Невидимый конфликт

ВОПРОС ПЕРВОСТЕПЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ

К новым материалам для строительных конструкций обыкновенно подходят крайне осторожно. Их проверка продолжается годами, часто они испытываются в действии — в экспериментальных зданиях и сооружениях. А вот «доверять» им начинают только тогда, когда их прекрасные первоначальные характеристики сохраняются в течение всего срока эксплуатации сооружения.

Каждый понимает, что для конструкции первостепенное значение имеет материал, из которого она выполнена. Именно он в основном определяет такие ее качества, как несущая способность, долговечность, стоимость. Кроме того, материал оказывает решающее влияние на конструктивные формы. Стальная балка, например, совсем непохожа на деревянную или железобетонную. Требования, которые в основном предъявляются к материалам для строительных конструкций, приблизительно таковы: высокая прочность; сравнительно небольшая деформируемость; долговечность прочностных характеристик; устойчивость к атмосферным воздействиям; высокая стойкость к динамическим нагрузкам, без усталости; огнестойкость; легкость; простота обработки, отсутствие производства и возможность его организации при минимальных капиталовложениях; ясность физической природы материала, обеспечивающая возможность ее изучения; возможность индустриализации строительного процесса при конструктивных формах, обусловленных применением материала; относительно невысокая стоимость.

Как можно видеть, требования эти весьма противоречивы. Сталь, например, при высокой прочности является достаточно дорогим, а во многих странах и дефицитным материалом. Она неогнестойка и поддается атмосферным воздействиям (корродирует). Бетон — дешевый и недефицитный материал, но он сравнительно тяжел и подвержен деформациям. Дерево при относительно большой прочности и исключительной легкости весьма чувствительно к атмосферным воздействиям и быстро загорается, не говоря уже о том, что оно в настоящее время крайне дефицитно. Очевидно, что эти три наиболее распространенных строительных материала далеки от совершенства. Правда, за последние десятилетия для нужд самолетостроения и космической техники создан ряд превосходных материалов, соответствующих значительной части предъявляемых к ним требований. Однако абсолютно идеальный материал с универсальными свойствами едва ли когда-нибудь будет создан. Но если даже он и появится, то цена его будет, естественно, огромной. А ведь строительство — массовая отрасль, может быть, даже самая массовая форма технической деятельности человека. Почти вся жизнь человека проходит под крышей — здесь он рождается, растет, работает, спит, развлекается, говорит. Здания и сооружения — это насущная человеческая потребность, которая, по-видимому, будет ощущаться вечно. Ясно, что ни одна страна не может себе позволить применять в массовом строительстве алюминиевые сплавы, специальные хромованадиевые, титановые и никелевые стали, легкую и исключительную прочную керамику, которая используется в космической индустрии.

Но рассмотрим вопрос материалов с другой стороны. Машина или предмет широкого потребления рассчитаны на срок эксплуатации от двух до десяти лет. Здания обычно строятся едва ли не на века. Поэтому необходимо, чтобы материал для конструкций сохранял свои свойства неизменными в течение десятков лет. За это время облицовка фасада может быть сменена 5 раз, а покрытия пола — 15 раз, могут разрушиться и снова быть смонтированы перегородки, в конце концов само здание может быть надстроено, но конструкция должна во всех случаях и в любой момент своей жизни сохранять необходимую несущую способность. Амортизация, при которой конструкция подвергается воздействию наиболее губительного фактора — времени (разумеется, речь идет о физических и химических процессах, которые непрерывно происходят в течение многих лет), несравнима с усилиями работы самолетной турбины или вращающегося с огромной скоростью вала. Просто и турбина, и вал изначально рассчитаны на более короткий срок службы и, следовательно, могут быть заменены. Подобные изделия выпускаются небольшими сериями, и применение для их изготовления исключительно дорогостоящих материалов вполне уместно. Строительство же — массовое производство. Строительные материалы должны быть дешевыми, очень дешевыми … и долговечными; они должны сохранять свои прочностные свойства в течение многих лет, несмотря на все разрушительные воздействия, несколько метафизически обобщенные в слове «время».

Длинный список требований к материалам для строительных конструкций можно интерпретировать более оптимистично. Практически нет сооружения, для которого необходимо соблюдение всех требований. Поэтому во всяком конкретном случае выбирается подходящий материал — такой, который наиболее полно отвечает данным условиям. Так, например, заводские трубы никогда не выполняются из дерева и почти никогда из стали, поскольку материалом, наиболее устойчивым к температурным и химическим воздействиям, является железобетон. Массовое жилищное строительство базируется на сборных железобетонных элементах конструкций. А вот уникальные многоэтажные здания — небоскребы — обязаны своим существованием исключительной прочности стали; бетон в этом случае, как материал гораздо более слабый, неконкурентоспособен.

Хотя практически нет сооружения, для которого было бы необходимым соблюдение всего комплекса требований к материалам, первые три требования из числа перечисленных выше являются обязательными. Они — закон.

Требование высокой прочности легко объяснимо: именно прочность материала определяет несущую способность конструкции, само ее существование. Однако прочность должна обеспечиваться ценой малых деформаций. Резина может выдержать большую нагрузку, только растягиваясь до предела; при малом относительном удлинении она не отличается прочностью. Если бы резина была конструктивным элементом, чтобы использовать ее прочностные возможности, ее надо было бы как можно сильнее растянуть. Но ясно, что человечество не нуждается в конструкциях, которые могут воспринимать необходимые нагрузки только ценой невообразимых деформаций и перемещений. Нетрудно представить себе мост, балки которого прогибаются до самой воды. По нему в конечном счете не сможет проехать ни одно транспортное средство. Или, например, здания: если на воздействие ветра они реагируют так же, как и ствол дерева, оконные стекла перебьются, облицовка фасада разрушится, покрытия пола потрескаются, а все трубы и коммуникации разорвутся, не говоря уже о том, что крайне неприятно жить в доме, который качается, как лодка в открытом море.

Что касается третьего требования, то оно, в сущности, является очень мудрым. Ведь две основные характеристики — прочность и деформируемость — с течением времени изменяются, и часто весьма значительно. В качестве примера (положительного!) можно взять бетон, который при благоприятных условиях в течение всей своей жизни накапливает прочность, т.е. становится не слабее, а прочнее. Но значительно больше можно привести отрицательных примеров. Как правило, сопротивление и деформация с течением времени изменяются в нежелательном направлении. Под действием нагрузок и времени материалы в большей или меньшей степени изменяют свое поведение, характеристики, и понимание этих сложных процессов является хотя и трудным, но необходимым условием. Желательно, чтобы еще в конструкторском бюро можно было предсказать состояние конструкции по истечении продолжительного времени. Только в этом случае можно гарантировать долговечность конструкции с необходимой степенью надежности.

«КАКОВО УДЛИНЕНИЕ, ТАКОВА И СИЛА»

В 1675 г. в Англии была опубликована странная научная работа. В одной из глав не было никакого текста, за исключением 14 латинских букв, расположенных таким образом, что это ни о чем не говорило. Это была анаграмма; наличие ее в этом месте можно было понимать только как своеобразную заявку на приоритет в случае, если с течением времени кто-нибудь откроет и опубликует то, что заключено в шифре. Опередив события на несколько веков, раскроем еще часть тайны: речь идет о том, что является одной из основ современной техники, — о законе Гука. Итак, автор анаграммы Роберт Гук — знаменитый для своего времени естествоиспытатель, исследователь с весьма разносторонними интересами, один из основателей Королевского научного общества Великобритании.

О широте интересов Гука говорит то множество областей, в которых он успешно работал. Он усовершенствовал микроскоп и телескоп, предложил теорию света, сконструировал воздушный насос, почти открыл закон всемирного тяготения (из-за чего всегда был очень неприятен великому Ньютону), усовершенствовал барометр, изобрел оптический телеграф, создал прообраз теодолита и прибор для измерения силы ветра, вместе с Гюйгенсом установил постоянные точки на термометре, занимался ботаникой, первым ввел термин «клетка». Гук, по-видимому, был и первым сейсмологом. В 1688 г. он опубликовал труд «Книга о землетрясениях». Но с нынешней точки зрения Гук, несомненно, замечателен тем, что дал крайне лаконичную формулировку — «каково удлинение, такова и сила». Именно такое значение имел текст анаграммы.

Интерес к упругим свойствам тел возник у Гука под влиянием бесед с известным в то время часовщиком Томасом Темпианом. В стремлении изучить механизм, который заставляет всякое твердое тело восстанавливать первоначальную форму после деформации (и вообще сопротивляться деформациям), он проделал много опытов со стальными нитями и стержнями, подвергая их нагрузке на растяжение и изучая их удлинение. Так, эмпирическим путем Гук постиг соотношение между растягивающей силой и удлинением элемента, т.е. то, что издавна лежит в основе технических расчетов человечества.

Итак, сила, с которой всякое тело сопротивляется нагрузке, стремясь вернуть свою первоначальную форму, пропорциональна деформации, которую вызывает внешняя сила. Необходимо четко разграничить понятия «внешняя сила» и «внутренняя сила». Внешняя сила — это воздействие нагрузки, которое чаще всего обусловлено земным притяжением. А внутренняя сила (или, как ее еще называют, внутреннее сопротивление) обусловлена молекулярным строением тела, когезией внутренних частиц. Эти простые истины, которые мы повторяем в течение целой минуты, помогут объяснить многие явления, связанные с работой различных конструкций. Простой стальной прут, подвергающийся нагрузке на растяжение, и закон Гука явно или тайно будут нас преследовать всюду.

Когда речь идет о внутреннем усилии, гораздо удобнее брать не всю силу, а лишь ту ее часть, которая действует на единицу площади сечения. Эта относительная сила называется напряжением. Хорошо запомним это слово, чтобы оно уже никогда не звучало для нас абстрактно. По тем же причинам гораздо удобнее рассматривать не полное удлинение элемента, а удлинение по отношению к единице длины, например к одному метру. Такое относительное удлинение (или укорачивание) называется деформацией. Это точный научный термин, хотя он довольно свободно и безответственно употребляется в «ненаучном» мире.

После такого, может быть, досадного, но необходимого вступления давайте перенесемся в современную лабораторию испытаний строительных материалов, где повторим один из опытов Роберта Гука.

Это — большой и светлый зал, вокруг серьезно и сосредоточенно движутся люди в белых халатах, в воздухе носится приглушенный гул испытательных машин. Их много: для испытаний на растяжение и на сжатие, на изгиб и на срез, на скручивание и на смятение, для испытаний бетона, стали или дерева. Испытуемые тела тоже отличны от тех, которыми пользовались во времена Гука. Наш стальной образец (так его называют специалисты) имеет круглое сечение диаметром 20 мм и в десять раз большую рабочую длину, а по краям снабжен специальными расширениями, которые вставляются в зажимы машины. Сталь должна быть с малым содержанием углерода (около 0,2%). Именно такая сталь в основном используется для строительных целей во всех странах мира. Болгарский вариант такой арматурной стали в государственном стандарте НРБ обозначен символом A-I.

Зажимаем образец челюстями машины, нажимаем на кнопку — и гидравлическое устройство начинает работать. Нагрузка на образец становится все больше, увеличивается и его удлинение. В это время специальное устройство автоматически вычерчивает график зависимости между напряжениями и деформацией. От нас требуется только наблюдать и делать выводы.

Первый, довольно длительный период эксперимента подтверждает слова Гука о том, что «каково удлинение, такова и сила» или наоборот (рис. 6). Записывающее устройство с начала опыта до точки «а» вычерчивает круто поднимающуюся прямую линию. Однако внезапно эта линия перестает подниматься и идет по другому пути: это тоже прямая (или почти прямая) линия, но только горизонтальная. От точки «а» до точки «б» деформации в материале резко нарастают … при фиксируемом, но почти незаметном росте напряжения. Если бы Гук стоял рядом с нами, он бы очень расстроился, так как происходит что-то такое, о чем он даже не подозревал. При предельной нагрузке в структуре тела происходит качественный скачок: его полированная поверхность становится матовой, появляются едва заметные линии, направленные под углом 45° к его оси. Материал как бы течет. Поэтому горизонтальная площадка называется площадкой текучести, а его начало — в точке «а» — точкой текучести. В интервале «а—б» происходят деформации, которые приблизительно в 20 раз больше, чем в точке текучести.

Но и это еще не предел возможностей материала. От точки «б» график начинает подниматься вверх: растут напряжения, растут и деформации. Но теперь он идет вверх не так круто и к тому же криволинейно. Зависимость между напряжениями и деформациями уже не подчиняется в чистом виде закону Гука, поскольку деформации растут быстрее, чем напряжения. Говоря обыденным языком, эта часть графика свидетельствует о том, что увеличение напряжений в материале происходит ценой значительных деформаций. А это слишком большая цена, которая ни в коем случае не приемлема.

Опыт приближается к концу. В последний момент образец разрывается. Эта маленькая катастрофа происходит после того, как испытуемое тело удлиняется на 25%. Или, как сказали бы специалисты, деформация разрушения равна 0,25. Это соответствует сопротивлению материала приблизительно в 4200 кг/см².

Можно ли использовать столь внушительные возможности мягких сталей (так называются низкоуглеродистые стали) в строительстве? Ответ будет категорическим: нельзя. Вспомним пример с конструкциями из резины: большая прочность за счет относительно больших деформаций абсолютно не нужна и даже опасна. Перекрытия провиснут, едва ли не придавливая людей, облицовка будет осыпаться со стен, а вместо зданий и сооружений будет как бы гигантская пружина.

С мягкими сталями положение особое, так как существует площадка текучести. Это своеобразный барьер, который материал должен преодолеть, чтобы перейти в область более значительных напряжений. Однако для реальных конструкций преодоление этого барьера означает наличие аварийных деформаций и перемещений. Следовательно, практическое значение имеет лишь часть графика σ-ε, которая находится ниже площадки текучести (линия «0—а»). Но здесь напряжения едва достигают 2400 кг/см². Что делать, такова действительность…

Есть возможность использовать часть прочностного резерва сталей этого типа в случае применения их в качестве арматуры. Это делается следующим образом. На специальных стендах арматурные прутья растягиваются так, чтобы была пройдена площадка текучести и реализовалась часть последующих деформаций. После этого прут, разумеется, не восстанавливает своей первоначальной длины, по сравнению с которой он увеличился примерно на 6%. Такая необратимая остаточная деформация называется пластической. Здесь, в сущности, начинается нечто особенное. Если прут повторно напрягается (уже как часть конструкции), его площадка текучести оказывается значительно выше, т.е. при значительно больших напряжениях, чем при первоначальном растяжении. Новая площадка текучести приблизительно соответствует напряжению, которое достигнуто при первоначальном растяжении. Структурные повреждения, которые произошли в стали при такой первоначальной обработке, в этом случае оказываются полезными. Предел текучести может подняться с 2400 кг/см² примерно до 3000 кг/см².

Такой вид механической отработки имеет и свои отрицательные стороны. Новые свойства стали являются не такими стабильными во времени, как основные ее свойства. Но это еще только полбеды. Важно то, что таким несложным и сравнительно дешевым способом на практике «облагораживается» значительное количество низкоуглеродистой арматурной стали для железобетонных конструкций.

Практикуется также холодная вытяжка арматурной стали через отверстия с постепенно уменьшающимся диаметром. Высокие напряжения и пластические деформации в стали могут достигаться и путем так называемой холодной прокатки. Специальными вальцами мягкая сталь круглого сечения частично сдавливается, причем на ее поверхности остаются характерные отпечатки, а механический эффект в конечном счете подобен тому, который наблюдается при холодной вытяжке.

Стали такого рода могут работать с напряжением, которое для необработанных сталей находится далеко за критическим пределом текучести.

СТАЛИ XX ВЕКА

До самого последнего времени в строительстве применялись в основном мягкие, низкоуглеродистые стали типа болгарской арматурной стали класса A-I. Верхняя граница практически целесообразного их сопротивления — это предел текучести. Так как рабочий участок графика σ—ε является почти линейным, здесь в силе закон Гука о соответствии между напряжениями и деформациями. Поэтому достаточно знать величину одной из двух характеристик, чтобы найти величину другой. Следует заметить, что подобная ясность и «чистота» поведения присуща только сталям. Позже мы еще увидим, что графики работы других строительных материалов сильно отличаются от такой простой и ясной схемы пропорциональности, как график σ—ε для сталей, ужасающим образом выходя за рамки области, на которую распространяется закон Гука. Сталь — единственный материал, приближающийся по своим свойствам к однородной и упругой модели твердого тела, которой обычно оперирует строительная механика.

Чтобы в сечении возникли напряжения 2100 кг/м² (таково расчетное сопротивление стали класса A-I)согласно закону Гука, должна реализоваться деформация 0,001 (0,1%). Это значит, что каждый метр элемента должен удлиниться на 1 мм. Подобная незначительная деформация вполне приемлема в практике строительства. Вообще необходимо отметить, что деформации в строительных конструкциях в принципе очень малы, просто несоизмеримы с размерами конструктивных элементов.

Мерилом твердости материала является его линейный модуль упругости. Он выражается как тангенс угла между отрезком «0—а» и горизонтальной осью графика σ—ε (см. рис. 6). С физической точки зрения этот модуль означает напряжение — условное напряжение, которое возникает в материале, когда образец вдвое увеличивает свою длину. С математической точки зрения это просто коэффициент пропорциональности в формуле закона Гука, которая представлена на рис. 6.

Линейный модуль упругости строительных сталей приблизительно равен 2 млн. кг/см². Сталь в наибольшей степени отвечает требованиям прочности и твердости. Но если вариантов по твердости не так уж много, то с прочностью дело обстоит гораздо сложнее.

Существует достаточно много видов современных, строительных сталей. До этого мы говорили о самом распространенном из них, возможности которого наиболее ограничены. Достаточно, например, повысить содержание углерода до 0,3%, чтобы качества стали существенно изменились. Так как мы уже умеем разбираться в «паспорте» материала — в его графике σ—ε, мы сможем почерпнуть необходимую информацию на рис. 7. Поведение такой стали там показано линией II. Как можно видеть, линейная зависимость между напряжениями и деформациями здесь сохраняется до гораздо более высокого предела, чем у мягких сталей (линия I). Площадка текучести не только значительно выше расположена, но и менее ярко выражена. Это значит, что такие стали, которые называются низколегированными, менее пластичны, чем мягкие. Например, арматурная сталь класса А-II имеет расчетное сопротивление 2700 кг/см², а сталь класса А-III — 3600 кг/см². Столь значительные сопротивления реализуются при соответствующих деформациях 0,13 и 0,18%. А поскольку напряжения разрушения равны соответственно 5000 и 6000 кг/см², сталь класса А-II используется приблизительно на 55% своих предельных возможностей, а арматурная сталь класса А-III — приблизительно на 60%. Этот важный показатель использования возможностей материала для арматурной стали класса A-I едва достигает 50%. Очевидно, что у низколегированных сталей не только выше расчетное сопротивление, но в этом случае значительно полнее используются и прочностные резервы материала.

Среди довольно широкого ассортимента строительных сталей специальные высокопрочные стали являются своего рода «аристократией». Они находят применение главным образом в предварительно напряженных конструкциях, и их сопротивление действительно весьма внушительно — в 5—10 раз больше, чему вышеупомянутых сталей. В качестве примера рассмотрим высокопрочную проволоку диаметром 2,5 мм. При расчетных напряжениях 11 000 кг/см² напряжения разрушения составляют около 16 000 кг/см². Если теперь мы разделим одно число на другое, то увидим, что в строительстве непосредственно используется приблизительно 70% предельных возможностей материала. Это уже такой результат, который достоин уважения. К лучшему вряд ли следует стремиться, так как иначе может пострадать надежность, являющаяся гарантией против внезапного разрушения. Объяснение этому мы сможем получить из рис. 7.

Линией III показана зависимость σ—ε для подобной высокопрочной стали. Она коренным образом отличается от «поведения» мягких и низколегированных сталей. Площадка текучести полностью отсутствует; длинный, почти линейный график внезапно обрывается в точке разрушения материала — хрупкого разрушения.

Для характеристики этого явления приведем пример из прошлого. Год 1891. Место действия — Англия, станция Норвуд на железнодорожной линии Лондон — Брайтон. В этом месте был построен широкий железнодорожный путепровод с пролетом 9 м, по которому проходило семь рельсовых путей. Утром 1 мая по путепроводу в Норвуд с обычной скоростью 65 км/ч промчался почтовый поезд из Лондона. Его хвостовой вагон уже подтягивался к последней промежуточной опоре, когда вдруг с грохотом разорвалась одна из двух чугунных балок под железнодорожной колеей. Два четырехметровых обломка упали на дорогу, которая, к счастью, была пуста, а другие угрожающе повисли, неизвестно на чем держась. Состав сошел с рельсов, но все же успел миновать последний участок путепровода, не перевернувшись на крутой склон насыпи. Хвостовой вагон устоял на опоре, сильно наклонившись к пропасти и удерживаясь только благодаря зацепляющему устройству.

Разрушившаяся чугунная балка была в эксплуатации уже 31 год. После катастрофы в области разрыва был обнаружен пористый участок, оставшийся еще с того времени, когда отливалась балка. Тяжелые условия эксплуатации послужили причиной процессов, которые постепенно подрывали несущую способность элемента, подготавливая последовавшее за этим событие. Эта катастрофа вызвала большое волнение в инженерном мире Англии того времени. Из 9576 находящихся в эксплуатации мостов 2828 были чугунными. Перспектива их разрушения после примера с мостом в Норвуде была достаточно реальной, и потому было принято решение о срочной их замене.

Эта катастрофа в сотый раз доказала, что чугун — хрупкий и чувствительный к ударам материал — не подходит для строительства мостов, особенно мостов железнодорожных. Впрочем, с 1883 г. его применение для подобных целей в Англии было запрещено.

В принципе существует два вида разрушения материала — хрупкое и пластичное. Хрупкое разрушение обусловлено сцеплением между частицами; когда внешнее воздействие превосходит силы сцепления, материал внезапно разрывается. Пластичное разрушение предполагает такое сильное сцепление, что частицы материала раздвигаются, взаимно перемещаются и только потом разделяются. Именно такое взаимное смещение частиц является причиной большой деформируемости и пластичности мягких сталей. В силу обстоятельства мы вынуждены работать с расчетным сопротивлением, не превышающим предел текучести, но если в действительности конструкция окажется в состоянии перегрузки (в случае некой аварийной ситуации), она не разрушится внезапно. Напряжения сначала достигнут предела текучести, сталь начнет «течь» и сильно деформироваться. Конструкция провиснет, искривится, станет аварийной, неиспользуемой, но разрушения в буквальном смысле слова, по-видимому, вообще не произойдет.

Коренным образом отличное от описанного выше — и гораздо более опасное положение складывается при применении хрупких материалов, таких, как все легированные и высокопрочные стали. Отсутствие предела текучести, по существу, лишает нас сигнала о том, что напряжения опасно возросли. При слабой деформируемости этих сталей разрушение наступает внезапно, без видимых внешних причин.

Заслуживает внимания тот факт, что один и тот же материал может разрушаться и хрупко, и пластично. Например, мягкие стали при низких температурах, при систематическом динамическом воздействии или при сложных конструктивных формах, которые ограничивают возможности взаимного смещения кристаллов в металле, могут разрушаться внезапно, т.е. хрупко. Поэтому конструктор обязательно должен иметь в виду все эти особенности условий эксплуатации. В противном случае конфликт может завершиться победой внешних сил. А это значит, что катастрофа неминуема…

Дальше мы часто будем говорить о том, что материал «работает» или что конструкция «работает». Ставить кавычки в дальнейшем нет надобности, потому что это действительно так. Коль скоро мы говорим о напряжениях и деформациях, или о силах и перемещениях, очевидно, речь идет и о работе, ибо, как нам известно, работа есть произведение силы на величину перемещения точки ее приложения (в направлении действия силы). Если мы представим себе стальной прут с поперечным сечением 1 см² и длиной 1 м, на котором висит груз 2 т, то деформация будет равна 0,1% (арматурная сталь A-I). Но в этом случае деформация идентична перемещению в 1 мм. Если мы умножим силу на величину перемещения точки ее приложения, то получим работу, которая совершается при деформации стального прута: 2000x0,001=2 кгм. Такую работу совершают и внутренние силы в пруте, сопротивляющемся деформации. Такую же работу совершаем и мы сами, перенося груз в 1 кг на расстояние 2 м. Приблизительно такую энергию выделяет и 1000-ваттная электроплитка за 5 ч работы.

Но в нашем случае энергия является потенциальной и своей величиной обязана деформации. Площадка на диаграмме σ—ε, — в сущности, графическое выражение потенциальной энергии деформации материала, или — что то же самое — работы, которую должны совершить внешние силы, чтобы произошла деформация. Разумеется, в реальных конструкциях потенциальная энергия деформации несравнимо больше и по величине приближается к часовой производительности небольшой электростанции.

О ПОЛЗУЧЕСТИ, РЕЛАКСАЦИИ И ДРУГИХ ВЕЩАХ

Высокая прочность при сравнительно малой деформируемости в течение длительного времени (нескольких десятков лет) — так формулировали мы в начале главы три основных требования к материалам для строительных конструкций. До сих пор мы рассматривали в комплексе два первых требования, что является единственно возможным подходом, поскольку напряжения и деформации тесно связаны и взаимно обусловлены. О третьем условии мы как бы забыли. А ведь прочность и деформация не остаются постоянными с течением времени, и потому правильнее было бы все три фактора рассматривать вместе. Но именно это и самое трудное. Фактор времени все путает.

Ясно, что эксперименты с материалами не могут по своей продолжительности соответствовать реальным срокам эксплуатации зданий и сооружений. К сожалению, любая имитация фактора времени в лабораторных условиях сказывается на чистоте результатов. С другой стороны, результатов из естественной лаборатории жизни и практики надо ждать годы, а часто и десятилетия. Многое в этом сложном узле проблем уже известно, многое еще предстоит исследовать и уточнить. О некоторых свойствах сталей, связанных с фактором времени, мы поговорим сейчас.

Конструкции работают в режиме постоянной смены нагрузок: они непрерывно нагружаются, разгружаются, перегружаются и снова разгружаются. При данной степени нагрузки в данной точке устанавливаются определенные напряжения. Нагрузка обычно держится дни, часы, месяцы. И тогда при постоянных напряжениях возникает деформация ползучести, которая, естественно, крайне нежелательна. Это можно увидеть на рабочей диаграмме σ—ε, представленной на рис. 8. (Почему диаграмма σ—ε названа «рабочей», надеемся, теперь понятно.) Явление ползучести на первый взгляд напоминает текучесть, но имеет место при напряжениях, которые меньше предела текучести, и деформации при этом значительно более ограниченные. Кроме того, процесс постепенно прекращается: в сталях, где ползучесть проявляется слабо, за 100—120 ч реализуется лишь около половины деформации ползучести. Чем выше фиксируемая величина напряжения, тем сильнее обнаруживает себя этот вид паразитической деформации.

Но со временем конструкция разгружается, напряжения падают. Для удобства будем считать, что они уменьшаются до нуля. Но, как можно видеть на рабочей диаграмме, деформации исчезают не полностью, что не характерно для идеально упругого тела. Вопреки отсутствию напряжений деформации сохраняются. С течением времени они без видимой причины начинают уменьшаться. Это интересное явление, которое называется упругим последействием, или гистерезисом, обусловлено особенностями структуры материалов. Но в любом случае деформация не исчезает полностью. Всегда остается необратимая пластическая ее часть. Это свидетельствует о длительных повреждениях в структуре материала.

Для практики строительства значительно более важным оказывается другое неприятное свойство стали — релаксация. Оно проявляется в подвергающихся нагрузкам на растяжение и сжатие конструктивных элементах, концы которых закреплены неподвижно. На рис. 9 показан стальной прут, который растянут с неким известным напряжением, после чего зажат в неподвижных опорах. Хотя опоры остаются абсолютно неподвижными, напряжение в стали с течением времени начинает уменьшаться. В сущности, с релаксацией мы все часто сталкиваемся. Например, хорошо натянутая веревка для просушки выстиранного белья со временем начинает все сильнее провисать, пока не становится совершенно непригодной для использования. По той же причине туристские палатки надо время от времени заново натягивать, так как их веревки постепенно ослабевают.

Ползучесть и релаксация — это различные проявления одного и того же свойства материалов. Оно особенно ярко выражено у дерева и других материалов органического происхождения, но и в случае применения строительных конструкций неорганического происхождения не следует забывать об этих негативных явлениях. Релаксация имеет особенно важное значение для предварительно напряженных железобетонных конструкций, так как в этом случае непредвиденное ослабление напряженного элемента может резко снизить несущую способность конструкции. На первых этапах применения предварительно напряженного бетона, когда влияние релаксации еще не было достаточно хорошо изучено, целый ряд строительных аварий квалифицировался как необъяснимые случаи.

Итак, сталь… Самый жесткий материал с самыми устойчивыми во времени характеристиками. Она, несомненно, наиболее мощное оружие в руках инженера-конструктора. Благодаря ей можно перекрывать большие пролеты, чего не позволяет сделать никакой другой материал, можно создавать небоскребы и конструкции, надежные даже при самом тяжелом режиме эксплуатации. В силу ряда обстоятельств сталь также наиболее хорошо изученный строительный материал, самый однородный, самый упругий, который почти адекватен «стерильному» идеалу строительной механики. Поистине сталь незаменима во всех случаях строительной практики, когда демонстрируются огромные возможности конструкций при особенно сложных и ответственных условиях.

Итак, изделия современной металлургической промышленности, которые попадают в руки строителя-конструктора, — это разнообразные виды горячекатаной стали (листовая сталь толщиной от 4 до 60 мм), а также стальные профили, получаемые холодным способом. Путем штамповки, изгибания или холодной прокатки из тонких стальных листов (1—4 мм) изготовляются тонкостенные профили сложного сечения с высокими экономическими и статическими показателями, которые находят широкое применение в конструкциях облегченного типа. На повестку дня была поставлена проблема соединения отдельных частей и элементов конструкций. По несущей способности, деформируемости и долговечности соединения непременно должны соответствовать классу материала, а в нашем конкретном случае даже быть классом выше.

Отсутствие подходящих соединений было одним из главных препятствий на пути развития чугунных, а позднее и стальных конструкций. Сначала появились болтовые соединения — метод, известный с древнейших времен. Сразу необходимо отметить, что современный вариант болтовых соединений следует считать анахронизмом только как идею, но не как техническое решение. Подобный вид соединений занимает важное место в строительстве не только наших дней, но и будет играть большую роль в будущем. Такое же положение и с заклепочными соединениями, которые, как уже было сказано, появились в 20-годах прошлого века. Но, несомненно в наши дни наиболее важный метод соединения — сварка. Ее рождение можно датировать 80-ми годами XIX в., когда русские инженеры Славянов и Бернардос изобрели электродуговой способ соединения стали. Однако сварка стала достаточно широко применяться в строительстве только в 20-е годы нынешнего столетия, а в настоящее время достигла такого качества, многообразия и чистоты, что заслуженно была возведена в ранг фаворита. А если мы попытаемся заглянуть в будущее, то, вероятно, увидим много поистине нового и интересного — исключительно простые и надежные соединения стальных деталей, выполняемые путем склеивания синтетическими материалами. Исследования в этом направлении, и, надо сказать, довольно успешные, уже проводятся.

Но как же обстоит дело с прочностью? Здесь происходит такой рост, который вряд ли возможно остановить. Когда в 1826 г. француз Навье ввел фундаментальное понятие «допустимое напряжение», он имел в виду мягкую сталь с пределом текучести 1800 кг/см². Шестьюдесятью годами позже в Нью-Йорке был построен Бруклинский мост (висячая система) . Его канатные связи имеют предельное сопротивление 11 000 кг/см². Канаты моста Джорджа Вашингтона в Нью-Йорке, построенного в 1931 г., обладают предельным сопротивлением уже в 15 000 кг/см². Современные методы термической и термомеханической обработки позволяют получать стали с пределом прочности до 35 000 кг/см²! А специалисты считают, что это еще далеко не предел…

Наряду со своими неоспоримыми достоинствами сталь как строительный материал имеет и недостатки, которые серьезно ограничивают область ее применения, а в ряде случаев делают его совсем невозможным. Большим минусом является, например, подверженность атмосферным воздействиям. Было бы излишним объяснять, что такое коррозия. Ежегодно коррозия, против которой нет единого рецепта, наносит огромный ущерб; в мире безвозвратно исчезает, как бы растворяясь в воздухе, несколько миллионов тонн стали. Стальная конструкция, оставленная без всякого покрытия, даже при самых благоприятных условиях эксплуатации за короткое время превратится в изъеденный ржавчиной скелет, готовый рухнуть в любой момент. Стальные конструкции требуют постоянной заботы, их необходимо регулярно покрывать антикоррозионными составами в течение всего срока эксплуатации.

Но, к сожалению, это еще не все. Сталь подвержена воздействию высоких температур. Сравнительно большой коэффициент температурного расширения, с одной стороны, и высокий модуль упругости, с другой стороны, при высоких температурах и ограничении свободных деформаций становятся причиной возникновения значительных внутренних напряжений в элементах стальных конструкций. Но это еще полбеды. При температуре свыше 200°С прочность материала резко уменьшается, и при роковом стечении обстоятельств могут последовать весьма печальные события. Пожар в здании со стальной конструкцией — такая ситуация, которой лучше не допускать. Не случайно противопожарные меры в небоскребах напоминают меры, которые принимаются конструкторами самолетов или обитаемых космических кораблей.

Сталь — материал дорогой. Ее производство связано со значительными капиталовложениями, оно предполагает сложный технологический цикл и наличие высококвалифицированных специалистов. Изготовление самих стальных конструкций — тоже процесс не легкий, поскольку речь идет о материале, который, в отличие от других строительных материалов, должен обрабатываться специальными машинами и в заводских условиях. Так что даже один из главных полюсов стальных конструкций — индустриальные методы их производства — обусловлен технологическими трудностями. Другими словами, неоспоримые преимущества стали «покупаются» дорогой ценой.

«… НАС ОХВАТИТ УЖАС»

Самым древним строительным материалом является дерево. Первые инженерные сооружения человека — свайные постройки — были из дерева. Обилие леса на планете, простота получения и обработки с помощью самых элементарных инструментов способствовали тому, что в течение тысячелетий дерево было основным строительным материалом человечества.

Деревянное строительство достигло наивысшего расцвета во времена Римской империи. Этим периодом, в сущности, датируются известные и в наши дни конструкции пролетных строений, с помощью которых римляне «за один раз» перекрывали значительные расстояния между опорами, достигающие 23 м. Сохранились исторические свидетельства о большом деревянном мосте через Тибр в Риме (630 г. до н. э.), о мосте Юлия Цезаря на Рейне длиной в полкилометра, который был построен в 56 г. до н. э. всего за 10 дней, о мосте Трояна на Дунае, представляющем значительное достижение для своего времени (19 пролетов по 35 м каждый).

Второй период расцвета — эпоха Возрождения. Знаменитый итальянский архитектор Палладио предложил ряд новых и оригинальных конструктивных форм из дерева, которые далеко опередили технологические возможности своего времени и, по существу, явились прототипом некоторых современных конструкций. Настоящим «деревянным» бумом, однако, стала первая половина прошлого века. Благодаря этому легкому, прочному и упругому материалу строители перекрывали пролеты в 40—50 м при сооружении зданий и в 60—70 м — в случае мостовых конструкций. Это было триумфом строительной практики и мощным стимулом развития теоретической инженерии.

С развитием черной металлургии и снижением цен на сталь последняя постепенно завоевала ведущее место в строительстве. В связи с этим наступил застой в развитии деревянных конструкций. Так продолжалось до 20-х годов нынешнего века, когда впервые стала ощущаться нехватка стали. Оказалось, что деревом, этим старейшим из строительных материалов, не только не следует пренебрегать, но что при современном уровне развития техники и технологии оно даже может составить конкуренцию новым материалам во многих областях строительства, особенно в некоторых видах инженерных сооружений. В настоящее время в странах с большими лесными ресурсами, таких, как СССР, США, Канада, Скандинавские страны, дерево находит довольно широкое применение, хотя и не является основным строительным материалом. Многие известные специалисты придерживаются мнения, что у дерева как строительного материала большое будущее.

Главные его достоинства обусловлены счастливым сочетанием большой легкости (дерево почти в 2 раза легче воды и в 14 раз легче стали!) со сравнительно высокой прочностью на растяжение, сжатие и изгиб.

Если мы введем понятие относительной прочности (т. е. прочности по отношению к единице объема), то по этому важному инженерному показателю дерево приближается к стали и так же, как сталь, примерно в 10 раз превосходит бетон. Другими словами, деревянная конструкция во много раз легче железобетонной того же назначения, при тех же нагрузках и одинаковых прочих условиях. Хотя дерево подвергается большим деформациям, чем сталь, но все же его реальные деформации находятся в пределах практической целесообразности.

Известно, что производство древесины — дело достаточно простое, дешевое и быстрое. Для него не нужна сложная технология (рудники, флотационные фабрики, доменные и мартеновские печи, прокатные станы, специальные цементные заводы). То же самое можно сказать и об обработке древесины, которую можно производить как централизованно — в заводских условиях, так и в небольшой мастерской. Энергоемкость и трудоемкость производственного процесса сравнительно малы, не говоря уже о том, что нет необходимости в особой квалификации работников. Ничего подобного нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне. Иными словами, производство древесины и изготовление деревянных конструкций связано с минимальными капиталовложениями. При нашем динамичном и массовом строительстве, в которое вкладываются огромные средства на длительный срок, это тоже имеет достаточно важное значение.

Строительство с применением деревянных конструкций практически не зависит от сезона. В этом сходство стальных и деревянных конструкций и их отличие от классических монолитных. Зимние условия не удорожают строительного процесса, чего, как известно, нельзя сказать о железобетоне. Это обусловлено тем, что деревянные конструкции подобно металлическим являются сборными. Их централизованное производство в цехе создает возможность индустриализации, переноса части строительных работ «под крышу», в заводские условия.

Завершая общее описание дерева как строительного материала, добавим несколько слов о его прекрасных физических и химических свойствах. Благодаря весьма малому коэффициенту теплового расширения на дерево, в отличие от бетона и стали, практически не влияют сезонные колебания температуры. В конструкциях не возникает дополнительных температурных напряжений, а следовательно, нет необходимости в специальных мерах. В отличие от бетона и стали дерево — превосходный теплоизолятор. Кроме того, оно устойчиво к воздействию дымов и газов, которые выделяются рядом производств. Есть случаи, когда оно поистине незаменимо. Для современных деревянных конструкций характерен эффективный симбиоз между деревом и сталью (применяемой в весьма скромных количествах), что по сравнению с далеким прошлым позволяет поднять этот тип конструкций на новую высоту.

Непременно следует упомянуть и о проблеме связей и соединений. Для дерева эта проблема так же важна, как и для стали, с той лишь разницей, что в этом случае она решается значительно легче, поскольку существует более прочный и твердый материал — сталь. Наиболее широко распространены гвоздевые и болтовые соединения, однако все большее применение находят клееные деревянные конструкции. Современные синтетические клеящие составы обеспечивают прочное и надежное соединение элементов, а также дают ряд технико-экономических преимуществ, одним из которых является сокращение расхода стали.

Все сказанное выше незаметно превратилось в одну хвалебную речь, в прославление дерева. А медаль, естественно, имеет и оборотную сторону. Теперь с риском перечеркнуть все перечисленные достоинства перевернем медаль … и постепенно нас охватит ужас…

Как естественный продукт, изготовленный природой совсем не для строительных целей, древесина имеет много отклонений от нормального строения, соответствующего стандарту, много естественных повреждений. Это, например, сучки (т.е. места, от которых отходили отдельные ветви дерева), внутренние трещины, закручивание волокон на стволе в процессе роста или их сужение и расширение, а в результате волокнистая структура дерева оказывается неупорядоченной, что влияет на механические характеристики древесины. Невнимание при сортировке лесоматериалов может катастрофическим образом отразиться на несущей способности изготовленных из них элементов.

Весьма серьезный недостаток древесины — ее склонность к гниению и разрушению живыми вредителями (жуком-древоточцем, термитами и т. д.). Для органических материалов гниение — всеобщий процесс. Это биологическое явление обусловлено паразитированием в древесине при определенной температуре и влажности самых разнообразных микроорганизмов. В зависимости от конкретных условий с момента поражения до полного разрушения дерева проходит от нескольких месяцев до нескольких лет.

Пожароустойчивость древесины равна нулю. Неимпрегированное дерево не только быстро загорается, но и выделяет в процессе сгорания большое количество тепла, что способствует быстрому распространению пожара. С другой стороны, древесина очень гигроскопична. С ростом влажности ее объем увеличивается, прочность уменьшается. При высыхании древесина сокращается до своего первоначального объема. Неравномерное набухание и высыхание приводят к вспучиванию и искривлению дерева, что очень сказывается на его качествах как строительного материала.

С точки зрения механики природа древесины трудно поддается изучению. Основная причина этого — ее волокнистое строение. Волокна создают своеобразный скелет, в направлении которого древесина обладает наибольшей прочностью и твердостью. С увеличением угла отклонения силового воздействия от направления волокон сопротивления и модули упругости резко уменьшаются, а деформации быстро нарастают. О весьма чувствительных различиях в механических свойствах древесины при изменении этого угла может дать представление рис. 10. Показанная кривая характеризует работу элемента на сжатие. Только теперь мы сможем оценить, каким прекрасным, однородным и упругим материалом является сталь. Ведь у дерева сколько видов силового воздействия, столько и разных сопротивлений — на растяжение, на сжатие, на изгиб, на скручивание. И, что еще хуже, эти сопротивления, как и модули упругости, зависят от угла наклона относительно волокон. Поэтому расчет деревянных конструкций и их элементов весьма сложен, а точный анализ множества активных факторов просто неизбежен.

Основные расчетные характеристики определяются для воздействии, параллельных и перпендикулярных направлению волокон. На основании полученных результатов можно получить и механические характеристики древесины, нагруженной под определенным углом относительно волокон. На рис. 11 показаны рабочие диаграммы древесины, подвергающейся нагрузке на растяжение и сжатие в направлении волокон. При растяжении зависимость между напряжениями и деформациями представляет собой линию, слегка изогнутую вначале. Никакой пропорциональности нет. Строго говоря, закон Гука здесь теряет силу. Бросается в глаза отсутствие какой бы то ни было площадки текучести. В конечной фазе растяжения волокна начинают быстро рваться и разрушение наступает внезапно (хрупкое разрушение) при напряжениях порядка 1000 кг/см².

Поведение дерева при нагрузке на сжатие представляет весьма разнообразную картину. После значительного почти прямолинейного участка в связи с быстрым ростом деформаций наблюдается нечто похожее на площадку текучести у мягких сталей. Другими словами, при работе на сжатие древесина обладает ярко выраженными пластическими свойствами. Разрушение начинается с искривления самых прочных волокон в направлении более слабых; при этом на поверхности испытуемого тела образуются характерные складки. При нарастании нагрузки происходит и окончательное разрушение — при напряжениях в 2—3 раза меньших, чем в случаях работы дерева на растяжение.

Когда мы рассматривали сталь, мы упомянули о еще одном сложном виде силового воздействия — об изгибе. Теперь же сделать это просто необходимо.

На изгиб работают почти все элементы почти всех видов строительных конструкций. Это, наверное, самая распространенная форма конфликта между нагрузками и конструкциями, между силовыми воздействиями и материалом.

Едва ли мы удивим кого-нибудь утверждением, что при изгибе одна часть сечения элемента подвергается сжатию, а другая — растяжению. Каждому случалось преодолевать препятствие по перекинутой доске или бревну. Физическое ощущение при этом наиболее яркое; провисающая под тяжестью нашего тела доска сама по себе достаточно отчетливо характеризует одно из главных инженерно-теоретических понятий — «изгиб». На рис. 12 показано, что верхняя часть изгибаемого элемента укоротилась, а нижняя удлинилась. Но деформация укорачивания предполагает возникновение сжимающих напряжений, а деформация удлинения — растягивающих. Следовательно, можно сказать, что изгиб — это форма одновременного сочетания растяжения и сжатия в рамках одного и того же сечения.

Практическая модель этого явления основывается на весьма простой гипотезе: предполагается, что элемент состоит из множества нитей, каждая из которых деформируется независимо от других. Кроме того, любые два сечения, находящиеся достаточно близко один от другого и перпендикулярные оси элемента, даже в случае очень сильной деформации остаются перпендикулярными провисшей оси. Физический эквивалент этого словесного описания можно видеть на рис. 12. При взаимном развороте двух сечений наиболее сильно деформируется (растягивается) нижний слой волокон. Следовательно, по закону Гука, в этом слое возникают самые большие напряжения. Волокна над этим слоем деформируются слабее и работают с меньшим напряжением. Еще слабее деформируется следующий слой волокон. Так мы доходим до среднего слоя, который вообще не деформируется и, следовательно, оказывается ненапряженным. Вверх от этого слоя деформации и напряжения снова нарастают, но с обратным знаком. Теперь это деформации сжатия.

Так как деформации распределяются линейно по высоте сечения, соответствующие напряжения тоже распределены линейно, что можно видеть и на их диаграмме. Следует обратить внимание, что напряжения, действующие перпендикулярно (или нормально) по отношению к плоскости сечения, называются нормальными напряжениями. Ниже на рисунке показаны и другие напряжения, которые действуют в плоскости сечения (тангенциально). Эти напряжения называются тангенциальными. Но не будем опережать события.

Мы добрались до одной из важнейших истин, до одного из фундаментальных положений классической инженерной науки. Изгиб присутствует всегда, и определение нормальных напряжений в изгибаемых элементах осуществляется на основе вышеописанной схемы независимо от их формы, величины и материала. Мосты, ангары, жилые, общественные и промышленные здания — все конструкции, которые создает человек и которые изгибаются, проходят через «сито» точных расчетов, характерных для механики, одно из положений которой мы рассмотрели почти в классическом виде. Разумеется, на практике это делается с помощью длинных формул, по специальным алгоритмам, а вся сложная процедура называется определением размеров сечения. Цель ее состоит в том, чтобы выбрать такие размеры сечения, при которых напряжения в элементе не превышали бы известного предельного значения. Но, вообще говоря, физическая сущность явления вполне может быть рассмотрена на простой модели, о которой мы рассказали выше.

Интересно сравнить работу материала в режиме осевого растяжения (или сжатия) и в режиме изгиба. Очевидно, что при осевой нагрузке диаграмма напряжений будет постоянна и однозначна, а в работу будет вовлечено все сечение, весь объем элемента, каждый грамм материала. При изгибе же по-настоящему работать будут только крайние слои. И даже еще хуже. В области нейтральной зоны, где напряжения растяжения становятся напряжениями сжатия, материал вообще не будет работать. К сожалению, наличие материала в этом месте чуть ли не формально.

В этом смысле изгиб является «тяжелым случаем» для каждого элемента, для каждой конструкции. Наличие изгиба (а оно почти правило) вынуждает конструкторов вкладывать дополнительные количества материала, который, как мы видели, не может использоваться полноценно. Размеры пролетов, которые перекрываются конструкциями, работающими на изгиб, не так уж велики. Даже в случаях возведения специальных залов, ангаров и мостов они не превышают нескольких сотен метров. До сих пор абсолютные рекорды «преодоления» расстояний принадлежат арочным (сводчатым) и особенно висячим системам. Но там элементы работают главным образом на растяжение или сжатие и гораздо более полноценно используются возможности вложенного материала. О конструктивных формах мы еще расскажем.

Все, что до сих пор было сказано об изгибе, в большей или меньшей степени можно считать идеализацией. В сущности, мы говорили об изгибе, рассматривая теоретическую физическую модель, а не реальное тело. Гораздо важнее знать, как работают реальные материалы. Логично предположить, что выдуманные человеком законы и гипотезы не соблюдаются так полно и точно, как нам бы хотелось. Рассматривая сталь в качестве строительного материала, мы убедились, что различия там минимальны, что гипотезы и теории «скроены» почти в полном соответствии с природой стали. Однако для других строительных материалов различия эти весьма существенны: не составляет исключения и дерево — низкий и грубый материал в сравнении с благородной сталью.

Прежде всего у дерева, как, впрочем, и у всех материалов органического происхождения, сильно выражены текучесть и релаксация. Картина изгиба тоже существенно отличается от той идеальной, которую мы рассматривали. При малых напряжениях диаграмма нормальных напряжений еще может сойти за линейную. В качестве доказательства можно привести диаграммы, представленные на рис. 11. Как в случае растяжения, так и в случае сжатия при малых напряжениях рабочие графики близки к прямой, следовательно, можно сад тать, что закон Гука остается в силе. Но посмотрим, что происходит потом.

При напряжениях около 200 кг/см² при сжатии рабочая диаграмма начинает обнаруживать пластические свойства материала: напряжения приблизительно постоянны, а деформации интенсивно нарастают. Материал в зоне сжатая элемента подвергается изгибу, начинает течь. В конечном счете после верхних, наиболее нагруженных слоев силовому воздействию начинают уступать и нижние слои. Этот процесс предполагает, что напряжение в уже пластифицированных волокнах не изменяется, хотя сопротивление всего сечения растущему внешнему моменту увеличивается за счет пластификации и «уступок» все новых и новых слоев в зоне сжатия. В конце концов, диаграмма напряжений сжатия изменяет свою форму так, как показано на рис. 12.

Посмотрим, что происходит в это время в зоне растяжения. По рабочей диаграмме напряжений при растяжении можно видеть, что дерево не обнаруживает существенных пластических свойств вплоть до разрушения. Зависимость между напряжениями и деформациями в течение всего времени приложения нагрузки близка к линейной, а следовательно, закон Гука остается в силе. Диаграмма напряжений в зоне растяжения сохраняет форму треугольника.

Непосредственно перед разрушением на открытой поверхности зоны сжатия наблюдается характерное сморщивание — волокна начинают искривляться. Зона сжатия сильно пластифицируется, кривизна изгиба увеличивается и происходит разрушение со стороны … Как это ни парадоксально, но разрушение происходит не со стороны наиболее слабого звена, каким в данном случае является зона сжатия. При соотношении предельной прочности 2:1 — 3:1 в пользу растяжения (для большинства видов древесины) пластификация зоны сжатия приводит к резкому увеличению напряжений в зоне растяжения, которые вскоре превышают предельное сопротивление растяжению. Разрушение начинается именно с разрыва хрупких растягиваемых слоев, а не пластичных сжимаемых волокон.

Итак, нормальные напряжения в древесине, работающей на изгиб, достаточно сильно отличаются от идеальной картины. Однако это не мешает на практике пользоваться идеализированной картиной: линейным, треугольным распределением напряжений по высоте сечения, когда за расчетные сопротивления принимаются условные, средние напряжения как в случае применения однородного материала. Определение этих значений производится в лабораториях по испытанию строительных материалов после многочисленных опытов с экспериментальными изгибаемыми образцами и статистической обработки результатов.

Следует отметить, что на древесину, а вернее на ее прочность весьма существенное влияние оказывает длительность нагрузки. Рабочие диаграммы на рис. 11, в сущности, характеризуют поведение дерева при кратковременных нагрузках (весь опыт продолжался примерно 15 мин). Однако если конструктивный элемент будет работать продолжительное время с напряжениями даже меньшими, чем его предельная временная прочность, то через несколько часов или дней он разрушится без всякой видимой причины. Поэтому для длительных нагрузок элементов рассчитывается так называемая длительная прочность, которая составляет приблизительно 70% временной прочности.

Но пора уже оставить магический круг абстрактных понятий и вернуться в мир реальных вещей. Какую древесину можно использовать для строительных целей? Главным образом хвойные породы — сосну, ель, лиственницу, секвойю, кедр, а также твердые лиственные — дуб, ясень, клен, граб, акацию, березу, бук, вяз. Иногда используются и мягкие лиственные породы дерева, такие как липа, осина или тополь.

Еще сравнительно недавно дерево занимало исключительно важное место в жизни людей. До появления каменного угля и нефтепродуктов оно использовалось как топливо, до появления стали и бетона — как строительный материал; когда не было легких металлов (сплавов) и синтетических материалов (пластмасс), его применение вообще было универсальным. Но естественный прирост лесов требует десятков лет и даже веков. А так как в течение длительного времени леса интенсивно вырубались, во многих географических районах планеты дерево стало крайне дефицитным материалом. Вследствие этого в Болгарии, как и в ряде других стран, деревянные конструкции находят весьма ограниченное применение. Изменится ли положение в будущем, зависит от того, насколько экономно будет расходоваться древесина, а также от мер, которые будут приняты для ускорения естественного воспроизводства лесов.

В принципе сейчас в строительстве используется лишь малая часть добываемой древесины, а для деревянных конструкций — совсем незначительная. Такое ограниченное применение деревянных конструкций объясняется не только и даже не столько дефицитностью лесоматериалов, сколько инертностью мышления. Очевидно, что экономить древесину надо в тех областях, где она используется в несравнимо больших количествах. В ряде случаев ее применение как материала для строительных конструкций уже сейчас экономически и технически целесообразно.

БЕТОН

Вряд ли кто-нибудь станет отрицать, что бетон — «самый строительный» из всех строительных материалов. Он создан специально для нужд строительства, производится исключительно для целей строительства, и каждый миг его «биографии» и как исторического феномена, и как конкретного реального продукта тесно связан со строительством и рассматривается именно в рамках строительства.

Его нет необходимости представлять: кто не видел бетономешалки, сырого, еще не уложенного бетона и бетона, уже отвердевшего, принявшего соответствующую конструктивную форму? Его состав неимоверно прост — цемент, вода и заполнители типа песка и гравия. Вода вступает в химические реакции с цементом и образует новую структуру — так называемый цементный камень, которая связывает в единую массу инертные материалы. Так что качества полученного бетона в наибольшей степени обусловлены свойствами цементного камня и инертных материалов. В наибольшей степени, но не полностью, поскольку свойства бетона зависят также от метода приготовления, укладки и уплотнения смеси, а также от условий, в которых происходит ее твердение. Существует еще много других факторов, влияющих на качество бетона, но здесь теория и практика строительства пока не могут дать исчерпывающего объяснения.

Особенно важным является количество и качество (марка) используемого цемента, выбор которого зависит в конечном счете от характера конструкции. Это может быть пуццолановый портландцемент, шлако- портландцемент или глиноземистый портландцемент, однако чаще всего применяется обычный портландцемент марки не менее 300. Для прочности и деформируемости бетона особое значение имеет так называемое водоцементное отношение, т.е. соотношение весовых частей воды и цемента в 1 м³ бетона. Чтобы произошла химическая реакция между водой и цементом, достаточно, если это отношение будет равно 0,2 — 0,4. На практике при необходимости получения более подвижной пластичной смеси для удобства ее укладывания берутся водоцементные отношения до 0,8. Очевидно, что после схватывания в бетоне остается значительное количество лишней воды. Лишь малая часть воды оказывается химически связанной с зернами цемента, тогда как основная ее часть остается в капиллярах бетона и постепенно испаряется в течение всего продолжительного периода отвердевания. Бетон «ссыхается» (дает усадку) подобно дереву.

Усадка — это весьма неприятное свойство. Открытые поверхности, особенно в случае крупногабаритных элементов, в стремлении сжаться растрескиваются, в результате чего уменьшается прочность бетона на растяжение. Но если даже дело не доходит до появления трещин, налицо начальные растягивающие напряжения, которые вскоре увеличиваются под влиянием какого-либо другого фактора. Таким фактором может быть, например, изменение температуры.

В отличие от дерева бетон, так же как и сталь, имеет довольно большой коэффициент температурного расширения — 0,001%. Это значит, что при изменении температуры на 1°С деформации материала составляют 0,01 мм на 1 м его длины. При понижении температуры, когда тела стремятся сжаться, а этому что-либо препятствует, в элементах снова возникают опасные растягивающие напряжения.

Усадка и температурные деформации по ряду причин сильнее всего отражаются на длине элементов или конструкций. Но если природа температурных деформаций более или менее ясна, то с усадкой дело обстоит гораздо сложнее. Она наиболее сильно проявляется в первые дни и месяцы после укладывания бетона и постепенно ослабевает приблизительно в течение года. Об общем характере этого явления дает представление средняя величина деформаций (при средней влажности воздуха и средней температуре), равная приблизительно 0,03%. Если бы подобное свойство имела сталь, оно привело бы к возникновению начальных напряжений в 630 кг/см²! А эта величина составляет 1/3 расчетного сопротивления арматурной стали класса А-I! К счастью (или к сожалению), модуль «упругости» (почему здесь кавычки, мы увидим позже) у бетона значительно меньше и соответственно меньше напряжения усадки. Но во всяком случае этих напряжений достаточно, чтобы бетон растрескался. Предельная деформация бетона при растяжении (в среднем 0,015%) вдвое меньше, чем при усадке, и очевидно, что образование трещин, как правило, неизбежно.

Разнообразие видов бетона огромно. Начав со сверхтяжелых бетонов, применяемых для противорадиационной защиты, мы перейдем к обычным тяжелым (в 2,5 раза тяжелее воды) и наконец достигнем области легких бетонов. Последние благодаря легким естественным (туф, пемза) и искусственным (керамзит, перлит, алгопорит, термозит) заполнителям имеют относительно небольшую массу, а некоторые из них даже легче воды. Именно к ним обращаются апологеты железобетона, когда их упрекают, что бетон как строительный материал слишком тяжел. Поскольку легкие бетоны изучены еще довольно слабо и сравнительно мало применяются, подобные упреки вполне обоснованы, но, вероятно, в недалеком будущем они уже не будут столь справедливы. Чтобы закончить разговор о массе бетона, добавим, что существуют и сверхлегкие его разновидности (до 500 кг/м³), которые, однако, не представляют интереса как конструкционные материалы.

Весьма разнообразны бетоны и с точки зрения специальных требований к ним. Они могут отличаться повышенной водонепроницаемостью, морозостойкостью или стойкостью к воздействию агрессивных сред. Подобной гаммы качественных характеристик нет ни у сталей, ни у пород древесины. Бетон принципиально отличается от стали и дерева значительной пожароустойчивостью. Некоторые специальные марки бетона могут длительное время выдерживать температуры свыше 1000°С!

В последние годы начали применяться так называемые полимербетоны, для которых в качестве добавок используются различные виды термопластов — поливинилхлорид, поливинилацетат и др. Благодаря этому значительно повышается антикоррозионная стойкость бетона, его ударная прочность и сопротивление истиранию, что значительно расширяет область применения этого строительного материала, который и без того наиболее распространен. Со всей определенностью можно сказать, что бетон, и прежде всего армированный бетон (железобетон), — это материал XX в.

Однако сразу же в противовес сказанному выше отметим недостатки бетона как материала для строительных конструкций. Так, например, при выполнении монолитных железобетонных конструкций для опалубки требуется большое количество лесоматериалов, строительство не только удорожается, но и удлиняются его сроки. Этот недостаток преодолевается при строительстве из сборного железобетона. Однако такая форма строительства, естественная и неизбежная для стали и дерева, для железобетона не столь естественна. Вообще говоря, «шлягером» бетона являются классические монолитные конструкции.

Производство бетона является не таким простым, как может показаться на первый взгляд; оно включает изготовление опалубки, армирование, укладку бетонной смеси (с вибрированием), вообще весь процесс строительства здания или сооружения. Кроме того, чтобы получаемые результаты отвечали требованиям сегодняшнего дня, необходимы квалифицированные кадры — бетонщики, плотники-опалубщики, арматурщики, сварщики. И все это ради материала, отличающегося низкой шумо- и теплоизоляционной способностью. Ремонт и усиление железобетонных конструкций в случае их повреждения или аварий в процессе эксплуатации связаны со значительными трудностями и довольно большими затратами времени.

Но есть нечто особенно неприятное. Речь идет о малой прочности самого бетона на растяжение, которая почти в 10 раз ниже, чем его прочность на сжатие. Вследствие этого бетон склонен к трещинообразованию, представляющему большую сложность для человечества. С одной из причин образования трещин — усадкой — мы уже познакомились. Но, к сожалению, это еще не все. Обычный железобетон, как мы потом убедимся, нормально работает при наличии трещин; они (к сожалению) неизбежны при напряжениях и деформациях в бетоне. Но трещины крайне негативно отражаются на общей жесткости элемента и конструкции в целом, не говоря уже о том, что существует опасность коррозии находящейся в бетоне стали.

Из этого положения есть выход, который называется «предварительно напряженный железобетон» (о нем мы узнаем немного позже). Можно сказать, что ни один из недостатков бетона и железобетона нельзя назвать вечным и неустранимым, что само по себе большой плюс этого материала. В сущности, нам уже пора перейти к его плюсам.

АПОКАЛИПСИС ХАОСА

Сама технология укладки бетона обусловлена его исключительными архитектурными и конструктивными возможностями: он принимает такую форму, какую мы только пожелаем. Пластичность бетонной смеси позволяет сравнительно легко облечь в плоть наиболее рациональные конструктивные решения, самые эффективные архитектурные замыслы. В этом отношении он единственный, бесценный, незаменимый.

Одна приятная особенность — с годами прочность бетона при благоприятных условиях не только не уменьшается, но даже возрастает. Это свойство делает железобетонные конструкции самыми долговечными, рассчитанными чуть ли не на века. При этом для бетона (за исключением сборных конструкций) не существует проблемы соединений, которая так важна для стали и дерева. Конструкция изготовляется целиком, монолитно и, по существу, представляет собой единый искусственный камень сложной формы с большой несущей способностью. Монолитность обеспечивает значительную жесткость и высокое общее сопротивление опасным горизонтальным усилиям при землетрясениях и ураганах.

Но важно, какой ценой покупаются все эти заманчивые качества. К радости человечества и славе бетона — весьма низкой. Хотя его механические характеристики значительно хуже, чем у стали, но ведь и их стоимость несопоставима. Здесь бетон «берет верх» во многих отношениях. Прежде всего понятие «дефицитность» к нему просто неприменимо: в его состав входят те материалы, которые имеются везде. Что же касается наиболее тонкого и качественного компонента — цемента, то его производство во много раз проще и дешевле, чем производство стали.

После такого «коктейля» из физических, механических, технологических и экономических показателей бетона не может не возникнуть вопрос: что же такое в конце концов бетон?

Если ответ должен быть кратким и ясным, он будет звучать так: самое грубое и неоднородное тело, созданное человеком.

Разные по величине зерна песка и гравия, связанные в произвольную структуру цементным камнем, совершенно хаотично расположенные крупные и мелкие частицы, поры и пустоты, заполненные водой и воздухом, микротрещины и капилляры — вот что такое бетон.

Истинный апокалипсис случайности и хаоса, необычайно далекий от идеально упругого, изотропного и однородного тела — любимца строительной механики. Если вообще понятие однородности применимо к бетону, то его сущность можно определить так: бетон исключительно однороден в своей неоднородности. С течением времени и под действием нагрузок он изменяет свои механические свойства, ползет, дает усадку, разбухает, нормально работает, несмотря на наличие трещин…

Неоднородная структура бетона, изменение его свойств с течением времени и значительные пластические деформации создают огромные трудности для исследователей. Давайте посмотрим диаграмму его работы на сжатие (рис. 13). Нет и следа пропорциональности между напряжениями и деформациями: рабочая кривая сильно изогнута. При таком положении разговор о модуле упругости бетона будет беспредметным. Гораздо правильнее было бы назвать его деформационным модулем. Он явно представляет собой переменную величину: значение его различно при разной степени напряжения. Это отчетливо видно и на диаграмме σ—ε. Каждая точка кривой имеет свою, индивидуальную касательную. Вывод будет ясен, если мы вспомним, что угол, который касательная образует с горизонтальной осью, и есть геометрическое выражение деформационного модуля в соответствующей точке.

При снятии нагрузки определенная часть деформаций исчезает, но только определенная часть. Это — упругая деформация. Так же, как у сталей, но только в значительно более явной форме сохраняются необратимые деформации, вызванные изменениями в структуре материала. Малая часть из них — тоже, как у стали, — через некоторое время восстанавливается (упругое последействие), но в основном это окончательные, необратимые пластические деформации.

Теперь посмотрим, что происходит при многократно повторяющихся нагрузках. В таком режиме работают балки под электрические мостовые краны, конструкции некоторых мостов и эстакад, фундаменты под машины и турбоагрегаты. Многократные «приливы» и «отливы» силовых воздействий, несомненно, отражаются на поведении такого неоднородного упруго пластичного материала, как бетон.

Если нагрузка возрастает до уровня относительно малых напряжений и сразу после этого снимается, то в конце каждого цикла остается определенное количество необратимых пластических деформаций. После многих таких циклов пластические деформации наслаиваются одна на другую, постепенно достигая общей величины, при которой пластический потенциал материала исчерпывается. Когда исчезают все люфты материала, он начинает работать как однородное упругое тело и его рабочая диаграмма выглядит как прямая линия.

Однако если нагрузки возрастают до уровня относительно больших напряжений, после определенного числа повторных нагрузок материал разрушается. В этом случае пластические деформации, постепенно нарастая до большой величины, достигают предела, за которым может следовать только разрушение. Максимальное напряжение, при котором материал работает по первоначальной схеме без разрушения, называется пределом выносливости, или пределом усталости. Определение усталостной прочности имеет большое значение для конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам: их проектирование осуществляется на основании именно этой характеристики. Однако необходимо, чтобы число рабочих циклов достигало почти двух миллионов.

До сих пор речь шла о кратковременных — однократных или многократных— нагрузках, при которых пластические деформации достаточно отчетливо выражены. Что же произойдет, если на каком-либо этапе нагрузка будет более длительной? Именно таким образом действуют постоянные и многие временные нагрузки.

Тогда картина будет еще менее приятной (рис. 14). Всякая задержка нагрузки приводит к ползучести — к увеличению деформаций при постоянных, фиксированных напряжениях. Это явление наблюдается и в случае применения сталей, хотя и в более ограниченных масштабах. В реальных конструкциях деформации ползучести крайне нежелательны, но абсолютно неизбежны. Причем они тем больше, чем выше фиксированные напряжения и чем ниже марка бетона. Сильнее всего ползучесть проявляется в первые 4—5 месяцев после нагрузки, а через несколько лет почти затихает. Следует отметить, что величина деформаций этого рода в четыре-пять раз выше величины упругих деформаций.

Ползучесть, в отличие от усадки и температурных деформаций, наблюдается только при наличии нагрузки. Причем деформации в этом случае являются не пространственными, а линейными (в направлении силового воздействия).

Все, что было сказано до сих пор, касается напряжений и деформаций при сжатии. Почти так же ведет себя бетон и при растяжении с той лишь разницей, что его сопротивление растяжению почти в 10 раз меньше, чем сопротивление сжатию. А это весьма существенное различие... Именно роковое соотношение 1:10 в пользу сжатия определяет почти все особенности и парадоксы не только бетона как материала, но и выполненных из него конструкций (рис. 15).

В качестве примера возьмем хотя бы характер разрушения образца, подвергающегося сжатию. Это может прозвучать неожиданно, но разрушение обусловлено исчерпанием резервов прочности на растяжение, а не на сжатие. Прочности на растяжение, но только в поперечном направлении… Каждая пора или пустота в бетоне (а их бесчисленное множество) может рассматриваться как отверстие в однородном материале, вокруг которого происходит неизбежная концентрация напряжений. Перпендикулярно силовому воздействию возникают деформации (боковое расширение) и, следовательно, боковые напряжения расширения. Именно это вторичное силовое поле в основном решает судьбу элемента, подвергающегося сжатию. Сначала образуются внутренние микротрещины, которые затем расширяются, и материал сжатого бетонного образца разрушается.

Помимо прочности на растяжение и сжатие бетон обладает также прочностью на изгиб, срез, смятие и истирание. Каковы силовые воздействия, такова и прочность бетона. В отличие от древесины у бетона эти характеристики одинаковы во всех направлениях. Их величина определяется в лабораторных условиях после испытания большого числа образцов. Однако неоднородная структура бетона оказывает сильное влияние на устойчивость этих характеристик. Разные результаты получаются даже при испытании одинаковых образцов из бетона одного качества, одного возраста и одинаковых условий «дозревания».

Поэтому график на рис. 13 следует воспринимать как весьма условный. Он относится к некоему среднестатистическому образцу, которого реально вообще может не быть в серии. Примерно при восьмом опыте разрушение наступило при напряжении 170 кг/см²,а при 88-м — при напряжении 110 кг/см². Варианты среднего значения приданной степени вероятной надежности даются с так называемым коэффициентом однородности. У сталей этот коэффициент близок к единице, тогда как у бетона его величина составляет 0,5—0,6, что тем не менее воспринимается чуть ли не с восторгом.

В результате экспериментов установлено, что независимо от скорости нагрузки конечные деформации в бетоне остаются одинаковыми. Просто при быстром увеличении и последующем сохранении нагрузки создается возможность сравнительно независимого проявления сначала упругих, а затем пластических деформаций (см. рис. 14), тогда как при плавном, постепенном нагружении материала два вида деформаций (упругие и пластические) проявляются одновременно, и рабочая диаграмма представляет собой сильно изогнутую кривую (см. рис. 13). Однако в обоих случаях разрушение происходит при предельной деформации сжатия, которая в среднем составляет 0,2%. При нагрузке на растяжение предельная деформация приблизительно равна 0,02%, да и то лишь у бетона достаточно высокой марки. Если теперь мы разделим одну из приведенных величин на другую, то получим роковое отношение 1:10 в пользу сжатия.

Основной прочностью бетона считается так называемая кубиковая прочность. Согласно стандартам НРБ, образцами для испытания бетона служат бетонные кубики со стороной 20 см, выдержанные при температуре 15—20°С и влажности воздуха около 60%. Образцы испытываются на сжатие на 28-й день после изготовления. Полученная прочность определяет так называемую марку бетона. Стандартными марками обычного тяжелого бетона, согласно нормам НРБ, являются: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600. Например, бетон марки 200—это бетон, стандартные кубики которого при испытаниях обнаружили среднюю прочность 200 кг/см².

При проектировании марка бетона выбирается в зависимости от характера конструкции и технико-экономических условий. Для чисто бетонных элементов и конструкций (основания, фундаменты, подпорные стенки и т. д.) чаще всего используется бетон марок 150—200, для обычных железобетонных конструкций — 150—200, реже 300, а для предварительно напряженных конструкций — 400 и выше.

В заключение разговора о бетоне еще раз подчеркнем, что его главное достоинство — высокая прочность на сжатие, а основной недостаток — низкое сопротивление растяжению. Но, как мы убедимся позже, эта «болезнь» излечима, поскольку в наши дни в строительстве наиболее широко применяется не обычный, а армированный бетон, т. е. железобетон. И если часто бетон, армированный сталью, называют материалом XX в., это не преувеличение, так как именно из железобетона строится основная часть всех зданий и сооружений на нашей планете. В замыслах, проектах и реализованных конструкциях он приобретает формы, которые невозможны при использовании любого другого материала, — формы, которых не знает ни природа, ни история. Подобно тому как дети лепят из пластилина самые необычные фигурки, инженер-строитель «лепит» из этого замечательного материала свои конструкции, воплощает свои новые идеи, реализует в нем свои концепции. В этом таинственном процессе сложнейшим образом переплетаются соображения красоты и надежности, рациональности и технической целесообразности. Здесь человек должен быть одновременно скульптором, физиком и инженером. Разве неприятно облекать свои идеи в подходящий пластичный материал, который быстро превращается в прочный монолит? Этот процесс более чем приятен — он восхитителен.