НАУКА О ПРОЧНОСТИ

ФОРМА ЭКОНОМИТ МАТЕРИАЛ

Же в дренноети строители знали, что доска или брус, поставленные на ребро, во много раз лучше противо­стоят изгибу, чем положенные плашмя. На рис. 17 изобра­жены две балки одинаковой длины и одинакового сечения, положенные по-разному: одна на ребро, другая плашмя.

Если ширина балок вдвое больше их толщины, а мате - ривл одинаков, то верхняя балка выдержит вдвое боль­шую нагрузку, чем нижняя. Но это ещё не всё. Балка, по­ставленная на ребро, будет иметь не только большую прочность, но и большую жёсткость: если на балки поло­жить одинаковые грузы, то прогиб верхней балки будет вчетверо меньше, чем нижней,

Однако этим ещё не исчерпаны все возможности ис­пользования прочности материала. Прочность и жёсткость балки можно ещё больше повысить, не меняя площади поперечного сечения. Для этого достаточно сузить её в средней части и за этот счёт увеличить высоту. Попереч­ное сечение балки, имея прежнюю величину площади,, приняло другую форму. Эта форма получается как бы от сложения своими ножками двух букв Т. За это и назы­вают такие балки двутавровыми. Так получается одна из наивыгоднейших форм поперечного сечения балки, рабо­тающей на изгиб.

Двутавровая стандартная балка примерно в семь раз прочнее и в тридцать раз жёстче, чем балка квадратного поперечного сечения такой же площади, сделанная из того же материала.

Простой опыт убеждает нас в том, как сильно влияет форма поперечного сечения на жёсткость балки.

Вырежые полоску бумаги длиной 12—13 сантиметров и шириной 3—4 сантиметра. Положите её концами на две спичечные коробки так, чтобы получилось подобие моста (рис. 18, а). Бумажка заметно прогнётся даже от собствен­ного веса. А когда вы положите на середину полоски ко­пеечную монету, «мост» рухнет. Полоска бумаги сильно де­формировалась, потому что жёсткость её ничтожно мала.

Но достаточно согнуть полоску, как показано на ри­сунке 18, б, и она уже не будет прогибаться от собствен­ного веса. Нагружайте бумажный мост монетами. Почти не деформируясь, он выдержит тижесть четырёх пятико­пеечных монет. Бумажная полоска стала жёсткой.

Приведённые примеры показывают, что копструктор располагает большими возможностями повышенив прочно­сти и снижения веса изгибаемых деталей машин и соору­жений путём правильного выбора формы их поперечного сечевия.

Двутавровые балки применяются в строительстве жи­лых и промышленных зданий, мостов и других сооружений.

Двутавровые балки образуют каркасы высотных зда - ний,- они же служат основой междуэтажных перекрытий жилых' домов и заводских корпусов. Мощные балки, иногда в несколько метров высотой, склёпанные в форме двутавра из толстых стальных листов, перекрывают про­лёты между опорами железнодорожных и автомобильных мостов. Рациональная форма поперечного сечения, наи­более приспособленная к работе на изгиб, позволяет со­здавать из этих балок прочные, жёсткие и вместе с тем лёгкие, экономичные конструкции.

Но когда строителям нужно перекрыть здание цеха ши­риной в 50 м и даже больше или соединить стометровым однопролётным мостом речные берега, от двутавра обычно

Отказываются. В. таких случаях строители избегают кон­струкций, работающих на изгиб.

Дело в том, что длинные балки сильно прогибаются даже от собственного веса. Например, стандартная дву­тавровая брлка высотой 20 сантиметров и длиной 10 мет­ров прогнётся от собственного веса менее чем, на I сан­тиметр, а такая же балка длиной 20 метров прогнётся на 13 сантиметров. Прогиб возрос в 13 раз! А балка длиной 50 метров сломается под тяжестью собственного веса. Бесполезно пытаться выйти из положения путём увеличе­ния поперечных размеров балки.' При этом её вес будет очень большим.

13. ИЗГИБ ПРЕВРАЩЕН В РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ

|_| то же предпринимают строители для того, чтобы мо - * еты ео стометровыми пролётами и широкие перекры­тия заводских цехов были прочными? Вместо балок они применяют другие конструкции, а именно фермы и арки.

Ферма — Это конструкция, преобразующая изгиб в ра­стяжение или сжатие. На рисунке 19 вверху показана са­мая простая ферма. Она состоит из трёх брусьев, соеди­нённых в вцде треугольника шарнирами.

Стропила, поддерживающие кровлю, образуют такую конструкцию, известную уже много тысяч лет. Нагруз­ка, приложенная в вершине треугольника, сжимает на­клонные брусья и растигивает горизонтальный брус. Таким образом, ни одна из частей фермы не испытывает изгиба.

На том же рисунке 19 изображён железнодорожный мост. Его ферма состоит из треугольников. Нагрузки, при­ложенные в узлах (так называются места соедипения стержней фермы), не изгибают стержней, а вызывают растяжение или сжатие.

Благодаря тому, что части фермы испытывают не из­гиб, а главным образом растяжение или сжатие, вся Кон­струкция получается прочной, лёгкой и экономичной.

Широко применять фермы начали в XIX веке, в связи с железнодорожным строительством.

Выдавшийся русский инженер и учёный Дмитрий Иванович Журавский в середине прошлого столетия со­здал теорию расчёта мостовых ферм. Профессора Л., Д. Проскуряков и Н. А, Белелюбский, сочетавшие глу­бокое - знание теории с практическим опытом, разработали совершенные для своего времени конструкции крупней­ших ферм железнодорожных и шоссейных мостов.

В наше время фермы применяются не только в мосто­строении, но и при постройке перекрытий крупных цехов, в конструкциях подъёмных кранов, опор высоковольтных

Линий и других сооружений. Даже крыло самолёта зача­стую имеет «скелет» в виде лёгкой фермы.

Достоинства фермы многообразны, но она имеет и свои недостатки. Для постройки фермы железнодорожного моста нужно много стали. А нельзя ли сэкономить металл, заменить его, где возможно, более дешёвыми материа­лами — железобетоном, бетоном, камнем? Можно. Но вы­полнить ферму из бетона или камня нельзя, так как эти материалы плохо выдерживают растяжение. Если же вме­сто ферм, использовать арки, тогда можно мосты строить из бетона или камня.

Простейшая арка (рис. 20) представляет собой дуго­образный брус, концами упирающийся в опоры. Под на­грузкой арка стремится распрямиться и раздвинуть опоры.

Возникающее при этом горизонтальное давление назы­вается распором. В некоторых типах арок их концы соеди­няют специальной стяжкой, принимающей на себя усилие распора и. работающей на растяжение.

Арка — одна из древнейших строительных конструк­ций, насчитывающая более 5000 лет. Материал арочного сооружения при нагрузке испытывает главным образом сжатие. Строители древности, не знавшие ни стали, ни бе­тона, возводили арки и своды из камня.

Ещё в XVIII в. крупную арку из дерева спроектировал И. П. Кулибин для однопролётного моста через реку Неву. Работая над этим проектом, Кулибин создал и тео­рию расчёта арок.

Советскими строителями возведены крупнейшие арки из железобетона, например арка моста через Днепр про­лётом почти 230 м для двухпутпой железной дороги и ав­томобильного движения. Замечательны по своей грузо­подъёмности и красоте железобетонные арки четырёхпут - ного железнодорожного моста, висящего нзд каналом имени Москвы у Химок.

Своими успехами в строительстве арочных сооруже­ний инженеры во многом обязаны трудам академика Г - П. Передерия, действительного члена Академии наук Грузинской ССР К. С. Завриева и других советских учё­ных, разработавших теорию и методы расчёта железобе­тонных, бетоипых и каменных арок.