Чтение онлайн

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/см2 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.

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 м3 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.