Усреднение результатов с целью показать, что продольные стержни увеличивают прочность, в случае испытаний, описанных господином Вити, включает квадратную колонну из неармированного бетона, которая естественным образом должна была бы показать меньшую прочность бетона на сжатие, чем круглая колонна, из-за сколов на углах. Этот слабый результат испытаний квадратной колонны является одной из тех шатких опор, на которых основывается вывод о том, что продольные стержни увеличивают прочность бетонной колонны; однако слабость квадратной бетонной колонны обусловлена присущей хрупкому материалу слабостью при сжатии при наличии острых углов, которые могут отслаиваться.
Господин Вустер говорит, что несколько обвинений автора направлены против практики, от которой давно отказались, однако, судя по позиции ее защитников, это не так. Существуют гибочные станки для выполнения резких загибов стержней, и существуют строители, которые утверждают, что их необходимо сгибать резко для упрощения работы по подгонке и замерам.
В инженерной периодике и книгах можно найти слишком много примеров, чтобы их перечислять, когда для отогнутых стержней не предусмотрено никакой анкеровки, кроме сцепления с бетоном. Если бы они заходили за пределы своей полезности для этого сцепления, все было бы в порядке, но очень часто они этого не делают.
Господин Вустер говорит: «Не обязательно, чтобы хомут в одной точке воспринимал все вертикальное растяжение, поскольку это вертикальное растяжение распределяется бетоном». Автор готов признать, что хомуты не обязаны воспринимать весь вертикальный сдвиг, поскольку в правильно армированной балке бетон может взять на себя часть его. Однако арматура для восприятия сдвига должна воспринимать весь сдвиг, приходящийся на нее после вычета той части, которую способен воспринимать бетон, причем она должна воспринимать его, не вызывая повторного возникновения сдвига в бетоне. Хомуты в одной точке должны воспринимать все вертикальное растяжение от той части сдвига, которая, как предполагается, воспринимается хомутами; в противном случае бетон будет вынужден воспринимать бо́льшую часть сдвига, чем ему причитается.
Господин Вустер утверждает, что трещины столь же вероятны от напряжений в отогнутых вверх и заанкеренных стержнях, как и в вертикальной арматуре. Уже упоминалось о том факте, что вертикальное растяжение балки сверху донизу под действием нагрузки чрезвычайно мало. Отогнутый вверх стержень, заанкеренный над опорой и располагающийся у нижней грани балки в середине пролета, участвует в удлинении растянутой стороны балки и пересекает сечение с наибольшим главным растягивающим напряжением наиболее выгодным образом. Следовательно, существует большая разница в том, как действуют эти два конструктивных элемента.
Господин Вустер предпочитает «привычный метод» определения ширины балки — чтобы максимальное горизонтальное скалывающее напряжение не было чрезмерным — методу, предложенному автором. В качестве причины он приводит тот факт, что стержни отгибаются вверх от нижней грани балки и не все они доходят до конца. «Привычный метод», должно быть, описан в литературе для внутреннего распространения. Упоминался метод, при котором ширина балки принимается достаточной для размещения стали. Соображения относительно горизонтального сдвига в тавровой балке и способности бетона сцепляться со сталью отсутствуют в анализах балок самым заметным образом. Если арматурный стержень отогнут вверх и заанкерен над опорой, бетон разгружается от сдвига, как горизонтального, так и вертикального, возникающего вследствие напряжений в этом стержне. Если арматурный стержень отогнут вверх в любом месте, не доведен до опоры и не заанкерен над ней, как это принято делать, весь сдвиг воспринимается бетоном; и в бетоне возникает точно такой же сдвиг, как если бы стержни были прямыми.
Для обеспечения надлежащего сцепления диаметр прямого стержня должен составлять не более одной двухсотой пролета. Из соображений экономии материала его диаметр не должен быть намного меньше этого значения. При таком балансе в балке, предполагая сдвиг равным сцеплению, стержни должны располагаться на расстоянии друг от друга, равном их периметрам. Это рациональное и простое правило, и его применение позволило бы сделать большой шаг в сторону принятия стандартов.
Господин Вустер нелогичен в своей критике метода армирования дымовой трубы, предложенного автором. Не обязательно предполагать, что бетон в воображаемой трубе из неармированного бетона испытывает напряжения, превышающие те, которые неармированный бетон может воспринимать при растяжении. Допущение воображаемой трубы из неармированного бетона и определение растягивающих напряжений в бетоне являются лишь упрощенными методами нахождения растягивающего напряжения. Сталь может воспринимать точно такое же растягивающее напряжение, если ее количество определено таким способом, как и в случае применения любого другого метода. Смещение нейтральной оси, о котором упоминает господин Вустер, является еще одним из надуманных допущений, которые не могут быть реализованы из-за начальных и неизвестных напряжений в бетоне и стали.
Господин Рассел заявляет, что автор почти не коснулся верхней арматуры в балках. Это относилось бы к категории продольных стержней в колоннах, если только арматура не представляет собой жесткие элементы. Замечания господина Рассела о том, что колонны и короткие высокие балки с двойным армированием следует проектировать как каркасные конструкции, подводят к выводу, что в таких случаях следует применять строительные балки и колонны со стальным каркасом, защищенные бетоном. Если бы руководящим мотивом проектировщиков было единообразное использование того, что наиболее уместно в каждом конкретном случае, а не следование какой-то системе, именно так и поступали бы во многих ситуациях; но некоторые умы устроены так, что они получают удовольствие от подобных хвастливых заявлений: «В этом здании нет ни фунта строительной стали». Широко мыслимый инженер будет использовать железобетон там, где он наиболее уместен, а строительную сталь или чугун там, где наиболее уместны они, вместо того чтобы тратить средства своих клиентов на реализацию каких-то излюбленных идей.
Господин Райт разделяет идею автора, поскольку статья предназначалась не для критики чего-то «достаточно хорошего» или того, что «отвечает цели», а для систематизации или стандартизации железобетона и перевода его на основу рационального анализа и здравого смысла — ту основу, на которую переведено или переводится проектирование строительных конструкций путем тщательного отсеивания всего иррационального, бессмысленного и слабого.
Господин Чепмен говорит, что практический инженер никогда не использовал такие методы строительства, которые осуждает автор. Эти методы достаточно распространены; являются ли те, кто их использует, практичными инженерами, — это другой вопрос.
Что касается способности концевого соединения продольной балки воспринимать напряжения в полке или изгибающие моменты, нередко можно увидеть кронштейны, несущие значительные консольные нагрузки при отсутствии лучшего соединения. Даже широкие тротуары мостов иногда имеют растягивающие соединения на головках заклепок. Хотя это и не заслуживает похвалы, это является демонстрацией способности воспринимать изгиб, на которую можно было бы полагаться, если бы проектирование строительных конструкций было на столь же свободной основе, как и железобетон.
Господин Чепмен предполагает, что хомуты заанкерены на каждом конце, и на рис. 3 показан небольшой крюк для осуществления этой анкеровки. Он не показывает, каким образом вертикальные хомуты могут разгрузить балку от сдвига между двумя такими хомутами.
Критика, которую автор высказал бы в отношении рис. 5 и 6, заключается в том, что в стенке таврового сечения недостаточно бетона для обеспечения сцепления с используемым количеством стали, а сталь должна защемляться в этой стенке, поскольку она не доходит до опоры или за нее для анкеровки. Стальные элементы в мосту могут быть спроектированы с нарушением многих требований технических условий, таких как максимальный шаг заклепок, размер стержней решетки и т. д.; мост необязательно разрушится или проявит слабость сразу после ввода в эксплуатацию, но он все равно остается дефектным и слабым.
Господин Чепмен говорит: «Практичный инженер не обнаруживает ***, что отрицательный момент вдвое превышает положительный момент, поскольку он рассматривает временную нагрузку либо только на одном пролете, либо на чередующихся пролетах». Именно в таких методах «практичный инженер» проявляет непоследовательность. Если он собирается рассматривать балки как неразрезные, он должен найти полный момент для неразрезной балки и учесть его. Именно эта склонность извлекать выгоду везде, где это возможно, без должного учета связанных с этим неблагоприятных факторов подвергается осуждению в статье. «Практичный инженер» уменьшит изгибающий момент в балке на большую величину в силу неразрезности, но он не станет армировать над опорами для обеспечения полной неразрезности. Армирование для обеспечения полной неразрезности не рекомендовалось, но давалось понять, что это единственный последовательный метод, если из неразрезности извлекается выгода в виде уменьшения основного изгибающего момента.
Господин Чепмен говорит, что арку не следует использовать там, где устои нестабильны. «Нестабильны» — это относительное и неопределенное слово. Если он имеет в виду, что устои арок никогда не должны располагаться на чем-либо, кроме скального грунта, то даже такое основание является вполне стабильным только тогда, когда устой имеет вертикальную скальную грань для восприятия горизонтальных распоров. Если бы арки можно было строить только при таких условиях, немногие из них были бы построены. Некоторой осадки следует ожидать почти в любом грунте, а из-за горизонтальных распоров возникает также тенденция к повороту устоев арки. Именно эта тенденция приводит к образованию трещин в пазухах арок и делает допущение о фиксированной касательной в линии пяты, которое обычно делается теоретиками упругости, абсолютной глупостью.
Господин Бейер разработал новое объяснение того, как действуют хомуты, но вряд ли оно встретит более серьезное рассмотрение, чем стальная балка, на которую он ссылается, не имеющая ни стенки, ни раскосов, а состоящая лишь из вертикальных элементов, соединяющих верхнюю и нижнюю полки. Этот стиль балки воспринимается американскими инженерами скорее как курьез, если не как уродство. Если бы вертикальные хомуты работали на армирование небольших вертикальных консолей, их должно было бы быть очень много, чтобы каждый маленький сегмент балки был обеспечен армированием.
Автор совершенно теряется в догадках, что профессор Оструп имеет в виду в своих первых нескольких абзацах. Он говорит, что в первом пункте упоминаются две конструкции, а третья осуждается. Вторую конструкцию, каковой бы она ни была, он приписывает автору следующими словами: «Вторая конструкция автора является его собственным изобретением, которое предлагается принять инженерному сообществу в целом». В первом пункте резкие загибы в арматурных стержнях осуждаются, а плавные кривые рекомендуются. О «железобетонной балке, выполненной в форме стержня, с отдельными бетонными блоками, уложенными поверх него без какого-либо соединения» не сказано абсолютно ничего.
В ответ профессору Острупу следует отметить, что цель статьи заключается не в том, чтобы умалить значение адгезии или сцепления бетона со сталью, а в том, чтобы указать на то, что чудесные свойства, которыми, как предполагается, обладает это сцепление, судя по текущей практике проектирования, не выдерживают проверки анализом.
Профессор Оструп продемонстрировал новую сторону напряжений в стержнях сдвига. Он утверждает, что они работают на изгиб между центрами сжимающих равнодействующих. В книгах и отчетах нам говорили, что эти стержни испытывают напряжение того или иного рода, которое измеряется площадью поперечного сечения стержня. Не было никаких намеков на расчет хомутов на изгиб. Если эти стержни не работают на сдвиг, как утверждает профессор Оструп, то как они могут работать на изгиб каким-либо образом, подобным тому, который указан на рис. 12?
Анализ профессора Острупа, с помощью которого он пытается оправдать хомуты и показать, что вертикальные хомуты предпочтительнее, касается лишь локального распределения напряжений от коротких стержней в бетон. По всей видимости, это работало бы точно так же, если бы хомуты просто касались растянутого стержня. Его анализ игнорирует жизненно важный вопрос о том, какую пользу хомут вообще может принести в разгрузке бетона между хомутами от сдвига балки.
Манипуляции с изгибающими моментами в балках не являются взаимокомпенсирующими. Вот конкретный пример. Некоторые балки пролетом около 20 футов сопрягались с двойными балками у колонн. Балки рассчитывались как частично неразрезные, хотя на концах они были разделены пространством шириной около 1,5–2 футов между балками таврового сечения. В нижней зоне балок находились растянутые стержни диаметром 1-1/8 дюйма. На опорах для обеспечения неразрезности около верхней грани балки использовался короткий стержень диаметром 1/4 дюйма. Требуются ли здесь какие-либо комментарии? Это была работа не новичка и не неопытного строителя.
Замечания профессора Острупа о смещении нейтральной оси балки и линии давления арки основаны на теории, которая уходит своими корнями в нереализуемые допущения. Рассматриваемые материалы не оправдывают эти допущения или основанную на них излишне усложненную теорию. Его банальности об опасности неправильного размещения арматуры в арке едва ли обоснованы. Если высота и армирование кольца арки увеличиваются, как диктует неупругая теория шарнирных опор, в противовес теории упругости, это укрепит арку столь же надежно, как утолщение стенки и уголков полки укрепило бы балочную ферму.
Претензия автора заключается не в том, что теории железобетона недостаточно разработаны. Они развиты слишком сильно, развиты вне всякого сопоставления с рассматриваемыми материалами. Именно потому, что железобетонные конструкции возводятся во все возрастающих количествах, инженерам следует привнести в свои проекты долю рациональности (а не изощренной теории) и отказаться от идеи о том, что «все, что ни делается, — все правильно».
Господин Портер много говорит об U-образных стержнях. Он утверждает, что они полезны для удержания растянутых стержней на месте и для связи плиты со стенкой тавровой балки. Это законные функции для небольших свободных стержней; но зачем называть их стержнями для восприятия сдвига и делать вид, что они воспринимают сдвиг балки? Что касается работы хомутов в качестве нагелей, автор уже касался этой темы. Отвечая на вопрос господина Портера, можно отметить, что противодействовать горизонтальному скалывающему усилию в балке могут один или несколько стержней, отогнутых вверх к верхней части балки и заанкеренных у опоры либо заведенных в следующий пролет. Как ни странно, господин Портер одобряет именно это, как и пропагандировалось в статье. Отличные результаты, продемонстрированные в испытании, на которое он ссылается, можно смело противопоставить некоторым испытаниям автора. Это перекрытие было запроектировано на нагрузку 250 фунтов на кв. фут. Когда эта нагрузка была приложена к нему, прогиб составил более 1 дюйма при пролете 20 футов. Никакие стержни не были отогнуты вверх и заведены за опоры. Это была работа с хомутами.
Господин Портер намекает, что правильная железобетонная колонна может выполняться из бетона, смешанного с гвоздями или проволокой. Нет сомнений в том, что такой бетон будет прочным на сжатие по той причине, что он прочен на растяжение, но колонне необходим некоторый объединяющий элемент, обладающий непрерывностью. Армированной колонне необходимы продольные стержни, но их назначение — воспринимать растяжение; их не следует рассматривать как воспринимающие сжатие.
Господин Гудрич делает следующее поразительное замечание: «Хорошо известно, что нижние пояса безраскосных ферм бесполезны с точки зрения сопротивления растяжению». Автор не может полагать, что он имеет в виду под этим то, что, например, прогон, состоящий из уголка 3 на 2 дюйма и шпренгельного стержня 5/8 дюйма, будет работать точно так же хорошо, если этот стержень убрать. Если безраскосные фермы бесполезны, можно было бы отказаться от каких-нибудь сотен тысяч шпренгельных стержней в грузовых вагонах.
Господин Гудрич неверно истолковывает ссылку на «единственно рациональную и единственно эффективную конструкцию из возможных». Утверждается, что конструкция, которая была бы принята, если бы плиты подвешивались на стержнях, является единственно рациональной и единственно эффективной из возможных. Если бы контрфорс подпорной стенки представлял собой кронштейн на верхней стороне горизонтальной плиты, выступающей из вертикальной стенки, и все это находилось бы над землей при сильной нагрузке на горизонтальную плиту, вряд ли у какого-либо инженера возникла бы мысль использовать иную схему, кроме диагональных стержней, идущих от плиты к стенке и заанкеренных в каждую из них. Это точно такие же условия, как и для этой формы подпорной стенки, за исключением того, что она находится под землей.
Господин Гудрич говорит, что рассуждения автора по поводу шестого пункта носят почти исключительно шутливый характер и что бетон очень прочен на чистый сдвиг. Однако шутка обращена против экспериментаторов, которые сообщали о высокой прочности бетона на сдвиг. Они упустили из виду тот факт, что во всех случаях, когда проявляется высокая прочность на сдвиг, бетон ограничен в поперечном направлении или находится под действием сильного сжатия, нормального к плоскости сдвига. Хомуты не ограничивают бетон в направлении, нормальном к плоскости сдвига, и они не увеличивают сжатие. Большое количество хомутов, уложенных «елкой», ограничивало бы бетон по диагональным плоскостям, но такая конструкция была бы нерасточительной, и обычный метод расстановки хомутов не наводит на мысль об их роли в таком качестве.
Что касается заявлений автора о том, что испытания в бюллетене № 29 Иллинойского университета вводят в заблуждение, он цитирует этот бюллетень следующим образом: