Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Ясно, что эксперименты с материалами не могут по своей продолжительности соответствовать реальным срокам эксплуатации зданий и сооружений. К сожалению, любая имитация фактора времени в лабораторных условиях сказывается на чистоте результатов. С другой стороны, результатов из естественной лаборатории жизни и практики надо ждать годы, а часто и десятилетия. Многое в этом сложном узле проблем уже известно, многое еще предстоит исследовать и уточнить. О некоторых свойствах сталей, связанных с фактором времени, мы поговорим сейчас.

Конструкции работают в режиме постоянной смены нагрузок: они непрерывно нагружаются, разгружаются, перегружаются и снова разгружаются. При данной степени нагрузки в данной точке устанавливаются определенные напряжения. Нагрузка обычно держится дни, часы, месяцы. И тогда при постоянных напряжениях возникает деформация ползучести, которая, естественно, крайне нежелательна. Это можно увидеть на рабочей диаграмме σ—ε, представленной на рис. 8. (Почему диаграмма σ—ε названа «рабочей», надеемся, теперь понятно.) Явление ползучести на первый взгляд напоминает текучесть, но имеет место при напряжениях, которые меньше предела текучести, и деформации при этом значительно более ограниченные. Кроме того, процесс постепенно прекращается: в сталях, где ползучесть проявляется слабо, за 100—120 ч реализуется лишь около половины деформации ползучести. Чем выше фиксируемая величина напряжения, тем сильнее обнаруживает себя этот вид паразитической деформации.

Но со временем конструкция разгружается, напряжения падают. Для удобства будем считать, что они уменьшаются до нуля. Но, как можно видеть на рабочей диаграмме, деформации исчезают не полностью, что не характерно для идеально упругого тела. Вопреки отсутствию напряжений деформации сохраняются. С течением времени они без видимой причины начинают уменьшаться. Это интересное явление, которое называется упругим последействием, или гистерезисом, обусловлено особенностями структуры материалов. Но в любом случае деформация не исчезает полностью. Всегда остается необратимая пластическая ее часть. Это свидетельствует о длительных повреждениях в структуре материала.

Для практики строительства значительно более важным оказывается другое неприятное свойство стали — релаксация. Оно проявляется в подвергающихся нагрузкам на растяжение и сжатие конструктивных элементах, концы которых закреплены неподвижно. На рис. 9показан стальной прут, который растянут с неким известным напряжением, после чего зажат в неподвижных опорах. Хотя опоры остаются абсолютно неподвижными, напряжение в стали с течением времени начинает уменьшаться. В сущности, с релаксацией мы все часто сталкиваемся. Например, хорошо натянутая веревка для просушки выстиранного белья со временем начинает все сильнее провисать, пока не становится совершенно непригодной для использования. По той же причине туристские палатки надо время от времени заново натягивать, так как их веревки постепенно ослабевают.

Ползучесть и релаксация — это различные проявления одного и того же свойства материалов. Оно особенно ярко выражено у дерева и других материалов органического происхождения, но и в случае применения строительных конструкций неорганического происхождения не следует забывать об этих негативных явлениях. Релаксация имеет особенно важное значение для предварительно напряженных железобетонных конструкций, так как в этом случае непредвиденное ослабление напряженного элемента может резко снизить несущую способность конструкции. На первых этапах применения предварительно напряженного бетона, когда влияние релаксации еще не было достаточно хорошо изучено, целый ряд строительных аварий квалифицировался как необъяснимые случаи.

Итак, сталь… Самый жесткий материал с самыми устойчивыми во времени характеристиками. Она, несомненно, наиболее мощное оружие в руках инженера-конструктора. Благодаря ей можно перекрывать большие пролеты, чего не позволяет сделать никакой другой материал, можно создавать небоскребы и конструкции, надежные даже при самом тяжелом режиме эксплуатации. В силу ряда обстоятельств сталь также наиболее хорошо изученный строительный материал, самый однородный, самый упругий, который почти адекватен «стерильному» идеалу строительной механики. Поистине сталь незаменима во всех случаях строительной практики, когда демонстрируются огромные возможности конструкций при особенно сложных и ответственных условиях.

Сталь вошла в жизнь человека сравнительно поздно, причем не сразу. Сначала частичное применение нашел чугун. Вероятно, одной из первых цельнометаллических конструкций был Невянский завод на Урале (Россия), построенный в 1725 г. Первый чугунный мост был построен в 1779 г. на р. Северн в Англии. Но это были лишь особые случаи, так как металлургия была еще слабо развита, возможности чугуна весьма ограничены, а методы соединения отдельных элементов из этого принципиально нового для своего времени материала в целостную конструкцию не были разработаны. Строительство ждало нового материала, который коренным образом изменит сам облик строительства и поднимет его на качественно новую ступень. Строительство ждало стали.

В 1780 г. был создан метод получения пудлинговой (сварочной) стали, который в начале XIX в. был поставлен на индустриальную основу. В 20-х годах прошлого века решился вопрос соединения стальных элементов — появились заклепочные соединения. «Зеленая улица» для стали окончательно была открыта после создания вальцованного железа — проката.

Тогдашним конструкторам было еще неизвестно, что расход материала на выполнение конструкций зависит не только от нагрузок и усилий, но и от формы отдельных элементов. Должно было возникнуть и развиться промышленное производство стальных элементов с оптимальной формой поперечного сечения, обеспечивающей надлежащую несущую способность при минимальном расходе материала. Трудность состояла в том, что сталь нельзя, подобно бетону, отливать непосредственно на строительной площадке, а также обрабатывать простыми инструментами подобно дереву. Однажды отлитая и прокатанная на металлургическом заводе, она должна использоваться в максимально «фабричном» виде, так как ее дополнительная обработка — резание, изгибание, соединение — весьма трудоемкое дело и требует применения специальной техники. Разумеется, когда подобная обработка неизбежна, она производится, но задача в том, чтобы свести ее к минимуму. Ряд наиболее распространенных в практике профилей наиболее целесообразно получать, когда «железо еще горячо», т.е: на прокатных станах металлургических заводов, вместо того чтобы собирать их из отдельных частей в мастерских или в цехах монтажа конструкций.