Невидимый конфликт

Оксанович Людмил

Специально для нужд строительства из стали создан ряд вантовых (канатных) и мембранных (висячих тонкостенных) конструктивных форм. Принцип натягиваемых поверхностей (мембран) был впервые применен известным русским инженером В. Г. Шуховым, по проекту которого в 1896 г. было выполнено покрытие большого павильона Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде. Через 45 лет американец Сейс спроектировал висячее покрытие для одного из павильонов всемирной выставки в Нью-Йорке, а знаменитый Фрэнк Ллойд Райт разработал несколько висячих систем для покрытия спортивных залов. Однако два последних проекта остались неосуществленными. В сущности, первым примером большого сооружения с вантовым покрытием следут считать зал в Роли (Северная Каролина, США). Опыт последующих лет убедительно доказал прогрессивность этого рода систем, в которых наиболее полно используются возможности специальных высокопрочных сталей. В настоящее время они довольно широко применяются в СССР, США, ФРГ, Японии, Франции и других странах. В Ленинграде мембранное

покрытие выполнено над универсальным спортивным залом (пролет 160 м). В Болгарии вантовое покрытие имеет спортивный зал в Варне.

Трудно рассказать подробно о множестве типов и видов висячих конструкций покрытия. В некоторых из них преобладает плоскостное действие, и они состоят из отдельных, независимых висячих систем (как в случае висячих мостов). Но большинство таких конструкций действует пространственно. Такой эффект достигается благодаря системе взаимно пересекающихся канатов или с помощью мембран — поверхностей из тонкой листовой стали. В отличие от оболочек висячие системы не обладают прочностью на изгиб, они сильно деформируются. Речь идет не о мелких упругих деформациях, которые связаны с работой материала, а о чисто геометрических и гораздо более сильных деформациях (точнее, смещениях), которые претерпевает система в стремлении обрести новое равновесие при изменении внешней нагрузки. Поэтому часто, как и в случае висячих мостов, проектируются специальные усиливающие (ужесточающие) конструкции в целях обеспечения большей динамической устойчивости.

Но вернемся к железобетону. Среди множества видов современных оболочковых конструкций есть один особый, который обладает практически неограниченными конструктивными и эстетическими возможностями, — волнистые оболочки. Бесконечное разнообразие их форм не сможет уместиться ни в какую классификацию. В виде волнистых оболочек могут быть выполнены все типы тонкостенных конструкций. При этом во много раз расширяются возможности распространенных криволинейных форм, так как значительные массы материала выносятся с основной, нейтральной поверхности и располагаются над и под ней, вследствие чего, как и в случае применения балок, достигается большая жесткость и прочность на изгиб. В этом отношении особенно замечательны так называемые призматические или складчатые оболочки. Как можно судить уже по названию этих конструкций, они состоят из призм, образованных отдельными плоскими элементами, что обеспечивает значительные технологические выгоды. В отличие от плит, которые работают из своей плоскости, плоскостные элементы призматических оболочек работают в плоскости своего сечения главным образом с нормальными и сдвигающими усилиями. О преимуществах такого действия говорить уже излишне. Здесь обнаруживается большая жесткость и несущая способность волнистых оболочек при более простой форме. Этот технологический плюс в ряде случаев счастливо сочетается с оригинальным эстетическим звучанием.

Несколько смущает то, что потребителем этих новых, смелых и эффективных конструктивных форм является только уникальное строительство. Самые интересные и яркие решения действительно встречаются при возведении таких уникальных сооружений, как зрительные залы, ангары и т. п. Однако в области промышленного строительства они могут применяться достаточно широко. Благодаря применению современных оболочек для зданий с сеткой колонн приблизительно 15x40 м можно добиться значительного сокращения расхода бетона и стали. При соответствующей типизации тонкостенных пространственных систем и индустриализации процесса строительства замена ими классических плоскостных несущих систем может дать большой технико-экономический эффект. Так, например, в СССР, в Ленинградском экономическом районе, только за три года было построено 200 000 м² тонкостенных конструкций покрытия с сеткой колонн от 18x18 до 36x36 м. В Англии около 10% всех промышленных зданий, построенных за последнее время, выполнено с покрытиями тонкостенного типа.

Но нам уже пора заканчивать разговор о пространственных конструкциях. Следует только заметить в заключение, что будущее безусловно принадлежит тонкостенным и висячим конструкциям покрытия, для которых настоящее — лишь скромная прелюдия.

ФЕНОМЕН ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Еще в 50-е годы его называли материалом века, и это определение недалеко от истины. Во всяком случае, к нему оно применимо в значительно большей степени, чем к пластмассам, специальным сплавам и другим искусственным материалам, с которыми у нас обычно ассоциируется представление о техническом прогрессе. История железобетона писалась одновременно с историей нынешнего столетия и оказала на нее огромное влияние, которое можно сравнить лишь с влиянием таких великих открытий, как автомобиль, радио, ядерная реакция. Его будущее — это и наше будущее. У железобетона нет конкурентов; он — единственное средство, позволяющее нам справиться с демографическим взрывом, ибо только благодаря этому материалу возможно массовое строительство.

ПРАВДА

О ЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ

Подавляющая часть зданий и сооружений на нашей планете построена из железобетона. Для его повсеместного распространения преградой не были ни климатические пояса, ни государственные границы, ни общественно-экономические условия. Он окружает нас всегда и везде. К его присутствию мы привыкли настолько, что почти не отдаем себе отчета о месте бетона в материальной культуре современного мира. А ведь он является тем столпом, на котором держится современное строительство. В нашей жизни он старательно скрывается за облицовкой и всевозможными покрытиями как нечто неприличное, чего не следует выставлять напоказ. А в сущности, мы должны им гордиться.

… Париж, 1855 г. Первая всемирная выставка. Среди кринолинов, цилиндров и фраков «доброго старого времени», рядом с огромным локомотивом Круппа и розовым монгольфьером последней модели затерялся, оставшись почти незамеченным, экспонат француза Ламбо — лодка из металлической сетки, покрытой цементом. Действие происходило под 50-метровыми стальными арками выставочного павильона, построенного специально для этого случая и являвшего собой чудо строительного искусства того времени. И это символично: под сводами из уже широко применяемого и сравнительно хорошо изученного материала — стали — скромно появился материал следующего века — железобетон.

Несмотря на такой документально засвидетельствованный факт, нынешние историки затрудняются назвать имя первооткрывателя этого исключительного материала. Сведений об отдельных изобретениях такого рода не так уж мало, но их половинчатый характер едва ли достаточное основание для присуждения лавров первооткрывателя. А ведь речь идет об открытии «столпа современного строительства»!

В 1861 г, француз Куанье опубликовал первую известную статью, посвященную будущему материалу. В статье описывались его предполагаемые возможности и подчеркивалось, что через некоторое время он займет ведущее положение. В 1967 г. Франция торжественно отмечала 100-летие железобетона, причем «героем дня» был садовник Монье. В 1867 г. он получил первый патент на необычайный симбиоз бетона и стали. Но история часто бывает несправедливой: запатентованные Монье армированные цветочные горшки, трубы и железнодорожные шпалы были эмпирическим продуктом, неким формальным железобетоном, который еще не был оплодотворен теоретической идеей. Она будет наполовину высказана только через 10 лет, а окончательно сформулирована еще 40 лет спустя, чтобы претвориться в жизнь в наши дни.

О бетоне мы рассказывали уже достаточно много. В сущности, это просто искусственный камень. Но, в отличие от природного камня, бетон может принимать различные конструктивные формы, застывать в самых необычных, нестандартных положениях, что делает его идеальным материалом для архитектурно-строительного творчества. С течением времени его прочность на сжатие (а она, как мы уже знаем, действительно каменная) не только не уменьшается, а, напротив, увеличивается. Хотя его рабочая диаграмма сильно отличается от рабочей диаграммы идеально упругого тела, но это не так уж страшно. Хуже то, что деформации реализуются не сразу после нагрузки, а медленно, постепенно, с течением времени; бетон ползет. Такая ползучесть бетона — весьма неприятное свойство, поскольку ведет к перераспределению усилий, которое трудно предусмотреть. Деформируемость бетона является причиной и другого типа перераспределения усилий, которое, в отличие от первого случая, оказывается даже желательным. Пластичность и «податливость» материала подобна аварийным клапанам в паровых котлах; благодаря этому опасность взрыва и катастрофы резко уменьшается. Более того, естественная «податливость» бетона приводит к более активному включению в работу слабо нагруженных сечений элемента, и конструкция используется более полноценно. Разумеется, поскольку это связано с пластическими деформациями, существует и оборотная сторона. Однако важнее другое — отсутствует опасность хрупкого, внезапного разрушения при работе бетона на сжатие.

Низкая цена и недефицитность бетона несколько омрачаются его исключительно малой прочностью на растяжение. Не трудно себе представить, где именно сильнее всего скажется это пренеприятное обстоятельство — в работе бетона на изгиб. Задолго до того, как будет полностью включена в работу зона сжатия и появятся описанные выше пластические явления, растягиваемая зона окажется на пороге разрушения.

А теперь несколько слов о «партнере» бетона — стали. Сталь — один из самых прочных материалов, известных человеку. Но и один из самых дорогих. В железобетоне используется почти исключительно прочность стали на растяжение, благодаря чему получается новый, сверходнородный композиционный материал. Замечательно в этом симбиозе то, что по сравнению со стальными конструкциями расход стали значительно снижается. Роль стали в железобетонных конструкциях подобна роли, которую играет в химических реакциях катализатор: относительно небольшие количества его превращают слабые или даже невозможные в иных условиях реакции в бурно протекающий процесс большого практического значения. Только в случае железобетона речь идет не о химических, а о механических свойствах. Минимальный расход такого дорогого материала, как сталь, не оказывает большого влияния на стоимость нового продукта. Железобетон несколько дороже бетона, но намного дешевле стали.