ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

Конструкции

Нагрузка и прочность
Как правило, наиболее трудоемкая часть строительного процесса - возведение строительных конструкций. А как именно и из каких материалов их надо изготовлять, зависит от того, каково назначение конструкций и как они, по выражению строителей, "работают".

...По перекинутой через канаву доске уверенно пройдет человек, доска только немного прогнется. Но если тот же человек пойдет по той же доске, толкая перед собой тачку с грузом, доска может сломаться, не выдержав увеличившейся нагрузки.

Почему это происходит?

Под воздействием нагрузки форма конструкции изменяется (деформируется), и чем сильнее это воздействие, т. е. чем больше нагрузка, тем большие бывают деформации. До определенного момента происходит так: если нагрузку убрать, конструкция принимает свою первоначальную форму: например, прогнувшаяся доска выпрямится, когда человек сойдет с нее. Оказывается, под внешними воздействиями в материале возникают внутренние напряжения, которые активно им сопротивляются, и при прекращении действия нагрузки первоначальная форма конструкции восстанавливается. Но если напряжения в материале превышают его возможности к сопротивлению, иными словами его прочность, конструкция разрушается. Как этого избежать?

Можно, например, положить вместо доски толстый брус - прочность нашего простейшего мостика станет значительно больше, потому что увеличится количество воспринимающего внешнее воздействие материала. Можно выбрать более прочный материал - металл или железобетон. Ведь способность к сопротивлению внешним воздействиям у разных материалов неодинакова (вспомните, насколько легче порвать бумажную веревочку, чем медную проволоку той же толщины). Наконец, прочность в большой степени зависит и от формы конструкции. Всем известно, что доска, поставленная на ребро, способна воспринимать значительно большую нагрузку, чем та же доска, положенная плашмя.

Веками люди отрабатывали изобретенные в глубокой древности виды конструкций. Сначала преобладали однородные по нагрузкам и материалам конструкции, зачастую массивные. Простейшие каркасные (вверху слева) я стоечно-балочные системы (в середине слева) делались сначала деревянными, позднее стойки и балки стали делать из камня (внизу слева). Из камня и кирпича выкладывали арки и своды (вверху справа), купольные покрытия древних храмов (внизу справа).

Нагрузки бывают самые разнообразные: постоянные и временные, действующие в одном или нескольких направлениях, одновременно или в разное время; одни из них раскачивают сооружение, другие скручивают, третьи изгибают...

Если же учесть, что при выборе формы, размеров и материала будущей конструкции обязательно надо помнить о ее надежности, долговечности, экономии стройматериалов, удобстве выполнения работ и т. д., станет понятно, как трудно создать хорошую строительную конструкцию.

Опыт и расчет
Когда-то строители решали такие задачи только на основании собственного опыта, не пользуясь специальными справочниками и таблицами. Пробовали разные материалы, разные конструкции, отбрасывали неудачные решения, вырабатывали эмпирические (основанные на опыте) правила конструирования, передавая от отца к сыну, от мастера к ученику секреты профессии, постепенного уменьшения расхода строительных материалов.

В наши дни точный расчет в сочетании с применением целесообразных для изготовления каждой конструкции материалов позволил довести до большого совершенства давно известные строителям конструктивные формы. Современные купольные покрытия, своды и оболочки по своему решению превосходят самые смелые проекты прошлого. Средняя толщина железобетонного купола над зрительным залом театра в Новосибирске - всего лишь 8 см, или ¹/₇₅₀ диаметра. Для сравнения напомним, что толщина тридцатиметрового купола Софийского собора в Стамбуле, одного из самых совершенных сооружений раннего средневековья, составляет в среднем ¹/₅₀ диаметра.

Современная наука усовершенствовала старые конструктивные решения, предложила множество новых. Сегодня происходит "разделение труда" между различными материалами и конструкциями и все они работают по "своей узкой специальности". Мощный каркас многоэтажного здания (вверху слева) несет основные нагрузки; железобетонные складки (внизу слева) -перекрывают стометровые пролеты ; металлические конструкции позволили намного увеличить пролеты зданий (вверху справа), а подвесные конструкции позволяют делать мосты с километровым шагом опор (внизу справа).

Большое распространение получили сегодня конструкции, в которых "работа" отдельных элементов строго разграничена.

Так строятся, например, каркасно-панельные здания: каркас обеспечивает прочность и устойчивость здания, а навесные стеновые панели защищают расположенные внутри помещения от холода, дождя, ветра. Разные элементы дома в этом случае целесообразно делать из различных материалов: тяжело нагруженный каркас - из стали или железобетона, стеновые панели - из легких теплоизоляционных материалов. При таком разграничении уменьшается общий вес здания, упрощается его возведение, экономятся материалы.

"Разделение труда" между отдельными элементами конструкции особенно широко применяется во всевозможных висячих системах, которые позволяют наиболее полно использовать способность некоторых материалов, чаще всего металла, воспринимать большие растягивающие напряжения. Так выполняются покрытия больших зрительных залов, пролетные строения мостов.

Современные приемы конструирования позволяют создавать такие сооружения, о которых не смели и мечтать строители еще 100-200 лет назад.

Покрытия общественных и промышленных зданий, перекрывающие пролеты в 60-100 м, дома высотой в 60-100 этажей, мосты с километровыми расстояниями между опорами все чаще и чаще встречаются в строительной практике. А инженеры уже проектируют покрытия для 300-метровых пролетов зданий, небоскребы высотой 1 км, предлагают перекрыть в Альпах долину шириной 3 км.