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.

---

ПРАВДА О ЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ

Подавляющая часть зданий и сооружений на нашей планете построена из железобетона. Для его повсеместного распространения преградой не были ни климатические пояса, ни государственные границы, ни общественно-экономические условия. Он окружает нас всегда и везде. К его присутствию мы привыкли настолько, что почти не отдаем себе отчета о месте бетона в материальной культуре современного мира. А ведь он является тем столпом, на котором держится современное строительство. В нашей жизни он старательно скрывается за облицовкой и всевозможными покрытиями как нечто неприличное, чего не следует выставлять напоказ. А в сущности, мы должны им гордиться.

… Париж, 1855 г. Первая всемирная выставка. Среди кринолинов, цилиндров и фраков «доброго старого времени», рядом с огромным локомотивом Круппа и розовым монгольфьером последней модели затерялся, оставшись почти незамеченным, экспонат француза Ламбо — лодка из металлической сетки, покрытой цементом. Действие происходило под 50-метровыми стальными арками выставочного павильона, построенного специально для этого случая и являвшего собой чудо строительного искусства того времени. И это символично: под сводами из уже широко применяемого и сравнительно хорошо изученного материала — стали — скромно появился материал следующего века — железобетон.

Несмотря на такой документально засвидетельствованный факт, нынешние историки затрудняются назвать имя первооткрывателя этого исключительного материала. Сведений об отдельных изобретениях такого рода не так уж мало, но их половинчатый характер едва ли достаточное основание для присуждения лавров первооткрывателя. А ведь речь идет об открытии «столпа современного строительства»!

В 1861 г, француз Куанье опубликовал первую известную статью, посвященную будущему материалу. В статье описывались его предполагаемые возможности и подчеркивалось, что через некоторое время он займет ведущее положение. В 1967 г. Франция торжественно отмечала 100-летие железобетона, причем «героем дня» был садовник Монье. В 1867 г. он получил первый патент на необычайный симбиоз бетона и стали. Но история часто бывает несправедливой: запатентованные Монье армированные цветочные горшки, трубы и железнодорожные шпалы были эмпирическим продуктом, неким формальным железобетоном, который еще не был оплодотворен теоретической идеей. Она будет наполовину высказана только через 10 лет, а окончательно сформулирована еще 40 лет спустя, чтобы претвориться в жизнь в наши дни.

О бетоне мы рассказывали уже достаточно много. В сущности, это просто искусственный камень. Но, в отличие от природного камня, бетон может принимать различные конструктивные формы, застывать в самых необычных, нестандартных положениях, что делает его идеальным материалом для архитектурно-строительного творчества. С течением времени его прочность на сжатие (а она, как мы уже знаем, действительно каменная) не только не уменьшается, а, напротив, увеличивается. Хотя его рабочая диаграмма сильно отличается от рабочей диаграммы идеально упругого тела, но это не так уж страшно. Хуже то, что деформации реализуются не сразу после нагрузки, а медленно, постепенно, с течением времени; бетон ползет. Такая ползучесть бетона — весьма неприятное свойство, поскольку ведет к перераспределению усилий, которое трудно предусмотреть. Деформируемость бетона является причиной и другого типа перераспределения усилий, которое, в отличие от первого случая, оказывается даже желательным. Пластичность и «податливость» материала подобна аварийным клапанам в паровых котлах; благодаря этому опасность взрыва и катастрофы резко уменьшается. Более того, естественная «податливость» бетона приводит к более активному включению в работу слабо нагруженных сечений элемента, и конструкция используется более полноценно. Разумеется, поскольку это связано с пластическими деформациями, существует и оборотная сторона. Однако важнее другое — отсутствует опасность хрупкого, внезапного разрушения при работе бетона на сжатие.

Низкая цена и недефицитность бетона несколько омрачаются его исключительно малой прочностью на растяжение. Не трудно себе представить, где именно сильнее всего скажется это пренеприятное обстоятельство — в работе бетона на изгиб. Задолго до того, как будет полностью включена в работу зона сжатия и появятся описанные выше пластические явления, растягиваемая зона окажется на пороге разрушения.

А теперь несколько слов о «партнере» бетона — стали. Сталь — один из самых прочных материалов, известных человеку. Но и один из самых дорогих. В железобетоне используется почти исключительно прочность стали на растяжение, благодаря чему получается новый, сверходнородный композиционный материал. Замечательно в этом симбиозе то, что по сравнению со стальными конструкциями расход стали значительно снижается. Роль стали в железобетонных конструкциях подобна роли, которую играет в химических реакциях катализатор: относительно небольшие количества его превращают слабые или даже невозможные в иных условиях реакции в бурно протекающий процесс большого практического значения. Только в случае железобетона речь идет не о химических, а о механических свойствах. Минимальный расход такого дорогого материала, как сталь, не оказывает большого влияния на стоимость нового продукта. Железобетон несколько дороже бетона, но намного дешевле стали.

Причем сталь в данном случае попадает в «хорошие руки». Она защищена от коррозии, не нуждается в специальном уходе, а следовательно, и не требует дополнительных затрат. Более того, если даже в железобетонные конструкции закладывается арматура, которая находится в начальной стадии коррозии, то с течением времени она полностью очищается от ржавчины. Сталь хорошо защищена и от воздействия высоких температур, которые могли бы возникнуть во время пожара и самым неприятным образом отразиться на незащищенном металле. Кроме того, бетон и сталь, к счастью, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. В противном случае при изменении температуры возникали бы значительные внутренние напряжения, что сделало бы невозможным сосуществование этих двух материалов. Подобный иммунный барьер у живых организмов обычно ведет к гибели одного из «партнеров». Между сталью и бетоном такой «иммунной несовместимости» нет.

В железобетоне, как в математике, минусы взаимно нейтрализуются, а плюсы складываются. В результате получается исключительно удачная композиция из двух совершенно противоположных материалов. Сталь сообщает бетону столь необходимую ему прочность на растяжение, а бетон надежно защищает ее от внешних воздействий. Но в чем же «общая идея» этого материала?

Впервые с ее описанием мы встречаемся в американском патенте № 206112, выданном 16 июля 1878 г. на имя Тадеуша Хайата, коренного американца польского происхождения. Там мы можем прочесть: «Цементобетон — это бетон, изготовленный из цемента … в таком сочетании со сталью круглого сечения, что сталь помещается в областях, где есть растягивающие усилия». В 1885 г, та же идея была высказана немцем Кёненом.

Рис. 32. Принцип армирования: сталь концентрируется в областях, где возникают растягивающие напряжения

Действительно, главная, несущая арматура концентрируется в областях, где возникают напряжения-растяжения. Сначала методами строительной механики подробно исследуются усилия — изгибающие и крутящие моменты, нормальные и поперечные силы — и на основе полученной картины конструктор может судить о том, где в процессе эксплуатации или при аварийном состоянии могут возникнуть растягивающие напряжения. В соответствии с их величиной он определяет количество стали, которая должна быть вложена в определенные места железобетонной конструкции. На рис. 32 показаны принципиальные схемы трех наиболее распространенных железобетонных элементов — балки, плиты и вертикальной диафрагмы высокого здания. Арматура уложена со стороны растягивающих напряжений в бетоне.

Но это лишь часть правды о железобетоне. Необходимо знать, что между сталью и бетоном возникает сильное сцепление, которое практически непреодолимо вплоть до полного разрушения. А это говорит о том, что их деформации идентичны.

Рис. 33. Принцип работы железобетона основан на прочном сцеплении бетона с арматурой. При совместной деформации 0,015% бетон перестает работать, разрывается. В этот момент напряжение Арматуры составляет около 300 кг/см2. После этого трещины свободно расширяются и арматура беспрепятственно растягивается до того момента, пока в ней не возникнут соответствующие напряжения большей величины

Простейшую схему их совместной работы в зоне растяжения мы видим на рис. 33, где показаны символические представители двух материалов в виде тел длиной, равной 1, и сечением, тоже равным 1. Два тела связаны в общий блок, который одинаково их деформирует (растягивает). Таким образом символически отражается сцепление, которое является причиной одинаковых деформаций в двух материалах. Но так как у стали модуль упругости приблизительно в 10 раз больше, чем у бетона, она (в соответствии с законом Гука) при данных деформациях будет работать с растягивающими напряжениями, тоже в 10 раз большими.