Невидимый конфликт

Формы с параболическим верхним поясом, которые мы рассматривали раньше, по существу, тоже можно считать одной из многообразных форм арок. Если действует только нагрузка, для которой и выбрана такая линия верхнего пояса, решетка фермы не нагружена, а следовательно, ферма работает как арка. Другой формой, широко применяемой в промышленном строительстве, является так называемая балка Виранделя, которая состоит из прямолинейного нижнего пояса, параболического верхнего пояса и вертикальных стержней решетки. При постоянной равномерно распределенной нагрузке она тоже работает как арка. (Однако при неравномерной нагрузке возникают значительные изгибающие моменты, поскольку в решетке отсутствуют диагональные стержни. Такая система работает уже гораздо более сложным образом. Ее работа представляет собой нечто среднее между работой балки, фермы, арки и рамы.) В промышленном строительстве НРБ широко применяется типовая балка Виранделя из сборного железобетона для пролетов величиной 12, 18 и 24 м. В Берлине построено промышленное здание с пролетом 60 м, в покрытии которого тоже применены балки этого типа. В Бельгии балки Виранделя были использованы при строительстве ряда стальных мостов с пролетами до 80 м. Катастрофа, которая произошла с одним из них, служит убедительным доказательством огромной роли горизонтального сжатия в случае применения арочных конструкций.

Речь идет о том, что работа арок предполагает не только вертикальное давление на опоры (как у балок), но и значительное горизонтальное сжимающее усилие. Это хорошо видно на рис. 21. С одной стороны, это весьма неприятное явление, поскольку оно создает ряд проблем, связанных с восприятием подобной нагрузки. Необходим или специальный фундамент, который передавал бы это усилие на грунт, или — когда геологические условия, а чаще всего вид и назначение конструкции не позволяет это сделать, — дополнительный элемент (затяжка), который связывает две пяты арки и воспринимает горизонтальную силу. В случае ферм и балок Виранделя роль затяжки выполняет нижний пояс. Однако, с другой стороны, горизонтальное сжатие является просто бесценным обстоятельством, именно оно определяет безмоментное напряженное состояние и превращает криволинейную форму арки (сама по себе криволинейность еще ничего не значит) в рациональную и эффективную конструктивную форму. Так или иначе, но горизонтальное сжатие имеет место, а его восприятие обязательно. Однако вернемся к катастрофе бельгийского моста, в конструкции которого была применена балка Виранделя.

Утром 14 марта 1938 г. внезапно рухнул стальной мост на канале Принц Альберт близ города Хасселт. Очевидцы утверждают, что слышали звук, подобный выстрелу, после чего заметили разрыв в нижнем поясе между третьей и четвертой вертикалями. Мост начал сильно провисать и приблизительно через 6 мин, развалившись на три части, упал в замерзшие воды канала. Было минус 10°С.

Мы не будем останавливаться на причинах катастрофы: низкокачественная сталь, некачественная сварка, конструктивные погрешности и т. д. Важно то, что речь идет о «хрупком» разрушении, которое у низкоуглеродистых сталей может происходить только при особых условиях, например при низких температурах. Однако гораздо интереснее механизм самого разрушения, стадии, через которые последовательно прошла конструкция, прежде, чем окончательно рухнула.

Рис. 22. Последовательное развитие катастрофы моста у города Хасселт (Бельгия). Все произошло в течение нескольких секунд

Сначала все было в порядке — транспорта на мосту не было, нагрузка только от собственной массы предполагала чистое сжатие в верхнем поясе. Конструкция работала как арка, а горизонтальное усилие воспринимал нижний пояс-затяжка. Внезапно он разорвался. Конструкция «пыталась» продолжать работать как арка, передавая горизонтальную силу на фундаменты, которые, разумеется, не были рассчитаны на такую ситуацию. В результате вершины фундаментов были срезаны (рис. 22). Горизонтальная сила исчезла, исчез и эффект арки. С этого момента конструкция (вернее, ее верхний пояс), стала работать как свободно опертая балка (хотя и с параболическими очертаниями, что, впрочем, несущественно). Появились огромные изгибающие моменты, которые верхний пояс был не в состоянии выдержать. Балка, естественно, переломилась и рухнула в канал.

ВИСЯЧИЕ МОСТЫ

В середине 1976 г. в Японии был сдан в эксплуатацию самый большой из современных висячих мостов. После строительства моста между островами Хонсю и Кюсю, объявленного рекордсменом азиатского континента, и еще нескольких событий такого рода специалисты заговорили о висячих мостах как об одной из интереснейших областей техники, у которой едва ли не самая драматичная история.