Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Иногда строительные аварии бывают не менее страшными и драматичными, чем авиационные катастрофы. Но, к счастью, это случается редко, очень редко. Возможности крупных аварий зданий и сооружений в последние годы значительно уменьшились. Развитый экспериментально-теоретический аппарат, высококачественные материалы, современные технологические методы, четкая организация строительства и строгий технический надзор — вот те основные условия, которые позволяют свести эти возможности к минимуму.

Выбор той или иной степени надежности — это прежде всего экономическая задача. Но в ней присутствуют также другие аспекты — социальные и моральные. Итак, надежность… Какой она будет?

Расчет строительных конструкций, как мы уже знаем, должен предварительно, еще в проектной мастерской гарантировать, что выполненная в соответствии с расчетом конструкция в эксплуатационный период или во время каких-либо аварийных ситуаций сохранит свои качества и будет продолжать выполнять свои функции. Но этот процесс предполагает неизбежные приближения и упрощения: используется условная статическая схема, рассматривается идеализированный материал (идеально упругий или идеально упругопластичный), берутся нагрузки, хотя и хорошо обоснованные в различных нормах, но представляющие собой также значительную идеализацию реально существующих отношений между конструкцией и внешним силовым воздействием. Очевидно, что действительные конструкции, действительные материалы и действительные нагрузки в силу своей сложной, неясной, непостижимой природы будут отличаться от расчетных. Именно эти неизбежные различия перекрываются неким коэффициентом (так называемым коэффициентом запаса). Так что его место в строительстве определяется необходимостью некоего абстрактного начала — расчетных предпосылок о совпадении предполагаемых условий с реальными условиями работы сооружения в различные моменты его жизни.

В принципе надежность зависит от трех основных факторов — от свойств материала, внешних нагрузок и общих условий работы (и исполнения) конструкции. При всем этом полтора века назад, когда был впервые выведен коэффициент запаса, он понимался совершенно иначе, чем сейчас. Но нынешнее понимание его является зачастую противоречивым, во всяком случае, дискуссионным. Не возникает споров только о выборе расчетных характеристик материалов. Для упругих материалов основной расчетной характеристикой является предел текучести, поскольку значительные пластические деформации, которые происходят после его прохождения, приводят к недопустимым смещениям в конструкции. Для хрупких материалов такой основной характеристикой является предел разрушения. Для материалов, работающих в режиме постоянного динамического воздействия, отправной точкой считается так называемый предел усталости, который предполагает хрупкое разрушение, так как внутри материала возникают микротрещины. (Этот предел определяют в лабораторных условиях при многократно повторяющихся динамических воздействиях, причем число циклов в зависимости от конкретных требований может достигать миллиона и даже миллиарда.) Так что в любом случае речь идет о предельных сопротивлениях материала.

Но как же в конце концов вычисляется коэффициент запаса? Например, можно взять в качестве расчетной характеристики материала какую-то долю предельного напряжения; тогда коэффициент запаса будет представлять собой отношение между предельным и расчетным напряжением. Просто, не правда ли? И достаточно надежно — коэффициент запаса будет достаточно велик. Но всегда имеется и оборотная сторона медали, в данном случае — это проблема мотивировки такого коэффициента. Понятие «допускаемое напряжение» и основные положения метода расчета по допускаемым напряжениям сформулированы французом Навье еще в далеком 1826 г. Более века эта система являлась единственным аппаратом «предсказывания» и обеспечения надежности, которым располагали инженеры-конструкторы. Интересно, что в некоторых странах (ФРГ, Франции и др.) этот метод еще используется до сих пор как официальный.

Но ведь в нем не учитывается влияние других факторов на надежность! Очевидно, что односторонний подход имеет множество минусов. До сих пор никто и никогда еще не смог дать удовлетворительных критериев надежности, исходя лишь из свойств материала. Полученный таким образом коэффициент запаса является весьма субъективным и всегда оказывается в пользу надежности. Спроектированные по методу допускаемых напряжений сооружения обладают немотивированно высокой надежностью, которая в век точных расчетов является крайне нежелательной. Если вообще можно говорить в данном случае о какой-либо мотивировке, то ею может быть только низкий уровень знаний. Поэтому некоторые авторитетные специалисты совершенно серьезно называют эту архаичную форму коэффициента запаса коэффициентом незнания.

Только в 30-х годах нынешнего века был сделан качественно новый шаг вперед. В СССР был обоснован и постепенно разработан новый метод расчета строительных конструкций, который назывался методом расчета по стадии разрушения (или по разрушающим усилиям). Это — следующий этап борьбы человека с природой, новый этап в понимании и регулировании сложной картины невидимого конфликта. Как подсказывает название метода, в качестве расчетных характеристик берутся предельные прочности материалов. На основании этой величины вычисляется несущая способность элементов «за миг до разрушения», и именно отношение предельной несущей способности к соответствующим внешним усилиям, которые определяют при статическом исследовании, дает величину коэффициента запаса.

Этот новый метод определения коэффициента запаса гораздо лучше, точнее отражает реальное соотношение сил в невидимом конфликте. Особенно значительны различия в обоих методах определения коэффициента запаса для железобетона, для которого само понятие «допускаемые напряжения» выглядит нелепо, как заплата. Поскольку предельные напряжения для бетона одни, а для арматуры другие, точный коэффициент запаса определить невозможно, не говоря уже о том, что реальные напряжения в связи со сложной природой этого материала весьма далеки от допускаемых значений. Общий коэффициент запаса, определенный по новому методу, дает возможность более точного, более обоснованного нормирования. Величина коэффициента больше при перевесе подвижных нагрузок над постоянными, а поскольку характер подвижных неуловим, могут быть и неожиданности. Несмотря на недостатки этого метода, он до сих пор является основным в некоторых развитых странах.