Лекция 1

Дерево обладает свойствами, которые не только делают его технически и функционально примененным в строительстве, но и побуждает испытывать симпатию к этому материалу. Дерево любят не только архитекторы, но и те, кто работает с ним ­– мастера, техники, и инженеры, так как при работе с деревом они ощущают связь с природой.

Входя в помещение, отделанные деревом, мы обычно хорошо себя чувствуем, и не без оснований говорят, что дерево – «теплый» строительный материал. Это субъективное ощущение излучения тепла основывается, помимо прочего, на благоприятных физических свойствах древесины, которые в настоящее время могут быть точно определены. Естественный цвет дерева также вызывает у нас приятное чувство, его желтоватую, красноватую или коричневатую окраску мы склонны определять как «теплую». Даже когда старые деревянные строения приобретают с возрастом серый цвет, он воспринимается как серебристо-теплый.

Круг нашего отношения к дереву широк. Эффект, который стремятся получить при проектировании деревянных сооружений, может быть велик, если люди, занимающиеся строительством этих сооружений, будут время от времени вспоминать, что значит работать с материалом, который самостоятельно вырос, происходит из жизни, из самой природы и может вдохнуть также жизнь и в нас, если мы будем соприкасаться с ним. Все мы видели стволы деревьев, тысячи, даже миллионы стволов. Тем не менее мы должны постоянно сознавать, что прежде чем ствол дерева вырастет настолько, чтобы из наго можно было делать строевой лес, проходит, как правило, столетие.

Приступая к проектированию, расчетам и определению размеров деревянных сооружений и их конструированию, вновь и вновь следует задуматься над тем, что потребовались многие и многие годы того, чтобы стволы деревьев выросли настолько, что стали пригодными для изготовления строительных элементов.

Обычный подход к расчету конструкций из дерева состоит, в сущности из двух этапов. На первом этапе вычисляются напряжения, деформации и перемещения в конструкциях, подверженных действию внешних нагрузок, или вычисляются предельные значения этих нагрузок. Решению этой задачи служат методы строительной механики, теории упругости, теории пластичности и т. п. Инженерный расчет на этом не заканчивается. Его конечной целью является решение вопроса о том, сможет ли конструкция достаточно надежно служить в течение установленного срока. Второй этап расчета состоит либо в сопоставлении вычисленных напряжений, деформаций перемещений с некоторыми нормативно допустимыми значениями, либо в сопоставлении расчетных нагрузок с предельными нагрузками. Будучи элементарным, второй этап расчета является в то же время весьма важным. Именно на этом этапе косвенными и довольно примитивными методами выбирается достаточно надежная, долговечная и экономичная конструкция. Решение возвести здание из дерева возникает в особенности тогда, когда это позволяет оптимально использовать его качествами и показать, что при строительстве может быть выявлена красота дерева, заключающаяся в его свойствах.

Причина широкого распространения используемых в настоящее время деревянных строительных конструкций – главным образом ферм покрытий, а также каркасов и деревянных панелей – простая в основных закономерностях строительства из дерева, которые за тысячелетия по мере технического прогресса выделились и определились.

Строительство из дерева имеет следующие преимущества:

1. древесина – сравнительно легкий материал;

2. легко поддаются обработке как на заводах, так и на строительных площадках;

3. высокая относительная прочность – такая как у стали;

4. строительные детали из древесины могут быть соединены различными способами;

5. деревянные конструкции позволяют создавать формы, трудно или совсем не осуществимые при использовании других материалов;

6. деревянные конструкции особого вида (например, оболочки) часто оказываются более экономичными, чем бетонные или другие массивные конструкции;

7. высокая теплоемкость древесины.

Каждый раз, когда предполагается построить что-либо из дерева, речь идет о чем-то новом, даже если при этом используется устаревшая техника строительства. Чтобы добиться высокого качества при строительстве из дерева, выбору размер и формы, нельзя втискивать конструкцию в чужую ей по существу форму, а нужно стремиться к достижению общей гармонии. Необходимо, чтобы в результате строительства возникало нечто, выполненное с воображением, не оставляющее нас равнодушными.

Несущие системы

Для определения форм поперечного сечения зданий и размеров пролетов подходят определение несущие системы.

При пролете 4 м и плоской крыше применяется балка, опирающаяся на две стойки, а при пролете 100 м и большой высоте помещения целесообразной может оказаться трехшарнирная арка.

Найти наиболее подходящую в каждом отдельном случае несущую систему – совместная задача инженера и архитектора.

Обычно бывают задания план, назначения плана, назначение здания и разрез. При более или менее точно заданной форме поперечного сечения этого бывает достаточно, чтобы разработать несущую систему. Выбор несущей системы, в свою очередь, определяют не только габариты, но также высота потолка и возможные точки опоры. Главной задачей инженера является разработка возможно большего числа вариантов несущей системы, чтобы из них можно было выбрать наиболее подходящую для данного конструктивного пространства. На этой стадии проектирования, когда разрабатываются разные варианты, следует также подумать, не позволит ли возможное со временем изменение формы крыши или габаритов найти более удачную несущую систему. Схема несущей системы необходима не только при расчетах; она соответствует также определенной форме здания. Здание павильонного типа, в основе которого лежит рамная несущая система, выглядит иначе, чем здание с несущей системой из двухпролетных балок. Вопрос о том, какая несущая система более всего находит в каждом отдельном случае, зависит, разумеется, не только от проекта и габаритов здания, но в значительной мере также от архитектурного замысла. Все несущие системы пригодны, как правило, для любых пролетов. Однако с экологической точки зрения целесообразно придерживаться следующего принципа: чем больше пролет, а вместе с тем и нагрузка, передаваемые на опоры, тем больше должна несущая система приближаться по своей форме к кривой давления для данной нагрузки. Если несущая система имеет форму кривой давления, то поперечное сечение используется лучше, т.к. приходится воспринимать главным образом сжимающие и лишь в незначительной мере – изгибающие напряжения. Зависимость между пролетом и приближением несущей системы к линии давления можно отразить следующим примером:

– при малых пролетах – сплошные однопролетные балки;

– при средних пролетах – решетчатые балки, шарнирные стержневые цепи и рамы;

– при пролетах до 100 м – арки и оболочки.

Вспомогательные, несущие и ограждающие конструкции

Несущую систему нельзя выбирать изолировано. Если в качестве несущей конструкции покрытия выбрана, например, трехшарнирная система с затяжкой, то при этом нужно одновременно подумать о конструктивном исполнении опор, конькового шарнира и узла затяжки.

Каждое здание состоит из одной или нескольких несущих систем. В результате взаимодействия главной и вспомогательной систем, прогонов связей и стоек образуется несущая система – пространственная общая система для передачи основанию вертикальных и горизонтальных нагрузок. Хотя отдельные системы между собой не связаны, тем не менее, они зависят друг от друга.

Если направление балок, размер пролета и очертания контура главной несущей системы каркаса установлены заранее, то при конструировании следует сначала определить структуру кровли. Если крыша теплая, то она может состоять из обрешетки, рабочего настила, древесностружечных плит, из клееной фанеры или профилированного стального настила. Выбор строительных материалов зависит от прокатов. При холодной кровле определяющим для направления вспомогательных балок может быть направление вентиляции.

При равномерно распределенной нагрузке грузовой площадью кранов считается площадь между главными несущими конструкциями. Если они расположены близко друг к другу, можно обойтись одним настилом. Для средних значений шага главных несущих конструкций экономичны брусчатые прогоны следующих статических систем: в простейшем случае – однопролетные балки, спаренные прогоны (многопролетные неразрезные дощато-гвоздевые), многопролетные консольно-балочные с шарнирами. При больших значениях шага требуются прогоны в виде пакетов клееных досок или решетчатых систем. Шаг прогонов всех перечисленных видов зависит от максимального размера пролета выбранной главной несущей конструкции покрытия. Если прогоны используют в качестве стоек или поясов горизонтальной фермы, придающей каркасу жесткость в горизонтальном направлении, то они подвергаются усилиям сжатия и растяжения. Усилия в прогонах, в элементах вспомогательной системы и в креплениях воздействуют на главную несущую систему в вертикальном и горизонтальном направлениях. Нагрузка на главную несущую систему зависит, следовательно, от расстояний между балками и расположения креплений.

Изучение различных вариантов конструкций прогонов вспомогательных несущих систем и креплений показывает, что они по разному влияют на работу главной несущей системы. При несущих системах, работающих на изгиб, очевидно, что предпочтение следует отдать высоким балкам, так как они обеспечивают наибольший момент сопротивления и момент инерции. Такие балки следует, однако, укрепить против опрокидывания или придать устойчивость верхнему поясу. Стабилизирующие силы при таком способе обеспечения жесткости несущей системе воздействуют, в свою очередь, через прогоны балки и на крепления.

Эти сложные противоречивые взаимодействия усложняют оптимизацию несущей системы и требуют от проектировщика анализа пространственной работы сооружения. Однако оптимизация может быть не единственным примером при выборе из многих вариантов несущих систем. Даже для промышленных зданий при выборе конструкций решающим является не представительские, а экономические моменты, технические особенности (ширина в свету въездов, освещение, требования складирования и транспорта, противопожарные разрывы), которые отражаются на зоне расходов на деревянную несущую систему в общих затратах на строительство.

При строительстве общественных помещений, культурных учреждений и т.п. критерием выбора несущей системы служат, главным образом, соображения функциональности, и форма ставится выше или наряду с экономическими соображения, так что выбор несущей системы, в конечном счете, является субъективным решением. При проектировании несущей конструкции ее система и расположение часто зависят от многих функциональных условий. Установка отопительного, вентиляционного и спринклерного оборудования может потребовать сквозной несущей системы. На выбор несущей системы оказывают влияние устройства естественного освещения, расположение громкоговорителей и осветительных приборов, которые создают дополнительные нагрузки. Поскольку соображения форм являются решающими при выборе несущей системы, то их нужно принимать во внимание при строительстве из дерева. Дерево в значительной большей стадии, чем другие строительные материалы, требуют конструктивной дисциплины и статической логики. При проектировании с самого начала надо учитывать особенности этого строительного материала и его конструктивное многообразие. Выбор несущих систем сам по себе, без применения творческой фантазии. На основании одного лишь статического расчета не может привести ни к хорошей конструкции, ни к хорошей архитектуре.

Соответствия конструктивных форм архитектурным при экономической целесообразности рассмотрим на следующих примерах.