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.

---

«ПЕРЕД ВЗОРАМИ СМЯТЕННЫХ ОЧЕВИДЦЕВ…»

Петербург, 1905 г. По улицам столицы среди плотной толпы любопытных горожан бодро шествовали колонны кавалерийского полка со знаменами и полковой музыкой. Первые конники приблизились к Неве, а затем вступили на полотно Египетского моста. В ту минуту, когда они достигли его противоположного конца и мост заполнился торжественно движущейся кавалерией, перед взорами смятенных очевидцев разыгралось зрелище, которое может быть внесено и в классический список строительных катастроф, и в альманах курьезов. Неожиданно мост «ожил», задвигался почти в такт со стуком конских копыт и с глухим шумом рухнул в воду вместе с находящейся на нем конницей.

Резонанс — так принято называть то, что послужило причиной этого уникального в мировой строительной практике случая.

Одно из фундаментальных положений строительной, статики заключается в требовании, чтобы нагрузки на конструкцию были постоянны по месту и величине и чтобы они повышались постепенно от нуля до максимального значения. Статические нагрузки представляют собой скорее исключение, чем правило. Реальные нагрузки чаще всего изменяются и по величине, и по местоположению, так что они должны оказывать динамическое воздействие.

Динамический эффект выражается в ускорении, с которым прилагается нагрузка. Второй закон Ньютона гласит: масса, умноженная на ускорение, равна силе. Именно инерционные силы являются причиной дополнительных нагрузок, которыми мы часто пренебрегаем, но которые иногда имеют решающее значение. Не будет преувеличением сказать, что они возникают всегда и всюду.

Рис. 4. Одним из фундаментальных положений строительной статики является условие о том, что внешние нагрузки постоянны по месту их приложения и по своей величине и что конструкция подвергается их воздействию очень медленно. Однако статические нагрузки, скорее исключение, чем правило

Начнем с так называемых ударных нагрузок. Их воздействие определяется кинетической энергией удара. В промышленности источником такого воздействия являются различные виды автоматических молотов. Иногда их мощность имеет фантастические величины, и, если не принимать специальных мер, по их изоляции, они за несколько часов своего взрывоподобного режима работы могут разрушить здание, в котором находятся, и серьезно повредить соседние. В транспортном строительстве существует возможность удара транспортных средств о мостовые сооружения при аварийной ситуации. Например, для автодорожных мостов предусматривается расчетная сила удара, равная 100 т (нормы НРБ по нагрузкам для мостов). Гораздо большая сила удара наблюдается при столкновении судов с опорами моста. Но ударные нагрузки могут быть и совсем тривиальными, например при прохождении колесами железнодорожного состава рельсовых стыков.

Воздействие нагрузок этого рода обычно ограничивается небольшой частью конструкции. И чем выше скорость удара, тем меньше область его воздействия. Например, камень разбивает все стекло, в которое попадает, тогда как пуля благодаря несравнимо большей скорости оставляет в нем лишь маленькое отверстие.

Последствия удара предусмотреть сравнительно легко. Совершенно иначе обстоит дело с другим видом динамических нагрузок — вибрационными. Самое неприятное в них то, что они воздействуют на всю конструкцию в целом и даже на конструкции объектов, расположенных вблизи источника вибраций. Несущие системы зданий и сооружений сами по себе склонны к вибрациям, к колебаниям, характеристики которых в каждом случае строго индивидуальны. Когда характеристики совпадают с характеристиками внешнего воздействия, система попадает в резонанс. Амплитуда колебаний резко увеличивается, что может привести к полному разрушению конструкции даже при сравнительно слабых по абсолютной величине динамических нагрузках. Именно это и случилось с Египетским мостом в Петербурге.

Вокруг нас много источников подобных пагубных воздействий, и мы часто о них даже не подозреваем. Начиная с колес парового локомотива, неуравновешенные массы которыхвызывают гармонично изменяющуюся инерционную силу, и кончая всеми машинами и агрегатами, вращающиеся части которых, несмотря на самый точный монтаж, никогда не могут быть идеально центрированы, что опять же приводит к возникновению инерционных сил, — вот длинный и практически бесконечный список источников вибраций. Но первое место среди них, бесспорно, принадлежит турбоагрегатам — генераторам, компрессорам, помпам. Скорость вращения высокочастотных турбоагрегатов превышает 300 об/мин, а это значит, что своеобразные приливы и отливы чередуются в сотые доли секунды. За одну секунду здание может испытывать от 10 до 50 и даже до 100 толчков.

Весной 1965 г. со складом одной флотационной фабрики в течение 24 ч произошло нечто странное. С чего все началось, никто не видел, но к 9 ч утра работники заметили, что некоторые элементы стальной конструкции сильно деформировались. Была поднята тревога.

Склад — весьма внушительное сооружение — достигал в длину 350 м, в ширину — 42 м, а верхняя точка перекрытия находилась на высоте 27 м над поверхностью земли. Внутри здания хранилась огромная масса влажного концентрата, каждый кубический метр которого весил более трех тонн. 42-метровый пролет склада был перекрыт стальной конструкцией в виде трехшарнирной арки, а в середине перекрытия по всей длине здания проходила линия транспортировки концентрата. Вся эта масса в десятки тысяч тонн весом тайно и систематически подтачивала фундамент здания, подготавливая последующие события.

В 9 ч 20 мин на место происшествия спешно прибыл один из заместителей главного инженера, который собственными глазами увидел, как последовательно изгибаются и разрушаются связи между главными несущими конструкциями. Кроме того, было замечено, что покрываются трещинами стены трансформаторной подстанции. В 10 ч 5 мин здание подстанции полностью разрушилось.

Тогда стало ясно, что П-образные рамы медленно, но верно раздвигаются, а расстояние между фундаментами, первоначально составлявшее 42 м, явно увеличивается. Когда в полдень на место происшествия прибыла комиссия, состоящая из специалистов по строительству, их взорам предстала выпуклость грунта, простирающаяся с внешней стороны склада по всей длине. Грунтовое основание утратило устойчивость под действием огромного веса влажного концентрата и сил, направленных на фундамент, грунт перешел из статического состояния в состояние неустойчивого динамического равновесия. Перед взорами смятенных очевидцев постепенно вырисовывались контуры огромной строительной катастрофы, которая должна была вскоре произойти.

К 13 ч появились первые признаки разрушения транспортировочной линии. В это время смещение внешних стен достигало 2 м. В 13 ч 20 мин обрушились груды концентрата, и с этого времени вплоть до утра следующего дня деформации нарастали с постоянной скоростью.

Через 24 ч после сигнала тревоги ширина склада составляла уже не 42, а 48 м, покрытие снизилось на 3,2 м, а вал вспучившегося грунта достигал в высоту 2 м. Деформации и локальные повреждения в конструкции были настолько велики, что дальнейшая эксплуатация здания стала невозможной.

Этим примером мы хотим привлечь внимание к одной из непредвиденных, но часто катастрофических нагрузок, которым подвергаются здания и сооружения, — подъему грунтового основания. Определенные деформации в нем неминуемы, но если они переходят известные границы, конструкции угрожает авария.

Рис.5. Непредусмотреннными и часто роковыми являются силовые воздействия, которым подвергается строительная конструкция вследствие подъема грунтового основания

Как материал для основания грунт по качеству сильно уступает строительным материалам, и, следовательно, возможности его весьма ограничены. Его поведение трудно предсказать количественно (а иногда и качественно) неожиданности в его поведении, не будучи правилом, не являются и исключением. Он — природная данность, созданная вне нашего контроля и без консультации с нами по тем вопросам, которые нас интересовали бы, а также в то время, когда нас еще не было. Мы вынуждены принимать все его недостатки, странности и капризы.

Основная задача при проектировании — сведение к минимуму оседания грунта под фундаментами, поскольку благодаря этому уменьшаются дополнительные нагрузки (и перегрузки!) конструкций, которые и без того должны воспринимать целый ряд постоянных и временных нагрузок. Оседание грунта, даже если оно и не вызовет катастрофы, может привести к образованию трещин в кирпичной кладке, к локальным повреждениям и вообще к отклонениям от нормального состояния сооружения. Это — паразитическая нагрузка, влияние которой должно быть тщательно проанализировано.