Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Ежегодно в мире производится 500 млн. т стали. Около половины этого внушительного количества приходится на долю низкоуглеродистых, мягких сталей. К ним предъявляется целый ряд сложных требований, которые даже нельзя сравнивать с первым трогательным нормативом, который был введен в далеком 1886 году и касался только величины временного сопротивления и деформаций. Оказалось, что очень важное значение имеют химический состав материала, методы плавления, литья и горячей обработки. Около 62% производимой в мире стали получается мартеновским методом, который был предложен еще в 1867 г. Существуют две разновидности мартеновской стали — кипящая и успокоенная. Кипящая мартеновская сталь — более дешевая, так как сразу после кипения ее выливают в специальные ковши, чем и завершается процесс ее получения. Но и качество ее ниже: в ней остается много растворенных газов, в том числе и таких вредных, как азот. В определенный момент, например при сварке, это может сыграть негативную роль. Поэтому для ответственных сварных конструкций применяется успокоенная мартеновская сталь. Что же касается конверторной стали (в 1855 г. был предложен бессемеровский, а в 1878 г. — томасовский метод ее получения, но ее сомнительная чистота еще ниже, чем у кипящей мартеновской стали, что существенно ограничивает возможности ее применения. Не случайно во всем мире при строительстве металлургических заводов в основном все же возводятся мартеновские печи.
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.
