Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

• Название: Невидимый конфликт
• Автор: Людмил Оксанович
• Издательство: Стройиздат
• Жанр: Научпоп
• Год: 1986

В книге автора из НРБ рассматривается важная инженерно-техническая проблема — защита зданий и сооружений от  различных воздействий. В научно-популярной форме рассказывается об угрозе, которую представляют землетрясения и ураганы, о свойствах материалов и их способностях выдерживать  значительные нагрузки, о деформации железобетонных элементов, о  коэффициенте надежности. Большая часть книги посвящена  строительным формам и принципам их рационального выбора.

Книга предназначена для широкого круга читателей.

---

В 1864 и 1889 гг. жертвами ветра стали два моста на Ниагаре. В США только за период с 1876 по 1888 г. рухнул 251 мост. Большинство из этих больших и маленьких мостов были висячими. Один из первых документированных примеров катастрофы датируется 1854 г., когда во время сильного ветра разрушился 336-метровый мост на р. Огайо близ Уилинга. «В течение нескольких минут, — писал один из очевидцев, — мы с тревогой наблюдали за мостом, который напоминал качку корабля во время шторма. Внезапно мост поднялся почти до высоты пилонов, потом резко опустился; огромная конструкция сильно изогнулась, почти перевернувшись, и с ужасным грохотом рухнула с головокружительной высоты в реку».

Динамическая устойчивость висячих мостов — их слабая сторона. Легкость и гибкость, будучи их неоспоримым преимуществом, во время сильного ветра превращается в серьезный недостаток. Часто мост оказывается в роли качающейся и прыгающей корабельной палубы. Отсутствие жесткой конструкции и нужных килограммов превращает сооружение в игрушку для мощных порывов ветра. Стабилизация достигается с помощью балок жесткости, находящихся под путевым полотном, а чаще сами перила моста трансформируются в силовую конструкцию. Однако на протяжении десятилетий их роль была недостаточно ясна, и в тех случаях, когда они ставились, конструкторы делали это чисто интуитивно.

Особенно трагическими событиями было отмечено английское мостостроение тех лет. За относительно короткое время последовал целый ряд катастроф с висячими мостами над Менайским проливом, на р. Туид, у города Монтро и снова над Менайским проливом. Во Франции висячие мосты были надолго запрещены как опасные и непрочные конструкции после трагического случая на р. Майенн близ Анже, когда под действием сильного ветра и маршировавших по путевому полотну войск внезапно обрушился мост такой конструкции и в результате катастрофы погибли 226 человек. Египетский мост в Петербурге, превратившийся в инженерный курьез, тоже представлял собой висячую конструкцию.

В 1936 г. в Нью-Йорке был построен мост Уайтстоунбридж пролетом 702 м и очень экономичной балкой жесткости. Его высота (1/200 пролета) оказалась недостаточно большой, и в конструкции возникли опасные вибрации. В инженерных кругах США стали распространяться страшные слухи об этом мосте. Еще более страшные вещи говорились о пресловутом Такомском мосте, который в то время только еще был построен. Его балка жесткости составляла лишь 1/300 пролета (средний пролет 854 м), и поведение конструкции тоже вызывало сомнения. Но о последующих событиях мы расскажем, когда придет время…

Анализ происшествия с Такомским мостом дал исследователям больше, чем практический опыт всех предыдущих десятилетий. В настоящее время испытания модели моста в аэродинамической трубе являются обязательной фазой для каждого будущего висячего моста. Но висячие системы в мостостроении имеют и серьезных противников в инженерном мире. Существует несколько крупных проектов: второго моста над Босфором, мостов над Мессинским проливом и над Гибралтаром. Если их технико-экономическое обоснование будет убедительным, вероятно, некоторые из них будут построены. По-видимому, у висячих мостов есть будущее, однако не следует забывать об их далеко не безоблачном прошлом.

«ШЛЯГЕР» КАРКАСА

С развитием промышленности в прошлом веке постепенно начали появляться промышленные здания с большими пролетами и электрическими мостовыми кранами. Повысились и требования к многоэтажным общественным зданиям (большая площадь остекления, отсутствие промежуточных перегородок, большие внутренние пространства, свободные от конструктивных элементов). Все это стало возможным благодаря рождению новой строительной концепции — каркасных конструкций.

Первые каркасные конструкции многоэтажных зданий появились после того, как сталь была узаконена в качестве строительного материала, т. е. после того, как развитие металлургической промышленности в некоторых ведущих странах достигло такого уровня, что стало возможным выделять определенные количества этого дорогого материала для строительных целей. Первые образцы каркасных конструкций датируются серединой прошлого века (Чикаго, а затем и другие американские города). После того, как они утвердились в Америке, им был оказан добрый прием и в Европе. Сразу же после рождения железобетона его апологеты преподнесли миру массивные на вид, но обладающие большой несущей способностью и жесткостью каркасные конструкции (Франция, конец XIX в.). В настоящее время каркасные конструктивные системы широко применяются почти во всех случаях мировой строительной практики: при строительстве жилых, промышленных и общественных зданий, гаражей, складов, а также таких специальных сооружений, как канатные дороги, эстакады и т. д.

Каркасные конструкции состоят из вертикальных (или почти вертикальных) несущих элементов — колонн или стоек — и горизонтальных (или почти горизонтальных) несущих элементов — балок или ригелей. У зданий с несущим каркасом функции отдельных частей и конструкций четко дифференцированы. Одни из них предназначены исключительно для того, чтобы ограничивать определенные функциональные объемы, оформлять фасады, обеспечивать тепло- и звукоизоляцию. С точки зрения конструктора, они являются нагрузкой для второй группы элементов — несущих. Именно эта особая группа элементов, единственное назначение которых — воспринимать и передавать внешние нагрузки, представляет собой каркас.

С освобождением фасадов и перегородок от несущих функций создается возможность расширить площадь остекления, благодаря чему здания становятся легкими и изящными, а также обеспечивается более свободная внутренняя планировка, которая к тому же может претерпевать определенные изменения в процессе эксплуатации. Этого нельзя сказать об архаичных зданиях с несущими кирпичными стенами, где разрушение стены равносильно катастрофе. Таких богатых возможностей не имеют и современные крупнопанельные здания с подчеркнуто жесткой планировкой. Вообще каркас позволяет использовать обширные свободные пространства практически в рамках целого этажа, что считается бесценным качеством для общественных зданий.

Рис. 23. Рамная конструкция, нагруженная вертикальной равномерно распределенной нагрузкой: общий изгибающий момент распределяется между пролетом и узлами

Значимость такого рода конструкций трудно переоценить. Каркасные конструкции созданы в соответствии с образцами, рожденными природой, — почти все представители животного и растительного мира тоже имеют каркас — скелет. Более того, скелет является признаком высших биологических видов, который появился на одном из поздних этапов их эволюции. Самостоятельное выделение несущих функций среди всех остальных, будучи целесообразным и полезным, достигается при наличии подходящего материала для каркаса (скелета). В животном мире это костная ткань — материал, в основе которого лежат соединения кальция. Кость отличается от мягких тканей огромной прочностью и жесткостью. В строительстве аналогичными материалами служат сталь и железобетон. Их свойства позволяют концентрировать огромные внутренние усилия в незначительной части общего объема здания, а именно в объеме конструкции, и на предельно малой площади, какой является площадь колонн.

Рис. 24. Рама, подвергнутая воздействию горизонтальных сил: общий изгибающий момент в колонне тоже рационально распределяется по высоте стоек. Все это обеспечивает более полное использование материала и большую экономичность конструкции

Статический эквивалент каркасных конструкций называется рамой. По существу, рамы — это пространственные элементы, и это имеет большое значение для их общей работы. Однако чаще всего рамы работают в основном в плоскости своих отдельных плоскостных конструкций. На рис. 23 показана схема простейшей рамы — одноэтажной однопролетной. Такая рама может использоваться, например, в конструкции промышленного здания. Система рам, поставленных параллельно одна другой на расстояниях от 6 до 12 м, образует каркас данного производственного помещения. Разумеется, рамы связаны между собой определенными элементами, так что вне плоскости схемы находятся другие рамы: стойки те же, а горизонтальные элементы расположены перпендикулярно листу. Очевидно, что речь идет о пространственной каркасной конструкции, главные рамы которой взаимно перпендикулярны (рис. 23 и 24), в связи с чем мы и обращаем на них свое внимание. Что является эффективным в их очертаниях?

Во-первых, частичное защемление балок в узлах их опирания на стойки каркаса. Изгибающий момент, который совсем не так уж мал, распределяется по всей длине балки более равномерно, чем в случае свободного опирания: в пролете растяжению подвергаются нижние слои, а вблизи стоек — верхние. Таким образом, в стойки «вводится» определенный момент, но он не имеет для них решающего значения. Важно то, что балки могут быть более стройными и экономичными.