Невидимый конфликт

Линейный модуль упругости строительных сталей приблизительно равен 2 млн. кг/см². Сталь в наибольшей степени отвечает требованиям прочности и твердости. Но если вариантов по твердости не так уж много, то с прочностью дело обстоит гораздо сложнее.

Рис. 7. Сравнение рабочих диаграмм мягкой, низколегированной и высокопрочных сталей. Площадка текучести постепенно исчезает, а в зоне малых, конструктивно целесообразных деформаций сопротивления продолжают нарастать

Существует достаточно много видов современных, строительных сталей. До этого мы говорили о самом распространенном из них, возможности которого наиболее ограничены. Достаточно, например, повысить содержание углерода до 0,3%, чтобы качества стали существенно изменились. Так как мы уже умеем разбираться в «паспорте» материала — в его графике σ—ε, мы сможем почерпнуть необходимую информацию на рис. 7. Поведение такой стали там показано линией II. Как можно видеть, линейная зависимость между напряжениями и деформациями здесь сохраняется до гораздо более высокого предела, чем у мягких сталей (линия I). Площадка текучести не только значительно выше расположена, но и менее ярко выражена. Это значит, что такие стали, которые называются низколегированными, менее пластичны, чем мягкие. Например, арматурная сталь класса А-II имеет расчетное сопротивление 2700 кг/см², а сталь класса А-III — 3600 кг/см². Столь значительные сопротивления реализуются при соответствующих деформациях 0,13 и 0,18%. А поскольку напряжения разрушения равны соответственно 5000 и 6000 кг/см², сталь класса А-II используется приблизительно на 55% своих предельных возможностей, а арматурная сталь класса А-III — приблизительно на 60%. Этот важный показатель использования возможностей материала для арматурной стали класса A-I едва достигает 50%. Очевидно, что у низколегированных сталей не только выше расчетное сопротивление, но в этом случае значительно полнее используются и прочностные резервы материала.

Среди довольно широкого ассортимента строительных сталей специальные высокопрочные стали являются своего рода «аристократией». Они находят применение главным образом в предварительно напряженных конструкциях, и их сопротивление действительно весьма внушительно — в 5—10 раз больше, чему вышеупомянутых сталей. В качестве примера рассмотрим высокопрочную проволоку диаметром 2,5 мм. При расчетных напряжениях 11 000 кг/см² напряжения разрушения составляют около 16 000 кг/см². Если теперь мы разделим одно число на другое, то увидим, что в строительстве непосредственно используется приблизительно 70% предельных возможностей материала. Это уже такой результат, который достоин уважения. К лучшему вряд ли следует стремиться, так как иначе может пострадать надежность, являющаяся гарантией против внезапного разрушения. Объяснение этому мы сможем получить из рис. 7.

Линией III показана зависимость σ—ε для подобной высокопрочной стали. Она коренным образом отличается от «поведения» мягких и низколегированных сталей. Площадка текучести полностью отсутствует; длинный, почти линейный график внезапно обрывается в точке разрушения материала — хрупкого разрушения.

Для характеристики этого явления приведем пример из прошлого. Год 1891. Место действия — Англия, станция Норвуд на железнодорожной линии Лондон — Брайтон. В этом месте был построен широкий железнодорожный путепровод с пролетом 9 м, по которому проходило семь рельсовых путей. Утром 1 мая по путепроводу в Норвуд с обычной скоростью 65 км/ч промчался почтовый поезд из Лондона. Его хвостовой вагон уже подтягивался к последней промежуточной опоре, когда вдруг с грохотом разорвалась одна из двух чугунных балок под железнодорожной колеей. Два четырехметровых обломка упали на дорогу, которая, к счастью, была пуста, а другие угрожающе повисли, неизвестно на чем держась. Состав сошел с рельсов, но все же успел миновать последний участок путепровода, не перевернувшись на крутой склон насыпи. Хвостовой вагон устоял на опоре, сильно наклонившись к пропасти и удерживаясь только благодаря зацепляющему устройству.

Разрушившаяся чугунная балка была в эксплуатации уже 31 год. После катастрофы в области разрыва был обнаружен пористый участок, оставшийся еще с того времени, когда отливалась балка. Тяжелые условия эксплуатации послужили причиной процессов, которые постепенно подрывали несущую способность элемента, подготавливая последовавшее за этим событие. Эта катастрофа вызвала большое волнение в инженерном мире Англии того времени. Из 9576 находящихся в эксплуатации мостов 2828 были чугунными. Перспектива их разрушения после примера с мостом в Норвуде была достаточно реальной, и потому было принято решение о срочной их замене.

Эта катастрофа в сотый раз доказала, что чугун — хрупкий и чувствительный к ударам материал — не подходит для строительства мостов, особенно мостов железнодорожных. Впрочем, с 1883 г. его применение для подобных целей в Англии было запрещено.