Конструкции, или почему не ломаются вещи | Страница 41 | Онлайн-библиотека


Выбрать главу

Рис. 88-89. Контрфорсы капеллы Королевского колледжа в Кембридже.

В этом случае вертикальная часть контрфорса отнесена от стены и удерживается серией арок, которые передают нагрузку, не слишком загораживая свет. Аркбутаны в сочетании с большими окнами обладают огромными декоративными возможностями, особенно при разумном расположении статуй и башенок, вес которых, как, должно быть, понимали строители, помогает контрфорсам в их нелегкой задаче - благополучно провести линию давления вниз через кружевной лес каменной кладки. В конце концов окна стали так велики, что от стен, поддерживающих здание, почти ничего не осталось. Имея дело с узкими полосками каменной кладки, как и с современными мачтами, невозможно обойтись без боковой поддержки. И как устойчивость высокой тонкой мачты обеспечивается весьма изощренной оснасткой корабля, так и устойчивость этих изящных стен целиком зависит от их поддержки арками и контрфорсами.

Рис. 90. Появление боковых приделов потребовало изобретения аркбутанов.

После того как все эти идеи проникли в сознание зодчих, были поняты ими и реализованы, строительство и архитектура достигли совершенно небывалых и впечатляющих высот. Ко времени создания позднеготических построек их архитектура потеряла всякую видимую связь с классическими образцами, от которых она произошла. Трудно найти менее схожие сооружения, чем, скажем, Кентерберийский собор и римская базилика. И все же линия общего развития здесь прослеживается ясно.

Постройки, о которых мы здесь говорили, прекрасны, но все они чрезвычайно дороги, и, конечно, куполообразные своды и арочные перекрытия обычно не годятся для частных домов. Вместо арок гораздо дешевле и проще применять для поддержания кровли какие-нибудь балки. Если над пролетом между стенами положить длинные наклонные балки, или стропила, то они будут передавать вес крыши через свои концы вертикально вниз, не оказывая никакого распирающего давления. В результате нежелательных отклонений линии давления от вертикали не возникнет, стены могут быть достаточно тонкими и отпадает необходимость в контрфорсах (рис. 91).

Рис. 91. Ферма перекрытия. На схеме показано шарнирное опирание (на роликах), чтобы подчеркнуть необходимость избежать распирания стен.

Уже по одной только этой причине балка является одним из важнейших элементов всех строительных конструкций. На самом же деле применение балок и ферм выходит далеко за рамки задач, связанных с крышами зданий; балки и теория изгиба балок сыграли в действительности чрезвычайно важную роль в обеспечении самой возможности технического прогресса. Неожиданно все это оказалось важным и в биологии.

Слово "балка" (beam) на староанглийском означает "дерево", оно до сих пор сохранилось в английских названиях отдельных деревьев, например березы и граба (whitebeam, hornbeam). Сегодня балки чаще всего делают из стали и железобетона, однако в прошлом на протяжении столетий при строительстве слово "балка" означало деревянный брус, часто даже целый ствол дерева. Хотя дешевле и проще срубить дерево, чем построить каменную арку или куполообразный свод, раздобыть нужное количество больших деревьев тоже порой было нелегко, больше того, настали времена, когда длинные брусья стали редкостью. Вот тогда и возникла необходимость в поисках способов, которые позволили бы строить крыши из деталей небольшой длины.

Фермы перекрытий

Современному человеку кажется совершенно очевидным, что стропила и перекрытия из коротких брусьев лучше всего делать, как в детском конструкторе, соединяя эти брусья в конструкцию треугольной формы (рис. 92).

Рис. 92. Ферма из коротких деталей.

Мы пришли к решетчатой ферме. Всем нам примелькались подобные конструкции стальных железнодорожных мостов. Любая конструкция такого рода, составленная из треугольников, называется фермой. Как и длинная сплошная балка, правильно сконструированная ферма позволяет экономно перекрывать длинные пролеты, не оказывая опасного бокового давления на поддерживающие ее стены. Применение ферм (и теория ферм), как и применение балок (и теория балок), в современной технике не ограничивается строительством зданий, оно гораздо шире. Фермы используются в конструкциях судов, самолетов, мостов и многих других машин и сооружений. Как мы видели в предыдущей главе, стянутая арка представляет собой еще одну реализацию той же идеи.

Однако в архитектуре ферма, или решетка из балок, внедрялась удивительно медленно. В наиболее простой ферме - в виде деревянных стропил крыши - эта идея может показаться совершенно очевидной, однако нашим предкам потребовалось немало времени для ее освоения. Они ведь никогда не видели железнодорожных мостов и не играли с детским конструктором. Стропила и фермы были, как оказалось, изобретением позднего Рима, хотя вплоть до средневековья никогда по-настоящему не применялись. Архитектуре удавалось обходиться без ферм на протяжении почти всей античной эпохи.

Греческим строителям никогда не приходила в голову сама идея ферм. Великие афинские архитекторы Мнесикл, построивший Пропилеи, и Иктин, создатель Парфенона и храма Аполлона в Бассах, сознательно отвергли использование арок и куполообразных сводов для перекрытий. И все же они оказались не способны придумать стропила или какой-либо достойный их эквивалент. Блеск эллинской архитектуры меркнет, как только нам попадается архитрав. Греческие кровли говорят о некотором недомыслии античных архитекторов.

Обычные каменные балки или перемычки нельзя использовать для надежного перекрытия пролетов длиной более 2,5 м - они могут обвалиться. Сознавая это, древние греки встали перед необходимостью использовать для перекрытий храмов и других зданий деревянные балки, хотя в античной Греции деловая древесина становилась столь же дефицитной, как и в современной.

В тех случаях, когда для храма можно было найти необходимое количество деревянных брусьев во всю длину перекрытия, эти балки укладывали горизонтально прямо на стены и каменные перемычки перистиля. Сверху накладывался достаточный настил, так что получался сплошной потолок над всей площадью здания (рис. 93).

Рис. 93. Крыша древнегреческого храма.

Но крышу, естественно, нужно было сделать водонепроницаемой, для этого над потолком сооружали большой холм из глины, смешанной с соломой и водой. Таким образом, на храм средних размеров наваливали кучу глины весом около 3 тыс. т. Затем весь этот "агротехнический" материал хорошо утрамбовывали и выравнивали, так чтобы холм приобрел треугольную форму с плоским скатом. После этого прямо поверх глины примерно так, как укладывают плитки на садовых дорожках, укладывали черепицу. Надо думать, строители рассчитывали на то, что огромная масса сырой глины высохнет прежде, чем начнет гнить поддерживающий ее потолок. Высыхая и растрескиваясь, глина, должно быть, становилась превосходным убежищем для всякого рода паразитов; но она же обеспечивала и прекрасную термоизоляцию, что особенно ценно в условиях жаркого климата. Однако чаще приходилось довольствоваться короткими бревнами небольшой длины. Царь Соломон, чтобы получить ливанский кедр для своего дворца, заключил даже политическое соглашение с царем Хирамом, и несмотря на это балки на крыше его дворца были длиной лишь по 17 локтей (примерно 7 м). В греческих храмах эти балки были еще короче, чем во дворце Соломона и подпирались снизу рядами колонн, хотя зачастую это было довольно неудобно. В одном большом дорическом храме (около 550 г. до н. э.) в Пестуме, на юге Италии, линия колонн проходит прямо посреди зала, разделяя его на два равных крыла. Это не могло не мешать проведению религиозных церемоний. В более поздних храмах встречается уже симметричное расположение колонн, которое было удобнее (рис. 94), но даже Парфенон разделен изнутри колоннами, которые нам кажутся излишними.

Рис. 94. В храмах V в. крышу удавалось соорудить без использования ферм.

Наиболее простым видом ферм, используемых для перекрытий, является конструкция А-образной формы, появившаяся в Средние века. Нижнюю часть фермы, воспринимающую горизонтальные нагрузки, строители называют ригелем. Обычно не представляет труда найти для ригеля достаточно длинные бревна, чтобы сделать простую треугольную ферму (рис. 95) для небольших пролетов.

41
От редактора перевода 1
Предисловие 1
Введение 1
Конструкции в нашей жизни, или как общаться с инженерами 1
Живые конструкции 2
Технические конструкции 2
Конструкции и эстетика 3
Теория упругости, или почему вещи все же ломаются 4
Часть I. Трудное рождение теории упругости 5
Глава 1 5
Почему конструкции выдерживают нагрузки, или упругость твердых тел 5
Закон Гука, или упругость твердых тел 6
Как теория упругости застыла на месте 6
Глава 2 7
Изобретение напряжения и деформации, или барон Коши и расшифровка модуля Юнга 7
Напряжение 7
Единицы напряжения 8
Деформация 8
Модуль Юнга, или какова жесткость данного материала? 8
Единицы измерения жесткости, или модуля Юнга 9
Фактические значения модуля Юнга 9
Прочность 9
Глава 3 10
Конструирование и безопасность, или можно ли доверять расчетам на прочность? 10
Французская теория и британский прагматизм 10
Коэффициент запаса и коэффициент незнания 11
Концентрация напряжений, или как "запустить" трещину 11
Глава 4 12
Упругая энергия и современная механика разрушения, с отступлениями о луках, катапультах и кенгуру 12
Энергетический подход к расчетам конструкций на прочность 13
Автомобили, лыжники и кенгуру 13
Луки 14
Катапульты 15
Эластичность, резильянс и ухабы на дорогах 16
Упругая энергия как причина разрушения 17
Энергия, или работа, разрушения 17
Гриффитс, или как жить в мире трещин и концентрации напряжений 18
"Мягкая" сталь и "высокопрочная" сталь 20
О хрупкости костей 20
Часть II. Конструкции, нагруженные растяжением 21
Глава 5 21
Растянутые конструкции и сосуды под давлением - о паровых котлах, летучих мышах и джонках 21
Трубы и сосуды высокого давления 22
Сферические сосуды высокого давления 22
Цилиндрические сосуды высокого давления 22
Китайская инженерия, или лучше прогнуться, чем лопнуть 23
Летучие мыши и птеродактили 23
Почему же птицы имеют перья? 24
Глава 6 24
О соединениях, креплениях и людях, а также о ползучести и колесах колесниц 24
Прочные соединения и человеческие слабости 25
Распределение напряжений в соединениях 26
Заклепочные соединения 26
Сварные соединения 27
Ползучесть 27
Глава 7 28
Мягкие материалы и живые конструкции, или как сконструировать червяка 28
Поверхностное натяжение 28
Поведение существующих в природе мягких тканей 29
Коэффициент Пуассона, или как работают наши артерии 30
Надежность, или о вязкости тканей животных 31
Строение мягких тканей 32
Часть III. Конструкции в условиях сжатия и изгиба 32
Глава 8 32
Стены, арки и плотины, или башни, уходящие в облака, и устойчивость каменной кладки 32
Линии давлений и устойчивость стен 33
Плотины 35
Арки 35
Масштаб, пропорции и надежность 36
О позвоночнике и скелете 37
Глава 9 37
Кое-что о мостах, или святой Бенезе и святой Изамбар 37
Арочные мосты 37
Чугунные мосты 38
Арочные мосты с подвесной проезжей частью 38
Подвесные мосты 38
Линия давления в арках и подвесных мостах 39
Мостовые фермы с верхним криволинейным поясом 39
Глава 10 40
Чем хороши балки, или о крышах, фермах и мачтах 40
Фермы перекрытий 41
Фермы в кораблестроении 42
Консоли и шарнирно опертые балки 43
Фермы мостов 44
Напряженное состояние балок 45
Продольные напряжения в изгибаемой балке 45
Глава 11 46
Тайны сдвига и кручения, или "Поларис" и вечерние туалеты 46
Терминология 46
Стенка балки в условиях сдвига - изотропные и анизотропные материалы 47
Касательное напряжение - это растяжение и сжатие, действующие под углом +45°, и наоборот 48
Складкообразование 48
Кручение 49
Центр изгиба и центр давления 49
Глава 12 51
Различные виды разрушения при сжатии, или сэндвичи, весла и Леонард Эйлер 51
Предел прочности на сжатие, или разрушение коротких стержней и колонн при сжатии 51
Сравнение прочности материалов на растяжение и на сжатие 52
Прочность дерева и композиционных материалов при сжатии 52
Леонард Эйлер и выпучивание тонких стержней и пластин 54
Трубы, корабли и бамбук, или кое-что о локальной потере устойчивости 55
Листья, сэндвичи и сотовые конструкции 55
Часть IV. И последствия были… 56
Глава 13 56
Философия конструирования, или форма, вес и стоимость 56
Проектирование конструкций, работающих на растяжение 56
Сравнения веса сжатых и растянутых конструкций 57
Масштабные эффекты, или еще раз о законе двух третей 58
Каркасные конструкции против монокока 58
Надувные конструкции 59
Колеса со спицами 59
О выборе лучшего материала, или что такое "лучший материал" 59
Материалы, топливо и энергия 60
Глава 14 61
Катастрофы, или очерк об ошибках, прегрешениях и усталости металла 61
О точности расчетов на прочность 61
Проектирование с помощью эксперимента 62
Сколько она будет служить? 62
Усталость металла, мистер Хани и пр. 63
Катастрофы деревянных кораблей 64
Еще о котлах, сосудах давления и о кипящем в них масле 64
О вырезании дыр 65
Об излишнем весе 66
Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру 67
Проектирование как прикладная теология 67
Глава 15 68
Эффективность и эстетика, или мир, в котором мы должны жить 68
Об эффективности и функциональности 70
О стилях и напряжениях 72
Об имитации, подделках и украшениях 73
Приложения 73
Приложение 1. О справочниках и формулах 73
Приложения 2-4 74
Приложение 2. Теория изгиба балок 74
Приложение 3. Кручение 74
Приложение 4. Эффективность стержней (колонн) и пластин при сжатии 74
Рекомендации для дальнейших занятий 74