Невидимый конфликт

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.

АПОФЕОЗ ЧИСТОГО СЖАТИЯ

Одни из самых рациональных конструктивных форм, которыми располагает человечество, — арочные и висячие системы. В этом случае режим работы строительного материала доведен до совершенства: это в основном или чистое сжатие (у арочных конструкций), или чистое растяжение (у висячих систем).

Мы уже познакомились с изгибающим моментом — наиболее неприятной формой конфликта между конструкцией и нагрузкой. Мы убедились, что восприятие этого момента элементами балочного типа связано с неполноценным использованием вложенного материала: средние слои, например, работают с напряжениями, которые намного ниже реальных возможностей материала. В решетчатых балках (фермах) — более сложной, высшей конструктивной форме — материал концентрируется только в определенных направлениях, чем объясняется его более полное использование. Но и здесь изгибающий момент присутствует, хотя и в скрытой форме: в одном и том же сечении фермы наблюдается как растяжение, так и сжатие. Такая «двузначная» работа сечения представляет собой естественный предел несущих возможностей ферм.

Рис. 21. Можно ли исключить изгиб? При конструктивных формах определенного при определенных условиях - да. Принцип действия арочных конструкций

Однако существуют возможности полного исключения изгибающего момента из «игры сил». Одной из них являются арочные конструкции. В этом случае обеспечивается равновесие нового типа, представление о котором нам может дать рис. 21.

Если мы мысленно вырежем фрагмент арки и обозначим действующие на него силы (соответствующая часть внешней нагрузки и сжимающие усилия в местах разрезов), то увидим, что фрагмент находится в состоянии равновесия. Нет никаких «остаточных» сил, которые стремились бы его переместить или повернуть в пространстве. Но это необходимое и достаточное условие работы произвольного фрагмента и конструкции в целом под действием внешней нагрузки в так называемом «безмоментном состоянии» — столь ценное и желательное, — увы, возможно только в конструкциях с нелинейными очертаниями.

Итак, единственным внутренним усилием будет чистое сжатие, а мы уже знаем, что при этом в работу активно включается все сечение, каждый его квадратный сантиметр. Следовательно, можно говорить о полном использовании вложенного материала. В данном случае и общие деформации имеют другой, более благоприятный характер. Непосредственный прогиб, так ярко выраженный у балок и ферм, здесь отсутствует, имеет место лишь общее «скручивание» арки вследствие неизбежных деформаций сжатия.

Арочные конструкции обладают большой несущей способностью и жесткостью и предназначены для крупных пролетов. Это одно из самых мощных средств, которыми располагает инженер-конструктор для покрытия значительных пространств без промежуточных опор. И, естественно, мостостроение является той территорией, где арки и своды встречают самый теплый прием.

Каждый из нас не однажды видел арочные мосты. Это, несомненно, наиболее масштабное проявление одной из древнейших конструктивных форм, превосходящей возрастом даже ферму. Свод пришел в Европу с Востока. У арабов он находил применение в культовых и религиозных зданиях (мечетях, медресе), где с помощью конструкций дугообразного очертания перекрывались проемы, а позже устраивались и покрытия. В Риме свод был неотъемлемой частью знаменитых виадуков и акведуков, некоторые из которых сохранились до наших дней. В эпоху средневековья свод и его пространственный эквивалент — купол были вообще единственным средством для перекрытия определенных площадей без промежуточных опор (храмы, дворцы и т. п.), точнее — единственным средством, позволяющим использовать камень и кирпич не только для стен и колонн, но и для конструкций покрытия. Благодаря постоянному и относительно равномерному сжатию швы между отдельными каменными блоками не нуждались в специальных связях.