Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Стихийные бедствия и различные аварийные ситуации возникают редко, в некоторых счастливых случаях их может не быть в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения. Подобная безмятежная биография далеко не означает, что конструкция отдыхает. Напротив, ежедневно, ежечасно, в течение всей своей жизни она подвергается «дежурным» нагрузкам, которые являются для нее неизбежными.
Например, кровля из марсельской черепицы на одноэтажном одноквартирном доме по существу оказывается внушительным 15-тонным грузом, покоящимся на стенах. Человек, живущий на первом этаже семиэтажного здания, едва ли подозревает, что спит под потенциальным прессом в несколько тысяч тонн. Едва ли он подозревает также и о естественном стремлении этой тяжести двинуться вниз по наиболее прямому пути — вертикали, которое в переводе на обычный язык означает обрушение, катастрофу. Только рациональная и целесообразная конструкция здания сдерживает это катастрофическое движение вниз, и подобная борьба конструкции с нагрузками продолжается без устали дни, годы, а иногда и века. Вполне можно сказать, что конструкция — балки, колонны, фундаменты — это единая денно и нощно напряженная мышца, которая должна быть неутомимой. Ибо нетрудно себе представить, что случится, если эта мышца, удерживающая тысячи тонн над нашей головой, устанет и расслабится.
Разумеется, мышца-конструкция чаще всего не является максимально напряженной. И это логично, так как она должна беречь силы для экстренных, особенно тяжелых состояний. При нормальных эксплуатационных условиях основной воздействующей силой оказывается масса самой конструкции, внутренних перегородок, покрытий пола, оборудования и находящихся в здании людей. Напряжения в этом случае значительно ниже предельных прочностных возможностей материала. Своеобразными приливами и отливами напряжений в отдельных своих элементах несущая система реагирует на усиление и ослабление нагрузок. В определенный момент, когда по неизвестной причине все помещения здания целиком заполняются людьми, (гипотетическое обстоятельство, которое проектировщик все же должен принимать во внимание), напряжения резко возрастают. Снег, ветер, дождь, лед — вот все те нагрузки, которые в это время могут перегрузить и без того сильно напряженную мышцу конструкции.
Но вот в некий день, час и минуту возникает экстремальная ситуация, обстоятельства складываются самым неблагоприятным образом и напряжения достигают максимальной величины. В этот момент мышца напряжена до крайности, материал работает на пределе своих возможностей. Сумел ли конструктор предусмотреть столь тяжелую, но все же достаточно реальную ситуацию, которая может оказаться критической для данного элемента или узла несущей системы? Он должен был... Он должен предвидеть все.
Итак, нагрузки. Стены, мебель, люди, снег, ветры, землетрясения — все это в крайних обстоятельствах является нагрузкой. В сущности, этот список должен быть значительно длиннее. Может быть, это звучит странно, но нагрузкой могут быть и солнечные лучи, и птичьи стаи. С этой необычной точки зрения все вещественное утрачивает свой материальный облик и функциональный смысл и превращается в тысячи и тысячи тонн, которые конструкция здания или сооружения должна принять на себя и передать на основание. Это почти абсурдная, но необходимая трансформация известного и обычного в нечто столь же известное, но абстрактное — нагрузку.
Но важно одно — нагрузки агрессивны по своей природе. Они коварно изыскивают малейшее упущение, малейшее несовершенство в конструкции, чтобы тотчас же обнаружить свою разрушительную силу. Об этом свидетельствуют тысячи примеров аварий и катастроф, происходивших в недалеком прошлом и происходящих в наши дни. Разумеется, тщательный анализ позволяет выявить причины подобных трагических событий: чаще всего это погрешность проекта, некачественное исполнение, нарушение условий эксплуатации или стихийное бедствие. Однако во всех случаях в основе лежат нагрузки. Предусмотренные или непредусмотренные, ощутимые или нет, но именно они становятся причиной всякой аварии в строительстве. Поэтому специалист должен предвидеть не только все возможные воздействия на будущее здание или сооружение, но и все возможные неблагоприятные комбинации отдельных воздействий. И не просто предвидеть, а дать им как можно более точную количественную оценку.
Все это сравнительно полно регламентируется во всех развитых странах мира различными техническими условиями и нормативными документами. Например, в принятых в НРБ нормах нагрузки делятся на две основные группы — постоянные и временные. Постоянными называются нагрузки, которые в силу своей природы действуют в течение всего срока эксплуатации сооружения. Очевидно, что таковыми являются нагрузки, обусловленные собственной массой самой конструкции, всех наружных и внутренних стен, облицовки, перекрытий и покрытий, остекления, элементов архитектурного декора, ограждений лестниц, балконов и т.п. Постоянные нагрузки создаются также внутренним оборудованием и инженерными сетями, а кроме того, за счет давления грунта на стены подвала.
Нагрузки второй группы — временные — весьма разнообразны как по характеру, так и по длительности воздействия, в связи с чем они дополнительно поделены на подгруппы. Длительными нагрузками считаются масса машин и оборудования в промышленных зданиях, содержимого библиотек, архивов, книгохранилищ, человеческие нагрузки на конструкции кинотеатров, театров, фойе, выставочных залов и трибун стадионов. К длительным временным нагрузкам относятся также нагрузки от массы газов и жидкостей в резервуарах, постепенно скапливающаяся промышленная пыль, какие-либо особые температурные воздействия.
Другой подгруппой являются кратковременные нагрузки. К ним относятся движущиеся подъемные и транспортные машины (краны, тельферы, автомобили), снег, ветер, а также человеческие нагрузки в критических размерах. К этому можно добавить еще нагрузки на сборные конструкции во время их транспортировки и монтажа, при кратковременных испытаниях машин, а также от климатических (т.е. температурных) воздействий.
И вот, наконец, мы дошли до последней подгруппы, которая носит многозначительное название «особые нагрузки». Уже само название говорит о том, что они могут возникать в особых, чрезвычайных, исключительных обстоятельствах. Или, иначе говоря, они могут не возникать вообще, но инженер обязательно должен иметь их в виду при соответствующих условиях строительства и эксплуатации. Такого рода нагрузками являются, например, неожиданное оседание или даже проваливание грунтового основания, взрывы, разрывы канатов на канатной дороге и т.д. Но, несомненно, наиболее страшной из «особых» нагрузок является нагрузка от землетрясения. По масштабам и степени воздействия она несравнима ни с какой другой.
ГРАВИТАЦИЯ
Формируясь на планете, мчащейся с огромной скоростью во Вселенной, создавая свою историю в поле ее невидимых гравитационных волн, человечество обречено было с самого начала сообразовывать каждый свой шаг с этим обстоятельством. Еще первые полуосознанные действия наших далеких предков сталкивались с таинственной силой, которая отклоняла к земле брошенный камень. В последующие века человек на каждом шагу убеждался в неизменном свойстве окружающих его тел падать при всяком удобном случае: падало срубленное дерево, убитый олень, отколовшийся кусок скалы, а при определенных обстоятельствах и сам задумавшийся наблюдатель. Вероятно, такие спонтанные наблюдения были весьма полезны и для первых строительных начинаний человека. Например, свайные постройки… Для того чтобы их создать, необходима определенная, хотя и интуитивная, оценка гравитационных нагрузок, которые эти постройки должны выдержать.
К нашему большому сожалению, все тела обладают массой. Какой была бы архитектура городов, если бы не было силы тяжести? Трудно сказать. Да и вряд ли кто-нибудь станет пытаться отвечать на столь абсурдный вопрос. Во всяком случае, она была бы совершенно иной, нежели та, к которой мы привыкли. Строительство исчерпывалось бы одной архитектурой, поскольку почти не было бы нужды в конструкциях — ведь исчезли бы гравитационные нагрузки, которые обычно воспринимаются конструкциями. Поэтому вполне можно сказать, что именно гравитация и связанная с ней масса всех тел создает необходимость в строительных конструкциях. Она определяет и все конструктивные формы, с которыми мы познакомимся далее.
Один кубический метр воды весит одну тонну. В сравнении с этим показателем мы можем оценить, как проявляют себя в поле земной гравитации некоторые широко используемые строительные материалы. Например, один кубический метр стали обладает массой почти в 8 раз, а алюминиевого сплава — в 3 раза большей, чем кубический метр воды. Приблизительно такова и удельная масса многих скальных пород — гранита, мрамора, песчаника.
