Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Фермы вчера и сегодня


Фермы вчера и сегодня

В последней четверти минувшего века произошел ряд крупных строительных катастроф с железнодорожными мостами. Первым инцидентом, который как бы дал старт всей веренице последующих событий, стала катастрофа, случившаяся 100 лет назад в США. Декабрь 1878 г. в большинстве штатов Среднего Запада был суровым с непрекращающимися снежными бурями, наметавшими огромные сугробы и усложнившими и без того трудное сообщение с удаленными районами. 29 декабря движение на трансконтинентальной железнодорожной линии совсем разладилось. Поезда двигались очень медленно. Точно в 8 часов на мост через р. Эйстебл вблизи одноименного города выехал экспресс “Нью-Йорк – Сан-Франциско”. Состав из 11 вагонов со скоростью 15-20 км/ч тянули два паровоза.

Когда до западного края моста оставалось не больше 10 м, машинист Я первого локомотива почувствовал, как что-то сильно тянет машину назад, и инстинктивно дернул рычаг регулятора пара. Машина устремилась щ вперед, быстро выехала на крайний устой моста, проехала еще 40-50 м и остановилась.

Рис. 19. На заре технической цивилизации – ферма системы Гау-Журавского

Оглянувшись назад, «машинист ужаснулся: не было ни второго паровоза, ни вагонов. Состав рухнул на дно каньона глубиной 20 м, где огонь быстро довершил дело. Вагоны отапливались обычными угольными печками, а почти вся отделка в них была из дерева. Из 158 пассажиров погибли 92, остальные были легко или тяжело ранены.

Для выяснения причин катастрофы была назначена специальная следственная комиссия. Судебное разбирательство продолжалось почти два месяца, пока наконец было вынесено документально подтвержденное заключение, что “при сегодняшнем неудовлетворительном состоянии теоретических и практических зданий в области строительства стальных мостов инженеры должны очень тщательно определять размеры и сечения элементов проектируемого сооружения”.

И все же открылось множество конкретных причин самого различного характера. Прежде всего были выявлены серьезные конструктивные ошибки. Балки, которые входили в состав верхнего (сжатого) пояса, не были связаны между собой и работали независимо одна от другой, что резко снизило несущую способность сжимаемой зоны как целого. Приблизительно так же обстояло дело и со сжатыми стержнями решетки мостовой фермы.

У этого моста была “дурная слава”. Когда за 11 лет до катастрофы завершилось его строительство и начали демонтироваться подпорные леса, конструкция стала угрожающе провисать. Стало ясно, что мост разрушается под действием собственной массы, и демонтаж лесов приостановили. Не предавая случившееся огласке, строители приступили к анализу причин аварийного‘состояния конструкции. Выявили погрешности как в проекте, так и в самом исполнении, которое было поручено неопытным лицам.

Когда в июле 1866 г. мост после усиления подвергся пробным испытаниям, на него было установление не шесть паровозов, как полагалось в подобных случаях, а только три. После испытаний большая часть провисания не восстановилась – деформации остались необратимыми. Несмотря на это, компетентными лицами состояние моста было признано удовлетворительным и вскоре он был сдан в эксплуатацию. Вся эта история – типичный пример того, к каким страшным последствиям может привести неудачный выбор конструктивной системы. Мост был выполнен по системе Гау-Журавского (рис. 19), созданной специально для нужд строительства из дерева и действительно хорошо ; учитывавшей особенности этого материала. Поэтому механическое перенесение этой конструктивной системы на “территорию” другого матери- ; ла (в данном случае стали) закономерно привело к целой серии ошибок “ и недоработок.

Весь XIX в. и даже начало XX в. были годами революции в мировом строительстве, и в частности в мостостроении. Человечество постепенно расставалось с архаичными материалами – камнем и деревом, обращаясь к металлам как к более солидным материалам (сначала к чугуну, а затем к стали). Но переход от одних материалов к другим (с принципиально различными свойствами и возможностями) при инерционности мышления, отсутствии опыта и достаточного числа прецедентов был мучительно труден, а часто и трагичен. Появление новых конструктивных форм требовало времени, а между тем старые, уже известные формы А надо было приспосабливать к специфике новых материалов. Но если у полностенных балочных конструкций такая адаптация происходила безболезненно, то у стержневых балочных конструкций (ферм) процесс протекал более драматично.

В принципе стержневые конструкции тоже не были чем-то новым. Как мы видели, они применялись еще в древнем Риме, позволяя преодолевать пролеты до 35 м (мост Трояна на Дунае). Разумеется,нынешние фермы мало походят на те, которые встречались в прошлом. Исключительное геометрическое и конструктивное разнообразие ферм, а также их несущие возможности делают применение этих несущих конструкций весьма желательным при пролетах средней величины и обязательным при больших пролетах.

Начнем с разнообразия геометрических решений. Определенное, хотя и отнюдь не полное представление о нем дает рис. 20. Но поскольку геометрическая форма конструкций тесно связана с их статической работой и назначением, а также с видом материала, при рассмотрении геометрии ферм следует учитывать одновременно все эти аспекты.

На рис. 20, а мы видим самую естественную “стержневую модификацию” обычной полностенной балки. Это ферма с параллельными поясами. Восприятие внешних нагрузок подчеркнуто дифференцируется: изгибающий момент воспринимают пояса, причем в верхнем поясе возникают усилия сжатия, а в нижнем – усилия растяжения; соответственно поперечные силы (срез и сдвиг) воспринимаются диагональными и вертикальными стержнями (решеткой). С приближением к опорам усилия в поясах постепенно уменьшаются, а в решетке увеличиваются. Эти изменения точно повторяют картину диаграмм М и Q на рис. 16 и 17. Обычно по очертаниям решетки можно определить, из какого конкретного материала изготовлена ферма. Решетка на рис. 20, а с диагоналями (раскосами), подвергающимися растяжению, и вертикалями (стойками), подвергающимися сжатию, характерна главным образом для стальных конструкций, где растяжение всегда более желательно.

Рис. 20. Разнообразие ферм исключительно велико. В их силуэте зашифровано много информации – о материале, о его назначении, о величине пролета, который перекрывается фермой

Желательно оно потому, что не может привести к потере устойчивости в тонких стальных стержнях и не создает никаких проблем с соединением стержней в узлы. И наоборот, решетка на рис. 20, б (сжимаемые раскосы и растянутые стойки) почти точно “указывает” на присутствие дерева. Для деревянных ферм узловые соединения растягиваемых стержней в недалеком прошлом (и особенно при устройстве раскосов) были серьезной проблемой, в связи с чем здесь более желательно сжатие.

Что же касается железобетона, то его монолитные конструкции не представляют никакой проблемы с точки зрения соединений, а определенная массивность стержней снижает остроту проблемы устойчивости (в сравнении со сталью).

Поэтому встречаются железобетонные фермы с самой различной формой решетки. На рис. 20, в показана типовая ферма, применяемая для пролетов длиной до 30 м (раскосы подвергаются растяжению) . На рис. 20, г мы видим силуэт фермы со сжимаемыми раскосами (это нам подсказывает, что она может быть выполнена из железобетона) для пролетов длиной до 40 м, которая тоже выдержала конкурс на типовой проект.

Вообще можно сказать, что усилия в раскосах больше, чем в соседних стойках, соответственно больше и их длина. Поэтому в случае применения относительно массивных и менее прочных материалов, какими являются дерево и железобетон, предпочтительны системы со сжатыми раскосами и растягиваемыми стойками.

А это как раз и есть система Гау-Журавского. Ее даже можно назвать “конструкцией XIX века”. Сначала она появилась в Германии, но затем русский инженер Журавский разработал теорию расчета этой системы, что способствовало ее исключительно широкому распространению. Ее “рождение” продиктовано стремлением “вместить” все диагонали в узлы путем простого стыкования. Но такое соединение может передавать только сжатие. Поэтому раскосы дублируются “крест-накрест”. В определенный момент работает только одна из них. Когда нагрузка изменяется так, что усилие из сжимающего становится растягивающим, в работу включается ее противоположно ориентированный двойник, причем тоже на сжатие. Растянутые стойки (они всегда подвергаются растяжению!) выполняют из стальных стержней круглого сечения, которые завершаются резьбой и гайками. Эти гайки предварительно затягивают для устранения люфтов, главным образом от неплотного опирания. Впоследствии, когда древесина, ссыхаясь, сжимается, гайки снова периодически затягивают во избежание ослабления конструкции.

С помощью таких легких и жестких решетчатых балок, обладающих к тому же большой несущей способностью, в мостостроении преодолеваются пролеты длиной 20, 30 и даже 50 м. Но, как видим, в этой системе все подчинено материалу — дереву. Поэтому судьба моста на р. Эй-стебл не вызывает удивления (пролет 37 м). Попытка заставить такой гораздо более прочный материал, как сталь, работать в конструкции, которая полностью рассчитана на специфику дерева, оказалась роковой.

Очень эффективно работают конструкции с параболическими или полигональными очертаниями верхнего пояса. Проблем при выполнении таких конструкций значительно больше, но в случае больших пролетов все сложности окупаются. Положительный эффект обусловлен тем, что очертания пояса повторяют очертания диаграммы моментов. В направлении опор моменты уменьшаются, но в соответствии с тем же законом уменьшается и плечо внутренней пары сил (растяжение – сжатие) в ферме. Другими словами, усилия в поясах постоянны или почти постоянны. Здесь мы имеем дело с эффектом свода, с которым мы познакомимся ближе несколько позже. Стержни решетки нагружены очень слабо, они легки и имеют предельно малое сечение.

Двускатные фермы по статической работе занимают промежуточное положение между фермами с параллельными и параболическими поясами. Но именно в этом случае следует подчеркнуть, насколько много факторов определяют очертания поясов. Это, в сущности, целый комплекс конструктивных, эстетических, функциональных, производственных и технико-экономических соображений. Так, например, фермы покрытия чаще всего имеют некоторый уклон, чтобы обеспечивался сток атмосферных осадков, причем при малых пролетах он односкатный, а при больших – двускатный. Если покрытие выполняется из материала типа черепицы, уклон должен быть больше (рис. 20, ж), а при современных гидроизоляционных покрытиях – значительно меньше (рис. 20, з-л). С точки зрения монтажа предпочтительны фермы с пониженным центром тяжести (рис. 20, и). На общую конфигурацию ферм влияет и размер деталей, изготовленных в заводских условиях, и то, как они соединяются на строительной площадке. Для малых пролетов мостов выбирают фермы с параллельными поясами, но для больших пролетов (а также в связи с определенными эстетическими, требованиями) необходимы более сложные и более рациональные формы.

Серьезной проблемой оказывается выбор расстояния между узлами фермы. Чем меньше узлов, тем лучше — без того большое их число и связанная с этим трудоемкость исполнения являются главным минусом этого рода конструкций. Но конструктивных узлов не должно быть и слишком мало, поскольку в межузловом пространстве может усиливаться локальный изгиб от воздействующих нагрузок. Поэтому у сборной железобетонной фермы для пролетов до 30 м, которая представлена на рис. 20, е, верхний пояс подпирается стойками, которые делят пополам расстояния между узлами. А на рис. 20, з показана ферма с пролетом 18 м, растягиваемый пояс которой усилен стойками с той же целью – чтобы уменьшить негативный эффект от локального изгиба под действием собственного веса. При больших пролетах и больших расстояниях между узлами в рамках одной секции развиваются целые дополнительные фермы во избежание местного изгиба в межузловых пространствах (рис. 20, м). Но, разумеется, все зависит от вида второстепенной конструкции, которая ставится на ферму и нагружает ее. На рис. 20, д мы видим геометрическое решение польской типовой фермы для пролетов до 60 м, которая имеет предельно простую решетку. Устанавливаемые на нее элементы “имеют достаточно большой шаг (от одного узла до другого).

А как здесь обстоит дело с высотой конструкции? Поскольку сплошная стенка полностенной балки заменена более экономичной решеткой, конструктивная высота может быть увеличена без ущерба для стоимости конструкции. Более того, оптимальные (по расходу материала) решения для ферм предполагают высоту намного большую, чем у балок: от 1/6 до 1/10 перекрываемого пролета.

Покрытия в виде стержневых конструкций – одни из самых распространенных. Легкость, с какой они перекрывают даже самые большие расстояния между опорами, экономичность, возможность полного изготовления в заводских условиях и монтажа (сборки) на стройплощадке делает их применимыми почти во всех случаях строительной практики. Мы их встретим и в промышленных зданиях, и в зальных помещениях. При больших пролетах (от 10 до 30 м в зависимости от материала) их применение крайне желательно с технико-экономической точки зрения, и сегодня, когда наступило время “точных расчетов”, этого нельзя не учитывать.





Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум