Невидимый конфликт
Шрифт:
Сталь вошла в жизнь человека сравнительно поздно, причем не сразу. Сначала частичное применение нашел чугун. Вероятно, одной из первых цельнометаллических конструкций был Невянский завод на Урале (Россия), построенный в 1725 г. Первый чугунный мост был построен в 1779 г. на р. Северн в Англии. Но это были лишь особые случаи, так как металлургия была еще слабо развита, возможности чугуна весьма ограничены, а методы соединения отдельных элементов из этого принципиально нового для своего времени материала в целостную конструкцию не были разработаны. Строительство ждало нового материала, который коренным образом изменит сам облик строительства и поднимет его на качественно новую ступень. Строительство ждало стали.
В 1780 г. был создан метод получения пудлинговой (сварочной) стали, который в начале XIX в. был поставлен на индустриальную основу. В 20-х годах прошлого века решился вопрос соединения стальных элементов — появились заклепочные соединения. «Зеленая улица» для стали окончательно была открыта после создания
Тогдашним конструкторам было еще неизвестно, что расход материала на выполнение конструкций зависит не только от нагрузок и усилий, но и от формы отдельных элементов. Должно было возникнуть и развиться промышленное производство стальных элементов с оптимальной формой поперечного сечения, обеспечивающей надлежащую несущую способность при минимальном расходе материала. Трудность состояла в том, что сталь нельзя, подобно бетону, отливать непосредственно на строительной площадке, а также обрабатывать простыми инструментами подобно дереву. Однажды отлитая и прокатанная на металлургическом заводе, она должна использоваться в максимально «фабричном» виде, так как ее дополнительная обработка — резание, изгибание, соединение — весьма трудоемкое дело и требует применения специальной техники. Разумеется, когда подобная обработка неизбежна, она производится, но задача в том, чтобы свести ее к минимуму. Ряд наиболее распространенных в практике профилей наиболее целесообразно получать, когда «железо еще горячо», т.е: на прокатных станах металлургических заводов, вместо того чтобы собирать их из отдельных частей в мастерских или в цехах монтажа конструкций.
Эти несложные соображения были реализованы еще в конце ХVШ в., когда в Англии возникла идея промышленного производства профилированной стали. К 1819—1820 гг. там уже выпускались угловые, Т-образные и Z-образные элементы различной длины. Одно из наиболее удачных сечений — двутавровое — начали вьь пускать большими сериями во Франции в 1845 г. Постепенно этот процесс был охвачен государственными стандартами, профили приобрели более оптимальные размеры, и наконец, возникло современное производство прокатной стали. Можно сказать со всей определенностью, что нынешние конструктивные формы из этого замечательного материала обязаны своим существованием богатой гамме всевозможных прокатных профилей, которая позволяет создавать самые разнообразные их сочетания в соответствии с замыслом конструктора и требованиями конкретных условий.
Итак, изделия современной металлургической промышленности, которые попадают в руки строителя-конструктора, — это разнообразные виды горячекатаной стали (листовая сталь толщиной от 4 до 60 мм), а также стальные профили, получаемые холодным способом. Путем штамповки, изгибания или холодной прокатки из тонких стальных листов (1—4 мм) изготовляются тонкостенные профили сложного сечения с высокими экономическими и статическими показателями, которые находят широкое применение в конструкциях облегченного типа. На повестку дня была поставлена проблема соединения отдельных частей и элементов конструкций. По несущей способности, деформируемости и долговечности соединения непременно должны соответствовать классу материала, а в нашем конкретном случае даже быть классом выше.
Отсутствие подходящих соединений было одним из главных препятствий на пути развития чугунных, а позднее и стальных конструкций. Сначала появились болтовые соединения — метод, известный с древнейших времен. Сразу необходимо отметить, что современный вариант болтовых соединений следует считать анахронизмом только как идею, но не как техническое решение. Подобный вид соединений занимает важное место в строительстве не только наших дней, но и будет играть большую роль в будущем. Такое же положение и с заклепочными соединениями, которые, как уже было сказано, появились в 20-годах прошлого века. Но, несомненно в наши дни наиболее важный метод соединения — сварка. Ее рождение можно датировать 80-ми годами XIX в., когда русские инженеры Славянов и Бернардос изобрели электродуговой способ соединения стали. Однако сварка стала достаточно широко применяться в строительстве только в 20-е годы нынешнего столетия, а в настоящее время достигла такого качества, многообразия и чистоты, что заслуженно была возведена в ранг фаворита. А если мы попытаемся заглянуть в будущее, то, вероятно, увидим много поистине нового и интересного — исключительно простые и надежные соединения стальных деталей, выполняемые путем склеивания синтетическими материалами. Исследования в этом направлении, и, надо сказать, довольно успешные, уже проводятся.
Ежегодно в мире производится 500 млн. т стали. Около половины этого внушительного количества приходится на долю низкоуглеродистых, мягких сталей. К ним предъявляется целый ряд сложных требований, которые даже нельзя сравнивать с первым трогательным нормативом, который был введен в далеком 1886 году и касался только величины временного сопротивления и деформаций. Оказалось, что очень важное значение имеют химический состав материала, методы плавления, литья и горячей обработки. Около 62% производимой в мире стали получается мартеновским методом, который был предложен еще в 1867 г. Существуют две разновидности мартеновской стали — кипящая и успокоенная. Кипящая мартеновская сталь — более дешевая, так как сразу после кипения ее выливают в специальные ковши, чем и завершается процесс ее получения. Но и качество ее ниже: в ней остается
Но как же обстоит дело с прочностью? Здесь происходит такой рост, который вряд ли возможно остановить. Когда в 1826 г. француз Навье ввел фундаментальное понятие «допустимое напряжение», он имел в виду мягкую сталь с пределом текучести 1800 кг/см2. Шестьюдесятью годами позже в Нью-Йорке был построен Бруклинский мост (висячая система) . Его канатные связи имеют предельное сопротивление 11 000 кг/см2. Канаты моста Джорджа Вашингтона в Нью-Йорке, построенного в 1931 г., обладают предельным сопротивлением уже в 15 000 кг/см2. Современные методы термической и термомеханической обработки позволяют получать стали с пределом прочности до 35 000 кг/см2! А специалисты считают, что это еще далеко не предел…
Наряду со своими неоспоримыми достоинствами сталь как строительный материал имеет и недостатки, которые серьезно ограничивают область ее применения, а в ряде случаев делают его совсем невозможным. Большим минусом является, например, подверженность атмосферным воздействиям. Было бы излишним объяснять, что такое коррозия. Ежегодно коррозия, против которой нет единого рецепта, наносит огромный ущерб; в мире безвозвратно исчезает, как бы растворяясь в воздухе, несколько миллионов тонн стали. Стальная конструкция, оставленная без всякого покрытия, даже при самых благоприятных условиях эксплуатации за короткое время превратится в изъеденный ржавчиной скелет, готовый рухнуть в любой момент. Стальные конструкции требуют постоянной заботы, их необходимо регулярно покрывать антикоррозионными составами в течение всего срока эксплуатации.
Но, к сожалению, это еще не все. Сталь подвержена воздействию высоких температур. Сравнительно большой коэффициент температурного расширения, с одной стороны, и высокий модуль упругости, с другой стороны, при высоких температурах и ограничении свободных деформаций становятся причиной возникновения значительных внутренних напряжений в элементах стальных конструкций. Но это еще полбеды. При температуре свыше 200°С прочность материала резко уменьшается, и при роковом стечении обстоятельств могут последовать весьма печальные события. Пожар в здании со стальной конструкцией — такая ситуация, которой лучше не допускать. Не случайно противопожарные меры в небоскребах напоминают меры, которые принимаются конструкторами самолетов или обитаемых космических кораблей.
Сталь — материал дорогой. Ее производство связано со значительными капиталовложениями, оно предполагает сложный технологический цикл и наличие высококвалифицированных специалистов. Изготовление самих стальных конструкций — тоже процесс не легкий, поскольку речь идет о материале, который, в отличие от других строительных материалов, должен обрабатываться специальными машинами и в заводских условиях. Так что даже один из главных полюсов стальных конструкций — индустриальные методы их производства — обусловлен технологическими трудностями. Другими словами, неоспоримые преимущества стали «покупаются» дорогой ценой.
«… НАС ОХВАТИТ УЖАС»
Самым древним строительным материалом является дерево. Первые инженерные сооружения человека — свайные постройки — были из дерева. Обилие леса на планете, простота получения и обработки с помощью самых элементарных инструментов способствовали тому, что в течение тысячелетий дерево было основным строительным материалом человечества.
Деревянное строительство достигло наивысшего расцвета во времена Римской империи. Этим периодом, в сущности, датируются известные и в наши дни конструкции пролетных строений, с помощью которых римляне «за один раз» перекрывали значительные расстояния между опорами, достигающие 23 м. Сохранились исторические свидетельства о большом деревянном мосте через Тибр в Риме (630 г. до н. э.), о мосте Юлия Цезаря на Рейне длиной в полкилометра, который был построен в 56 г. до н. э. всего за 10 дней, о мосте Трояна на Дунае, представляющем значительное достижение для своего времени (19 пролетов по 35 м каждый).
Второй период расцвета — эпоха Возрождения. Знаменитый итальянский архитектор Палладио предложил ряд новых и оригинальных конструктивных форм из дерева, которые далеко опередили технологические возможности своего времени и, по существу, явились прототипом некоторых современных конструкций. Настоящим «деревянным» бумом, однако, стала первая половина прошлого века. Благодаря этому легкому, прочному и упругому материалу строители перекрывали пролеты в 40—50 м при сооружении зданий и в 60—70 м — в случае мостовых конструкций. Это было триумфом строительной практики и мощным стимулом развития теоретической инженерии.