Чтение онлайн

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.

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/м3. Отсюда довольно легко рассчитать массу плиты междуэтажного перекрытия толщиной 10 см: 1x0,1х2,5=0,25 т/м2. 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.

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».