За редкими исключениями, все аварии и катастрофы стальных конструкций связаны с потерей устойчивости отдельными элементами или конструкцией в целом. Опасность потери устойчивости особенно велика потому, что она происходит внезапно. Начальные симптомы чаще всего отсутствуют, а ослабление даже сравнительно не ответственного элемента влечет за собой цепную реакцию огромных масштабов. Все происходит в течение считанных секунд.
Для иллюстрации этого явления мы воспользуемся хрестоматийным примером, представленным на рис. 38 (стержень, подвергающийся осевому сжатию). При малой величине сжимающей силы случайное отклонение стержня не является опасным: колеблясь, отклоняясь от своей оси, он быстро восстанавливает первоначальное положение. Как сказал бы специалист, стержень находится в состоянии устойчивого равновесия. Это явление можно сравнить с поведением струны, но там сила является растягивающей и в принципе помогает струне быстрее восстанавливать прямолинейность, а здесь сжимающая сила препятствует восстановлению прежнего положения. Действительно, при определенной величине внешней сжимающей силы отклонившийся от своего первоначального положения стержень уже не возвращается в прежнее положение. Это состояние безразличного равновесия является прелюдией к катастрофе: при увеличении силы стержень внезапно и сильно выгибается. Если материал оказывается хрупким, происходит мгновенное разрушение, если же гибким — необратимое искривление.
Для конструктора особенно важно в каждом конкретном случае знать величину силы, при которой равновесие становится безразличным. Но в любом случае эта величина должна быть больше возможного максимального усилия в стержне. Такая сила называется «критической силой», а соответствующие напряжения — «критическими напряжениями». Критические напряжения меньше расчетного сопротивления материала, и именно в этом заключается коварство искривления: преждевременно выйдет из строя неукрепленный сжатый стержень, и в результате будет ослаблена конструкция. Под сжатым стержнем мы подразумеваем многие конструктивные элементы: стержни фермы, колонны здания, стойки рамы, опоры мостов.
Подобно тому, как в случае элементов, работающих на изгиб, распределение изгибающих моментов зависит от опирания, так и в случае осевого сжатия условия опирания сильно влияют на величину критической силы. На рис. 37 хорошо видно, что величина критической силы, а следовательно, и несущая способность элемента тем больше, чем жестче опоры. В самом невыгодном положении оказываются консоли, которые искривляются под действием силы в четыре раза меньшей, чем та, что является критической для закрепленного с двух сторон стержня.
Но все это относится к стержням одинаковой длины и с одинаковым поперечным сечением. Если для элементов, работающих на растяжение, их длина и форма поперечного сечения значения не имеют, то при сжимаемых элементах положение совершенно иное. Трудность заключается в том, что при потере устойчивости элемент, по существу, выгибается; в связи с этим целесообразное поперечное сечение должно иметь такую форму, которая обеспечивала бы большое сопротивление изгибу.
22 января 1913 г. в Нью-Йорке внезапно рухнул во время строительства огромный театр «Орфеум». От внушительного здания остались только стены. Катастрофа произошла в 17 ч 20 мин, т. е. вскоре после того, как 200 рабочих покинули объект. Главной причиной была потеря устойчивости двумя высокими колоннами, поддерживающими покрытие. Как выяснилось при расследовании, проектировщик неправильно учитывал условия опирания колонн. В верхней части, как он считал, колонны должны были упираться в ферму покрытия, чего практически не было. Рассчитывал он также и на включение в работу двух промежуточных жестких опор — на уровне балкона и на уровне авансцены, чего тоже в натуре не было. Катастрофа произошла при нагрузке, которая была значительно меньше эксплуатационной.
Строительная практика преподносит нам много случаев, значительно более сложных, чем модель прямого сжатого стержня. Таким случаем являлись и колонны театра «Орфеум». У сложных систем не один, а несколько элементов могут потерять устойчивость (рис. 39), соответственно при различной по величине критической силе. Важнейшей из них, разумеется, является наименьшая. Именно поэтому необходимо все потенциально опасные элементы исследовать на потерю устойчивости. Искривление элемента в значительной степени зависит от рабочей диаграммы материала, поэтому при исследовании стальных конструкций используются одни методы, при исследовании деревянных — другие, а при исследовании железобетонных — третьи. Действительность всегда намного сложнее идеализированных условий, в которых иногда рассматривается явление. Проблемы возникают разные даже в случае простого сжатого стержня. Во-первых, он никогда не нагружен точно по оси, чаще всего имеются и поперечные нагрузки, и изгибающий момент. Но даже если они и отсутствуют, какая-нибудь случайная (например, монтажная) внецентричность нагрузки вносит условия, которые становятся причиной будущего искривления элемента. Во-вторых, стержень никогда не бывает идеально прямым, поскольку еще при изготовлении ему придается определенная, хотя и незаметная на глаз кривизна. Некоторый локальный изгиб может произойти и во время транспортировки или монтажа. Не последнюю роль играют и нарушения условий эксплуатации. Известен случай, когда в цех надо было вкатить крупногабаритный груз, а этому всего на несколько миллиметров мешала стойка одной из рам здания. Рабочие ломом попытались «слегка ее отогнуть», и элемент потерял устойчивость, увлекая в катастрофу конструкцию на значительной площади цеха.