряжения постепенно достигают сравнительно большой величины, которая вполне обоснованно могла бы считаться максимально допустимой при проектировании железобетонных конструкций (стадия II напряженного состояния).

И действительно, стадия II десятки лет (а во многих странах и сейчас) была той базой, на которой проектировались железобетонные конструкции (конечно, если не принимать в расчет первых, архаичных образцов железобетона, основой расчета которых была стадия I).. Но посмотрим, что происходит потом.

С увеличением изгибающего момента начинает пластифицироваться и зона сжатия. Напряжения достигают прочности бетона на сжатие, «поддаются» и расположенные ниже слои. Постепенно диаграмма трансформируется в сильновыпуклую параболу, близкую к прямоугольнику (стадия III). Между тем арматура достигает предела текучести и тоже значительно «поддается», появляются значительные трещины, и, поскольку бетон не так пластичен, не так деформируем, как сталь, он не выдерживает этого «состояния в деформациях» и разрушается. Во всяком случае, разрушение начинается со сжимаемой зоны бетона.

Именно III стадия лежит в основе расчета железобетонных конструкций в СССР и других развитых странах, включая и НРБ. Многолетние исследования и богатый практический опыт дают достаточно оснований считать, что это не «балансирование на краю пропасти», а единственно целесообразный подход, отвечающий индивидуальности такого специфического материала, как железобетон.

Заслуживает внимания тот факт, что в различных сечениях одного и того же элемента одновременно наблюдаются все стадии напряженного состояния. Так, например, балка, показанная на рис. 34, в середине при максимальном моменте уже работает в стадии III, а с приближением к опорам и соответствующим уменьшением моментов последовательно переходит в стадии II, Iа и I.

Но у читателя не должно оставаться впечатление, что образование трещин в обычном железобетоне является чем-то полезным. Скорее, это неизбежное зло. При наличии трещин в зоне растяжения возникает опасность коррозии арматуры, а это и впрямь удар по одному из ценнейших качеств железобетона. Ширина трещин должна ограничиваться, и в некоторых случаях, например в гидротехнических сооружениях, ограничение это весьма существенное. С другой стороны, трещины значительно уменьшают общую прочность железобетонных элементов и конструкций. Кроме того, исключается возможность использования высокопрочных сталей, так как большие напряжения, которые они могут воспринять, сопровождаются значительными деформациями, т. е. образованием недопустимых трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растет гораздо быстрее, чем их стоимость, и их использование с экономической точки зрения является весьма целесообразным.

Но так или иначе трещины в обычных железобетонных конструкциях неизбежны, и мы вынуждены с этим мириться. Интересно, однако, что первое время специалисты совсем не хотели мириться с трещинами.

В течение первого десятилетия нынешнего века было выполнено множество железобетонных конструкций, и в результате наблюдений за ними в инженерном мире возникла паника. Было обнаружено трещинообразование. Для тогдашней строительной практики, имевшей дело со сталью, камнем и деревом, трещина была синонимом катастрофы, несомненным признаком цепной реакции грозной строительной аварии. Оказалось, что наличие арматуры в зоне растяжения не предотвращает растрескивания бетона. Мы об этом уже знаем, а тогдашние строители даже не подозревали.

Последовали самые крутые меры. В 1909 г. главный инженер немецких железных дорог от имени своего ведомства обязал инженеров-строителей повысить устойчивость бетона к образованию трещин с 30 до 150%. Этому примеру последовали и в других странах. Можно себе представить, каких мощных сечений и каких огромных количеств стали требовал подобный подход. Итак, на карту поставлено будущее железобетона…

Эти временные колебания, обусловленные низким уровнем тогдашних знаний, стимулировали поиски такого железобетона, который работал бы без трещин. Поэтому с самого начала развитие этого странного материала шло двумя различными, независимыми один от другого путями, вследствие чего до нас дошли принципиально различные его формы, настолько различные, что многие специалисты считают грубой ошибкой объединять их под общим названием «железобетон».

Пусть сопротивление бетона растяжению невелико, рассуждали тогдашние специалисты, пусть он легко трескается, но зато он обладает большой прочностью на сжатие. Нельзя ли предварительно создать в нем настолько сильные сжимающие напряжения, чтобы в эксплуатационном состоянии напряжения растяжения были полностью нейтрализованы? В таком случае бетон теоретически почти не нуждается в арматуре; он превращается в новый материал, совершенно отличный от исходного, с гораздо большими возможностями.

Время убедительно доказало рациональность этой простой, на первый взгляд, идеи.

Рис.36. Бесценная идея под названием "предварительно напряженный железобетон"

Рассмотрим пример на рис. 36, где представлена бетонная балка на двух опорах, которая воспринимает нагрузку, в десятки раз большую, чем та, что могла бы привести к образованию трещин и разрушению. В нижней ее части, т. е. там, где ожидаются эксплуатационные растягивающие напряжения, оставлен канал, через который протянут напрягающий элемент — высокопрочная сталь. С помощью мощных прессов канат растягивается — напрягается, а затем анкеруется в концах элемента. Получается внутренне уравновешенная система — растяжение в стали, которое вызывает сжатие в бетоне. Отдельные параметры напряжения могут быть рассчитаны таким образом, чтобы растягивающие напряжения от внешней нагрузки были полностью нейтрализованы. Это можно видеть по диаграмме нормальных напряжений на рис. 36: диаграмма предварительного напряжения суммируется с напряжением от эксплуатационной нагрузки, в результате чего получается лишь сжатие по высоте всего сечения.

Разумеется, в бетоне могут также допускаться и определенные растягивающие напряжения, что приведет к экономии. В этом случае предварительно напряженный бетон будет работать в стадии I, или, как принято в некоторых странах, — в стадии Iа. О трещинах не может быть и речи. Получается новый бетон, по поведению близкий к упругим материалам.

В сущности, то, что описано выше, является основным в идее предварительного напряжения. В действительности конструкции весьма разнообразны по форме, назначению и нагрузке, но подход один — детальное исследование действия нагрузок, выделение зоны растяжения и расчет параметров возникающих напряжений. Весьма интересны методы создания предварительных напряжений сжатия в бетоне. Здесь еще раз обнаружилась безграничная изобретательность человека. Среди множества самых разнообразных методов предварительного напряжения можно выделить две основные группы: напряжение до бетонирования и напряжение после бетонирования. В первом случае бетон укладывается на напряженную арматуру; после его схватывания арматура ослабляется и за счет сцепления, которое возникает между обоими материалами, передает усилие на бетон. Для предварительного напряжения используют тонкие высокопрочные нити (струны, проволока), а также канаты, скрученные пучки и т. д. Это — высокоиндустриализованный метод производства предварительно напряженных железобетонных элементов, поэтому он применяется в заводских условиях и предназначен для сборного строительства. На заводе элементы чаще всего изготовляют на длинном стенде. На натянутые напрягающие стальные элементы длиной в десятки метров укладывается бетон сразу для многих железобетонных изделий.

Основным недостатком этого метода является то, что проволока имеет прямолинейную форму, что ограничивает область применения таких железобетонных элементов. Зато напряжение после бетонирования, о котором мы уже рассказали (рис. 36), — метод почти универсальный. Напрягающие элементы в виде пучков стальной проволоки, кабелей или канатов помещают в специально для этого оставленные каналы, приблизительно соответствующие траекториям главных растягивающих напряжений. После «натяжения» напрягающие элементы должны быть заанкерованы в конструкции, чтобы передать ей свою силу. А ведь конструкция может весить десятки, сотни и даже тысячи тонн! Поэтому необходимы специальные закрепляющие приспособления (анкеры). Универсальность и большие возможности этого метода несколько омрачаются его трудоемкостью, сложностью и замедлением темпов работ.

Почти полвека назад на одной выставке во Франции посетители удивленно останавливались перед странным экспонатом, как будто опровергающим законы механики и вызывающим мысль об антигравитации. Экспонат — модель мостовой балки в масштабе 1:10 — состоял из пяти отдельных бетонных частей (рис. 37) удивительно малого поперечного сечения, соединенных встык без каких бы то ни было связей между ними. Балка была невероятно тонкой, ее высота была в 33 раза меньше ее длины (у обычных железобетонных конструкций это соотношение в два- три раза меньше). Экспонат не только не падал, но еще спокойно выдерживал демонстрационную нагрузку в 1200 кг без видимого прогиба, причем отдельные его части оставались плотно пригнанными одна к другой.

Эта «умопомрачительная», по определению тогдашних журналистов, конструкция была представлена и с определенной пропагандистской целью. Она должна была привлечь внимание государственных ведомств и частных фирм к возможностям предварительного напряжения, поскольку, как можно видеть на рисунке, альфой и омегой всего был параболический (фактически скрытый от глаз) напрягающий кабель, который держал бетон в режиме постоянного и сильного сжатия.

Работа в режиме постоянного сжатия — вот объяснение как приведенного выше примера, так и всего направления в развитии железобетонных конструкций, названного «предварительно напряженный железобетон», Это сжатие в рассматриваемом случае было настолько велико, что полностью нейтрализовало действие внешней нагрузки и обеспечивало плотность швов между блоками. Отсюда следует одно важное требование к конструкциям такого рода — они непременно должны быть высокопрочными. В противном случае предварительное напряжение израсходует сопротивление бетона сжатию, а внешняя нагрузка, увеличивая напряжения сжатия в отдельных точках, приведет к разрушению.

Такое же требование предъявляется к сталям для напрягаемой арматуры. Они должны быть специальными, высокопрочными, с огромным сопротивлением, так как иначе они не смогут создать в бетоне достаточно сильных предварительных напряжений. По рассмотренным выше причинам такие стали неприменимы в обычных железобетонных конструкциях, где при их действии в полную силу своих возможностей образовывались бы трещины недопустимой величины.

Положительных сторон у предварительного напряжения много. Так, например, конструкции этого рода легки, экономичны и по эстетическому воздействию значительно превосходят обычный железобетон. Их большая жесткость и несущая способность дают возможность перекрывать огромные пролеты, которые считались монополией только обычных железобетонных конструкций. Но обычный железобетон уже имеет конкурента, хотя тоже на основе вездесущей стали, но используемой в совсем малых количествах. По-видимому, это высшая форма строительства из бетона — форма, возможности которой далеко не исчерпаны.

Вот мы и рассказали о двух формах, в которых доказал свое право на жизнь один безнадежный материал. Пути обычного и предварительно напряженного железобетона пересекаются. Имея свой специфический облик, возможности и области применения в современном строительстве, они прекрасно дополняют друг друга.

ПОД ЗНАКОМ ТЕХНОЛОГИИ

Железобетон широко применяется для выполнения самых различных конструкций в обычном надземном, транспортном и гидротехническом строительстве. Рассказать обо всех этих конструкциях абсолютно невозможно. Поэтому мы познакомимся лишь с важнейшими его перевоплощениями в обычном строительстве, которое, несомненно, ближе нашему сердцу, нашей повседневной жизни. В сущности, промышленное и гражданское строительство (т. е. то; что мы называем обычным строительством) встречается нам чаще всего.

Классификация основных конструкций зданий строится в соответствии с их идеализированной статической схемой. Мы часто говорим о той или иной конструктивной системе. В сущности, конструктивных систем для этого типа зданий только три — каркасная, бескаркасная и смешанная. Каждая из них имеет свои особенности по способу строительства, поэтому делается группировка и по технологическим признакам ( так называемые строительные системы). Иногда системы по обеим классификациям объединяются в одну под общим названием «конструктивностроительные системы».

С каркасными системами, хотя и достаточно бегло, мы познакомились. Их вертикальными элементами являются стойки, а горизонтальными — балки и плиты. Несущая функция в значительной степени отделена от ограждающей, и только конструкции перекрытия предназначены одновременно для восприятия нагрузки и ограждения этажей. Первые железобетонные каркасы были выполнены примерно в начале века во Франции, в Париже, одним из «отцов железобетона» — Эннебиком. Сейчас эта конструктивная форма в бесконечных вариантах (в зависимости от строительной системы и конструктивной схемы) широко применяется во всех странах. Стойки могут быть монолитными или сборными, причем во втором случае они могут быть высотой в один этаж, в несколько этажей или во всю высоту здания. Плиты перекрытия могут воспринимать нагрузки в одном или в двух направлениях. В сущности, часто речь вообще не может идти о плитах в обычном смысле слова, так как они представляют собой элементы сложного поперечного сечения — многопустотные, лотковые или ребристые. Все это имеет одну цель — увеличение несущей способности конструкций и сокращение до минимума расхода материала. В каркасных системах все чаще используются и безбалочные конструкции перекрытия.

В первый раз такая конструкция грибообразной формы была применена в 1906 г. в США. В Европе приоритет принадлежит России: в 1908 г. видный русский и советский исследователь в области железобетона А. Ф. Лолейт спроектировал в Москве четырехэтажное здание (склад для молокопродуктов). В Западной Европе лидировала Швейцария (1910 г.). Новая система (разумеется, достаточно отличная от современных ее вариантов) за сравнительно короткое время получила широкое распространение. Определенные трудности теоретического характера были преодолены советскими учеными в 30-е годы, что окончательно «развязало руки» конструкторам.

Что наиболее характерно для безбалочных конструкций? С уверенностью можно сказать, что их название дает исчерпывающий ответ на этот вопрос. Из классической каркасной системы исключены балки, а плиты опираются непосредственно на колонны. Довоенные варианты обычно включали и капитель (расширение) в верхней части колонн. Таким образом тонкая плоская плита предохранялась от продавливания ее колонной. Сейчас капители почти не применяют. Плиты, правда, более толстые и из более прочного бетона укладывают непосредственно на колонны. Благодаря этому обеспечивается гладкий потолок, что является весьма значительным преимуществом с эстетической точки зрения. Но это чисто эстетическое преимущество просто бледнеет перед остальными.

Так, например, упрощается проблема прокладки различных инженерных сетей, так как отсутствуют препятствующие этому балки (гладкое перекрытие является идеальным для устройства лучистого отопления) ; уменьшается объем строительных работ; улучшаются санитарно-гигиенические условия; создается возможность свободной планировки. Последнее является особенно ценным. Внутренняя перегородка не фиксируется на вечные времена, поскольку нет балки, специально предназначенной для ее опирания. Здания с безбалочным каркасом функционально более гибки, они допускают различные изменения в расположении внутренних помещений и соединений между ними. В конечном счете уменьшается и общая кубатура здания, так как междуэтажная плита занимает примерно 1/20 высоты этажа, а перекрытие при балочной системе — 1/10—1/5.

Вторая конструктивная система — бескаркасная — состоит из несущих стен, плит перекрытия и покрытия. Мы часто встречаем представителей ее монолитной разновидности — здания, строящиеся с применением скользящей (или подвижной) и крупноразмерной (или крупнощитовой) опалубки, а также ее сборную разновидность — широко распространенные крупнопанельные здания. Как мы видим, здесь несущая и ограждающая функции сочетаются в одних и тех же элементах. С формальной точки зрения это — возвращение назад. Такая двойственность характерна для строительства начиная с древнейших времен и кончая недавним прошлым! Все дома с несущими кирпичными стенами, в сущности, относятся к бескаркасной конструктивной системе. И все же это «возвращение назад» в масштабах всей планеты осуществляется во имя технологичности, упрощения и ускорения строительства.

Итак, под знаком технологии. Оказывается, при нынешних масштабах и темпах строительства технологические соображения являются не менее важными, чем конструктивные. Более того, в ряде случаев речь идет в первую очередь о том, как построить, а не о рациональности и экономичности конструкции. Причин такого несколько необычного положения две: темпы работ и рабочая сила. Стремление строить быстро является естественным и закономерным; например, чем быстрее будет построен завод, тем быстрее он вольется в национальную экономику как рентабельная, приносящая доход единица, тем быстрее окупятся капиталовложения. Огромная потребность в жилье тоже может быть удовлетворена в сравнительно короткие сроки только в случае высоких темпов строительства.

Что же касается рабочей силы, то это вопрос более деликатный. С одной стороны, рабочие-строители во многих случаях являются крайне дефицитными кадрами, а с другой стороны, — особенно в промышленно развитых странах — удельный вес фонда заработной платы в общей смете строительства очень высок. Подобно тому как это происходит в промышленности, здесь тоже существует тенденция свести к минимуму человеческое участие, затраты живого труда. Иначе говоря, индустриальные методы, рожденные в промышленности почти два века назад, в середине нынешнего столетия стали актуальными и для строительства.

Дело дошло до того, что в массовом строительстве отправной точкой стала технологичность. Современные технологи произвели на свет новые, невиданные конструкции. Может быть, они не столь экономичны (по расходу материала) и не столь целесообразны, как хотелось бы с точки зрения статики, но они обеспечивают высокие темпы строительства и сокращение затрат живого труда. Ярче всего это проявляется в случае железобетона.

В первые теплые дни апреля по площадке, отведенной под строительство, сновали ловкие люди с плотницким инструментом в руках и складными метрами в задних карманах. Пока они мерили и пилили доски для опалубки, другие люди, с лопатами и кирками, завершали рытье котлована под фундаменты, а третьи разгружали цемент, кирпич, песок, щебень. В мае объект уже оглашался воем бетономешалки и короткими криками на польском, ирландском или итальянском языках — в зависимости от того, в какой стране происходило действие. Этот жизнерадостный шум продолжался до начала зимы; тогда люди уходили, и остались холодные, незавершенные корпуса. Начинался «мертвый» сезон.

До сравнительно недавнего времени считалось, что строительство из железобетона имеет сезонный характер. Во всех странах умеренного пояса с первыми холодами кончались все основные технологические процессы. Получается странный парадокс: одна из важнейших отраслей материального производства простаивает в течение полугода, тогда как фабрики и заводы продолжают выдавать свои изделия независимо от сезона.

В отличие от всех других продуктов технической цивилизации продукт строительства создается непосредственно на месте его потребления.

Представим себе на минуту, что так обстояло бы дело и с другими промышленными изделиями, например с газовыми плитами: цех со всеми машинами, источниками энергии и рабочими бродит из квартала в квартал, из города в город, чтобы произвести продукцию именно там, где она будет использоваться (на кухне).

Ужасно, не правда ли? К сожалению, почти так же ужасно обстоит дело и в строительстве.

Трудность заключается в том, что классический бетон является монолитным материалом. Изготовление конструкции осуществляется на стройплощадке. Практически все происходит на стройплощадке. Правда, сезонность работ в значительной степени преодолена. Существуют методы бетонирования в зимнее время, которые хотя и замедляют процесс строительства, но зато превращают его в непрерывный. С другой стороны, есть операции, например приготовление бетонной смеси или изготовление арматуры, которые вполне могут выполняться на специальных бетонных заводах и в арматурных цехах. Но сама конструкция, несмотря ни на что, создается на строительной площадке. Монолитность, столь ценная со статической и конструктивной точки зрения современных требований оказывается минусом.

Символы технического прогресса — конвейерное производство и автоматизация — нашли свое место и в древнем плотницком ремесле, возведя его до уровня современного индустриального строительства.

Один из его видов называется «строительство из сборного железобетона».

СУПЕРМАРАФОН…

Что было бы, если бы мы начали производить дома на заводе? Это предполагает поточные линии, стопроцентную механизацию, автоматизацию отдельных операций — все огромные плюсы промышленных методов. В результате с конвейерных линий ежедневно сходят новые дома, а в печати мы читаем сообщения: «… Сегодня домостроительный комбинат №… выпустил 100-тысячную за год квартиру…».

Подобная, хотя и не столь идиллическая картина для нас не новость. Сборное строительство постепенно становится частью нашей будничной жизни, и мы почти не отдаем себе отчета, какая революция произошла в строительстве, какой гигантский скачок был сделан от векового традиционализма к нашему времени.

Разумеется, производят не готовые дома, а части домов — отдельные сборные элементы, которые монтируют на объекте. По-видимому, обычная фаза неизбежна, но она может измениться до неузнаваемости. Существует стремление перенести как можно больше процессов в заводские условия, выполнять там даже штукатурные и плиточные работы, работы по устройству полов, монтировать коммуникационные сети, изготовлять полностью укомплектованные санитарные узлы, так чтобы оставалась только сборка здания, а пресловутые отделочные работы были сведены к минимуму.

Сейчас на домостроительных комбинатах и строительных заводах НРБ выполняется около 80% всех работ по сооружению зданий. Высокие темпы, которые достигаются благодаря этому, сделали сборное строительство в Болгарии и других социалистических странах «направлением номер 1».

Несколько слов об элементах, применяемых в сборном строительстве. Часто они весят десятки тонн, не менее внушительны и их размеры. Но точная величина — это проблема из проблем. С одной стороны, чем больше элементы, тем лучше, тем большая часть работ выполняется на заводе (что означает дополнительный заводской эффект). Так что с этой точки зрения желательно, чтобы сборные элементы имели размеры здания, которое строится, и на строительной площадке вообще не производились строительные работы как таковые.

Но тогда возникает вопрос: как перевозить с завода на объект такие огромные элементы? Дороги и дорожные сооружения предусмотрены для транспортных средств со строго определенными габаритами, которые не могут быть превышены. Мосты рассчитаны на предельную загруженность проезжающего по ним транспорта, которая представляет собой отнюдь не астрономическое число. А сами транспортные средства, которые будут перевозить элементы? Двухсоттонные автомобили-гиганты в наше время являются пределом. Кроме того, доставленные каким- либо образом на объект элементы должны быть смонтированы, а подъемные средства тоже имеют ограниченные возможности.

Поэтому от целого мы неизбежно придем к более мелкой его части. Возникает ряд конструкторских проблем в связи с тем, как «разрезать» на части монолитную конструкцию, чтобы существенно не пострадала ее статическая работа, а соединения между отдельными элементами (которые выполняются на стройплощадке) не оказались слишком сложными и трудоемкими. Например, в случае расчленения многоэтажного каркасного здания по высоте существует несколько возможностей. Рассмотрим две из них.

Стойки «разрезаются» в уровнях перекрытий. Такое расчленение имеет большие преимущества с точки зрения технологии, однако соединения между элементами должны непременно воспринимать и изгибающий момент (именно в уровне перекрытия моменты при землетрясениях и ураганах достигают наибольшей величины). Следовательно, необходимо обеспечить непрерывность арматуры в месте соединения, что не так просто. Вообще жесткие соединения являются самыми дорогими, самыми трудоемкими и требуют наибольших затрат времени. Если же, несмотря ни на что, мы откажемся от жестких соединений, надо будет проектировать специальные вертикальные диафрагмы, которые бы воспринимали усилия при землетрясениях, и ураганах.

Колонны «разрезаются» в уровнях, расположенных между смежными перекрытиями. Такое расчленение приводит к трудностям производственного и строительного характера, но зато соединения между колоннами упрощаются — они могут быть и нежесткими (в определенных местах моменты при ветре и землетрясении значительно меньше). Однако связи между балками и колоннами должны быть жесткими, т. е. должны воспринимать изгибающие моменты (так же, как и в первом случае) .

Проблема соединений конкретно решается на фоне конкурентной борьбы двух методов: сварки и замоноличивания бетоном. Сварка обеспечивает высокие темпы работ, но если она доминирует, мы выходим за рамки специфики железобетона и вступаем на «территорию» стальных конструкций, что не может не отразиться на стоимости строительства. С другой стороны, более естественный в данном случае метод — замоноличивание — является весьма трудоемким и приводит к снижению темпов работ. Поэтому два метода соединения элементов применяются в принципе совместно (да иначе и быть не может), но их взаимное «дозирование» является довольно сложным делом.

Не последнее место при расчленении занимают и соображения инженера-технолога завода, на котором изготовляются элементы. Желательно, чтобы элементы имели как можно более простые сечения и линейные очертания, без выступающих частей, углублений и т. д. Сложные контуры элементов затрудняют их изготовление, хранение, транспортировку и монтаж. Но все это желательные, а не обязательные требования.

Пределом укрупнения сборного строительства являются так называемые объемные элементы, которые имеют размеры помещения или группы помещений. Существует четкое стремление к тому, чтобы они поставлялись заводом-изготовителем в полностью укомплектованном виде (только что без занавесок и картин на стенах). Определенно можно сказать, что им принадлежит будущее. Внедрение методов строительства зданий из таких элементов в СССР, ГДР и НРБ является живой иллюстрацией аллегорического выражения «растет не по дням, а по часам». Предпринимаются попытки их транспортировки и монтажа с помощью вертолетов и даже дирижаблей. Это тот путь, который поможет сборному строительству проникнуть и в наиболее труднодоступные районы.

А каковы возможности сборного строительства? Практически не ограниченные. Строятся даже сборные дороги и аэродромы. Новый метод оказался незаменимым не только в жилищном, но и в промышленном строительстве: короткие сроки строительства определяют быстрый ввод новых мощностей и приближают на целые годы дату их окупаемости. В НРБ промышленные здания строятся именно таким образом. Разработанная в стране еще в 60-х годах «Номенклатура сборных элементов одноэтажных промышленных зданий», которая постоянно совершенствуется и дополняется, позволяет проектировщику в буквальном смысле слова собирать из каталогизированных элементов самые разнообразные промышленные здания, удовлетворяющие нужды почти всех видов производства. Это — здания каркасно-панельной системы. После монтажа основных несущих элементов (стоек, балок) полученный каркас ограждается соответствующими стеновыми, кровельными и светопрозрачными панелями.

Для магазинов, общественных и административных зданий, лечебных учреждений и учебных заведений в НРБ внедряются все более эффективные сборные системы — каркасно-панельные, каркасно-безбалочные и смешанные, что являются результатом ответственной творческой работы по типизации и унификации архитектурно-эксплуатационных и конструктивных параметров. Вопрос этот имеет исключительно важное значение, поскольку типовой проект обеспечивает одно серийность домостроительных комбинатов, а именно это и является основой наибольшей эффективности индустриальных методов. Однако, с другой стороны, типовой проект приводит к безрадостному однообразию архитектуры жилой застройки, которое всем нам хорошо знакомо. Необходимая гибкость, т. е. возможность с помощью определенного набора унифицированных элементов вносить разнообразие не только в планировочную схему, но и в эстетический облик зданий, вполне достижима и в сборном строительстве ближайшего будущего.

Бесспорно, самой распространенной формой сборного строительства, часто отождествляемой с ним самим, является критикуемое, осмеиваемое … и тем не менее спасительное крупнопанельное строительство. Элементы (стены, перекрытия) с размерами на комнату исключительно технологичны и к тому же оказываются решающими для сальдо, которое специалисты подсчитали еще в 50-е годы. Сейчас нет другого средства, чтобы решить проблему жилищного кризиса, который наблюдается почти во всех странах мира. То обстоятельство, что крупнопанельное строительство еще далеко не совершенно, — другой вопрос. Однако не следует забывать, что и появилось оно сравнительно недавно. Против монотонности его архитектурного облика и жестких планировочных решений мыслью и карандашом борется уже второе поколение специалистов… И все же в значительной степени это проблемы сборного строительства в целом. Но именно в жилищном строительстве (по вполне понятным причинам) его недостатки драматизируются и становятся предметом всеобщего обсуждения, чем неоднократно пользуются некомпетентные противники сборного метода.

Сейчас от технологов требуется все, на что они способны. Не составляют исключения и заводы по изготовлению сборных элементов. Надо ли, чтобы бетон достигал окончательной прочности, на которую рассчитана конструкция? Разумеется, нет. Достаточно, чтобы он достиг прочности, достаточной для транспортировки (довольно малой), и элемент уже на пути к объекту. Но нельзя ли сократить и те несколько дней, в течение которых бетон набирает транспортировочную прочность? Ответ здесь может быть только один: да. Используются различные методы для ускорения процесса схватывания и твердения бетона — электронагрев, инфракрасное излучение — и дни сводятся к часам. А почему бетон должен быть тяжелым? Если он станет легче … немного легче, эго даст столько новых преимуществ: элементы будут больше, транспортировка и монтаж проще, а строительство быстрее. Именно поэтому внедряются легкие бетоны на базе легких заполнителей природного и искусственного происхождения.

Объект, который строится сборным методом, выглядит совсем не так, как может представить нам наше не лишенное инертности воображение. Нет бетономешалки, каркаса, не слышно стука топоров и визжания пил. Трудно увидеть и людей — их совсем мало. Зато обращает на себя внимание работа подъемного крана — автокрана или башенного крана, он — основная фигура на объекте. Есть несколько монтажников, несколько сварщиков — и это все. Человек может возводить огромные корпуса при минимальных трудозатратах и притом за считанные дни. Резкое снижение затрат «живого труда» — одно из самых ценных качеств сборного строительства.

Это — один из важнейших показателей современного производства. В этом отношении наше строительство сделало качественный скачок вперед, который позволил при относительно трудных и специфических условиях добиваться результатов, соответствующих темпам производительности труда других отраслей производства.

Что же сказать в заключение? Может быть, то, что сборность — принцип, естественный только в случае применения стальных и деревянных конструкций. Применение его для железобетона является не таким легким и не таким естественным. Для железобетона естественна монолитность, с нарушением которой мы многое выигрываем, но многое и теряем. Однако окончательный баланс — в пользу сборности.

… И ЕГО КОНТРАПУНКТ

Логично было бы ожидать, что все плюсы сборного строительства являются «черными» минусами классического монолитного метода. Однако в последние годы мы стали свидетелями определенного перерождения, переоценки. Монолитное строительство — порицаемое, заброшенное, запрещаемое — встало на путь изменения облика строительной площадки, отнимая тем самым часть лавров у сборного строительства. Это стало возможным благодаря созданию ряда новых технологических методов возведения монолитных конструкций.

Трудно сказать, что сразу преодолены все «черные» недостатки монолитного строительства. Да, кроме того, не все они такие уж «черные», и даже не все являются недостатками. Например, отсутствие заводского звена в производственном цикле не освобождает от необходимости выделять определенные капиталовложения на домостроительные заводы, т. е. при сравнительно небольших затратах всегда можно развернуть широкое строительство, не переводя его полностью на индустриальную основу.

Причиной всех этих недоразумений является опалубка. В ней он твердеет, набирает прочность, зреет. При обычных и уже отвергнутых методах выполнения монолитных конструкций опалубка сколачивалась из досок и балок. А это — тысячи кубометров крайне дефицитных лесоматериалов, которые в значительной степени уже не годны для повторного употребления, поскольку были разрезаны специально для конкретного случая. При этом дерево необходимо как для самой опалубочной формы, так и для лесов, которые ее поддерживают. Если прибавить еще большие затраты труда и времени на выполнение этих плотницких работ, «портрет» классической формы опалубки будет совсем полным. Опалубка — самое слабое звено монолитных конструкций. И именно укрепление этого слабого звена лежит в основе всех технологий монолитного строительства.

Начнем со скользящей (или передвижной) опалубки. Идея состоит в следующем: после укладки фундаментов по всему периметру здания, а также на местах несущих внутренних стен выполняется опалубочное кольцо высотой порядка 1 м. Специальными гидравлическими, механическими или пневматическими устройствами кольцо постепенно передвигается (скользит) со скоростью около 15 см/ч. Такова и скорость, с которой растет здание. Непрерывно укладываются арматура и бетон. В тот момент, когда нижний край скользящей опалубки освобождает затвердевший бетон, прочность последнего составляет уже около 5 кг/см^2, чего вполне достаточно, чтобы он выдержал тяжесть находящейся в опалубке конструкции вместе со всеми подмостями на ней, оборудованием и людьми. Таким образом, при сравнительно высоких темпах строительства могут возводиться здания большой этажности.

Другая технология — метод подъема перекрытий — позволяет возводить монолитные здания с очень гибкой планировкой (при скользящей опалубке несущие внутренние стены сковывают свободу планировки будущих помещений). Гибкость прекрасно сочетается с почти полным исключением опалубки.

Все дело в том, что плиты — от первой до последней — отливаются на бетонном настиле, устроенном поверх насыпи, закрывающей основание. Перенесение основных строительных операций на уровень земли значительно облегчает процесс строительства. Но посмотрим, как плиты занимают свои места по высоте здания.

В определенных местах на плитах располагаются подъемные гидравлические механизмы. Они опираются на прочные стальные стойки, которые проходят через отверстия в плитах и стоят на фундаментах. Сам пакет перекрытий висит на тонких металлических прутьях; они тянут его наверх под напором масла в цилиндрах. Одна важная особенность: подъемные устройства должны работать синхронно, т. е. за одно и то же время поднимать пакет на одну и ту же высоту. В противном случае плиты могут треснуть и этот метод строительства скомпрометирует себя.

Когда самая нижняя плита пакета перекрытий достигает уровня будущего второго этажа, пакет останавливается и под него подводят готовые железобетонные стойки, на которые он опускается. Число колонн равно числу подъемных механизмов, так что под каждым из них находится железобетонная стойка. Затем стальные стойки подъемного устройства ставят на специальные элементы в верхней части колонн, чтобы продолжить подъем.

Строящееся таким образом здание растет со средней скоростью 5 см/ч. Высокие темпы строительства, к сожалению, омрачаются некоторыми достаточно сложными предварительными мероприятиями. Так, например, чтобы обеспечить устойчивость пакета во время подъема (а также в условиях эксплуатации — при ветре и землетрясении), необходимо прежде всего построить лестничные клетки, которые включают в свой объем сами лестницы, лифтовые шахты, мусоропроводы и т. д. Лестничные клетки сооружают при этом чаще всего методом скользящей опалубки. В результате образуется башнеобразная опора, на которую пакет может опереться, если во время подъема что-нибудь его раскачает. Но все это удлиняет время строительства.

С другой стороны, поскольку в эксплуатационных условиях для восприятия горизонтальных сил необходимы вертикальные диафрагмы, они должны дополнительно воздвигаться в процессе подъема. Этот мокрый и длительный процесс и определяет скорость, с которой возводится здание. Во всяком случае, именно эти два момента устанавливают предел темпов строительства, который преодолеть невозможно.

В некоторых странах применяется оригинальный вариант метода пакетно поднимаемых плит перекрытий, который называется «лифт слеб». При этом варианте стойки непрерывные и имеют высоту, равную высоте здания. Это значительно ускоряет строительство: отпадает необходимость предварительного выполнения лестничных клеток, а часто и всех вертикальных диафрагм. Благодаря жестким соединениям в уровне этажей конструкция работает как рама, в которой горизонтальным несущим элементом является сама плита. Но необходимы тяжелые подъемные средства, поскольку вес стоек достаточно велик. В болгарском варианте метода «лифт слеб» стойки имеют высоту этажа, они значительно легче. Поэтому самым тяжелым механизмом, который можно видеть на объекте (разумеется, за исключением гидравлических устройств), является почти «карманное» приспособление для подъема и установки стоек на этажах.

До сих пор речь шла о довольно необычных методах строительства. Эта необычность, естественно, ограничивает область применения и возможности этих двух систем. При скользящей опалубке ограничением является жесткая планировка, а при методе подъема этажей — небольшая этажность. А нельзя ли строить классическими методами, но чтобы опалубочная форма использовалась многократно? Если у этой формы будет большая площадь, например соответствующая площади стены или плиты, преимущества очевидны: «одним махом» будет образовываться плоскость, на создание которой уходили часы. В сущности, именно в этом основная идея различных систем крупноразмерной (или крупнощитовой) опалубки — самого перспективного направления в современном монолитном строительстве. Но простая, на первый взгляд, идея для своего воплощения требует решения сложных и противоречивых архитектурнопланировочных и функциональных проблем, проблем типизации и модульной координации.

Основными действующими лицами здесь являются большие опалубочные формы из металла или дерева (в сочетании с металлом), с помощью которых сразу оформляется плоскость плиты или стены. Формы являются многооборотными, т. е. могут использоваться от 50—60 до 500—600 раз. В ряде случаев полученные поверхности бывают настолько гладкими, что не требуют дополнительной обработки: на стены сразу можно наклеивать обои.

Поднимемся, например, на третий этаж здания, которое строится с помощью таких опалубочных форм. Стены этажа уже выполнены, опалубка снята, но над ними еще предстоит уложить следующие плиты. Здесь происходит дифференциация строительных систем. В одних случаях форма похожа на стол: у нее телескопические ножки с колесиками. О помощью этих ножек форма поднимается и устанавливается перед выполнением плиты, а после затвердевания бетона они убираются и форма опускается, «отставая» от бетонной плиты. Колесики позволяют передвинуть форму к фасаду, где ее поднимет кран, чтобы перенести на следующий этаж для дальнейшего использования. Этот род опалубки имеет ценное преимущество, так как позволяет выполнять каркасные конструктивные системы. Поскольку в этом случае вертикальными несущими элементами являются колонны, а не стены, планировка может быть свободной.

Иначе обстоит дело с другой разновидностью крупноразмерной опалубки, которая жестко соединяется со стенами. В этом случае опалубочная форма для плиты напоминает ящик стола: она выдвигается и после затвердевания бетона откатывается на колесиках по временным консолям, которые монтируют в верхней части стен. Абсолютно жесткая планировка бывает и при так называемой объемно-переставной (или туннельной) опалубке, которая является высшей степенью укрупнения опалубочных форм, так как сочетает в себе опалубку и для стен, и для плит. По внешнему виду она напоминает туннель и образует сразу целое помещение. После укладки и схватывания бетона с помощью специальных устройств объем туннеля уменьшается, он отходит от бетона, а затем, подобно двум вышеописанным формам, перемещается к фасаду, где его поднимает башенный кран. Так строят бескаркасные конструктивные системы, но в отличие от крупнопанельного строительства — высокоиндустриализованным монолитным методом.

Одним из важнейших критериев жизненности всякой новой строительной системы является архитектурно-эстетический; он определяет, какие объемно-планировочные ограничения накладывает система, каков внешний облик новых зданий. В этом отношении крупнощитовая опалубка взяла все лучшее от монолитного строительства, включая и то, что она не имеет существенных ограничений. Здания могут быть каркасными, бескаркасными, балочными, безбалочными, даже отчасти … сборными. Таким методом могут создаваться и достаточно уникальные здания. В сочетании с современными методами укладывания и уплотнения бетона, ускорения его твердения эта система переносит индустриализацию с завода на стройплощадку и позволяет монолитному строительству шагать в ногу со временем.

ЭССЕ НА ТЕМУ…

ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ

В строительной статике негласно предполагается, что напряженное и деформативное состояние конструкций является устойчивым. Поэтому конечная цель статического исследования практически обусловливается тремя обстоятельствами: чтобы напряжения в любой точке конструкции не превышали допустимых пределов, чтобы перемещения любой точки не превышали допустимых пределов и чтобы конструкция в целом была достаточно устойчивой к сдвигу ( в зависимости от конкретного случая) . С древнейших времен до самого недавнего прошлого использовались материалы малой прочности, конструкции получались массивными и перечисленные три условия полностью исчерпывали возможные случаи катастроф, которые не должны были происходить.

Постепенно «хозяевами» строительной площадки оказались сталь и железобетон. Как мы уже знаем, это материалы большой прочности и элементы конструкций из них получаются тонкие, стройные. Конструкции становились все более легкими и экономичными, однако с течением времени специалисты постепенно начали понимать, что напряженное и деформативное состояние иногда может быть крайне неустойчивым. Тысячи примеров и результаты наблюдений свидетельствуют о внезапном разрушении отдельных элементов и целых конструкций при напряжениях значительно меньших, чем те, на которые они были рассчитаны. Обнаружилось почти неизвестное в прошлом явление, и его изучение оказалось неизбежным: ставилось на карту будущее новых материалов и конструктивных форм.

… 14 мая 1891 г. в швейцарском поселке Манхеншайн, расположенном на трассе Симплонской железнодорожной ветки, которая отходит от магистрали Париж—Женева, было получено печальное известие. В этот день внезапно разрушился мост на р. Брис, по которому в этот момент проходил пассажирский поезд. Погибли 74 человека, около 200 были ранены.

Первоначальный проект моста был разработан под руководством главного инженера железнодорожной компании, а строительство поручено всемирно известному Густаву Эйфелю. Согласно договору, Эйфель имел право на изменение проекта, если 60% достигнутой экономии останется за его фирмой. Получилось так, что французы приступили к строительству моста по совершенно новому проекту; мост уже не был арочным, его конструкция представляла собой свободно опертую балку пролетом 42 м и высотой 6 м.

После нескольких лет эксплуатации, после перерыва, связанного с ремонтом и усилением конструкции в связи с появлением более мощных и более тяжелых паровозов, пришел роковой день.

Около 10 ч утра к станции Манхеншайн медленно приближался экспресс Женева—Париж. Так как это был участок, где поезд преодолевал крутой склон, скорость его составляла около 25 км/ч. По свидетельствам очевидцев, когда состав достиг середины моста, тот внезапно рухнул, увлекая за собой и паровозы, и большинство вагонов. Несмотря на то что мост был достаточно велик, а его устои низки, из 12 вагонов в реку упали 7. Позже это было объяснено конструкцией вагонов, которые были очень легкими и слабыми; напирающие сзади вагоны разбивали и сталкивали в реку те, что были перед ними. Восьмой вагон угрожающе повис, остановившись на левом, базельском устое, и затем тоже упал вниз.

Швейцарское правительство поручило вести расследование известным профессорам Ритеру и Тетмайеру. По их единодушному заключению, главная причина катастрофы крылась в средних раскосах фермы, которые проектировались, по всей вероятности, как растянутые. В действительности же при определенной нагрузке они работали на сжатие и их тонкость была причиной внезапной потери устойчивости.

За редкими исключениями, все аварии и катастрофы стальных конструкций связаны с потерей устойчивости отдельными элементами или конструкцией в целом. Опасность потери устойчивости особенно велика потому, что она происходит внезапно. Начальные симптомы чаще всего отсутствуют, а ослабление даже сравнительно не ответственного элемента влечет за собой цепную реакцию огромных масштабов. Все происходит в течение считанных секунд.

Рис.38. Потеря устойчивости является мрачным спутником технического прогресса в конструктивных формах

Для иллюстрации этого явления мы воспользуемся хрестоматийным примером, представленным на рис. 38 (стержень, подвергающийся осевому сжатию). При малой величине сжимающей силы случайное отклонение стержня не является опасным: колеблясь, отклоняясь от своей оси, он быстро восстанавливает первоначальное положение. Как сказал бы специалист, стержень находится в состоянии устойчивого равновесия. Это явление можно сравнить с поведением струны, но там сила является растягивающей и в принципе помогает струне быстрее восстанавливать прямолинейность, а здесь сжимающая сила препятствует восстановлению прежнего положения. Действительно, при определенной величине внешней сжимающей силы отклонившийся от своего первоначального положения стержень уже не возвращается в прежнее положение. Это состояние безразличного равновесия является прелюдией к катастрофе: при увеличении силы стержень внезапно и сильно выгибается. Если материал оказывается хрупким, происходит мгновенное разрушение, если же гибким — необратимое искривление.

Для конструктора особенно важно в каждом конкретном случае знать величину силы, при которой равновесие становится безразличным. Но в любом случае эта величина должна быть больше возможного максимального усилия в стержне. Такая сила называется «критической силой», а соответствующие напряжения — «критическими напряжениями». Критические напряжения меньше расчетного сопротивления материала, и именно в этом заключается коварство искривления: преждевременно выйдет из строя неукрепленный сжатый стержень, и в результате будет ослаблена конструкция. Под сжатым стержнем мы подразумеваем многие конструктивные элементы: стержни фермы, колонны здания, стойки рамы, опоры мостов.

Рис.37. Рекламная балка из предварительно напряженного железобетона

Подобно тому, как в случае элементов, работающих на изгиб, распределение изгибающих моментов зависит от опирания, так и в случае осевого сжатия условия опирания сильно влияют на величину критической силы. На рис. 37 хорошо видно, что величина критической силы, а следовательно, и несущая способность элемента тем больше, чем жестче опоры. В самом невыгодном положении оказываются консоли, которые искривляются под действием силы в четыре раза меньшей, чем та, что является критической для закрепленного с двух сторон стержня.

Но все это относится к стержням одинаковой длины и с одинаковым поперечным сечением. Если для элементов, работающих на растяжение, их длина и форма поперечного сечения значения не имеют, то при сжимаемых элементах положение совершенно иное. Трудность заключается в том, что при потере устойчивости элемент, по существу, выгибается; в связи с этим целесообразное поперечное сечение должно иметь такую форму, которая обеспечивала бы большое сопротивление изгибу.

22 января 1913 г. в Нью-Йорке внезапно рухнул во время строительства огромный театр «Орфеум». От внушительного здания остались только стены. Катастрофа произошла в 17 ч 20 мин, т. е. вскоре после того, как 200 рабочих покинули объект. Главной причиной была потеря устойчивости двумя высокими колоннами, поддерживающими покрытие. Как выяснилось при расследовании, проектировщик неправильно учитывал условия опирания колонн. В верхней части, как он считал, колонны должны были упираться в ферму покрытия, чего практически не было. Рассчитывал он также и на включение в работу двух промежуточных жестких опор — на уровне балкона и на уровне авансцены, чего тоже в натуре не было. Катастрофа произошла при нагрузке, которая была значительно меньше эксплуатационной.

Рис.39. Две возможные формы потери устойчивости рамной конструкции

Строительная практика преподносит нам много случаев, значительно более сложных, чем модель прямого сжатого стержня. Таким случаем являлись и колонны театра «Орфеум». У сложных систем не один, а несколько элементов могут потерять устойчивость (рис. 39), соответственно при различной по величине критической силе. Важнейшей из них, разумеется, является наименьшая. Именно поэтому необходимо все потенциально опасные элементы исследовать на потерю устойчивости. Искривление элемента в значительной степени зависит от рабочей диаграммы материала, поэтому при исследовании стальных конструкций используются одни методы, при исследовании деревянных — другие, а при исследовании железобетонных — третьи. Действительность всегда намного сложнее идеализированных условий, в которых иногда рассматривается явление. Проблемы возникают разные даже в случае простого сжатого стержня. Во-первых, он никогда не нагружен точно по оси, чаще всего имеются и поперечные нагрузки, и изгибающий момент. Но даже если они и отсутствуют, какая-нибудь случайная (например, монтажная) внецентричность нагрузки вносит условия, которые становятся причиной будущего искривления элемента. Во-вторых, стержень никогда не бывает идеально прямым, поскольку еще при изготовлении ему придается определенная, хотя и незаметная на глаз кривизна. Некоторый локальный изгиб может произойти и во время транспортировки или монтажа. Не последнюю роль играют и нарушения условий эксплуатации. Известен случай, когда в цех надо было вкатить крупногабаритный груз, а этому всего на несколько миллиметров мешала стойка одной из рам здания. Рабочие ломом попытались «слегка ее отогнуть», и элемент потерял устойчивость, увлекая в катастрофу конструкцию на значительной площади цеха.

Рис.40. Потеря устойчивости в арочной конструкции

Рис.41. Потеря устойчивости в изогнутом элементе

Но на самом деле все обстоит еще сложнее, потому что потеря устойчивости представляет потенциальную угрозу для всех сжатых элементов и конструкций. Вопрос этот особенно важен для арочных конструкций (рис. 40), для некоторых плит, для большинства оболочек. Более того, может потерять устойчивость и изгибаемый элемент (рис. 41). Это одна из наиболее острых форм конфликта между конструкцией и нагрузкой … и даже, можно сказать, самый опасный вариант этой невидимой борьбы.

ДРАМАТИЧЕСКАЯ ФОРМА НЕВИДИМОГО КОНФЛИКТА

Летом 1940 г. успешно закончилось строительство большого висячего моста на р. Нероуз у города Такома (США, штат Вашингтон). Через несколько месяцев весть о нем облетела весь мир, а его короткая, но драматичная история послужила сюжетом для многочисленных очерков, нескольких книг и даже для одного художественного фильма. Пресловутый Такомский мост навсегда занесен в черную книгу истории техники как одна из множества жертв невидимого конфликта.

Его размеры: центральный пролет — 854 м, два боковых пролета по 336 м, ширина — 12 м (два дорожных полотна и два тротуара). Вся конструкция висела на двух стальных канатах диаметром по 438 мм. Еще одна важная особенность: высота балок жесткости на уровне дорожного полотна (стальные балки двутаврового сечения) составляла лишь 1/300 центрального пролета. Подобное малое поперечное сечение столь ответственных элементов еще и сегодня вызывает удивление.

В это время в технических кругах США уже носились слухи об опасном Уайтстоунском мосте. Его динамическая неустойчивость давала основания думать, что при определенных условиях может произойти и катастрофа. На этом тревожном фоне поведение моста на р. Нероуз внушало еще большие опасения; это был мост, по инженерной смелости претендовавший на уникальность, но еще во время строительства его путевое полотно обнаруживало значительные колебания даже при совсем слабом ветре — в иные дни амплитуда колебаний достигала полутора метров. В течение всех четырех месяцев своего существования мост, «оживавший» с каждым дуновением ветра, так и не был сдан в эксплуатацию.

Незадолго до «знаменательного» события специалисты приступили к спешным испытаниям модели Такомского моста в масштабе 1:100 в аэродинамическом туннеле. Результаты были отчаивающие. При определенной, не очень большой, скорости ветра (64 км/ч) мост оказывался динамически крайне неустойчивым и к тому же попадал в резонанс. Необходимо отметить, что конструкция была рассчитана на статический напор ветра скоростью 173 км/ч (сильный ураган). Но это статический напор… Динамика же явления в то время еще не была выяснена.

Одним из фундаментальных положений строительной статики является условие, что нагрузки на конструкцию неподвижны и постоянны по величине и что конструкция нагружается медленно. Так медленно, что нет никаких динамических эффектов. Строго говоря, это положение неверно, но практически вполне удовлетворительно отражает невидимый конфликт в подавляющем большинстве случаев.

Динамическое воздействие полезной нагрузки такого рода, как люди, совершенно не учитывается. Поэтому основные конструктивные формы продиктованы почти исключительно соображениями восприятия и передачи неподвижных, статических нагрузок. Неслучайно, что и главные испытания конструкций проводятся с целью выяснения именно статических нагрузок.

Но поэтому же динамическое воздействие нагрузок, когда оно отчетливо выражено, дает неожиданный эффект. По механизму воздействия динамические нагрузки неисправимы с обычными статическими нагрузками, и, если пренебречь этой особенностью, последствия могут быть самыми неприятными, вплоть до катастрофы. Именно таким является случай с Такомским мостом.

Конструкторы приняли экстренные меры для улучшения аэродинамических характеристик моста (что является одним из методов смягчения конфликта до приемлемых границ). Из предложенных пяти видов защитных средств был выбран вариант с полукруглыми деревянными щитами, которые должны были монтироваться на уровне путёвого полотна на всем его протяжении. Но события опередили конструкторов.

7 ноября 1940 г. начал дуть ветер, средняя скорость которого составляла 67 км/ч. Мост раскачивался, как простыня, вывешенная для просушки. Частота волновых колебаний (сверху вниз) достигала 36 циклов в 1 мин. С двух берегов реки на мост были направлены десятки камер. К 10 ч утра частота колебаний снизилась до 10 циклов в 1 мин и два каната оказались в противоположных фазах: когда один бросало вверх, другой опускался вниз. Путевое полотно подвергалось сильному кручению, так что поперечный наклон достигал 45°. Ускорения отдельных его точек по величине напоминали естественное земное ускорение. Балки жесткости сильно изогнулись, подвески стали разрываться и на глазах смятенных очевидцев мост стал распадаться секция за секцией. Эта грандиозная катастрофа, хотя и без человеческих жертв, потрясла весь инженерный мир, И до сих пор она приводится в качестве примера динамического воздействия ветра, его пульсаций.

Динамический эффект состоит главным образом в том, что в отдельных точках конструкции возникают значительные ускорения. А так как речь идет об ускорениях определенных масс вещества, возникают силы инерции. (Вспомним второй закон Ньютона!) Силы инерции в зависимости от обстоятельств могут быстро меняться как по величине, так и по направлению, а часто и по месту их приложения. Впрочем, различные виды динамических нагрузок нам уже знакомы. К ним относится воздействие множества машин. Динамическими, по существу, являются и процессы, которые происходят в конструкции во время землетрясения. В этом случае ускорения передаются снизу, со стороны основания, которое вибрирует сложным, строго индивидуальным для каждого землетрясения образом.

Рис. 42. Одной из важнейших отметок в "паспорте" конструкции является ее собственная частота колебаний

До некоторой степени строительные конструкции можно сравнить со струнами музыкального инструмента. Когда рука дергает эти струны (рис. 42), они начинают колебаться с частотой специфической для каждой конструкции. Возникают даже звуковые колебания, и хотя мы не слышим этот инфразвук, он тем не менее прекрасно ощущается живыми организмами. Многие ученые считают, что немаловажной причиной паники во время землетрясений являются именно инфразвуки, которые издают колеблющаяся земная кора и здания и которые скрыто воздействуют на человеческую психику и физиологию.

Рис.43. Резонанс — кульминация динамического воздействия

Но вернемся к колебаниям. Так называемые собственные частоты колебаний, подобно отпечаткам пальцев у людей, строго индивидуальны. Это просто данность, значение которой мы не всегда даже можем себе представить. Чем ближе частоты внешнего динамического воздействия к собственным частотам колебания сооружения, тем больше динамический эффект — ускорения, инерционные силы, амплитуды колебаний. На рис. 43 графически показана зависимость этого эффекта от частоты возможного внешнего воздействия. Рассматривается конструкция, представленная на рис. 42, собственная частота которой равна 4 колебаниям в 1 с. Это так называемый динамический коэффициент: на него надо умножать усилия и деформации, определенные при статическом воздействии нагрузки. Когда частота внешнего воздействия равна нулю, динамический коэффициент равен единице, т. е. динамический эффект отсутствует. С ростом этой частоты динамический эффект резко увеличивается, пока не достигнет критического порога — околорезонансной области, когда внешнее воздействие имеет частоту, близкую к собственной частоте конструкции. Разумеется, на практике при резонансе динамический эффект не может быть бесконечно большим, так как конструкция сопротивляется воздействию, но, во всяком случае, последствия динамического конфликта при этом особенно велики. Если источник вибраций является достаточно мощным, дело может быстро закончиться разрушением.

В некоторых случаях, например в машинных залах электростанций, вращающиеся турбины (а они никогда не могут быть идеально сбалансированными) «атакуют» здание с частотой, которая значительно больше собственной частоты несущей конструкции. Это гораздо менее страшно. Как можно видеть на рис. 43, при таких значительных различиях динамический эффект весьма невелик, поскольку динамический коэффициент имеет малую величину. Однако опасен момент запуска и остановки агрегатов, так как в этом случае они проходят через резонансный порог. С подобным явлением мы можем столкнуться, пользуясь некоторыми хозяйственными электроприборами с вращающимися частями; которые начинают содрогаться и даже подскакивать при включении и выключении. Поэтому необходимо, чтобы этот порог был пройден как можно быстрее.

Рис.44. Возможные формы колебания многоэтажного сооружения

Как и в случае устойчивости при динамических воздействиях, возможны различные формы колебаний конструкций, которые колеблются со своей, характерной для каждой из них частотой (иначе говоря, собственные частоты могут быть сообразными возможным формам колебаний). На рис. 44 показаны телевизионная башня и три возможные формы ее динамического поведения во время землетрясения. Какую из них следует ожидать? Это зависит от частоты внешнего воздействия; чем она больше, тем больше вибрации будут соответствовать второй или третьей форме. За 1 с вершина башни неоднократно отклонится от своей оси, но опасные перемещения будут значительно меньше, чем при первой форме колебаний. И наоборот, первая форма предполагает целых 4 секунды для полного круга, но перемещения, а следовательно, и усилия будут для ряда точек тела башни самыми большими.

Вибрации и колебания зданий и сооружений являются опасным, крайне нежелательным процессом. Они оказывают отрицательное влияние не только на несущую способность и эксплуатационную пригодность конструкций, но и на людей, которые работают в здании. Поэтому их уменьшение или полное устранение имеет первостепенное практическое значение. Но так как характеристики динамического воздействия представляют собой данность, которую можно только определить, в распоряжении проектировщика остаются лишь конструктивные меры. Благодаря этим мерам динамический конфликт более или менее успешно смягчается и ограничивается целесообразными, допустимыми пределами. Прежде всего проектировщики стремятся создать конструкции, собственные частоты которых существенно отличаются от частот возможного внешнего воздействия. Путем соответствующего варьирования статической схемы, жесткости отдельных элементов и конструкций в целом, а также их массы достигается расхождение частот и удаление от резонансной области. После обеспечения приемлемых, безопасных характеристик колебаний (поскольку они неизбежны) можно подумать и о «восприятии» дополнительных динамических усилий.

В антисейсмическом строительстве все чаще применяются сравнительно гибкие конструкции. Благодаря этому разрушительная энергия землетрясения «воспринимается» движениями здания, превращается в кинетическую энергию и опасные ускорения по высоте здания уменьшаются, а следовательно, уменьшаются и сейсмические силы. Другой путь их уменьшения — это облегчение конструкций, применение легких строительных материалов главным образом для ненесущих, ограждающих элементов. Таким образом уменьшаются массы, которые несет на себе конструкция, уменьшаются и инерционные силы. Но о землетрясениях мы еще поговорим.

СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА ВОКРУГ НАС

В последнее время в печати встречаются два вида оценки силы землетрясения: в баллах и по шкале Рихтера. Как их следует понимать и каков их физический смысл?

Шкала Меркали, как и ее усовершенствованный вариант — шкала МСК (Медведев — Шпонхойер — Керник), является двенадцатибалльной. Эти шкалы используются для определения разрушительной силы землетрясений; для этого необходимо тщательно обследовать уже нанесенные повреждения. Градация при этом приблизительно следующая: толчки в VIII баллов в два раза разрушительнее толчков в VII баллов, толчки в IX баллов в четыре раза разрушительнее толчков в VIII баллов и т. д.

Землетрясения в VI баллов практически безопасны, хотя они всеми ощущаются и сопровождаются падением книг с полок, остановкой стенных часов и т. д. Но вот как описываются в шкале Меркали — Канкани (МК) толчки в VII баллов:

«… Все бегут на улицу. Некоторые выскакивают через окна. Водители теряют управление… Значительны повреждения плохо построенных зданий. Падают некоторые трубы…»

В шкале МСК читаем:

«… Трещины на дорогах … Изменяется дебит водоисточников, вода в водоемах мутнеет. Трудно передвигаться без опоры…»

Землетрясение в VIII баллов представляет собой весьма серьезное бедствие:

«… Рушатся стены, заводские трубы, памятники, автомобили мечутся на стоянках» (МК).

«… Трещины в почве … Все выбегают на улицу. Трудно сохранить равновесие…» (МСК).

IX баллов:

«Добротно спроектированные сооружения кренятся, фундаменты расходятся … Рельсы на железнодорожных линиях начинают искривляться … Большое волнение в водоемах, появляются новые и исчезают старые источники… Паника…» (МСК).

X баллов:

«… Большая часть зданий разрушена до основания. Падают даже заборы… Реки разливаются… Обвалы, оползни… Ломаются ветки и целые деревья» (МСК).

XI баллов:

«Уцелели лишь отдельные здания. Подземные коммуникации полностью разрушены. Железнодорожные линии искривлены по всей длине. В районах обвалов погибло все…» (МСК).

И, наконец, высшая ступень — XII баллов:

«Тотальное разрушение. Перспектива искажена. Предметы пляшут в воздухе…» (МК).

«Изменения больших масштабов в рельефе местности. Огромные обвалы и оползни, пожары. Совершенно новый режим подземных и поверхностных вод. Образуются водопады. Возникают озера. Изменяются русла рек. При обвалах и гигантских волнах погибла значительная часть населения» (МСК).

Шкала Рихтера (или шкала магнитуд) служит для определения энергии, которая освобождается при землетрясении, и потому по этой шкале оценка силы толчков может быть дана сравнительно быстро — на основе записей сейсмических станций. Чтобы представить себе градации этой шкалы, укажем только, что при землетрясении в 6 магнитуд освобождается энергии в 10 раз больше, чем при землетрясении в 5 магнитуд, которое в свою очередь энергетически эквивалентно 2—3 ядерным бомбам среднего действия. Как мы видим, шкала интенсивности и шкала магнитуд совершенно различны по характеру оценки землетрясений. Например, землетрясение в 7 магнитуд в эпицентре может иметь интенсивность в VIII баллов, в двухстах километрах от него — VI, а еще на двести километров дальше — IV баллов.

Какова же сейсмическая обстановка в Европе и непосредственно вокруг нас? Можно ли говорить о «европейских» по характеру землетрясениях в отличие, например, от тихоокеанских?

«Румынское телевидение демонстрировало болгарский фильм «Сладкое и горькое». Вдруг телевизор сделал невероятный прыжок и «закрыл глаза». Кровати подскочили одна к другой и сгрудились на середине комнаты, засыпанные штукатуркой. Для других наблюдений времени не было. Мы выскочили в коридор и влились в стремительный поток бегущих студентов всех наций и национальностей. Здание общежития для студентов-иностранцев в квартале «Грозовешт» стонало, изгибалось, трещало по всем швам. Спазмы земли сталкивали нас, бросали друг на друга. В эти мгновения мы переживали и извержение Этны, и гибель Титаника». Один африканский студент выбил окно на четвёртом этаже и, закрыв голову руками, прыгнул в бездну, чтобы затем мгновенно умереть в садике перед корпусом.

Над соседней теплоэлектроцентралью повис «атомный» гриб дыма. Среди взрывов на электроцентрали, гула земли, воплей девушек и … ребят каждый думал, что это какой-то космический катаклизм».

Это рассказ болгарского студента, учившегося в Бухаресте и ставшего очевидцем событий 4 марта 1977 г. Землетрясение продолжалось считанные секунды, но об этих секундах многие будут помнить всю свою жизнь. На этот раз центром событий стала Румыния. 1400 убитых, 10 500 раненых, 20 тысяч жилых домов, превращенных в развалины, 195 сильно поврежденных промышленных предприятий, ущерб в 6 млрд, лей — вот лишь часть тяжелого итога, который должны были подвести специалисты.

Сейсмоактивная зона Бранча, явившаяся причиной столь сильного землетрясения, обстоятельно исследовалась в течение многих лет. Она не раз давала поводы для беспокойства — в 1829, 1838, 1868, 1893, 1908 и 1940 гг. При глубине очага более ста километров от поверхности земли, как было в этом случае, обычно наблюдается серия сильных толчков, после чего толчки становятся значительно слабее или вообще отсутствуют. Это еще раз подтвердилось и при последнем землетрясении: несколько десятков слабых толчков, продолжавшихся до 30 марта, были замечены только приборами. В связи с большой магнитудой (7,2) и глубиной тектоническое событие охватило огромную территорию и было зарегистрировано всеми сейсмическими станциями планеты. В большей или меньшей степени пострадали и соседние с Румынией страны.

«Пол вдруг закачался, послышался сильный грохот. Я бросился в другую комнату, где спали жена и дети. Машинально посмотрев в окно, я, как обычно, увидел освещенные окна молодежного общежития. У меня на глазах оно стало оседать и за какие-то доли секунды исчезло, как будто его и не было … Потом наши окна закрыло облако белой пыли — будто шел снег».

Рассказ принадлежит жителю города Свиштова — наиболее сильно пострадавшего при землетрясении 4 марта 1977 г. На его глазах рухнуло многоэтажное здание общежития комбината «Свилоза». Подобному тотальному разрушению подверглось и еще одно новое жилое здание. Вообще Северная Болгария и придунайские города сильнее всего пострадали от этого страшного стихийного бедствия. Однако разрушения имелись на всей территории страны. Несколько сотен жилых зданий были разрушены, тысячи — сильно повреждены. Десятки школ, административных учреждений, промышленных предприятий, и прежде всего комбинат «Свилоза», надо было восстанавливать, что не так легко было сделать, не говоря уже о сотнях убитых и раненых — ущерб, который не поддается денежному выражению.

Неправильно было бы обвинять специалистов-строителей, что они плохо работают, хотя первая массовая реакция бывает именно такой. В конечном счете при проектировании они ориентировались на официальные сейсмологические данные (т. е. принятое районирование территорий по степени предлагаемой сейсмичности), и если последние расходятся с действительностью, то в этом не их вина.

Чехословакия и Венгрия находятся в неактивных зонах. Четыреста лет тому назад в Чехии было землетрясение, из которого тогдашние строители извлекли серьезный урок: они начали строить замки с контрфорсами, обеспечивая тем самым большую их устойчивость. Южная часть ФРГ и часть Австрии считаются сейсмически активными районами, поэтому антисейсмические строительные нормы имеют там силу закона. Швейцария расположена в спокойной зоне, в отличие от Восточной Франции, где тоже действуют антисейсмические строительные нормы.

50 000 раненых, более 1000 убитых, 10 250 полностью разрушенных жилых домов и вдвое больше ставших непригодными для жилья, разрушенные дороги, водопроводные сети, канализация… Вот печальный итог землетрясения, разразившегося в области Фриули (Северная Италия) после 21 ч 6 мая 1976 г. В течение нескольких месяцев в печати публиковались сообщения о масштабах продолжительного землетрясения в этом районе, который считался неактивным.

Сравнительно крупное землетрясение произошло в Италии в 1968 г. Ареной действия стала Сицилия. Но самое сильное бедствие такого рода постигло Мессину (тоже в Сицилии), где произошло самое большое из землетрясений, когда-либо случавшихся в Италии. Большие или меньшие толчки там не редкость, поскольку этот район находится в Средиземноморском сейсмическом поясе, в котором происходит около 25% землетрясений на планете. Но речь идет только о Средней и Южной Италии; сейсмически активными считались только эти части страны. Как показали события в области Фриули, представление о спокойствии этого района было неверным.

В 70-х годах мы стали свидетелями целого ряда землетрясений, происходивших недалеко от Болгарии. После трагедии в Скопле последовало несколько землетрясений в районах Югославии, близких к Фриули. Видимо, город Удине (наиболее сильно пострадавший в 1976 г.) продолжает геотектоническую линию, образованную городами Скопле, Дебар и Баня-Лука. Отголоски последнего землетрясения прошли почти по всей Европе; слабые толчки были зарегистрированы даже в средних и неактивных зонах. Ночью 5 мая 1976 г. жители Праги, например, были серьезно встревожены толчками в IV балла, безопасными для зданий, но вполне ощутимыми для человека. Южные соседи Болгарии — Греция и прежде всего Турция — являются ареной частых тектонических событий.

Для сейсмически активной зоны Европы характерны очаги, расположенные близко к поверхности земли. Если в Тихоокеанском сейсмическом поясе гипоцентры находятся на глубине 150 — 200 и даже 500 км, то здесь, за редкими исключениями, — до 50 км. Кроме того, в Европе нет ясной картины разломов. Если разлом Сан-Андреас в Калифорнии дает возможность ученым наблюдать за этим районом и судить о его ближайшем будущем, то в Европе такие возможности отсутствуют. В геологическом отношении наш континент очень сложен и неоднороден, что неимоверно затрудняет исследования и прогнозы,

Еще несколько слов конкретно о Болгарии.

В 1958 г. София пережила сильное землетрясение. Интенсивность его в настоящее время определяется IX баллами по шкале МСК.

1901 г. Произошло землетрясение в X баллов с эпицентром, расположенным на 10 км южнее мыса Калиакра, и с очагом на глубине 15 км. Села Камен-Бряг и Горун были почти полностью разрушены. Имелись разрушения также в городах Каварна и Шабла.

Землетрясение большой разрушительной силы (X баллов) произошло в 1913 г. в городе Горна-Оряховица. Его очаг находился на глубине 7 км непосредственно под городом. Кирпичные здания получили большие повреждения, тогда как железобетонные заводские корпуса пострадали в гораздо меньшей степени, что было для того времени новостью.

В 1917 г. София снова стала ареной землетрясения, которое на этот раз было меньшей силы (VII баллов) а его очаг находился под территорией города в 5 км от поверхности.

1928 г. Землетрясение в Черпане и Пловдиве, которое является самым сильным из тех, что произошли в Болгарии за последние двести лет. Было разрушено 73 500 частных домов, 370 государственных построек, 467 школ … Всего в пострадавших районах было разрушено 36,5% зданий.

4 марта 1977 г… Ежегодно Софийская сейсмическая станция регистрировала около 50, а Павликенская — от 100 до 200 слабых землетрясений. Сейчас в стране период желанного сейсмического затишья. Оно может продолжаться тысячу лет, а может и только один год. Предполагается, что в недрах земли сейчас накапливается потенциальная энергия деформаций, которая все же когда-нибудь перейдет в кинетическую. Некоторые болгарские специалисты обеспокоены нарастающей сейсмической активностью многих близких к границам страны районов.

Законодательную силу в НРБ имеет официальное положение о строительстве в сейсмических районах. Требования этого положения, разработанные с учетом многолетнего опыта и результатов исследований, соблюдаются очень строго. Изданное в 1949 г., оно перерабатывалось и дополнялось в 1957, 1964 и 1977 гг., прежде чем приняло свой окончательный вид. Излишне говорить, что содержащиеся в нем рекомендации направлены на обеспечение надежности конструкций.

Большая часть территории страны является сейсмически активной и разделена на три группы в соответствии с интенсивностью возможных землетрясений (VII, VIII и IX баллов). Считается, что землетрясения наибольшей силы возможны только в Кюстендилском, Благоевградском, Пловдивском и Толбухинском округах.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КАТАСТРОФЫ

«Данди, 29 декабря. Сильная буря. В ближайшие несколько дней поезда на участке Сан-Эндрюс — Данди ходить не будут».

«Таймс», 30 декабря 1879 г.

Река Тей в Шотландии образует вблизи города Данди большое озеро, через которое в 70-х годах прошлого века был построен внушительный мост: общая длина — 4 км, высота от уровня вод до рельсовых путей — 27 м, стальные конструкции перекрывали 85 пролетов длиной от 9 до 75 м.

Еще в середине XIX в. Северобританская железнодорожная компания решила построить подобное сооружение, но понадобилось 15 лет, чтобы добиться разрешения от правительства. Зондирование трассы показало, что грунт ненадежен. Эскизный проект предполагал вполне приемлемую стоимость строительства, и был объявлен аукцион, который выиграла именно та компания, которая разработала эскизный проект. Однако в рабочем проекте стоимость строительства увеличилась почти на 67%, в связи с чем был сделан ряд конструктивных изменений с целью его удешевления. Изменения эти с нынешней точки зрения «пошли не на пользу» будущему сооружению. Началось строительство. И снова неожиданность: оказалость, что надежная скала является лишь тонкой прослойкой скальной породы, под которой кроются бездонные плывуны. Фирма отказалась от строительства, заплатив огромную неустойку, а работы продолжила другая фирма, которая тоже в свою очередь внесла конструктивные изменения в проект. Мост был готов 30 мая 1878 г.; на его открытии присутствовали члены королевской семьи.

В связи с перипетиями проектирования и строительства максимальная скорость поездов на мосту была ограничена до 40 км/ч. Однако она систематически превышалась, как показал потом на процессе один из свидетелей. Так или иначе, но с самого начала наблюдались опасные вибрации. Рабочие, обслуживающие мост, например, специально привязывали свои ящики с инструментами, чтобы они не перевернулись во время прохождения поезда. Итак …

… В последнюю неделю 1879 г. в районе Данди бушевала сильная буря. В 7 ч вечера паровоз пассажирского поезда из Эдинбурга поравнялся с сигнальной будкой на южном конце моста; он двигался со скоростью 5 км/ч. Стрелочник Баркли подал машинисту сигнал жезлом, что давало право въезда на одноколейный мост, и направился обратно к будке, сильно согнувшись под напором ветра. До места он добрался чуть ли не ползком. Состав выехал на мост, быстро набирая скорость. «Вдруг я ощутил особенно сильный порыв ветра, — рассказывал потом Баркли. — Обернувшись, я на мгновение увидел яркий свет, а затем все снова погрузилось во мглу. Я не почувствовал ничего особенного, потому что еще не знал, что я спасся, а мост рухнул».

Поезд № 16 вышел из Сан-Эндрюса, но так и не пришел в Данди. Как потом установили водолазы, он вместе со всеми пассажирами лежал на дне озера, заключенный в металлическую ферму моста.

Эта строительная катастрофа потрясла весь цивилизованный мир. Это пример из прошлого, но примеры такого рода есть и в настоящем, хотя их и не так много. Внезапное разрушение зданий и сооружений при далеко не критических обстоятельствах отнюдь не является невозможным, хотя в последнее время это случается исключительно редко. Однако подобными случаями заполнены целые страницы в «черной» книге истории техники.

В 70-х годах прошлого века, когда не были разработаны Британские стандарты ветровых нагрузок, конструкторы пользовались таблицами, утвержденными Королевским научным обществом еще в 1759 г. В этих таблицах указывалось, что самый сильный ветер (буря) может оказывать горизонтальное давление до 58 кг/м^2. Следует отметить, что немецкие мостостроители в это время проектировали свои сооружения из расчета ветрового напора в 135 кг/см^2, а французские и американские — до 258 кг/см^2. Так что традиционный английский консерватизм проявился и здесь, хотя, надо сказать, автор проекта — специалист по гражданскому строительству — не пользовался даже этими таблицами. Как он сам заявил в следственной комиссии, расчетная надежность моста в 20 раз превышала вертикальные эксплуатационные нагрузки (!), в связи с чем какие-либо специальные меры для восприятия ветровых нагрузок он считал излишними. Но для такого высокого и изящного моста, как на р. Тей, подобное представление оказалось роковым. Реальный коэффициент надежности не только не был равен 20, но не достигал и единицы, а значит, мост с самого начала был обречен. Ни качество материала, ни качество работы, ни целесообразность поперечных связей — ничто из того, что подвергалось большей или меньшей критике, не угрожало мосту в такой степени, как общая его неустойчивость. При особенно сильном порыве ветра он просто перевернулся. Полностью были разрушены конструкции 13 пролетов, а частично — чугунные столбы вплоть до каменных оснований, на которых они практически не были достаточно хорошо закреплены.

Опасности таит в себе буквально каждый миг биографии сооружения. Эмоционально они определяются словами «незнание», «недобросовестность» или «небрежность», а что касается их специальной инженерной классификации и описания, то для этого необходимы целые тома. Вообще говоря, решающее значение могут иметь ошибки, допущенные на любой из четырех стадий создания и существования сооружения; при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации. Первая стадия таит в себе главным образом неожиданности геологического характера (слабый грунт и т. д.), и недостаточно тщательно проведенные изыскания могут впоследствии стать причиной больших неприятностей. Процесс проектирования в значительной степени субъективен; он зависит от конкретных знаний, возможностей и опыта проектировщика, однако в конечном счете он обусловлен уровнем научно-технических знаний в данный исторический период. Само строительство является чуть ли не самым слабым звеном в цепи. Ряд его специфических особенностей дает возможность (потенциальную) отклонения от требований проекта, проявления опасной инициативы и даже допущения грубых ошибок, которые могут скомпрометировать и самый лучший проект.

Что касается эксплуатации, то она имеет свои тонкости. Например, за мостами, которые находятся в тяжелых эксплуатационных условиях, должен осуществляться в течение всего срока их службы систематический контроль, позволяющий регулярно выявлять деформации и оценивать состояние отдельных элементов. Отсутствие такого контроля оказывается причиной большинства аварий мостов.

Из-за отсутствия технического надзора произошла катастрофа старого моста в филиппинском городе Нага-Сити в 1972 г., о которой мы уже рассказывали. Но, к счастью, сейчас сообщения о драматических инцидентах в строительстве появляются очень редко. Аварии и дефекты, разумеется, неизбежны при освоении экспериментальных технологических процессов, конструкций или методов работы. Но они представляют собой лишь отклонение от нормального положения вещей, которое, как правило, своевременно замечается и успешно устраняется. При нынешнем высоком уровне инженерных знаний и опыте, при высокоточной системе контроля за состоянием конструкции объективные предпосылки катастрофы практически отсутствуют. Остаются субъективные … Но это фактор риска, обусловленный особенностями человеческой природы, социальным фоном соответствующей страны, характером общественно-экономического строя. Вероятно, страницы больших строительных катастроф уже почти дописаны. Подобные события случались главным образом в прошлом …

Весь XIX и начало XX в. оказались переломными для мирового строительства. Человек постепенно заменял несовершенные природные материалы (дерево и камень) сначала металлом, а затем и железобетоном. Но конструктивные формы развивались медленнее, чем металлургическая промышленность. Переход от одних материалов к другим осуществлялся тоже медленно, часто с большими трудностями и неудачами. Необходимо было время, чтобы обнаружить плюсы и минусы уже построенных объектов нового типа, целесообразность новых форм и концепций. Теория строительства отставала от практики; в то время она нуждалась в первооткрывателях, прокладывавших путь для строительной механики. При таком положении именно аварии и катастрофы выявляли пробелы в инженерном знании, именно они были стимулом развития теоретической и экспериментальной базы строительства. Однако есть множество случаев крупных аварий, которые нельзя оправдать ничем. Именно таким случаем является катастрофа моста на р. Тей.

Но вернемся теперь в наши дни и рассмотрим аварии строительных конструкций, имевшие место у нас на родине — в НРБ. За последние 10— 20 лет произошло несколько весьма поучительных случаев. В 1966 г. во время бетонирования обрушился арочный железнодорожный мост в районе Лакатника. Были человеческие жертвы. В сущности, обрушился каркас, поддерживающий опалубку, — сложная большепролетная деревянная конструкция. Причиной аварии был ряд ошибок, допущенных при статических расчетах.

Причиной другой аварии являлось качество материала. Внезапно рухнула часть крытой разгрузочной площадки на ТЭЦ «Девня». Действие и тут развивалось в процессе строительства; конструкция была выполнена из сборного железобетона. Видимых причин для аварии не было. Детальная проверка проекта показала, что все в порядке. Тогда закрались сомнения в качестве стали. Оказалось, что при соответствии Болгарскому государственному стандарту содержание углерода и кремния в ней близко к верхней границе нормы. Вследствие повышенной хрупкости стали на участках изгиба в рамных узлах произошел внезапный разрыв арматуры, что привело к катастрофе. Разумеется, стандарт на сталь после этого был соответствующим образом скорректирован.

И все же чаще всего причиной аварий являются дефекты исполнения. Именно они привели к аварии жилого дома в Шумене, общежития в Кырджали, магазинов в Пазарджике и Благоевграде, школ в Радомире и Свиштове. Моральная и материальная ответственность может иметь самые неприятные, а иногда и роковые последствия.

Иногда строительные аварии бывают не менее страшными и драматичными, чем авиационные катастрофы. Но, к счастью, это случается редко, очень редко. Возможности крупных аварий зданий и сооружений в последние годы значительно уменьшились. Развитый экспериментально-теоретический аппарат, высококачественные материалы, современные технологические методы, четкая организация строительства и строгий технический надзор — вот те основные условия, которые позволяют свести эти возможности к минимуму.

НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Выбор той или иной степени надежности — это прежде всего экономическая задача. Но в ней присутствуют также другие аспекты — социальные и моральные. Итак, надежность… Какой она будет?

Расчет строительных конструкций, как мы уже знаем, должен предварительно, еще в проектной мастерской гарантировать, что выполненная в соответствии с расчетом конструкция в эксплуатационный период или во время каких-либо аварийных ситуаций сохранит свои качества и будет продолжать выполнять свои функции. Но этот процесс предполагает неизбежные приближения и упрощения: используется условная статическая схема, рассматривается идеализированный материал (идеально упругий или идеально упругопластичный), берутся нагрузки, хотя и хорошо обоснованные в различных нормах, но представляющие собой также значительную идеализацию реально существующих отношений между конструкцией и внешним силовым воздействием. Очевидно, что действительные конструкции, действительные материалы и действительные нагрузки в силу своей сложной, неясной, непостижимой природы будут отличаться от расчетных. Именно эти неизбежные различия перекрываются неким коэффициентом (так называемым коэффициентом запаса). Так что его место в строительстве определяется необходимостью некоего абстрактного начала — расчетных предпосылок о совпадении предполагаемых условий с реальными условиями работы сооружения в различные моменты его жизни.

В принципе надежность зависит от трех основных факторов — от свойств материала, внешних нагрузок и общих условий работы (и исполнения) конструкции. При всем этом полтора века назад, когда был впервые выведен коэффициент запаса, он понимался совершенно иначе, чем сейчас. Но нынешнее понимание его является зачастую противоречивым, во всяком случае, дискуссионным. Не возникает споров только о выборе расчетных характеристик материалов. Для упругих материалов основной расчетной характеристикой является предел текучести, поскольку значительные пластические деформации, которые происходят после его прохождения, приводят к недопустимым смещениям в конструкции. Для хрупких материалов такой основной характеристикой является предел разрушения. Для материалов, работающих в режиме постоянного динамического воздействия, отправной точкой считается так называемый предел усталости, который предполагает хрупкое разрушение, так как внутри материала возникают микротрещины. (Этот предел определяют в лабораторных условиях при многократно повторяющихся динамических воздействиях, причем число циклов в зависимости от конкретных требований может достигать миллиона и даже миллиарда.) Так что в любом случае речь идет о предельных сопротивлениях материала.

Но как же в конце концов вычисляется коэффициент запаса? Например, можно взять в качестве расчетной характеристики материала какую-то долю предельного напряжения; тогда коэффициент запаса будет представлять собой отношение между предельным и расчетным напряжением. Просто, не правда ли? И достаточно надежно — коэффициент запаса будет достаточно велик. Но всегда имеется и оборотная сторона медали, в данном случае — это проблема мотивировки такого коэффициента. Понятие «допускаемое напряжение» и основные положения метода расчета по допускаемым напряжениям сформулированы французом Навье еще в далеком 1826 г. Более века эта система являлась единственным аппаратом «предсказывания» и обеспечения надежности, которым располагали инженеры-конструкторы. Интересно, что в некоторых странах (ФРГ, Франции и др.) этот метод еще используется до сих пор как официальный.

Но ведь в нем не учитывается влияние других факторов на надежность! Очевидно, что односторонний подход имеет множество минусов. До сих пор никто и никогда еще не смог дать удовлетворительных критериев надежности, исходя лишь из свойств материала. Полученный таким образом коэффициент запаса является весьма субъективным и всегда оказывается в пользу надежности. Спроектированные по методу допускаемых напряжений сооружения обладают немотивированно высокой надежностью, которая в век точных расчетов является крайне нежелательной. Если вообще можно говорить в данном случае о какой-либо мотивировке, то ею может быть только низкий уровень знаний. Поэтому некоторые авторитетные специалисты совершенно серьезно называют эту архаичную форму коэффициента запаса коэффициентом незнания.

Только в 30-х годах нынешнего века был сделан качественно новый шаг вперед. В СССР был обоснован и постепенно разработан новый метод расчета строительных конструкций, который назывался методом расчета по стадии разрушения (или по разрушающим усилиям). Это — следующий этап борьбы человека с природой, новый этап в понимании и регулировании сложной картины невидимого конфликта. Как подсказывает название метода, в качестве расчетных характеристик берутся предельные прочности материалов. На основании этой величины вычисляется несущая способность элементов «за миг до разрушения», и именно отношение предельной несущей способности к соответствующим внешним усилиям, которые определяют при статическом исследовании, дает величину коэффициента запаса.

Этот новый метод определения коэффициента запаса гораздо лучше, точнее отражает реальное соотношение сил в невидимом конфликте. Особенно значительны различия в обоих методах определения коэффициента запаса для железобетона, для которого само понятие «допускаемые напряжения» выглядит нелепо, как заплата. Поскольку предельные напряжения для бетона одни, а для арматуры другие, точный коэффициент запаса определить невозможно, не говоря уже о том, что реальные напряжения в связи со сложной природой этого материала весьма далеки от допускаемых значений. Общий коэффициент запаса, определенный по новому методу, дает возможность более точного, более обоснованного нормирования. Величина коэффициента больше при перевесе подвижных нагрузок над постоянными, а поскольку характер подвижных неуловим, могут быть и неожиданности. Несмотря на недостатки этого метода, он до сих пор является основным в некоторых развитых странах.

И все же это далеко не предел. Следующий шаг был сделан в 40— 50-х годах, когда в СССР была создана и введена система расчета по предельным состояниям. Только здесь были наконец охвачены три основные группы факторов, от которых зависит надежность строительных конструкций. По-новому прозвучало и понятие «надежность», поскольку было введено логичное предположение, что важно не только не допустить разрушения, но и обеспечить сохранение эксплуатационной пригодности. Поэтому совсем не надо ждать разрушения, чтобы считать, что конструкция себя скомпрометировала; например, недопустимого прогиба вполне достаточно, чтобы ее «списать».

В настоящее время коэффициент запаса включает в себя как бы три компонента, каждый из которых учитывает различные группы факторов, влияющих на надежность. Начнем со свойств материалов. Их механические свойства, включая и предел прочности, изменяются в весьма широких границах. При прежних методах определения размеров проблема «как выбрать» решалась одним махом с помощью общего коэффициента запаса, который был весьма неточным. Сейчас эта проблема решается с помощью метода статистической вероятности. За расчетное сопротивление принимается такая величина, вероятность реального возникновения которой в конструкции является приемлемо малой. Но насколько мало? В Англии, например, она равна 1% (т.е. авария, связанная с «отказом» материала, может ожидаться в одном случае из ста). Согласно нашей практике, расчетное сопротивление имеет вероятностную надежность 0,01% (т. е. в одном случае из тысячи возможна авария). Такая вероятность «отказа» материала является вполне приемлемой, что убедительно подтверждает накопленный до настоящего времени опыт.

Второй стороной рассматриваемого конфликта являются нагрузки. Многолетние наблюдения и статистическая обработка результатов позволяют достаточно точно их нормировать. Максимальные значения внешних нагрузок, которые допускаются при нормальной эксплуатации конструкции, называются нормативными нагрузками. Однако существует возможность повысить эти значения при определенных обстоятельствах. Такое возможное повышение — при определенной вероятностной надежности — учитывается так называемым коэффициентом перегрузки, который является вторым важным компонентом коэффициента запаса.

Остается влияние последнего фактора — общих условий исполнения и работы конструкции и отдельных ее элементов. Этот фактор учитывается коэффициентами условий работы, определяющими важность элемента с точки зрения надежности конструкции в целом, значимость сооружения в системе хозяйственной жизни, качество, условия и контроль исполнения, несоответствие методов расчета реальному напряженному состоянию в конструкции и т. д. Как видим, построен мост между теоретической идеализацией и строительной практикой, синтезирующий в себе результаты множества наблюдений за выполненными зданиями и сооружениями, весь строительный опыт прошлого и настоящего.

Как же в конечном счете заранее — еще в проектной мастерской — обеспечивается необходимая надежность? Суть состоит в ряде сопоставлений, сравнении несущей способности с соответствующими внешними условиями. При этом ответственном процессе, т. е. расчете строительных конструкций, значения несущей способности должны быть больше или почти равны соответствующим внешним воздействиям. Но эта истина была известна еще в древности. Новое в методах и способах определения размеров — точное количественное выражение двух сторон невидимого конфликта. Усилия в элементе — это вероятные максимальные усилия, которые могут возникнуть при исключительных, критических, но все же ВОЗМОЖНЫХ обстоятельствах. А несущая способность — это вероятная минимальная несущая способность, которая может проявиться при роковых, но ВОЗМОЖНЫХ совпадениях, т. е. когда материал низкого качества оказывается в условиях работы, усложняющих его положение.

Так, с минимальным перевесом сил конструкция всегда должна стать победителем в конфликте. Слово «вероятность» никого не должно смущать. Когда необходимо обуздать случайные величины, обращение к вероятности неизбежно. Понятие «риск» в строительстве в наши дни имеет лишь теоретическое значение для тех, кто знает свое дело и вкладывает в него душу и знания.

Content

Оксанович Людмил Невидимый конфликт

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

ТРИ ВОПРОСА И ДВА ОТВЕТА

(ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ)

«ТЫСЯЧИ ТОНН НАД НАШИМИ ГОЛОВАМИ…»

КОНФЛИКТ БЕЗ СВИДЕТЕЛЕЙ

ГРАВИТАЦИЯ

КАТАСТРОФЫ В ПРОШЛОМ И В НАШИ ДНИ

УРАГАННЫЕ ВЕТРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВО

В ОПРЕДЕЛЕННОЕ ВРЕМЯ, ПРИ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ…

«ПЕРЕД ВЗОРАМИ СМЯТЕННЫХ ОЧЕВИДЦЕВ…»

САМОЕ СТРАШНОЕ БЕДСТВИЕ

КАК ГИГАНТСКАЯ ПРУЖИНА…

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВО

НЕВИДИМЫЙ КОНФЛИКТ

ВОПРОС ПЕРВОСТЕПЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ

«КАКОВО УДЛИНЕНИЕ, ТАКОВА И СИЛА»

СТАЛИ XX ВЕКА

О ПОЛЗУЧЕСТИ, РЕЛАКСАЦИИ И ДРУГИХ ВЕЩАХ

«… НАС ОХВАТИТ УЖАС»

БЕТОН

АПОКАЛИПСИС ХАОСА

ЭСКАЛАЦИЯ РАЗМЕРОВ И ИДЕЙ

ГАЛОПОМ ЧЕРЕЗ ГОДЫ

«ЕСЛИ ДОМОВЛАДЕЛЕЦ ПОГИБНЕТ, СТРОИТЕЛЬ БУДЕТ КАЗНЕН»

РАЗВИТИЕ «ЯСНОВИДЕНИЯ» В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

«ПОЛОЖЕНИЕ ОТНЮДЬ НЕ КАТАСТРОФИЧЕСКОЕ …»

КОНСТРУКТИВНАЯ ФОРМА № 1

ФЕРМЫ ВЧЕРА И СЕГОДНЯ

АПОФЕОЗ ЧИСТОГО СЖАТИЯ

ВИСЯЧИЕ МОСТЫ

«ШЛЯГЕР» КАРКАСА

ЭСКАЛАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ

ФЕНОМЕН ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

ПРАВДА О ЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН

ПОД ЗНАКОМ ТЕХНОЛОГИИ

СУПЕРМАРАФОН…

… И ЕГО КОНТРАПУНКТ

ЭССЕ НА ТЕМУ…

ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ

ДРАМАТИЧЕСКАЯ ФОРМА НЕВИДИМОГО КОНФЛИКТА

СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА ВОКРУГ НАС

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КАТАСТРОФЫ

НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ