Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

• Название: Почему мы не проваливаемся сквозь пол
• Автор: Джеймс Гордон
• Жанр: Строительство

Еще в первые десятилетия нашего века ответ на вопросы о свойствах материалов искали в эксперименте. И лишь последние 40 лет ученые, специалисты в области материаловедения, стали серьезно изучать строение материалов, убедившись, что их свойства зависят от совершенства в расположении атомов. Обо всем этом живо и с юмором рассказывает автор книги профессор университета в Рединге (Великобритания) Джеймс Эдвард Гордон. Книга рассчитана не только на школьников и студентов, но и на тех, кого по роду работы интересует поведение современных материалов и прочность конструкций.

---

За последние десятилетия было сделано много усовершенствований в автомобиле. Лично я не отношу к их числу штампованный стальной кузов. Очень уж он тяжел, а ведь вес увеличивает расход бензина и ухудшает характеристики машины. Такой корпус требует также тщательной звуковой защиты. Но, что хуже всего, он начинает ржаветь сразу же, как только вы начинаете ездить на машине, и, по-видимому, коррозия корпуса, а не механический износ приводит рано или поздно большинство автомобилей на склады металлолома.

Вероятно, две причины тормозят применение стеклопластиков для кузовов автомашин. Во-первых, их массовое производство все еще обходится дорого, а, во-вторых, по мнению тех, кто торгует автомобилями, потребителю нравится лоск полированной поверхности, трудно достижимый при использовании стеклопластиков. В то же время в мелкосерийном производстве почти все автомобили имеют стеклопластиковый кузов. В самом деле, - только такое решение позволяет в подобных случаях вести дело экономично, отказавшись как от дорогостоящих штампов, так и от старомодного кузова. Кузов из стеклопластика позволяет примерно вдвое уменьшить вес автомобилей, а это значит, что приемистость машины резко возрастает.

Несмотря на недостатки стеклопластика, мировое производство изделий из него достигло почти миллиона тонн в год и продолжает быстро расти (алюминия и его сплавов производится примерно 4,5 млн. тонн). Но в конце концов оно, наверно, затормозится из-за относительно малой жесткости материала.

Армированный бетон

Хотя между людьми, работающими с железобетоном, и специалистами по стеклопластикам никогда, по-видимому, не было сколь-нибудь серьезных связей, в этих двух областях много общего, и поэтому уместно закончить настоящую главу небольшим разделом, посвященным армированному бетону. Подобные материалы ведут свое начало с глубокой древности, а различия между ними заключаются главным образом в масштабах: в бетоне, например, арматура намного грубее, чем в пластиках. Еще в Древнем Вавилоне использовали тростник для армирования построек из высушенной грязи; а различные вариации “плетенки и глины” издавна применялись во всем мире. Деревенька в Эссексе, где я пишу эту главу, построена главным образом из грязи и штукатурки поверх сплетенных прутьев.

Вероятно, первыми стали применять железо в качестве арматуры греки. Мы уже говорили в главе 1, что в нормальной кладке все должно быть в состоянии сжатия, поскольку кладка не может противостоять сколько-нибудь значительным растягивающим напряжениям. Это условие привело к использованию арок и куполов, позволяющих создавать большие перекрытия, в которых не возникают напряжения растяжения. Греки об этом отлично знали, но они, кажется, не признавали арок - по крайней мере в формальной архитектуре. Очень возможно что они исходили при этом из эстетических соображений. Греки далеко не всегда подчиняли свои поступки строго рассчитанной необходимости, особенно в архитектуре идущей от деревянных конструкций. Парфенон и все другие дорические храмы - точные мраморные копии деревянных строений вплоть до имитации в мраморе штифтов, скрепляющих между собой деревянные балки. Но так как творения греков блестящи, а наши собственные здания зачастую ужасны, не нам посмеиваться над античными архитекторами по этому поводу.

Деревянная архитектура, по существу, основана на балочных конструкциях, потому что ее строительный материал - разного рода длинные брусья. К тому же древесина обладает хорошей прочностью на разрыв. Греческая архитектура была, таким образом, архитектурой балок и колонн. То же самое прекрасно иллюстрирует американская “колониальная” архитектура. Строители здесь в избытке имели дерево, и потому они охотно и успешно обратились к классическому стилю. Готика и древесина несовместимы, поскольку готический стиль основан на напряжениях сжатия, которые под силу лишь каменным аркам.

Хотя мрамор, пожалуй, лучше других камней с точки зрения прочности на разрыв, его прочность все-таки слишком мала и непостоянна, поэтому делать из него балки какой бы то ни было длины невозможно. В ранних дорических каменных храмах это компенсировалось тем, что пролеты балок были короткими, а капители сверху колонн - широкими. Даже в Парфеноне (строительство началось в 447 году до н.э.) свободный пролет большинства балок не превышает 2,5 м, хотя и выглядят они длиннее. Однако, когда в 437 году до н.э. Мнесикл приступил к строительству входа в Акрополь (Пропилеи), ему потребовалось перекрывать намного большие пролеты. Их длина от 4 до 6 м определялась как архитектурными пропорциями, так и необходимостью церемониала. Чтобы справиться с растягивающими напряжениями, Мнесикл решил замуровать в мраморе в специальных канавках железные стержни длиной около 2 м. Так появился армированный мрамор, который должен был по замыслу создателей вести себя подобно древесине.

Однако Мнесикл не сделал существенного шага вперед: греческие колонисты в Акрагасе (Сицилия) еще в 470 году до н.э. использовали железные армирующие брусья длиною 4,5 м и сечением 12Х30 см. Правда, остается тайной, как были получены такие поковки. Но это заставляет предположить, что греки не испытали бы технологических трудностей в изготовлении паровой машины и другого тяжелого оборудования, если бы до них додумались[44].

Как мы уже говорили, готические церкви рушатся, если в них появляются растягивающие напряжения, а появляются они довольно часто. Выход - быть может, частичный - был найден в контрфорсах. Примерно тот же способ применялся и в поздней классической и романской архитектуре. Так, давление, действующее со стороны купола св. Софии в Константинополе (532 год), уравновешивается силами, созданными двумя полукуполами, на которых он покоится; правда, арки у его основания связаны железными стержнями.

Купола соборов св. Петра и св. Павла[45] покоятся на цилиндрических барабанах. Здесь не было возможности уравновесить силы, направленные наружу, вспомогательными куполами или контрфорсами: это совершенно нарушило бы замысел проекта с изолированными куполами. В обоих случаях проблема была решена, как известно, передачей нагрузки на замкнутую растянутую цепь, заделанную в кладку вокруг основания куполов.

Более общий подход предложил француз Суффло (1713 - 1781), пытавшийся увеличить прочность кладки на растяжение путем замуровывания в нее железных стержней. Однако вдоль швов проникала влага, железо окислялось и расширение продуктов коррозии крошило кладку. Позже Брюнель пытался делать примерно то же самое, вставляя обручное железо (тонкие полоски железа, идущие на обручи для бочек) в соединения кирпичной кладки. Результат был в точности похож на предыдущий.

Затем, вероятно, сразу трое почти одновременно обнаружили, что коррозия железной арматуры в портландцементе не столь значительна, чтобы вызвать повреждения. Французский садовник Жозеф Монье (1823 - 1906) в 1849 году сделал цветочные горшки, а точнее - большие кадки для апельсиновых деревьев, заложив сетку из тонких железных стержней в цемент. Эти кадки оказались удачными и привлекли к себе внимание. Англичанин В. Вилкинсон в поисках применения старым шахтным канатам сделал армированные строительные балки (подобно грекам), расположив канаты на их растянутой стороне. Наконец, французский инженер Ж. Лямбо показал в 1855 году гребное судно, сделанное из бетона, армированного железными стержнями, - по-видимому, оно было первым в длинной веренице не очень удачных бетонных судов. Лямбо запатентовал (казалось бы, поздновато) использование комбинированного железобетонного материала в строительстве.

Железная арматура позволяет бетону довольно успешно нести растягивающие нагрузки. Но деформация растяжения, при которой бетон разрушается, очень мала; поэтому бетон растрескивается задолго до того, как арматура значительно деформируется. Если к такой комбинированной системе приложить сколь-нибудь серьезную растягивающую нагрузку, бетон будет пронизан сеткой трещин. Если эти трещины малы - через них проникнет внутрь вода, если они велики - бетон раскрошится. Лучший способ избежать как одного, так и другого - поставить бетон навсегда в условия сжатия, а арматуру раз и навсегда растянуть. Различные виды такого материала, известного как предварительно напряженный железобетон, начали появляться примерно с 1890 года; но, хотя его применение было вполне успешным, распространение он получил не сразу.

Серьезно и в широких масштабах предварительно напряженный железобетон стал применяться сравнительно недавно. Его использование дает возможность строить намного более эффективные и нагруженные конструкции, чем из обычного железобетона. Естественно, возникает вопрос, не лучше ли делать всю конструкцию из стали? Оказывается, нет. И не только из-за существенной экономии стали. Бетонная матрица предохраняет стальные стержни от потери устойчивости и коррозии. Благодаря последнему конструкция почти не требует ухода.