Читать онлайн «Конструкции, или почему не ломаются вещи». Страница 37

Рис. 68. Каменная плотина без армирования.

Рис. 69. Армированная плотина.

Однако стоимость удержания воды с помощью плотины весьма высока, и инженерыпостоянно ищут более дешевые способы сооружения плотин. Заметно снизитьобщий вес плотины и стоимость цемента позволяет применение бетона, армированногостальными прутьями, в особенности предварительно натянутыми, Однако еслиармирующие прутья не закреплены в твердой породе под основанием плотины,имеется реальная опасность, что плотина будет опрокинута как целое, вместес арматурой и всем прочим.

Одно из возможных конструктивных решений показано на рис. 69. Здесьпростые вертикальные стальные стягивающие стержни закреплены в твердойпороде, лежащей в основании плотины, и проходят через бетон до ее верха,где они натягиваются с помощью устройства типа домкрата. Очевидно, чтоэти прутья работают так же, как и фигуры святых и башенки на кафедральныхсоборах. Любую обычную тяжелую каменную кладку также можно рассматриватькак "предварительно напряженную" ее собственным весом. Тяжелые статуи,поставленные в ряд по верхней кромке плотины, несомненно были бы эффективныи, возможно, не так уж плохо и выглядели бы, но, боюсь, они оказались быкуда как дороже стальных стержней.

Арки

Хотя арки не столь стары, как каменная кладка, тем не менее они тожеведут свое начало из глубокой древности. Имеются свидетельства, восходящиепримерно к 3600 г. до н.э., о существовании вполне совершенных арок изкирпича как в Египте, так и в Месопотамии. Арки из камня, по-видимому,имели отдельную и, возможно. независимую линию развития, возникающую изидеи об устройстве выступов; такие выступы, образованные выдававшимисявсе дальше последовательными рядами каменной кладки, строились навстречудруг другу, пока не сходились. Своды помещений (рис. 70), над которымивозвышаются крепостные стены микенского города Тиринфа, - уже тогда, когдаими восхищался Гомер, они были старыми, - построены именно таким образом.Боковые ворота в этих громадных стенах (рис. 71) можно рассматривать какпример дальнейшего развития техники устройства выступов. Все это, вероятно,было построено ранее 1800 г. до н. э.

Рис. 70. Своды, образуемые посредством выступовкаменной кладки. Тиринф, приблизительно 1800 г. до н. э.

Рис. 71. Боковые ворота в крепостных стенах Тиринфа.

Однако способ устройства арок с помощью серии выступов, подобный примененномупри строительстве ворот в Тиринфе, довольнопримитивен [63]. Арки скоро развились в конструкцию, вкоторой кирпичи или камни имеют слегка клинообразную форму, такие камни носятназвание клинчатых. Детали обычной арки показаны на рис. 72.

Клинчатый камень на вершине, или шелыге, арки или свода называется замковымкамнем, и иногда его делают большим, чем остальные. Хотя поэты, политикии представители гуманитарных наук склонны приписывать замковому камню особыесвойства, употребляя его название в переносном смысле, в действительностизамковый камень, если и имеет какие-либо отличия от других камней, то толькодекоративного характера.

Рис. 72. Элементы конструкции арки.

Назначение арочной конструкции состоит в том, чтобы выдерживать нагрузки,которые действуют на нее сверху вниз, преобразуя их в боковое давление,действующее вдоль арочного кольца и сжимающее по бокам клинчатые камни.Последние, конечно, в свою очередь давят на пяту арки. Как все это происходит,можно понять из рис. 73.

Кольцо арки, образованное кладкой из клинчатых камней, очень похожена искривленную стену, и для нее также можно построить линию давлений,указывающую линии действия равнодействующих сил, как это делалось вышедля обычных стен. В данном случае линия давлений должна искривляться, болееили менее повторяя форму кольца арки. О линиях давлений в арках мы поговоримв следующей главе, пока же отметим сам факт существования линии давлений.Как и в случае стены, здесь также можно считать, что клинчатые камни немогут проскальзывать относительно друг друга и что соединения не способнывыдерживать растягивающих напряжений.

Рис. 73. Распределение нагрузок в арке. Арка принимает на себя вертикальныенагрузки и преобразует их в боковые давления, которые действуют вдоль арочногокольца. Им оказывает противодействие пята арки.

Стыки между клинчатыми камнями ведут себя примерно так же, как и соединенияв обычной кладке. Если линия давлений паче чаяния выйдет за пределы "среднейтрети", то появится трещина. Если же линия давлений сдвинется к поверхностикольца арки, то образуется "шарнир". Но что радикально отличает арку оттривиальной стены, так это то, что, в то время как в подобной ситуациистена бы рухнула, с аркой этого не происходит. Из рис. 74 видно, что варке может возникнуть до трех шарниров, и при этом не происходит ничегострашного. В действительности в конструкциях многих современных мостовпредусмотрены три шарнира, которые воспринимают тепловые расширения.

Чтобы мост обвалился, ему требуется четыре шарнира, тогда арка оказываетсяцепью из трех шарнирно связанных звеньев - механизмом, имеющим ту степеньсвободы, которая позволяет ему "складываться", то есть разрушаться (рис.75). Кстати, поэтому, если вы хотите разрушить мост - из добрых или злыхпобуждений, - то взрывчатку лучше всего подложить в месте, отстоящем примернона треть пролета арки. Для того чтобы добраться до верхней поверхностиарки, обычно необходимо сначала сделать подкоп со стороны проезжей частимоста. Но земляные работы всегда требуют времени, вот почему так частосрывались планы взорвать мост вслед за отступающей армией.

Рис. 74. Арка с тремя шарнирными точками.

Рис. 75. Появление четвертого шарнира влечет за собой разрушение арки.

Все это свидетельствует об исключительной устойчивости арок и о том, что они неслишком чувствительны к смещениям в основаниях. В то время как смещения вфундаменте стены могут вызвать обвал [64],смещения в основании арки вызовут в ней только перекосы, которые для арокдовольно обычны.

Так, мост Клэр-на-задах в Кембридже весьма заметно изогнут посрединеиз-за смещений в основаниях арки (рис. 76). Это произошло уже давно, итем не менее мост абсолютно безопасен.

Рис. 76. Мост Клэр-на-задах в Кембридже. Смещения в основаниях привели кперекосу арки, что совершенно не повлияло на безопасность моста.

Точно так же арки очень хорошо выдерживают землетрясения и такого роданапасти, как современные потоки транспорта.

Так что не удивительно, что наши предки часто были более чем приверженык аркам: арка может устоять, даже если вы серьезно ошиблись в вычисленияхпри ее проектировании (или вообще обошлись без всяких вычислений) и вдобавокрешили строить все сооружение на болоте. Последнее на самом деле случилосьс несколькими английскими кафедральными соборами.

Следует заметить, что среди развалин чаще всего наиболее сохранившимисяоказываются арки. Отчасти это связано с присущей им устойчивостью, хотяне исключено и то, что клинчатые камни арок меньше интересовали окрестныхкрестьян, чем прямоугольные камни стен. (Последним объясняется и сохранностькруглых колонн на развалинах греческих храмов.)