Невидимый конфликт

Можно ли использовать столь внушительные возможности мягких сталей (так называются низкоуглеродистые стали) в строительстве? Ответ будет категорическим: нельзя. Вспомним пример с конструкциями из резины: большая прочность за счет относительно больших деформаций абсолютно не нужна и даже опасна. Перекрытия провиснут, едва ли не придавливая людей, облицовка будет осыпаться со стен, а вместо зданий и сооружений будет как бы гигантская пружина.

С мягкими сталями положение особое, так как существует площадка текучести. Это своеобразный барьер, который материал должен преодолеть, чтобы перейти в область более значительных напряжений. Однако для реальных конструкций преодоление этого барьера означает наличие аварийных деформаций и перемещений. Следовательно, практическое значение имеет лишь часть графика σ-ε, которая находится ниже площадки текучести (линия «0—а»). Но здесь напряжения едва достигают 2400 кг/см². Что делать, такова действительность…

Есть возможность использовать часть прочностного резерва сталей этого типа в случае применения их в качестве арматуры. Это делается следующим образом. На специальных стендах арматурные прутья растягиваются так, чтобы была пройдена площадка текучести и реализовалась часть последующих деформаций. После этого прут, разумеется, не восстанавливает своей первоначальной длины, по сравнению с которой он увеличился примерно на 6%. Такая необратимая остаточная деформация называется пластической. Здесь, в сущности, начинается нечто особенное. Если прут повторно напрягается (уже как часть конструкции), его площадка текучести оказывается значительно выше, т.е. при значительно больших напряжениях, чем при первоначальном растяжении. Новая площадка текучести приблизительно соответствует напряжению, которое достигнуто при первоначальном растяжении. Структурные повреждения, которые произошли в стали при такой первоначальной обработке, в этом случае оказываются полезными. Предел текучести может подняться с 2400 кг/см² примерно до 3000 кг/см².

Такой вид механической отработки имеет и свои отрицательные стороны. Новые свойства стали являются не такими стабильными во времени, как основные ее свойства. Но это еще только полбеды. Важно то, что таким несложным и сравнительно дешевым способом на практике «облагораживается» значительное количество низкоуглеродистой арматурной стали для железобетонных конструкций.

Практикуется также холодная вытяжка арматурной стали через отверстия с постепенно уменьшающимся диаметром. Высокие напряжения и пластические деформации в стали могут достигаться и путем так называемой холодной прокатки. Специальными вальцами мягкая сталь круглого сечения частично сдавливается, причем на ее поверхности остаются характерные отпечатки, а механический эффект в конечном счете подобен тому, который наблюдается при холодной вытяжке.

Стали такого рода могут работать с напряжением, которое для необработанных сталей находится далеко за критическим пределом текучести.

СТАЛИ XX ВЕКА

До самого последнего времени в строительстве применялись в основном мягкие, низкоуглеродистые стали типа болгарской арматурной стали класса A-I. Верхняя граница практически целесообразного их сопротивления — это предел текучести. Так как рабочий участок графика σ—ε является почти линейным, здесь в силе закон Гука о соответствии между напряжениями и деформациями. Поэтому достаточно знать величину одной из двух характеристик, чтобы найти величину другой. Следует заметить, что подобная ясность и «чистота» поведения присуща только сталям. Позже мы еще увидим, что графики работы других строительных материалов сильно отличаются от такой простой и ясной схемы пропорциональности, как график σ—ε для сталей, ужасающим образом выходя за рамки области, на которую распространяется закон Гука. Сталь — единственный материал, приближающийся по своим свойствам к однородной и упругой модели твердого тела, которой обычно оперирует строительная механика.

Чтобы в сечении возникли напряжения 2100 кг/м² (таково расчетное сопротивление стали класса A-I)согласно закону Гука, должна реализоваться деформация 0,001 (0,1%). Это значит, что каждый метр элемента должен удлиниться на 1 мм. Подобная незначительная деформация вполне приемлема в практике строительства. Вообще необходимо отметить, что деформации в строительных конструкциях в принципе очень малы, просто несоизмеримы с размерами конструктивных элементов.

Мерилом твердости материала является его линейный модуль упругости. Он выражается как тангенс угла между отрезком «0—а» и горизонтальной осью графика σ—ε (см. рис. 6). С физической точки зрения этот модуль означает напряжение — условное напряжение, которое возникает в материале, когда образец вдвое увеличивает свою длину. С математической точки зрения это просто коэффициент пропорциональности в формуле закона Гука, которая представлена на рис. 6.