Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

"... нас охватит ужас"


"... нас охватит ужас"

Самым древним строительным материалом является дерево. Первые инженерные сооружения человека – свайные постройки – были из дерева. Обилие леса на планете, простота получения и обработки с помощью самых элементарных инструментов способствовали тому, что в течение тысячелетий дерево было основным строительным материалом человечества.

Деревянное строительство достигло наивысшего расцвета во времена Римской империи. Этим периодом, в сущности, датируются известные и в наши дни конструкции пролетных строений, с помощью которых римляне “за один раз” перекрывали значительные расстояния между опорами, достигающие 23 м. Сохранились исторические свидетельства о большом деревянном мосте через Тибр в Риме (630 г. до н. э.), о мосте Юлия Цезаря на Рейне длиной в полкилометра, который был построен в 56 г. до н, э, всего за 10 дней, о мосте Трояна на- Дунае, представляющем значительное достижение для своего времени (19 пролетов по 35 м каждый).

Второй период расцвета – эпоха Возрождения. Знаменитый итальянский архитектор Палладио предложил ряд новых и оригинальных конструктивных форм из дерева, которые далеко опередили технологические возможности своего времени и, по существу, явились прототипом некоторых современных конструкций. Настоящим “деревянным” бумом, однако, стала первая половина прошлого века. Благодаря этому легкому, прочному и упругому материалу строители перекрывали пролеты в 40-50 м при сооружении зданий и в 60-70 м – в случае мостовых конструкций. Это было триумфом строительной практики и мощным стимулом развития теоретической инженерии.

С развитием черной металлургии и снижением цен на сталь последняя постепенно завоевала ведущее место в строительстве. В связи с этим наступил застой в развитии деревянных конструкций. Так продолжалось до 20-х годов нынешнего века, когда впервые стала ощущаться нехватка стали. Оказалось, что деревом, этим старейшим из строительных материалов, не только не следует пренебрегать, но что при современном уровне развития техники и технологии оно даже может составить конкуренцию новым материалам во многих областях строительства, особенно в некоторых видах инженерных сооружений. В настоящее время в странах с большими лесными ресурсами, таких, как СССР, США, Канада, Скандинавские страны, дерево находит довольно широкое применение, хотя и не является основным строительным материалом. Многие известные специалисты придерживаются мнения, что у дерева как строительного материала большое будущее.

Главные его достоинства обусловлены счастливым сочетанием большой легкости (дерево почти в 2 раза легче воды и в 14 раз легче стали!) со сравнительно высокой прочностью на растяжение, сжатие и изгиб.

Если мы введем понятие относительной прочности (т. е. прочности по отношению к единице объема), то по этому важному инженерному показателю дерево приближается к стали и так же, как сталь, примерно в 10 раз превосходит бетон. Другими словами, деревянная конструкция во много раз легче железобетонной того же назначения, при тех же нагрузках и одинаковых прочих условиях. Хотя дерево подвергается большим деформациям, чем сталь, но все.же его реальные деформации находятся в пределах практической целесообразности.

Известно, что производство древесины – дело достаточно простое, дешевое и быстрое. Для него не нужна сложная технология (рудники, флотационные фабрики, доменные и мартеновские печи, прокатные станы, специальные цементные заводы). То же самое можно сказать и об обработке древесины, которую можно производить как централизованно – в заводских условиях, так и в небольшой мастерской. Энергоемкость и трудоемкость производственного процесса сравнительно малы, не говоря уже о том, что нет необходимости в особой квалификации работников. Ничего подобного нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне. Иными словами, производство древесины и изготовление деревянных конструкций связано с минимальными капиталовложениями. При нашем динамичном и массовом строительстве, в которое вкладываются огромные средства на длительный срок, это тоже имеет достаточно важное значение.

Строительство с применением деревянных конструкций практически не зависит от сезона. В этом сходство стальных и деревянных конструкций и их отличие от классических монолитных. Зимние условия не удорожают строительного процесса, чего, как известно, нельзя сказать о железобетоне. Это обусловлено тем, что деревянные конструкции подобно металлическим являются сборными. Их централизованное производство в цехе создает возможность индустриализации, переноса части строительных работ “под крышу”, в заводские условия.

Завершая общее описание дерева как строительного материала, добавим несколько слов о его прекрасных физических и химических свойствах. Благодаря весьма малому коэффициенту теплового расширения на дерево, в отличие от бетона и стали, практически не влияют сезонные колебания температуры. В конструкциях не возникает дополнительных температурных напряжений, а следовательно, нет необходимости в специальных мерах. В отличие от бетона и стали дерево – превосходный теплоизолятор. Кроме того, оно устойчиво к воздействию дымов и газов, которые выделяются рядом производств. Есть случаи, когда оно поистине незаменимо. Для современных деревянных конструкций характерен эффективный симбиоз между деревом и сталью (применяемой в весьма скромных количествах), что по сравнению с далеким прошлым позволяет поднять этот тип конструкций на новую высоту.

Непременно следует упомянуть и о проблеме связей и соединений. Для дерева эта проблема так же важна, как и для стали, с той лишь разницей, что в этом случае она решается значительно легче, поскольку существует более прочный и твердый материал — сталь. Наиболее широко распространены гвоздевые и болтовые соединения, однако все большее применение находят клееные деревянные конструкции. Современные синтетические клеящие составы обеспечивают прочное и надежное соединение элементов, а также дают ряд технико-экономических преимуществ, одним из которых является сокращение расхода стали.

Рис. 10. Сопротивление древесины в значигельной степени зависит от угла, образованного направлением силового воздействия и направлением древесных волокон

Все сказанное выше незаметно превратилось в одну хвалебную речь, в прославление дерева. А медаль, естественно, имеет и оборотную сторону. Теперь с риском перечеркнуть все перечисленные достоинства перевернем медаль , . . и постепенно нас охватит ужас ...

Как естественный продукт, изготовленный природой совсем не для строительных целей, древесина имеет много отклонений от нормального строения, соответствующего стандарту, много естественных повреждений. Это, например, сучки (т. е. места, от которых отходили отдельные ветви дерева), внутренние трещины, закручивание волокон на стволе в процессе роста или их сужение и расширение, а в результате волокнистая структура дерева оказывается неупорядоченной, что влияет на механические характеристики древесины. Невнимание при сортировке лесоматериалов может катастрофическим образом отразиться на несущей способности изготовленных из них элементов.

Весьма серьезный недостаток древесины — ее склонность к гниению и разрушению живыми вредителями (жуком-древоточцем, термитами и т. д.). Для органических материалов гниение – всеобщий процесс. Это биологическое явление обусловлено паразитированием в древесине при определенной температуре и влажности самых разнообразных микроорганизмов. В зависимости от конкретных условий с момента поражения до полного разрушения дерева проходит от нескольких месяцев до нескольких лет.

Пожароустойчивость древесины равна нулю. Неимпрегнированное дерево не только быстро загорается, но и выделяет в процессе сгорания большое количество тепла, что способствует быстрому распространению пожара. С другой стороны, древесина очень гигроскопична. С ростом влажности ее объем увеличивается, прочность уменьшается. При высыхании древесина сокращается до своего первоначального объема. Неравномерное набухание и высыхание приводят к вспучиванию и искривлению дерева, что очень сказывается на его качествах как строительного материала.

С точки зрения механики природа древесины трудно поддается изучению. Основная причина этого – ее волокнистое строение. Волокна создают своеобразный скелет, в направлении которого древесина обладает наибольшей прочностью и твердостью, С увеличением угла отклонения силового воздействия от направления волокон сопротивления и модули упругости резко уменьшаются, а деформации быстро нарастают. О весьма чувствительных различиях в механических свойствах древесины при изменении этого угла может дать представление рис. 10. Показанная кривая характеризует работу элемента на сжатие.

Рис. 11. Дерево, в отличие от стали, имеет несколько “удостоверений личности”. Здесь показаны две его важнейшие рабочие диаграммы – на растяжение и на сжатие в соответствии с направлением волокон

Только теперь мы сможем оценить, каким прекрасным, однородным и упругим материалом является сталь. Ведь у дерева сколько видов силового воздействия, столько и разных сопротивлений — на растяжение, на сжатие, на изгиб, на скручивание. И, что еще хуже, эти сопротивления, как и модули упругости, зависят от угла наклона относительно волокон. Поэтому расчет деревянных конструкций и их элементов весьма сложен, а точный анализ множества активных факторов просто неизбежен.

Основные расчетные характеристики определяются для воздействии, параллельных и перпендикулярных направлению волокон. На основании полученных результатов можно получить и механические характеристики древесины, нагруженной под определенным углом относительно волокон. На рис. 11 показаны рабочие диаграммы древесины, подвергающейся нагрузке на растяжение и сжатие в направлении волокон. При растяжении зависимость между напряжениями и деформациями представляет собой линию, слегка изогнутую вначале. Никакой пропорциональности нет. Строго говоря, закон Гука здесь теряет силу. Бросается в глаза отсутствие какой бы то ни было площадки текучести. В конечной фазе растяжения волокна начинают быстро рваться и разрушение наступает внезапно (хрупкое разрушение) при напряжениях порядка 1000 кг/см2.

Поведение дерева при нагрузке на сжатие представляет весьма разнообразную картину. После значительного почти прямолинейного участка в связи с быстрым ростом деформаций наблюдается нечто похожее на площадку текучести у мягких сталей. Другими словами, при работе на сжатие древесина обладает ярко выраженными пластическими свойствами. Разрушение начинается с искривления самых прочных волокон в направлении более слабых; при этом на поверхности испытуемого тела образуются характерные складки. При нарастании нагрузки происходит и окончательное разрушение — при напряжениях в 2-3 раза меньших, чем в случаях работы дерева на растяжение.

Полезно сравнить рассмотренные графики с рабочими диаграммами стали, Предельная (разрушающая) деформация древесины при сжатии равна 0,6%, а при растяжении — 0,8%. По этим характеристикам дерево приближается к высокопрочным сталям, тогда как у мягких и низколегированных сталей они значительно выше. В интервале же практически целесообразных и допустимых деформаций положение обратное. За предел пропорциональности (точка, до которой остается в силе закон Гука) и при растяжении, и при сжатии принимается напряжение, равное половине предельной прочности, Оно может быть достигнуто при деформации 0,15% (сжатие) и 0,35% (растяжение), тогда как у мягких сталей рабочий диапазон простирается до деформации 0,1%. Таким образом, в реальных конструкциях дерево проявляет себя как материал более деформируемый, чем сталь.

С другой стороны, при рабочих деформациях одного и того же порядка древесина работает со значительно меньшим напряжением. Отсюда следует, что ее жесткость, упругость и модуль упругости гораздо меньше, чем у стали. Почти в 20 раз меньше…

Рис. 12. Работа элемента изогнутой балки. Изгиб является самой неприятной, но и наиболее частой формой невидимого конфликта

Когда мы рассматривали сталь, мы упомянули о еще одном сложном виде силового воздействия — об изгибе. Теперь же сделать это просто необходимо.

На изгиб работают почти все элементы почти всех видов строительных конструкций. Это, наверное, самая распространенная форма конфликта между нагрузками и конструкциями, между силовыми воздействиями и материалом.

Едва ли мы удивим кого-нибудь утверждением, что при изгибе одна часть сечения элемента подвергается сжатию, а другая – растяжению. Каждому случалось преодолевать препятствие по перекинутой доске или бревну. Физическое ощущение при этом наиболее яркое; провисающая под тяжестью нашего тела доска сама по себе достаточно отчетливо характеризует одно из главных инженерно-теоретических понятий — “изгиб”. На рис. 12 показано, что верхняя часть изгибаемого элемента укоротилась, а нижняя удлинилась. Но деформация укорачивания предполагает возникновение сжимающих напряжений, а деформация удлинения растягивающих. Следовательно, можно сказать, что изгиб – это форма одновременного сочетания растяжения и сжатия в рамках одного и того же сечения.

Практическая модель этого явления основывается на весьма простой гипотезе: предполагается, что элемент, состоит из множества нитей, каждая из которых деформируется независимо от других. Кроме того, любые два сечения, находящиеся достаточно близко один от другого и перпендикулярные оси элемента, даже в случае очень сильной деформации остаются перпендикулярными провисшей оси. Физический эквивалент этого словесного описания можно видеть на рис. 12. При взаимном развороте двух сечений наиболее сильно деформируется (растягивается) нижний слой волокон. Следовательно, по закону Гука, в этом слое возникают самые большие напряжения. Волокна над этим слоем деформируются слабее и работают с меньшим напряжением. Еще слабее деформируется следующий слой волокон. Так мы доходим до среднего слоя, который вообще не деформируется и, следовательно, оказывается ненапряженным. Вверх от этого слоя деформации и напряжения снова нарастают, но с обратным знаком. Теперь это деформации сжатия.

Так как деформации распределяются линейно по высоте сечения, соответствующие напряжения тоже распределены линейно, что можно видеть и на их диаграмме. Следует обратить внимание, что напряжения, действующие перпендикулярно (или нормально) по отношению к плоскости сечения, называются нормальными напряжениями. Ниже на рисунке показаны и другие напряжения, которые действуют в плоскости сечения (тангенциально). Эти напряжения называются тангенциальными. Но не будем опережать события.

Мы добрались до одной из важнейших истин, до одного из фундаментальных положений классической инженерной науки. Изгиб присутствует всегда, и определение нормальных напряжений в изгибаемых элементах осуществляется на основе вышеописанной схемы независимо от их формы, величины и материала. Мосты, ангары, жилые, общественные и промышленные здания – все конструкции, которые создает человек и которые изгибаются, проходят через “сито” точных расчетов, характерных для механики, одно из положений которой мы рассмотрели почти в классическом виде. Разумеется, на практике это делается с помощью длинных формул, по специальным алгоритмам, а вся сложная процедура называется определением размеров сечения. Цель ее состоит в том, чтобы выбрать такие размеры сечения, при которых напряжения в элементе не превышали бы известного предельного значения. Но, вообще говоря, физическая сущность явления вполне может быть рассмотрена на простой модели, о которой мы рассказали выше.

Интересно сравнить работу материала в режиме осевого растяжения (или сжатия) и в режиме изгиба. Очевидно, что при осевой нагрузке диаграмма напряжений будет постоянна и однозначна, а в работу будет вовлечено все сечение, весь объем элемента, каждый грамм материала. При изгибе же по-настоящему работать будут только крайние слои. И даже еще хуже. В области нейтральной зоны, где напряжения растяжения становятся напряжениями сжатия, материал вообше не будет работать. К сожалению, наличие материала в этом месте чуть ли не формально.

В этом смысле изгиб является “тяжелым случаем” для каждого элемента, для каждой конструкции. Наличие изгиба (а оно почти правило) вынуждает конструкторов вкладывать дополнительные количества материала, который, как мы видели, не может использоваться полноценно. Размеры пролетов, которые перекрываются конструкциями, работающими на изгиб, не так уж велики. Даже в случаях возведения специальных залов, ангаров и мостов они не превышают нескольких сотен метров. До сих пор абсолютные рекорды “преодоления” расстояний принадлежат арочным (сводчатым) и особенно висячим системам. Но там элементы работают главным образом на растяжение или сжатие и гораздо более полноценно используются возможности вложенного материала. О конструктивных формах мы еще расскажем.

Все, что до сих пор было сказано об изгибе, в большей или меньшей степени можно считать идеализацией. В сущности, мы говорили об изгибе, рассматривая теоретическую физическую модель, а не реальное тело. Гораздо важнее знать, как работают реальные материалы. Логично предположить, что выдуманные человеком законы и гипотезы не соблюдаются так полно и точно, как нам бы хотелось. Рассматривая сталь в качестве строительного материала, мы убедились, что различия там минимальны, что гипотезы и теории “скроены” почти в полном соответствии с природой стали. Однако для других строительных материалов различия эти весьма существенны: не составляет исключения и дерево – низкий и грубый материал в сравнении с благородной сталью.

Прежде всего у дерева, как, впрочем, и у всех материалов органического происхождения, сильно выражены текучесть и релаксация. Картина изгиба тоже существенно отличается от той идеальной, которую мы рассматривали. При малых напряжениях диаграмма нормальных напряжений еще может сойти за линейную. В качестве доказательства можно привести диаграммы, представленные на рис. 11. Как в случае растяжения, так и в случае сжатия при малых напряжениях рабочие графики близки к прямой, следовательно, можно считать, что закон Гука остается в силе. Но посмотрим, что происходит потом.

При напряжениях около 200 кг/см2 при сжатии рабочая диаграмма начинает обнаруживать пластические свойства материала: напряжения приблизительно постоянны, а деформации интенсивно нарастают. Материал в зоне сжатия элемента подвергается изгибу, начинает течь. В конечном счете после верхних, наиболее нагруженных слоев силовому воздействию начинают уступать и нижние слои. Этот процесс предполагает, что напряжение в уже пластифицированных волокнах не изменяется, хотя сопротивление всего сечения растущему внешнему моменту увеличивается за счет пластификации и “уступок” все новых и новых слоев в зоне сжатия. В конце концов диаграмма напряжений сжатия изменяет свою форму так, как показано на рис. 12.

Посмотрим, что происходит в это время в зоне растяжения. По рабочей диаграмме напряжений при растяжении можно видеть, что дерево не обнаруживает существенных пластических свойств вплоть до разрушения. Зависимость между напряжениями и деформациями в течение всего времени приложения нагрузки близка к линейной, а следовательно, закон Гука остается в силе. Диаграмма напряжений в зоне растяжения’ сохраняет форму треугольника.

Непосредственно перед разрушением на открытой поверхности зоны сжатия наблюдается характерное сморщивание – волокна начинают искривляться. Зона сжатия сильно пластифицируется, кривизна изгиба увеличивается и происходит разрушение со стороны . . . Как это ни парадоксально, но разрушение происходит не со стороны наиболее слабого звена, каким в данном случае является зона сжатия. При соотношении предельной прочности 2 : 1 — 3 : 1 в пользу растяжения (для большинства видов древесины) пластификация зоны сжатия приводит к резкому увеличению напряжений в зоне растяжения, которые вскоре превышают предельное сопротивление растяжению. Разрушение начинается именно с разрыва хрупких растягиваемых слоев, а не пластичных сжимаемых волокон.

Итак, нормальные напряжения в древесине, работающей на изгиб, достаточно сильно отличаются от идеальной картины. Однако это не мешает на практике пользоваться идеализированной картиной: линейным, треугольным распределением напряжений по высоте сечения, когда за расчетные сопротивления принимаются условные, средние напряжения как в случае применения однородного материала. Определение этих значений производится в лабораториях по испытанию строительных материалов после многочисленных опытов с экспериментальными изгибаемыми образцами и статистической обработки результатов.

Следует отметить, что на древесину, а вернее на ее прочность весьма существенное влияние оказывает длительность нагрузки. Рабочие диаграммы на рис. 11, в сущности, характеризуют поведение дерева при кратковременных нагрузках (весь опыт продолжался примерно 15 мин). Однако если конструктивный элемент будет работать продолжительное время с напряжениями даже меньшими, чем его предельная временная прочность, то через несколько часов или дней он разрушится без всякой видимой причины. Поэтому для длительных нагрузок элементов рассчитывается так называемая длительная прочность, которая составляет приблизительно 70% временной прочности.

Но пора уже оставить магический круг абстрактных понятий и вернуться в мир реальных вещей. Какую древесину можно использовать для строительных целей? Главным образом хвойные породы — сосну, ель, лиственницу, секвойю, кедр, а также твердые лиственные – дуб, ясень, клен, граб, акацию, березу, бук, вяз. Иногда используются и мягкие лиственные породы дерева, такие,как липа, осина или тополь.

Еще сравнительно недавно дерево занимало исключительно важное место в жизни людей. До появления каменного угля и нефтепродуктов оно использовалось как топливо, до появления стали и бетона — как строительный материал; когда не было легких металлов (сплавов) и синтетических материалов (пластмасс), его применение вообще было универсальным. Но естественный прирост лесов требует десятков лет и даже веков. А так как в течение длительного времени леса интенсивно вырубались, во многих географических районах планеты дерево стало крайне дефицитным материалом. Вследствие этого в Болгарии, как и в ряде других стран, деревянные конструкции находят весьма ограниченное применение. Изменится ли положение в будущем, зависит от того, насколько экономно будет расходоваться древесина, а также от мер, которые будут приняты для ускорения естественного воспроизводства лесов.

В принципе сейчас в строительстве используется лишь малая часть добываемой древесины, а для деревянных конструкций – совсем незначительная. Такое ограниченное применение деревянных конструкций объясняется не только и даже не столько дефицитностью лесоматериалов, сколько инертностью мышления. Очевидно, что экономить древесину надо в тех областях, где она используется в несравнимо больших количествах. В ряде случаев ее применение как материала для строительных конструкций уже сейчас экономически и технически целесообразно.





Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум