Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Что же касается железобетона, то его монолитные конструкции не представляют никакой проблемы с точки зрения соединений, а определенная массивность стержней снижает остроту проблемы устойчивости (в сравнении со сталью). Поэтому встречаются железобетонные фермы с самой различной формой решетки. На рис. 20, в показана типовая ферма, применяемая для пролетов длиной до 30 м (раскосы подвергаются растяжению). На рис. 20, г мы видим силуэт фермы со сжимаемыми раскосами (это нам подсказывает, что она может быть выполнена из железобетона) для пролетов длиной до 40 м, которая тоже выдержала конкурс на типовой проект.
Вообще можно сказать, что усилия в раскосах больше, чем в соседних стойках, соответственно больше и их длина. Поэтому в случае применения относительно массивных и менее прочных материалов, какими являются дерево и железобетон, предпочтительны системы со сжатыми раскосами и растягиваемыми стойками.
А это как раз и есть система Гау-Журавского. Ее даже можно назвать «конструкцией XIX века». Сначала она появилась в Германии, но затем русский инженер Журавский разработал теорию расчета этой системы, что способствовало ее исключительно широкому распространению. Ее «рождение» продиктовано стремлением «вместить» все диагонали в узлы путем простого стыкования. Но такое соединение может передавать только сжатие. Поэтому раскосы дублируются «крест-накрест». В определенный момент работает только одна из них. Когда нагрузка изменяется так, что усилие из сжимающего становится растягивающим, в работу включается ее противоположно ориентированный двойник, причем тоже на сжатие. Растянутые стойки (они всегда подвергаются растяжению!) выполняют из стальных стержней круглого сечения, которые завершаются резьбой и гайками. Эти гайки предварительно затягивают для устранения люфтов, главным образом от неплотного опирания. Впоследствии, когда древесина, ссыхаясь, сжимается, гайки снова периодически затягивают во избежание ослабления конструкции.
С помощью таких легких и жестких решетчатых балок, обладающих к тому же большой несущей способностью, в мостостроении преодолеваются пролеты длиной 20, 30 и даже 50 м. Но, как видим, в этой системе все подчинено материалу — дереву. Поэтому судьба моста на р. Эйстебл не вызывает удивления (пролет 37 м). Попытка заставить такой гораздо более прочный материал, как сталь, работать в конструкции, которая полностью рассчитана на специфику дерева, оказалась роковой.
Очень эффективно работают конструкции с параболическими или полигональными очертаниями верхнего пояса. Проблем при выполнении таких конструкций значительно больше, но в случае больших пролетов все сложности окупаются. Положительный эффект обусловлен тем, что очертания пояса повторяют очертания диаграммы моментов. В направлении опор моменты уменьшаются, но в соответствии с тем же законом уменьшается и плечо внутренней пары сил (растяжение — сжатие) в ферме. Другими словами, усилия в поясах постоянны или почти постоянны. Здесь мы имеем дело с эффектом свода, с которым мы познакомимся ближе несколько позже. Стержни решетки нагружены очень слабо, они легки и имеют предельно малое сечение.
Двускатные фермы по статической работе занимают промежуточное положение между фермами с параллельными и параболическими поясами. Но именно в этом случае следует подчеркнуть, насколько много факторов определяют очертания поясов. Это, в сущности, целый комплекс конструктивных, эстетических, функциональных, производственных и технико-экономических соображений. Так, например, фермы покрытия чаще всего имеют некоторый уклон, чтобы обеспечивался сток атмосферных осадков, причем при малых пролетах он односкатный, а при больших — двускатный. Если покрытие выполняется из материала типа черепицы, уклон должен быть больше (рис. 20, ж), а при современных гидроизоляционных покрытиях — значительно меньше (рис. 20, з—л) . С точки зрения монтажа предпочтительны фермы с пониженным центром тяжести (рис. 20, и). На общую конфигурацию ферм влияет и размер деталей, изготовленных в заводских условиях, и то, как они соединяются на строительной площадке. Для малых пролетов мостов выбирают фермы с параллельными поясами, но для больших пролетов (а также в связи с определенными эстетическими требованиями) необходимы более сложные и более рациональные формы.
Серьезной проблемой оказывается выбор расстояния между узлами фермы. Чем меньше узлов, тем лучше — без того большое их число и связанная с этим трудоемкость исполнения являются главным минусом этого рода конструкций. Но конструктивных узлов не должно быть и слишком мало, поскольку в межузловом пространстве может усиливаться локальный изгиб от воздействующих нагрузок. Поэтому у сборной железобетонной фермы для пролетов до 30 м, которая представлена на рис. 20, е, верхний пояс подпирается стойками, которые делят пополам расстояния между узлами. А на рис. 20, з показана ферма с пролетом 18 м, растягиваемый пояс которой усилен стойками с той же целью — чтобы уменьшить негативный эффект от локального изгиба под действием собственного веса. При больших пролетах и больших расстояниях между узлами в рамках одной секции развиваются целые дополнительные фермы во избежание местного изгиба в межузловых пространствах (рис. 20, м). Но, разумеется, все зависит от вида второстепенной конструкции, которая ставится на ферму и нагружает ее. На рис. 20, д мы видим геометрическое решение польской типовой фермы для пролетов до 60 м, которая имеет предельно простую решетку. Устанавливаемые на нее элементы имеют достаточно большой шаг (от одного узла до другого).
А как здесь обстоит дело с высотой конструкции? Поскольку сплошная стенка полностенной балки заменена более экономичной решеткой, конструктивная высота может быть увеличена без ущерба для стоимости конструкции. Более того, оптимальные (по расходу материала) решения для ферм предполагают высоту намного большую, чем у балок: от 1/6 до 1/10 перекрываемого пролета.
Покрытия в виде стержневых конструкций — одни из самых распространенных. Легкость, с какой они перекрывают даже самые большие расстояния между опорами, экономичность, возможность полного изготовления в заводских условиях и монтажа (сборки) на стройплощадке делает их применимыми почти во всех случаях строительной практики. Мы их встретим и в промышленных зданиях, и в зальных помещениях. При больших пролетах (от 10 до 30 м в зависимости от материала) их применение крайне желательно с технико-экономической точки зрения, и сегодня, когда наступило время «точных расчетов», этого нельзя не учитывать.
АПОФЕОЗ ЧИСТОГО СЖАТИЯ
Одни из самых рациональных конструктивных форм, которыми располагает человечество, — арочные и висячие системы. В этом случае режим работы строительного материала доведен до совершенства: это в основном или чистое сжатие (у арочных конструкций), или чистое растяжение (у висячих систем).
Мы уже познакомились с изгибающим моментом — наиболее неприятной формой конфликта между конструкцией и нагрузкой. Мы убедились, что восприятие этого момента элементами балочного типа связано с неполноценным использованием вложенного материала: средние слои, например, работают с напряжениями, которые намного ниже реальных возможностей материала. В решетчатых балках (фермах) — более сложной, высшей конструктивной форме — материал концентрируется только в определенных направлениях, чем объясняется его более полное использование. Но и здесь изгибающий момент присутствует, хотя и в скрытой форме: в одном и том же сечении фермы наблюдается как растяжение, так и сжатие. Такая «двузначная» работа сечения представляет собой естественный предел несущих возможностей ферм.
Рис. 21. Можно ли исключить изгиб? При конструктивных формах определенного при определенных условиях - да. Принцип действия арочных конструкций
Однако существуют возможности полного исключения изгибающего момента из «игры сил». Одной из них являются арочные конструкции. В этом случае обеспечивается равновесие нового типа, представление о котором нам может дать рис. 21.
Если мы мысленно вырежем фрагмент арки и обозначим действующие на него силы (соответствующая часть внешней нагрузки и сжимающие усилия в местах разрезов), то увидим, что фрагмент находится в состоянии равновесия. Нет никаких «остаточных» сил, которые стремились бы его переместить или повернуть в пространстве. Но это необходимое и достаточное условие работы произвольного фрагмента и конструкции в целом под действием внешней нагрузки в так называемом «безмоментном состоянии» — столь ценное и желательное, — увы, возможно только в конструкциях с нелинейными очертаниями.
