Невидимый конфликт
Шрифт:
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.
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.