Невидимый конфликт

Но так или иначе трещины в обычных железобетонных конструкциях неизбежны, и мы вынуждены с этим мириться. Интересно, однако, что первое время специалисты совсем не хотели мириться с трещинами.

В течение первого десятилетия нынешнего века было выполнено множество железобетонных конструкций, и в результате наблюдений за ними в инженерном мире возникла паника. Было обнаружено трещинообразование. Для тогдашней строительной практики, имевшей дело со сталью, камнем и деревом, трещина была синонимом катастрофы, несомненным признаком цепной реакции грозной строительной аварии. Оказалось, что наличие арматуры в зоне растяжения не предотвращает растрескивания бетона. Мы об этом уже знаем, а тогдашние строители даже не подозревали.

Последовали самые крутые меры. В 1909 г. главный инженер немецких железных дорог от имени своего ведомства обязал инженеров-строителей повысить устойчивость бетона к образованию трещин с 30 до 150%. Этому примеру последовали и в других странах. Можно себе представить, каких мощных сечений и каких огромных количеств стали требовал подобный подход. Итак, на карту поставлено будущее железобетона…

Эти временные колебания, обусловленные низким уровнем тогдашних знаний, стимулировали поиски такого железобетона, который работал бы без трещин. Поэтому с самого начала развитие этого странного материала шло двумя различными, независимыми один от другого путями, вследствие чего до нас дошли принципиально различные его формы, настолько различные, что многие специалисты считают грубой ошибкой объединять их под общим названием «железобетон».

Пусть сопротивление бетона растяжению невелико, рассуждали тогдашние специалисты, пусть он легко трескается, но зато он обладает большой прочностью на сжатие. Нельзя ли предварительно создать в нем настолько сильные сжимающие напряжения, чтобы в эксплуатационном состоянии напряжения растяжения были полностью нейтрализованы? В таком случае бетон теоретически почти не нуждается в арматуре; он превращается в новый материал, совершенно отличный от исходного, с гораздо большими возможностями.

Время убедительно доказало рациональность этой простой, на первый взгляд, идеи.

Рис.36. Бесценная идея под названием "предварительно напряженный железобетон"

Рассмотрим пример на рис. 36, где представлена бетонная балка на двух опорах, которая воспринимает нагрузку, в десятки раз большую, чем та, что могла бы привести к образованию трещин и разрушению. В нижней ее части, т. е. там, где ожидаются эксплуатационные растягивающие напряжения, оставлен канал, через который протянут напрягающий элемент — высокопрочная сталь. С помощью мощных прессов канат растягивается — напрягается, а затем анкеруется в концах элемента. Получается внутренне уравновешенная система — растяжение в стали, которое вызывает сжатие в бетоне. Отдельные параметры напряжения могут быть рассчитаны таким образом, чтобы растягивающие напряжения от внешней нагрузки были полностью нейтрализованы. Это можно видеть по диаграмме нормальных напряжений на рис. 36: диаграмма предварительного напряжения суммируется с напряжением от эксплуатационной нагрузки, в результате чего получается лишь сжатие по высоте всего сечения.

Разумеется, в бетоне могут также допускаться и определенные растягивающие напряжения, что приведет к экономии. В этом случае предварительно напряженный бетон будет работать в стадии I, или, как принято в некоторых странах, — в стадии Iа. О трещинах не может быть и речи. Получается новый бетон, по поведению близкий к упругим материалам.

В сущности, то, что описано выше, является основным в идее предварительного напряжения. В действительности конструкции весьма разнообразны по форме, назначению и нагрузке, но подход один — детальное исследование действия нагрузок, выделение зоны растяжения и расчет параметров возникающих напряжений. Весьма интересны методы создания предварительных напряжений сжатия в бетоне. Здесь еще раз обнаружилась безграничная изобретательность человека. Среди множества самых разнообразных методов предварительного напряжения можно выделить две основные группы: напряжение до бетонирования и напряжение после бетонирования. В первом случае бетон укладывается на напряженную арматуру; после его схватывания арматура ослабляется и за счет сцепления, которое возникает между обоими материалами, передает усилие на бетон. Для предварительного напряжения используют тонкие высокопрочные нити (струны, проволока), а также канаты, скрученные пучки и т. д. Это — высокоиндустриализованный метод производства предварительно напряженных железобетонных элементов, поэтому он применяется в заводских условиях и предназначен для сборного строительства. На заводе элементы чаще всего изготовляют на длинном стенде. На натянутые напрягающие стальные элементы длиной в десятки метров укладывается бетон сразу для многих железобетонных изделий.