Невидимый конфликт

Оксанович Людмил

Коренным образом отличное от описанного выше — и гораздо более опасное положение складывается при применении хрупких материалов, таких, как все легированные и высокопрочные стали. Отсутствие предела текучести, по существу, лишает нас сигнала о том, что напряжения опасно возросли. При слабой деформируемости этих сталей разрушение наступает внезапно, без видимых внешних причин.

Заслуживает внимания тот факт, что один и тот же материал может разрушаться и хрупко, и пластично. Например, мягкие стали при низких температурах, при систематическом динамическом воздействии или при сложных конструктивных формах, которые ограничивают возможности взаимного смещения кристаллов в металле, могут разрушаться внезапно, т.е. хрупко. Поэтому конструктор обязательно должен

иметь в виду все эти особенности условий эксплуатации. В противном случае конфликт может завершиться победой внешних сил. А это значит, что катастрофа неминуема…

Дальше мы часто будем говорить о том, что материал «работает» или что конструкция «работает». Ставить кавычки в дальнейшем нет надобности, потому что это действительно так. Коль скоро мы говорим о напряжениях и деформациях, или о силах и перемещениях, очевидно, речь идет и о работе, ибо, как нам известно, работа есть произведение силы на величину перемещения точки ее приложения (в направлении действия силы). Если мы представим себе стальной прут с поперечным сечением 1 см² и длиной 1 м, на котором висит груз 2 т, то деформация будет равна 0,1% (арматурная сталь A-I). Но в этом случае деформация идентична перемещению в 1 мм. Если мы умножим силу на величину перемещения точки ее приложения, то получим работу, которая совершается при деформации стального прута: 2000x0,001=2 кгм. Такую работу совершают и внутренние силы в пруте, сопротивляющемся деформации. Такую же работу совершаем и мы сами, перенося груз в 1 кг на расстояние 2 м. Приблизительно такую энергию выделяет и 1000-ваттная электроплитка за 5 ч работы.

Но в нашем случае энергия является потенциальной и своей величиной обязана деформации. Площадка на диаграмме —, — в сущности, графическое выражение потенциальной энергии деформации материала, или — что то же самое — работы, которую должны совершить внешние силы, чтобы произошла деформация. Разумеется, в реальных конструкциях потенциальная энергия деформации несравнимо больше и по величине приближается к часовой производительности небольшой электростанции.

О ПОЛЗУЧЕСТИ, РЕЛАКСАЦИИ И ДРУГИХ ВЕЩАХ

Высокая прочность при сравнительно малой деформируемости в течение длительного времени (нескольких десятков лет) — так формулировали мы в начале главы три основных требования к материалам для строительных конструкций. До сих пор мы рассматривали в комплексе два первых требования, что является единственно возможным подходом, поскольку напряжения и деформации тесно связаны и взаимно обусловлены. О третьем условии мы как бы забыли. А ведь прочность и деформация не остаются постоянными с течением времени, и потому правильнее было бы все три фактора рассматривать вместе. Но именно это и самое трудное. Фактор времени все путает.

Ясно, что эксперименты с материалами не могут по своей продолжительности соответствовать реальным срокам эксплуатации зданий и сооружений. К сожалению, любая имитация фактора времени в лабораторных условиях сказывается на чистоте результатов. С другой стороны, результатов из естественной лаборатории жизни и практики надо ждать годы, а часто и десятилетия. Многое в этом сложном узле проблем уже известно, многое еще предстоит исследовать и уточнить. О некоторых свойствах сталей, связанных с фактором времени, мы поговорим сейчас.

Рис. 8. Даже самый идеальный из материалов далеко не идеален: он склонён к "ползучести". При постоянных, фиксированных напряжениях деформации с течением времени продолжают проявляться

Конструкции работают в режиме постоянной смены нагрузок: они непрерывно нагружаются, разгружаются, перегружаются и снова разгружаются. При данной степени нагрузки в данной точке устанавливаются определенные напряжения.

Нагрузка обычно держится дни, часы, месяцы. И тогда при постоянных напряжениях возникает деформация ползучести, которая, естественно, крайне нежелательна. Это можно увидеть на рабочей диаграмме —, представленной на рис. 8. (Почему диаграмма — названа «рабочей», надеемся, теперь понятно.) Явление ползучести на первый взгляд напоминает текучесть, но имеет место при напряжениях, которые меньше предела текучести, и деформации при этом значительно более ограниченные. Кроме того, процесс постепенно прекращается: в сталях, где ползучесть проявляется слабо, за 100—120 ч реализуется лишь около половины деформации ползучести. Чем выше фиксируемая величина напряжения, тем сильнее обнаруживает себя этот вид паразитической деформации.

Но со временем конструкция разгружается, напряжения падают. Для удобства будем считать, что они уменьшаются до нуля. Но, как можно видеть на рабочей диаграмме, деформации исчезают не полностью, что не характерно для идеально упругого тела. Вопреки отсутствию напряжений деформации сохраняются. С течением времени они без видимой причины начинают уменьшаться. Это интересное явление, которое называется упругим последействием, или гистерезисом, обусловлено особенностями структуры материалов. Но в любом случае деформация не исчезает полностью. Всегда остается необратимая пластическая ее часть. Это свидетельствует о длительных повреждениях в структуре материала.

Рис. 9. Релаксация - одно из самых неприятных свойств сталей

Для практики строительства значительно более важным оказывается другое неприятное свойство стали — релаксация. Оно проявляется в подвергающихся нагрузкам на растяжение и сжатие конструктивных элементах, концы которых закреплены неподвижно. На рис. 9 показан стальной прут, который растянут с неким известным напряжением, после чего зажат в неподвижных опорах. Хотя опоры остаются абсолютно неподвижными, напряжение в стали с течением времени начинает уменьшаться. В сущности, с релаксацией мы все часто сталкиваемся. Например, хорошо натянутая веревка для просушки выстиранного белья со временем начинает все сильнее провисать, пока не становится совершенно непригодной для использования. По той же причине туристские палатки надо время от времени заново натягивать, так как их веревки постепенно ослабевают.

Ползучесть и релаксация — это различные проявления одного и того же свойства материалов. Оно особенно ярко выражено у дерева и других материалов органического происхождения, но и в случае применения строительных конструкций неорганического происхождения не следует забывать об этих негативных явлениях. Релаксация имеет особенно важное значение для предварительно напряженных железобетонных конструкций, так как в этом случае непредвиденное ослабление напряженного элемента может резко снизить несущую способность конструкции. На первых этапах применения предварительно напряженного бетона, когда влияние релаксации еще не было достаточно хорошо изучено, целый ряд строительных аварий квалифицировался как необъяснимые случаи.

Итак, сталь… Самый жесткий материал с самыми устойчивыми во времени характеристиками. Она, несомненно, наиболее мощное оружие в руках инженера-конструктора. Благодаря ей можно перекрывать большие пролеты, чего не позволяет сделать никакой другой материал, можно создавать небоскребы и конструкции, надежные даже при самом тяжелом режиме эксплуатации. В силу ряда обстоятельств сталь также наиболее хорошо изученный строительный материал, самый однородный, самый упругий, который почти адекватен «стерильному» идеалу строительной механики. Поистине сталь незаменима во всех случаях строительной практики, когда демонстрируются огромные возможности конструкций при особенно сложных и ответственных условиях.