Науки и специальности (2)

Автор: Михаил Глебов, май 2009

Железобетон

Однако перечисленные прикладные науки, при всей их необходимости и важности, являются лишь фоном, на котором сверкают две звезды первой величины: железобетон и сталь. Ибо эти материалы до такой степени господствовали в советском строительстве второй половины ХХ века, что прочих почти не заметно. Если же вспомнят о многочисленных кирпичных жилых домах в Москве, то ведь кирпич у них только снаружи, а внутри железобетонные перекрытия опираются на железобетонный каркас. Конечно, доныне строится много кирпичных будок, деревянных сараев и прочей мелюзги, но даже тут бетон, сталь и легкие металлы типа алюминия быстро отвоевывают позиции.

Поэтому всякий инженер обязан, наряду с сопроматом, владеть хотя бы основами расчета железобетонных и стальных конструкций. Но свойства двух этих материалов до такой степени противоположны, а расчеты столь ответственны и сложны, что редкий смельчак берется за то и другое сразу. Впрочем, это даже запрещено. В то время как большинство инженеров постоянно занимается бетоном (с примесью кирпича, фундаментов и т.п.), другие, объединенные в особые группы и даже в целые институты, специализируются на серьезных стальных конструкциях, традиционно считающихся более сложными и ответственными, чем железобетонные.

Наука "Бетонные и железобетонные конструкции" неспроста имеет двойное название, поскольку это действительно разные вещи. Чистый бетон (без арматуры) широко используется в массивных сооружениях типа плотин, фундаментов под тяжелые станки, оснований автострад, взлетных полос и т.п. Все же и здесь часто ставится небольшая арматура, чтобы не дать бетону потрескаться от усадки, пока он неравномерно затвердевает. Такую арматуру, устанавливаемую не по расчету, а из общих соображений, называют конструктивной.

Бетон, как и всякий камень, хорошо выдерживает сжатие, но легко раскалывается и рвется. Более того, даже сжатые конструкции на поверку разрушаются от… растяжения! Если мы возьмем резиновый мячик и надавим рукой сверху, он сожмется в вертикальном направлении - и растянется в горизонтальном. То есть сжатие мяча сверху вниз породило в нем расширение вбок. Это коварное свойство всех твердых тел называют вторичным полем напряжений. Когда бетонная колонна нагружена сверху чем-нибудь чрезмерно тяжелым, в ней, как в нашем мяче, как и в описанных мною раньше кирпичных стенах, возникает поперечное расширение. Тогда в бетоне рождаются вертикальные трещины, параллельные направлению сжатия, и по мере того, как они становятся все шире, колонна словно раздувается посередине и наконец лопается.

Что же касается изгиба, на который работают все горизонтальные конструкции (балки, плиты перекрытий и пр.), он также сочетает растяжение и сжатие, что легко увидеть на примере резинового шланга. Когда мы сгибаем его, внутренняя сторона морщится гармошкой от сжатия, тогда как наружная явно растягивается; середина же остается безучастной к нашим усилиям. А поскольку перекрытия нагружены сверху, то нижняя их часть пребывает в растянутом состоянии, а верхняя - в сжатом.

Одним словом, куда ни кинь, к любой конструкции прямо или косвенно подкрадывается растяжение, которое для бетона - смерть. Чтобы победить его, в ту часть конструкции, которая должна быть растянутой, устанавливают арматуру - круглые, большей частью рифленые стальные стержни высокой прочности. Они склеиваются с застывшим бетоном, стягивают его и не дают порваться.

Железобетон совершенно не подчиняется правилам сопромата и Теории упругости; он ведет себя так, как считает нужным, и потому почти все расчетные формулы для него - эмпирические (не выведенные из физики, а полученные опытным путем). Формулы эти на первый взгляд простенькие, но в каждой есть какой-нибудь коэффициент. Станешь искать его - и обнаружишь, что к нему также дана формула - уже со своими коэффициентами. Некоторые из них отыскиваются по громадным таблицам, другие снова определяются формулами, и не успеешь оглянуться, как завяз по уши.

В элементарных случаях, вроде простого изгиба, сжатия и т.п., дело решается быстро, но если конструкция попалась какой-нибудь хитрой формы или нагрузка приложена наискось, то коэффициенты лезут, словно татары на Илью Муромца. Еще сложнее температурный расчет - например, когда железобетонная стена нагревается с одной стороны, как это бывает в горячих цехах. Бетон там хочет расшириться, а холодная часть стены его не пускает. На этот случай разработаны толстенные инструкции, через которые пробиваешься, словно Ливингстон сквозь африканские джунгли. Почти столь же противен расчет прогибов; его по возможности стремятся избегать, однако если возникает угроза, что перекрытие провиснет колбасой, деваться некуда.

Расчет железобетона тем плох, что полчища коэффициентов и таблиц совершенно затемняют физическую суть дела - из них не видно, как будет реально вести себя конструкция. Поэтому сперва приходится все оценить на глазок, по здравому смыслу, и лишь потом браться за формулы.

Совершенно особой статьей является предварительно напряженный железобетон. Такие конструкции изготавливают на специальных заводах. Смысл их в том, что на место обыкновенной арматуры устанавливают еще более прочную и натягивают ее мощными домкратами. Тогда конструкция, еще ничем не нагруженная извне, испытывает сильнейшие напряжения внутри: насколько арматурные стержни натянуты, настолько же окружающий бетон сжат, - и как раз с той стороны, которая под настоящей нагрузкой должна испытывать растяжение. Эти начальные усилия, имеющие обратный знак, приплюсовываются к естественной прочности бетона.

Поэтому предварительно напряженные плиты перекрытий могут нести гораздо больше, чем плиты с обычной, не натянутой арматурой. Оборотной стороной медали оказывается повышенная хрупкость и несколько меньшая надежность. Этот класс конструкций настолько же ушел вперед от обыкновенных железобетонных, как те в свою очередь - от кирпичных стен прошлого века. Предварительно напряженные балки широко используют в пролетах мостов, а плиты - в перекрытиях цехов и большинства жилых зданий послевоенного времени.

Сталь

В противоположность строптивому железобетону, сталь в точности следует законам сопромата, который, можно сказать, для нее и создан. Поэтому всякий начинающий инженер терпеть не может железобетонные конструкции и радуется стальным, словно старому знакомому. Вскоре, однако, выясняется, что стальные конструкции имеют ничуть не меньше "прелестей", хотя другой природы.

Железобетон не подчиняется сопромату из-за того, что (а) состоит из двух отдельных частей - бетона и арматуры, и (б) по-разному выдерживает растяжение и сжатие (что сопроматом не предусмотрено). Сталь же однородна и любые усилия воспринимает одинаково. Она очень прочна, тяжела и - главное - имеет высокую стоимость. Поэтому из стали никогда не делают толстых прямоугольных брусьев, подобных железобетонным или деревянным балкам, а выгадывают каждый миллиметр, убавляя где только можно, так что все стальные конструкции выходят тонкостенными.

Обыкновенная стальная балка выглядит как две широких и длинных горизонтальных полосы (полки), между которыми вварена третья (стенка). Эти тонкие, слабые на вид листы выдерживают страшные напряжения, как минимум двадцатикратно превышающие те, что бывают в железобетоне. И первое, что они всегда хотят сделать, - это потерять устойчивость, т.е. выпучиться, как это хорошо видно на примере обыкновенного листа бумаги.

Поэтому дамоклов меч проектировщика - не пропустить какой-нибудь коварной детальки, вследствие смятия которой обрушится вся конструкция. Львиная доля его работы заключается в скрупулезном поиске таких мест, а поскольку они встречаются на каждом шагу и с каждым следует разбираться особо, расчет конструкции вырождается в бесконечный изнурительный "поиск блох". Любая махонькая железючка придирчиво рассматривается со всех сторон; если она недостаточно надежна, ее подпирают другими железючками поменьше, которые в свою очередь требуют проверки. Однако добавленные элементы изменяют работу конструктивного узла в целом, и теперь его надо проверять еще раз.

Другая беда стальных конструкций - стыковка их между собой. Принципиальных способов соединения три: заклепки, болты и сварка. Первые очень трудоемки и давно канули в историю. Вторые бывают грубыми, обыкновенными и высокопрочными. В любом случае под них приходится сверлить отверстия, которые значительно ослабляют и без того ненадежную конструкцию. Их можно располагать лишь в строго определенном порядке; к соединяемым элементам зачастую приходится крепить всякого рода промежуточные накладки, а что из этого выходит, хорошо видно на примере многих московских мостов, хотя бы Крымского.

Сварка, конечно, спасает от этих ужасов, зато привносит другие. Суть ее заключается в том, что два стальных элемента сплавляются воедино под действием электрической дуги, вроде маленькой молнии. Сварка бывает заводская (на станках) и монтажная; вторая обыкновенно выполняется пьяным рабочим, висящим на высоте вниз головой, и имеет очень сомнительную прочность. Сверх того, сварная дуга создает в соединяемых элементах огромные температурные напряжения, которые никто не умеет определять. Иногда из-за них всю конструкцию при остывании перекашивает; в других случаях образуются трещины.

Стальные конструкции употребляются в наиболее ответственных сооружениях - мостах, крупных цехах, большепролетных перекрытиях, где по тем или иным причинам невозможно применить гораздо более дешевый железобетон. В советские времена разрешение на использование стали давалось в очень высоких инстанциях и лишь по очень убедительным причинам.

Существует совершенно особая группа стальных листовых конструкций, к которой относятся всякие емкости - цилиндрические резервуары для нефти, шарообразные газгольдеры для сжатого газа, прямоугольные бункеры для сыпучих тел вроде цемента или зерна. Главной нагрузкой здесь является давление содержимого изнутри. Для того, чтобы из плоских стальных кусочков сотворить большой круглый шар, применяют любопытные выкройки.

Для многочисленных архитектурных элементов типа витражей, витрин, подвесных потолков и перил лестниц, а также для строительной мелочевки вроде уличных ларьков широко используют алюминиевые конструкции. Алюминий очень легок, хорошо выглядит, но дорог, непрочен и не любит сварки. Рассчитывать его следует по особым правилам, однако на практике подобной глупостью стараются не заниматься и делают все на глазок.

Архитектурные страдания

Что же касается архитекторов, их катастрофически усевшая сфера деятельности почти целиком сводится к принятию объемно-планировочных решений, то есть к внешнему виду здания и его планировке. Здесь существуют две стадии: замысел и воплощение.

Первым обыкновенно занимается главный архитектор, которого автоматически считают автором проектируемого здания. Как всякий истинно творческий человек, он задумчиво морщит лоб, бродит по улицам под дождем и наконец, отчаявшись изобрести хоть что-то путное, идет в библиотеку своего института, просматривает специально для того выписываемые иностранные архитектурные журналы и заимствует оттуда наиболее впечатляющие образцы, предварительно дорисовав что-нибудь лишнее от себя.

Тогда в дело вступает его бригада в элегантных костюмах и модных кофточках. Все взапуски рисуют окна, крыши, лестницы с невообразимыми перилами, величественные интерьеры холлов, гардеробы с вешалками и столовую с расстановкой столиков и стульев (как будто их в самом деле так расставят). Автор проекта ходит между ними, словно маэстро среди учеников, и следит за точностью воплощения своего замысла.

Труднее всего продвигается планировка помещений: эта воистину каторжная работа похожа на детскую головоломку, где всевозможные фигурки требуется компактно уместить в один общий квадрат. Всякое здание строится для известной цели, что предполагает наличие в нем определенного набора помещений. К каждому помещению предъявляются особые требования относительно площади, количества окон, ширины дверей и т.д. Затюканная бригада младших архитекторов, вытирая очки и лысины, в сотый раз переделывает планировку этажа: то лестница не помещается, то сортир выходит окнами на парадный фасад, то перегородки налезают на окна, то вдруг выявляется комната без дверей, куда неизвестно как попасть, то проклятые инженеры не позволяют убрать в сторону несущие конструкции, а когда все наконец увязано, является автор проекта с новой гениальной идеей и велит начать все сначала.

Другим проклятием архитекторов служит пожарная безопасность, или наука об эвакуации людей из здания, тем более, что это - единственная вещь, за которую они отвечают в уголовном порядке. Почуяв опасность, люди сломя голову бросаются из здания, и требуется обеспечить им свободный выход наружу, чтобы они не передавили друг друга в узких коридорах, не задохнулись в дыму на лестницах, не падали, спотыкаясь о пороги и отдельные ступеньки, и т.п. В каждом здании поэтому предусматривается не менее двух лестниц, двух выходов на улицу и еще множество мелких, обременительных ограничений. На практике, однако, вторые выходы всегда бывают заперты, лестницы и коридоры загромождены хламом, и разгорись в самом деле пожар, люди бегут не как предусмотрено архитекторами, а куда получится.

PS. В настоящее время, когда подавляющее большинство инженерных расчетов мгновенно выполняется компьютерными программами, архитекторы наконец взяли реванш за вековое унижение. Теперь их творческие замыслы гораздо проще реализовать на практике. Инженер же, напротив, отступил в тень, сделавшись как бы оператором при компьютерной технике. Однако в данном цикле очерков речь идет о советской эпохе, когда компьютеров еще не было.

Нашествие смежников

Казалось бы, строительные проектные организации должны ограничиться специалистами трех рассмотренных нами категорий: архитекторов, железобетонщиков и металлистов. На деле же они составляют едва половину общей численности. Рядом с ними расплодилась туча специалистов смежных профессий, которых поэтому обыкновенно именуют смежниками. Они нужны потому, что современное здание, кроме несущих конструкций, фасадов и помещений, буквально нашпиговано всевозможными благами цивилизации и, кроме того, должно быть вписано в общий градостроительный контекст, т.е. стоять не как попало, а в увязке с уже существующими объектами.

Последним пунктом занимаются генпланисты, заваленные гигантскими планами прилегающих к строительной площадке дворов и улиц. На этих чертежах жирным контуром обведено проектируемое здание и тонкими линиями - соседние существующие. Между ними вкривь и вкось протянуты всевозможные пунктиры, словно на выкройках в женском журнале; все они означают подводку сетей - канализации, водопровода, электричества и т.п. Здесь же видны будущие проезды, тротуары и газоны. Генпланисты, страдальчески морщась над всей этой филькиной грамотой, пытаются определить, из какой точки следует запитывать новое здание, т.е. откуда именно вести к нему трубы и провода, чтобы это было просто в исполнении, дешево и не беспокоило тех, кто живет вокруг. Они же прикидывают, откуда срезать лишний грунт и куда подсыпать недостающий.

Если генплан предусматривает перед зданием сквер, в дело вступают специалисты по озеленению и благоустройству, вооруженные перечнями всевозможных декоративных растений с указанием, какие где растут, как цветут и чего не любят.

Главными супостатами для всякого инженера-конструктора (после архитекторов) являются специалисты по вентиляции, потому что их толстые прямоугольные венткороба то и дело налезают на несущие колонны и балки, и разойтись не всегда удается. Вентиляция бывает естественная и принудительная. Первая удаляет вонь из бытовых помещений типа ванн, туалетов и кухонь и непременно присутствует в каждом жилом доме. От вентрешетки, расположенной под потолком, на крышу тянется в толще стены узенький канал, из-за перепада высоты между концами которого образуется тяга, как известно из школьной физики. Однако в производственных помещениях, не говоря уже о химических цехах, этого недостаточно. Там создают венткамеры - просторные комнаты, облицованные звукоизоляцией, в которых ревут и гудят мощные электровентиляторы. Они создают тягу в системе широких жестяных коробов и выбрасывают вредные газы через трубу высоко над крышей.

Обок с вентиляционщиками всегда работают отопленцы, отвечающие за обогрев здания зимой. Горячая вода сперва попадает в бойлерную, подогревается до нужной температуры и закачивается насосом под самую крышу, откуда уже своим ходом стекает вниз по системе стояков, к которым подключены батареи, обратно в бойлерную.

Водопроводчики озабочены подводкой к зданию холодной и горячей воды (последняя никогда не совмещается с системой отопления). Здесь также обычно требуются бойлеры и насосы.

Эти же специалисты как правило ведают и канализацией, удаляющей жидкие отходы из раковин и унитазов. Главный бич здесь - постоянные засоры; поэтому толстые чугунные или пластиковые канализационные трубы всегда идут прямо, избегая углов и изгибов, а где трубе все-таки приходится поворачивать, устраивается ревизия, т.е. специальное окошко, в которое можно сунуться и прочистить засор.

Что касается подводки газовых сетей, проектировать их дозволено только специализированным организациям, к которым все прочие вынуждены ходить на поклон.

Электрики разводят по зданию два вида сетей - осветительные и силовые. Кабели подводятся к подвалу здания, защищенные от повреждений специальными асбестовыми трубами. Осветительные сети питают лампы и прочую бытовую технику; силовые же имеют повышенное напряжение и подводятся к станкам. Если в здании должно работать много оборудования, электрики занимают целые комнаты трансформаторами и так называемыми электрошкафами, в которых прячутся россыпи переключателей и разных приспособлений. Они же обеспечивают молниезащиту здания: на крыше ставятся громоотводы, от них по стенам сбегают металлические полоски и заземляются недалеко от здания. Особенно эта важно на химических заводах и в нефтехранилищах, где одна случайная искра может привести к гигантскому взрыву.

В группе электриков всегда есть специалисты-слаботочники, отвечающие за разводку телефонных линий и радиосетей, которые, как известно, характеризуются очень слабым напряжением. В крупных зданиях они часто устраивают сложные радиоузлы и мини-АТС.

Кроме них всех, то и дело приглашаются специалисты, отвечающие за какую-либо конкретную особенность проектируемого здания. В зрительных залах необходима помощь акустиков, без участия которых уже в десятом ряду ничего не будет слышно со сцены. Чертежи многоэтажных корпусов проходят через руки специалистов по лифтам. Если в здании намечается столовая, нужен специалист по пищевому оборудованию (которое на удивление многочисленно и разнообразно), да заодно уж по холодильным шкафам.

В зданиях специального назначения, будь то заводской цех, фабрика, стадион или театр, господствуют технологи, располагающие там необходимое оборудование. Если, положим, возводится ткацкий цех, перечень помещений, их последовательность и размеры определяются ткацкой технологией. В театрах и даже кинозалах существует огромное сценическое хозяйство, значительно превосходящее самые смелые догадки посетителей. На стадионах имеются жесткие требования к расположению и качеству дорожек, помостов, гимнастических инструментов, раздевалок и пр. Все же у конструкторов с технологами обыкновенно складываются нормальные деловые отношения: они ведь, в сущности, такие же инженеры, только другого профиля, и не ищут в проектах самоутверждения, а подходят с позиций здравого смысла.

Когда все эти группы выполнили свои задачи, их чертежи передаются в отдел производства работ, где в табачном дыму, среди окурков и плохо укрытых бутылок сидят туповатые, но трезвомыслящие мужички из бывших прорабов. Они придумывают, какие краны потребуются для подъема конструкций, какие экскаваторы - для рытья котлованов; сколько, когда и куда завозить кирпича и цемента и где их прятать от дождя и воровства. Затем они рисуют собственные чертежи, на которых можно увидеть башенные краны с рельсами, приобъектные склады, заваленные стройматериалами, бытовки для рабочих, временную уборную и забор по периметру площадки.

Полный комплект чертежей под конец поступает сметчикам, которые, вооружившись целыми шкафами ценников на все существующие материалы и виды работ, сочиняют громадные таблицы, в которых с трагикомической пунктуальностью учтен каждый винтик, использованный в проекте, вкупе с трудозатратами на его установку. Все таблицы объединяются в единую смету - многотомный документ, определяющий общую стоимость строительства. На основании сметы можно получить все бюрократические разрешения и начинать стройку. Некоторые бывалые заказчики даже утверждают, что никаких чертежей им даром не нужно, была бы смета для денежных злоупотреблений.