Строительная механика

П ереход от кирпичных зданий к каркасным не просто совершил революцию в строительной науке, но, можно сказать, создал ее заново. Ибо прежняя наука была почти целиком эмпирической и потому оставалась в общественном мнении простым ремеслом - или искусством, если речь шла о красоте фасадов. Теперь словно вспомнили, что классическая механика включает не только кинематику (науку о движении тел) и динамику (науку о силах, производящих эти движения), но еще и статику (науку об устойчивости и равновесии). А поскольку всякое здание должно стоять неподвижно, его расчет следует производить на основании принципов статики.

Эти принципы, в их приложении к строительству, легли в основание новой науки - строительной механики, которая тут же разделилась на множество направлений, став родоначальницей целой огромной отрасли человеческого знания, подобно тому как бескрайняя современная математика выросла из простых арифметических правил счета.

Очень скоро под именем строительной механики стали понимать лишь малую ее часть, касавшуюся проектирования каркасных систем зданий. Инженеры-расчетчики вычерчивали всякое здание в виде, так сказать, проволочного каркаса, к которому, вместо реальных нагрузок, были приложены соответствующие силы, изображавшиеся на бумаге жирными стрелочками. Множество этих стрелок действовало со всех сторон на ажурный каркас, который ногами упирался в землю, и надо было обеспечить, чтобы он при любом раскладе сил устоял на месте, не опрокинулся и не съехал вбок (проблема общей устойчивости).

Кроме того, всякая сила, приложенная к каркасу, нагружала его, создавая внутренние усилия, подобно тому как мы, неся в руке тяжелую сумку, чувствуем напряжение и усталость в мышцах. Поэтому следовало подбирать сумку по руке (или руку по сумке), чтобы рука вовсе не оторвалась (проблема прочности).

Существовали очень многодельные способы, позволявшие в точности определить все усилия от внешней нагрузки, возникавшие в каждой точке каждого стержня каркаса. На рисунке они откладывались перпендикулярно всякому стержню соответственно их величине и затем соединялись тонкой линией, так что если они равномерно росли по длине стержня начиная с нуля, то на рисунке выходил треугольник (который аккуратно заштриховывался в мелкую полоску). А так как разных видов усилий в каждом стержне всегда было несколько, то расчет производился по каждому из них отдельно, и потом они суммировались между собой.

Но самая главная трудность заключалась в статической неопределимости почти всякого каркаса. Когда человек несет бревно в одиночку, на его плечи ложится вся тяжесть бревна. Если же бревно тащат сразу несколько человек, причем один из них сильнее, другой слабее, кто-то взялся за комель, кто-то за тонкий конец, а иной лишь делает вид, что помогает, - то определить, на кого из участников работы приходится какая часть веса бревна, затруднительно.

Точно так же ведет себя каркас здания: усилия, вызванные внешней нагрузкой в каком-нибудь одном его углу, растекаются оттуда извилистыми путями, пока не дойдут до земли, и могут наделать бед в самых неожиданных местах. Хуже того, усилия эти, переходя со стержня на стержень, меняют свое качество, т.е. из сжимающих становятся растягивающими или изгибающими, вызывая дополнительную путаницу. И чем масштабнее задумывается каркас, тем больше в нем бывает стержней и больше разных нагрузок, и тем сложнее его рассчитать правильно.

Первыми всю "прелесть" проектирования крупных каркасов вкусили американские инженеры 1920-х годов, создававшие ранние нью-йоркские небоскребы. В те времена существовали два печально известных способа расчета каркасных систем - Метод сил и Метод перемещений, от коих всякий инженер-строитель до сих пор инстинктивно шарахается, как от чумы. Простые и даже остроумные по своей сути, на практике они были очень трудно осуществимы, требовали нечеловеческой внимательности да еще приводили к гигантским системам уравнений, решение которых требовало специального математического аппарата.

А вычислительные средства в те времена исчерпывались канцелярскими счетами да логарифмическими линейками (о которых поговорим позже). Проектным организациям приходилось нанимать целые бригады инженеров, они месяцами рассчитывали каждый каркас и обязательно где-нибудь ошибались. А поскольку ни одного промаха допускать было нельзя, расчет вели несколько бригад параллельно; каждая из них ошибалась по-своему, результаты не сходились, и этой пытке не видно было конца.

Доведенные до отчаяния, американцы на основании двух упомянутых точных методов расчета разработали несколько новых, приблизительных, которые позволяли избегать диких систем уравнений и тем чрезвычайно ускоряли дело. В Советском Союзе их открытия, наспех переведенные и изданные малым тиражом на отвратительной серой бумаге, служили предметом вожделения каждого серьезного инженера и расходились в рукописных копиях, словно запрещенные стихи Пушкина.

Отныне многомесячный расчет превратился в многонедельный и вместо нескольких бригад работало несколько отдельных инженеров. Стол каждого из них был завален сотнями рисунков каркаса, прямо на которых он по известным правилам складывал и вычитал усилия (работа, именовавшаяся в просторечии разгонкой моментов), стремясь нигде не перепутать плюс с минусом, чтобы не начинать потом все сызнова.

И как парусные корабли век от века все совершенствовались, пока паровая машина в одночасье не отправила их на слом, так и методы ручного расчета строительных каркасов развивались до 1960-х годов, когда вычислительная техника наконец полностью взвалила эту обузу на себя.