|
АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ ПОПОВ — советский ученый-строитель, профессор. Родился в 1899 г., в 1925 г. закончил Московский институт инжене-оов путей сообщения. В 1937 г. за работы по проектированию промышленных зданий
А. Н. Попову была присвоена ученая степень кандидата технических наук. В 1945 г. он совместно с И. И. Гольденбла-том и М. Т. Костюковским предложил и разработал новый метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям. А. Н. Понов — действительный член Академии строительства и архитектуры СССР. Сейчас работает заведующим кафедрой инженерных конструкций Московского архитектурного института. А. Н. Попов — председатель строительной секции методического совета Всесоюзного общества «Знание» и секции московского Дома ученых АН СССР.
ВЛАДИМИР ТИХОНОВИЧ ШИМКО — старший научный сотрудник научно-исследовательского и проектного института ГИПРОНИИ Академии наук СССР, кандидат архитектуры, член Союза архитекторов СССР. Родился в 1931 г. в Москве, окончил Московский архитектурный институт. Несколько лет руководил проектным подразделением в Комсомольске-на-Амуре, где по его проектам сооружены жилые кварталы, школы, Дворец культуры, памят ник В. И. Ленину. Преподавал в Московском архитектурном институте. В. Т. Шимко — автор ряда научных работ в области архитектурной климатологии, территориальной организации науки. Несколько архитектурных проектов, выполненных при его участии, получили премии на всесоюзных и между народных конкурсах.
Содержание
Три начала 3
Парадоксы пользы
Прочность (теория) 34
Прочность (практика) 59
Маленькие большие пролеты 85
Про красоту 101
Задачи (вместо заключения) 119
Три начала
Строительство. В серии «Ученые — школьнику» эта книга особая. Прежде всего потому, что нет такой науки — «строительство», как нет науки «медицина» или «сельское хозяйство». И то, и другое, и третье — отрасли человеческой деятельности, в которых тесно переплетаются и наука и практика.
Само слово «строительство» очень емкое; им обозначаются разные понятия. Строительством мы называем гигантскую отрасль народного хозяйства, превратившую всю страну в строительную площадку небывалых размеров. Тем же словом называется и сложный и трудоемкий процесс возведения зданий и сооружений, оснащения их оборудованием и машинами, и то место, где этот процесс происходит, и сам объект — строящееся здание, и род занятий строителей. «Строительство» — очень важное слово; без него нельзя представить себе нашу сегодняшнюю жизнь.
Где бы ни находился человек, всюду его окружает не только природная среда — леса и поля, реки и горы, — но и созданные им самим дома и заводы, города и поселки, дороги и мосты.)На снежной северной зимовке людей защищает от холода теплый домик экспедиции, а у экватора здания служат укрытием от палящего солнца и тропических ливней. Потоки машин мчатся по автострадам, мостам и тоннелям, поезда грохочут по железнодорожным путям, самолеты поднимаются с больших и малых аэродромов. Всё это — искусственная среда, созданная той огромной отраслью человеческой деятельности, которая называется «строительство».
За годы Советской Власти в нашей стране резко повысилась производительность труда строителей, объем строительства вырос почти в 40 раз.
Почти все тяжелые строительные работы выполняются сегодня с помощью машин: рытье котлованов и перемещение грунта, приготовление и укладка бетонной смеси, перевозка и монтаж многотонных конструкций. Да и в других строительных работах труд людей значительно облегчается машинами, они помогают штукатурить и красить, сваривать металл, забивать гвозди и завинчивать гайки.
Строительное производство сегодня организовано совершенно по-новому, чем во все предыдущие эпохи. Изготовление конструкций, элементов будущих построек — самое сложное в процессе строительства; здесь требуются наибольшие затраты труда. Оно выполняется в наше время, как правило, в заводских условиях, на конвейере. Сотни домостроительных комбинатов, тысячи специальных заводов снабжают наши современные стройки конструкциями, деталями и материалами. А на строительной площадке ведется преимущественно сборка и монтаж готовых элементов заводского изготовления.
'Изменения в строительстве продолжаются, происходят они по разным направлениям. Разрабатываются новые, высокопрочные, легкие и долговечные строительные материалы и конструкции. Постоянно совершенствуются способы выполнения многих строительных работ. Внедряются новые методы строительства: более быстрые, более дешевые, требующие меньших затрат труда и времени.
За шесть десятилетий Советской власти в нашей стране выросло более тысячи новых городов, возведены десятки тысяч промышленных предприятий, сооружены сотни тысяч школ, кинотеатров, десятки миллионов квартир. Каждый год мы выполняем строительных работ на 5 — 7% больше, чем в предыдущем, и строители продолжают наращивать темпы.
Индустриализация строительного производства, механизация строительных работ, максимальная замена всех видов ручного труда машинным позволили нам достигнуть таких огромных масштабов и высоких темпов строительства, каких не знала ни одна предшествующая эпоха. Многосторонний характер современного строительства отражает процесс целенаправленного преобразования природы человеком, рационального формирования среды его обитания.
Развитие строительства, его успехи были бы невозможны без применения достижений современной науки, коренным образом изменившей все стороны этой важнейшей отрасли человеческой деятельности.
Цель данной книги — рассказать о той обширной сфере научных исследований, которая способствует росту и развитию современного строительства.
Но оказалось, что для достижения этой цели надо рассказать и о проблемах и формах самого строительства, о его первостепенных задачах.
Польза, прочность и красота — так 2 тысячи лет назад определил коренные проблемы строительства римский архитектрр и военный инженер Марк Витрувий Поллион.)Автор единственного дошедшего до нас с тех времен трактата о зодчестве был не просто собирателем сведений о строительном искусстве, а человеком, который понимал и высоко ценил роль науки в строительстве. Он писал: «Наука архитектора основана на многих отраслях знания и на разнообразных сведениях». Указывая, что зодчество делится на отделы, из которых один — возведение городов и общественных зданий, а другой — устройство частных домов, Витрувий утверждает: «Все это должно делать, принимая во внимание прочность, пользу и красоту. Прочность достигается... тщательным отбором материала и нескупым его расходованием; польза — безошибочным и беспрепятственным для использования расположением помещений... в зависимости от назначения каждого; а красота — приятным и нарядным видом сооружения...»
Польза, прочность, красота и сегодня составляют цели и задачи строительства, этой древнейшей отрасли человеческой деятельности, смысл любой постройки, любого строительного процесса.
Но прежде чем рассказывать о них, надо оговорить, что мы сегодня понимаем под этими терминами.
Под термином «польза» мы понимаем способность зданий и сооружений удовлетворять личные и общественные потребности человека, способность конструкции отвечать своему назначению.
Прочность — способность конструкции или сооружения успешно сопротивляться действиям и силам, стремящимся их деформировать или разрушить, устойчивость сооружения при всяких непредвиденных обстоятельствах, надежность ее работы.
Красота — свойство вызывать удовлетворение, восхищение, наслаждение. Оно подразумевает какие-то специальные характеристики зданий и сооружений, вызывающие эти чувства.
Становление. Строительное искусство — одно из древнейших на земле. Первым учителем строителей была окружавшая их природа. Упавшее через ручей бревно раскрывало людям принцип балочного покрытия, случайные лесные завалы стали прообразом первых шалашей — предтечи будущих шатровых и купольных конструкций.
Тысячи лет прошли, пока люди научились осознавать эти наблюдения, превратили их в осознанные принципы, и еще тысячи лет — прежде чем эти принципы обросли теми техническими подробностями, которые дали им силу закона, пока еще не научного, вытекающего из всестороннего представления о свойствах и особенностях поведения материала и конструкции, а эмпирического, ощупью связывающего в практические советы и формулы тысячи случайных наблюдений.
Для практики мало понимать, что расположенные по дуге каменные клинья могут образовать свод, надежно перекрывающий внутреннее пространство помещения; необходимо знать соотношение толщины свода с размерами пролета, надо уметь очертить его контур, установить ширину стен, поддерживающих свод. Миллионы построек были сооружены, тысячи из них разрушились в процессе строительства, прежде чем люди научились это делать наверняка. Множество раз неопытные строители, заметив опасные трещины в только что выложенном своде, переделывали его, увеличивали толщину, думая, что этим обеспечивают прочность конструкции. Тогда как в действительности они только увеличивали вес покрытия, который в сводчатых конструкциях раздвигает — распирает — опоры, а именно это чаще всего ведет к разрушительным последствиям.
Бывало и наоборот — покрытие выкладывалось настолько тонким, что конструкция прогибалась и рушилась от собственной тяжести или от непредвиденного увеличения нагрузки. Так, в 532 г., через 20 лет после окончания строительства, разрушился во время небольшого землетрясения один из самых замечательных куполов древности — купол собора св. Софии в Константинополе. При его восстановлении строителям пришлось не только заново возвести мощные опорные столбы (пилоны) и придумать новую конструкцию связей между ними и купольным покрытием, но и изменить его крутизну. Новый купол стал примерно вдвое выше (подъемистей) прежнего. А это значительно улучшило его конструктивные свойства.
Эксперимент в натуре нередко заканчивался трагически, и не случайно с древнейших времен строители применяли опытное моделирование. Сто лет стоял недостроенным огромный Флорентийский собор. Никто не решался продолжить работу его первого строителя, Арнольфо ди Кампио, не успевшего перекрыть главный 42-метровый пролет. Право завершить постройку получил Филиппо Брунеллеско. убедивший современников в своих конструктивных идеях с помощью точной модели купола.
В 1432 г., через 12 лет после начала работ, стены под выложенной уже частью купола дали осадку Брунеллеско сделал еще одну модель — на этот раз всего здания, чтобы показать, как следует укрепить опорные конструкции. Пятьдесят лет сооружался купол. Архитектор не дожил до полного осуществления своего замысла — строительство было завершено только в 1471 г., но велось точно по указаниям Брунеллеско, который завещал, чтобы «его (купол) строили таким, какой была модель, иначе постройка разрушится».
Модели в зримой форме закрепляли опыт, интуитивные догадки и представления строителей прошлого. Немногочисленные дошедшие до нас трактаты о строительном искусстве показывают, как наивны и в то же время практичны были эти представления. Полуфантастические описания работы конструкции дополнялись подробными указаниями, как выбрать наилучшую форму кривой, по которой возводились арка или свод, как определить ширину опоры, как надо тесать камни, обжигать кирпичи, обрабатывать дерево, делать раствор. Главное для авторов этих трудов было показать, как сделать, ибо ответить на вопрос, почему надо сделать именно так, они еще не могли, хотя многие из выдающихся строителей прошлого были знамениты как крупнейшие ученые своего времени. Именно так отзывались современники о том же Филиппо Брунеллеско. А строители купола Софийского собора в Константинополе, Анфимий из Тралл и Исидор из Милета, были настолько авторитетны в механике и математике, что им посвящали свои труды другие ученые VI в.
Не было таких ответов не только у строителей.
дело в том, что в строительных расчетах перекрещиваются законы разных научных дисциплин — физики, химии, математики. Но если математика оформилась в самостоятельную науку еще в античную эпоху, то имена Галилея, Ньютона, Гука, Ломоносова, Эйлера, Лавуазье, стоявших у колыбели современной нам химии или физики, связаны с XVII — XVIII вв
Без общего развития фундаментальных исследований в области естественных и точных наук не могла существовать и строительная наука.
XVIII и в еще большей степени XIX век стали переломными в истории науки о строительстве. Это было время, когда строить приходилось все больше и быстрее, и не только соборы и жилые дома, но и заводы, плотины, дороги, военные укрепления, склады. Жизнь требовала не интуитивных догадок, передававшихся от поколения к поколению секретов и правил, не бесчисленных проб и исправления совершенных по незнанию ошибок, а точных и доступных каждому специалисту методов расчета.
«Большая наука» того времени подготовила почву для становления прикладной строительной науки. В 1788 г. Лагранж начинает читать в Политехнической школе в Париже аналитическую механику. В начале XIX в. Навье пишет «Приложение механики к возведению конструкций и машин», Ронделе выпускает «Теоретические и практические основы строительного искусства», а в середине века Кремона и Кульман завершают разработку методов графической статики сооружений.
С этого времени без теоретических расчетов не строится ни одно крупное сооружение, а подпись специалиста-инженера прочно занимает место на чертежах рядом с подписью архитектора.
Так постепенно формировались научные принципы и методы строительства. Не обходилось без ошибок и в теории, и в практике. Находились и
ретрограды, отрицавшие необходимость научной основы для строительства. Так, в 1805 г. в связи с появлением трещин в пилонах парижского Пантеона, одной из первых построек, спроектированных с применением новейших для того времени достижений науки, была выпущена книга «Беспомощность математики при определении прочности постройки А нашему соотечественнику, профессору В. Л. Кир-пичеву, уже в начале XX в. пришлось опровергать утвердившееся еще со времен византийского императора Юстиниана ошибочное представление о работе арочных конструкций.
К началу XX в. сложились основные разделы строительной науки, обобщившие громадный фактический материал периода ее становления. Опытное изучение сопротивления материалов положило основу строительному материаловедению, появились теории точного расчета сложных конструктивных систем. Десятки крупных ученых принимали участие в этой работе, и среди них — многие наши соотечественники: В. Л. Кирпичев, Н. А. Белелюбский, Д. И. Журавский и другие.
Анахронизмом стала саркастическая пословица первой половины XIX в., утверждавшая, что прочность сооружения обратно пропорциональна учености его строителя.
Широкая практика. С тех пор наступил период быстрого развития науки о строительстве, вернее, не одной, а многих самых несхожих наук — каждой со своим собственным предметом изучения, своей методикой исследования, своей системой воззрений, своими результатами.
Некоторые из этих наук и научных направлений связаны со строительством косвенно — для них это один из полигонов применения родившихся независимо от строительства общих принципов и методов.
Развитие науки о строительстве от Витрувия до наших дней.
Таковы некоторые разделы физики твердых тел, сейсмология, мерзлотоведение. Другие целиком устремлены на решение задач, поставленных строительством, например строительная климатология
Среди них есть ветераны — теоретическая механика, статика сооружений — и относительно «пожилые» науки — экономика строительства, материаловедение. Достаточно зрелые, вроде строительной акустики, теплофизики и светотехники. И совсем молодиле, открывающие в давно, казалось бы, изученном неведомые пути и возможности, например строительная бионика, отыскивающая в природных процессах и явлениях принципы, которые могли бы обогатить строительство новыми идеями.
Часто новые направления развиваются в недрах традиционных научных дисциплин, видоизменяя их за счет заимствования методов и открытий других наук. Так, проникновение кибернетических методов в организацию строительных работ привело к появлению автоматизированных систем управления строительными процессами, а использование электромагнитных датчиков, регистрирующих по изменению электрического потенциала напряжение в материале, коренным образом изменило методику проектирования и расчета сложных пространственных конструкций, возродив на современной основе известное с древнейших времен моделирование строительных объектов.
Но как бы ни различались все эти научные дисциплины между собой — эти и еще десятки других, не названных здесь, — все они принадлежат к обширному классу прикладных исследований и обладают одной особенностью, подмеченной еще Витрувием.
Тот отмечал, что «наука архитектора... образуется из практики и теории», то есть из постоянного и обдуманного «применения опыта» и обоснования исполнения в соответствии с требованиями искусства и целесообразности».
Другими словами, достижения строительных наук немыслимы без широкого развития реального строительства, которое есть одновременно и почва и плоды этих наук, причина и следствие их развития, мерило оценки достижений ученых-строителей.
Однако в строительных науках, как и в любой прикладной науке, практика имеет и другую форму. Это — эксперимент в пределах самой науки, подтверждающий (или опровергающий) теоретические расчеты. По существу своему он ограничен узостью задач, условиями проведения опыта. Но без формы проверки хода исследования немыслимо его продолжение и приложение. Собственно говоря, настоящая наука пришла в строительство именно тогда, когда теория соединилась с экспериментом в процессе исследования. До того почти единственным полем для эксперимента в строительстве была сама строительная площадка.
Изучая характер исследований, посвященных строительству, мы невольно встречаемся с еще одной их особенностью, соответственно отразившейся в нашей книге. На строителей работает очень много наук, посвященных самым различным сторонам нашего знания о мире. Еще античные строители отмечали более 20 отраслей знания, без которых нельзя строить рационально, добротно и красиво, — от метеорологии и ботаники до философии и теории музыки. Сегодня этот список значительно вырос.
Законы физики применяются в строительной механике, расчетах конструкций, без химии немыслимы поиски новых строительных материалов, совершенствование старых. Общественные науки:
демография, социология, психология, экономика — участвуют в расчетах объемов, темпов и видов строительства. Биологические исследования, эстетический анализ — неотъемлемая часть разработки вопросов пользы и красоты.
Исследований, связанных со строительством, очень много, но только все вместе они создают общую картину современного строительства.
Противоречия. В жизни исследования ученых-строителей, конечно, ведутся раздельно, специализированно. Невозможно углубиться в суть задачи (например, разработку методов теплотехнических расчетов), если не отсечь сопутствующие условия и проблемы (скажем, вопросы прочности или внешнего вида теплоизоляционных материалов).
Так намечается принципиальная сложность, противоречие вопроса. Фактическая разобщенность исследований о строительстве может нанести ущерб и науке и практике. Как объединить эти исследования, какие из них главные, и есть ли такие?
И еще одна трудность. В обосновании строительных закономерностей сталкиваются два совершенно различных подхода: рациональный и художественный. Первый стремится к установлению строжайших причинно-следственных связей, желательно в математической форме. Второй больше полагается на интуицию, вдохновение, воспитание личного вкуса. Рациональный подход в принципе должен быть доступен всем — каждый может прочитать учебник и применить формулу. Художественная ответственность — удел относительно немногих. Не каждый из нас решится сказать, как нужно сделать, чтобы было красиво, хотя стремление к красоте есть у всех.
Как соединяются эти подходы и какой из них важнее?
Для разрешения противоречий в науке выдвигается обычно рабочая гипотеза — предположение о действительном характере явления, которое надо всесторонне проверить и доказать.
Наша рабочая гипотеза состоит в том, что прочность, польза и красота, а значит, и науки о них, в реальной действительности теснейшим образом переплетены, как переплетены в реальном сооружении его планы и разрезы, стены и перекрытия. Невозможно затронуть одну из этих сторон, не изменив характеристик другой. Решая иначе проблему прочности здания или сооружения, вы неизбежно измените роль их конструкций или деталей, они станут приносить другой вид пользы, иначе будут восприниматься, у них появится другая форма красоты. Наши постройки должны составлять нерасторжимое единство этих трех начал — только тогда они будут выполнять свое предназначение.
Чтобы доказать это положение, надо шаг за шагом проследить, как задачи пользы определяют решения прочности и красоты, где границы специального углубления в научный поиск, а где надо позвать на помощь близких или далеких смежников и кто когда задает тон в работе. Только так можно понять сильные и слабые стороны этих компонентов проблемы, представить себе возможности их развития, сферу деятельности каждого, предусмотреть те изменения отдельных частей, которые пойдут на пользу целого.
Парадоксы пользы
Миллионы причин. Понятие «польза» далеко не однозначно. В XVII в. по приказу Людовика XIV, задумавшего поразить своим величием мир, вблизи Парижа, в Версале, был построен огромный, окруженный парком дворец. Роскошь королевской затеи дорого обошлась французскому народу: партеры и водоемы парка, сооружавшегося 50 лет, поглотили сотни миллионов ливров. Десятки королей и вельмож помельче по всей Европе стали строить собственные «версальчики», в свою очередь грабя подневольных крепостных и ремесленников.
С другой стороны, водоемы Версаля и многих его подражаний представляют собой прекрасно продуманную мелиорационную систему, осушившую некогда болотистую местность. А сегодня все эти сооружения — национальная гордость создавших их народов, памятники их культуры, место отдыха и... немалая статья доходов, пополняющаяся за счет многочисленных туристов.
Это значит, что представление о пользе зависит не только от точки зрения, но и меняется во времени.
Особенно сложным стало это понятие в наши дни, когда деятельность человека активно преобразует жизнь на планете.
Нужнейшие для страны гидроэлектростанции затапливают тысячи гектаров дорогого леса или пашни, жилые районы непрерывно растущих городов буквально «съедают» зеленые рощи и ручьи, необходимые для отдыха их жителей.
В современном строительстве можно выделить несколько аспектов пользы. Сооружение должно быть недорогим и не требовать больших затрат при эксплуатации; должно быть удобным — теплым, светлым, проветриваемым, соответствовать той технологии, для которой оно предназначено, должно быть гибким — предусматривать возможность замены этол технологии на более совершенную. Оно должно быть удобным для индустриального строительства. Его конструкции должны иметь габариты, удобные для перевозки по городским улицам и железным дорогам. Постройка должна быть красивой, гармонично вписываться в ландшафт или в окружающую застройку.
Научное обоснование объемов, сроков и форм строительства — такова сегодняшняя интерпретация понятия «польза».
Десятки наук трудятся над определением полезности наших построек и их конструкций. Но все они обязательно встречаются при разработке какой-нибудь крупной реальной проблемы, скажем, при определении наиболее целесообразных форм городской застройки.
Градостроители сравнивают последствия расширения городских территорий при малоэтажной застройке с проблемами, возникающими при более компактном, но куда более сложном высотном строительстве.
Социологи изучают, какие формы приобретает городская жизнь в многоэтажном городе, какие нужны для него типы квартир, домов, общественных зданий.
Климатологи и гигиенисты работают над тем, как сделать здоровье такого города не хуже, чем в тысячелетиями складывавшихся малоэтажных городах.
Иногда незначительный, казалось бы, в общем круговороте строительных проблем вопрос затрагивает множество аспектов понятия «польза». Например, проблема оптимальной инсоляции нашего жилища (так ученые называют прямое солнечное облучение).
Сколько нужно солнца. Издавна было замечено специфическое воздействие прямого солнечного света на жилые помещения. Люди, живущие в светлых, солнечных комнатах, реже болеют. Весной мы жадно ловим каждый луч солнца после пасмурных зимних дней. Летом отгораживаемся от жары и слепящего света занавесками, ставнями, жалюзи. Комнатные растения, украшающие и оздоровляющие наши жилища, помещаются поближе к окнам, зато мебель, ткани выгорают, даже портятся от обильного солнца. Древние римляне рекомендовали учитывать в планировке дома влияние солнца — располагать жилые комнаты и спальни на юг или восток, а кабинеты, библиотеки, кухни, кладовые, для которых солнце вредно, обращать к северу.
При 2 — 3-этажных зданиях этих рекомендаций было достаточно — подобные дома всегда стоят относительно далеко друг от друга, не затеняя соседей. Но сегодня таких общих советов мало, даже если удастся спланировать все многоэтажные дома так, чтобы жилые комнаты глядели в одну сторону, а кухни и подсобные помещения — в другую. Все равно нельзя в городской тесноте поставить все дома одинаково — одним фасадом на юг, да еще так, чтобы они не затеняли друг друга.
Практика показала, что взаимного затенения можно избежать, если дома ставить друг от друга на расстоянии, примерно равном их удвоенной высоте.
Габариты конверта теней от высокого здания
причем площадь, экранируемая каждым зданием, увеличивается не по линейному закону, а пропорционально квадрату роста этажности. Солнце, проходя свой путь по небосклону, последовательно отбрасывает от здания на землю ряд теней, вместе образующих довольно плотную зону затенения, в пределах которой нежелательно размещать объекты, требующие инсоляции. По форме такая зона (ее называют иногда бабочкой, иногда конвертом теней) отдаленно напоминает трапецию или треугольник, линейные размеры которых зависят от высоты здания, а их площадь, соответственно, от перемножения этих линейных размеров.
Если строго следовать правилу, запрещающему ставить здания друг к другу ближе, чем это позволяют зоны затенения, то территория города, застроенного многоэтажными домами, должна разрастись так же, если не больше, как при малоэтажной застройке.
Создается абсурдная ситуация. Здравый смысл подсказывает, что увеличение этажности должно сопровождаться повышением компактности города, а стало быть, сокращением транспортных связей,
инженерных сетей — в расчете на одного жителя, — т. е. повышением эффективности строительства, а требования инсоляции сводят эту эффективность к нулю.
Находились даже люди, предлагавшие вообще отказаться от инсоляции квартир — все равно, мол, ее не удастся обеспечить. При этом они забывали, что такая лихость может обернуться рядом неприятностей, например приведет к росту заболеваний.
Решением проблемы занялась архитектурная климатология.
Прежде всего попросили гигиенистов уточнить, сколько и какого солнца нужно квартире в средних широтах. После долгих обследований в различных жилых районах и квартирах, изучения влияния солнечного света на колонии микробов в различных условиях облучения и анализа статистики заболеваний врачи дали ответ. С их точки зрения, инсоляция в условиях умеренного климата оказывает общеоздоровительное воздействие, вызванное тонизирующими и бактерицидными (уничтожающими микробов) свойствами солнечной радиации. Оздоровительное воздействие достигается, если обеспечить каждую квартиру в доме, каждую площадку отдыха во дворе по крайней мере тремя часами прямого облучения в дни равноденствия, 22 марта и 22 сентября. Именно эти дни имеют усредненные характеристики годового солнечного режима и удобны для расчетов.
Геометрия теней. Задача уточнилась, определилось время желательного облучения, но до решения было еще далеко: надо было рассмотреть две неясных позиции. Во-первых, какой должна быть планировка здания, чтобы удовлетворить требования гигиенистов. Во-вторых, какова должна быть геометрия застройки, ее пространственное решение, чтобы максимально уменьшить площадь затененных недо-
пустимым образом поверхностей, как горизонтальных — территорий жилого района, так и вертикальных — стен зданий. Ведь чем меньше общая площадь затенения, тем компактнее может быть застройка.
Вопросы, относящиеся к первой позиции, обобщил советский ученый-климатолог В. Е. Кореньков, разделивший все встречающиеся в проектной практике разновидности планов жилых зданий на 2 основных типа. В первом квартиры имеют помещения, обращенные на оба фасада длинного здания. Как ни ставь такой дом, обязательно один из его фасадов будет обращен на благоприятную сторону горизонта и квартира наверняка получит нужную дозу инсоляции. Во втором окна каждой квартиры выходят только на один фасад. Такой дом можно ставить только по меридиану — чтобы восточные квартиры могли получить свою порцию солнца с утра, а западные — во второй половине дня. А расстояние между такими домами должно быть почти в полтора раза больше, чем между широтными
Казалось бы следовало все дома проектировать по первому, так называемому широтному варианту, и все в порядке. Правда, такие дома чуть-чуть - на 1 — 2% — дороже в строительстве, чем меридиональные. Но если вспомнить, что наша страна каждые пять лет строит 11 — 12 млн. квартир, то окажется, что это «чуть-чуть может сократить ежегодный ввод жилья на огромную цифру — около 2 млн. м2 полезной площади. К тому же архитекторы знают, что в широтных домах очень трудно делать одно- и двухкомнатные квартиры, которые так нужны сегодня, а в меридиональной планировке они укладываются очень хорошо. Значит, в застройке надо применять все типы домов.
Тогда начался поиск таких приемов застройки, при которых ее плотность (отношение общей площади квартир, размещенных на участке, к размеру
его территории) была бы наивысшей. Для otoi;o были выявлены и рассмотрены принципиальные планировочные варианты застройки: строчная застройка различной ориентации, замкнутые и незамкнутые дворы различного размера и конфигурации, точечная застройка — из отдельных домов-башен — и другие комбинации. Для каждого приема была составлена серия проектов с разной высотой застройки, «на пределе» обеспечивающих нормы инсоляции, и просчитана плотность застройки. На следующем этапе анализировались возможности сочетания отдельных планировочных приемов. Сначала сравнивалась плотность застройки зданиями одной высоты, а затем изучались те же самые вопросы, но при застройке из зданий разной этажности.
Весь этот многоступенчатый анализ показал, как можно резко повысить этажность застройки, не нарушая гигиенических требований, обеспечивая каждую квартиру необходимой инсоляцией при таком расходе территории, который, безусловно, обеспечивает эффективность роста этажности в любых реальных пределах.
Наиболее выгодными оказались те приемы застройки, которые на первый взгляд меньше всего соответствуют инсоляционным требованиям: разновысотная застройка, замкнутые и полузамкнутые дворы, здания, сложные в плане очертаний, с непрямоугольным силуэтом.
Секрет этого эффекта не очень сложен, его объяснение — в законах движения солнца и зависящих от него теней. Всходя на востоке в день равноденствия (принятый для расчетов), солнце полдня — 6 часов — поднимается до пересечения линии меридиана в южной стороне небосклона, а затем еще полдня добирается до точки заката — строго на запад. Получается, что южная сторона здания освещена солнцем (при чистом горизонте) весь день, 12 часов, восточная и западная — по 6 часов, первая, соответственно, до, вторая — после полудня, а северная сторона всегда находится в тени. Это значит, что восточный и западный фасады можно затенять соседними постройками по 2 часа, южный — около 7, все равно каждому фасаду достаются указанные в нормах 3 часа прямого облучения (первый и последний часы дневного сияния нормами не учитываются, так как в это время оздоровительное воздействие косых лучей низко стоящего солнца ослаблено толщей атмосферы).
Но тень от соседних зданий тоже не стоит на месте — она двигается вслед за солнцем, становясь длиннее рано утром и поздно вечером, укорачиваясь к полудню, довольно быстро проскальзывая по затеняемому месту — ее угловая скорость составляет около 15° в час. Поэтому даже очень высокое здание затеняет соседей не весь день, оставляя им — если правильно рассчитать разрывы — достаточно времени для получения нужного количества солнца. При этом тень от маленького стоящего в этот момент в тени дома занимает то же самое место, где находится укрывшая его тень от большого здания, т. е. происходит эффект взаимного наложения теней, их, как говорят, двойная экспликация.
В результате реально затененное такой группой зданий пространство получается значительно меньше, чем если бы каждый из домов стоял, не трогая своей тенью соседа, при значительно больших разрывах между ними.
Поэтому в застройке выгодно соединять разные типы домов, например невысокие, расположенные широтно, и здания с башенными домами, тени от которых быстро пробегают по фасадам домов, стоящих у их подножия.
Так исследования, связанные с инсоляцией жилой застройки, показали, что она должна состоять из домов разной планировки, разной этажности, разной конфигурации. Не случайно сегодня в наших городах однообразные кварталы выстроившихся цепочкой 5-f этажных домов сменяются районами смешанной этажности, живописной застройки.
Правда, чтобы рассчитать точно правильные разрывы между домами, надо пользоваться специальными приборами и приемами, несколько усложняющими привычные методы проектирования, но зато выигрыш двойной — компактность города и здоровье его жителей. Решение технологической проблемы переросло в техническое, потребовав внедрения специальных конструкций и приемов работы, и одновременно — в эстетическое, изменившее облик наших городов.
Исследования по вопросам инсоляции в строительстве продолжаются и обещают новые полезные технические и архитектурные решения. Но и сегодняшние разработки выдвинули несколько положений, существенно отразившихся на деятельности строителей.
Например, важная особенность разумного с точки зрения инсоляции строительства — применение в застройке зданий разной этажности. Понятно, и конструкции и оборудование таких зданий отличаются — вес 20-этажного дома примерно в 4 раза больше, чем 5-этажного, без лифта такие дома не строят, увеличивается площадь сбора ветровой нагрузки, уменьшается устойчивость сооружения и т. д.
Следовательно, из-за инсоляции усложняется работа строителей — им надо уметь строить здания и средней и высокой этажности, разных форм, разных конструктивных схем, увеличивать количество типов изготавливаемых строительных изделий. Более того, неизбежное усиление конструкции и усложнение оборудования приводят к удорожанию дома. Квадратный метр полезной площади в высоких зданиях на 10 — 15% дороже, чем в 5-этажных, а эксплуатационные расходы дороже примерно на треть.
Другими словами, решение одной проблемы порождает новые, иногда еще более сложные, ведет за собой целый ряд самых неожиданных следствий
И так не только в вопросах инсоляции.
Поэтому при разработке проблем пользы, рациональности архитектурно-строительных приемов и предложений желательно иметь какой-то капитальный, всеобщий инструмент, с помощью которого можно было бы оценивать целесообразность отдельных, частных решений.
Всеобщий критерий. Сегодня таким инструментом является экономическая эффективность, которая определяет соответствие предполагаемых строительных затрат ожидаемому результату.
Этот метод не сводится к примитивному «дороже» или «дешевле». Ведь дело не только в том. хватит вам денег на дорогой красивый галстук или придется выбрать попроще и подешевле. Скорее, здесь проблема, сходная с той, которая возникает при покупке холодильника: что лучше приобрести — дешевый малогабаритный без терморегулятора или подороже, но более вместительный и экономичный?
Чтобы установить эффективность того или иного технического решения, проверяют, как отражается вызванное им удорожание (или удешевление) строительства на эксплуатационных затратах, просчитанных вперед на время работы будущего сооружения. Так, оказалось, что при простой, рассчитанной на многократную покраску штукатурке стен жилых домов экономия денег на строительство гораздо меньше суммарных затрат на ремонт и побелку впоследствии Ведь современное капитальное здание простоит не меньше 70 лет, и каждые 2 — 3 года вокруг него надо возводить леса или подвешивать люльки, тратить краску, замазывать неизбежные трещины и отколы в штукатурке Тогда как относительно небольшое на 5 — 7% - - удорожание строительных работ при облицовке фасада декоративными керамическими плитками окупается — за счет отсутствия ненужных ремонтных расходов — за 10- 15 лет.
Методика расчетов, сравнивающих экономическую эффективность тех или иных вариантов в строительстве. чрезвычайно сложна. Дело в том. что экономисты должны свести действие десятков и сотен самых различных факторов к сопоставимым — в еделах расчета — величинам, выражая их в совершенно отвлеченных от реальных процессов единицах — денежных суммы удорожаний — они указаны в сметных нормах. Более или менее ясно, как считать эксплуатационные расходы — они складываются из стоимости ремонтных работ, зарплаты персонала, квартплаты, отчислений государству за газ, водопровод, электроэнергию — и все это за много лет вперед.
Но как перевести в деньги неудобства, которые испытывают люди, вынужденные по часу и больше добираться до места работы в непомерно разросшихся городах? Как выразить в деньгах архитектурно-художественное и историческое своеобразие застройки, которую приходится сносить при прокладке новых транспортных магистралей?
Приходится проделывать огромную исследовательскую работу, чтобы найти этим явлениям обезличенный стоимостный эквивалент. Так, транспортную усталость оценивают по потерям, которые терпит из-за нее производство. Сравнивают производительность труда двух групп работников какого-либо предприятия: живущих рядом и в отдаленных концах города. Узнают, сколько времени эти рабочие проводят в пути ежедневно, сопоставляют показатели производительности труда с числом и временем поездок и определяют таким образом «цену» каждого лишнего часа, проведенного пассажиром в тесноте автобуса или вагона метро. Кстати, она равна примерно? % дневной выработки «накатавшегося» работника и может доходить в крупнейших городах до огромных величин — около полумиллиона рублей на каждый гектар территории отдаленного района за 10 — 20 лет.
Отражаются в градостроительных расчетах и другие затраты отдельных людей и всего общества, связанные с транспортом: стоимость сооружения дорог и гаражей, зарплата водителей и рабочих депо, стоимость автобусов, троллейбусов и вагонов метро, бензина, электроэнергии, расходы на печатание и приобретение билетов и тысячи других, маленьких и больших, расходов. Оцениваются и выгоды, которые получает город от транспорта. Учитывают в расчетах и сложившееся на сегодня положение, например: существующие цены на изделия, их возможные изменения, варианты этих изменений и еще десятки разных тонкостей.
Таким же сложнейшим образом оцениваются и все остальные факторы, влияющие, например, на выбор этажности застройки.
И тут наступает самая ответственная часть работы — сведение всех отдельных расчетных факторов в общую систему, связывающую их в единую рабочую формулу.
В этой формуле все факторы делятся на «положительные» и «отрицательные» — удорожающие или удешевляющие строительство.
А общую стоимость объекта, скажем жилого района, делят на его «мощность» — число его предполагаемых квартир или жителей, — тогда сравнение «приведенных показателей» стоимости вариантов покажет их действительную экономичность.
По сравнению со всей этой предварительной работой сам расчет — дело несложное, почти механическое, хотя и очень трудоемкое.
Поэтому особенно сложные проблемы, стоящие перед экономической наукой, решаются по частям, годами, сопровождаются массой дополнительных исследований. Так, вопросы экономики этажности жилой застройки изучались почти 6 лет в десятках научно-исследовательских институтов, пока не были получены проверенные рекомендации.
Оказалось, что 5-этажная застройка отнюдь не самая эффективная и всегда ориентироваться на нее неправильно.
Правда, стоимость возведения самих зданий (в расчете на 1 м2 жилой площади) действительно увеличивается с ростом этажности. Но одновременно с этажностью растет и плотность застройки — число метров на гектар территории, а затраты на освоение этого гектара (устройство дорог, инженерных сетей, озеленения) почти не увеличиваются. Поэтому пропорционально росту этажности снижаются расходы на эти работы, приведенные к 1 м2 жилой площади. В результате получается, что суммарные затраты на строительство зданий и освоение территорий для высотной застройки ниже, чем для 5-этажной.
Для крупных городов — с населением 500 и более тысяч человек — эта закономерность усугубляется. Оказывается, после некоторого предела дальнейший рост территории таких городов сопровождается непропорционально большим ростом затрат на их техническое оборудование. Появляются мощные инженерные сооружения, сложные транспортные системы, ненужные для городов меньшей протяженности. Поэтому для крупнейших городов дальнейшее расширение их территорий очень невыгодно, увеличения жилого фонда правильнее добиваться уплотняя уже сложившиеся районы - опять же гза счет высотного строительства.
Так экономисты подвели строгую научную основу под решение одного из труднейших вопросов современного строительства — выбора этажности городской застройки. Этот расчет не только решил проблему в принципе, но и указал наилучшие соотношения этажности для городов разного размера, строящихся в различных природно-климатических условиях.
Сегодня 9-, 12-, 16-этажные здания стоят в самых разных городах нашей страны, улучшая, как мы уже видели, и гигиенические характеристики жилых кварталов, и экономические показатели строительства, и внешний вид городской застройки.
Впередсмотрящие. Но как ни широк круг проблем, охваченных экономическими исследованиями они все-таки ограничены по самой своей природе Их назначение — проверка, а не разработка общих идей. А тут пальма первенства принадлежит архитектуре, градостроительству.
Только обобщение, направленное на поиск нового, может подсказать по-настоящему комплексное рет шение самой сложной на сегодняшний день проблемы строительства — проблемы урбанизации (от латинского urban. — город). Городское население Земли удваивается каждые 20 — 30 лет, обгоняя в 3 раза темпы роста всего земного населения. Это ведет к быстрому увеличению числа жителей старых городов, появлению новых городов. Сегодня насчитывается более 165 городов с населением больше миллиона человек, тогда как 20 лет назад таких городов было 75. Ежегодно только в нашей стране закладывается 20 — 25 новых городов. А это — десятки, сотни тысяч новых квартир, заводов, школ, магазинов
Приближенная модель развития современного города.
Множество задач задает строителям этот непрерывно идущий процесс. И не только строителям. Город — это часть окружающего его экономического района, откуда в него ежедневно приезжают люди, привозятся продукты и т. д. И часть страны, с которой город обменивается информацией, товарами. И часть природы — он нуждается в свежем воздухе, воде, зонах отдыха. Поэтому города не должны расти бесконечно.
Как сделать так, чтобы сохранить необходимое равновесие между городом и его окружением? Тут одними экономическими расчетами, очевидно, не обойдешься.
Надо придумать и внедрить в жизнь что-то принципиально новое, например научиться управлять развитием городов, т. е. предсказывать, что, где и когда надо строить, и не только в городе, чтобы производительность городских заводов и фабрик и удобства городской жизни росли быстрее, чем численность его населения и размеры.
Практически единственный путь для этого — создание теоретической модели функционирования города, который можно рассматривать как гигантскую кибернетическую систему.
Сложность такого решения очень велика. Модели города относятся к наиболее сложным и наименее изученным из известных математикам «больших систем» (так называется класс особо сложных математических моделей). Его подсистемы — промышленность, жилье, население, транспорт, природно-климатический комплекс и т. д. — не только абсолютно непохожи друг на друга, живут каждая по своим законам, но еще и динамичны, развиваются в пространстве и во времени, причем часто одна в ущерб другим.
Математически описать развитие этого комплекса подсистем во всех подробностях просто невозможно — никаких ЭВМ не хватит, настолько сложно они переплетаются. (Хотя подробный анализ каждой из этих подсистем в отдельности все равно необходим — для решения их внутренних задач).
Советские ученые Ю. П. Бочаров и Н. П. Бусленко предлагают вместо этой фактически неосуществимой «прямой» модели разработать модель, составленную на основе отвлеченных обобщенных характеристик всей системы, отражающих конечный, суммирующий результат состояния или развития процесса или явления.
Например, расчеты в одной из подсистем города — транспортной — основаны на сравнении двух групп показателей ее эффективности, расположенных, как говорится, «на разных концах коромысла»: связанных с наилучшим обслуживанием населения и с экономичностью деятельности транспортников. При этом из алгоритмов исключается подробное изучение многих конкретных особенностей работы городского транспорта. Ведь в такой модели каждый суммарный показатель зависит от параметров всей системы (в нашем примере — транспортной сети) и характеристик ее внешней среды (т. е. города в целом), а не от деталей работы отдельных функциональных подсистем — автобуса, метро и т. д. А характер работы всей модели может оцениваться по степени отклонения отдельных показателей от их оптимального значения. Тогда анализ причин такого отклонения — «помех» — позволит выявить конкретных виновников ненормального функционирования системы в целом и наметить меры ликвидации этих помех, в том числе тех, которые зависят от работы строителей.
Такие же обобщенные показатели можно выявить и для всего городского организма, тысячами нитей связанного с его окружением, с жизнью всей страны. Другими словами, предлагается экологическую модель города, составленную из конкретных процессов и явлений, заменить экологией их показателей. Предложение интересное, но нелегкое. Достаточно сказать, что успешное построение приближенной модели развития города предусматривает создание широкой сети информационно-вычислительных автоматических систем слежения за состоянием самых различных характеристик городской среды — от качества воздушного бассейна над городом до посещаемости торговых и общественных центров. Не говоря уже о собственно математических трудностях разработки алгоритмов деятельности этой «модели моделей».
Трудно сейчас предугадать, насколько быстро и так ли осуществится решение труднейшей из проблем, поднятых жизнью перед строителями — проблемы комплексного прогноза их деятельности. Важно другое — эта задача поставлена, сформулирована и необходима. Значит, она должна быть решена.
Прочность (теория)
Нагрузки и реакции. Ученые, разрабатывающие задачи прочности, заняты другой стороной проблемы. Они решают, как строить, из каких материалов, какие использовать конструктивные идеи.
Их цель — обеспечить долговечность существования, высокую надежность работы наших зданий и сооружений. Для этого строители должны предложить такие конструктивные решения, при которых эксплуатация построек была бы возможна и безопасна при любых мыслимых обстоятельствах. Чтобы плотины успешно противостояли напору волн современных искусственных морей, чтобы покрытия промышленных зданий не расшатывались от постоянных колебаний станков, а стены жилых домов надежно несли перекрытия между этажами. Другими словами, созданные строителями конструкции должны успешно противостоять многочисленным нагрузкам, внешним силам и воздействиям.
Поведение строительных материалов и конструкций под воздействием внешних сил и нагрузок изучает строительная механика. Она проанализировала и разграничила причины и следствия в поведении конструкций, отделив внешние силы, воздействия и нагрузки от возможных реакций воспринимающих их тел. При этом конкретное разнообразие воздействий и реакций было систематизировано и обобщено в относительно немногочисленных характерных ситуациях, к которым (или к комбинации которых) можно с достаточной степенью достоверности свести всю многоликость практики.
Вес людей, предметов, находящихся на конструкции, напор ветра на мачту, давление воды на плотину ит. д. — это та временная или полезная нагрузка, ради которой строится здание или рассчитывается его элемент. Можно сказать, что полезная нагрузка — основное понятие, соединяющее в конструкции необходимое человеку с возможностями техники. Загружает конструкцию и ее собственный вес, т. е. постоянная нагрузка. Все эти нагрузки можно абстрагировать в виде нескольких элементарных случаев, например: сосредоточенная нагрузка (действующая на конструкцию в одной точке) и рассредоточенная (так или иначе распределенная по ее длине или поверхности).
Все они в принципе стремятся изменить форму конструктивного элемента — сжать, изогнуть, вытянуть, скрутить или, если силы достаточно велики, то и полностью разрушить.
Как и при каких условиях это может произойти и какие следует предпринять меры, чтобы этого избежать? От чего зависит прочность и надежная работа конструкции?
Противостоит приложенной силе материал конструкции — в нем возникают внутренние напряжения, которые сопротивляются внешним воздействиям и при их исчезновении стремятся восстановить первоначальную форму тела. Так распрямляется перекинутая через канаву доска, прогнувшаяся от тяжести идущего по ней человека, как только тот сойдет с нее.
Дело в том, что молекулы, из которых состоит всякое твердое тело, связаны друг с другом электромагнитными силами притяжения и отталкивания. Силы, стремящиеся раздвинуть молекулы, в твердом теле сильнее притягивающих, но быстро ослабляются с увеличением расстояния между молекулами. Притягивающие силы не так мощны, но затухают медленнее, чем отталкивающие. Совместное действие тех и других при строго определенном расстоянии молекул друг от друга приводит к положению равновесия, которое фиксирует форму тела.
При сжатии материала молекулы сближаются, действие отталкивающих сил возрастает, стремясь раздвинуть молекулы на прежнее расстояние. При растяжении усиливаются притягивающие воздействия, пытаясь сократить размеры тела до первоначальных. При удалении нагрузки нарушенное равновесие сил восстанавливается вместе с восстановлением прежних расстояний между молекулами, и тело принимает прежнюю форму.
Это явление называется упругостью. Все строительные материалы обладают этим свойством — одни в большей, другие в меньшей степени. Например, резина обладает очень высокой способностью к изменению формы (деформативностью): при сжатии и растяжении ее упругость видна на глаз. Другие тела являются более жесткими, их деформации мало заметны и улавливаются только точными приборами.
Чем больше материала включается в работу, тем сильнее будет общее сопротивление конструкции — так, если вместо доски положить толстый брус, он прогнется очень слабо.
Напряжение в материале (о) при сжатии и растяжении прямо пропорционально силе воздействия (N) и обратно пропорционально площади участвующего в работе сечения (F). Измеряется оно обычно в кГс / см2 или в Н / см2:
Упругие свойства тел отражены в особой характеристике — модуле упругости, названной по имени английского ученого Р. Гука, который в 1660 г. установил, что деформация тела при растяжении и сжатии пропорциональна испытываемой им нагрузке и его длине. Отношение удельной деформации (приращение размеров на единицу длины) к напряжению в материале — для каждого материала величина постоянная и индивидуальная.
Однако это постоянство верно только до некоторого предела (его называют пределом текучести). Если все больше и больше увеличивать нагрузку, молекулы, пытаясь сохранить нормальные разрывы между собой, смещаются относительно своего первоначального положения так далеко, что после ликвидации нагрузки прежнее равновесие сил притяжения и отталкивания полностью не восстанавливается. Наступает новое соотношение этих сил, тело теряет свою форму, но материал еще сохраняет прочность, так как молекулы все равно притягиваются друг к другу, хотя и в новой комбинации.
: Это явление называется пластичностью. Подавляющее большинство тел обладает одновременно пластичностью и упругостью, т. е. они деформируются как упругие, но после снятия нагрузки восстанавливают свою форму не полностью.
Чистая упругая деформация проявляется при очень быстрых (мгновенных) нагрузках, например щелчках, ударах. Пластичные деформации, сопровождающиеся перераспределением молекул, требуют известного времени, а потому происходят при медленном нагружении, иногда в течение нескольких месяцев или лет, возрастая постепенно без увеличения приложенной нагрузки. Такое явление называется ползучестью.
При очень больших нагрузках, а следовательно, очень больших деформациях межмолекулярные связи полностью нарушаются и тело разрушается — внутренние напряжения превышают предел прочности материала.
При расчете строительных конструкций предполагается, что все материалы имеют упругие свойства, поэтому предельные нагрузки на них устанавливаются в рамках предела текучести.
Каждое физическое тело, каждый материал имеет свой предел прочности. Его устанавливают как среднее для большой серии опытов разрушающее напряжение на единицу площади сечения (например, кГс / см2, или Н / см2).
Поскольку не все образцы данного материала соответствуют этой средней величине, на практике никогда не загружают конструкцию до фактического предела прочности, оставляя материалу некоторый запас для успешной работы. Величину расчетного сопротивления назначают с помощью теории вероятности так, чтобы его совпадение с минимально возможной прочностью материала было бы практически исключено.
Другими словами, принцип расчета строительной конструкции на прочность состоит отнюдь не в том, чтобы обеспечить абсолютную неизменяемость ее формы, что, кстати, теоретически и невозможно. Расчет не только допускает изменение формы, но и заранее предполагает его, ограничивая, однако, такими размерами, при которых заведомо не произойдет разрушения конструкции, а деформации не превысят назначенных конструкторами пределов.
Для материалов со стабильными свойствами, производство которых постоянно контролируется на всех промежуточных процессах, например стали, этот коэффициент может подняться до 0,9.
Расчетные (нормативные) пределы прочности разных материалов отличаются в десятки, даже в сотни раз. Более того, один и тот же материал может совершенно неодинаково воспринимать нагрузки различного характера. Некоторые, например дерево, сталь, алюминиевые сплавы, одинаково хорошо воспринимают сжимающие и растягивающие усилия. Другие, обладающие хрупким характером разрушения (природный камень, кирпич, бетон), при высоком сопротивлении сжатию очень слабо сопротивляются растяжению.
Характеристики прочности материала служат основой его выбора для той или иной конструкции.
Принципы расчета. Однако для расчета мало знать особенности поведения материала при той или иной нагрузке. Дело в том, что характер работы конструкции тоже во многом зависит от того, какую нагрузку она испытывает.
В растянутом виде всякое тело, например стержень, является абсолютно устойчивым, так как вывести его из состояния равновесия невозможно. Поэтому при растяжении несущая способность материала используется полностью.
Чтобы определить величину усилия (IV), которое может надежно выдержать растянутый стержень, достаточно умножить величину его расчетного сопротивления (R) на площадь поперечного сечения (F).
Для расчета надо выбирать наименьшее сечение — с вычетом всех отверстий и других ослаблений, которые имеются в элементе — сечение нетто.
Чем больше площадь сечения нетто и чем выше расчетное сопротивление, тем больше расчетное усилие, которое может выдержать данный элемент.
Сжатие очень коротких элементов происходит по тем же законам. Но чем длиннее и тоньше сжатый стержень, тем меньшую нагрузку он может выдержать при одном и том же расчетном сопротивлении материала. Практически такой стержень никогда не сжимается по всей площади сечения равномерно и никогда не бывает абсолютно прямым. Поэтому под нагрузкой он может неожиданно прогнуться в сторону, противоположную эксцентриситету продольной силы (т. е. смещению силы от центра тяжести сечения). Нежелательная деформация наступит раньше, чем для короткого образца такого же сечения, т. е. раньше, чем исчерпается способность материала к сопротивлению сжимающим нагрузкам в каждом отдельном сечении.
Учитывает это явление в расчетах специальный коэффициент продольного изгиба, отражающий гибкость данного стержня, — отношение его длины к размеру поперечного сечения. Несущая способность стержня (IV) получается умножением площади его поперечного сечения (F) на расчетное сопротивление материала (R) и на коэффициент продольного изгиба (ф) (который для каждого материала устанавливается нормами отдельно, так как материалы деформируются по-разному в зависимости от их жесткости).
При этом площадь сечения принимается «брутто» без вычета отверстий, так как стержень сопротивляется продольному изгибу по всей длине, а не только е ослабленном месте:
Другими словами, коэффициент ф в скрытом виде вводит в формулу еще две характеристики стержня — его геометрические параметры и жесткость Причем в расчете реальная длина стержня заменяется условной, которая тем больше, чем жестче материал конструкции и чем меньше поперечное сечение стержня.
Зависит условная длина стержня и от его крепления в конструкции, от его, как говорят инженеры, пирания.
Если каждый конец стержня закреплен на опорах так, что может свободно выгибаться в любую сторону, опирание называется шарнирным и длина стержня учитывается полностью. Если один конец стержня плотно заделан в опору и не может свободно юворачиваться, стержень труднее вывести из равновесия и его расчетная условная длина принимается с коэффициентом 0,7. При заделке обоих концов стер-кень становится еще более устойчивым и коэффициент его расчетной длины снижается до 0,5. Но если заделан только один конец стержня, а другой оставлен свободным, как, например, у телеграфного стол-5а, расчетная длина стержня удваивается, потому что опасность появления продольного изгиба увеличивается.
Таким образом, в формулах расчета строительных конструкций соединены в общей зависимости самые эазличные факторы — величина и вид нагрузки, вид материала и его способность к сопротивлению, размеры и форма конструкции и ее элементов, условия их соединения между собой. И это — при самых простых видах нагрузки, направленных вдоль оси стержневой конструкции, при сжатии и растяжении.
Изгиб — более сложное явление. Изгибающее усилие стремится повернуть стержень, как рычаг, вокруг точки его опирания или заделки, деформация происходит не вдоль, а поперек оси стержня, которая изменяет свою форму — дает прогиб. При этом в любом сечении стержня с вогнутой стороны частицы материала сжимаются, а с другой, выпуклой, растягиваются, в середине же образуется слабо напряженная зона с нейтральным слоем, т. е. такой условной линией, где нет ни сжатия, ни растяжения. Чем дальше точка сечения от нейтральной оси, чем ближе она находится к краю сечения, тем больше в ней напряжение.
Другими словами, в изогнутом стержне возникают одновременно и сжимающие и растягивающие усилия, поэтому успешное сопротивление изгибу предполагает, что материал стержня хорошо работает и на сжатие, и на растяжение, а смысл расчета сопротивления конструкции на изгиб состоит в определении критических для данного стержня усилий сжатия или растяжения, возникающих в опасных зонах его сечения в наиболее напряженных местах конструкции.
Сначала в изогнутом стержне определяют место приложения и величину наибольшего изгибающего усилия, по которому затем определяют несущую способность всего стержня.
В расчетах это усилие называют изгибающим моментом, а его величину определяют умножением изгибающей силы на ее плечо, т. е. расстояние от силы до сечения, в котором вычисляется момент (это расстояние равно длине перпендикуляра, опущенного из точки отсчета на направление действующей силы).
Так, сосредоточенная сила Р, приложенная на свободном конце заделанного в стену стержня (эта конструкция называется «консоль»), стремится повернуть его относительно точки заделки. Изгибающий момент непосредственно под силой будет равен нулю, так как нулю равно его плечо.
В точке f Mf= PI, а в заделке момент будет наибольшим и равным PL.
Распределение изгибающих усилий в консоли можно изобразить графически, отложив на чертеже от условной оси конструкции в соответствующем масштабе значение изгибающего момента. Оно откладывается обычно со стороны растянутой части сечения, так удобнее при сложении изгибающих усилий от разных сил. Ведь реально на конструкцию действует много разных нагрузок, некоторые из них могут стремиться изогнуть ее в одну, другие — в другую сторону.
Так, в расчетной схеме простейшей балки на двух опорах с одной приложенной в ее середине силой участвуют, кроме этой силы, еще и реакции опор, которыми в расчете заменены реальные опорные устройства, позволяющие балке находиться в состоянии равновесия. Изгибающие действия этих сил, показанные отдельно, затем просуммированы в общем чертеже, который носит название эпюры изгибающих моментов. Для данного случая эпюра моментов наглядно показывает, что на опорах изгибающие усилия будут равны нулю, а максимальный момент приходится на точку приложения сосредоточенной нагрузки, по которой и следует вести дальнейший расчет.
В сечении балки изгибающий момент воспринимается силами сжатия и растяжения, максимальными — соответственно — у верхнего и нижнего ее краев и уменьшающимися до нуля в середине, у нейтральной линии. Иначе говоря, изгибающее внешнее усилие в теле конструкции вызвало внутреннюю пару разнонаправленных сил, составляющих «внутренний» изгибающий момент.
Ни в сжатом, ни в растянутом поясе напряжения, вызванные этими силами, не должны превышать расчетное сопротивление материала.
Эти напряжения распределены по высоте сечения неодинаково. Причем чем выше сечение, т. е. чем .больше условное плечо внутренней пары сил, тем меньше (при одной и той же величине момента) будут сами напряжения.
Отсюда два следствия.
Во-первых, при одной и той же общей площади сечения более высокая балка будет работать на изгиб лучше: так, длинная доска, положенная на две опоры плашмя, заметно прогнется от собственной тяжести, а поставленная на ребро практически не прогнется. Во-вторых, рассчитанные на изгиб кон-
струкции целесообразно делать таким образом, чтобы наибольшая площадь сечения приходилась на его края, а вблизи нейтральной оси оставалось минимальное количество материала, как это сделано в двутавровых балках и рельсах.
Можно и дальше рассказывать о том, как рассчитываются строительные конструкции, переходя от описанных простейших примеров ко все более сложным.
Но не это является задачей книжки.
Гораздо важнее отметить общие принципы, лежащие в основе конструирования и расчета в строительстве.
Первый из них — обобщение, абстрагирование. Каждый конкретный параметр — назначение элемента, его материал, вид нагрузки, роль в сооружении и т. д. — анализируется, расчленяется на более простые составные части, заменяется комбинацией уже известных математических и физических символов, с которыми и производятся все дальнейшие операции.
Второй — определение этих операций, установление тех связей между частями, которые превращают их в целое. При этом реальные взаимозависимости тех или иных параметров сводятся к математическим закономерностям и формулам — простого умножения или деления для элементарных случаев растяжения и сжатия стержня и все более и более сложным, для развитых конструкций.
Третий принцип — многозначность обратного хода от абстрактной модели к живому решению. Это положение таит в себе возможность творческого поиска формы и деталей будущей конструкции. Так, как это получается при расчете балки на изгиб — анализ подсказывает только общее направление поиска такого сечения, при котором максимум материала будет расположено в опасной, наиболее напряженной
Варианты сечения работающей на изгиб балки.
Четвертый принцип — многократная, на каждом этапе расчета, проверка получаемого результата. Проверка математическая и экспериментальная, иногда отраженная в десятки тысяч раз проверенных рекомендациях, таблицах, сортаментах, диаграммах, иногда специально предусмотренная методикой расчета. Ибо надежность — первое требование к конструкции.
Эти четыре принципа — поиск простого и известного в сложном и неведомом, сведение простых элементов во взаимосвязанную теоретическую систему, творческое освоение рекомендаций расчета при конструировании и постоянная сверка теоретических положений с данными опыта — представляют собой своеобразный алгоритм научного отношения к решению строительных проблем.
Эти принципы — залог эффективности любой отрасли строительной науки, и пренебрежение каким-либо из них может привести к нежелательным результатам.
К сожалению, неожиданности могут встретиться и при правильных, казалось бы, расчетах.
Модели и жизнь. В древности здания и сооружения строились с очень большими запасами прочности — точных методов расчета тогда не существовало, и строители из осторожности предпочитали более тяжелые конструкции. Они делались иногда в сотни раз прочнее, чем требовалось, а потому непредвиденные случайности проходили для конструкции незаметно, не вредили ей. Но когда начали строить более рационально, без излишних запасов прочности, любые ошибки, неумение предвидеть, как будет работать сооружение в тех или иных условиях, приводили к его разрушению, аварии. Так в 1879 г. в Англии обрушился металлический мост через реку Тэй, конструкции которого предусматривали 20-кратный запас прочности на действие полезной нагрузки, но не учитывали скорости и силы постоянно дувших в тех местах ветров. Они за 4 месяца расшатали мост настолько, что пришлось усиливать его конструкции, и все-таки через полтора года он рухнул.
Похожий случай произошел в Америке во время последней мировой войны с мостом через реку Такома. На этот раз действие сильного ветра привело к резонансу, т. е. к усилению всех видов колебаний конструкции моста, совпавших с ритмом порывов ветра. Огромный висячий мост стал раскачиваться все сильнее и сильнее, так, что угловой размах поперечных колебаний превысил 90°. К счастью, начало опасных колебаний было замечено вовремя и движение по мосту прекратили. Съехавшиеся отовсюду журналисты, инженеры, просто зрители в течение долгого времени наблюдали картину разрушения моста. Даже был снят кинофильм, который сильно помог конструкторам при анализе причин катастрофы.
Такого рода события заставили строителей обратить особое внимание на проблему устойчивости — сохранения расчетной схемы сооружения в процессе его строительства и эксплуатации. Сегодня она обеспечивается с помощью самых разнообразных методов — от целенаправленного усиления конструкции с учетом соответствующих нагрузок до использования остроумных, хотя и не всегда рассчитываемых, приспособлений. Например, опасное раскачивание высокой мачты останавливают с помощью массивны; шаров, подвешенных на коротких тросах к ее вершине. Колебания мачты вызывает систему более коротких колебаний этих своеобразных маятников, а поскольку направления и период больших размахов и маленьких качаний не совпадает, их энергия взаимно гасится.
Различные аварии и катастрофы вообще поучительны для развития строительной науки. Например, резкое снижение прочности металлических конструкций в условиях воздействия высоких температур обнаружилось во время грандиозного пожара 1804 г. в американском городе Балтиморе. Опасность применения излишнего количества воды при приготовлении бетонной смеси стала очевидной после обрушения железобетонного здания в Базеле в 1902 г.
Но для проверки наших представлений о работе конструкции эти исключительные случаи совершенно необязательны, да и недостаточны. В наши дни, как и в стародавние времена, строители большую часть своих расчетов проверяют на моделях, испытывая опытные образцы конструкций или макеты будущего сооружения, выполненные во много раз меньше натуральной величины, подвергая их таким воздействиям, которые возможно более точно воспроизводят реальные.
Методика моделирования отнюдь не проста. Например, количественное определение усилий на модели невозможно, так как пропорциональное увеличение модельных размеров влечет за собой значительное искажение действующих в ней усилий. Например, увеличение модели в 10 раз вызовет увеличение всех сечений в 100 раз, тогда как объем, а значит, и вес конструкций увеличатся в тысячу раз, вызывая десятикратное перенапряжение материала.
Пропорциональное увеличение размеров модели до масштабов действительного сооружения не дает никакой гарантии его прочности. Отсюда происхождение многочисленных аварий в постройках средневековья и даже более поздних эпох.
Современное моделирование решает далеко не все задачи конструирования сооружений. Но те, которые ему подвластны, оно решает очень хорошо.
Среди них — проверка методов расчета конструкций. Испытание модели на условную нагрузку раскрывает соответствие между теоретическим и фактическим распределением усилий, корректирует задуманную методику расчета реальной конструкции.
Другая задача — определение математического соотношения между усилием и приложенной нагрузкой в зависимости от масштаба сооружения. Такое исследование позволяет после вычисления соответствующих модельных нагрузок сразу перейти к проверке прочности сооружения. В качестве примера можно привести испытание модели высотного здания, в котором все усилия от горизонтальной ветровой нагрузки должны были воспринимать так называемые элементы жесткости — поперечные стены, лестничные клетки, лифтовые шахты, с тем расчетом, что железобетонные рамы основного каркаса будут работать только на вертикальные нагрузки.
Исследование модели в у50 натуральной величины показало, что элементы жесткости воспринимают только 85% горизонтальной нагрузки, остальные 15% все-таки передаются на стойки и ригели рам каркаса, который пришлось пересчитывать заново.
Выводы таких испытаний используются не только для корректировки расчетов конкретных конструкций. Они — а это даже важнее — обобщаются для проверки теоретических методов определения прочности будущих конструкций и сооружений.
Больше того, используя результаты многочисленных опытов на моделях, математики разрабатывают методы теоретического моделирования различных процессов, и сегодня некоторые экспериментальные исследования ведутся не на испытательных стендах и полигонах, а на электронно-вычислительных машинах. Это направление работ чрезвычайно перспективно, и тут можно ожидать весьма интересных результатов.
Разумеется, ошибки могут быть заложены не только в неточности расчетов или в неполноте исходных данйых для их проведения. Ошибки могут оказаться и в теоретическом обосновании, в рабочей гипотезе, моделирующей явление.
Классическая задача. Почти два с половиной столетия назад замечательный русский ученый, математик, физик, астроном Л. Эйлер поставил и теоретически разрешил задачу об устойчивости сжатого стержня, того самого, о котором мы уже упоминали. Ее суть — поиск критического для данного стержня усилия, которое может нарушить первоначальную — прямолинейную — форму равновесия. Критического потому, что после него эта форма иногда еще существует, но в расчетах не учитывается, потому что стала неустойчивой, может в любой момент подвести строителя.
Через полтора века, в 1908 г., немецкий ученый Лоренц усложнил задачу, заменив стержень тонкостенной цилиндрической оболочкой. И тоже решил ее — теоретически, — установив силу, критическую для устойчивости такого рода тел. Надо сказать, что достоверное решение задачи Лоренца имеет большое значение не только для строителей, которым приходится рассчитывать и возводить разные колонны, трубы и мачты, но и в авиации, в кораблестроении, ракетостроении. Ведь фюзеляж самолета, корпус ракеты или подводной лодки — это и есть цилиндрическая оболочка, испытывающая огромные осевые сжатия при движении ракеты или лодки.
Важность задачи стала причиной большого числа экспериментальных проверок теории Лоренца. И все они показывали, что фактическое критическое усилие, нарушавшее первоначальную прямолинейную форму равновесия, примерно вдвое-втрое ниже теоретически предсказанного.
На первых порах конструкторы просто приняли больший запас прочности в соответствующих расчетах, предоставив ученым доискиваться причин расхождения теории и практики и искать пути снижения степени запаса.
Исследование представляло значительный интерес, поскольку и теория, и многочисленные эксперименты показали: разрушение конструкции могло произойти в разных случаях, т. е. задача имела не единственное решение. Причем неопределенными были не только критическая величина нагрузки, но и возможная величина деформации.
Были разработаны разные гипотезы, объясняющие явление. Например, интересная теория известных ученых Цянь Сюэсеня и Т. Кармана, обосновавшая неизбежность превышения теоретических пределов устойчивости оболочки над фактическими влияниями внешней среды. Предположения Цяня — Кармана подтверждались приближенными теоретическими расчетами. Упрощенными потому, что в 30-е годы, когда была выдвинута эта сложнейшая по математическому аппарату теория, ее точный расчет был немыслим. Только в конце 50-х годов, когда на вооружение ученых поступила электронно-вычислительная техника, появилась возможность выполнения уточненных расчетов. И оказалось, что теория неверна.
В эти же годы сформировалась другая точка зрения на проблему. Она объясняла расхождение теории и практики тем, что реальная геометрия тела далека от идеальной теоретической — стенки цилиндра имеют различные искривления, составляющие всего 1:10, даже 1:100 толщины оболочки. И вот эти-то, малые, в общем, геометрические погрешности столь сильно снижали рассчитанные Лоренцом значения критической силы.
Первыми подтвердили эту точку зрения опыты. Улучшение технологии изготовления оболочек, применявшихся для испытаний, сразу уменьшило разрыв между лоренцовской и экспериментально найденной критическими силами.
Но для практики рафинированные методы изготовления опытных образцов были непригодны — надо было ввести в теоретические расчеты учет изначальных неправильностей формы будущей мачты или колонны. Это — новая задача. Дело в том, что угадать заранее реальный начальный прогиб будущего сооружения нельзя — погрешности формы имеют ярко выраженный случайный характер, зависят от тысячи причин, которые невозможно предсказать, хотя бы потому, что их так много.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
