Конструкции, или почему не ломаются вещи
Шрифт:
Учение об упругом сжатии, "средней трети" и неустойчивости, которое вызывало такую скуку у фешенебельных дам на лекциях Юнга, в действительности содержит практически все, что нужно знать о поведении стыков в каменной кладке, при условии, что нам известна также линия действия силы веса. Другими словами, мы должны знать, на каком расстоянии от серединной плоскости стены на самом деле действует нагрузка.
Рис. 64. В простейшем случае, когда имеется симметрия, "линия давлений", проходит через середину стены.
Здесь как раз уместно ввести понятие "линии давлений", которая определяется как линия, проходящая по стене здания от ее верхней точки до основания и пересекающая все стыки в тех точках, где приложена равнодействующая вертикального давления. Линия
Для стены, колонны или опоры простых симметричных форм, таких, как показаны на рис. 64, линия давлений проходит, очевидно, через середину, и здесь нет никаких трудностей. Однако если речь идет о сколько-нибудь более сложном сооружении, то тогда скорее всего имеется хотя бы одна наклонная сила, возникающая из-за бокового давления крыши, арки, сводов или других конструктивных элементов. В таких случаях линия давлений уже не проходит точно через середину стены, а смещается на одну сторону и часто принимает искривленную форму, как показано на рис. 65 [60] .
60
В том, что дело обстоит именно таким образом, можно убедиться, применяя правило параллелограмма для сложения сил в каждом сечении стены. (Понятие о параллелограмме сил можно восстановить в памяти, заглянув в элементарные учебники физики, в раздел механики.) Считается, что параллелограмм сил изобрел Симон Стевин в 1586 г. Никак нельзя предполагать, что архитекторы древности и средневековья могли проектировать, в современном смысле этого слова, свои здания, не владея понятием о разложении сил.
Рис. 65. В результате действия наклонной нагрузки линия давлений отклоняется от плоскости симметрии стены.
Рис. 66. Действие на стену дополнительной вертикальной нагрузки уменьшает отклонение линии давлений от середины стены.
Если, проводя линию давлений, мы обнаружим, что имеется опасность того, что она в какой-либо точке достигнет поверхности стены, то следует призадуматься, и крепко, поскольку у сооружения, спроектированного таким образом, велики шансы рухнуть.
Один из способов исправить положение (и, вероятно, это один из наиболее эффективных способов) состоит в том, чтобы на верхнюю часть стены добавить дополнительный вес. Тогда дело обернется таким образом, как это показано на рис. 66. В противоположность тому, что можно было бы предположить, этот дополнительный вес способствует большей, а не меньшей, устойчивости стены и возвращает "заблудшую" линию давлений более или менее туда, где ей следует находиться.
Требуемый дополнительный вес можно создать, просто надстроив стену больше, чем в действительности необходимо; годятся также такие вещи, как тяжелые баллюстрады и парапеты. Всегда могут выручить и поставленные в ряд статуи (рис. 67), если, конечно, это совместимо с назначением здания и позволяют средства! С конструкционной точки зрения бывает обоснованным использование башенок и статуй в готических церквях и соборах. Они возвышаются там словно насмешка над приверженцами функциональности и унылыми ревнителями "эффективности".
Обычно считается абсолютно необходимым, чтобы линия давлений [61] проходила в пределах "средней трети" стены, поскольку иначе при появлении трещины она может обвалиться.
Рис. 67. Требуемую дополнительную вертикальную нагрузку могут создавать башенки, статуи и т. п.
Такой осторожный подход правилен, он служит безопасности, и его необходимо придерживаться, но я боюсь, что в наш век вседозволенности это делается редко. Посмотрите на стену современного жилого дома или нового учебного заведения, и вы увидите массу трещин, а там, где трещины, непременно действовали когда-то растягивающие напряжения. Правда, хотя эти трещины вредят штукатурке и внутренней отделке здания [62] , на деле они редко представляют какую-либо опасность для несущей конструкции. Основным условием надежности каменной кладки является то, чтобы линия давлений нигде и никогда не подходила к поверхности стены, или колонны.
61
На самом деле существует несколько линий давлений, и все они не должны выходить за пределы стены. Пассивная линия давлений определяется действием веса самой стены и всех предметов, которые находятся в постоянной связи с ней, таких, как перекрытия и крыши. Активные линии давлений определяются не только постоянными нагрузками, возникающими от частей здания, но также и переменными нагрузками, такими, как давление ветра или вес воды, угля, снега, машинного оборудования, подвижного транспорта, людей и т. д. Формы возможных активных линий давления определяют те эксплуатационные нагрузки, которые не представляют опасности для здания.
62
В этом кроется одна из причин современной моды не штукатурить внутренние помещения зданий.
Плотины
Подобно стенам, каменные плотины обычно разрушаются не из-за недостатка прочности, а из-за недостатка устойчивости - они, как и стены, могут опрокидываться. Боковое давление на плотину со стороны запруженной воды, как правило, сравнимо с весом каменной кладки плотины. Поэтому положения активной линии давлений могут резко меняться в зависимости от уровня запруженной воды. Для плотин в отличие от обычных зданий недопустимы никакие вольности в обращении с правилом "средней трети". Их каменная кладка ни в коем случае не должна содержать трещин, особенно со стороны, обращенной к запруживаемой воде. Присутствие трещины позволило бы воде под давлением войти внутрь конструкции, что повлекло бы за собой два нежелательных последствия. Во-первых, вода повреждала бы каменную кладку. В больших плотинах для предотвращения всякого просачивания воды в тело плотин обычно предусматривается специальный дренаж. Во-вторых, давление воды внутри трещины создавало бы направленную вверх силу (ее величина на глубине 30 м составляет около 0,5 МН/м2), которая в критической ситуации опрокидывает дамбу.
Так, разрушение британской авиацией плотин Мопе и Эдер в 1943 г. происходило в две стадии, разделенные коротким промежутком времени. Вначале взорвались бомбы, сброшенные Барнсом Уоллисом возле плотины со стороны верхнего бьефа (прежде чем взорваться, они затонули). Взрывы бомб образовали в теле плотины глубокие трещины, а уже опрокидывание плотин произошло через некоторый промежуток времени и было вызвано проникновением в эти трещины воды, давление которой было достаточно велико. Те, кто читал отчет об этих операциях, помнят, что между взрывами бомб и видимым разрушением плотины была заметная пауза. Разрушения эти нанесли огромный ущерб районам Рура.
Разрушение плотины в мирное время - страшный сон для инженера. Даже если плотина сделана из неармированного бетона, а не из камня, было бы неразумным положиться на сопротивление материала плотины растягивающим нагрузкам. Поэтому во всех плотинах, построенных из неармированных материалов, линия давлений, смещаясь в сторону верхнего бьефа при незаполненном водохранилище и в противоположную сторону, когда водохранилище заполнено до предела, не должна выходить из "средней трети", и не лишне при этом иметь еще некоторый запас. Чтобы удовлетворить этим требованиям, обычно строят суживающиеся кверху плотины асимметричной формы. Эта форма хорошо известна, вы видите ее на рис. 68.
Рис. 68. Каменная плотина без армирования.
Рис. 69. Армированная плотина.
Однако стоимость удержания воды с помощью плотины весьма высока, и инженеры постоянно ищут более дешевые способы сооружения плотин. Заметно снизить общий вес плотины и стоимость цемента позволяет применение бетона, армированного стальными прутьями, в особенности предварительно натянутыми, Однако если армирующие прутья не закреплены в твердой породе под основанием плотины, имеется реальная опасность, что плотина будет опрокинута как целое, вместе с арматурой и всем прочим.
Одно из возможных конструктивных решений показано на рис. 69. Здесь простые вертикальные стальные стягивающие стержни закреплены в твердой породе, лежащей в основании плотины, и проходят через бетон до ее верха, где они натягиваются с помощью устройства типа домкрата. Очевидно, что эти прутья работают так же, как и фигуры святых и башенки на кафедральных соборах. Любую обычную тяжелую каменную кладку также можно рассматривать как "предварительно напряженную" ее собственным весом. Тяжелые статуи, поставленные в ряд по верхней кромке плотины, несомненно были бы эффективны и, возможно, не так уж плохо и выглядели бы, но, боюсь, они оказались бы куда как дороже стальных стержней.