Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Во-первых, частичное защемление балок в узлах их опирания на стойки каркаса. Изгибающий момент, который совсем не так уж мал, распределяется по всей длине балки более равномерно, чем в случае свободного опирания: в пролете растяжению подвергаются нижние слои, а вблизи стоек — верхние. Таким образом, в стойки «вводится» определенный момент, но он не имеет для них решающего значения. Важно то, что балки могут быть более стройными и экономичными.
Во-вторых, более эффективно воспринимаются горизонтальные силы (ветер, землетрясения, толчки мостовых кранов). Частичное защемление балок в верхней части стоек приводит также к перераспределению изгибающего момента в стойках по сравнению с чистой консолью, которой была бы стойка в случае отсутствия такого защемления (см. рис. 24). Иначе говоря, здесь совместно работают горизонтальные (балки) и вертикальные (стойки) элементы рамы, благодаря чему увеличивается общая жесткость конструкции и уменьшается ее вес.
Подобные жесткие угловые связи между отдельными элементами рамы не представляют проблемы для монолитного железобетона, более того, они отвечают его природе. Поэтому монолитные железобетонные конструкции оказывают значительное сопротивление внешним воздействиям, отличаются большой жесткостью и устойчивостью к землетрясениям. К сожалению, в случае сборных железобетонных и стальных конструкций положение более сложное. Там решающее значение имеют соединения между отдельными готовыми элементами. А так как выполнение жестких соединений — дело сложное, трудоемкое и требует значительных затрат времени, конструкторы во имя простоты и высоких темпов строительства отказываются от них. В таких, весьма частых, случаях балка свободно опирается на колонны, а колонны, по существу, оказываются консолями (для горизонтальных усилий). Как мы видим, при подобном компромиссе в жертву приносятся два плюса рамных конструкций.
В многоэтажных зданиях воздействие горизонтальных сил приобретает устрашающие размеры. Оно с трудом воспринимается рамами. А при определенной этажности восприятие горизонтальных усилий посредством совместной работы вертикальных и горизонтальных элементов становится совсем невозможным. В таких случаях по высоте здания проектируются специальные вертикальные диафрагмы и жесткие узлы; как правило, в работу включаются и лестничные клетки, которые должны полностью воспринимать горизонтальные усилия. Будучи выполненными из железобетона, они имеют вид сплошных гладких стен, а из стали — вид стержневых систем. Воспринятые диафрагмами жесткости или лестничными клетками горизонтальные усилия в значительной степени освобождают проектировщиков от необходимости обеспечить рамную работу стоек и балок, а следовательно, жесткие угловые соединения уже не являются необходимыми (это, однако, не означает, что они нежелательны). Жесткость рамных узлов — самое ценное свойство рам, и жертвуют им только тогда, когда этого требует само строительство.
ЭСКАЛАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФОРМ
Одно из важнейших достижений современного строительства — широкое применение пространственных конструкций покрытия. Последние десятилетия нашего времени стали качественно новым этапом в истории техники.
Было бы преувеличением утверждать, что эти конструктивные формы возникли в нынешнем столетии. Простейшие из них имеют свои, хотя и грубые, аналоги в далеком прошлом. Но только аналоги и притом грубые. Так что было бы преувеличением говорить также о «возрождении» и «развитии» в новых вариантах старых, известных конструктивных форм. И все же первоисточник существует, и искать его следует в природе. Как мы знаем, в природе нет ни балок, ни ферм, ни рам. Природные конструкции, как правило, имеют пространственный характер, а поскольку все в природе мудро и рационально, они выдержали тысячелетние испытания и прошли сквозь сито естественного отбора. Так что мы можем считать их действительно самой эффективной формой преодоления пространства, предполагающей пространственность восприятия нагрузок.
Все рассмотренные нами основные конструктивные формы имеют линейный характер. Их ширина и высота несравнимо меньше длины, а рабочие схемы, в сущности, представляют собой сочетание прямых и кривых линий. Двухмерного листа бумаги практически достаточно, чтобы отразить их напряженные и деформационные состояния. Такой искусственный и «природонесообразный» подход человека приводит к серьезным конструктивным и эстетическим ограничениям конечного продукта строительства.
Промежуточной формой перехода от линейных (одномерных) к пространственным (трехмерным) конструкциям можно считать плиту. Это плоскостной несущий элемент, описывать который излишне. Железобетонные плиты мы видим каждый день как над своей головой, так и под ногами. Что же касается большинства человеческих нужд, то эта плоскостная и наиболее функциональная конструктивная форма является одной из самых распространенных на земном шаре. В сочетании с балками и без них плиты широко применяются в конструкциях перекрытий и крыш, в качестве путевого полотна в мостостроении и т. д. Однако плиты имеют весьма ограниченные конструктивные возможности. Поэтому и значение их в общем конструктивном решении может быть только локальным.
Рис. 25. В отличие от балок, ферм, арок и т.д. плита не линейная, а плоскостная конструктивная форма. Это форма, которая работает в весьма неблагоприятном режиме — прежде всего в режиме изгиба
О неэффективности плит при перекрытии больших пространств говорит рис. 25. Под действием вертикальных нагрузок возникает очень сложное напряженное состояние: изгибающие моменты в двух направлениях, крутящие моменты и поперечные силы — тоже в двух направлениях. Как и в случае балок, возникают нормальные напряжения изгиба и тангенциальные напряжения — от поперечных сил и от крутящего момента. Но, в отличие от балочных элементов, действие развивается не в одном направлении, а в плоскости плиты. Грубо можно представить ее работу как совместную работу большого числа перекрещивающихся в двух направлениях балок. Самым неприятным следует считать, конечно, наличие значительных изгибающих моментов, которые превалируют и в конечном счете определяют толщину плиты. А как мы помним, именно изгиб представляет собой наиболее острую форму невидимого конфликта между нагрузкой и конструкцией. Поэтому толщина плиты оказывается тем сечением, которое работает в самом неблагоприятном режиме.
Рис.26. Пологая оболочка двоякой кривизны: почти плита, но ...
Однако достаточно слегка искривить плиту (рис. 26), чтобы получилась совершенно иная картина. Такую плиту, естественно, нельзя использовать в качестве конструкции перекрытия, но зато она может быть прекрасной конструкцией для крыши. Итак, при стреле подъема, составляющей лишь 1/10 меньшего пролета, плита мгновенно превращается в тонкостенную пространственную конструкцию — оболочку. Изгибающий момент почти исчезает — по крайней мере в обширной средней части оболочки, где устанавливается столь ценное безмоментное напряженное состояние. Внешняя нагрузка вызывает только нормальные (сжатие и растяжение) и тангенциальные (сдвиг) усилия. Последние, как и поперечные силы, действуют в плоскости сечения, но, в отличие от них, «повернуты» на 90° и фактически находятся в плоскости оболочки. Чтобы представить их действие физически, сопоставим его с уже известным нам эффектом от поперечных сил. Поперечные силы стремятся расслоить материал, сместить отдельные мысленно выделяемые по высоте сечения слои; в оболочке тангенциальные силы стремятся сдвинуть один относительно другого отдельные криволинейные слои, из которых она состоит. По высоте сечения напряжения постоянны. Этим как раз и определяется эффективность данной конструктивной формы — материал используется равномерно и полностью.
Мысленно выделенные в двух направлениях криволинейные слои являются лишь весьма приблизительной моделью, которая помогает нам понять, как работают конструкции этого типа. Эти слои работают совместно, почему и возникают сдвигающие силы. Плюсы сводчатой оболочки двоякой кривизны (так называется эта конструктивная форма) обеспечиваются только при наличии определенных условий опирания. По четырем контурам оболочки необходимы несущие конструкции линейного типа (балки, фермы или арки), которые называются диафрагмами. Диафрагмы нагружены особым образом: вертикальные нагрузки оказываются не основными. Это звучит малоубедительно, но оболочка передает свою нагрузку на диафрагмы в основном посредством направленных под углом, сдвигающих усилий. Их вертикальная составляющая неминуемо вызывает в опорных элементах изгибающие моменты и поперечные силы, а горизонтальная — значительные растягивающие усилия. Для диафрагм характерно сложное, комбинированное силовое воздействие, обусловленное их функциями, так как они служат не просто балками, а опорами оболочки двоякой кривизны. О механизме нагрузки диафрагм (с физической точки зрения) можно судить по тому, что под действием нагрузки оболочка стремится расправиться, превратиться в плиту. Именно этому выпрямлению препятствуют диафрагмы, вследствие чего в них возникают растягивающие усилия.
