Лекция 3. Историческая справка. Вклад русских и советских инженеров и ученых в теорию и практику инженерных конструкций

Дерево, точнее древесина,— старей­ший естественный строительный мате­риал. Без особого преувеличения мож­но утверждать, что все первые кон­струкции — сооружения и механиз­мы — были деревянными: дома, мосты, оборонительные сооружения, корабли, самолеты. Наши предки, пользуясь по сути дела одним лишь топором, созда­вали непревзойденные образцы дере­вянной архитектуры, подобных кото­рым не было ни в одной стране.

Но если говорить о деревянных со­оружениях как произведениях инженер­ного искусства, то придется начать с древнеримских мостов — легендарного Сублиция через Тибр, мостов Юлия Цезаря через Рейн (I в. до н. э.), ароч­ного моста через Дунай (I в. н. э.), по­строенного знаменитым Аполлодором. Римляне строили деревянные мосты пролетами до 40 м и перекрывали де­ревянными стропилами пролеты до 30 м. Известны балочные и арочные мосты А. Палладио через реку Бренту и Чизмоне (XVI в.). Два грандиозных проекта деревянных мостов XVIII в. опередили свое время и остались неосуществлен­ными: арочный мост пролетом 298 м через Неву механика-самоучки И. П. Кулибина (1776) и балочный мост пролетом 100 м через Рейн швей­царского плотника И. У. Грубенманна (1756—1758). Высочайшее в мире со­оружение XVII в.— шпиль колокольни церкви Св. Петра в Риге высотой 130 м — было возведено в 1666 г. риж­ским мастером Р. Бинденшу.

В XVIII в. в России строят первые инженерные сооружения из дерева: башня Адмиралтейства (1738) высотой 72 м, сохранившаяся до наших дней; шпиль колокольни Петропавловского собора (1703—1710) высотой118 м, сгоревший в 1772 г.; стропила Михайловского манежа в Петербурге (1798—1801) пролетом 38,6 м, прослу­жившие 154 года, Колонного зала бла­городного собрания пролетом 24,9 м в Москве (1780) и др. Построенные в 1817 г. стропила Московского манежа пролетом 44,8 м, представляющие собой систему вписанных друг в друга шпренгельных ферм, служат более 170 лет.

В отличие от конструкций из более новых по сравнению с древесиной ма­териалов (металлы, железобетон, пла­стмассы), развитие теоретических ос­нов которых шло параллельно разви­тию практики, теорию расчета деревян­ных конструкций стали разрабатывать тогда, когда практика уже располагала столетиями проверенными на опыте ре­комендациями (наподобие знаменитой плотницкой формулы: «сколько аршин в пролете, столько вершков в балке»). Интуиция старинных мастеров-самоу­чек бывала поразительной. Проверка современными методами расчета проек­та моста Кулибина показала его осу­ществимость и надежность. Переход от эмпирики в области•деревянных кон­струкций к науке в России связан с именем проф. Д. И. Журавского (1821 —1891), автора известной форму­лы касательных напряжений при изгибе.

τ=SQ/It

Он сделал существенный вклад в теорию расчета составных балок и ферм с крестовой решеткой (типа Гау— Журавского), построил ряд деревянных мостов на железной дороге Москва -Петербург.

Разработку теории деревянных кон­струкций продолжили в 20-х годах нашего века в связи с появлением новых конструктивных форм (сегментные фер­мы, балки и рамы двутаврового сече­ния с перекрестной стенкой, кружально-сетчатые своды, своды-оболочки и др.) и новых типов соединений (метал­лические кольцевые и зубчатые шпон­ки, пластинчатые нагели, многогвозде­вой забой и др.). К началу 30-х годов в СССР сложилась своя школа дере­вянных конструкций, в становлении ко­торой большую роль сыграли профес­сора Г. Г. Карлсен, Ю. М. Иванов и В. Ф. Иванов.

. Проект моста пролетом 298 м через Неву в Петербурге

(И. П. Кулибин, 1776)

Конструкция Адмиралтейской башни

(шпиль по проекту И. К. Коробова,1705)

Стропильные фермы покрытия манежа пролетом 44,8 м в Москве (А. А. Бетанкур, 1817)

До середины прошлого века дерево было практически единственным уни­версальным материалом массового при­менения для перекрытия больших про­летов (мосты и стропила) и для возве­дения высоких сооружений (колокольни и шпили). Однако дерево постепенно стало уступать главенствующую роль железу (чугуну и стали) и к началу XX в. было почти полностью вытеснено им из сферы инженерных конструкций.

«Второе рождение» деревянных кон­струкций пришлось на 20-е годы, когда возник острый дефицит металла, истра­ченного в основном на военные надоб­ности и мало выплавляемого разрушен­ной промышленностью. Очень показа­тельно, что наибольшее развитие дере­вянные конструкции получили в Герма­нии и России — странах, наиболее ра­зоренных первой мировой войной.

Достойны удивления построенные в 30-х годах 100-метровые тонкостенные и ребристые своды-оболочки и градирни на гвоздевых соединениях. Тогда же повсеместно строили кружально-сетчатые своды, своды Шухова—Брода, гиперболические шуховские башни, ку­пола цирков и железнодорожные мосты пролетом до 45 м. Из дерева проектировали такие сложные и сильно напряженные конструкции, как ворота судоходных шлюзов Беломорско-Балтийского канала.

К деревянным конструкциям ₍неодно-кратно обращались снова в годы Великой Отечественной войны, когда огром­ные производственные площади эвакуи­рованной на Восток промышленности нуждались в ограждениях и покрытиях.

В послевоенные годы дерево во второй раз за свою историю было вытес­нено железобетоном и сталью. Оба эти материала удовлетворяли требованиям заводского домостроения, тогда как де­ревянные конструкции все еще остава­лись на уровне построечного способа изготовления. Поэтому в среде архитек­торов и инженеров укоренилось отри­цательное в целом отношение к древе­сине как конструкционному материалу. Отмечались его недостатки: непригод­ность для заводского изготовления, малая прочность, недолговечность, по­жарная опасность.

Купол цирка пролетом 50 м в г.Иванове (Б. Лопатин, 1934 г.)

Современные средства защиты дре­весины от гниения (антисептики), воз­горания (антипирены), обработка кото­рыми часто объединяется в едином технологическом цикле, позволяет га­рантировать сохранность древесины от гниения до 30 лет и относить деревян­ные конструкции к категории огнестой­ких. Последнему качеству в значительной степени содействует монолитность клееных пакетов, где от­ношение площади поверхности, подвер­женной действию открытого пламени, к объему — минимальное. Таким обра­зом, новый конструкционный материал — облагороженная, клееная дре­весина — приобретает качества: проч­ности, индустриальности, долговечности и огнестойкости.

В ряде случаев клееные деревянные конструкции оказываются более эко­номичными, чем железобетонные или стальные. Сейчас у нас и за рубежом они получили широкое распростране­ние. Очень показателен тот факт, что даже страны, не имеющие своей лесной базы и импортирующие лес, в том числе и из СССР (Англия, Франция, Бельгия, Япония и др.), энергично расширяют производство клееных конструкций.

Мишель Рагон в своей книге «Горо­да будущего» отмечает, что современ­ная технология обработки и химические средства как бы вернули дереву моло­дость. Для нашей страны — это «третье рождение», если учесть стремительное возрождение деревянных конструкций в период между двумя мировыми вой­нами.

Клееная древесина, имея красивый и конструктивно выразительный вид, часто является существенным, наро­чито открытым элементом интерьера. Если неуклюжие, нестроганые с торча­щими головками болтов и шляпками гвоздей фермы или двутавровые балки приходится закрывать подвесным по­толком или коробами, то строганые, покрытые бесцветным лаком, гладкие поверхности клееных конструкций, на­оборот, открывают, подчеркивая конст­рукцию и фактуру древесины.

Большинство современных клееных деревянных конструкций носят призна­ки участия архитектора, придавшего этим стопроцентно индустриальным конструкциям изящество и индивиду­альные черты.

. График потери несушей способности кон­струкций из разных материалов при «стандартном