Невидимый конфликт

Оксанович Людмил

При напряжениях около 200 кг/см² при сжатии рабочая диаграмма начинает обнаруживать пластические свойства материала: напряжения приблизительно постоянны, а деформации интенсивно нарастают. Материал в зоне сжатая элемента подвергается изгибу, начинает течь. В конечном счете после верхних, наиболее нагруженных слоев силовому воздействию начинают уступать и нижние слои. Этот процесс предполагает, что напряжение в уже пластифицированных волокнах не изменяется, хотя сопротивление всего сечения растущему внешнему моменту увеличивается за счет пластификации и «уступок» все новых и новых слоев в зоне сжатия. В конце концов, диаграмма напряжений сжатия изменяет свою форму так, как показано на рис. 12.

Посмотрим, что происходит в это время в зоне растяжения. По рабочей диаграмме напряжений при растяжении можно

видеть, что дерево не обнаруживает существенных пластических свойств вплоть до разрушения. Зависимость между напряжениями и деформациями в течение всего времени приложения нагрузки близка к линейной, а следовательно, закон Гука остается в силе. Диаграмма напряжений в зоне растяжения сохраняет форму треугольника.

Непосредственно перед разрушением на открытой поверхности зоны сжатия наблюдается характерное сморщивание — волокна начинают искривляться. Зона сжатия сильно пластифицируется, кривизна изгиба увеличивается и происходит разрушение со стороны … Как это ни парадоксально, но разрушение происходит не со стороны наиболее слабого звена, каким в данном случае является зона сжатия. При соотношении предельной прочности 2:1 — 3:1 в пользу растяжения (для большинства видов древесины) пластификация зоны сжатия приводит к резкому увеличению напряжений в зоне растяжения, которые вскоре превышают предельное сопротивление растяжению. Разрушение начинается именно с разрыва хрупких растягиваемых слоев, а не пластичных сжимаемых волокон.

Итак, нормальные напряжения в древесине, работающей на изгиб, достаточно сильно отличаются от идеальной картины. Однако это не мешает на практике пользоваться идеализированной картиной: линейным, треугольным распределением напряжений по высоте сечения, когда за расчетные сопротивления принимаются условные, средние напряжения как в случае применения однородного материала. Определение этих значений производится в лабораториях по испытанию строительных материалов после многочисленных опытов с экспериментальными изгибаемыми образцами и статистической обработки результатов.

Следует отметить, что на древесину, а вернее на ее прочность весьма существенное влияние оказывает длительность нагрузки. Рабочие диаграммы на рис. 11, в сущности, характеризуют поведение дерева при кратковременных нагрузках (весь опыт продолжался примерно 15 мин). Однако если конструктивный элемент будет работать продолжительное время с напряжениями даже меньшими, чем его предельная временная прочность, то через несколько часов или дней он разрушится без всякой видимой причины. Поэтому для длительных нагрузок элементов рассчитывается так называемая длительная прочность, которая составляет приблизительно 70% временной прочности.

Но пора уже оставить магический круг абстрактных понятий и вернуться в мир реальных вещей. Какую древесину можно использовать для строительных целей? Главным образом хвойные породы — сосну, ель, лиственницу, секвойю, кедр, а также твердые лиственные — дуб, ясень, клен, граб, акацию, березу, бук, вяз. Иногда используются и мягкие лиственные породы дерева, такие как липа, осина или тополь.

Еще сравнительно недавно дерево занимало исключительно важное место в жизни людей. До появления каменного угля и нефтепродуктов оно использовалось как топливо, до появления стали и бетона — как строительный материал; когда не было легких металлов (сплавов) и синтетических материалов (пластмасс), его применение вообще было универсальным. Но естественный прирост лесов требует десятков лет и даже веков. А так как в течение длительного времени леса интенсивно вырубались, во многих географических районах планеты дерево стало крайне дефицитным материалом. Вследствие этого в Болгарии, как и в ряде других стран, деревянные конструкции находят весьма ограниченное применение. Изменится ли положение в будущем, зависит от того, насколько экономно будет расходоваться древесина, а также от мер, которые будут приняты для ускорения естественного воспроизводства лесов.

В принципе сейчас в строительстве используется лишь малая часть добываемой древесины, а для деревянных конструкций — совсем незначительная. Такое ограниченное применение деревянных конструкций объясняется не только и даже не столько дефицитностью лесоматериалов, сколько инертностью мышления. Очевидно, что экономить древесину надо в тех областях, где она используется в несравнимо больших количествах. В ряде случаев ее применение как материала для строительных конструкций уже сейчас экономически и технически целесообразно.

БЕТОН

Вряд

ли кто-нибудь станет отрицать, что бетон — «самый строительный» из всех строительных материалов. Он создан специально для нужд строительства, производится исключительно для целей строительства, и каждый миг его «биографии» и как исторического феномена, и как конкретного реального продукта тесно связан со строительством и рассматривается именно в рамках строительства.

Его нет необходимости представлять: кто не видел бетономешалки, сырого, еще не уложенного бетона и бетона, уже отвердевшего, принявшего соответствующую конструктивную форму? Его состав неимоверно прост — цемент, вода и заполнители типа песка и гравия. Вода вступает в химические реакции с цементом и образует новую структуру — так называемый цементный камень, которая связывает в единую массу инертные материалы. Так что качества полученного бетона в наибольшей степени обусловлены свойствами цементного камня и инертных материалов. В наибольшей степени, но не полностью, поскольку свойства бетона зависят также от метода приготовления, укладки и уплотнения смеси, а также от условий, в которых происходит ее твердение. Существует еще много других факторов, влияющих на качество бетона, но здесь теория и практика строительства пока не могут дать исчерпывающего объяснения.

Особенно важным является количество и качество (марка) используемого цемента, выбор которого зависит в конечном счете от характера конструкции. Это может быть пуццолановый портландцемент, шлако- портландцемент или глиноземистый портландцемент, однако чаще всего применяется обычный портландцемент марки не менее 300. Для прочности и деформируемости бетона особое значение имеет так называемое водоцементное отношение, т.е. соотношение весовых частей воды и цемента в 1 м³ бетона. Чтобы произошла химическая реакция между водой и цементом, достаточно, если это отношение будет равно 0,2 — 0,4. На практике при необходимости получения более подвижной пластичной смеси для удобства ее укладывания берутся водоцементные отношения до 0,8. Очевидно, что после схватывания в бетоне остается значительное количество лишней воды. Лишь малая часть воды оказывается химически связанной с зернами цемента, тогда как основная ее часть остается в капиллярах бетона и постепенно испаряется в течение всего продолжительного периода отвердевания. Бетон «ссыхается» (дает усадку) подобно дереву.

Усадка — это весьма неприятное свойство. Открытые поверхности, особенно в случае крупногабаритных элементов, в стремлении сжаться растрескиваются, в результате чего уменьшается прочность бетона на растяжение. Но если даже дело не доходит до появления трещин, налицо начальные растягивающие напряжения, которые вскоре увеличиваются под влиянием какого-либо другого фактора. Таким фактором может быть, например, изменение температуры.

В отличие от дерева бетон, так же как и сталь, имеет довольно большой коэффициент температурного расширения — 0,001%. Это значит, что при изменении температуры на 1°С деформации материала составляют 0,01 мм на 1 м его длины. При понижении температуры, когда тела стремятся сжаться, а этому что-либо препятствует, в элементах снова возникают опасные растягивающие напряжения.

Усадка и температурные деформации по ряду причин сильнее всего отражаются на длине элементов или конструкций. Но если природа температурных деформаций более или менее ясна, то с усадкой дело обстоит гораздо сложнее. Она наиболее сильно проявляется в первые дни и месяцы после укладывания бетона и постепенно ослабевает приблизительно в течение года. Об общем характере этого явления дает представление средняя величина деформаций (при средней влажности воздуха и средней температуре), равная приблизительно 0,03%. Если бы подобное свойство имела сталь, оно привело бы к возникновению начальных напряжений в 630 кг/см²! А эта величина составляет 1/3 расчетного сопротивления арматурной стали класса А-I! К счастью (или к сожалению), модуль «упругости» (почему здесь кавычки, мы увидим позже) у бетона значительно меньше и соответственно меньше напряжения усадки. Но во всяком случае этих напряжений достаточно, чтобы бетон растрескался. Предельная деформация бетона при растяжении (в среднем 0,015%) вдвое меньше, чем при усадке, и очевидно, что образование трещин, как правило, неизбежно.