Built. Неизвестные истории известных зданий

Разрушение Квебек-Бриджа показывает, к каким катастрофическим последствиям может привести неквалифицированная инженерная работа. Немалая часть работы инженера заключается в том, чтобы выяснить, как конструкции будут выдерживать множество сил, приложенных к ним, которые их толкают, тянут, трясут, скручивают, гнут, продавливают, разъединяют и разрывают на части. Однако гравитация – самый важный из всех этих факторов. Это вездесущая сила, благодаря которой существует солнечная система, и все, что находится на нашей планете, стремится к ее ядру. Таким образом, к каждому объекту приложена сила, которую мы называем весом. Эта сила проходит через объект. Подумайте о весе разных частей тела. Вес кисти руки воздействует на предплечье, оно, в свою очередь, на плечо, а вес плеча ложится на позвоночник. Сила стремится вниз по позвоночнику к бедрам, а потом, пройдя тазовую кость, разделяется надвое, проходит через каждую ногу и устремляется в землю. Примерно то же можно наблюдать, если построить башню из соломинок и полить ее сверху водой: вода побежит вниз всеми путями, какие найдет, и будет разделяться там, где возможно.

Когда инженер проектирует конструкцию, ему необходимо понимать, куда приложена сила и какая, и убедиться, что конструкция, через которую эта сила проходит, выдержит нагрузку.

Существуют два основных вида силы, которые гравитация (а также другие явления вроде ветра и землетрясений) создает в конструкциях: сжатие и растяжение. Если сложить лист плотной бумаги в цилиндр, поставить вертикально на стол, а сверху положить книгу, то книга будет давить на цилиндр. Сила, с которой книга давит на цилиндр (равная массе книги, умноженной на гравитационную постоянную g), проходит через цилиндр и давит на стол (подобно тому, как вес тела проходит через ногу). Таким образом, цилиндр (как и нога) подвергается сжатию.

И наоборот, если взять веревку, привязать к одному концу книгу, а другой подвесить, то подвешенная книга (на которую по-прежнему воздействует сила гравитации) будет растягивать веревку. Сила, воздействующая на книгу, проходит через веревку, на которую воздействует сила растяжения. Такое же воздействие кисть руки оказывает на предплечье.

Опора книги с помощью сжатия (слева) и растяжения (справа)

В первом примере книга не падает на стол, потому что бумажный цилиндр достаточно прочный, чтобы противостоять приложенному к нему сжатию. Во втором примере книга не падает потому, что веревка достаточно прочная, чтобы противостоять приложенной к ней силе растяжения.

Чтобы конструкция сломалась, можно взять более тяжелую книгу. Сила, с которой эта книга будет воздействовать на опору, будет больше, потому что увеличилась масса книги. Цилиндр не выдержит такой вес, сломается, и книга упадет на стол. Аналогично, если более тяжелую книгу подвесить на веревке, то растяжение веревки окажется слишком большим. Веревка порвется, и книга упадет.

Силы, воздействующие на мост, происходят из его собственного веса, а также веса людей и транспортных средств, которые по нему передвигаются. Когда я работала над строительством пешеходного моста Нортумбрийского университета, то делала вычисления, чтобы понять, какие силы воздействуют на конструкцию. В результате я точно знала, какова сила сжатия и растяжения, приложенная к каждой детали. Я использовала компьютерную модель для проверки каждой секции моста, а потом рассчитывала, какой величины должны быть стальные детали, чтобы они не согнулись, не сломались и не продавились.

Вид силы и угол ее приложения зависят от того, как собрана конструкция. Собрать ее можно двумя основными способами. Первый известен как система опор, а второй как рамная конструкция.

Глиняные дома наших древних предков, толстые стены которых они возводили из глины, располагая их в форме круга или квадрата, сооружались по первому принципу. Стены таких одноэтажных жилищ были прочными и выполняли несущую функцию: вес конструкции спокойно выдерживал сжатие, воздействующее на стены. Этот принцип похож на книгу на бумажном цилиндре, на стенки которого воздействует одинаковая сила сжатия. Если к хижине пристраивали дополнительные этажи, то в какой-то момент сила сжатия начинала разрушать глиняные стены, несущие нагрузку, и они осыпались, точно так же как под весом более тяжелой книги складывается бумажная трубка. Когда у наших предков в распоряжении была древесина, они строили каркасные дома: связывали вместе бревна, и получался каркас, или скелет, дома, в котором силы распределяются между собой. Чтобы надежно укрыться внутри, между бревнами натягивали шкуры животных или плели стены из соломы. Если у глиняных домиков были прочные несущие стены, защищавшие жителей, то у деревянных домов появляются две четкие структуры: бревна, между которыми распределяются силы, и своеобразные «перегородки» или шкуры животных, которые нагрузки не несут. Способ распределения сил является фундаментальным различием между несущими и каркасными конструкциями.