Невидимый конфликт

Балка прямоугольного сечения, поставленная на ребро, обладает еще большей несущей способностью, что заметил еще Галилей. Вообще цель конструктора — размещение как можно большей массы над и под центром тяжести сечения. На рис. 18 приводится сопоставление так называемых «моментов сопротивления» (измеряемых в см³) для различных сечений одной и той же площади, т. е. эквивалентных по расходу материала. Как можно видеть, с растягиванием сечения по высоте его сопротивление резко возрастает, достигая наибольшей величины в случае некоторых прокатных стальных профилей.

Это не значит, что прямоугольное сечение применяется редко. Трудность в том, что форма сечения определяется рядом обстоятельств. Кроме конструктивных, технологических, эстетических и функциональных соображений большое значение имеет и вид материала. Для всех монолитных и даже для некоторых сборных железобетонных конструкций прямоугольная форма наиболее желательна, поскольку она обусловливает самую легкую и простую опалубку. По вполне понятным причинам лесоматериалы тоже имеют вид элементов прямоугольного сечения (доски, рейки, бруски и т. д.).

В случае применения стали прямоугольное сечение является исключением. Для такого дорогого, тяжелого и технологического материала прямоугольная форма элемента, подвергающегося нагрузке на изгиб, была бы невероятным расточительством, не говоря уже об излишнем утяжелении конструкции. Поэтому основной формой стальных элементов являются различные сложные профили, обеспечивающие наибольший эффект их работы в конструкции.

Прямоугольное сечение составляет исключение независимо от материала в случаях, когда речь идет о преодолении пролетов большой величины. В этих случаях собственный вес имеет решающее значение и потому должен быть сведен к минимуму. В железобетонных конструкциях для этого приходится идти на неизбежные компромиссы с опалубкой, чтобы получить хоть и не такие стройные, как стальные, но все же достаточно эффективные тавровые или двутавровые сечения. С деревянными конструкциями дело обстоит проще, поскольку из отдельных элементов прямоугольного сечения можно получить составные сечения более сложной, но более эффективной формы.

Составные деревянные балки бывают главным образом двух видов — на гвоздевых соединениях и клееные. В первом случае стенка выполняется из двух слоев досок, сколоченных между собой под углом 45° относительно оси балки, т. е. под углом 90° один к другому. К нижнему и верхнему краям стенки прибивают мощные пояса из балок. Клееные конструкции выполняют приблизительно таким же образом, только стенка состоит из листов фанеры, соединенных с помощью синтетических клеящих составов. У балок типа «стенка-пояс» отчетливо выражена дифференциация в восприятии нормальных и поперечных усилий.

Если тонкие и стройные стенки воспринимают главным образом поперечные усилия (тангенциальные напряжения), то мощные пояса, в которых сконцентрирована основная масса элемента и притом на значительном расстоянии от центра тяжести, воспринимают нормальные усилия изгиба.

Наиболее отчетливо эта система выступает в случае применения стальных составных балок. В связи с тонкостью стенки ее усиливают специальными ребрами жесткости. Такие ребра можно видеть также у составных деревянных балок и у некоторых тонкостенных балок из железобетона.

У железобетона стремление к «утонченности» сечений наиболее ярко выражено в предварительно напряженных элементах. Но за счет этого они перекрывают значительные расстояния между опорами — до 50—60 м при свободно опертых балках (чаще всего в мостостроении) и до 70—80 м при частично защемленных балках из монолитных рам. Профиль из предварительно напряженного железобетона по изяществу силуэта приближается к стальному прокату.

В случае материалов с ярко выраженными различиями между прочностью на сжатие и прочностью на растяжение форма поперечного сечения асимметрична — верхний и нижний пояса имеют разные размеры. Например, чисто бетонная балка (хотя вряд ли где-нибудь применяются такие балки) должна отличаться более сильным нижним поясом, подвергающимся нагрузке на растяжение, так как прочность бетона на растяжение в 10-20 раз меньше, чем на сжатие. У железобетонных балок положение противоположное. Благодаря стальной арматуре зона растяжения относительно сильная, следовательно, должна быть обеспечена равная прочность зоны сжатия, которая выполнена из гораздо более слабого бетона. Равная прочность достигается в этом случае только за счет увеличения сечения зоны сжатия.