Науки и специальности (2) Железобетон

Однако перечисленные прикладные науки, при всей их необходимости и важности, являются лишь фоном, на котором сверкают две звезды первой величины: железобетон и сталь. Ибо эти материалы до такой степени господствовали в советском строительстве второй половины ХХ века, что прочих почти не заметно. Если же вспомнят о многочисленных кирпичных жилых домах в Москве, то ведь кирпич у них только снаружи, а внутри железобетонные перекрытия опираются на железобетонный каркас. Конечно, доныне строится много кирпичных будок, деревянных сараев и прочей мелюзги, но даже тут бетон, сталь и легкие металлы типа алюминия быстро отвоевывают позиции.

Поэтому всякий инженер обязан, наряду с сопроматом, владеть хотя бы основами расчета железобетонных и стальных конструкций. Но свойства двух этих материалов до такой степени противоположны, а расчеты столь ответственны и сложны, что редкий смельчак берется за то и другое сразу. Впрочем, это даже запрещено. В то время как большинство инженеров постоянно занимается бетоном (с примесью кирпича, фундаментов и т.п.), другие, объединенные в особые группы и даже в целые институты, специализируются на серьезных стальных конструкциях, традиционно считающихся более сложными и ответственными, чем железобетонные.

Наука "Бетонные и железобетонные конструкции" неспроста имеет двойное название, поскольку это действительно разные вещи. Чистый бетон (без арматуры) широко используется в массивных сооружениях типа плотин, фундаментов под тяжелые станки, оснований автострад, взлетных полос и т.п. Все же и здесь часто ставится небольшая арматура, чтобы не дать бетону потрескаться от усадки, пока он неравномерно затвердевает. Такую арматуру, устанавливаемую не по расчету, а из общих соображений, называют конструктивной.

Бетон, как и всякий камень, хорошо выдерживает сжатие, но легко раскалывается и рвется. Более того, даже сжатые конструкции на поверку разрушаются от… растяжения! Если мы возьмем резиновый мячик и надавим рукой сверху, он сожмется в вертикальном направлении - и растянется в горизонтальном. То есть сжатие мяча сверху вниз породило в нем расширение вбок. Это коварное свойство всех твердых тел называют вторичным полем напряжений. Когда бетонная колонна нагружена сверху чем-нибудь чрезмерно тяжелым, в ней, как в нашем мяче, как и в описанных мною раньше кирпичных стенах, возникает поперечное расширение. Тогда в бетоне рождаются вертикальные трещины, параллельные направлению сжатия, и по мере того, как они становятся все шире, колонна словно раздувается посередине и наконец лопается.

Что же касается изгиба, на который работают все горизонтальные конструкции (балки, плиты перекрытий и пр.), он также сочетает растяжение и сжатие, что легко увидеть на примере резинового шланга. Когда мы сгибаем его, внутренняя сторона морщится гармошкой от сжатия, тогда как наружная явно растягивается; середина же остается безучастной к нашим усилиям. А поскольку перекрытия нагружены сверху, то нижняя их часть пребывает в растянутом состоянии, а верхняя - в сжатом.

Одним словом, куда ни кинь, к любой конструкции прямо или косвенно подкрадывается растяжение, которое для бетона - смерть. Чтобы победить его, в ту часть конструкции, которая должна быть растянутой, устанавливают арматуру - круглые, большей частью рифленые стальные стержни высокой прочности. Они склеиваются с застывшим бетоном, стягивают его и не дают порваться.

Железобетон совершенно не подчиняется правилам сопромата и Теории упругости; он ведет себя так, как считает нужным, и потому почти все расчетные формулы для него - эмпирические (не выведенные из физики, а полученные опытным путем). Формулы эти на первый взгляд простенькие, но в каждой есть какой-нибудь коэффициент. Станешь искать его - и обнаружишь, что к нему также дана формула - уже со своими коэффициентами. Некоторые из них отыскиваются по громадным таблицам, другие снова определяются формулами, и не успеешь оглянуться, как завяз по уши.

В элементарных случаях, вроде простого изгиба, сжатия и т.п., дело решается быстро, но если конструкция попалась какой-нибудь хитрой формы или нагрузка приложена наискось, то коэффициенты лезут, словно татары на Илью Муромца. Еще сложнее температурный расчет - например, когда железобетонная стена нагревается с одной стороны, как это бывает в горячих цехах. Бетон там хочет расшириться, а холодная часть стены его не пускает. На этот случай разработаны толстенные инструкции, через которые пробиваешься, словно Ливингстон сквозь африканские джунгли. Почти столь же противен расчет прогибов; его по возможности стремятся избегать, однако если возникает угроза, что перекрытие провиснет колбасой, деваться некуда.

Расчет железобетона тем плох, что полчища коэффициентов и таблиц совершенно затемняют физическую суть дела - из них не видно, как будет реально вести себя конструкция. Поэтому сперва приходится все оценить на глазок, по здравому смыслу, и лишь потом браться за формулы.

Совершенно особой статьей является предварительно напряженный железобетон. Такие конструкции изготавливают на специальных заводах. Смысл их в том, что на место обыкновенной арматуры устанавливают еще более прочную и натягивают ее мощными домкратами. Тогда конструкция, еще ничем не нагруженная извне, испытывает сильнейшие напряжения внутри: насколько арматурные стержни натянуты, настолько же окружающий бетон сжат, - и как раз с той стороны, которая под настоящей нагрузкой должна испытывать растяжение. Эти начальные усилия, имеющие обратный знак, приплюсовываются к естественной прочности бетона.

Поэтому предварительно напряженные плиты перекрытий могут нести гораздо больше, чем плиты с обычной, не натянутой арматурой. Оборотной стороной медали оказывается повышенная хрупкость и несколько меньшая надежность. Этот класс конструкций настолько же ушел вперед от обыкновенных железобетонных, как те в свою очередь - от кирпичных стен прошлого века. Предварительно напряженные балки широко используют в пролетах мостов, а плиты - в перекрытиях цехов и большинства жилых зданий послевоенного времени.

Сталь

В противоположность строптивому железобетону, сталь в точности следует законам сопромата, который, можно сказать, для нее и создан. Поэтому всякий начинающий инженер терпеть не может железобетонные конструкции и радуется стальным, словно старому знакомому. Вскоре, однако, выясняется, что стальные конструкции имеют ничуть не меньше "прелестей", хотя другой природы.

Железобетон не подчиняется сопромату из-за того, что (а) состоит из двух отдельных частей - бетона и арматуры, и (б) по-разному выдерживает растяжение и сжатие (что сопроматом не предусмотрено). Сталь же однородна и любые усилия воспринимает одинаково. Она очень прочна, тяжела и - главное - имеет высокую стоимость. Поэтому из стали никогда не делают толстых прямоугольных брусьев, подобных железобетонным или деревянным балкам, а выгадывают каждый миллиметр, убавляя где только можно, так что все стальные конструкции выходят тонкостенными.

Обыкновенная стальная балка выглядит как две широких и длинных горизонтальных полосы (полки), между которыми вварена третья (стенка). Эти тонкие, слабые на вид листы выдерживают страшные напряжения, как минимум двадцатикратно превышающие те, что бывают в железобетоне. И первое, что они всегда хотят сделать, - это потерять устойчивость, т.е. выпучиться, как это хорошо видно на примере обыкновенного листа бумаги.

Поэтому дамоклов меч проектировщика - не пропустить какой-нибудь коварной детальки, вследствие смятия которой обрушится вся конструкция. Львиная доля его работы заключается в скрупулезном поиске таких мест, а поскольку они встречаются на каждом шагу и с каждым следует разбираться особо, расчет конструкции вырождается в бесконечный изнурительный "поиск блох". Любая махонькая железючка придирчиво рассматривается со всех сторон; если она недостаточно надежна, ее подпирают другими железючками поменьше, которые в свою очередь требуют проверки. Однако добавленные элементы изменяют работу конструктивного узла в целом, и теперь его надо проверять еще раз.

Другая беда стальных конструкций - стыковка их между собой. Принципиальных способов соединения три: заклепки, болты и сварка. Первые очень трудоемки и давно канули в историю. Вторые бывают грубыми, обыкновенными и высокопрочными. В любом случае под них приходится сверлить отверстия, которые значительно ослабляют и без того ненадежную конструкцию. Их можно располагать лишь в строго определенном порядке; к соединяемым элементам зачастую приходится крепить всякого рода промежуточные накладки, а что из этого выходит, хорошо видно на примере многих московских мостов, хотя бы Крымского.

Сварка, конечно, спасает от этих ужасов, зато привносит другие. Суть ее заключается в том, что два стальных элемента сплавляются воедино под действием электрической дуги, вроде маленькой молнии. Сварка бывает заводская (на станках) и монтажная; вторая обыкновенно выполняется пьяным рабочим, висящим на высоте вниз головой, и имеет очень сомнительную прочность. Сверх того, сварная дуга создает в соединяемых элементах огромные температурные напряжения, которые никто не умеет определять. Иногда из-за них всю конструкцию при остывании перекашивает; в других случаях образуются трещины.

Стальные конструкции употребляются в наиболее ответственных сооружениях - мостах, крупных цехах, большепролетных перекрытиях, где по тем или иным причинам невозможно применить гораздо более дешевый железобетон. В советские времена разрешение на использование стали давалось в очень высоких инстанциях и лишь по очень убедительным причинам.

Существует совершенно особая группа стальных листовых конструкций, к которой относятся всякие емкости - цилиндрические резервуары для нефти, шарообразные газгольдеры для сжатого газа, прямоугольные бункеры для сыпучих тел вроде цемента или зерна. Главной нагрузкой здесь является давление содержимого изнутри. Для того, чтобы из плоских стальных кусочков сотворить большой круглый шар, применяют любопытные выкройки.

Для многочисленных архитектурных элементов типа витражей, витрин, подвесных потолков и перил лестниц, а также для строительной мелочевки вроде уличных ларьков широко используют алюминиевые конструкции. Алюминий очень легок, хорошо выглядит, но дорог, непрочен и не любит сварки. Рассчитывать его следует по особым правилам, однако на практике подобной глупостью стараются не заниматься и делают все на глазок.