Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
А как обстоит дело с высотой сечения? С одной стороны, чем она больше, тем меньше нормальные напряжения изгиба и тем легче пояса балок. Однако, с другой стороны, чрезмерное увеличение высоты тоже приводит к перерасходу материала. Это объясняется тем, что сэкономленный материал поясов начинает вкладываться в стенку, ставшую неоправданно высокой. Нахождение оптимальной высоты — тоже работа не из легких. Но очень часто высота бывает обусловлена совсем не конструктивными соображениями. Так, например, в конструкциях перекрытия наблюдается стремление к минимальной высоте, поскольку большая часть строительного объема здания будет занята конструкцией, а не обитателями, что совершенно недопустимо, не говоря уже о дополнительных расходах, связанных с необходимостью обогревания зимой этого «мертвого», неиспользуемого объема. Во всех случаях высота балки (когда она не ограничивается никакими дополнительными обстоятельствами) определяется на основе технико-экономических условий, различных для разных типов и видов конструкций. Она может составлять от 1/7 до 1/12 пролета при деревянных и железобетонных балках и менее 1/20 при предварительно напряженном железобетоне и стали.
Одна из самых рациональных форм, отличающаяся высокой прочностью на изгиб и кручение, завоевывает в последние годы все большую популярность, особенно в мостостроении. Это закрытое коробчатое сечение. Такое сечение имеют, например, балки трех центральных пролетов Аспаруховского моста в Варне. Конструкция по статической схеме представляет собой непрерывную балку на четырех опорах. Коробчатое сечение балки, ширина которого равна ширине путевого полотна, образовано мощными стальными листами толщиной более 20 мм. В этом случае едва ли даже подходит слово «балка». Это сложная пространственная конструкция, для детального исследования которой необходим гораздо более точный аппарат, чем тот, которым располагает сопромат. Но этот вид конструкций уже выходит за рамки рассматриваемой нами темы.
ФЕРМЫ ВЧЕРА И СЕГОДНЯ
В последней четверти минувшего века произошел ряд крупных строительных катастроф с железнодорожными мостами. Первым инцидентом, который как бы дал старт всей веренице последующих событий, стала катастрофа, случившаяся 100 лет назад в США.
Декабрь 1878 г. в большинстве штатов Среднего Запада был суровым с непрекращающимися снежными бурями, наметавшими огромные сугробы и усложнившими и без того трудное сообщение с удаленными районами. 29 декабря движение на трансконтинентальной железнодорожной линии совсем разладилось. Поезда двигались очень медленно. Точно в 8 часов на мост через р. Эйстебл вблизи одноименного города выехал экспресс «Нью-Йорк — Сан-Франциско». Состав из 11 вагонов со скоростью 15—20 км/ч тянули два паровоза.
Когда до западного края моста оставалось не больше 10 м, машинист первого локомотива почувствовал, как что-то сильно тянет машину назад, и инстинктивно дернул рычаг регулятора пара. Машина устремилась вперед, быстро выехала на крайний устой моста, проехала еще 40—50 м и остановилась. Оглянувшись назад, машинист ужаснулся: не было ни второго паровоза, ни вагонов. Состав рухнул на дно каньона глубиной 20 м, где огонь быстро довершил дело. Вагоны отапливались обычными угольными печками, а почти вся отделка в них была из дерева. Из 158 пассажиров погибли 92, остальные были легко или тяжело ранены.
Для выяснения причин катастрофы была назначена специальная следственная комиссия. Судебное разбирательство продолжалось почти два месяца, пока наконец было вынесено документально подтвержденное заключение, что «при сегодняшнем неудовлетворительном состоянии теоретических и практических зданий в области строительства стальных мостов инженеры должны очень тщательно определять размеры и сечения элементов проектируемого сооружения».
И все же открылось множество конкретных причин самого различного характера. Прежде всего были выявлены серьезные конструктивные ошибки. Балки, которые входили в состав верхнего (сжатого) пояса, не были связаны между собой и работали независимо одна от другой, что резко снизило несущую способность сжимаемой зоны как целого. Приблизительно так же обстояло дело и со сжатыми стержнями решетки мостовой фермы.
У этого моста была «дурная слава». Когда за 11 лет до катастрофы завершилось его строительство и начали демонтироваться подпорные леса, конструкция стала угрожающе провисать. Стало ясно, что мост разрушается под действием собственной массы, и демонтаж лесов приостановили. Не предавая случившееся огласке, строители приступили к анализу причин аварийного состояния конструкции. Выявили погрешности как в проекте, так и в самом исполнении, которое было поручено неопытным лицам.
Когда в июле 1866 г. мост после усиления подвергся пробным испытаниям, на него было установлено не шесть паровозов, как полагалось в подобных случаях, а только три. После испытаний большая часть провисания не восстановилась — деформации остались необратимыми. Несмотря на это, компетентными лицами состояние моста было признано удовлетворительным и вскоре он был сдан в эксплуатацию.
Рис. 19. На заре технической цивилизации — ферма системы Гау-Журавского
Вся эта история — типичный пример того, к каким страшным последствиям может привести неудачный выбор конструктивной системы. Мост был выполнен по системе Гау-Журавского (рис. 19), созданной специально для нужд строительства из дерева и действительно хорошо учитывавшей особенности этого материала. Поэтому механическое перенесение этой конструктивной системы на «территорию» другого материла (в данном случае стали) закономерно привело к целой серии ошибок и недоработок.
Весь XIX в. и даже начало XX в. были годами революции в мировом строительстве, и в частности в мостостроении. Человечество постепенно расставалось с архаичными материалами — камнем и деревом, обращаясь к металлам как к более солидным материалам (сначала к чугуну, а затем к стали). Но переход от одних материалов к другим (с принципиально различными свойствами и возможностями) при инерционности мышления, отсутствии опыта и достаточного числа прецедентов был мучительно труден, а часто и трагичен. Появление новых конструктивных форм требовало времени, а между тем старые, уже известные формы надо было приспосабливать к специфике новых материалов. Но если у полностенных балочных конструкций такая адаптация происходила безболезненно, то у стержневых балочных конструкций (ферм) процесс протекал более драматично.
В принципе стержневые конструкции тоже не были чем-то новым. Как мы видели, они применялись еще в древнем Риме, позволяя преодолевать пролеты до 35 м (мост Трояна на Дунае). Разумеется, нынешние фермы мало походят на те, которые встречались в прошлом. Исключительное геометрическое и конструктивное разнообразие ферм, а также их несущие возможности делают применение этих несущих конструкций весьма желательным при пролетах средней величины и обязательным при больших пролетах.
Рис. 20. Разнообразие ферм исключительно велико. В их силуэте зашифровано много информации — о материале, о его назначении, о величине пролета, который перекрывается фермой
Начнем с разнообразия геометрических решений. Определенное, хотя и отнюдь не полное представление о нем дает рис. 20. Но поскольку геометрическая форма конструкций тесно связана с их статической работой и назначением, а также с видом материала, при рассмотрении геометрии ферм следует учитывать одновременно все эти аспекты.
На рис. 20, а мы видим самую естественную «стержневую модификацию» обычной полностенной балки. Это ферма с параллельными поясами. Восприятие внешних нагрузок подчеркнуто дифференцируется: изгибающий момент воспринимают пояса, причем в верхнем поясе возникают усилия сжатия, а в нижнем — усилия растяжения; соответственно поперечные силы (срез и сдвиг) воспринимаются диагональными и вертикальными стержнями (решеткой). С приближением к опорам усилия в поясах постепенно уменьшаются, а в решетке увеличиваются. Эти изменения точно повторяют картину диаграмм М и Q на рис. 16 и 17. Обычно по очертаниям решетки можно определить, из какого конкретного материала изготовлена ферма. Решетка на рис. 20, а с диагоналями (раскосами) , подвергающимися растяжению, и вертикалями (стойками) , подвергающимися сжатию, характерна главным образом для стальных конструкций, где растяжение всегда более желательно. Желательно оно потому, что не может привести к потере устойчивости в тонких стальных стержнях и не создает никаких проблем с соединением стержней в узлы. И наоборот, решетка на рис. 20, б (сжимаемые раскосы и растянутые стойки) почти точно «указывает» на присутствие дерева. Для деревянных ферм узловые соединения растягиваемых стержней в недалеком прошлом (и особенно при устройстве раскосов) были серьезной проблемой, в связи с чем здесь более желательно сжатие.
