Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

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…

Петербург, 1905 г.По улицам столицы среди плотной толпы любопытных горожан бодро шествовали колонны кавалерийского полка со знаменами и полковой музыкой. Первые конники приблизились к Неве, а затем вступили на полотно Египетского моста. В ту минуту, когда они достигли его противоположного конца и мост заполнился торжественно движущейся кавалерией, перед взорами смятенных очевидцев разыгралось зрелище, которое может быть внесено и в классический список строительных катастроф, и в альманах курьезов. Неожиданно мост «ожил», задвигался почти в такт со стуком конских копыт и с глухим шумом рухнул в воду вместе с находящейся на нем конницей.

Резонанс — так принято называть то, что послужило причиной этого уникального в мировой строительной практике случая.

Одно из фундаментальных положений строительной, статики заключается в требовании, чтобы нагрузки на конструкцию были постоянны по месту и величине и чтобы они повышались постепенно от нуля до максимального значения. Статические нагрузки представляют собой скорее исключение, чем правило. Реальные нагрузки чаще всего изменяются и по величине, и по местоположению, так что они должны оказывать динамическое воздействие.

Динамический эффект выражается в ускорении, с которым прилагается нагрузка. Второй закон Ньютона гласит: масса, умноженная на ускорение, равна силе. Именно инерционные силы являются причиной дополнительных нагрузок, которыми мы часто пренебрегаем, но которые иногда имеют решающее значение. Не будет преувеличением сказать, что они возникают всегда и всюду.

Начнем с так называемых ударных нагрузок. Их воздействие определяется кинетической энергией удара. В промышленности источником такого воздействия являются различные виды автоматических молотов. Иногда их мощность имеет фантастические величины, и, если не принимать специальных мер, по их изоляции, они за несколько часов своего взрывоподобного режима работы могут разрушить здание, в котором находятся, и серьезно повредить соседние. В транспортном строительстве существует возможность удара транспортных средств о мостовые сооружения при аварийной ситуации. Например, для автодорожных мостов предусматривается расчетная сила удара, равная 100 т (нормы НРБ по нагрузкам для мостов). Гораздо большая сила удара наблюдается при столкновении судов с опорами моста. Но ударные нагрузки могут быть и совсем тривиальными, например при прохождении колесами железнодорожного состава рельсовых стыков.

Воздействие нагрузок этого рода обычно ограничивается небольшой частью конструкции. И чем выше скорость удара, тем меньше область его воздействия. Например, камень разбивает все стекло, в которое попадает, тогда как пуля благодаря несравнимо большей скорости оставляет в нем лишь маленькое отверстие.

Последствия удара предусмотреть сравнительно легко. Совершенно иначе обстоит дело с другим видом динамических нагрузок — вибрационными. Самое неприятное в них то, что они воздействуют на всю конструкцию в целом и даже на конструкции объектов, расположенных вблизи источника вибраций. Несущие системы зданий и сооружений сами по себе склонны к вибрациям, к колебаниям, характеристики которых в каждом случае строго индивидуальны. Когда характеристики совпадают с характеристиками внешнего воздействия, система попадает в резонанс. Амплитуда колебаний резко увеличивается, что может привести к полному разрушению конструкции даже при сравнительно слабых по абсолютной величине динамических нагрузках. Именно это и случилось с Египетским мостом в Петербурге.

Вокруг нас много источников подобных пагубных воздействий, и мы часто о них даже не подозреваем. Начиная с колес парового локомотива, неуравновешенные массы которыхвызывают гармонично изменяющуюся инерционную силу, и кончая всеми машинами и агрегатами, вращающиеся части которых, несмотря на самый точный монтаж, никогда не могут быть идеально центрированы, что опять же приводит к возникновению инерционных сил, — вот длинный и практически бесконечный список источников вибраций. Но первое место среди них, бесспорно, принадлежит турбоагрегатам — генераторам, компрессорам, помпам. Скорость вращения высокочастотных турбоагрегатов превышает 300 об/мин, а это значит, что своеобразные приливы и отливы чередуются в сотые доли секунды. За одну секунду здание может испытывать от 10 до 50 и даже до 100 толчков.