Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Апокалипсис хаоса


Апокалипсис хаоса

Сама технология укладки бетона обусловлена его исключительными архитектурными и конструктивными возможностями: он принимает такую форму, какую мы только пожелаем. Пластичность бетонной смеси позволяет сравнительно легко облечь в плоть наиболее рациональные конструктивные решения, самые эффективные архитектурные замыслы. В этом отношении он единственный, бесценный, незаменимый.

Одна приятная особенность — с годами прочность бетона при благоприятных условиях не только не уменьшается, но даже возрастает. Это свойство делает железобетонные конструкции самыми долговечными, рассчитанными чуть ли не на века. При этом для бетона (за исключением сборных конструкций) не существует проблемы соединений, которая так важна для стали и дерева. Конструкция изготовляется целиком, монолитно и, по существу, представляет собой единый искусственный камень сложной формы с большой несущей способностью. Монолитность обеспечивает значительную жесткость и высокое общее сопротивление опасным горизонтальным усилиям при землетрясениях и ураганах.

Но важно, какой ценой покупаются все эти заманчивые качества. К радости человечества и славе бетона — весьма низкой. Хотя его механические характеристики значительно хуже, чем у стали, но ведь и их стоимость несопоставима. Здесь бетон “берет верх“ во многих отношениях. Прежде всего понятие “дефицитность” к нему просто неприменимо: в его состав входят те материалы, которые имеются везде. Что же касается наиболее тонкого и качественного компонента —. цемента, то его производство во много раз проще и дешевле, чем производство стали.

После такого “коктейля” из физических, механических, технологических и экономических показателей бетона не может не возникнуть вопрос: что же такое в конце концов бетон?

Если ответ должен быть кратким и ясным, он будет звучать так: самое грубое и неоднородное тело, созданное человеком.

Разные по величине зерна песка и гравия, связанные в произвольную структуру цементным камнем, совершенно хаотично расположенные крупные и мелкие частицы, поры и пустоты, заполненные водой и воздухом, микротрещины и капилляры — вот что такое бетон.

Истинный апокалипсис случайности и хаоса, необычайно далекий от идеально упругого, изотропного и однородного тела – любимца строительной механики.

Рис. 13. Закон Гука “в немилости”: перед его раскрытыми от ужаса глазами рабочая диаграмма самого грубого и неоднородного тела, созданного человеком, причем при кратковременной нагрузке

Если вообще понятие однородности применимо к бетону, то его сущность можно определить так: бетон исключительно однороден в своей неоднородности. С течением времени и под действием нагрузок он изменяет свои механические свойства, ползет, дает усадку, разбухает, нормально работает, несмотря на наличие трещин ...

Неоднородная структура бетона, изменение его свойств с течением времени и значительные пластические деформации создают огромные трудности для исследователей. Давайте посмотрим диаграмму его работы на сжатие (рис. 13). Нет и следа пропорциональности между напряжениями и деформациями: рабочая кривая сильно изогнута. При таком положении разговор о модуле упругости бетона будет беспредметным. Гораздо правильнее было бы назвать его деформационным модулем. Он явно представляет собой переменную величину: значение его различно при разной степени напряжения. Это отчетливо видно и на диаграмме а—е. Каждая точка кривой имеет свою, индивидуальную касательную. Вывод будет ясен, если мы вспомним, что угол, который касательная образует с горизонтальной осью, и есть геометрическое выражение деформационного модуля в соответствующей точке.

При снятии нагрузки определенная часть деформаций исчезает, но только определенная часть. Это – упругая деформация. Так же, как у сталей, но только в значительно более явной форме сохраняются необратимые деформации, вызванные изменениями в структуре материала. Малая часть из них ~ тоже, как у стали, – через некоторое время восстанавливается (упругое последействие), но в основном это окончательные, необратимые пластические деформации.
Теперь посмотрим, что происходит при многократно повторяющихся нагрузках. В таком режиме работают балки под электрические мостовые краны, конструкции некоторых мостов и эстакад, фундаменты под машины и турбоагрегаты.

Многократные “приливы” и “отливы” силовых воздействий, несомненно,отражаются на поведении такого неоднородного упрутопластичного материала, как бетон.

Если нагрузка возрастает до уровня относительно малых напряжений и сразу после этого снимается, то в конце каждого цикла остается определенное количества необратимых пластических деформаций. После многих таких циклов пластические деформации наслаиваются одна на другую, постепенно достигая общей величины, при которой пластический потенциал материала исчерпывается. Когда исчезают все люфты материала, он начинает работать как однородное упругое тело и его рабочая диаграмма выглядит как прямая линия.

Однако если нагрузки возрастают до уровня относительно больших напряжений, после определенного числа повторных нагрузок материал разрушается.

Рис. 14. При длительной нагрузке картина еще более ужасная: бетон имеет четко выраженную склонность к “ползучести”

Рис. 15. Список парадоксов бетона почти бесконечен. Так, например, его прочность на сжатие обусловлена его . . . сопротивлением растяжению

В этом случае пластические деформации, постепенно нарастая до большой величины, достигают предела, за которым может следовать только разрушение. Максимальное напряжение, при котором материал работает по первоначальной схеме без разрушения, называется пределом выносливости, или пределом усталости. Определение усталостной прочности имеет большое значение для конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам: их проектирование осуществляется на основании именно этой характеристики. Однако необходимо, чтобы число рабочих циклов достигало почти двух миллионов.

До сих пор речь шла о кратковременных – однократных или многократных — нагрузках, при которых пластические деформации достаточно отчетливо выражены. Что же произойдет, если на каком-либо этапе нагрузка будет более длительной? Именно таким образом действуют постоянные и многие временные нагрузки.

Тогда картина будет еще менее приятной (рис. 14), Всякая задержка нагрузки приводит к ползучести – к увеличению деформаций при постоянных, фиксированных напряжениях. Это явление наблюдается и в случае применения сталей, хотя и в более ограниченных масштабах. В реальных конструкциях деформации ползучести крайне нежелательны, но абсолютно неизбежны. Причем они тем больше, чем выше фиксированные напряжения и чем ниже марка бетона. Сильнее всего ползучесть проявляется в первые 4—5 месяцев после нагрузки, а через несколько лет почти затихает. Следует отметить, что величина деформаций этого рода в четыре-пять раз выше величины упругих деформаций,

Ползучесть, в отличие от усадки и температурных деформаций, наблюдается только при наличии нагрузки. Причем деформации в этом случае являются не пространственными, а линейными (в направлении силового воздействия).

Все, что было сказано до сих пор, касается напряжений и деформаций при сжатии. Почти так же ведет себя бетон и при растяжении с той лишь разницей, что его сопротивление растяжению почти в 10 раз меньше, чем сопротивление сжатию. А это весьма существенное различие … Именно роковое соотношение 1 : 10 в пользу сжатия определяет почти все особенности и парадоксы не только бетона как материала, но и выполненных из него конструкций (рис. 15).

В качестве примера возьмем хотя бы характер разрушения образца, подвергающегося сжатию. Это может прозвучать неожиданно, но разрушение обусловлено исчерпанием резервов прочности на растяжение, а не на сжатие. Прочности на растяжение, но только в поперечном направлении ... Каждая пора или пустота в бетоне (а их бесчисленное множество) может рассматриваться как отверстие в однородном материале, вокруг которого происходит неизбежная концентрация напряжений. Перпендикулярно силовому воздействию возникают деформации (боковое расширение) и, следовательно, боковые напряжения расширения. Именно это вторичное силовое поле в основном решает судьбу элемента, подвергающегося сжатию. Сначала образуются внутренние микротрещины, которые затем расишряются, и материал сжатого бетонного образца разрушается.

Роковое соотношение 1 : 10 в пользу сжатия определяет и необычную работу бетона и железобетона на изгиб. Из-за относительной слабости растянутой зоны (а также из-за ее особой склонности к пластическим деформациям) прежде всего происходит ее пластификация: крайние, наиболее нагруженные слои начинают течь при фиксированном напряжении, а их примеру вынуждены последовать и внутренние слои. В конечном счете во всей растянутой зоне устанавливаются почти постоянные напряжения, а их диаграмма из треугольника превращается в почти правильный прямоугольник. Поэтому аналогичные напряжения сжатия значительно ниже возможностей бетона, вследствие чего в сжатой зоне пластификация почти не проявляется. Диаграмма напряжений сохраняет линейную, треугольную форму, в силе (с известными оговорками) закон Гука.

При увеличении изгибающего момента разрушение наступает со стороны растянутой зоны — она растрескивается, и элемент ломается. Однако, если вся растягивающая сила будет восприниматься сталью (что имеет место в железобетоне), элемент, несмотря на исключение растянутой зоны собственно бетона, сохраняет способность сопротивляться изгибу; более того, эта способность проявляется в своих истинных размерах. В конечном счете начинает наконец пластифицироваться и сжатая зона. Это происходит с того момента, когда диаграмма напряжений сильно приближается к форме прямоугольника.
Помимо прочности на растяжение и сжатие бетон обладает также прочностью на изгиб, срез, смятие и истирание. Каковы силовые воздействия, такова и прочность бетона. В отличие от древесины у бетона эти характеристики одинаковы во всех направлениях. Их величина определяется в лабораторных условиях после испытания большого числа образцов. Однако неоднородная структура бетона оказывает сильное влияние на устойчивость этих характеристик. Разные результаты получаются даже при испытании одинаковых образцов из бетона одного качества, одного возраста и одинаковых условий “дозревания”.

Поэтому график на рис. 13 следует воспринимать как весьма условный. Он относится к некоему среднестатистическому образцу, которого реально вообще может не быть в серии. Примерно при восьмом опыте разрушение наступило при напряжении 170 кг/см2, а при 88-м – при напряжении 110 кг/см2. Варианты среднего значения приданной степени вероятной надежности даются с так называемым коэффициентом однородности. У сталей этот коэффициент близок к единице, тогда как у бетона его величина составляет 0,5-0,6, что тем не менее воспринимается чуть ли не с восторгом.

Точно такое же запутанное положение и с деформациями. Средняя деформация разрушения при сжатии (см. рис. 13) равна 0,2%. Но ведь деформации такого порядка у стали и дерева являются рабочими, конструктивно целесообразными! Следовательно, в отличие от этих двух материалов, которые с деформационной точки зрения реализуют 50—60% своих возможностей, бетон может работать в элементах и конструкциях в пределах всей своей рабочей диаграммы без опасности чрезмерных деформаций и провисания. Поэтому из бетона можно “выжать” все, на что он способен (разумеется, в рамках регламентированной степени надежности) .

В результате экспериментов установлено, что независимо от скорости нагрузки конечные деформации в бетоне остаются одинаковыми. Просто при быстром увеличении и последующем сохранении нагрузки создается возможность сравнительно независимого проявления сначала упругих, а затем пластических деформаций (см. рис. 14), тогда как при плавном, постепенном нагружении материала два вида деформаций (упругие и пластические) проявляются одновременно, и рабочая диаграмма представляет собой сильно изогнутую кривую (см. рис. 13). Однако в обоих случаях разрушение происходит при предельной деформации сжатия, которая в среднем составляет 0,2%. При нагрузке на растяжение предельная деформация приблизительно равна 0,02%, да и то лишь у бетона достаточно высокой марки. Если теперь мы разделим одну из приведенных величин на другую, то получим роковое отношение 1 : 10 в пользу сжатия.

Основной прочностью бетона считается так называемая кубиковая прочность. Согласно стандартам НРБ, образцами для испытания бетона служат бетонные кубики со стороной 20 см, выдержанные при температуре 15—20°С и влажности воздуха около 60%. Образцы испытываются на сжатие на 28-й день после изготовления. Полученная прочность определяет так называемую марку бетона. Стандартными марками обычного тяжелого бетона, согласно нормам НРБ, являются: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600. Например, бетон марки 200-это бетон, стандартные кубики которого при испытаниях обнаружили среднюю прочность 200 кг/см2.

При проектировании марка бетона выбирается в зависимости от характера конструкции и технико-экономических условий. Для чисто бетонных элементов и конструкций (основания, фундаменты, подпорные стенки и т. д.) чаще всего используется бетон марок 150-200, для обычных железобетонных конструкций – 150-200, реже 300, а для предварительно напряженных конструкций – 400 и выше.

В заключение разговора о бетоне еще раз подчеркнем, что его главное достоинство – высокая прочность на сжатие, а основной недостаток -низкое сопротивление растяжению. Но, как мы убедимся позже, эта “болезнь” излечима, поскольку в наши дни в строительстве наиболее широко применяется не обычный, а армированный бетон, т. е. железобетон. И если часто бетон, армированный сталью, называют материалом X в. это не преувеличение, так как именно из железобетона строится основная часть всех зданий и сооружений на нашей планете. В замыслах, проектах и реализованных конструкциях он приобретает формы, которые невозможны при использовании любого другого материала, – формы, которых не знает ни природа, ни история. Подобно тому как дети лепят из пластилина самые необычные фигурки, инженер-строитель “лепит” из этого замечательного материала свои конструкции, воплощает свои новые идеи, реализует в нем свои концепции. В этом таинственном процессе сложнейшим образом переплетаются соображения красоты и надежности, рациональности и технической целесообразности. Здесь человек должен быть одновременно скульптором, физиком и инженером. Разве неприятно облекать свои идеи в подходящий пластичный материал, который быстро превращается в прочный монолит? Этот процесс более чем приятен — он восхитителен.





Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум