Сталь против бетона

Для возведения зданий, мостов, опор высоковольтных линий и многих других сооружений используются сталь, дерево или бетон. Хотя древесина способна выдерживать высокую нагрузку (см. раздел 2.19), для оценки эффективности материалов целесообразнее сравнить сталь с бетоном. Руководствуясь концепцией MIPS, «стальная группа» в Вуппертальском институте, которую возглавляет Криста Лидтке, сравнила стальные и бетонные опоры, несущие магистральные провода сети напряжением 110 кВ. Их функцию можно определить как передачу электроэнергии напряжением 110 кВ в течение фиксированного периода времени, например 40 лет. С помощью такого определения была оценена оборачиваемость материалов или входящий поток на единицу выполненной работы — MIPS (Лидтке и др., 1993).

В соответствии с положениями упомянутой концепции сталь предпочтительнее по двум основным причинам.

q На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материала, чем на стальные (соответственно 90 тонн и 36 тонн для типичной опоры в Центральной Европе). Сама бетонная опора весит около 45 тонн, а стальная — 6 тонн.

q Стальные опоры служат в 2 с лишним раза дольше, чем бетонные, правда, через каждые 10—20 лет, в зависимости от климатических условий, требуется профилактический ремонт.

Кроме того, стальные опоры можно делать из чугунного и стального лома, что тоже смещает баланс в пользу стали. Здесь достижим фактор 2,5.

В общем и целом переход от бетонных опор к стальным обеспечивает шестикратное увеличение эффективности использования материала (см. рис. 8).

Для линий электропередач, опор, мостов и т. д. традиционно использовалась только сталь. Но после Второй мировой войны бетон завоевал ведущие позиции даже в странах с развитой сталелитейной промышленностью. Историко-экономический анализ Лидтке и соавторов показывает, что причины вытеснения стали бетоном мало связаны с затратами. Скорее, это было данью моде или объяснялось субъективным выбором инженерных школ. Бетон считался более современным и более «изящным», но сооружения из него нуждаются в частом ремонте, и потому он может потерять свою привлекательность.

Преимущества стали еще более очевидны, если оптимизировать эффективность ее производства. Она по-прежнему производится в кислородных конвертерах, при этом вхолостую тратятся энергия, вода и материалы. Внедряемый метод электрической выплавки все еще далек от того, чтобы заменить старые способы, хотя он требует значительно меньшей массы материалов, чем оксигенизация. На тонну электростали — одна десятая часть топлива, одна восьмая воды, одна пятая воздуха и менее одной сороковой части других материалов по сравнению с традиционной конвертерной сталью. С другой стороны, на электрическую выплавку идет на 30% больше электроэнергии. Если при этом учитывать «экологический рюкзак», который обычно формируется в условиях Германии, то баланс уже не выглядит столь выигрышным для этого метода. И все же, «фактор четыре» в повышении эффективности материалов при переходе от кислородной стали к электростали можно обосновать.

Коммерческий интерес к конструкциям и сооружениям, имеющим большой срок службы, и, следовательно, интерес к стали можно подстегнуть, если опоры, мосты и другие подобные сооружения сдавать в аренду, а не продавать. При лизинге строительная фирма уделяла бы чрезвычайно большое внимание долговечности и малым эксплуатационным затратам. Действительно, быть может, уже настало идеальное время для введения концепции лизинга. У многих муниципальных корпораций в Германии и других странах высокая задолженность, и им пришлось бы занять деньги для строительства новых мостов. Договора о долгосрочной аренде станут привлекательными, когда их стоимость не будет превышать обременительных капитальных и эксплуатационных затрат на бетонные мосты — если, конечно, технологии углеродных волокон, которые подешевеют с развитием новых отраслей типа производства гиперавтомобилей, не выиграют эту гонку благодаря своей высокой коррозионной стойкости, усталостной прочности и другим возможностям уменьшения веса, растущим как снежный ком.