История развития строительных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет дистанционного обучения

Реферат

по учебной дисциплине «История строительных наук»

Тема: «История развития строительных конструкций»

Нижний Новгород 2006

ВЕДЕНИЕ

Первые грандиозные архитектурные сооружения создавались в рабовладельческую эпоху - в Древнем Египте, античной Греции и Риме (III - I тысячелетия до н. э.). Дальнейшее развитие строительное дело получило в эпоху феодализма (IV - XIX вв.). Наиболее характерны для этого времени крепостные и культовые сооружения. Расцвет древнерусского зодчества наступил в XIV - XV вв., когда вокруг Москвы из разрозненных русских земель образовалось единое русское государство. Создаются такие уникальные сооружения, как Московский Кремль (XV в.), Смоленский Кремль (XVI в.), храм Василия Блаженного на Красной площади в Москве, построенный гениальными русскими зодчими Бармой и Посником.

В конце XVII в. начался период усиленного гражданского и промышленного строительства. Талантливые русские зодчие XVIII - XIX вв. создали выдающиеся памятники архитектуры.

В начале XIX столетия начала развиваться отечественная промышленность строительных материалов. К этому времени относится открытие способа изготовления исключительно важного для строительства материала - цемента, применяемого для изготовления бетонных и железобетонных конструкций. Крупные успехи были достигнуты в области мостостроения, теоретические основы которого разработаны русскими инженерами и учеными.

В конце XIX и начале XX вв. Россия уже располагала опытными кадрами отечественных инженеров-строителей, имеющих мировую известность. Однако в тот период в России объем строительства был невелик, и, несмотря на высокое мастерство русских рабочих и инженеров, организация строительства обеспечивалась при слабой механизации.Строительные работы выполнялись преимущественно вручную и носили сезонный характер. Работы развертывались весной и заканчивались осенью.

Положение со строительным делом в России несколько изменилось в начале ХХ века особенно с 30-х годов. Увеличились объёмы строительства во всех отраслях народного хозяйства, были приняты меры по организации и развитию строительной промышленности, созданию проектных и строительных организаций, оснащению строительных организаций машинами и механизмами.

Широко развернулось строительство крупных промышленных предприятий. Наряду с промышленным строительством, большое развитие получило жилищное строительство. Еще больший размах приняло строительство после окончания Великой Отечественной войны. В невиданно короткий срок были полностью восстановлены разрушенные города и села, введены в действие промышленные предприятия. Современное строительное производство характеризуется переходом на индустриальные методы ведения работ, присущие крупной машинной индустрии. Строительные процессы в части изготовления конструкций всё больше становятся заводскими. Работа же строителей нацелена на механизированный процесс сборки и монтажа зданий и сооружений из готовых блоков, частей и деталей, изготовленных в заводских условиях.

Создание мощного парка строительных машин в настоящее время позволяет осуществлять комплексную механизацию работ непосредственно на строительной площадке, при которой ручной труд все более вытесняется из звеньев технологического процесса и заменяется работой машин.

1. Обзор исторического развития конструкций из дерева

архитектурный строительство зодчество феодализм

Дерево в качестве строительного материала применяется с древнейших времен. Этому способствовало наличие лесов, легкость обработки и транспортировки деревянных элементов к месту строительства. Кроме того, древесина обладает хорошими конструкционными качествами - значительной прочностью и упругостью при сравнительно небольшой массе.

Широкое применение древесины в строительстве объясняется её ценными свойствами :

Дерево обладает значительной прочностью, а конструкции, выполненные из него, могут выдерживать большие нагрузки (деревянные мосты, стропильные фермы и т.д.). Малая теплопроводность и небольшой объемный вес делают пригодным дерево для устройства деревянных стен и перегородок. Легкая обрабатываемость дерева инструментами позволяет изготовлять из него различные изделия.

Вместе с тем дерево имеет и существенные недостатки:

- возгораемость;

- подверженность гниению, червоточению;

- увеличение в объеме при увлажнении и коробление при высыхании;

- различная механическая прочность вдоль и поперек волокон;

- слабое сопротивление скалыванию.

Историческое развитие деревянных конструкций как отрасли строительной техники неизбежно связано с развитием производства, а, следовательно, и общества. Применительно к нашей стране, в которой сосредоточены огромные лесные богатства, технико-экономическая целесообразность деревянного строительства не вызывала сомнений. С давних пор применялись в строительстве деревянные сооружения оборонительного, общественного, хозяйственного, жилищного и других назначений.



Основной конструктивной формой бревенчатых сооружений стал сруб, который выполнялся из горизонтально расположенных бревен, соединенных врубками, шипами и другими видами соединений, что требовало большой квалификации мастера. В строительстве сооружений, выполняемых в виде сруба, русские мастера достигли большого совершенства. На рисунке показаны основные формы бревенчатых несущих конструкций. Сочетанием этих основных форм в деревянном зодчестве были созданы самобытные, выдающиеся по красоте рубленые сооружения.

Основные формы бревенчатых несущих конструкций из горизонтально расположенных бревен в виде сруба:

Для стен: а - прямоугольный сруб, б - квадратный сруб (четверик), в - многоугольный сруб (восьмерик); для покрытий - двускатный сруб, д - четырехскатный сруб (палатка или епанча); шатровый пирамидальный четырехгранный сруб: е - низкий h<b (колпак), ж - высокий h > 1,5 b (шатер), з - многогранный шатер, и -- килевидный сруб (бочка) (на чертеже показана также схема построения бочки); к-- кубоватое четырехгранное покрытие (куб), л - кубоватое многогранное покрытие

Примерами таких сооружений являются Успенский шатровый храм в Кондопоге высотой 42 м, построенный в 1774 г. Четырехгранный сруб (четверик) уширяется вверху с помощью повалов, образующих защитный карниз, а затем переходит в рубленый, также с повалами вверху, восьмигранник (восьмерик). Покрытие выполнено в виде шатра с пологим карнизом, называемым «полицей».

Еще более сложной является конструкция 22-главого высотой 35 м Преображенского храма в Кижах на Онежском озере, построенного в 1714 г.

Многоглавые храмы в Кижах на Онежском озере и Успенский шатровый храм в Кондопоге на берегу Онежского озера

В 1667 - 1681 гг. в с. Коломенском под Москвой для царя Алексея Михайловича был построен деревянный рубленый дворец. Строители дворца под руководством плотничного старосты Петрова создали выдающийся образец дворцового деревянного зодчества

Общий вид дворца в селе Коломенском объединявший в единую композицию многие основные формы. Дворец называли восьмым чудом света. Иностранцы, приезжавшие в Москву, восторгались этой постройкой. Мастерство плотников того времени было очень высоким, о чем можно судить по высказыванию Жана Соважа, который в 1586 г. путешествовал по России. Он так характеризует оборонительную ограду Архангельска: «Она составляет замок, сооруженный из бревен, заостренных и перекрестных: постройка его из бревен превосходна, нет ни гвоздей, ни крючьев, но все так хорошо отделано, что нечего похулить, хотя у строителей русских все орудия состоят в одних топорах; но ни один архитектор не сделает лучше, как они делают».

Можно было бы привести много других примеров выдающихся образцов деревянного зодчества, характеризующих довольно длительный этап строительства из бревен, преобладавший в России до XVIII в. Русские плотники отличались не только конструкторским мастерством. Они владели искусством передовых методов строительства, обеспечивающих высокие темпы возведения сооружений. Доказательством этого служит строительство крепости Свияжска, выполненное под руководством Ивана Григорьевича Выродкова.

Все сооружения, куда входили: крепостные стены, рубленые «тарасами», шириной 5 м и длиной около 3000 м, имевшие два ряда бойниц, семь стрельниц, семь ворот и 18 башен; 370 домов; четыре лавки; две башни с общим расходом древесины примерно 20 тыс. м3 - были зимой 1550 - 1551 гг. заготовлены и построены под Москвой в районе Углича. После разметки все сооружения были разобраны, собраны в плоты, а затем по Волге сплавлены к устью р. Свияги, где в течение одного месяца была возведена крепость.

В конце XVII в. появилась возможность вначале ручной, а затем механической продольной распиловки бревен, что способствовало созданию стержневых систем в виде брусчатых и дощатых конструкций. Однако для их изготовления по-прежнему требовались высококвалифицированные мастера-плотники, так как соединения элементов этих конструкций по длине и в узлах выполнялись в виде сложных врубок.

Начало XX-го века в России отличается созданием станкостроительной, авиационной, химической и других отраслей промышленности при малом еще производстве цемента и стали. Перед строителями была поставлена задача создать новые формы деревянных конструкций построечного изготовления, не требующих квалифицированных плотников, которых при резком увеличении объема строительства было явно недостаточно.

Российскими инженерами-строителями такая задача была решена. Были предложены и широко внедрены при строительстве промышленных и общественных зданий и сооружений так называемые дощато-гвоздевые конструкции, где основным соединением деревянных элементов были гвозди, установка которых не требовала от рабочих высокой квалификации. В создании этих новых конструктивных форм принимали активное творческое участие профессора, доктора технических наук: В.Ф. Иванов, В.М. Коченов, М.Е. Каган, Ю.М. Иванов, А.Б. Губенко, доценты, канд. техн. наук: Г.В. Свенницкий, Б.А. Освенский, Г.А. Цвингман, К.П. Кашкаров и др.

Вслед за гвоздевыми конструкциями в 1932 - 1936 гг. В.С. Деревягиным были предложены брусчатые конструкции на пластинчатых нагелях в виде балок пролетом до 6 м и ферм пролетом до 21 - 24 м

Металлодеревянная ферма системы В.С. Деревягина пролетом 18 мв покрытии здания рынка и рамы дощато-гвоздевые с перекрестной стенкой, построенные в Москве в 1925 - 1926 гг.

Формы дощато-гвоздевых конструкций были весьма разнообразными. Они применялись как в виде плоскостных конструкций: сплошных (балки, арки, рамы ) и сквозных (балочные и арочные фермы сегментного очертания), так и пространственных конструкций в виде сводов-оболочек , складок, куполов, башен-градирен , башен-оболочек и др. Перекрываемые ими пролеты доходили до 100 м, а автодорожные мосты имели пролеты размером 45 - 55 м.

После Великой Отечественной войны 1941 - 1945 гг. все силы страны были направлены на восстановление, в первую очередь, разрушенных заводов тяжелой промышленности с кранами большой грузоподъемности, где преобладали металлические несущие конструкции, а несколько позднее, с 1954 - 1955 гг., началось массовое многоэтажное жилищное строительство, которое решалось на основе крупных железобетонных элементов заводского изготовления. Все это резко сократило объем деревянного строительства в нашей стране. Изменились также требования к строительству, проявившиеся в развитии деревянных конструкций нового типа - клееных и клеефанерных, чему значительно содействовали достижения в химической промышленности. Были разработаны водостойкие прочные синтетические клеи - фенолформальдегидный, резорциновый и др.

В историческом обзоре развития деревянных конструкций, даже очень кратком, нельзя не упомянуть о творческих работах И.П. Кулибина, внесших огромный вклад не только в область инженерных конструкций, в том числе и деревянных, но также в теорию их расчета.

Отличительной особенностью работ И.П. Кулибина является использование при проектировании сооружения экспериментальных методов, что нашло свое яркое подтверждение при разработке проекта моста через Неву пролетом 298 м. Зарубежные конструкции мостов, которые применялись в XVIII в., характеризовались неясностью в распределении усилий, наличием лишних стержней, громоздкостью и большой трудоемкостью при возведении, требующими в связи с большим количеством сложных врубок высокого индивидуального мастерства плотников. Типичные примеры таких систем даны на рисунке.

Вопреки таким нерациональным системам, И.П. Кулибин впервые предложил комбинированную систему, которая состоит из арки жесткости, воспринимающей в основном собственный вес моста, и жесткой бесшарнирной фермы, несущей временную подвижную нагрузку. Применение арки жесткости уменьшило усилия в раскосах по сравнению с традиционной балкой жесткости. Мост, спроектированный И.П. Кулибиным, состоял из брусчатых комбинированных систем, соединенных в коробчатое сечение решетчатыми связями

Выбор И.П. Кулибиным комбинированной системы, оптимальной для конструкций больших пролетов, в сочетании с выгодной для дерева работой на сжатие, обеспечил простое решение стыков лобовым упором. Такое решение остается рациональным с точки зрения современных принципов проектирования.

Широкое применение в строительстве нашли древесные пластики, полученные соединением синтетическими смолами продуктов переработки натуральной древесины. К ним относятся древесно-слоистые пластики, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, бумажный слоистый пластик (гетинакс) и др.

В настоящее время разработаны древесно-стружечные плиты, армированные металлической сеткой, которые могут найти применение в некоторых видах строительных конструкций.

2. О развитии металлических конструкций

Первые металлические (железные) строительные конструкции в виде скреп-затяжек для восприятия распора сводов появились в средние века; античная архитектура их еще не знала . В нашей стране в Успенском соборе во Владимире, построенном в 1158 г., уже имеется хорошо развитая система таких затяжек. В соборе Василия Блаженного в Москве, сооруженном в середине XVIв., имеются затяжки, к которым подвешены потолки, причем ряд затяжек укреплен подкосами. Конструкторы - строители этого собора уже достаточно хорошо понимали работу материала в конструкции; они знали, что на изгиб лучше работает сечение, имеющее высоту, большую, чем ширина (полоса затяжки поставлена вертикально), что на продольный изгиб хорошо работает брусок квадратного сечения (подкосы сделаны из брускового железа); они знали закон разложения сил (подкосы имеют упоры). По-видимому, это одна из первых несущих железных конструкций. Применялись железные конструкции и для стропил. Так, перекрытие Архангельского собора в Москве, поставленное, по-видимому, в начале XVII в., имеет железные стропила; железные стропила имел также старый Кремлевский дворец, построенный в XVII в. В конце XVII и в начале XVIII в. в России имелось очень много железных стропил над гражданскими зданиями: в первом здании Московского университета (в здании главной аптеки), построенном в конце XVII в.; над трапезными монастырей и т.д. Все эти стропила не были фермами; они состояли из наклонных железных ног, подпертых железными стойками, опирающимися на нижнее, обычно сводчатое, перекрытие или на окружающую своды конструкцию, и перекрывали довольно большие пролеты (до 20 м), как правило, со средним столбом.

Широкое распространение в XVII и XVIII вв. имели пространственные железные конструкции в виде каркасов, поддерживающих кровли церковных куполов. Таков каркас купола колокольни Ивана Великого в Москве, сооруженный в 1600 г. Одним из последних куполов такой конструкции является большой купол Казанского собора в Ленинграде, сооруженный арх. Воронихиным в 1805 г. Перечисленные конструкции были изготовлены на горновой сварке и имели замковые соединения с помощью обойм.

За рубежом в указанный период железные конструкции были также распространены.

В первой половине XVIII в. в Англии был освоен процесс литья чугуна для строительных целей; начиная с середины XVIII в. чугунные конструкции получили распространение как в мостовом, так и в гражданском и промышленном строительстве. В России чугун использовался меньше, хотя первые чугунные стропильные конструкции появились у нас еще в 1725 г. (перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале).



Первые чугунные мосты появились в России в 1784 г., спустя 5 лет после появления первого чугунного моста в Англии, и раньше, чем в других странах Европы. К этому времени за рубежом металлические конструкции достигли уже значительного совершенства, что видно по конструкциям перекрытия здания театра Французской комедии в Париже, относящимся к 1786 г. . Первые железные покрытия промышленных зданий в России были смонтированы в 1757 г. на Кыштымском заводе. Примененные здесь стропильные фермы появились в результате эволюции наклонных железных стропил XVII и XVIII

Перекрытие здания театра Французской комедии в Париже (1786 г.) вв., в которых, как было указано выше, стропильные ноги поддерживались стойками, опиравшимися на потолочные перекрытия (обычно свод). Стойки эти имели разнообразные крепления, так как было известно, что длинные - плохо работают на сжатие. Уже в середине XVIII в. опирание на свод было признано нашими строителями нерациональным, и стойки, вместо того чтобы опирать на нижнее перекрытие, подвешивали с помощью тяг к опорным точкам стропил. Таким образом, возникла шпренгельная ферма.

Соединением двух шпренгельным систем получена ферма, состоящая из двух полуферм, связанных затяжкой. Эта эволюция стропильных конструкций нашла свое завершение в конструкциях перекрытий Зимнего дворца в Петербурге, восстановленных после пожара 1837 г. Правда, в фермах Зимнего дворца еще не были поставлены раскосы, однако такой проект существовал.

Таким образом, стропильная ферма из двух полуферм с затяжкой прошла в России совершенно самобытный путь развития.

В первой половине пошлого века железные конструкции достигли у нас высокой степени развития; это подтверждают весьма сложные и хорошо оформленные перекрытия Александринского (ныне имени Пушкина) театра в Петербурге (1832 г.) , а также многочисленные железные перекрытия цехов на Каштымском, Воткинском, Тульском, Тагильском, Салдинском, Ижорском и др. заводах. О размахе строительства говорит тот факт, что при постройке в 1846 г. Калашниковской биржы в Петербурге было поставлено более 900 железных стропильных ферм.. Некоторые перекрытия того времени имели большие пролеты (например, на Салдинском заводе - 34 м,. Поскольку фасонного проката и листового железа еще не было, конструкции были сквозными; в то же время рациональность уголковых и швеллерных сечений была вполне ясна строителям, и такие сечения уже изготовлялись гнутьем разогретых полос на специальных машинах - «жомах». Прокатка в дальнейшем только технически оформила уже оправданные практикой профили. Развитию железных конструкций во многом способствовало освоение у нас в начале XIX в. процесса получения сварного железа пудлингованием, менее трудоемкого по сравнению с кричным процессом. Соединения в конструкциях производили на проушинах или горновой сварке; пробивка отверстий бойком появилась в нашей стране в Туле в 1820 г.; в 30-х годах XIX в. начали появляться заклепочные соединения (предложенные еще в 80-х годах XVIII в. архитектором Казаковым в проекте купола для здания сената в Москве).

В связи с этим чугунные конструкции в гражданском строительстве (за исключением чугунных колонн) были в России мало распространены. Здесь можно упомянуть чугунный купол Исаакиевского собора , а также некоторые конструкции перекрытий Александринского театра в Петербурге и стропила нового Кремлевского дворца в Москве.

Следует отметить, что развитие железных строительных конструкций в царской России шло очень медленно, и до конца XIX в. основной

Перекрытие Александринского театра в Петербурге (1832г.) и Купол Исаакиевского собора в Петербурге конструкцией оставалась треугольная стропильная ферма с узлами на проушинах , весьма несовершенная по своей конструктивной форме. В промышленном строительстве возводились только кирпичные здания, и в других конструкциях перекрытий не возникало необходимости; общественные большепролетные здания почти не строились. За рубежом и в промышленном строительстве также преобладали сравнительно небольшие здания с пролетами незначительной величины. Однако там было построено довольно много общественных зданий, выставочных павильонов, вокзальных перекрытий, крытых рынков, башен и тому подобных сооружений. Преследуя зачастую чисто рекламные цели, им придавали иногда рекордно большие размеры. Здесь должны быть отмечены: Хрустальный дворец в Лондоне (1852 г.); павильоны Парижских выставок 1867, 1878 и 1889 гг., где пролеты некоторых павильонов уже достигали 100 м и более; Башня Парижской выставки 1889 г. (башня Эйфеля) высотой 300 м; перекрытия вокзалов во Франкфурте, Дрездене и др. Строительство всех этих сооружений оказало большое влияние на уменьшение веса и улучшение конструктивной формы металлических конструкций.

Во второй половине XIX в. в нашей стране ведущими среди металлических конструкций были мостовые конструкции. Как уже отмечалось, чугунные мосты появились в России еще в конце XVIII в.; дальнейшее развитие они получили в начале XIX в., когда было сооружено несколько чугунных мостов в Петербурге, Москве и других городах. Однако современную конструктивную форму чугунные мосты стали приобретать только начиная с 50-х годов прошлого века.

В 40-х годах прошлого века появился прокат в виде фасонного железа, двутавровых балок и листа, и благодаря этому обстоятельству железные конструкции приобрели современную форму; появились сплошные балки. Начало интенсивного железнодорожного строительства резко стимулировало развитие строительства железных мостов. В 1853 г. через р. Лугу построен первый железнодорожный мост большого пролета, с железными фермами многорешетчатой системы, просуществовавший 90 лет (разрушен во время Великой Отечественной войны); в 1861 г. через р. Неман около Каунаса построен мост со сплошными балками высотой 7 м; в 1852 г. было начато сооружение арочного моста в Москве (Большого Каменного), по-видимому, одного из первых железных мостов.

Развитие в нашей стране тяжелых металлических (железных) конструкций в мостостроении, приведшее к развитию металлических конструкций в других областях строительства, связано с именами знаменитых русских инженеров С.В. Кербедза, Н.А. Белелюбского и Л.Д. Проскурякова. Инженер С.В. Кербедз (1810 - 1899 гг.), построивший первый в России железный мост через р. Лугу, применил для этого моста сквозные фермы. Разрабатывая конструкции Лужского моста, инженер Кербедз впервые правильно оформил сжатый стержень, придав ему жесткий профиль и снабдив соединительными решетками (в соответствии с работой сжатого стержня на продольный изгиб), чем значительно опередил конструкторскую мысль своей эпохи.

С середины 80-х годов прошлого века, раньше, чем за рубежом, в нашей стране по инициативе проф. Белелюбского началась замена в конструкциях сварочного железа литым; это позволило значительно увеличить надежность сооружений и уменьшить их стоимость.

Появление мартеновского и бессемеровского способов получения литой стали привело к бурному развитию металлургии, что в свою очередь сказалось на увеличении пролетов производственных зданий; однако в первое время это не привело к существенному изменению их конструкций, поскольку металлургические цехи обслуживались наземным транспортом. Крановые мосты появились раньше всего в цехах легкого типа, где их сначала ставили на специальные эстакады. В дальнейшем эстакадные стойки были без особого труда превращены в колонны, поддерживающие кровлю , и, таким образом, возникла новая поперечная конструкция производственных цехов, начавшая своеобразный путь развития каркасов этих зданий.

Процесс искания более совершенной конструктивной формы производственного здания продолжался с 80-х годов XIX века до 10-х годов XX века по-разному в разных странах. Наиболее интенсивно он протекал в США, где впервые появился стальной каркас, весьма рано получивший правильную форму с защемленными в фундаментах колоннами соединение колонн со стропильной фермой, первое время треугольной, было для большей жесткости усилено подкосом. Очень скоро верхний транспорт (мостовые краны, установленные на колоннах) получил распространение благодаря большим успехам электротехники и в цехах тяжелого типа. Поскольку подкос мешал движению кранов, он был заменен жестким сопряжением притупленного конца стропильной фермы с колонной, и, таким образом, поперечная рама цеха приобрела свою современную форму.

В Германии эта эволюция проходила более сложно. Интенсивное развитие теоретических знаний, стремление приблизить конструктивную форму к теоретическим предпосылкам привели к широкому применению достаточно сложных шарнирных схем (двух- и трехшарнирных). Такие схемы, весьма трудоемкие в изготовлении и монтаже, были в то же время наиболее близки к расчетным предположениям, а поэтому осуществимы при наименьшем коэффициенте запаса и, следовательно, более экономичными . Видимая ясность (с расчетной точки зрения) конструктивных решений Германии делала их весьма доходчивыми, благодаря чему они получили широкое распространение среди проектировщиков того времени.

В России эволюция конструкций производственных цехов шла аналогичным путем, только более медленно; однако уже в 80-х годах XIX века в проектах передовых конструкторов встречаются мостовые краны, поставленные на колонны, т.е. современную конструкцию цеха. Тем не менее, для цехов тяжелого типа до конца 90-х годов XIX века применялось простое кирпичное здание с внутренней эстакадой для крановых мостов, хотя в тот же период в отдельных зданиях этого типа подкрановые балки уже располагались на колоннах. Только в 10-х годах XX-го века цех тяжелого типа получил конструкцию, близкую к современной .

Переход на новые типы перекрытий в конце XIX и начале XX-го веков связан у нас с именами Ф.С. Ясинского, В.Г. Шухова и И.П. Прокофьева.

Профессор Ф.С. Ясинский (1856 - 1899 гг.) известен как исследователь продольного изгиба; кроме того, он известен также как инженер-строитель, существенно улучшивший в середине 90-х годов XIX в. конструктивную форму перекрытий производственных зданий, в то время, как правило, еще не имевших кранового оборудования. Профессор Ф.С. Ясинский был создателем большепролетных покрытий. Он один из первых перешел к трехпролетным цехам, разделенным двумя рядами металлических колонн (по контуру здания сохранялись кирпичные стены); покрытие этих цехов состояло из одно-консольных ферм, по концам которых (в среднем пролете) располагался продольный фонарь . Ф.С. Ясинский первым начал применять складчатые конструкции.

Особенно многообразна инженерная деятельность почетного академика В.Г. Шухова (1853 - 1939 гг.).

В области покрытий В.Г. Шухов развивал идеи пространственных систем, причем разработанные им конструкции отличаются исключительным многообразием и оригинальностью. Для покрытий производственных зданий он первым применил оболочки двоякой кривизны, утвердив тем самым приоритет нашей страны в этой области. В.Г. Шухов широко применял висячие решетчатые покрытия, расчет и конструкция которых основаны на использовании свойств линейчатых поверхностей; такие покрытия позволяют оригинально проектировать интерьеры зданий

Академик В.Г. Шухов много сделал и для улучшения обычных конструкций перекрытий производственных зданий; он увеличил шаг колонн и ввел подстропильные фермы, а также применил легкие стропильные фермы с затяжками. В гражданском строительстве он ввел металлические конструкции в каркас зданий (здание Центрального универмага в Москве); он также является автором арочного перекрытия Брянского (ныне Киевского) вокзала в Москве.

Особенно велик вклад В.Г. Шухова в теорию и практику строительства резервуаров и других листовых конструкций. Можно сказать, что все конструкции наших резервуаров, их оснований, методика расчета и их технико-экономические обоснования базируются на работах В.Г. Шухова.

Наконец, В.Г. Шуховым были созданы гиперболоидные решетчатые водонапорные башни, башни для маяков и другие высотные сооружения; эти конструкции, крайне легкие и простые в изготовлении, появились впервые в нашей стране.

Профессор И.П. Прокофьев развил идеи проф. Ф.С. Ясинского в ряде большепролетных покрытий (Муромские и Перовские мастерские Московско-Казанской железной дороги) и провел большую работу по объединению опыта изготовления и монтажа стальных конструкций. Его книга «Железные мосты. Обработка, сборка и установка» (1911 г.) была первым руководством в этой области в нашей стране.

Им спроектировано оставшееся, к сожалению, неосуществленным перекрытие путей Казанского вокзала в Москве пролетом 56 м.

В СССР стальные конструкции получили существенное развитие, главным образом, в области промышленного строительства. Большое значение для этого развития имело то обстоятельство, что конструкторы и проектировщики были объединены в крупные проектно-производственные коллективы; это в корне изменило методику проектирования и возведения сооружений, резко стимулировало обмен опытом, ускорило прогресс и усовершенствование конструктивных решений.

Перед советскими строителями в области стальных конструкций промышленных зданий возникли новые задачи, на основе разрешения которых выросла советская школа проектирования. В создании советской конструкторской школы большую роль сыграли коллективы конструкторских трестов «Промстрой-проект» и «Проектстальконструкция», Всесоюзного института сооружений, в дальнейшем реорганизованного в Институт промышленных сооружений (ЦНИИПС), а затем в Институт строительных конструкций (ЦНИИСК); Академии архитектуры и строительства. Тесный контакт проектной и научно-исследовательской работы был отличительной особенностью этого этапа развития советской конструкторской школы.

Огромный вклад в развитие теории металлических конструкций в нашей стране и за рубежом внес Стрелецкий Николай Станиславович . Еще в начале 20-х годов XX-го века Н.С. Стрелецкий занялся углубленным исследованием ряда вопросов, касающихся норм расчета металлических мостов и конструкций. Здесь следует указать на опубликованные им работы: «Новые нормы нагрузок и напряжений» (1921 г.), «К вопросу о нормах продольного изгиба» (1924 г.), а также на написанный им раздел расчета металлических конструкций в «Единых нормах строительного проектирования» (1930 г.). Н.С. Стрелецкий всегда уделял очень большое внимание разработке норм и технических условий проектирования металлических конструкций, справедливо считая их документами исключительной важности, определяющими техническую политику в данной области.

Особое внимание уделял Н.С. Стрелецкий вопросу долговечности металлических конструкций. По его инициативе при кафедре металлических конструкций МИСИ в 1961 г. организована лаборатория стойкости металлических конструкций против поражения коррозией, давшая ряд интересных работ. Именно поэтому её исследования оказали решающее влияние на создание наиболее экономичных по затрате стали и удачных с точки зрения своей эксплуатации промышленных конструкций.

Следует отметить огромный вклад Н.С. Стрелецкого в решение проблем металлического мостостроения. Под непосредственным руководством или при участии Н.С. Стрелецкого были разработаны проекты многих инженерных сооружений, главным образом мостов. К ним относятся проекты моста через Оку и подземного туннеля под Волгой в Нижнем Новгороде (1913 - 1915гг.); моста через Волгу в Саратове (1917 г.); Крымского и Краснохолмского висячих мостов в Москве (1921 г.); моста-трансбордера через Волгу в Саратове (1922 г.); крупных арочных мостов через Старый и Новый Днепр в Запорожье (1927 - 1928 гг.); вантового моста через Магану в Сванетии (1929 г.); мостового перегружателя для Магнитогорского металлургического комбината (1932 г); однопролетного сварного моста через Москву-реку в Москве (1932 г.); металлических мостов через канал имени Москвы (1933 - 1938 гг.); мостовых перегружателей Союзпроммеханизации (1933 - 1937 гг.); моста метро в Москве (1935 г.); Б. Каменного, Б. Устинского и Б. Краснохолмского мостов в Москве (1936 - 1938 гг.); трубобетонного арочного моста через Исеть (1938 г.); балочного моста для восстановления железнодорожных пролетных строений (1943 - 1944 гг.); типового многопролетного висячего моста (1944 г.); типовых элементов для восстановления промышленных зданий (1941 г.); радиомачт, радиобашен, телевизионных опор и др.

По теоретическим проблемам, возникшим при строительстве стальных мостов, он опубликовал свыше 30 работ. Среди них особого внимания заслуживает монография «Законы изменения веса металлических пролетных строений мостов» (1926 г.), в которой автор, используя аналитический метод и введя предложенный им новый показатель - так называемую характеристику веса, дал общую формулу веса пролетного строения, отличающуюся большой четкостью и раскрывающую целый ряд важных закономерностей, связывающих этот вес с подвижной нагрузкой, материалом и пролетом. Не ограничиваясь лишь общим решением поставленной задачи, Н.С. Стрелецкий провел очень большую, кропотливую работу по определению значений предложенных им характеристик веса для самых различных по типу и по соотношениям основных размеров мостовых ферм. Это позволило ему осветить важный вопрос о выборе оптимальных с весовой точки зрения схем ферм и соотношений размеров.

Особого внимания заслуживают теоретические исследования Н.С. Стрелецкого о процессах разрушения статически неопределимых систем, причем в этих работах он опирался на свой оригинальный, интересный анализ процесса разрушения сжатого стержня, подтвердивший возможность применить в данном случае диаграмму Прандтля. Этим самым Н.С. Стрелецкий продвинул далеко вперед теорию разрушения ферм, впервые разработанную Грюнингом (1927 г.). Продолжением этих работ явилось изучение процесса разрушения статически неопределимых систем под циклической нагрузкой, показавшее области разрушаемости и неразрушаемости этих систем (1946 и 1953 гг.).

Обращаясь к послевоенной научной деятельности Николая Станиславовича Стрелецкого, нужно указать на его ценные и важные исследования, связанные с разработкой и внедрением метода расчета сооружений по предельным состояниям. Будучи инициатором постановки и непосредственным руководителем разработки этой крупной, практически очень важной и сложной проблемы, он, развивая свои предыдущие многочисленные исследования по коэффициенту запаса и методам расчета конструкций, в целом ряде своих научных работ и монографий, по существу, заложил основы нового метода расчёта.

Возвращаясь к периоду конца ХIХ и начала ХХ века следует заметить, что Россия в то время ещё не имела сложившихся требований в проектировании стальных конструкций. Поэтому в начале 20-х годов коллективам инженеров пришлось обратиться к наиболее распространенным в то время приемам конструкторской школы Германии . Но эти приемы не соответствовали требованиям бурно развивающегося строительства в России как в отношении простоты и быстроты изготовления и возведения конструкций, так и в отношении условий эксплуатации, и поэтому уже в 1930 г. они были заменены новыми. Основы нового подхода были заимствованы у американской конструкторской школы. Однако, сохранив основное конструктивное решение промышленного здания, характерное для американской школы, - защемленные рамы, советские проектировщики существенно улучшили его , установили правильное соотношение размеров элементов, основанное на обширных аналитических исследованиях по изысканию оптимальной по весу конструктивной формы. С переходом на сварку (1932 - 1935 гг.) резко снизилась трудоемкость конструкций, и еще более уменьшился их вес. Таким образом, результатом умелого проектирования и совершенствования конструктивных форм было постоянное снижение веса конструкций и, следовательно, экономия металла.

В середине 30-х годов XX в. стальные конструкции получили широкое распространение в многочисленных цехах машиностроительной промышленности. Большая повторяемость конструктивных решений привела к развитию типового проектирования, в результате которого трестом «Промстройпроект» были разработаны в 1939 г. типовые секции промышленных зданий массового применения, а также и типовые стальные конструкции для этих секций, что оказало положительное влияние на дальнейшее развитие стальных конструкций. Типовые конструкции для этих секций разрабатывались другими проектными организациями. В дальнейшем типовым проектированием были охвачены и уникальные промышленные сооружения, например, мартеновские цехи. Стальные каркасы того времени имели защемленные рамы в фундаментах, с преимущественно сплошностенчатыми колоннами и сквозными или сплошными ригелями, расположенные обычно через 6м; кровля, как правило, устраивалась из железобетонных плит по прогонам.

Широкое применение стальных конструкций позволило обобщить основные принципы конструирования: одинаковое внимание к проблемам экономии стали, экономии труда при изготовлении конструкций и скоростном монтаже. Эти принципы были положены в основу советской конструкторской школы, которая и оформилась в этот период.

Разворот строительства в послевоенный период по-новому поставил вопросы дальнейшего развития стальных конструкций, повышения их качества, прочности и надежности как ведущие задачи современного строительства. Эти задачи была положена в основу «Строительных норм и правил», введенных в действие с 01.01.1955 г.

До этого времени в качестве критерия принималось допускаемое напряжение материала конструкций, определяемое как частное от деления предельного напряжения материала на коэффициент запаса, величина которого устанавливалась весьма осредненной. При этом не гарантировалась одинаковая прочность и надежность для разных элементов конструкций.

По новому расчетному методу, принятому в СССР, за критерий прочности конструкций принимается не напряжение элементов конструкции, а предельное состояние всей конструкции - критерий весьма гибкий, непосредственно связанный с конкретной работой конструкции, определяемый несколькими коэффициентами, характеризующими возможные изменения величины нагрузки, качества и условий работы конструкций. При расчете по новому методу достигается более высокая надежность в эксплуатации зданий и сооружений.

Определение коэффициентов по этому методу на основании непосредственных наблюдений за работой конструкций связывает их с действительной работой; это делает указанный подход значительно более совершенным. В разработке метода предельных состояний приоритет принадлежит советской школе проектирования (Н.С. Стрелецкий, А.А. Гвоздев, В.М. Келдыш, И.И. Гольденблат, Л.И. Онищик, В.А. Балдин и др.).

Металлические конструкции, как уже было отмечено, имеют очень широкое распространение. Даже если ограничить понятие металлических конструкций только конструкциями, состоящими из балок, ферм, арок, стоек (колонн), оболочек и т.п., объединенными одним технологическим процессом изготовления, и не учитывать конструкций машиностроительной промышленности, остается очень большая область применения металлических конструкций, охватывающая следующие виды сооружений :

- Промышленные здания. Стальные каркасы промышленных зданий в течение многих лет были наиболее распространены среди прочих видов сооружений, выполняемых из стали. Современные производственные здания оборудованы кранами, конструкция и грузоподъемность которых выбираются в соответствии с требованиями технологического процесса. Наиболее широкое распространение получили одноэтажные производственные здания, оборудованные мостовыми электрическими кранами. Перемещаясь по подкрановым балкам на требуемой высоте, такие краны могут обслуживать практически всю площадь цеха, что весьма удобно для самых разнообразных производственных процессов.

Однако такие производственные здания имеют большие пролеты и высоту. Часто они оборудуются очень мощными кранами, вследствие чего в несущих конструкциях здания возникают весьма большие усилия.

Комплекс несущих конструкций, воспринимающих нагрузки от веса ограждающих конструкций здания (кровля, стеновые панели, переплеты остекления и т.п.), атмосферные нагрузки (снег, ветер), нагрузки от кранов, а в некоторых случаях и от другого технологического оборудования, называется каркасом здания.

Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко защемленных в фундаменте, и ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн в поперечном направлении здания называется пролетом, расстояние между рамами называется шагом рам. В продольном направлении на рамы опираются подкрановые балки, несущие элементы покрытия, светоаэрационные или аэрационные фонари.

В настоящее время полные стальные каркасы применяются только в промышленных зданиях тяжелого типа, оборудованных кранами большой грузоподъемности и имеющих большую высоту. В соответствии с «Техническими правилами по экономному расходованию металла, леса и цемента в строительстве» применение стальных конструкций ограничено и допускается при пролетах более 24 м, высотах более 15 м и при кранах большой грузоподъемности (более 50 т). Наиболее сложными конструкциями для выполнения в железобетоне являются подкрановые балки под тяжелые краны, а также большепролетные стропильные фермы; колонны из железобетона получаются достаточно высокого качества. Поэтому в практике современного промышленного строительства широко применяются смешанные каркасы в виде железобетонных колонн, поддерживающих стальные стропильные фермы и подкрановые балки. В результате широкого распространения сборного железобетона в настоящее время каркасы зданий машиностроительной промышленности часто проектируются железобетонными или смешанными, даже в тех случаях, когда пролеты и высоты превышают указанные в Технических правилах. Стальные каркасы сохраняются преимущественно в основных зданиях металлургической промышленности, так как бетон мало приспособлен к эксплуатационным условиям этих зданий, а также в тяжелых цехах машиностроения.

Жесткость и устойчивость каркаса и его отдельных элементов обеспечивается системой связей: вертикальными связями по колоннам, воспринимающими продольные усилия от действия ветра на торец здания и сил продольного торможения кранов, горизонтальными и вертикальными связями по шатру здания, обеспечивающими устойчивость конструкций покрытия.

Исходя из требований эксплуатации, конструктивная схема каркаса должна обеспечивать:

а) удобство обслуживания и ремонта производственного оборудования; это требует соответствующего расположения колонн, подкрановых путей, связей и других элементов каркаса;

б) нормальную эксплуатацию кранового оборудования и других подъемных механизмов, включая доступность осмотра и ремонта; необходимо, чтобы каркас сооружения обладал надлежащей поперечной и продольной жесткостью;

в) необходимые условия аэрации и освещения здания;

г) долговечность конструкций.

- Большепролетные перекрытия зданий общественных (например, стадионов, выставочных павильонов), производственных (например, авиасборочных цехов) или специального назначения (например, ангаров).

Преимущества металлических большепролетных перекрытий увеличиваются с увеличением пролетов. По этим причинам такие большепролетные перекрытия, как, например, перекрытие Дворца спорта в Лужниках (Москва) или купол павильона машиностроения на ВДНХ в Москве сделаны стальными, а павильон в Сокольниках (Москва) - из алюминия.

В промышленном строительстве большие пролеты встречаются в сборочных цехах самолетостроитель

Арочное покрытие Дворца спорта в Лужниках (г. Москва)

ных заводов, в экспериментально-лабораторных корпусах различных производств, где они обусловлены или крупными габаритами собираемых машин (судов, самолетов), или требованиями технологического процесса.

Системы, перекрывающие большие пролеты, проектируют, как правило, однопролетными, что вытекает из основного эксплуатационного требования - отсутствия промежуточных опор.

Различия в назначении большепролетных сооружений в условиях их эксплуатации и в предъявляемых к ним архитектурных требованиях определяют применение весьма разнообразных конструктивных решений - балочных, рамных, арочных, пространственных и висячих вантовых. Балочные и рамные системы чаще всего используются в большепролетных перекрытиях зданий с прямоугольным планом.

Балочные большепролетные конструкции применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий - при опирании на стены, каменные или железобетонные колонны и т.п. Балочные системы при больших пролётах тяжелее рамных или арочных, но проще в изготовлении и монтаже. Они применяются преимущественно в общественных зданиях - театрах, концертных залах, спортивных сооружениях. Основными несущими элементами балочных систем, применяемых при пролетах 50 - 70 м и выше, как правило, являются фермы; сплошные балки при больших пролетах невыгодны по затрате металла.

Арочные системы имеют преимущества в архитектурном отношении; они экономичны при пролетах 80м и более .

Арки в качестве основных несущих элементов покрытия применят в павильонах, крытых рынках, спортивных залах, ангарах и т.д. По затрате металла они оказываются значительно более выгодными, чем балочные или рамные системы.

Системы и очертания арок могут быть весьма разнообразными. Самыми распространенными являются двухшарнирные арки. К достоинствам арок помимо экономичности сечения по расходу металла относится простота монтажа и изготовления.

Двухшарнирные (с шарнирным опиранием на опорах) арки могут легко деформироваться вследствие свободного поворота в шарнирах, и благодаря этому существенного увеличения напряжений от температурных воздействий и осадок опор в них не возникает.

Трехшарнирные арки (с шарнирным опиранием на опорах и ключевым шарниром) не имеют особых преимуществ по сравнению с двухшарнирными, так как их статическая определимость при достаточной деформативности арочных конструкций существенного значения не имеет.

Бесшарнирные арки имеют наиболее благоприятное распределение изгибающих моментов по пролету и, поэтому оказываются самыми легкими; однако они требуют устройства более мощных опор и их приходится рассчитывать на температурные воздействия.

При слабых грунтах может оказаться целесообразным, чтобы распор арки воспринимался затяжкой, располагаемой ниже уровня пола. При наличии затяжки опоры воспринимают (в основном) вертикальные нагрузки и поэтому получаются более легкими.

Чтобы увеличить полезную высоту помещения, не увеличивая высоты здания, иногда затяжку располагают выше линии опорных шарниров арки.

Двухшарнирные арки проектируют чаще всего сквозными с параллельными поясами. Для облегчения строительных конструкций арочных покрытий с успехом может быть применено предварительное напряжение или регулирование усилий. На рисунке приведена схема предварительно напряженной арки с нижним поясом и решеткой из тросов.Рассмотренные выше балочные, рамные и арочные системы состоят из отдельных несущих элементов (конструкций), соединенных между собой связями, неспособными перераспределять нагрузку между несущими элементами.

В пространственных системах связи усиливаются и привлекаются к распределению усилий и передаче их на опоры. В результате этого основные несущие элементы облегчаются, структура всей конструкции меняется.

Пространственные конструкции могут быть плоскими - плиты и криволинейными - оболочки.

В современном строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, называемые структурными конструкциями или просто структурами.

Структурные конструкции применятся главным образом в виде плоских покрытий большепролетных общественных и производственных зданий; реже они применяются в криволинейных покрытиях (сводах, куполах и т.п.).

3. Исторические сведения о развитии железобетонных конструкций

Первые русские исследования железобетона были проведены в 1886 г., когда испытывались пробной нагрузкой железобетонные и бетонные, (для сравнения) плиты пролётом 1 м, а также своды пролетом 4,26 и 7,5 м. Плиты и малый свод довели до разрушения, а большой после испытаний перевезли вместе со стальной опорной рамой на один из заводов, где установили. Эти успешные опыты, довольно широкое применение железобетона за границей побудили «Торговый дом Юлий Гук и К°», руководители которого осознали всю важность нового строительного материала, учредить в 1890 г, «Акционерное общество для производства бетонных и других строительных работ».

Все железобетонные конструкции, выполненные за границей и в России, первоначально применялись исключительно в гражданском и, отчасти, промышленном строительстве.

В апреле 1903 г. на съезде для выработки мероприятий к возможно широкому применению железа в России А.Ф. Лолейт предложил ввести изучение железобетона в учебные планы строительных вузов. Его поддержали Н.А. Белелюбский и И.С. Подольский, а С.А. Прокофьев с 1905 г. начал читать первый систематический курс железобетона в Киевском политехническом институте. С работы И.С. Подольского, опубликованной в 1906г., начинается русская литература по железобетонному мостостроению. Во всех своих постановлениях съезд высказался за «необходимость допущения железобетона, как вполне огнестойкого материала, наравне с железом и камнем, при возведении всевозможных построек, ограничиваясь лишь требованием, чтобы размеры сооружения были всегда оправданы расчетом».

Если в строительстве из железобетона Россия отстала от Франции на 20 - 30 лет, то в создании технических условий этот разрыв сократился до двух лет. В США условия были выработаны к 1910 г., в Англии - в 1915 г.

В восстановлении народного хозяйства после гражданской войны и разрухи железобетону было отведено почетное место. Был и продолжатель дел, начатых до революции. А.Ф. Лолейту поручает комиссия по строительству при Совете Труда и Обороны разработку советских норм и технических условий на железобетон. Первая послереволюционная Всесоюзная конференция по бетону и железобетону собралась в апреле 1930 г. в Москве, седьмая - в октябре 1972 г. в Ленинграде.

К числу самых первых осуществленных конструкций из армированного (в переводе на русский - «вооруженного») бетона следует отнести лодку И. Ламбо и плоскую крышу в доме Ф. Куанье (1819 - 1852 гг.).

Есть сведения, что при сооружении в 1852 - 1854 гг. Николаевского дворца в Петербурге (позднее - Ксенинский институт, ныне - дворец Труда) Андреем Ивановичем Штакеншнейдером (1802 - 1865 гг.), учеником Монферана, «несгораемые потолки устраивались из бетона, хотя и известкового, но трамбовавшегося с каркасом из железных прутьев». В 1876 г. в Варшаве был построен бетонный армированный мост.