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.

---

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.

Рис. 2. Возможная интерпретация нормативной полезной нагрузки  на стадионах, в зрительных залах, в фойе

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».

В 1972 г. в филиппинском городе Нага-Сити произошла следующая история. Приближался день большого религиозного праздника, насыщенный массовыми шествиями и зрелищами. Кульминационным событием была торжественная процессия на полноводной реке, протекающей через город: в ней участвовали сотни верующих на пышно украшенных лодках и небольших парусных суденышках. Это зрелище удобнее всего было наблюдать с большого автодорожного моста, который в роковой день и час заполнился любопытствующими — верующими и неверующими, местными жителями и иностранными туристами. Когда ожидаемая процессия наконец показалась, люди столпились на одной стороне моста, не подозревая о том, что случится в следующее мгновение. Мост ужасающе заскрежетал, изогнулся и, не выдержав огромной односторонней нагрузки, внезапно рухнул. Деревянными балками и металлическими конструкциями было раздавлено 130 человек. Знаменательно, что подобная катастрофа при тех же обстоятельствах уже произошла в этом месте в 1949 г.

В принципе бывает довольно трудно предусмотреть обстоятельства (или, соответственно, «живую нагрузку»), которые могут сказаться критическими для здания или сооружения. Тем не менее они не такие уж невозможные. Совершенно очевидно, что увеличение полезных нагрузок до невероятных пределов предполагает проектирование чрезмерно прочных, чрезмерно надежных и, естественно, чрезмерно неэкономичных строительных конструкций. Другой крайностью было бы закрыть глаза на известную, но маловероятную возможность реализации необычайно высокой полезной нагрузки. В этом случае конструкции будут гораздо более экономичными при весьма сомнительной надежности. По-видимому, наилучшим решением здесь будет разумный компромисс.

Возьмем следующий пример. Возможно ли, чтобы в жилом доме помещения наполнились людьми до такой степени, чтобы полезная нагрузка достигла величины 400 кг/м2? Говоря житейским языком, на каждом квадратном метре пола должно собраться по четыре толстяка весом по 100 кг. Но чтобы разместиться на столь малой площади, они должны были бы прижаться друг к другу… А это была бы уже такая теснота, которая возможна только при огромных скоплениях людей — на стадионах, в зрительных залах, в фойе и т.п. Для подобных объектов полезная нагрузка 400 кг/м2 вполне уместна, поэтому именно эта величина считается для них нормативной. Для коридоров и лестничных клеток административных зданий нормативная полезная нагрузка составляет 300 кг/м2. При проектировании жилых зданий, где статическая ситуация, подобная описанной, является почти невероятной, проектировщик практически ориентируется на полезную нагрузку 150 кг/м2.

Подобным же образом, но путем гораздо более сложных расчетов решается вопрос о подвижных полезных нагрузках в случае мостовых конструкций. Расчетом учитываются транспортные средства, которые, с одной стороны, наиболее типичны для данного исторического момента в данной стране, а с другой стороны, могут оказывать наиболее тяжелое воздействие на мост и вызывать в нем напряжения и деформации. Причем важное значение здесь имеет не только величина нагрузок, но и их взаимное расположение. Поэтому еще в проектной мастерской моделируются различные дорожно-транспортные ситуации, которые могут самым неблагоприятным образом отразиться на состоянии как отдельных конструктивных элементов, так и конструкции в целом.

КАТАСТРОФЫ В ПРОШЛОМ И В НАШИ ДНИ

28 января 1922 г. над Вашингтоном бушевала метель. Во второй половине дня снегопад усилился и улицы опустели. К вечеру огромные снежные сугробы покрыли крыши, парки, улицы и площади, а снег все шел и шел.

Демонстрация фильма в огромном кинотеатре «Никарбокар» началась при переполненном зале. Едва ли кто-нибудь из зрителей подозревал, что происходит над его головой, хотя именно в это время сложные процессы в конструкции перекрытия тайно готовили катастрофу.

Едва ли кто-нибудь подозревал, что невидимый конфликт между силами гравитации и слабой, плохо спроектированной и выполненной конструкцией стремительно развивается в самом опасном, гибельном направлении и что очень скоро верх возьмут слепые силы гравитации. Тем временем толщина снежного покрывала на перекрытии достигла полуметра, более чем на 15% превысив расчетную величину. И «чаша переполнилась»…

В 21 ч 10 мин перекрытие над зрительным залом внезапно рухнуло: 91 человек погиб, а около 200 были тяжело ранены.

Каждый специалист хорошо знает, что снег — далеко не маловажный фактор и его нельзя недооценивать. Пушистый и легкий, он постепенно образует толстые пласты и уплотняется, вследствие чего его объемная масса может достигать значительной величины. Если в январе — феврале свежий снег весит до 300 кг/м2, то в марте масса 1 м2 снежного покрова может достигать 0,5 т. Кроме того, следует принимать во внимание одно дополнительное и весьма неприятное обстоятельство: в промышленных районах и крупных городах снег смешан с пылью (тяжелый снег), в связи с чем снежные нагрузки здесь могут быть гораздо более значительными, чем в сельской местности. О том, насколько коварным может оказаться обычный снег, говорит следующий факт. С 1955 по 1966 г. только в Канаде произошло восемь крупных аварий на строительных объектах, и, как показала экспертиза, причина была одна — чрезмерные снежные нагрузки.

Наибольшая толщина слоя снега, накопившегося за одни сутки, зарегистрирована в штате Колорадо (США) 14—15 апреля 1921 г. Это так называемая экстремальная ситуация, которая складывается не так уже часто. Возникает логичный вопрос: какой же должна быть нормативная снежная нагрузка, чтобы конструкция не подвергалась опасности аварии, но в то же время не была и «чрезмерно» надежной?

Здесь, как и в случае полезных нагрузок, вопрос может решаться с точки зрения статистической вероятности. Но, в отличие от полезных нагрузок, паразитическая снежная нагрузка не поддается никакому регулированию со стороны человека. Снег — это просто довольно неприятный для конструктора фактор, который он должен учесть и по возможности наиболее точно. Многолетние наблюдения позволяют получить подробные данные о колебаниях толщины снежного покрова. На основании этих данных выбирается год с особенно обильными снегопадами. Но как часто, по теории вероятности, повторяются такие снежные годы? Именно здесь возникает дилемма, которая всегда встает перед конструктором, когда он имеет дело с явлениями природы. Решение находится где-то на границе между чрезмерной драматизацией опасности и преувеличенным оптимизмом. Таким образом, речь снова идет о разумном компромиссе, который в значительной степени зависит от социальных и экономических установок.