Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Составные деревянные балки бывают главным образом двух видов — на гвоздевых соединениях и клееные. В первом случае стенка выполняется из двух слоев досок, сколоченных между собой под углом 45° относительно оси балки, т. е. под углом 90° один к другому. К нижнему и верхнему краям стенки прибивают мощные пояса из балок. Клееные конструкции выполняют приблизительно таким же образом, только стенка состоит из листов фанеры, соединенных с помощью синтетических клеящих составов. У балок типа «стенка-пояс» отчетливо выражена дифференциация в восприятии нормальных и поперечных усилий.

Если тонкие и стройные стенки воспринимают главным образом поперечные усилия (тангенциальные напряжения), то мощные пояса, в которых сконцентрирована основная масса элемента и притом на значительном расстоянии от центра тяжести, воспринимают нормальные усилия изгиба.

Наиболее отчетливо эта система выступает в случае применения стальных составных балок. В связи с тонкостью стенки ее усиливают специальными ребрами жесткости. Такие ребра можно видеть также у составных деревянных балок и у некоторых тонкостенных балок из железобетона.

У железобетона стремление к «утонченности» сечений наиболее ярко выражено в предварительно напряженных элементах. Но за счет этого они перекрывают значительные расстояния между опорами — до 50—60 м при свободно опертых балках (чаще всего в мостостроении) и до 70—80 м при частично защемленных балках из монолитных рам. Профиль из предварительно напряженного железобетона по изяществу силуэта приближается к стальному прокату.

В случае материалов с ярко выраженными различиями между прочностью на сжатие и прочностью на растяжение форма поперечного сечения асимметрична — верхний и нижний пояса имеют разные размеры. Например, чисто бетонная балка (хотя вряд ли где-нибудь применяются такие балки) должна отличаться более сильным нижним поясом, подвергающимся нагрузке на растяжение, так как прочность бетона на растяжение в 10-20 раз меньше, чем на сжатие. У железобетонных балок положение противоположное. Благодаря стальной арматуре зона растяжения относительно сильная, следовательно, должна быть обеспечена равная прочность зоны сжатия, которая выполнена из гораздо более слабого бетона. Равная прочность достигается в этом случае только за счет увеличения сечения зоны сжатия.

А как обстоит дело с высотой сечения? С одной стороны, чем она больше, тем меньше нормальные напряжения изгиба и тем легче пояса балок. Однако, с другой стороны, чрезмерное увеличение высоты тоже приводит к перерасходу материала. Это объясняется тем, что сэкономленный материал поясов начинает вкладываться в стенку, ставшую неоправданно высокой. Нахождение оптимальной высоты — тоже работа не из легких. Но очень часто высота бывает обусловлена совсем не конструктивными соображениями. Так, например, в конструкциях перекрытия наблюдается стремление к минимальной высоте, поскольку большая часть строительного объема здания будет занята конструкцией, а не обитателями, что совершенно недопустимо, не говоря уже о дополнительных расходах, связанных с необходимостью обогревания зимой этого «мертвого», неиспользуемого объема. Во всех случаях высота балки (когда она не ограничивается никакими дополнительными обстоятельствами) определяется на основе технико-экономических условий, различных для разных типов и видов конструкций. Она может составлять от 1/7 до 1/12 пролета при деревянных и железобетонных балках и менее 1/20 при предварительно напряженном железобетоне и стали.

Одна из самых рациональных форм, отличающаяся высокой прочностью на изгиб и кручение, завоевывает в последние годы все большую популярность, особенно в мостостроении. Это закрытое коробчатое сечение. Такое сечение имеют, например, балки трех центральных пролетов Аспаруховского моста в Варне. Конструкция по статической схеме представляет собой непрерывную балку на четырех опорах. Коробчатое сечение балки, ширина которого равна ширине путевого полотна, образовано мощными стальными листами толщиной более 20 мм. В этом случае едва ли даже подходит слово «балка». Это сложная пространственная конструкция, для детального исследования которой необходим гораздо более точный аппарат, чем тот, которым располагает сопромат. Но этот вид конструкций уже выходит за рамки рассматриваемой нами темы.

В последней четверти минувшего века произошел ряд крупных строительных катастроф с железнодорожными мостами. Первым инцидентом, который как бы дал старт всей веренице последующих событий, стала катастрофа, случившаяся 100 лет назад в США.

Декабрь 1878 г. в большинстве штатов Среднего Запада был суровым с непрекращающимися снежными бурями, наметавшими огромные сугробы и усложнившими и без того трудное сообщение с удаленными районами. 29 декабря движение на трансконтинентальной железнодорожной линии совсем разладилось. Поезда двигались очень медленно. Точно в 8 часов на мост через р. Эйстебл вблизи одноименного города выехал экспресс «Нью-Йорк — Сан-Франциско». Состав из 11 вагонов со скоростью 15—20 км/ч тянули два паровоза.

Когда до западного края моста оставалось не больше 10 м, машинист первого локомотива почувствовал, как что-то сильно тянет машину назад, и инстинктивно дернул рычаг регулятора пара. Машина устремилась вперед, быстро выехала на крайний устой моста, проехала еще 40—50 м и остановилась. Оглянувшись назад, машинист ужаснулся: не было ни второго паровоза, ни вагонов. Состав рухнул на дно каньона глубиной 20 м, где огонь быстро довершил дело. Вагоны отапливались обычными угольными печками, а почти вся отделка в них была из дерева. Из 158 пассажиров погибли 92, остальные были легко или тяжело ранены.

Для выяснения причин катастрофы была назначена специальная следственная комиссия. Судебное разбирательство продолжалось почти два месяца, пока наконец было вынесено документально подтвержденное заключение, что «при сегодняшнем неудовлетворительном состоянии теоретических и практических зданий в области строительства стальных мостов инженеры должны очень тщательно определять размеры и сечения элементов проектируемого сооружения».

И все же открылось множество конкретных причин самого различного характера. Прежде всего были выявлены серьезные конструктивные ошибки. Балки, которые входили в состав верхнего (сжатого) пояса, не были связаны между собой и работали независимо одна от другой, что резко снизило несущую способность сжимаемой зоны как целого. Приблизительно так же обстояло дело и со сжатыми стержнями решетки мостовой фермы.

У этого моста была «дурная слава». Когда за 11 лет до катастрофы завершилось его строительство и начали демонтироваться подпорные леса, конструкция стала угрожающе провисать. Стало ясно, что мост разрушается под действием собственной массы, и демонтаж лесов приостановили. Не предавая случившееся огласке, строители приступили к анализу причин аварийного состояния конструкции. Выявили погрешности как в проекте, так и в самом исполнении, которое было поручено неопытным лицам.