Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

А теперь несколько слов о «партнере» бетона — стали. Сталь — один из самых прочных материалов, известных человеку. Но и один из самых дорогих. В железобетоне используется почти исключительно прочность стали на растяжение, благодаря чему получается новый, сверходнородный композиционный материал. Замечательно в этом симбиозе то, что по сравнению со стальными конструкциями расход стали значительно снижается. Роль стали в железобетонных конструкциях подобна роли, которую играет в химических реакциях катализатор: относительно небольшие количества его превращают слабые или даже невозможные в иных условиях реакции в бурно протекающий процесс большого практического значения. Только в случае железобетона речь идет не о химических, а о механических свойствах. Минимальный расход такого дорогого материала, как сталь, не оказывает большого влияния на стоимость нового продукта. Железобетон несколько дороже бетона, но намного дешевле стали.

Причем сталь в данном случае попадает в «хорошие руки». Она защищена от коррозии, не нуждается в специальном уходе, а следовательно, и не требует дополнительных затрат. Более того, если даже в железобетонные конструкции закладывается арматура, которая находится в начальной стадии коррозии, то с течением времени она полностью очищается от ржавчины. Сталь хорошо защищена и от воздействия высоких температур, которые могли бы возникнуть во время пожара и самым неприятным образом отразиться на незащищенном металле. Кроме того, бетон и сталь, к счастью, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. В противном случае при изменении температуры возникали бы значительные внутренние напряжения, что сделало бы невозможным сосуществование этих двух материалов. Подобный иммунный барьер у живых организмов обычно ведет к гибели одного из «партнеров». Между сталью и бетоном такой «иммунной несовместимости» нет.

В железобетоне, как в математике, минусы взаимно нейтрализуются, а плюсы складываются. В результате получается исключительно удачная композиция из двух совершенно противоположных материалов. Сталь сообщает бетону столь необходимую ему прочность на растяжение, а бетон надежно защищает ее от внешних воздействий. Но в чем же «общая идея» этого материала?

Впервые с ее описанием мы встречаемся в американском патенте № 206112, выданном 16 июля 1878 г. на имя Тадеуша Хайата, коренного американца польского происхождения. Там мы можем прочесть: «Цементобетон — это бетон, изготовленный из цемента … в таком сочетании со сталью круглого сечения, что сталь помещается в областях, где есть растягивающие усилия». В 1885 г, та же идея была высказана немцем Кёненом.

Действительно, главная, несущая арматура концентрируется в областях, где возникают напряжения-растяжения. Сначала методами строительной механики подробно исследуются усилия — изгибающие и крутящие моменты, нормальные и поперечные силы — и на основе полученной картины конструктор может судить о том, где в процессе эксплуатации или при аварийном состоянии могут возникнуть растягивающие напряжения. В соответствии с их величиной он определяет количество стали, которая должна быть вложена в определенные места железобетонной конструкции. На рис. 32показаны принципиальные схемы трех наиболее распространенных железобетонных элементов — балки, плиты и вертикальной диафрагмы высокого здания. Арматура уложена со стороны растягивающих напряжений в бетоне.

Но это лишь часть правды о железобетоне. Необходимо знать, что между сталью и бетоном возникает сильное сцепление, которое практически непреодолимо вплоть до полного разрушения. А это говорит о том, что их деформации идентичны.

Простейшую схему их совместной работы в зоне растяжения мы видим на рис. 33, где показаны символические представители двух материалов в виде тел длиной, равной 1, и сечением, тоже равным 1. Два тела связаны в общий блок, который одинаково их деформирует (растягивает). Таким образом символически отражается сцепление, которое является причиной одинаковых деформаций в двух материалах. Но так как у стали модуль упругости приблизительно в 10 раз больше, чем у бетона, она (в соответствии с законом Гука) при данных деформациях будет работать с растягивающими напряжениями, тоже в 10 раз большими.

В этом и заключается рациональное зерно железобетона. Предельная, разрушительная деформация для бетона при растяжении в среднем составляет 0,15 мм на метр длины. Легко подсчитать, что в этом случае (т. е. при полном использовании сопротивления бетона растяжению) в нем возникнет напряжение 30 кг/см 2, а в стали, которая в 10 раз прочнее, — 300 кг/см 2. Но напряжение 300 кг/см 2значительно ниже возможностей стали. Как мы помним, расчетное сопротивление арматурной стали класса A-I равно 2100 кг/см 2. Следовательно, несмотря на благоприятное соотношение напряжений в бетоне и арматуре, последняя используется не полностью… Тут мы приблизились к последней части правды о железобетоне, которая предполагает небольшую, так сказать, локальную катастрофу.

Итак, при деформации около 0,015% бетон раскрывается и «тандем» перестает существовать. Теряем ли мы от этого? Нет. Значительно более растяжимая сталь беспрепятственно реализует свою деформацию и при достижении величины, которая в 10 раз больше, чем критическая у бетона, начинает работать поистине в полную силу. Для стали класса А-III, например, она составляет 3600 кг/см 2. В сравнении со столь значительной величиной скромное общее сопротивление «тандема» — всего лишь 330 кг/см 2— почти что ничего не значит, но это значит, что сопротивление бетона растяжению может вообще не приниматься в расчет. Оно не только само по себе мало, но и существенно ограничивает возможности стали.

Процессы в зоне растяжения железобетонного элемента, подвергающегося изгибу, можно огрублено сравнить с элементарной физической моделью, какой является полоска бумаги с приклеенной к ней резинкой. С растяжением этой несколько смешной конструкции начинаются и деформации. Но так как бумага значительно менее растяжима, чем резинка, то в какой-то момент она рвется. С этого мгновения резинка растягивается свободно, воспринимая все большую нагрузку — во много раз больше той, которую воспринимает система «бумага — резинка».