Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Итак, нагрузки. Стены, мебель, люди, снег, ветры, землетрясения — все это в крайних обстоятельствах является нагрузкой. В сущности, этот список должен быть значительно длиннее. Может быть, это звучит странно, но нагрузкой могут быть и солнечные лучи, и птичьи стаи. С этой необычной точки зрения все вещественное утрачивает свой материальный облик и функциональный смысл и превращается в тысячи и тысячи тонн, которые конструкция здания или сооружения должна принять на себя и передать на основание. Это почти абсурдная, но необходимая трансформация известного и обычного в нечто столь же известное, но абстрактное — нагрузку.

Но важно одно — нагрузки агрессивны по своей природе. Они коварно изыскивают малейшее упущение, малейшее несовершенство в конструкции, чтобы тотчас же обнаружить свою разрушительную силу. Об этом свидетельствуют тысячи примеров аварий и катастроф, происходивших в недалеком прошлом и происходящих в наши дни. Разумеется, тщательный анализ позволяет выявить причины подобных трагических событий: чаще всего это погрешность проекта, некачественное исполнение, нарушение условий эксплуатации или стихийное бедствие. Однако во всех случаях в основе лежат нагрузки. Предусмотренные или непредусмотренные, ощутимые или нет, но именно они становятся причиной всякой аварии в строительстве. Поэтому специалист должен предвидеть не только все возможные воздействия на будущее здание или сооружение, но и все возможные неблагоприятные комбинации отдельных воздействий. И не просто предвидеть, а дать им как можно более точную количественную оценку.

Все это сравнительно полно регламентируется во всех развитых странах мира различными техническими условиями и нормативными документами. Например, в принятых в НРБ нормах нагрузки делятся на две основные группы — постоянные и временные. Постоянными называются нагрузки, которые в силу своей природы действуют в течение всего срока эксплуатации сооружения. Очевидно, что таковыми являются нагрузки, обусловленные собственной массой самой конструкции, всех наружных и внутренних стен, облицовки, перекрытий и покрытий, остекления, элементов архитектурного декора, ограждений лестниц, балконов и т.п. Постоянные нагрузки создаются также внутренним оборудованием и инженерными сетями, а кроме того, за счет давления грунта на стены подвала.

Нагрузки второй группы — временные — весьма разнообразны как по характеру, так и по длительности воздействия, в связи с чем они дополнительно поделены на подгруппы. Длительными нагрузками считаются масса машин и оборудования в промышленных зданиях, содержимого библиотек, архивов, книгохранилищ, человеческие нагрузки на конструкции кинотеатров, театров, фойе, выставочных залов и трибун стадионов. К длительным временным нагрузкам относятся также нагрузки от массы газов и жидкостей в резервуарах, постепенно скапливающаяся промышленная пыль, какие-либо особые температурные воздействия.

Другой подгруппой являются кратковременные нагрузки. К ним относятся движущиеся подъемные и транспортные машины (краны, тельферы, автомобили), снег, ветер, а также человеческие нагрузки в критических размерах. К этому можно добавить еще нагрузки на сборные конструкции во время их транспортировки и монтажа, при кратковременных испытаниях машин, а также от климатических (т.е. температурных) воздействий.

И вот, наконец, мы дошли до последней подгруппы, которая носит многозначительное название «особые нагрузки». Уже само название говорит о том, что они могут возникать в особых, чрезвычайных, исключительных обстоятельствах. Или, иначе говоря, они могут не возникать вообще, но инженер обязательно должен иметь их в виду при соответствующих условиях строительства и эксплуатации. Такого рода нагрузками являются, например, неожиданное оседание или даже проваливание грунтового основания, взрывы, разрывы канатов на канатной дороге и т.д. Но, несомненно, наиболее страшной из «особых» нагрузок является нагрузка от землетрясения. По масштабам и степени воздействия она несравнима ни с какой другой.

Формируясь на планете, мчащейся с огромной скоростью во Вселенной, создавая свою историю в поле ее невидимых гравитационных волн, человечество обречено было с самого начала сообразовывать каждый свой шаг с этим обстоятельством. Еще первые полуосознанные действия наших далеких предков сталкивались с таинственной силой, которая отклоняла к земле брошенный камень. В последующие века человек на каждом шагу убеждался в неизменном свойстве окружающих его тел падать при всяком удобном случае: падало срубленное дерево, убитый олень, отколовшийся кусок скалы, а при определенных обстоятельствах и сам задумавшийся наблюдатель. Вероятно, такие спонтанные наблюдения были весьма полезны и для первых строительных начинаний человека. Например, свайные постройки… Для того чтобы их создать, необходима определенная, хотя и интуитивная, оценка гравитационных нагрузок, которые эти постройки должны выдержать.

К нашему большому сожалению, все тела обладают массой. Какой была бы архитектура городов, если бы не было силы тяжести? Трудно сказать. Да и вряд ли кто-нибудь станет пытаться отвечать на столь абсурдный вопрос. Во всяком случае, она была бы совершенно иной, нежели та, к которой мы привыкли. Строительство исчерпывалось бы одной архитектурой, поскольку почти не было бы нужды в конструкциях — ведь исчезли бы гравитационные нагрузки, которые обычно воспринимаются конструкциями. Поэтому вполне можно сказать, что именно гравитация и связанная с ней масса всех тел создает необходимость в строительных конструкциях. Она определяет и все конструктивные формы, с которыми мы познакомимся далее.

Один кубический метр воды весит одну тонну. В сравнении с этим показателем мы можем оценить, как проявляют себя в поле земной гравитации некоторые широко используемые строительные материалы. Например, один кубический метр стали обладает массой почти в 8 раз, а алюминиевого сплава — в 3 раза большей, чем кубический метр воды. Приблизительно такова и удельная масса многих скальных пород — гранита, мрамора, песчаника.

Наиболее распространенный строительный материал — железобетон — в вибрированном состоянии весит 2,5 т/м 3. Отсюда довольно легко рассчитать массу плиты междуэтажного перекрытия толщиной 10 см: 1x0,1х2,5=0,25 т/м 2. Для помещения размером 4х4 м она будет внушительна — 4 т. Не слишком приятно сознавать, что эти четыре тонны постоянно «висят» в метре от твоей головы.

В действительности «пресс» над нашими головами значительно тяжелее. Элемент за элементом, массу за массой конструктор должен учесть и рассчитать все возможные постоянные нагрузки. Он не может перестраховываться во имя наибольшей надежности, хотя гораздо опаснее противоположный вариант — упустить из виду реально существующую нагрузку.