Техника каркасного строительства

Тяжелым конструкциям, если к тому же они обладают сравнительно небольшой площадью основания, присущи свои собственные статические закономерности. По этой причине их следует либо выполнять массивными, либо они должны иметь каркас, состоящий из вертикальных и горизонтальных элементов и раскосов, с тем, чтобы все сооружение в целом приобрело необходимые жесткость и прочность. Именно по этому принципу в наши дни строятся стальные решетчатые опоры высоковольтных линий электропередачи.

На протяжении многих столетий каркасную (иначе, фахверковую) конструкцию широко применяли в жилых постройках. При этом стены здания не являлись несущими элементами. Они лишь оберегали жилище от воздействия плохой погоды. И тем не менее их делали в достаточной степени толстыми. В последние десятилетия метод каркасного строительства переживает свой «ренессанс». Правда, сегодня мы почти не строим из дерева и не применяем раскосы. И может быть, поэтому мы не употребляем больше выражения «фахверковая конструкция», а говорим о «каркасном строительстве». Но принцип остается прежним: прочная решетчатая конструкция обеспечивает строению необходимую устойчивость, а стены, как и прежде, лишь защищают от холода, дождя и ветра, хотя и стали более тонкими.

Но как бы то ни было, современные каркасные здания много экономичнее прежних массивных построек. Однако это не всегда влечет за собой снижение общей стоимости строительства. Нередко построить здание со стальным каркасом бывает дороже, чем возвести обычный кирпичный дом или даже дом из железобетонных конструкций. Но в длительной перспективе при этом достигается существенная экономия строительных материалов. Сегодня, когда мы в состоянии достаточно точно предсказать сроки полного истощения некоторых видов сырьевых ресурсов, именно это обстоятельство следует принимать во внимание в первую очередь. В течение многих столетий человек безрассудно расточал природные богатства. Не менее опрометчиво поступает он и сейчас. Повсюду, где недра земли богаты строительным песком и гравием, ежегодно вырубаются под корень многие десятки квадратных километров лесов, разрушается тонкий слой плодородной почвы, интенсивно разрабатываются песчано‑гравийные карьеры (фото 19). Необходимо положить конец столь хищнической эксплуатации природных ресурсов. Иначе наши дети, хотя и будут жить в дешевых домах, но в окружении пустырей и нагромождений шахтных отвалов, которые нельзя будет вновь засадить лесом, ибо уничтожить плодородный слой земли – это значит одновременно уничтожить и те запасы воды, которые так необходимы для развития наземной растительности. [11]

Фото 19. Еще год назад жители этого небольшого западногерманского городка могли гордиться тем, что их домики стоят на опушке леса. Ныне сразу же за заборами садовых участков взгляду открывается иная картина. Вырубаются большие площади лесов, с тем, чтобы уступить место активно разрабатываемым гравийным карьерам.

Сама природа всегда исключительно экономно расходует свои строительные материалы. И так было и 200 миллионов и более лет назад, когда о какой‑либо нехватке того или иного ресурса не могло быть и речи. Деревья с их бесчисленными сучьями, ветками и веточками представляют собой подобие ювелирной филиграни, в которой заполнен большой объем пространства при минимальных затратах строительных материалов.

Итак, речь пойдет о каркасных конструкциях. Наиболее отчетливо они выражены у близких родственников обычных комнатных фикусов – у мощных старых экземпляров Ficus rumphii. Ветви этих гигантов растут не только «центробежно», но и «центростремительно». Они переплетаются и сращиваются между собой самым причудливым образом. Возникает крупноячеистая решетчатая конструкция, которая придает дереву необычайно высокую прочность, позволяющую растению иметь могучую крону (фото 20).

Фото 20. Каркасная конструкция обеспечивает необычайную прочность как тропическим фикусам (Ficus rumphii)...,

Фото 21. ...так и современным многоэтажным каркасным постройкам..,

Фото 22. ...и в виде ажурного переплетения плоду физалиса (тонкая прозрачная оболочка плода здесь удалена).

Исключительно умелыми строителями каркасов показали себя фикусы‑удушители, которые, не будучи истинными паразитами, избрали другие деревья лишь местом своего обитания. Семена этих фикусов заносятся в кроны деревьев, где они прорастают и закрепляются с помощью цепляющихся корней. Затем растение образует несколько питающих корней, которые спускаются свободно вдоль ствола дерева‑опоры, пока, наконец, не достигнут почвы, где и укореняются. От вертикальных питающих корней отрастают горизонтальные воздушные корни. Они не только крепко оплетают ствол «хозяина», но и многократно срастаются друг с другом. Так возникает прочный живой каркас, который душит дерево, давшее приют фикусу, и оно в конечном итоге погибает. Сетчатая конструкция, образованная корневой системой фикуса‑душителя, настолько прочна, что выдерживает его собственный вес и тогда, когда ствол‑опора полностью сгнивает. Решетчатая структура ствола этого фикуса очень напоминает арматурный каркас железобетонных опор (фото 12) с той лишь разницей, что здесь арматура не заполняется сплошь материалом.

Выше приводились немногие примеры, взятые в основном из жизни тропических растений, и, прежде всего, семейства фикусовых, лишь потому, что каркасные структуры наблюдаются здесь в масштабах, приближающихся к принятым у людей. Но этот принцип можно видеть у растений и в миниатюре: практически каждый лист двудольных растений имеет каркасную конструкцию. Жилки листа образуют правильную решетку, придающую нежной поверхности листа прочность, аналогичную той, которую в современных небоскребах обеспечивает сравнительно тонким наружным стенам и внутренним перегородкам стальная арматура (фото 21). Очень отчетливо решетчатая структура видна также в плоде физалиса (Physalis alkekengi) (фото 22).

Стебель травы и «сэндвич»

Крепление распорками, придание волнистой формы строительным материалам, применение свай и сооружение арматурных каркасов – все это методы строительства с использованием легких и облегченных конструкций.

Поскольку они имеют прямое отношение прежде всего к солидным по своим размерам объектам, будь то огромные здания, большие растения или какие‑то крупные части растений, их присутствие всегда легко заметить. Однако аналогичные структуры известны и в растительном микромире.

Дитя XX века – конструкция типа «сэндвич», или просто «сэндвич». При этом я имею в виду не традиционный английский сэндвич, существующий не одно столетие, а многослойные элементы строительной конструкции, сочетающие в себе малый вес с высокой прочностью. Что это такое? Представим себе две тонкие и весьма прочные опорные плиты, между которыми находится толстый слой легкого, но восприимчивого к механическим нагрузкам конструкционного материала. В большинстве случаев в качестве последнего используют жесткие пенопласты или ячеистые плиты, которые, подобно содержимому английских сэндвичей, склеиваются, прессуются или свариваются с опорными панелями. Наряду с большой экономией исходных материалов и легкостью такие конструкции отличаются очень высокой прочностью.

Технические «сэндвичи» нашли широкое применение лишь благодаря развитию таких современных производств, как, например, индустрия пластических масс, легких сплавов и т. д. Что касается природы, то «сэндвич» – основной принцип организации структур, наблюдаемых у травянистых растений. Рассмотрим поперечный срез стебля злака (фото 23). Пространство между внешней и внутренней стенками трубки стебля заполнено крупноячеистой очень легкой сотовой структурой. При столь незначительном весе конструкции вряд ли можно создать более прочный «сэндвич». Правильные шестиугольники наилучшим образом противостоят воздействию внешних сил. Это отлично «понимают» пчелы и сооружают свои соты с ячейками именно такой формы.

Фото 23. Микроскоп раскрывает тайну трубчатого стебля травы. Сотовый «сэндвич» – основная причина необычайной прочности стебля, толщина стенок которого всего лишь 0,6 миллиметра. (Здесь изображен поперечный срез соломины ячменя.)

Фото 24. В самолетостроении небольшой вес и высокая прочность достигаются тем же способом, какой использует стебель травы, то есть с помощью конструкции типа «сэндвич».

Тот же принцип «сэндвича» был применен в авиационной промышленности при создании исключительно прочных и легких металлических оболочек‑стенок с совершенно ровной поверхностью (фото 24). Большая заслуга в деле изучения «технических» возможностей растений и животных и использования их для нахождения принципиально новых инженерных решений принадлежит авиаконструктору Генриху Хертелю. Результаты очень точных математических исследований полета колибри и передвижения в воде быстроплавающих рыб он перенес в сферу решения аналогичных проблем при конструировании, например, несущих винтов вертолета или движительных устройств корабля. Хертель не раз показал, в какие тупики может завести ту или иную отрасль промышленности, и, прежде всего, самолетостроение, применение лишь традиционных методов конструирования без внесения в них элементов развития.