Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (книги онлайн .txt) 📗

Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданнойпрочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаютсяслабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становитсятруднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий,от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодарятому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнеетребований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастуюавтоматически оказывается и достаточно прочной. Так как перемещения конструкциизависят скорее от ее общего вида, чем от существования "слабейших" мест,то расчеты на жесткость делать проще и они гораздо надежнее расчетов напрочность. Именно это мы имеем в виду, говоря о проектировании "на глаз".

Сколько она будет служить?

В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессорЖак Хейман положил любопытный принцип: "если строение простоит пятьминут, то оно простоит пять веков". Для каменных сооружений, построенныхна скальном грунте, это, наверное, так и есть. Однако множество зданийстроится на мягком грунте, и если почва ползет (см. гл. 6), а это происходитдовольно 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 активнымифакторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил английскихархитекторов и инженеров 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, ибыло бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использованиедревесины в этих странах растет.

Разные породы деревьев подвержены гниению в весьма различной степени, и регистр"Ллойда" [122] устанавливает определенный срок службы для каждого сорта древесины, используемой в кораблестроении. Однако при современном уровнезнаний и технологии можно добиться практически неограниченного срока службылюбой древесины.

Большинство металлов ржавеет, причем современная мягкая сталь ржавеетгораздо быстрее, чем викторианское кованое железо или чугун, поэтому борьбас коррозией является в некотором смысле проблемой последнего времени. Ручнойтруд сейчас очень дорог, поэтому велика стоимость окраски и содержаниястальных конструкций. Одна из важных причин широкого распространения железобетоназаключается в том, что армирующая бетон сталь не ржавеет.

Такие большие корабли, как современные танкеры, рассчитаны на эксплуатациюв течение примерно 15 лет, и, как правило, их дешевле разрезать на металлолом,чем красить. Срок службы автомобилей по той же причине обычно еще меньше.Правда, для некоторых конструкций можно использовать нержавеющую сталь,но она не всегда спасает от коррозии, к тому же она дорого стоит и значительнотруднее обрабатывается. Кроме того, нержавеющую сталь отличают невысокиеусталостные свойства.

Именно это послужило одной из причин широкого использования алюминиевыхсплавов. Но во многих случаях жесткость алюминия оказывается все же недостаточной,не говоря уже о его высокой стоимости. Существенным недостатком являютсятакже и трудности со сваркой. Некоторые социалистические страны видят заалюминием большое будущее и вкладывают значительные средства в развитиеего производства. В 1961 г. лондонская биржа была взволнована контрактамимежду "Тьюб инвестментс" и "Бритиш алюминиум". Однако рынок алюминия нерасширился в той мере, которой ожидали заинтересованные в этих сделкахбизнесмены. Кроме того, производство алюминия требует значительно большихэнергетических затрат, чем производство стали.

Даже если свойства материала, используемого в конструкции, со временемне ухудшаются, ее надежность все же зависит от различного рода случайностей,которые не всегда можно предвидеть. Многие конструкции разрушаются толькопри исключительных обстоятельствах (корабль - при чрезвычайно высоких волнах,самолет - при бешеном порыве ветра) и может пройти очень много времени,прежде чем это произойдет. Для некоторых сооружений фатально лишь необычноестечение нескольких обстоятельств. Для моста это может быть совпадениесильного ветра с чрезмерно интенсивным потоком транспорта. Хотя вероятностьподобных ситуаций необходимо предвидеть, зачастую проходят годы, преждечем они реализуются, и действительно, ненадежное сооружение может простоятьдолгие годы лишь потому, что оно так и не испытало настоящих нагрузок.

Конечно, инженеры, с ответственностью относящиеся к делу, в своих расчетахпытаются предвидеть необычайные ситуации, но очень часто пиковые нагрузкиявляются результатом того, что страховые компании называют "волейбожьей" [123].

Если корабль врежется в большой мост и при этом пострадает и мост, икорабль, как это произошло не так давно в Тасмании, то трудно сказать,что же именно нужно было учесть проектировщикам и моста, и корабля. Этапроблема относится не к конструкторам, а к местному отделению ассоциациисудоводителей. Нельзя также сделать самолет, на котором не отразилось быстолкновение с горой. Мы хотим (до определенной степени, конечно) иметьтакой автомобиль, чтобы, налетев на кирпичную стену, не нанести ущербаздоровью пассажиров, но не следует думать, что сам автомобиль после этогоокажется годным к дальнейшему использованию.

Усталость металла, мистер Хани и пр.

Одной из наиболее коварных причин, при которой конструкция теряет своюпрочность, является так называемая "усталость" - постепенно накапливающийсяэффект действия циклических нагрузок. Возможные драматические последствияусталости металла впервые обыграл Киплинг в 1895 г. в репортаже о событияхв Бискайском заливе, когда из-за появления усталостной трещины на концегребного вала отвалился винт "Гроткау". Киплинг вышел из моды, но интересширокой публики к усталости металлов был возрожден в 1948 г. романом НевилаШьюта "Путь закрыт". Отчасти своим успехом эта книга, как и поставленныйпо ней фильм, несомненно, обязаны характеру героя - мистера Хани, этоготипичнейшего ученого, а отчасти трем катастрофам самолетов "Комета", которыепроизошли вскоре одна за другой. Как заметил когда-то Вистлер, "Природакрадется за искусством". Обстоятельства аварий с "Кометами" отличалисьот описанных в романе только значительно большим числом жертв, эти катастрофынанесли серьезный урон английской авиационной промышленности.

В действительности, первые инженерные знания об усталостных эффектахносят столетнюю давность. Уже вскоре после промышленной революции былозамечено, что движущиеся части машин выходят из строя при таких нагрузках,которые были бы совершенно безопасны в случае, если бы они были неподвижными.Чрезвычайно опасными были разрушения осей железнодорожных вагонов, которыенеожиданно ломались без видимых причин после некоторого времени эксплуатации.Этот эффект вскоре стал известен как "усталость".

В середине XIX в. служащий немецких железных дорог Вёлер (1819-1914)провел классические исследования этой проблемы. На фотографии герр Вёлервыглядит именно так, как должен был, на наш взгляд, выглядеть типичныйнемецкий железнодорожный служащий того времени, но это не помешало емупроделать весьма полезную работу.

Как уже отмечалось в гл. 4, даже большие локальные напряжения не приведутк росту трещины, если ее длина не превышает "критической длины Гриффитса",поскольку рост трещины в этих условиях потребовал бы затрат энергии, превышающихработу разрушения материала. Однако в случае циклических нагрузок внутрикристаллической структуры металла происходит постоянная перестройка, вчем-то похожая на перестройку, возникающую в местах концентрации напряжений.Это приводит к уменьшению работы разрушения металла, и трещина, хотя иочень медленно, растет, даже если ее длина значительно меньше "критической".