Чтение онлайн

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.

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.

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.