Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
В огромном диапазоне размеров, которые характеризуют эти два столь разных по масштабам явления, фигурируют сотни и тысячи современных решений, имеющих свой облик и специфику, свое назначение и возможности, свое место в жизни. На облик всякой конструктивной формы, и в частности на балочную конструкцию, большое влияние оказывают три фактора: материал, назначение и метод строительства. А так как число возможных комбинаций практически необозримо, не стоит удивляться бесчисленному множеству решений, в которых основным элементом оказывается балка. Формообразование — это исключительно сложный процесс, который предполагает высокое развитие как абстрактного мышления математика, так и образно-пространственного мышления художника. Параллельно приходится решать десятки проблем самого различного характера — конструктивные, статические, технологические. Балка может представляться простой только дилетанту. На самом же деле, если бы требовалось создать обобщающий символ строительных конструктивных форм, первым претендентом могла бы быть «добрая старая» балка. Она словно существует вне времени. Однако нынешний отрезок ее бытия характеризуется переплетением всех проблем и тенденций мирового строительства.
Но прежде чем рассматривать разнообразнейшие формы элементов этого типа, мы обязательно должны познакомиться с некоторыми особенностями работы балки. Двумя основными рычагами, с помощью которых конструктор может в известных целесообразных пределах регулировать эту работу, являются тип опирания и вид поперечного сечения.
Начнем с типа опирания. Об изгибе, этой наиболее острой форме проявления конфликта между нагрузкой и конструкцией, мы уже говорили, но касались лишь эффекта изгиба в одном конкретном сечении балки. Однако гораздо большее значение имеет то, как распределяются изгибающие моменты по длине балки, т. е. какова их величина не только в одном, а во всех сечениях на всем протяжении элемента. А распределение это в наибольшей степени зависит как раз от типа опирания. На рис. 16 показаны диаграммы изгибающих моментов при пяти разных типах опирания и равномерном распределении нагрузки по всей длине балки. По этим примерам можно видеть, какие значительные различия можно наблюдать в работе балок. Сохраняется прежнее правило — диаграмма чертится со стороны растягиваемого слоя. Это можно проверить путем сравнения с деформированной линией балки или, как сказали бы специалисты, с линией упругости.
Рис. 16. Диаграммы (или эпюры) изгибающих моментов в балках при различных типах опирания
Итак, при одной и той же нагрузке и при одном и том же пролете балок в первых четырех (основных) случаях опирания картина совершенно различна. Крайнее сечение так называемой консольной балки, жестко заделанной с одной стороны, просто «испускает последний вздох» — на него действует изгибающий момент такой огромной величины, какая только возможна в случае балок. И наоборот, с приближением к другому, свободному концу балки сечение резко разгружается до такой степени, что моменты становятся равными нулю (на самом краю консоли). Для балки с постоянным поперечным сечением это может означать, что вложенный материал используется крайне неполноценно. В полную силу своих возможностей работает только материал в сечении, которое находится в месте заделки.
Подобная односторонняя реакция (растяжению здесь подвергаются лишь нижние слои, тогда как в консоли — верхние) наблюдается и у балки, свободно опертой с двух сторон. Однако здесь максимальная величина изгибающего момента, которая на этот раз регистрируется в середине элемента, в четыре раза меньше, чем в консольной балке.
Значительно эффективнее распределяются моменты в двух других случаях: когда балка с одной стороны жестко закреплена, а с другой свободно опирается или когда жестко закреплены оба ее конца. В отличие от случая свободного опирания (второй пример) диаграмма более равномерно распределяется по длине балки, величина моментов значительно меньше, так как в одних сечениях растяжению подвергаются нижние, а в других — верхние слои. Материал здесь используется более полноценно: наблюдается меньшее провисание. При таких условиях опирания сокращается расход материала, а следовательно, решение более экономично.
Но не следует думать, что последние два случая опирания балок самые распространенные. К сожалению, использование того или другого типа опирания связано с большими или меньшими, а часто и непреодолимыми трудностями. Свободное опирание (самый архаичный его тип) остается самым распространенным вариантом, хотя балки в этом случае работают и не самым эффективным образом. Обусловлено это простотой такого типа опирания. Для сборного строительства (из дерева, стали или железобетона) этот тип опирания обеспечивает минимальные затраты труда и средств при выполнении соединений. А ведь именно соединения при таком роде строительства являются одним из самых уязвимых мест. В то же время трудно представить себе конструкцию, которая гарантировала бы полное и абсолютно жесткое закрепление элемента хотя бы с одной стороны. Относительная гибкость элементов и неизбежное ослабление отдельных узлов ограничивают такую возможность. Поэтому на практике в различных видах конструкций перекрытия и крыши чаще всего встречается частичное закрепление балок. В ограниченных пределах это приводит к перераспределению моментов и обеспечивает тот положительный эффект, о котором мы упоминали. Таким случаем являются все жесткие рамные узлы железобетонных конструкций.
На первый взгляд, закрепление балки с одной стороны (консоль) кажется абсолютно абсурдным типом опирания. Однако часто это единственно возможное решение (например, в случае различных козырьков, эркеров и балконов), а иногда даже и целесообразное. Следует отметить, что консоль лежит в основе и некоторых весьма эффективных мостовых конструкций с большими пролетами. Самым большим консольным мостом до сих пор остается мост на р. Св. Лаврентия близ Квебека, о котором мы уже рассказывали и который все же был наконец построен. Его центральная ферма с двух сторон свободно опирается на две береговые консоли, каждая из которых имеет длину 177 м.
Когда преодолеваемый пролет очень велик и есть возможность возведения промежуточных опор (и это выгодно), они возводятся. Получается конструкция, статическая схема которой чаще всего выглядит так, как показано на рис. 16 (неразрезная балка). По схеме видно, что такая форма опирания весьма целесообразна: максимальные моменты относительно малы (по сравнению со свободно опертой балкой), так как они распределены по всей оси балки. Условия сборного строительства требуют расчленения такой непрерывной балки на отдельные элементы соответствующего веса и габаритов в целях обеспечения возможности их транспортировки и монтажа. Это расчленение совершенно логично осуществляется в так называемых нулевых точках, где изгибающие моменты изменяют знак, т. е. становятся равными нулю. Если при этом монтажные соединения являются не жесткими, а шарнирными (что значительно проще), получаются различные несущие системы. Чаще всего такие системы применяются в мостостроении, но иногда используются и в качестве второстепенных элементов в конструкциях покрытий (деревянных и стальных).
Рассмотренные статические схемы являются весьма идеализированным подобием реальных условий работы простейших балочных конструкций. В действительности же они работают при гораздо более сложных условиях опирания и самых разнообразных комбинациях нагрузок — подвижных и неподвижных, статических и динамических, сосредоточенных и распределенных. Цель статического исследования состоит в том, чтобы на идеализированной схеме, максимально приближенной к реальности, установить максимальную величину усилий для достаточно большого числа балки.
А теперь несколько слов о реальных балках. Следует помнить, что изгибающий момент и связанные с ним нормальные напряжения далеко не единственный результат воздействия нагрузки на балку. В этом мы можем убедиться, вернувшись к рис. 12. Представленная там модель сослужила нам хорошую службу при рассмотрении эффекта, возникающего при изгибе. Однако если внимательно вглядеться в рисунок, можно заметить, что здесь не все в порядке. Балка, состоящая из отдельных, не связанных между собой слоев, существовать не может. Она будет деформироваться, «срезаться» таким образом, как это показано на рис. 17, и в конечном счете разрушится. Очевидно, при воздействии внешней нагрузки наблюдается еще какой-то «срезающий» эффект. Проделаем небольшой опыт. Если перекинуть через канаву две доски, положенные одна на другую, и встать на этот импровизированный «мостик», можно заметить, что доски работают независимо одна от другой: в плоскости соприкосновения одна скользит по другой. Явно возникают силы взаимного скольжения и поскольку сдерживающие силы (силы трения) меньше, происходит смещение. В целостной, монолитной балке подобное взаимное скольжение слоев ограничивается, так как частицы материала сильно связаны между собой. А как мы уже знаем, любое препятствие на пути деформаций ведет к возникновению внутренних сил и напряжений, в данном случае напряжений сдвига.
