Меню
Поиск

О выборе лучшего строительного материала, или что такое "лучший материал"




Можно предположить, что природа знала свое дело, когда выбирала между различными возможными вариантами биологических тканей, но простые смертные, а порой и даже великие, имеют очень странные представления о материалах... В древности поэты говорили, что полы на небесах сделаны из золота или из стекла; оба вещества - чрезвычайно неподходящий стройматериал для полов. Правда, поэты почти всегда безнадежны в отношении материалов, но и большинство из нас не многим лучше. В действительности очень редко кто-либо всерьез задумывается о подобных вещах.

Выкрутасы моды и соображения престижа, кажется, играют здесь главную роль. Золото не очень подходит для часов, так же как и сталь для мебели офисов. В викторианскую эпоху увлекались чугуном, из него делали даже такие предметы обихода, как подставки для зонтиков. Хотя выбор материала иногда является следствием эксцентричности, чаще он основан на традициях и консерватизме. Конечно, в основе традиционного выбора материала нередко лежат весьма веские причины, но во многих случаях он обусловлен случайными обстоятельствами, а порой обоснованность и случайность так тесно переплетены, что трудно понять, насколько он оправдан. Инженеров бы сегодня шокировала идея сделать большой деревянный корабль, как наших предков - идея сделать корабль из железа.

Очень любопытно проследить, как меняется со временем отношение к тем или иным материалам. Возьмем, например, соломенные крыши. Солома была самым дешевым и потому самым непрестижным кровельным материалом, однако в беднейших сельских районах ею часто приходилось покрывать даже крыши церквей. В течение XVII в., когда церковные приходы сделались побогаче, по подписке собирали деньги на замену соломы шифером или черепицей. Иногда денег на всю крышу не хватало, и тогда приходилось оставлять солому в тех местах, где она была меньше заметна для прохожих, - черепицей покрывалась только сторона, обращенная к главной дороге. Сегодня престижность обернулась другой стороной - соломенная крыша в английских графствах служит предметом гордости весьма богатых бизнесменов[1].

Традиционным материалом для строительства дома в деревне в северных районах нашей страны всегда было дерево, а в городе кирпич, из-за необходимости строить более высокие дома, ввиду дороговизны земли в черте города. А в советское время начал широко применяться бетон, но большинство индивидуальных застройщиков редко его используют, из-за сложности возведения опалубки и подъезда бетононасоса. Поэтому, когда появился пенобетон, а за ним и автоклавный газобетон, многие застройщики приняли их за "манну небесную". Потому что, с одной стороны, это звучит как бетон ( хотя и ничего общего с железобетоном у них нет), с другой стороны, по форме напоминает кирпич ( и здесь ничего общего нет). Но для рекламной кампании сгодится: "Пенобетон теплее, чем бетон и из него легче строить, чем из кирпича!" Реклама всегда работает на ассоциациях. Поэтому, после проведения массированной рекламы, даже богатые люди стали строить из газобетона, заменяя им кирпич, хотя газобетон похож на кирпич по своим характеристикам, как маргарин на сливочное масло.

Древесина, является очень хорошим материалом для строительства дома, но здесь акценты делаются на традиционные конструкции дома, а не на сам материал. Задайте вопрос в интернете: "Какой дом лучше, деревянный или каменный?" Вы получите сравнение характеристик бревенчатого дома и дома из газобетона. Здесь происходит подмена строительного материала строительной конструкцией из этого материала. Потому что при таком сравнении выигрывает газобетон. Если ответ дают строительная компания специализирующаяся на строительстве бревенчатых домов, то сравнивать будут бревно и кирпич, а упор будут делать на экологичность и стоимость. На самом деле правильнее было бы сравнивать конструкции домов, а не строительные материалы. Например, бревенчатый дом строят из бревен и бетона (фундамент), в доме из пеноблоков только стены из этого материала, а перекрытие из бетона, крыша из древесины, а фундамент из железобетона. Только дом из монолитного бетона делается полностью из одного материала, каркасный тоже можно построить из одного материала, даже фундамент, но чаще для фундамента используется бетон или металлические сваи. Поскольку люди склонны разбивать сложное дело, каким является строительство дома, на более простые этапы, то этим легко пользуются различные хитрецы,сравнивая отдельные детали конструкции дома, а не конструкцию дома в целом. Поэтому давайте попробуем развенчать некоторые мифы, выдуманные недобросовестными или просто не очень образованными людьми, ведь вам жить в этом доме возможно придется всю жизни и, Вы вкладываете СВОИ деньги в этот дом, и чтобы вам никогда бы не пришлось давать объявление о продаже дома со словами "строили для себя", чтобы избавиться от головной боли.

Каркасные конструкции против монокока

Существует мнение, будто конструкции типа монокока (кирпич, бетон) более современны и прогрессивны, чем якобы примитивные и устаревшие пространственные каркасные конструкции. Такого мнения придерживаются даже опытные инженеры, но в действительности для этого нет объективных оснований. В тех случаях, когда нагрузка носит в основном сжимающий характер, пространственные каркасные системы всегда легче и обычно дешевле монокока[1]. Если учесть, что небольшой одно-трехэтажный дом должен нести небольшие нагрузки от снега и внутреннего содержимого дома, то каркасный дом, является самым легким домом, способным выдерживать эти нагрузки плюс собственный вес и, видимо, эта легкость связывается у многих людей с ненадежностью, хотя это ошибочное мнение. Тот же пенобетон или газобетон тоже легкие материалы, но не такие прочные, как древесина, многим людям кажутся такими же надежными, как кирпич или железобетон. Помимо сжимающих нагрузок на любой дом действуют и изгибающие нагрузки, возникающие от давления ветра, деформации фундамента или вследствие сейсмической активности. В этом случае будут лучше работать конструкции с большим сопротивлением на изгиб, каковыми являются железобетонная или деревянная каркасная конструкция, но об этом мы поговорим позднее.

Материалы и экология

В будущем XX в., возможно, назовут веком стали и бетона. Но не исключено, что о нем будут говорить и как о веке уродств или расточительства. Однако не только инженеры одержимы сталью и бетоном (и почти безразличны к последствиям этой одержимости), ими заразились и политики, и широкая публика.

Болезнь, по-видимому, началась лет двести назад со времен промышленной революции и появления дешевого угля; это привело к дешевому железу и железным паровым машинам, превращавшим дешевый уголь в дешевую механическую энергию и т. д., круг за кругом, раскручивалось колесо производства и потребления энергии. В угле и нефти в малом объеме запасено большое количество энергии. Машины очень быстро перерабатывают заметную часть этой энергии, но также в малом объеме. Затем они выдают эту энергию в концентрированной форме в виде электричества или механической работы. На этой концентрации энергии основывается вся наша современная техника. Материалы этой техники - сталь, алюминий и бетон - сами требуют больших количеств энергии для своего производства (табл. 6).

Таблица 6.
Количество энергии, необходимое для производства различных материалов *

Материал
Энергозатраты
для производства
1 т материала
Дж х 109/т
Нефтяной
эквивалент
т
Сталь (мягкая)
60
1,5
Алюминий
250
6
Стекло
24
0,6
Кирпич
6
0,15
Бетон
4
0,1
Дерево (сосна, ель)
1
0,025

Несмотря на высокую стоимость энергии и оскудение ее запасов, потребление энергии скорее увеличивается, чем уменьшается.

Весьма вероятно, что такое положение вещей не может продолжаться бесконечно, ибо вся эта система полностью зависит от дешевых и концентрированных источников энергии, таких, как нефть и уголь.

Живую природу можно считать совершенно уникальной системой, приспособленной для извлечения энергии не из концентрированных, а из "размазанных" источников, причем использует она эту энергию с величайшей экономией. Сейчас предпринимается много попыток собирать энергию для технических целей из таких неконцентрированных источников, как солнечный свет, ветер или океан. Многие из них, вероятно, окончатся неудачей, потому что энергетические затраты на постройку соответствующих систем из стали, бетона и других материалов могут оказаться слишком велики и даже не компенсируются при их эксплуатации. Очевидно, необходим совершенно другой подход ко всей проблеме "эффективности". Природа смотрит на эти проблемы с точки зрения "метаболических затрат", и, быть может, мы должны перенять ее опыт.

Мы вскоре увидим, что одним из самых эффективных в конструкционном смысле материалов может быть дерево. При больших размерах и малых нагрузках конструкция из дерева во много раз легче, чем конструкция из бетона или стали. В прошлом затруднения с использованием древесины во многом определялись медленным ростом леса и необходимостью дорогостоящей выдержки древесины. Но теперь многое изменилось.

Возможно, самое важное достижение в области материалов за последнее время принадлежит генетикам, которые вывели быстрорастущие породы деревьев, дающих коммерческую древесину. Сейчас разводят разновидности сосны (Pinus radiata), ствол которой при благоприятных условиях дает прирост до 12 см в диаметре в год, так что лес готов для рубки на деловую древесину уже через 6 лет после посадки. Появились реальные перспективы превратить дерево в техническую культуру с коротким периодом созревания. Важно, что почти вся энергия, необходимая для выращивания древесины, поступает от Солнца бесплатно. Кроме того, деревянную конструкцию можно сжечь за ненадобностью, получив большую часть энергии, накопленной деревом во время роста, чего, конечно, нельзя сказать ни о стали, ни о бетоне.

Древесина обычно требовала длительной и дорогостоящей выдержки в специальных сушилках, которые потребляют значительное количество энергии. Сегодня оказалось возможным сократить срок выдержки сортовой мягкой древесины до 24 ч при низкой стоимости процесса сушки. Это имеет очень важное значение не только для строительного дела, но и в связи с мировым энергетическим кризисом.

Анализ весовой эффективности различных материалов в различных конструкциях приведен в приложении 4. Проектирование большинства технически совершенных конструкций, таких, как, например, самолет, во многом определяется величиной E / r, которая называется удельным модулем Юнга и определяет, так сказать, весовую "стоимость" деформаций конструкции. Оказывается, однако, что для большинства обычных конструкционных материалов - стали, алюминия и дерева - величина E / r приблизительно одинакова.

Требование высокой жесткости конструкции может очень ограничивать наши возможности. Однако, как мы уже видели, стоимость сжатой конструкции - весовая, а часто и денежная - во многих случаях тоже очень высока. Весовая стоимость * сжатой колонны определяется не отношением E / r, а величиной (E )1/2/ r. Весовая стоимость панели зависит от (E )1/3/ r . Эти параметры приведены в табл. 7.

* Здесь весовая стоимость понимается как плата весом силового элемента за данную критическую или разрушающую нагрузку. - Прим. ред.

Таблица 7
Критерии эффективности некоторых материалов в различных условиях

Материал
Модуль Юнга
Е
Плотность
r
E / r
(E )1/2/ r
(E )1/3/ r
Сталь
210000
7,8
25000
190
7,5
Алюминий
73000
2,8
25000
310
15
Стекло
73000
2,4
25000
360
17,5
Кирпич
21000
3,0
7000
150
9
Бетон
15000
2,5
6000
160
10
Дерево (сосна, ель)
14000
0,5
25000
500
48

Можно заметить, что малая плотность материала дает ему большие преимущества, и сталь в этом смыслу хуже кирпича и бетона, а те, в свою очередь, хуже дерева.

Таблица 8.
Конструктивная эффективность различных материалов,
выраженная в затратах энергии, необходимых для их производства *

Материал
Энергия, необходимая
для обеспечения
заданной жесткости
конструкции
в целом
Энергия, необходимая
для изготовления
сжатой панели
заданной
критической нагрузкой
Сталь
1
1
Алюминий
4
2
Кирпич
0,4
0,1
Бетон
0,3
0,05
Дерево
0,02
0,002
* Все величины в таблице относительны, за единицу приняты характеристики стали. Все они очень приблизительны.

В табл. 8 приведены характеристики конструктивной эффективности материалов в терминах энергетических затрат. Видно, что обычные материалы - дерево, кирпич и бетон - имеют здесь подавляющее преимущество, при этом обратите внимание, что на изготовление панели из древесины (читайте деревянная стена) требуется в 50 раз меньше энергии, чем для изготовления кирпичной стены, и в 25 раз меньше энергии, чем для изготовления бетонной стены, которые будут и гораздо холоднее. Таблица заставляет задуматься, действительно ли оправданна погоня за материалами, которые создают излишнюю жесткость, при недостатке утепления, хотя для дома важны обе характеристики и жесткость, и утепление. Поэтому многие годы инженеры пытаются найти материалы, которые сочетают обе эти характеристики. Природа поняла это очень давно, когда изобрела дерево; это понимали и римляне, которые облегчали кладку пустыми винными кувшинами. Пустоты несравненно дешевле как в стоимостном, так и в энергетическом отношении. В общем то, инженеры в этом достаточно преуспели, изобретя пенобетон и пустотелый керамический кирпич, но тем не менее ни один, ни другой материал даже близко не подошли к материалу, которая создала сама природа - к древесине и целлюлозе. Пенобетон или газобетон, а также поризованный кирпич обрели повышенное теплосопротивление, благодаря снижению прочности, а энергетические затраты для изготовления пенобетона даже возрасли (для автоклавного газобетона).

О долговечности

В конечном счете все сооружения будут разбиты или разрушатся сами, так же как и всем нам в конце концов суждено умереть. Так ли уж необходимо увеличивать долговечность дома на "приличный срок"?

Весь вопрос заключается в том, каков же этот "приличный срок". Каждая конструкция должна быть надежной в течение определенного времени службы. Возможно, что для храма или театра этот срок должен составлять сотни лет, поскольку традиции в религии и в искусстве не сильно меняются, а поэтому назначение помещения может не измениться еще несколько сотен лет. Другое дело жилой дом. Если посмотреть в каких домах жили люди всего лишь 100 лет назад, то становится понятно, что нам, современным людям, эти дома не подходят- ни по размерам, ни по наличию различных помещений, типа ванны и большой кухни, оснащенной техникой, ни по тепловой защите, ни по достаточной освещенности комнат.

Слишком прочная, "вечная" с человеческой точки зрения - а именно этого всегда жаждет публика - конструкция оказывается слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительный вес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает. Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкцию для реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пусть малой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода ее из строя.

Человеку присуща боязнь разрушения - вот почему обыватель цепко и упрямо держится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообще не должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самыми различными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальным результатам. Чувство возмущения поломкой конструкции унаследовано нами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего, и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и их дети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра или пещерного медведя.

Сколько дом простоит?

В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессор Жак Хейман положил любопытный принцип: "если строение простоит пять минут, то оно простоит пять веков". Для каменных сооружений, построенных на скальном грунте, это, наверное, так и есть. Однако множество зданий строится на мягком грунте, и если почва ползет, а это происходит довольно часто, то возникают такие феномены, как падающая Пизанская башня. Подобные смещения можно предвидеть, и происходят они достаточно медленно, но борьба с ними чрезвычайно дорогостояща, и многие здания, как древние, так и современные, либо развалились, либо были разобраны по этой причине.

Для большинства конструкций гниение и коррозия являются очень активными факторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил многих россиян отвернуться от древесины. Однако "бедные невежественные" жители США, Канады. Скандинавских стран и Швейцарии строят около 1500 тыс. деревянных домов в год, по-видимому ни мало не беспокоясь о гниении, и было бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использование древесины в этих странах растет. При этом, современные технологии позволяют добиться практически неограниченного срока службы древесины. Эти же технологии позволяют и нивелировать другой страх использования древесины - горение. Поскольку дома редко загораются в результате поджога, то причиной возгорания чаще становится неправильная установка и эксплуатация газового или электрического оборудования. Но это все зависит от проживающих в доме людей, а не от материала конструкции дома. Умереть можно и нарушая правила дорожного движения, причем эти правила нарушаются гораздо чаще.

Прочность дома

Не следует путать прочность конструкции дома и прочность материала. Прочность конструкции определяется нагрузкой (в ньютонах или в килограммах), которая приводит к разрушению конструкции. Эта величина известна как разрушающая нагрузка, и она обычно используется только применительно к некоторой конкретной конструкции. Разрушающая нагрузка для любого дома складывается из практически одинаковых нагрузок - переменной (мебель, оборудование и люди), снеговой, ветровой, иногда сейсмической, и веса самой конструкции. Все нагрузки, кроме последней одинаковые для домов одинаковой формы. Вес конструкции зависит от веса используемых строительных материалов. Практически все известные строительные материалы могут выдержать вес двух-трех этажей коттеджа, даже самые непрочные, типа газобетона или крупноформатного блока, тем более такую нагрузку может выдержать древесина, которая в несколько раз прочнее последних (смотрите таблицу 4). Отсюда следует, что нет объективных причин считать самую легкую конструкцию дома самой непрочной.

По назначению газобетонные изделия разделяются на две группы в зависимости от объемного веса и прочности: теплоизоляционный с объемным весом от 0,3 до 0,6 т/м 3 и конструктивный с объемным весом от 0,6 до 0,9 /м 3.Теплоизоляционный газобетон из-за малого объемного веса и, следовательно, значительной теплоизолирующей способности используется для изготовления теплоизолирующих скорлуп для трубопроводов, плит для теплоизоляции холодильных установок и кровель, для утепления стеновых панелей и т. д. Из конструктивного газобетона, для которого характерна более высокая прочность при малом объемном весе, изготовляют различного рода облегченные несущие элементы и возводят самонесущие стены зданий.

Бетон и кирпич являются хрупкими в первую очередь не потому, что имеют низкую прочность на разрыв,- это означало бы, что для их разрушения требуется небольшая сила, - а потому, что для их разрушения требуется только небольшая энергия.
Технические и биологические материалы, которые используются в условиях растяжения и в этом смысле являются относительно безопасными, для образования новой поверхности при разрушении требуют значительно большей энергии. Другими словами, работа разрушения для них значительно (несравненно!) больше, чем в случае хрупких твердых тел, поэтому в сейсмических районах предпочтительны железобетонные или деревянные каркасные конструкции домов. Для практически вязкого трещиностойкого материала величина работы разрушения обычно лежит в пределах 103-106 Дж/м2. Поэтому энергия, требуемая для разрушения сварочного железа или мягкой стали, может быть в миллион раз больше энергии, требуемой для разрушения в таком же поперечном сечении стекла или керамики, хотя величины статической прочности на разрыв этих материалов не сильно различаются. Поэтому таблица значений прочности на разрыв, подобная табл. 2, в случае если ее используют для выбора какого-то конкретного материала, может дезинформировать конструктора. По этой же причине классическая теория упругости, основанная главным образом на силах и напряжениях, которая старательно разрабатывалась в течение столетий - и еще более старательно преподавалась студентам, - сама по себе не может правильно предсказывать разрушение реальных материалов и конструкций.

Теплопроводность газобетона 0,174 Вт/(м2 ∗К) R=d/k d-толщина, k- теплопроводность R=2,18 м² · °С/Вт при d=0,38 м

http://thermalinfo.ru/publ/tverdye_veshhestva/stro... Таблица плотности и теплопроводности разных строительных материалов

5. МОРОЗОСТОЙКОСТЬ
При испытании на морозостойкость газобетон с объемным весом 0,9—1 т/м3 теряет за 75 циклов замораживания и оттаивания до 23% прочности.Образцы с объемным весом 0,4—0,6 т/м3 выдерживают лишь 15 циклов испытания без малейших признаков разрушения, а их прочность понижается до 10%.
6. УСАДКА
Неустойчивость линейных размеров газобетонных изделий является их основным недостатком. При высыхании газобетон дает усадку, при увлажнении — набухает.
Потеря воды зависит от температуры и оптимальной влажности среды и происходит в длительные сроки.
Грюн в течение года наблюдал усадку газобетона объемным весом от 0,6 до 0,7 различного состава. В начальные сроки было заметно набухание, а далее до года — прогрессирующая усадка.
Усадка является причиной возникновения трещин в изделиях и наблюдается как в процессе твердения изделий, так и при эксплуатации. (это свойственно сильнее для неавтоклавных пенобетонов)
Автоклавная обработка ослабляет сцепление арматуры с ячеистым бетоном; она составляет 0,3—0,5 величины сцепления ячеистых бетонов, твердевших во влажных условиях, независимо от типа арматуры. нитрит натрия может быть рекомендован для практических целей в качестве пассиватора коррозии арматуры.



8. КОРРОЗИЯ АРМАТУРЫ
Коррозия арматуры в газобетоне обусловливается его ячеистой структурой. Естественно, что степень агрессивного воздействия на арматуру водяных паров в пористом ячеистом бетоне тем больше, чем меньше его объемный вес. Коррозия в ячеистом бетоне всегда больше, чем в обычном тяжелом бетоне.
http://bent.ru/modules/Articles/article.php?storyi...

Основным преимуществом газобетона, когда он впервые был разработан в Швеции в начале 20 века было только то, что он не был деревом. Он по прежнему не является деревом, но в России, как и в большинстве европейских стран, древесины много и она дешевая, поэтому странно использовать более дорогой материал для строительства дома, при отсутствии других преимуществ. https://www.buildinggreen.com/news-article/autocla...

Поризованный кирпич

Свою лепту в снижение прочности вносит и кладочный раствор, который попадая в пустоты блоков оказывает расклинивающее действие. Для малоэтажного строительства (два-три этажа) прочность теплой керамики с большим запасом обеспечивает несущую способность стен. Дома из поризованного кирпича не уступают по несущей способности домам из других строительных материалов.

Еще одна неприятная особенность теплой керамики ее низкая прочность на растяжение. На практике это приводит к тому, что любые подвижки фундамента могут привести к появлению трещин на стенах. Конструкторы это знают и закладывают для домов из теплой керамики более мощные фундаменты.

Таблица 4. Приближенные величины работы разрушения и прочности при растяжении некоторых распространенных материалов

Вещество Приближенное значение
работы разрушения
Дж/м2
Приближенное
(номинальное)
значение прочности
на разрыв
МН/м2
Стекло, керамика 1—10 170
Цемент, кирпич, камень 3—40 4
Дерево 104 50
Мягкая сталь 105 - 106 400
Высокопрочная сталь 104 1000
У биологических материалов имеются весьма совершенные механизмы получения больших величин энергии разрушения, которые работают весьма изощренным образом. Способ, реализующийся, например, в древесине, исключительно эффективен, и работа разрушения дерева, взятая на единицу веса, больше, чем для большинства сортов стали.
Прочность
Прочность материала характеризуется напряжением (в МН/м2 или в кгс/см2), разрушающим сам материал. Обычно величина прочности более или менее постоянна для всех образцов данного вещества. Мы в основном будем рассматривать прочность материалов при растяжении, которую называют прочностью на разрыв. Ее обычно определяют, разрушая небольшие образцы в испытательной машине. Большинство вычислений в области прочности сводится, естественно, к определению прочности конструкции по известной прочности ее материала.
Величины прочности некоторых материалов приведены в табл. 2. Из нее видно, что прочность биологических и инженерных материалов, как и их жесткость, меняется в очень широких пределах.
Таблица 2. Прочность на разрыв различных твердых тел
Материал Прочность
на разрыв,
МН/м2
Материал Прочность
на разрыв,
МН/м2
Неметаллы Металлы
Газобетон 0,14 Высокопрочная сталь 1500
Цемент и бетон
4,1 Малоуглеродистая сталь 400
Поризованный кирпич
Сварочное железо 100-300
Обычный кирпич 5,5 Обычный чугун (очень хрупкий) 70-140
Дерево (сухое):

Современный чугун 140-300
вдоль волокон
103 Алюминий:
поперек волокон
3,5 литейные сплавы 70
Обычное стекло 35-175 деформируемые сплавы 140-600
Хорошая керамика 350
Медь 140
Пластик, армированный стекловолокном 350-1050 Латунь 120-400


Из таблицы видно, почему инженеры не могут допустить большие растягивающие нагрузки на бетон, не армированный стальными прутьями.
В целом металлы прочнее неметаллов. А плотность почти у всех металлов больше, чем у большинства биологических материалов. (Удельный вес стали 7,8 г/см3, а большинства биологических тканей около 1,1 г/см3) Поэтому высокая прочность металлов в сравнении с тканями растений и животных не производит особого впечатления, если относить ее к единице массы.


Ползучесть

Разные материалы подвержены ползучести совершенно по-разному. Среди материалов, используемых в технике, особенно заметно ползут дерево и бетон, и этого нельзя не учитывать.

Вследствие ползучести напряжения в материале некоторым образом перераспределяются, и это часто играет положительную роль, поскольку области более высоких напряжений подвержены ползучести в большей степени. Точно так же, если за счет ползучести уменьшается концентрация напряжений в соединении, то его прочность может расти со временем.

Перекосы, вызванные ползучестью в старых деревянных конструкциях, особенно бросаются в глаза. В зданиях зачастую живописно оседают крыши.

Грунты и горные породы, подобно другим материалам, также подвержены ползучести. Поэтому требуется следить за оседанием фундаментов зданий, если только они построены не на скале или очень твердом грунте. Оседание фундаментов крупных сооружений может быть особенно значительным, поэтому их воздвигают на бетонной "подушке".

Как мы уже убедились, простых смертных, не наделенных сверхъестественным разумом Природы, на пути создания конструкций, подвергающихся растяжениям, подстерегают трудности, осложнения и хитроумные ловушки. Особенно это относится к случаям, когда мы хотим создать конструкцию из нескольких кусков материала и сталкиваемся с проблемой прочности соединений. Не случайно наши предки старались по возможности избегать конструкций, подвергающихся растяжениям, и стремились использовать такие конструкции, в которых всюду действуют только сжимающие нагрузки.

Этому требованию лучше всего удовлетворяет каменная кладка. Тот замечательный успех, который во все времена сопутствовал ее применению, обязан двум факторам. Первый вполне очевиден - это возможность избежать растягивающих напряжений, особенно в соединениях. Второй менее очевиден - это удивительная совместимость задач конструирования больших строений, сложенных из камней, с ограниченностью возможностей "донаучного" подхода[1].

башни, уходящие в облака, и устойчивость каменной кладки

Обычно напряжения сжатия, возникающие в каменной кладке под действием ее собственного веса, весьма малы. Как правило, они редко превышают 0,01 прочности камня на сжатие и на практике не накладывают ограничений на высоту зданий или на их прочность. Тем не менее известно, что, начиная с библейской Силоамской башни, которая, не будучи особенно высокой, упала и убила 18 человек, они все же время от времени неожиданно рушатся (несмотря на уверенность архитекторов и строителей в их прочности). Такое происходило во все .времена, а иногда происходит и сегодня. И под тяжестью каменной кладки (а она немалая) нередко гибнут люди.

Но если стены рушатся не под давлением сжимающих напряжений, так под действием чего? Ответить на этот вопрос помогают детские игры. Все мы в детстве строили башни из кубиков, довольно неустойчивым образом поставленных друг на друга. Достигнув некоторой высоты, такое сооружение неизменно разваливалось. Даже дети понимают, хотя и не могут выразить этого в научных терминах, что виной тому отнюдь не сжимающие напряжения. Эти напряжения на деле ничтожно малы, а башня опрокидывается потому, что ее стены не строго вертикальны. Другими словами, речь здесь должна идти не о недостатке прочности, а о недостатке устойчивости. Хотя разница между этими двумя понятиями очевидна маленьким детям, она не всегда ясна строителям и архитекторам и тем более историкам искусства, которые пишут о кафедральных соборах и подобных им сооружениях.

Таким образом, назначение строительного раствора состоит не в том, чтобы "склеивать" кирпичи или камни, а в том, чтобы сжимающие нагрузки передавались через соединение более равномерно. Отсюда следует вопрос: "Как подобная проблема решается при строительстве домов из пеноблоков, газобетона и крупноформатных блоков?" Ведь хрупкость этих материалов значительно выше чем у кирпича, а для кладки используется тонкий слой клея.

Сравнение прочности материалов на растяжение и на сжатие

Содержимое многочисленных учебников и справочников - обширные таблицы прочности на разрыв практически всех конструкционных материалов. Как правило, книги эти гораздо более сдержанны в отношении прочности на сжатие. Одна из причин этого в том, что экспериментальные значения прочности при сжатии в большей мере зависят от формы испытуемого образца. Иногда материал оказывается столь чувствительным к ней, что становится почти бессмысленным приводить какие-либо цифры. Хотя обращаться с величинами прочности на сжатие мы обязаны очень осторожно и это оправданно, использование данного понятия все же позволяет лучше постигнуть работу конструкции. Прежде всего мы должны иметь в виду, что на самом деле не существует никакой однозначной зависимости между прочностью материала на сжатие и его прочностью на растяжение.

Весьма приблизительные величины прочности некоторых распространенных материалов приведены в табл. 5. Величины прочности на сжатие получены на образцах, имеющих отношение длины к толщине от 1 до 3-4. Прочность более толстых или более тонких образцов может быть совершенно другой.

Таблица 5
Приблизительные значения предела прочности на сжатие и растяжение для некоторых материалов

Материал Предел прочности
на растяжение
Предел прочности
на cжатие
МН/м2 кгс/мм2 МН/м2 кгс/мм2
Дерево (вдоль волокон)
поперек волокон
Литой алюминий
Стекло
Бакелит, полистирол и другие хрупкие пластмассы
Кирпич
Газобетон D500
Керамзитобетон
Цемент
100
3
40
30-200
15
5
0.31

4
10
0.3
4
3-20
1,5
0.5
0.031

0,4
27

300

55
10
2,4
4.8
40
2,7

30

5,5
1
0.24
0.48
4

Между величинами прочности материалов на растяжение и сжатие какого-либо универсального соотношения не существует. Отчасти это связано с тем, что в большинстве случаев трудно провести четкую грань между материалом и конструкцией. Например, куча кирпича обладает прочностью на сжатие и не имеет никакой прочности на растяжение. Несомненно, в данном случае куча кирпича представляет собой конструкцию, а не материал, но такие материалы, как чугун, бетон, гипс, на много прочнее при сжатии, чем при растяжении, и в основном по той же самой причине, что и куча кирпича: в них масса трещин. Цепи и канаты прочны на разрыв, но совсем не сопротивляются сжатию. Вероятно, их следует считать конструкциями. Древесина, однако, примерно в три-четыре раза прочнее при растяжении, чем при сжатии, потому что ее отдельные волоконца при сжатии сгибаются. Тем не менее древесина считается материалом, а не конструкцией.

Растяжение и сжатие в конструкциях

В течение многих веков инженеры и архитекторы старались по возможности не нагружать материал растяжением. И это делалось не столько потому, что не было достаточно прочных на разрыв материалов (древесина, например, в этом отношении прекрасный материал), сколько из-за того, что очень трудно сделать достаточно прочное на разрыв соединение. (Большинство из нас интуитивно чувствует, что сжатая конструкция безопаснее растянутой; например, нам кажется, что кирпичная стена безопаснее подвесной канатной дороги.)

Листья, сэндвичи и сотовые конструкции

Пластины, панели и оболочки широко используются и природой, и техникой, но, чем они протяженнее и тоньше, тем меньше их жесткость на изгиб и критические нагрузки потери устойчивости. Поэтому высоту стен в каркасном доме без поперечных связей ограничивают 240 см. В принципе все, что увеличивает жесткость стержня или пластины на изгиб, увеличивает и ее сопротивление выпучиванию при продольном сжатии.

Древесина имеет ячеистое строение, так же как и большинство других растительных тканей, среди которых следует обратить внимание на стенки стеблей травы и бамбука.

В каркасном доме используется именно такая конструкция панели стены. Относительно тонкая обшивка стены усиливается стойками каркаса, которые и являются ребрами жесткости. Отсюда есть ограничения по величине промежутка между стойками и по высоте стены. Дополнительную жесткость может придавать утеплитель, который укладывается между стойками, Как правило, большинство утеплителей не жесткие, кроме пенополистирола, поэтому, вероятно, SIP панели будут гораздо жестче каркаса, утепленного минеральными и целлюлозными ватами. Каркасный дом использует объем пустот для утепления, поэтому у каркасного дома метаболические затраты гораздо ниже, чем у домов другой конструкции, а значит и стоимость. Каркасный деревянный дом дешев не потому что он строится из непрочных или некачественных материалов, а потому что он в несколько раз более эффективный при использовании прочности, теплопроводности и других параметров в сравнении с другими конструкциями домов.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭСТЕТИКА,

или мир, в котором мы должны жить

Конечно, держать "искусство" в отдельных коробочках, называемых музеями и театрами, весьма импонирует аккуратному обывательскому и административному образу мыслей. Но такие формы искусства, как живопись, музыка и балет, могут воздействовать на жизнь человека лишь эпизодически. Они могут служить убежищем, но не заменой всего того, что постоянно окружает нас и должно приносить нам удовлетворение само по себе. Большинство из нас находит некий освежающий источник в общении с природой, но мы покорно воспринимаем мрачность и унылость наших городов, фабрик, переполненных станций и аэропортов - всего того, в окружении чего мы вынуждены проводить почти всю свою жизнь. Возможно, что рыба, вынужденная постоянно жить в грязной воде, в конце концов привыкнет к ней, но человек, "выдерживаемый" в таких условиях, должен конце концов восстать[1].

Окружающая нас уродливость особенно остро ощущается в большинстве российских населенных пунктов, в которых множество домов построены в эпоху "развитого социализма" либо при массовой застройке, либо в частном порядке, при скудном количестве доступных строительных материалов. В настоящее время рынок изобилует различными строительными и отделочными материалами, появилось множество новых материалов, но тем не менее, ситуация улучшается практически черепашьими темпами. Бизнесмены, которые строят дома для перепродажи заинтересованы в получении быстрой и большой прибыли, поэтому вынуждены балансировать между красивой архитектурой и качественной конструкцией, потому что все вместе будет слишком дорого, и дом, одновременно красивый и построенный из дорогих долговечных материалов, смогут купить немногие. А индивидуальные застройщики балансируют между возможностями кошелька и размерами дома, а также ошибочными представлениями о надежности. Последнее связано, отчасти с закостенелостью представлений о строительстве и недобросовестной рекламе некоторых строительных материалов, побуждая строить дорогие неэффективные дома, когда большая часть средств тратиться не на внешний вид, а на массивность конструкции. Можно построить коробку дома за 3 миллиона и 1 миллион потратить на отделку и различные украшения, а можно потратить на коробку 1 миллион и 3 миллиона потратить на отделку. Какой дом будет красивее при одинаковой архитектуре дома?

....правильный расчет может удешевить конструкцию, так как позволяет экономить материалы более безопасным путем. В наши дни суть разницы между квалифицированным инженером, с одной стороны, и слесарем или просто самоучкой-любителем - с другой, заключается не столько в изобретательности или степени мастерства, сколько в теоретической подготовке.

Джеймс Гордон

Прочность

По-видимому, наиболее убедительно в рекламе продаваемой вещи звучат слова "не боится огня" и "не ломается". И хотя почти все мы знаем, что авторы рекламы не очень объективны, все же реклама находит адресата, и всегда можно встретить людей, искренне убежденных в том, что существуют (или, по крайней мере, должны существовать) какие-то действительно неразрушающиеся предметы. Однако создать такие предметы невозможно, поскольку энергия химических связей не бесконечна, и эти связи имеют определенную прочность. Нужно лишь, надежно закрепив предмет, достаточно сильно на него нажать или потянуть, и он сломается. Вопрос лишь в том, когда.