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 70-х годах прошлого века, когда не были разработаны Британские стандарты ветровых нагрузок, конструкторы пользовались таблицами, утвержденными Королевским научным обществом еще в 1759 г. В этих таблицах указывалось, что самый сильный ветер (буря) может оказывать горизонтальное давление до 58 кг/м2. Следует отметить, что немецкие мостостроители в это время проектировали свои сооружения из расчета ветрового напора в 135 кг/см2, а французские и американские — до 258 кг/см2. Так что традиционный английский консерватизм проявился и здесь, хотя, надо сказать, автор проекта — специалист по гражданскому строительству — не пользовался даже этими таблицами. Как он сам заявил в следственной комиссии, расчетная надежность моста в 20 раз превышала вертикальные эксплуатационные нагрузки (!), в связи с чем какие-либо специальные меры для восприятия ветровых нагрузок он считал излишними. Но для такого высокого и изящного моста, как на р. Тей, подобное представление оказалось роковым. Реальный коэффициент надежности не только не был равен 20, но не достигал и единицы, а значит, мост с самого начала был обречен. Ни качество материала, ни качество работы, ни целесообразность поперечных связей — ничто из того, что подвергалось большей или меньшей критике, не угрожало мосту в такой степени, как общая его неустойчивость. При особенно сильном порыве ветра он просто перевернулся. Полностью были разрушены конструкции 13 пролетов, а частично — чугунные столбы вплоть до каменных оснований, на которых они практически не были достаточно хорошо закреплены.

Опасности таит в себе буквально каждый миг биографии сооружения. Эмоционально они определяются словами «незнание», «недобросовестность» или «небрежность», а что касается их специальной инженерной классификации и описания, то для этого необходимы целые тома. Вообще говоря, решающее значение могут иметь ошибки, допущенные на любой из четырех стадий создания и существования сооружения; при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации. Первая стадия таит в себе главным образом неожиданности геологического характера (слабый грунт и т. д.), и недостаточно тщательно проведенные изыскания могут впоследствии стать причиной больших неприятностей. Процесс проектирования в значительной степени субъективен; он зависит от конкретных знаний, возможностей и опыта проектировщика, однако в конечном счете он обусловлен уровнем научно-технических знаний в данный исторический период. Само строительство является чуть ли не самым слабым звеном в цепи. Ряд его специфических особенностей дает возможность (потенциальную) отклонения от требований проекта, проявления опасной инициативы и даже допущения грубых ошибок, которые могут скомпрометировать и самый лучший проект.

Что касается эксплуатации, то она имеет свои тонкости. Например, за мостами, которые находятся в тяжелых эксплуатационных условиях, должен осуществляться в течение всего срока их службы систематический контроль, позволяющий регулярно выявлять деформации и оценивать состояние отдельных элементов. Отсутствие такого контроля оказывается причиной большинства аварий мостов.

Из-за отсутствия технического надзора произошла катастрофа старого моста в филиппинском городе Нага-Сити в 1972 г., о которой мы уже рассказывали. Но, к счастью, сейчас сообщения о драматических инцидентах в строительстве появляются очень редко. Аварии и дефекты, разумеется, неизбежны при освоении экспериментальных технологических процессов, конструкций или методов работы. Но они представляют собой лишь отклонение от нормального положения вещей, которое, как правило, своевременно замечается и успешно устраняется. При нынешнем высоком уровне инженерных знаний и опыте, при высокоточной системе контроля за состоянием конструкции объективные предпосылки катастрофы практически отсутствуют. Остаются субъективные … Но это фактор риска, обусловленный особенностями человеческой природы, социальным фоном соответствующей страны, характером общественно-экономического строя. Вероятно, страницы больших строительных катастроф уже почти дописаны. Подобные события случались главным образом в прошлом …

Весь XIX и начало XX в. оказались переломными для мирового строительства. Человек постепенно заменял несовершенные природные материалы (дерево и камень) сначала металлом, а затем и железобетоном. Но конструктивные формы развивались медленнее, чем металлургическая промышленность. Переход от одних материалов к другим осуществлялся тоже медленно, часто с большими трудностями и неудачами. Необходимо было время, чтобы обнаружить плюсы и минусы уже построенных объектов нового типа, целесообразность новых форм и концепций. Теория строительства отставала от практики; в то время она нуждалась в первооткрывателях, прокладывавших путь для строительной механики. При таком положении именно аварии и катастрофы выявляли пробелы в инженерном знании, именно они были стимулом развития теоретической и экспериментальной базы строительства. Однако есть множество случаев крупных аварий, которые нельзя оправдать ничем. Именно таким случаем является катастрофа моста на р. Тей.

Но вернемся теперь в наши дни и рассмотрим аварии строительных конструкций, имевшие место у нас на родине — в НРБ. За последние 10— 20 лет произошло несколько весьма поучительных случаев. В 1966 г. во время бетонирования обрушился арочный железнодорожный мост в районе Лакатника. Были человеческие жертвы. В сущности, обрушился каркас, поддерживающий опалубку, — сложная большепролетная деревянная конструкция. Причиной аварии был ряд ошибок, допущенных при статических расчетах.

Причиной другой аварии являлось качество материала. Внезапно рухнула часть крытой разгрузочной площадки на ТЭЦ «Девня». Действие и тут развивалось в процессе строительства; конструкция была выполнена из сборного железобетона. Видимых причин для аварии не было. Детальная проверка проекта показала, что все в порядке. Тогда закрались сомнения в качестве стали. Оказалось, что при соответствии Болгарскому государственному стандарту содержание углерода и кремния в ней близко к верхней границе нормы. Вследствие повышенной хрупкости стали на участках изгиба в рамных узлах произошел внезапный разрыв арматуры, что привело к катастрофе. Разумеется, стандарт на сталь после этого был соответствующим образом скорректирован.

И все же чаще всего причиной аварий являются дефекты исполнения. Именно они привели к аварии жилого дома в Шумене, общежития в Кырджали, магазинов в Пазарджике и Благоевграде, школ в Радомире и Свиштове. Моральная и материальная ответственность может иметь самые неприятные, а иногда и роковые последствия.

Иногда строительные аварии бывают не менее страшными и драматичными, чем авиационные катастрофы. Но, к счастью, это случается редко, очень редко. Возможности крупных аварий зданий и сооружений в последние годы значительно уменьшились. Развитый экспериментально-теоретический аппарат, высококачественные материалы, современные технологические методы, четкая организация строительства и строгий технический надзор — вот те основные условия, которые позволяют свести эти возможности к минимуму.

НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Выбор той или иной степени надежности — это прежде всего экономическая задача. Но в ней присутствуют также другие аспекты — социальные и моральные. Итак, надежность… Какой она будет?

Расчет строительных конструкций, как мы уже знаем, должен предварительно, еще в проектной мастерской гарантировать, что выполненная в соответствии с расчетом конструкция в эксплуатационный период или во время каких-либо аварийных ситуаций сохранит свои качества и будет продолжать выполнять свои функции. Но этот процесс предполагает неизбежные приближения и упрощения: используется условная статическая схема, рассматривается идеализированный материал (идеально упругий или идеально упругопластичный), берутся нагрузки, хотя и хорошо обоснованные в различных нормах, но представляющие собой также значительную идеализацию реально существующих отношений между конструкцией и внешним силовым воздействием. Очевидно, что действительные конструкции, действительные материалы и действительные нагрузки в силу своей сложной, неясной, непостижимой природы будут отличаться от расчетных. Именно эти неизбежные различия перекрываются неким коэффициентом (так называемым коэффициентом запаса). Так что его место в строительстве определяется необходимостью некоего абстрактного начала — расчетных предпосылок о совпадении предполагаемых условий с реальными условиями работы сооружения в различные моменты его жизни.

В принципе надежность зависит от трех основных факторов — от свойств материала, внешних нагрузок и общих условий работы (и исполнения) конструкции. При всем этом полтора века назад, когда был впервые выведен коэффициент запаса, он понимался совершенно иначе, чем сейчас. Но нынешнее понимание его является зачастую противоречивым, во всяком случае, дискуссионным. Не возникает споров только о выборе расчетных характеристик материалов. Для упругих материалов основной расчетной характеристикой является предел текучести, поскольку значительные пластические деформации, которые происходят после его прохождения, приводят к недопустимым смещениям в конструкции. Для хрупких материалов такой основной характеристикой является предел разрушения. Для материалов, работающих в режиме постоянного динамического воздействия, отправной точкой считается так называемый предел усталости, который предполагает хрупкое разрушение, так как внутри материала возникают микротрещины. (Этот предел определяют в лабораторных условиях при многократно повторяющихся динамических воздействиях, причем число циклов в зависимости от конкретных требований может достигать миллиона и даже миллиарда.) Так что в любом случае речь идет о предельных сопротивлениях материала.