Разумеется, в бетоне могут также допускаться и определенные растягивающие напряжения, что приведет к экономии. В этом случае предварительно напряженный бетон будет работать в стадии I, или, как принято в некоторых странах, — в стадии Iа. О трещинах не может быть и речи. Получается новый бетон, по поведению близкий к упругим материалам.
В сущности, то, что описано выше, является основным в идее предварительного напряжения. В действительности конструкции весьма разнообразны по форме, назначению и нагрузке, но подход один — детальное исследование действия нагрузок, выделение зоны растяжения и расчет параметров возникающих напряжений. Весьма интересны методы создания предварительных напряжений сжатия в бетоне. Здесь еще раз обнаружилась безграничная изобретательность человека. Среди множества самых разнообразных методов предварительного напряжения можно выделить две основные группы: напряжение до бетонирования и напряжение после бетонирования. В первом случае бетон укладывается на напряженную арматуру; после его схватывания арматура ослабляется и за счет сцепления, которое возникает между обоими материалами, передает усилие на бетон. Для предварительного напряжения используют тонкие высокопрочные нити (струны, проволока), а также канаты, скрученные пучки и т. д. Это — высокоиндустриализованный метод производства предварительно напряженных железобетонных элементов, поэтому он применяется в заводских условиях и предназначен для сборного строительства. На заводе элементы чаще всего изготовляют на длинном стенде. На натянутые напрягающие стальные элементы длиной в десятки метров укладывается бетон сразу для многих железобетонных изделий.
Основным недостатком этого метода является то, что проволока имеет прямолинейную форму, что ограничивает область применения таких железобетонных элементов. Зато напряжение после бетонирования, о котором мы уже рассказали (рис. 36), — метод почти универсальный. Напрягающие элементы в виде пучков стальной проволоки, кабелей или канатов помещают в специально для этого оставленные каналы, приблизительно соответствующие траекториям главных растягивающих напряжений. После «натяжения» напрягающие элементы должны быть заанкерованы в конструкции, чтобы передать ей свою силу. А ведь конструкция может весить десятки, сотни и даже тысячи тонн! Поэтому необходимы специальные закрепляющие приспособления (анкеры). Универсальность и большие возможности этого метода несколько омрачаются его трудоемкостью, сложностью и замедлением темпов работ.
Почти полвека назад на одной выставке во Франции посетители удивленно останавливались перед странным экспонатом, как будто опровергающим законы механики и вызывающим мысль об антигравитации. Экспонат — модель мостовой балки в масштабе 1:10 — состоял из пяти отдельных бетонных частей (рис. 37) удивительно малого поперечного сечения, соединенных встык без каких бы то ни было связей между ними. Балка была невероятно тонкой, ее высота была в 33 раза меньше ее длины (у обычных железобетонных конструкций это соотношение в два- три раза меньше). Экспонат не только не падал, но еще спокойно выдерживал демонстрационную нагрузку в 1200 кг без видимого прогиба, причем отдельные его части оставались плотно пригнанными одна к другой.
Эта «умопомрачительная», по определению тогдашних журналистов, конструкция была представлена и с определенной пропагандистской целью. Она должна была привлечь внимание государственных ведомств и частных фирм к возможностям предварительного напряжения, поскольку, как можно видеть на рисунке, альфой и омегой всего был параболический (фактически скрытый от глаз) напрягающий кабель, который держал бетон в режиме постоянного и сильного сжатия.
Работа в режиме постоянного сжатия — вот объяснение как приведенного выше примера, так и всего направления в развитии железобетонных конструкций, названного «предварительно напряженный железобетон», Это сжатие в рассматриваемом случае было настолько велико, что полностью нейтрализовало действие внешней нагрузки и обеспечивало плотность швов между блоками. Отсюда следует одно важное требование к конструкциям такого рода — они непременно должны быть высокопрочными. В противном случае предварительное напряжение израсходует сопротивление бетона сжатию, а внешняя нагрузка, увеличивая напряжения сжатия в отдельных точках, приведет к разрушению.