Невидимый конфликт

И вот, наконец, мы дошли до последней подгруппы, которая носит многозначительное название «особые нагрузки». Уже само название говорит о том, что они могут возникать в особых, чрезвычайных, исключительных обстоятельствах. Или, иначе говоря, они могут не возникать вообще, но инженер обязательно должен иметь их в виду при соответствующих условиях строительства и эксплуатации. Такого рода нагрузками являются, например, неожиданное оседание или даже проваливание грунтового основания, взрывы, разрывы канатов на канатной дороге и т.д. Но, несомненно, наиболее страшной из «особых» нагрузок является нагрузка от землетрясения. По масштабам и степени воздействия она несравнима ни с какой другой.

ГРАВИТАЦИЯ

Формируясь на планете, мчащейся с огромной скоростью во Вселенной, создавая свою историю в поле ее невидимых гравитационных волн, человечество обречено было с самого начала сообразовывать каждый свой шаг с этим обстоятельством. Еще первые полуосознанные действия наших далеких предков сталкивались с таинственной силой, которая отклоняла к земле брошенный камень. В последующие века человек на каждом шагу убеждался в неизменном свойстве окружающих его тел падать при всяком удобном случае: падало срубленное дерево, убитый олень, отколовшийся кусок скалы, а при определенных обстоятельствах и сам задумавшийся наблюдатель. Вероятно, такие спонтанные наблюдения были весьма полезны и для первых строительных начинаний человека. Например, свайные постройки… Для того чтобы их создать, необходима определенная, хотя и интуитивная, оценка гравитационных нагрузок, которые эти постройки должны выдержать.

К нашему большому сожалению, все тела обладают массой. Какой была бы архитектура городов, если бы не было силы тяжести? Трудно сказать. Да и вряд ли кто-нибудь станет пытаться отвечать на столь абсурдный вопрос. Во всяком случае, она была бы совершенно иной, нежели та, к которой мы привыкли. Строительство исчерпывалось бы одной архитектурой, поскольку почти не было бы нужды в конструкциях — ведь исчезли бы гравитационные нагрузки, которые обычно воспринимаются конструкциями. Поэтому вполне можно сказать, что именно гравитация и связанная с ней масса всех тел создает необходимость в строительных конструкциях. Она определяет и все конструктивные формы, с которыми мы познакомимся далее.

Один кубический метр воды весит одну тонну. В сравнении с этим показателем мы можем оценить, как проявляют себя в поле земной гравитации некоторые широко используемые строительные материалы. Например, один кубический метр стали обладает массой почти в 8 раз, а алюминиевого сплава — в 3 раза большей, чем кубический метр воды. Приблизительно такова и удельная масса многих скальных пород — гранита, мрамора, песчаника.

Наиболее распространенный строительный материал — железобетон — в вибрированном состоянии весит 2,5 т/м³. Отсюда довольно легко рассчитать массу плиты междуэтажного перекрытия толщиной 10 см: 1x0,1х2,5=0,25 т/м². Для помещения размером 4х4 м она будет внушительна — 4 т. Не слишком приятно сознавать, что эти четыре тонны постоянно «висят» в метре от твоей головы.

В действительности «пресс» над нашими головами значительно тяжелее. Элемент за элементом, массу за массой конструктор должен учесть и рассчитать все возможные постоянные нагрузки. Он не может перестраховываться во имя наибольшей надежности, хотя гораздо опаснее противоположный вариант — упустить из виду реально существующую нагрузку.

Известен случай с плитой перекрытия одного административного здания, на которой предусматривалось смонтировать небольшой металлический резервуар для воды. Инженер-проектировщик не принял во внимание эту «мелочь». После того как здание было построено, а резервуар смонтирован, его начали наполнять водой. В это время в плите появились трещины. К счастью, эти угрожающие симптомы были своевременно замечены служащими, работавшими на последнем этаже здания, которые покинули помещение и подняли тревогу. Под влиянием непредвиденной восьмитонной нагрузки плита разрушилась. Это была довольно легко поправимая авария, но бывают и значительно более сложные случаи.

Классическим примером грубой ошибки, допущенной при определении собственной массы конструкции, является авария моста на р. Св. Лаврентия близ Квебека (Канада). На отдельных участках моста отношение реальной нагрузки к расчетной достигало 10:3. Но на столь грандиозной инженерной ошибке мы еще остановимся ниже и рассмотрим ее более подробно.

Рис. 2. Возможная интерпретация нормативной полезной нагрузки  на стадионах, в зрительных залах, в фойе

Значительно более сложен случай с так называемыми полезными нагрузками. Они являются полезными в подлинном смысле слова поскольку конструкция предназначена как раз для того, чтобы воспринимать и выдерживать именно эти нагрузки.