Невидимый конфликт

Оксанович Людмил

Рис.39. Две возможные формы потери устойчивости рамной конструкции

Строительная практика преподносит нам много случаев, значительно более сложных, чем модель прямого сжатого стержня. Таким случаем являлись и колонны театра «Орфеум». У сложных систем не один, а несколько элементов могут потерять устойчивость (рис. 39), соответственно при различной по величине критической силе. Важнейшей из них, разумеется, является наименьшая. Именно поэтому необходимо все потенциально опасные элементы исследовать на потерю устойчивости. Искривление элемента в значительной степени зависит от рабочей

диаграммы материала, поэтому при исследовании стальных конструкций используются одни методы, при исследовании деревянных — другие, а при исследовании железобетонных — третьи. Действительность всегда намного сложнее идеализированных условий, в которых иногда рассматривается явление. Проблемы возникают разные даже в случае простого сжатого стержня. Во-первых, он никогда не нагружен точно по оси, чаще всего имеются и поперечные нагрузки, и изгибающий момент. Но даже если они и отсутствуют, какая-нибудь случайная (например, монтажная) внецентричность нагрузки вносит условия, которые становятся причиной будущего искривления элемента. Во-вторых, стержень никогда не бывает идеально прямым, поскольку еще при изготовлении ему придается определенная, хотя и незаметная на глаз кривизна. Некоторый локальный изгиб может произойти и во время транспортировки или монтажа. Не последнюю роль играют и нарушения условий эксплуатации. Известен случай, когда в цех надо было вкатить крупногабаритный груз, а этому всего на несколько миллиметров мешала стойка одной из рам здания. Рабочие ломом попытались «слегка ее отогнуть», и элемент потерял устойчивость, увлекая в катастрофу конструкцию на значительной площади цеха.

Рис.40. Потеря устойчивости в арочной конструкции

Рис.41. Потеря устойчивости в изогнутом элементе

Но на самом деле все обстоит еще сложнее, потому что потеря устойчивости представляет потенциальную угрозу для всех сжатых элементов и конструкций. Вопрос этот особенно важен для арочных конструкций (рис. 40), для некоторых плит, для большинства оболочек. Более того, может потерять устойчивость и изгибаемый элемент (рис. 41). Это одна из наиболее острых форм конфликта между конструкцией и нагрузкой … и даже, можно сказать, самый опасный вариант этой невидимой борьбы.

ДРАМАТИЧЕСКАЯ ФОРМА НЕВИДИМОГО КОНФЛИКТА

Летом 1940 г. успешно закончилось строительство большого висячего моста на р. Нероуз у города Такома (США, штат Вашингтон). Через несколько месяцев весть о нем облетела весь мир, а его короткая, но драматичная история послужила сюжетом для многочисленных очерков, нескольких книг и даже для одного художественного фильма. Пресловутый Такомский мост навсегда занесен в черную книгу истории техники как одна из множества жертв невидимого конфликта.

Его размеры: центральный пролет — 854 м, два боковых пролета по 336 м, ширина — 12 м (два дорожных полотна и два тротуара). Вся конструкция висела на двух стальных канатах диаметром по 438 мм. Еще одна важная особенность: высота балок жесткости на уровне дорожного полотна (стальные балки двутаврового сечения) составляла лишь 1/300 центрального пролета. Подобное малое поперечное сечение столь ответственных элементов еще и сегодня вызывает удивление.

В это время в технических кругах США уже носились слухи об опасном Уайтстоунском мосте. Его динамическая неустойчивость давала основания думать, что при определенных условиях может произойти и катастрофа. На этом тревожном фоне поведение моста на р. Нероуз внушало еще большие опасения; это был мост, по инженерной смелости претендовавший на уникальность, но еще во время строительства его путевое полотно обнаруживало значительные колебания даже при совсем слабом ветре — в иные дни амплитуда колебаний достигала полутора метров. В течение всех четырех месяцев своего существования мост, «оживавший» с каждым дуновением ветра, так и не был сдан в эксплуатацию.

Незадолго до «знаменательного» события специалисты приступили к спешным испытаниям модели Такомского моста

в масштабе 1:100 в аэродинамическом туннеле. Результаты были отчаивающие. При определенной, не очень большой, скорости ветра (64 км/ч) мост оказывался динамически крайне неустойчивым и к тому же попадал в резонанс. Необходимо отметить, что конструкция была рассчитана на статический напор ветра скоростью 173 км/ч (сильный ураган). Но это статический напор… Динамика же явления в то время еще не была выяснена.

Одним из фундаментальных положений строительной статики является условие, что нагрузки на конструкцию неподвижны и постоянны по величине и что конструкция нагружается медленно. Так медленно, что нет никаких динамических эффектов. Строго говоря, это положение неверно, но практически вполне удовлетворительно отражает невидимый конфликт в подавляющем большинстве случаев.

Динамическое воздействие полезной нагрузки такого рода, как люди, совершенно не учитывается. Поэтому основные конструктивные формы продиктованы почти исключительно соображениями восприятия и передачи неподвижных, статических нагрузок. Неслучайно, что и главные испытания конструкций проводятся с целью выяснения именно статических нагрузок.

Но поэтому же динамическое воздействие нагрузок, когда оно отчетливо выражено, дает неожиданный эффект. По механизму воздействия динамические нагрузки неисправимы с обычными статическими нагрузками, и, если пренебречь этой особенностью, последствия могут быть самыми неприятными, вплоть до катастрофы. Именно таким является случай с Такомским мостом.

Конструкторы приняли экстренные меры для улучшения аэродинамических характеристик моста (что является одним из методов смягчения конфликта до приемлемых границ). Из предложенных пяти видов защитных средств был выбран вариант с полукруглыми деревянными щитами, которые должны были монтироваться на уровне путёвого полотна на всем его протяжении. Но события опередили конструкторов.

7 ноября 1940 г. начал дуть ветер, средняя скорость которого составляла 67 км/ч. Мост раскачивался, как простыня, вывешенная для просушки. Частота волновых колебаний (сверху вниз) достигала 36 циклов в 1 мин. С двух берегов реки на мост были направлены десятки камер. К 10 ч утра частота колебаний снизилась до 10 циклов в 1 мин и два каната оказались в противоположных фазах: когда один бросало вверх, другой опускался вниз. Путевое полотно подвергалось сильному кручению, так что поперечный наклон достигал 45°. Ускорения отдельных его точек по величине напоминали естественное земное ускорение. Балки жесткости сильно изогнулись, подвески стали разрываться и на глазах смятенных очевидцев мост стал распадаться секция за секцией. Эта грандиозная катастрофа, хотя и без человеческих жертв, потрясла весь инженерный мир, И до сих пор она приводится в качестве примера динамического воздействия ветра, его пульсаций.

Динамический эффект состоит главным образом в том, что в отдельных точках конструкции возникают значительные ускорения. А так как речь идет об ускорениях определенных масс вещества, возникают силы инерции. (Вспомним второй закон Ньютона!) Силы инерции в зависимости от обстоятельств могут быстро меняться как по величине, так и по направлению, а часто и по месту их приложения. Впрочем, различные виды динамических нагрузок нам уже знакомы. К ним относится воздействие множества машин. Динамическими, по существу, являются и процессы, которые происходят в конструкции во время землетрясения. В этом случае ускорения передаются снизу, со стороны основания, которое вибрирует сложным, строго индивидуальным для каждого землетрясения образом.

Рис. 42. Одной из важнейших отметок в "паспорте" конструкции является ее собственная частота колебаний

До некоторой степени строительные конструкции можно сравнить со струнами музыкального инструмента. Когда рука дергает эти струны (рис. 42), они начинают колебаться с частотой специфической для каждой конструкции. Возникают даже звуковые колебания, и хотя мы не слышим этот инфразвук, он тем не менее прекрасно ощущается живыми организмами. Многие ученые считают, что немаловажной причиной паники во время землетрясений являются именно инфразвуки, которые издают колеблющаяся земная кора и здания и которые скрыто воздействуют на человеческую психику и физиологию.