Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард. Страница 36

Однако фортуна не всегда благосклонна к сеятелям знаний, и можно подозревать,что некоторые из представительниц прекрасного пола все же сбежали с этихлекций, отдав предпочтение однообразию "ничем не занятого времени".Так или иначе, но Дэви, демонстрировавший на своих лекциях необыкновеннозахватывающие опыты с "новой электрической жидкостью" и яркие химическиеэксперименты, был, как мы бы сейчас сказали, прямо-таки создан для экрана.Этот энергичный молодой человек имел к тому же весьма привлекательную внешность,так что молодые дамы стекались на его лекции по причинам, которые нельзяназвать вполне академическими, Одна из них, говорят, заметила, что "этиглаза созданы не только для того, чтобы сосредоточенно разглядывать пробирки".В итоге кассовый успех лекций Дэви превзошел все ожидания, и администрациярезюмировала: "Хотя д-р Юнг, чьи глубокие познания в предмете, которыйон предложил своим слушателям, не вызывают сомнений, читал свои лекциитой же аудитории, что и Дэви, число его слушателей уменьшалось раз от раза,чего нельзя объяснить ничем иным, кроме слишком сухой и назидательной манерыизложения".

Провал такого рода не много бы значил, вызови работа Юнга интерес и поддержкуинженеров-практиков. Однако вождем и даже кумиром тогдашних инженеров был ТомасТелфорд (1757-1834), взгляды которого, как мы уже упоминали, отличалисьпрагматичностью и отвергали теорию. Все это способствовало тому, чтобы Юнгпочти немедленно отказался от кафедры и вернулся к медицинскойпрактике [59].

Развитие теории упругости на много лет переместилось во Францию, гдекак раз в это время Наполеон активно поощрял исследования в области конструкций.

Учение об упругом сжатии, "средней трети" и неустойчивости, котороевызывало такую скуку у фешенебельных дам на лекциях Юнга, в действительностисодержит практически все, что нужно знать о поведении стыков в каменнойкладке, при условии, что нам известна также линия действия силы веса. Другимисловами, мы должны знать, на каком расстоянии от серединной плоскости стенына самом деле действует нагрузка.

Рис. 64. В простейшем случае, когда имеется симметрия, "линия давлений",проходит через середину стены.

Здесь как раз уместно ввести понятие "линии давлений", которая определяетсякак линия, проходящая по стене здания от ее верхней точки до основанияи пересекающая все стыки в тех точках, где приложена равнодействующая вертикальногодавления. Линия давлений - это французское изобретение, и, по-видимому,первым ее рассматривал Кулон (1736-1806).

Для стены, колонны или опоры простых симметричных форм, таких, как показаны нарис. 64, линия давлений проходит, очевидно, через середину, и здесь нет никакихтрудностей. Однако если речь идет о сколько-нибудь более сложном сооружении, тотогда скорее всего имеется хотя бы одна наклонная сила, возникающая из-забокового давления крыши, арки, сводов или других конструктивных элементов. Втаких случаях линия давлений уже не проходит точно через середину стены, асмещается на одну сторону и часто принимает искривленную форму, как показано нарис. 65 [60].

Рис. 65. В результате действия наклонной нагрузки линия давлений отклоняетсяот плоскости симметрии стены.

Рис. 66. Действие на стену дополнительной вертикальной нагрузки уменьшаетотклонение линии давлений от середины стены.

Если, проводя линию давлений, мы обнаружим, что имеется опасность того,что она в какой-либо точке достигнет поверхности стены, то следует призадуматься,и крепко, поскольку у сооружения, спроектированного таким образом, великишансы рухнуть.

Один из способов исправить положение (и, вероятно, это один из наиболееэффективных способов) состоит в том, чтобы на верхнюю часть стены добавитьдополнительный вес. Тогда дело обернется таким образом, как это показанона рис. 66. В противоположность тому, что можно было бы предположить, этотдополнительный вес способствует большей, а не меньшей, устойчивости стеныи возвращает "заблудшую" линию давлений более или менее туда, где ей следуетнаходиться.

Требуемый дополнительный вес можно создать, просто надстроив стену больше,чем в действительности необходимо; годятся также такие вещи, как тяжелыебаллюстрады и парапеты. Всегда могут выручить и поставленные в ряд статуи(рис. 67), если, конечно, это совместимо с назначением здания и позволяютсредства! С конструкционной точки зрения бывает обоснованным использованиебашенок и статуй в готических церквях и соборах. Они возвышаются там словнонасмешка над приверженцами функциональности и унылыми ревнителями "эффективности".

Обычно считается абсолютно необходимым, чтобы линия давлений [61] проходила в пределах "средней трети" стены, посколькуиначе при появлении трещины она может обвалиться.

Рис. 67. Требуемую дополнительную вертикальную нагрузку могут создаватьбашенки, статуи и т. п.

Такой осторожный подход правилен, он служит безопасности, и его необходимопридерживаться, но я боюсь, что в наш век вседозволенности это делается редко.Посмотрите на стену современного жилого дома или нового учебного заведения, ивы увидите массу трещин, а там, где трещины, непременно действовали когда-торастягивающие напряжения. Правда, хотя эти трещины вредят штукатурке ивнутренней отделке здания [62], на деле ониредко представляют какую-либо опасность для несущей конструкции. Основнымусловием надежности каменной кладки является то, чтобы линия давлений нигде иникогда не подходила к поверхности стены, или колонны.

Плотины

Подобно стенам, каменные плотины обычно разрушаются не из-за недостаткапрочности, а из-за недостатка устойчивости - они, как и стены, могут опрокидываться.Боковое давление на плотину со стороны запруженной воды, как правило, сравнимос весом каменной кладки плотины. Поэтому положения активной линии давлениймогут резко меняться в зависимости от уровня запруженной воды. Для плотинв отличие от обычных зданий недопустимы никакие вольности в обращении справилом "средней трети". Их каменная кладка ни в коем случае не должнасодержать трещин, особенно со стороны, обращенной к запруживаемой воде.Присутствие трещины позволило бы воде под давлением войти внутрь конструкции,что повлекло бы за собой два нежелательных последствия. Во-первых, водаповреждала бы каменную кладку. В больших плотинах для предотвращения всякогопросачивания воды в тело плотин обычно предусматривается специальный дренаж.Во-вторых, давление воды внутри трещины создавало бы направленную вверхсилу (ее величина на глубине 30 м составляет около 0,5 МН/м²), котораяв критической ситуации опрокидывает дамбу.

Так, разрушение британской авиацией плотин Мопе и Эдер в 1943 г. происходилов две стадии, разделенные коротким промежутком времени. Вначале взорвалисьбомбы, сброшенные Барнсом Уоллисом возле плотины со стороны верхнего бьефа(прежде чем взорваться, они затонули). Взрывы бомб образовали в теле плотиныглубокие трещины, а уже опрокидывание плотин произошло через некоторыйпромежуток времени и было вызвано проникновением в эти трещины воды, давлениекоторой было достаточно велико. Те, кто читал отчет об этих операциях,помнят, что между взрывами бомб и видимым разрушением плотины была заметнаяпауза. Разрушения эти нанесли огромный ущерб районам Рура.

Разрушение плотины в мирное время - страшный сон для инженера. Дажеесли плотина сделана из неармированного бетона, а не из камня, было бынеразумным положиться на сопротивление материала плотины растягивающимнагрузкам. Поэтому во всех плотинах, построенных из неармированных материалов,линия давлений, смещаясь в сторону верхнего бьефа при незаполненном водохранилищеи в противоположную сторону, когда водохранилище заполнено до предела,не должна выходить из "средней трети", и не лишне при этом иметь еще некоторыйзапас. Чтобы удовлетворить этим требованиям, обычно строят суживающиесякверху плотины асимметричной формы. Эта форма хорошо известна, вы видитеее на рис. 68.