Людмил Оксанович - Невидимый конфликт

Начнем с разнообразия геометрических решений. Определенное, хотя и отнюдь не полное представление о нем дает рис. 20. Но поскольку геометрическая форма конструкций тесно связана с их статической работой и назначением, а также с видом материала, при рассмотрении геометрии ферм следует учитывать одновременно все эти аспекты.

На рис. 20, а мы видим самую естественную «стержневую модификацию» обычной полностенной балки. Это ферма с параллельными поясами. Восприятие внешних нагрузок подчеркнуто дифференцируется: изгибающий момент воспринимают пояса, причем в верхнем поясе возникают усилия сжатия, а в нижнем — усилия растяжения; соответственно поперечные силы (срез и сдвиг) воспринимаются диагональными и вертикальными стержнями (решеткой). С приближением к опорам усилия в поясах постепенно уменьшаются, а в решетке увеличиваются. Эти изменения точно повторяют картину диаграмм М и Q на рис. 16и 17. Обычно по очертаниям решетки можно определить, из какого конкретного материала изготовлена ферма. Решетка на рис. 20, а с диагоналями (раскосами) , подвергающимися растяжению, и вертикалями (стойками) , подвергающимися сжатию, характерна главным образом для стальных конструкций, где растяжение всегда более желательно. Желательно оно потому, что не может привести к потере устойчивости в тонких стальных стержнях и не создает никаких проблем с соединением стержней в узлы. И наоборот, решетка на рис. 20, б (сжимаемые раскосы и растянутые стойки) почти точно «указывает» на присутствие дерева. Для деревянных ферм узловые соединения растягиваемых стержней в недалеком прошлом (и особенно при устройстве раскосов) были серьезной проблемой, в связи с чем здесь более желательно сжатие.

Что же касается железобетона, то его монолитные конструкции не представляют никакой проблемы с точки зрения соединений, а определенная массивность стержней снижает остроту проблемы устойчивости (в сравнении со сталью). Поэтому встречаются железобетонные фермы с самой различной формой решетки. На рис. 20, в показана типовая ферма, применяемая для пролетов длиной до 30 м (раскосы подвергаются растяжению). На рис. 20, г мы видим силуэт фермы со сжимаемыми раскосами (это нам подсказывает, что она может быть выполнена из железобетона) для пролетов длиной до 40 м, которая тоже выдержала конкурс на типовой проект.

Вообще можно сказать, что усилия в раскосах больше, чем в соседних стойках, соответственно больше и их длина. Поэтому в случае применения относительно массивных и менее прочных материалов, какими являются дерево и железобетон, предпочтительны системы со сжатыми раскосами и растягиваемыми стойками.

А это как раз и есть система Гау-Журавского. Ее даже можно назвать «конструкцией XIX века». Сначала она появилась в Германии, но затем русский инженер Журавский разработал теорию расчета этой системы, что способствовало ее исключительно широкому распространению. Ее «рождение» продиктовано стремлением «вместить» все диагонали в узлы путем простого стыкования. Но такое соединение может передавать только сжатие. Поэтому раскосы дублируются «крест-накрест». В определенный момент работает только одна из них. Когда нагрузка изменяется так, что усилие из сжимающего становится растягивающим, в работу включается ее противоположно ориентированный двойник, причем тоже на сжатие. Растянутые стойки (они всегда подвергаются растяжению!) выполняют из стальных стержней круглого сечения, которые завершаются резьбой и гайками. Эти гайки предварительно затягивают для устранения люфтов, главным образом от неплотного опирания. Впоследствии, когда древесина, ссыхаясь, сжимается, гайки снова периодически затягивают во избежание ослабления конструкции.

С помощью таких легких и жестких решетчатых балок, обладающих к тому же большой несущей способностью, в мостостроении преодолеваются пролеты длиной 20, 30 и даже 50 м. Но, как видим, в этой системе все подчинено материалу — дереву. Поэтому судьба моста на р. Эйстебл не вызывает удивления (пролет 37 м). Попытка заставить такой гораздо более прочный материал, как сталь, работать в конструкции, которая полностью рассчитана на специфику дерева, оказалась роковой.

Очень эффективно работают конструкции с параболическими или полигональными очертаниями верхнего пояса. Проблем при выполнении таких конструкций значительно больше, но в случае больших пролетов все сложности окупаются. Положительный эффект обусловлен тем, что очертания пояса повторяют очертания диаграммы моментов. В направлении опор моменты уменьшаются, но в соответствии с тем же законом уменьшается и плечо внутренней пары сил (растяжение — сжатие) в ферме. Другими словами, усилия в поясах постоянны или почти постоянны. Здесь мы имеем дело с эффектом свода, с которым мы познакомимся ближе несколько позже. Стержни решетки нагружены очень слабо, они легки и имеют предельно малое сечение.