Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
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.
Рис.6. "Удостоверение личности" низкоуглеродистой мягкой стали. Экспериментально установленные зависимости между деформациями и напряжениями являются важнейшей характеристикой строительно-конструкционного материала
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.
