Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Но у читателя не должно оставаться впечатление, что образование трещин в обычном железобетоне является чем-то полезным. Скорее, это неизбежное зло. При наличии трещин в зоне растяжения возникает опасность коррозии арматуры, а это и впрямь удар по одному из ценнейших качеств железобетона. Ширина трещин должна ограничиваться, и в некоторых случаях, например в гидротехнических сооружениях, ограничение это весьма существенное. С другой стороны, трещины значительно уменьшают общую прочность железобетонных элементов и конструкций. Кроме того, исключается возможность использования высокопрочных сталей, так как большие напряжения, которые они могут воспринять, сопровождаются значительными деформациями, т. е. образованием недопустимых трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растет гораздо быстрее, чем их стоимость, и их использование с экономической точки зрения является весьма целесообразным.
Но так или иначе трещины в обычных железобетонных конструкциях неизбежны, и мы вынуждены с этим мириться. Интересно, однако, что первое время специалисты совсем не хотели мириться с трещинами.
В течение первого десятилетия нынешнего века было выполнено множество железобетонных конструкций, и в результате наблюдений за ними в инженерном мире возникла паника. Было обнаружено трещинообразование. Для тогдашней строительной практики, имевшей дело со сталью, камнем и деревом, трещина была синонимом катастрофы, несомненным признаком цепной реакции грозной строительной аварии. Оказалось, что наличие арматуры в зоне растяжения не предотвращает растрескивания бетона. Мы об этом уже знаем, а тогдашние строители даже не подозревали.
Последовали самые крутые меры. В 1909 г. главный инженер немецких железных дорог от имени своего ведомства обязал инженеров-строителей повысить устойчивость бетона к образованию трещин с 30 до 150%. Этому примеру последовали и в других странах. Можно себе представить, каких мощных сечений и каких огромных количеств стали требовал подобный подход. Итак, на карту поставлено будущее железобетона…
Эти временные колебания, обусловленные низким уровнем тогдашних знаний, стимулировали поиски такого железобетона, который работал бы без трещин. Поэтому с самого начала развитие этого странного материала шло двумя различными, независимыми один от другого путями, вследствие чего до нас дошли принципиально различные его формы, настолько различные, что многие специалисты считают грубой ошибкой объединять их под общим названием «железобетон».
Пусть сопротивление бетона растяжению невелико, рассуждали тогдашние специалисты, пусть он легко трескается, но зато он обладает большой прочностью на сжатие. Нельзя ли предварительно создать в нем настолько сильные сжимающие напряжения, чтобы в эксплуатационном состоянии напряжения растяжения были полностью нейтрализованы? В таком случае бетон теоретически почти не нуждается в арматуре; он превращается в новый материал, совершенно отличный от исходного, с гораздо большими возможностями.
Время убедительно доказало рациональность этой простой, на первый взгляд, идеи.
Рис.36. Бесценная идея под названием "предварительно напряженный железобетон"
Рассмотрим пример на рис. 36, где представлена бетонная балка на двух опорах, которая воспринимает нагрузку, в десятки раз большую, чем та, что могла бы привести к образованию трещин и разрушению. В нижней ее части, т. е. там, где ожидаются эксплуатационные растягивающие напряжения, оставлен канал, через который протянут напрягающий элемент — высокопрочная сталь. С помощью мощных прессов канат растягивается — напрягается, а затем анкеруется в концах элемента. Получается внутренне уравновешенная система — растяжение в стали, которое вызывает сжатие в бетоне. Отдельные параметры напряжения могут быть рассчитаны таким образом, чтобы растягивающие напряжения от внешней нагрузки были полностью нейтрализованы. Это можно видеть по диаграмме нормальных напряжений на рис. 36: диаграмма предварительного напряжения суммируется с напряжением от эксплуатационной нагрузки, в результате чего получается лишь сжатие по высоте всего сечения.
Разумеется, в бетоне могут также допускаться и определенные растягивающие напряжения, что приведет к экономии. В этом случае предварительно напряженный бетон будет работать в стадии I, или, как принято в некоторых странах, — в стадии Iа. О трещинах не может быть и речи. Получается новый бетон, по поведению близкий к упругим материалам.
В сущности, то, что описано выше, является основным в идее предварительного напряжения. В действительности конструкции весьма разнообразны по форме, назначению и нагрузке, но подход один — детальное исследование действия нагрузок, выделение зоны растяжения и расчет параметров возникающих напряжений. Весьма интересны методы создания предварительных напряжений сжатия в бетоне. Здесь еще раз обнаружилась безграничная изобретательность человека. Среди множества самых разнообразных методов предварительного напряжения можно выделить две основные группы: напряжение до бетонирования и напряжение после бетонирования. В первом случае бетон укладывается на напряженную арматуру; после его схватывания арматура ослабляется и за счет сцепления, которое возникает между обоими материалами, передает усилие на бетон. Для предварительного напряжения используют тонкие высокопрочные нити (струны, проволока), а также канаты, скрученные пучки и т. д. Это — высокоиндустриализованный метод производства предварительно напряженных железобетонных элементов, поэтому он применяется в заводских условиях и предназначен для сборного строительства. На заводе элементы чаще всего изготовляют на длинном стенде. На натянутые напрягающие стальные элементы длиной в десятки метров укладывается бетон сразу для многих железобетонных изделий.
Основным недостатком этого метода является то, что проволока имеет прямолинейную форму, что ограничивает область применения таких железобетонных элементов. Зато напряжение после бетонирования, о котором мы уже рассказали (рис. 36), — метод почти универсальный. Напрягающие элементы в виде пучков стальной проволоки, кабелей или канатов помещают в специально для этого оставленные каналы, приблизительно соответствующие траекториям главных растягивающих напряжений. После «натяжения» напрягающие элементы должны быть заанкерованы в конструкции, чтобы передать ей свою силу. А ведь конструкция может весить десятки, сотни и даже тысячи тонн! Поэтому необходимы специальные закрепляющие приспособления (анкеры). Универсальность и большие возможности этого метода несколько омрачаются его трудоемкостью, сложностью и замедлением темпов работ.
Почти полвека назад на одной выставке во Франции посетители удивленно останавливались перед странным экспонатом, как будто опровергающим законы механики и вызывающим мысль об антигравитации. Экспонат — модель мостовой балки в масштабе 1:10 — состоял из пяти отдельных бетонных частей (рис. 37) удивительно малого поперечного сечения, соединенных встык без каких бы то ни было связей между ними. Балка была невероятно тонкой, ее высота была в 33 раза меньше ее длины (у обычных железобетонных конструкций это соотношение в два- три раза меньше). Экспонат не только не падал, но еще спокойно выдерживал демонстрационную нагрузку в 1200 кг без видимого прогиба, причем отдельные его части оставались плотно пригнанными одна к другой.
Эта «умопомрачительная», по определению тогдашних журналистов, конструкция была представлена и с определенной пропагандистской целью. Она должна была привлечь внимание государственных ведомств и частных фирм к возможностям предварительного напряжения, поскольку, как можно видеть на рисунке, альфой и омегой всего был параболический (фактически скрытый от глаз) напрягающий кабель, который держал бетон в режиме постоянного и сильного сжатия.
Работа в режиме постоянного сжатия — вот объяснение как приведенного выше примера, так и всего направления в развитии железобетонных конструкций, названного «предварительно напряженный железобетон», Это сжатие в рассматриваемом случае было настолько велико, что полностью нейтрализовало действие внешней нагрузки и обеспечивало плотность швов между блоками. Отсюда следует одно важное требование к конструкциям такого рода — они непременно должны быть высокопрочными. В противном случае предварительное напряжение израсходует сопротивление бетона сжатию, а внешняя нагрузка, увеличивая напряжения сжатия в отдельных точках, приведет к разрушению.
Такое же требование предъявляется к сталям для напрягаемой арматуры. Они должны быть специальными, высокопрочными, с огромным сопротивлением, так как иначе они не смогут создать в бетоне достаточно сильных предварительных напряжений. По рассмотренным выше причинам такие стали неприменимы в обычных железобетонных конструкциях, где при их действии в полную силу своих возможностей образовывались бы трещины недопустимой величины.
