Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
В ОПРЕДЕЛЕННОЕ ВРЕМЯ, ПРИ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ…
Может показаться странным, но изменение температуры окружающей среды является нагрузкой — и часто весьма значительной — на строительные конструкции.
Все мы знаем, что железнодорожные рельсы неплотно пригнаны один к другому, между ними оставлены определенные люфты. Это достаточно ясно ощущается по ритмичному постукиванию при движении поезда, когда колеса вагона минуют стыки. Причиняется вред подвижному составу, поскольку ускоряется его амортизация, неприятные ощущения испытывают пассажиры, но пока это неизбежно. Во время летнего зноя рельсы должны иметь возможность свободно удлиняться, для чего и оставляются промежутки между ними. Легко себе представить, что произошло бы при отсутствии люфтов на стыках между рельсами: сотни километров деформированных, искривленных железнодорожных путей…
Подобная, хотя и значительно более сложная картина наблюдается в зданиях и сооружениях. Они состоят из определенного числа взаимно связанных элементов, вследствие чего возможность свободной температурной деформации ограничена, а иногда и полностью отсутствует. В сравнительно узком диапазоне температур, на который рассчитываются обычно здания, все обходится благополучно. Однако летом температура воздуха может достигать 35°С в тени и ничто не может воспрепятствовать неудержимому стремлению тел расшириться. Не составляют исключения и конструктивные элементы. И, как следует ожидать, невозможность их удлинения приводит к возникновению сжимающих напряжений. И наоборот, при понижении температуры элементы стремятся укоротиться, сжаться, но, так как не имеют такой возможности, в них возникают растягивающие напряжения.
Катастрофа с кинотеатром «Никарбокар» в Вашингтоне в значительной степени была обусловлена воздействием низких температур в сочетании с общим состоянием конструкции. В морозный зимний вечер покрытие, подчиняясь законам физики, сжалось и увлекло за собой несущие кирпичные стены. Этой общей деформации, столь незначительной с житейской точки зрения, было вполне достаточно, чтобы возникли условия для проявления серьезных конструктивных недостатков.
Примерно так обстоит дело с качественной стороной вопроса. Чтобы рассмотреть его количественную сторону, обратимся еще к одному примеру. Коэффициент температурного расширения стали равен 0,012 мм/м. Это значит, что при повышении внешней температуры на 1°С стальной прут длиной 1 м удлинится на 0,012 мм. Если рассматриваемый прут неподвижно закреплен с двух сторон, а внешняя температура повысилась на 10°С, прут попытается закономерно деформироваться на 0,012х10=0,12 мм. А поскольку это невозможно, в нем возникают внутренние сжимающие нагрузки, сила которых соответствует потенциальному удлинению. Таким образом, значительная доля прочностных возможностей элемента занята борьбой с температурным воздействием. Вот уж поистине паразитическая нагрузка!
Для реальных сооружений, например для стальной части моста, такое невинное, на первый взгляд, изменение температуры на 10°С может иметь самые трагические последствия. Уже в конструкции, рассчитанной на одну-две железнодорожные колеи, возникает сжимающая сила, равная приблизительно 1000 т. Для сравнения заметим, что примерно столько же весит товарный состав вместе с локомотивом.
Разумеется, и в этом, и в ряде других случаев подобные напряжения недопустимы. Конструкторы принимают специальные меры, чтобы температурные нагрузки проявляли себя как можно слабее. Проще всего это сделать, обеспечив конструкциям возможность свободно удлиняться и укорачиваться. Мостовые балки, например, устанавливают на специальные опоры, которые обеспечивают их подвижность в надлежащем направлении. Здания «рассекаются» деформационными швами, ширина которых (обычно около 2 см), как правило, достаточна для температурного расширения отдельных блоков. Принимают еще целый ряд мер с одной единственной целью — ограничить «аппетит» нежелательной паразитической нагрузки.
Описанная картина температурной «агрессии» далеко не полная. В сущности, мы коснулись лишь одной, наиболее невинной ее формы — равномерного нагревания и охлаждения. А если оно будет неравномерным?
Многие помнят школьный опыт по физике, когда к пламени спиртовой горелки подносят стальную пластину, края которой через несколько секунд изгибаются вверх. Если стальной прут, который мы выше использовали в качестве примера, закреплен неподвижно, подобный свободный изгиб невозможен, по крайней мере первое время. В случае более сильного нагрева нижней стороны прута именно с этой стороны сжимающее напряжение больше. В конечном счете возникнет снова сжимающая сила с той лишь разницей, что состояние несимметричного нагревания предполагает несимметрично действующую силу. Возникнет также стремление к изгибу или, как сказали бы специалисты, — изгибающий момент.
Итак, из сказанного сделаем вывод, который будет звучать приблизительно так: невозможность свободного изгиба при неравномерном температурном воздействии приводит к появлению изгибающего момента. Но механизм изгиба значительно неприятнее, чем просто растяжение или сжатие, и мы в этом еще убедимся. Именно изгибающий момент в наибольшей степени предопределяет конструктивную форму и количество материала, в нее вложенного. К сожалению, изменения в температуре окружающей среды чаще всего действуют на конструктивные элементы именно таким образом. Зимой внутри любого здания всегда теплее, чем снаружи, и уже это говорит о неравномерном температурном воздействии. Летом, наоборот, внешняя температура выше внутренней, так как здание снаружи нагревается солнцем. При проектировании моста, например, для центральной его части, выполняемой из стали, учитывается дополнительная нагрузка, обусловленная разностью температур между нижней и верхней поверхностями пролетного строения. Таким образом отражается «нагружающее» воздействие Солнца, о котором большинство людей даже не подозревает.
Можно себе представить, какую опасность для конструкции создает пожар в многоэтажном здании! Температуры во время пожара несравнимы с температурами климатического воздействия. А ведь пожары вовсе не такая редкость, как нам бы того хотелось. В 1974 г., например, только в Японии произошло 67568 пожаров в зданиях, причем 8496 из них в Токио. Погибло 1646 человек.
Особенно чувствительны к подобным бедствиям стальные конструкции. Независимо от мер, которые принимаются для их защиты от воздействия высоких температур,— огнезащитные лаки, расширяющиеся покрытия, специальные облицовки — пожар обычно все же добирается до них. А ведь каждый поймет, насколько нежелательно, чтобы помимо человеческих жертв и всякого другого ущерба, причиненного зданию, в конце концов и оно само рухнуло.
С особой остротой эта проблема встает в случае высотных зданий, небоскребов. Их конструкции, как правило, стальные, поскольку при таких огромных нагрузках, которым они подвергаются, может быть применен только этот материал. Пожар в небоскребе — это больше, чем обычная катастрофа, — это массовая трагедия. Поэтому принимаются всевозможные меры, чтобы он там не возник. В двух зданиях Всемирного торгового центра («сиамских близнецах») в Нью-Йорке, которые до недавнего времени были самыми высокими в мире, в разных местах установлено до 6500 детекторов для регистрации температуры, дыма, концентрации газов. Диспетчерский зал этих зданий напоминает командный пункт центра управления космическими полетами.
С точки зрения инженера-строителя, пожар — это аварийная нагрузка, которая в определенных случаях должна быть учтена. Разумеется, нецелесообразно, а обычно и невозможно рассчитывать конструкцию таким образом, чтобы она устояла при любом, даже самом сильном пожаре. Считается, что пожарные будут действовать достаточно эффективно и вся конструкция устоит до их прибытия. Так что огнестойкость измеряется минутами. В сущности, должны быть приняты меры, чтобы конструкция выдержала температурные нагрузки в течение определенного числа тех критических минут, которые регламентируются специальными техническими нормами.
Существуют сооружения, для которых пожар — нормальное, эксплуатационное состояние. У их основания температура дыма составляет несколько сот градусов, а вверху немногим ниже. Очевидно, что обычный строительный материал не может непосредственно подвергаться такому тепловому воздействию, особенно в связи с высокой химической активностью дымовых газов. Поэтому предусматривается специальная изоляция. Но, несмотря ни на что, в конструкции возникают значительные температурные напряжения, которые являются результатом не каких-либо экстремальных, а обычных, повседневных условий. Но сколь тяжела такая эксплуатационная повседневность…
