Том Джексон - Взламывая технологии

Этот вид инженерного дела имеет дело с силами, действующими внутри любого сооружения: дома, туннеля или моста. Инженеры обязаны гарантировать, что используемые при работе материалы и конструкции достаточно прочны, чтобы удерживать вес здания.

Нагрузки

Силы, воздействующие на конструкции, называются нагрузками. К ним относят вес самой конструкции и любых объектов, которые могут использовать постройку. Инженеры-строители проектируют здания так, чтобы нагрузки передавались через элементы конструкции на землю. Горизонтальные элементы (например, перекладины и балки) передают нагрузки на вертикальные (стены, колонны или столбы), а те — на фундамент, создающий прочную основу для всей конструкции.

Дом сконструирован таким образом, чтобы удерживать вес крыши, стен и полов. Вся нагрузка должна передаваться через элементы конструкции в землю, иначе дом развалится!

Перемычка давит на столбы, которые давят на перемычку, удерживая ее. Эта система не подходит для больших пространств: противодействующие силы могут выйти из равновесия, и перемычка треснет

Арка может перекрывать более широкие пролеты, чем перемычка. Ее изогнутая структура опирается не прямо вниз, а в стороны. Эта сила уравновешивается вертикальным давлением столбов и боковым упором стен, поэтому конструкция остается стабильной при больших нагрузках

Изобретение в 1852 г. Элишей Отисом безопасного лифта сделало возможным строительство многоэтажных зданий

Вес небоскреба не переносится на его стены. Нагрузка передается на внутренние колонны из стали или бетона

Пространство

Самая прочная конструкция — это однородное плотное тело, но оно практически бесполезно. Поэтому в строительстве используют структурные элементы, которые образуют прочный каркас вокруг внутреннего пространства. Небольшие пространства — двери, окна, обычные комнаты — поддерживаются с помощью балок и перемычек, их удерживают на себе вертикальные стойки. Но для крупных пространств этого недостаточно: горизонтальные элементы конструкции не могут передать всю нагрузку на вертикальные стойки, прогибаются и ломаются. Большие помещения перекрывают арочными сводами — их изогнутая конструкция лучше перераспределяет нагрузку на вертикальные элементы здания.

Чем выше здание, тем больше его вес, и стены, которые несут нагрузку, должны становиться все толще. Получается, что возводить постройки выше 12 этажей нецелесообразно, потому что придется делать стены толщиной около метра. Более высокие здания поддерживаются массивными внутренними колоннами. На них опираются этажи, а стены навешиваются снаружи, создавая внутреннее пространство, но не принимая на себя вес самого здания.

Мосты

Мост, соединяющий два удаленных места, — одна из самых сложных и впечатляющих конструкций. Он может иметь немного несущих опор, но они должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать вес не только самой конструкции, но и всего, что по ней движется. Для небольших мостов используются простые балки или арки из дерева или камня. Однако для крупных мостов эти материалы слишком непрочные и не могут удержать даже вес конструкции, поэтому вместо них используют сталь, которая может сгибаться, не ломаясь.

Четыре вида мостов, расположенные в порядке увеличения перекрываемого пространства

Строители Форт-Бридж в Шотландии в 1880-х гг. показывают, как две боковые конструкции железнодорожного моста будут уравновешивать центральный пролет

Для постройки мостов с длинными пролетами применяют разные конструкции, которые передают вес главного пролета на концы моста, опирающиеся на землю. Консольный мост работает как пара качелей, которые уравновешивают вес центрального пролета. Пролет подвесного моста висит на прочных кабелях, закрепленных на обоих концах конструкции. Вантовый мост похож на подвесной, но в нем пролет удерживается кабелями, закрепленными на высоких вертикальных стойках.

Золотые Ворота — мост через вход в гавань Сан-Франциско. Это один из самых известных подвесных мостов в мире. Он открылся в 1937 г. и был крупнейшим в мире до 1964 г., когда начал функционировать мост Верразано-Нэрроуз в Нью-Йорке

Камень

Древнейшие постройки, которые стоят до сих пор, сделаны из камня, что свидетельствует о невероятной прочности этого материала. В целом камень — очень твердый материал, он выдерживает огромные силы сжатия и не ломается при значительной нагрузке. Однако он плохо гнется и растягивается. Если перекрыть камнем слишком широкий пролет, он треснет и сломается — это существенные ограничения, накладываемые на постройки из камня.

Архитектура инков в Куско, Перу. Остается загадкой, как инкские каменщики вырезали камни так, чтобы они идеально прилегали друг к другу

У традиционного японского дома деревянный каркас и нет внутренних несущих стен — все внутренние стены сделаны из бумаги

Древесина

Пожалуй, это самый старый строительный материал. Древесина — это натуральный материал, который со временем разлагается, поэтому лишь некоторые деревянные постройки стоят дольше нескольких столетий. Преимущество древесины — в ее невысокой цене и большой прочности. Она способна выдерживать значительные силы сжатия и натяжения, возникающие в конструкции зданий, и при этом гнуться, но не ломаться. Древесина плохо подходит для строительства в холодном и влажном климате, где она подвержена гниению. В наши дни деревянные балки, перемычки и стойки являются неотъемлемыми элементами большинства современных домов.