Наконец Маклюр так забеспокоился, что распорядился приостановить строительство и отправился на поезде в Нью-Йорк, чтобы выяснить вопрос с Купером. В его отсутствие инженер на строительной площадке отменил его распоряжение и продолжил строительство, которое в результате закончилось трагедией. Всего за пятнадцать секунд вся южная часть моста – 19 тысяч тонн стали – рухнула в реку и погребла под водой 75 из 86 рабочих.
Сцена разрушения после трагедии 1907 года при строительстве Квебек-Бриджа через реку Святого Лаврентия в Квебеке в Канаде
К крушению моста привело много проблем и ошибок. В частности, катастрофа показала, как опасно наделять огромной властью одного инженера, за которым никто не присматривает. Организации профессиональных инженеров в Канаде и других странах мира стали решать эту проблему и стараться предотвратить ошибки, совершенные при строительстве Квебек-Бриджа. В конечном же счете большая часть ответственности лежит на Теодоре Купере, который неправильно рассчитал вес моста. Ведь план строительства не учитывал того, что конструкция не выдержит собственного веса.
Разрушение Квебек-Бриджа показывает, к каким катастрофическим последствиям может привести неквалифицированная инженерная работа. Немалая часть работы инженера заключается в том, чтобы выяснить, как конструкции будут выдерживать множество сил, приложенных к ним, которые их толкают, тянут, трясут, скручивают, гнут, продавливают, разъединяют и разрывают на части. Однако гравитация – самый важный из всех этих факторов. Это вездесущая сила, благодаря которой существует солнечная система, и все, что находится на нашей планете, стремится к ее ядру. Таким образом, к каждому объекту приложена сила, которую мы называем весом. Эта сила проходит через объект. Подумайте о весе разных частей тела. Вес кисти руки воздействует на предплечье, оно, в свою очередь, на плечо, а вес плеча ложится на позвоночник. Сила стремится вниз по позвоночнику к бедрам, а потом, пройдя тазовую кость, разделяется надвое, проходит через каждую ногу и устремляется в землю. Примерно то же можно наблюдать, если построить башню из соломинок и полить ее сверху водой: вода побежит вниз всеми путями, какие найдет, и будет разделяться там, где возможно.
Когда инженер проектирует конструкцию, ему необходимо понимать, куда приложена сила и какая, и убедиться, что конструкция, через которую эта сила проходит, выдержит нагрузку.
Существуют два основных вида силы, которые гравитация (а также другие явления вроде ветра и землетрясений) создает в конструкциях: сжатие и растяжение. Если сложить лист плотной бумаги в цилиндр, поставить вертикально на стол, а сверху положить книгу, то книга будет давить на цилиндр. Сила, с которой книга давит на цилиндр (равная массе книги, умноженной на гравитационную постоянную g), проходит через цилиндр и давит на стол (подобно тому, как вес тела проходит через ногу). Таким образом, цилиндр (как и нога) подвергается сжатию.
И наоборот, если взять веревку, привязать к одному концу книгу, а другой подвесить, то подвешенная книга (на которую по-прежнему воздействует сила гравитации) будет растягивать веревку. Сила, воздействующая на книгу, проходит через веревку, на которую воздействует сила растяжения. Такое же воздействие кисть руки оказывает на предплечье.
Опора книги с помощью сжатия (слева) и растяжения (справа)
В первом примере книга не падает на стол, потому что бумажный цилиндр достаточно прочный, чтобы противостоять приложенному к нему сжатию. Во втором примере книга не падает потому, что веревка достаточно прочная, чтобы противостоять приложенной к ней силе растяжения.
Чтобы конструкция сломалась, можно взять более тяжелую книгу. Сила, с которой эта книга будет воздействовать на опору, будет больше, потому что увеличилась масса книги. Цилиндр не выдержит такой вес, сломается, и книга упадет на стол. Аналогично, если более тяжелую книгу подвесить на веревке, то растяжение веревки окажется слишком большим. Веревка порвется, и книга упадет.
Силы, воздействующие на мост, происходят из его собственного веса, а также веса людей и транспортных средств, которые по нему передвигаются. Когда я работала над строительством пешеходного моста Нортумбрийского университета, то делала вычисления, чтобы понять, какие силы воздействуют на конструкцию. В результате я точно знала, какова сила сжатия и растяжения, приложенная к каждой детали. Я использовала компьютерную модель для проверки каждой секции моста, а потом рассчитывала, какой величины должны быть стальные детали, чтобы они не согнулись, не сломались и не продавились.
Вид силы и угол ее приложения зависят от того, как собрана конструкция. Собрать ее можно двумя основными способами. Первый известен как система опор, а второй как рамная конструкция.
Глиняные дома наших древних предков, толстые стены которых они возводили из глины, располагая их в форме круга или квадрата, сооружались по первому принципу. Стены таких одноэтажных жилищ были прочными и выполняли несущую функцию: вес конструкции спокойно выдерживал сжатие, воздействующее на стены. Этот принцип похож на книгу на бумажном цилиндре, на стенки которого воздействует одинаковая сила сжатия. Если к хижине пристраивали дополнительные этажи, то в какой-то момент сила сжатия начинала разрушать глиняные стены, несущие нагрузку, и они осыпались, точно так же как под весом более тяжелой книги складывается бумажная трубка. Когда у наших предков в распоряжении была древесина, они строили каркасные дома: связывали вместе бревна, и получался каркас, или скелет, дома, в котором силы распределяются между собой. Чтобы надежно укрыться внутри, между бревнами натягивали шкуры животных или плели стены из соломы. Если у глиняных домиков были прочные несущие стены, защищавшие жителей, то у деревянных домов появляются две четкие структуры: бревна, между которыми распределяются силы, и своеобразные «перегородки» или шкуры животных, которые нагрузки не несут. Способ распределения сил является фундаментальным различием между несущими и каркасными конструкциями.
Два типа постройки дома: с несущими стенами (слева) и с каркасом (справа)
Со временем материалы, которые люди использовали при постройке несущих стен и каркасов, становились все более сложными. Несущие стены стали сооружать из кирпича и камня, что сделало их гораздо прочнее глиняных. В начале XIX века, после Промышленной революции, железо и сталь стали изготавливать в промышленных масштабах, и эти материалы начали использовать не только в вооружении и судостроении, но и в гражданском строительстве. Был вновь открыт бетон (известно, что его производили древние римляне, но с падением империи рецепт был утерян). Эти эволюционные шаги навсегда изменили облик наших домов. Так как сталь и бетон гораздо прочнее древесины и подходят для сооружения больших каркасов, мы смогли строить башни гораздо выше, а мосты гораздо длиннее. Сегодня крупнейшие и самые сложные конструкции – например, изящный стальной арочный мост Харбор-Бридж в Сиднее, треугольная геометрическая Херст-Тауэр в Манхэттене, легендарный национальный стадион «Птичье гнездо» в Пекине, построенный к Олимпиаде 2008 года, – имеют каркасную конструкцию.
Когда я начинаю проектировать новое сооружение, то изучаю детальные эскизы архитекторов, в которых передано их видение того, как должна выглядеть готовая конструкция. Затем инженеры разрабатывают нечто вроде рентгеновского изображения, на котором можно рассмотреть, какой каркас должен находиться внутри этой конструкции, чтобы противостоять гравитации и другим приложенным к ней силам. Я представляю, где должен проходить скелет здания и где нужно соединить все его косточки, а также рассчитываю, насколько большими они должны быть, чтобы скелет был прочным. Черным маркером поверх эскизов архитекторов я подрисовываю кости к плоти. Толстые черные линии придают цветным рисункам ощущение прочности. Нам с архитекторами неизбежно приходится многое обсуждать, и иногда достаточно оживленно, – ведь в поисках решения нужно идти на компромиссы. Часто в том месте, где они представляли свободное пространство, мне нужно поставить колонну; бывает и так, что в каких-то местах лишняя опора не нужна, и тогда я даю им больше простора. Нам необходимо понимать видение друг друга, особенно когда возникают технические проблемы: нужно приходить к балансу между визуальной красотой и технической целостностью. В конце концов у нас получается проект, в котором эстетическая составляющая и физическая структура находятся (почти) в идеальной гармонии.
