Дерево и пластмассы

В отличие от дерева, природного материала, столетиями используемого в строительных конструкциях, пластмассы и другие синтетические полимерные материалы начали применять в строительстве лишь несколько десятилетий тому назад.
Развитие коксохимической промышленности и теоретической химии привело в начале XX в. к возникновению промышленного производства синтетических высокомолекулярных соединений — смол. Для развития химии полимеров огромное значение имели работы творца теории строения органических веществ А. М. Бутлерова (1828— 1886 гг.), положившего начало исследованиям процессов синтеза высокомолекулярных соединений путем полимеризации и поликонденсации.
Начиная с 30-х годов XX в. количество синтетических смол и пластмасс, выпускаемых химической промышленностью СССР и зарубежных стран, значительно расширилось. Пластмассы и смолы стали применять в различных отраслях промышленности, чему способствовал ряд их достоинств-—высокая прочность при относительно малом собственном весе, стойкость в агрессивной химической среде и в отношении гниения. В СССР организовано производство конструкционных пластмасс (различных видов стеклопластиков, древесно-слоистых пластиков и других, а также изделий из них, используемых в строительстве) и пластмасс (пенопластов, сотопластов и др.) для среднего слоя трехслойных конструкций, выполняющего функции теплоизоляции.
Новым, прогрессивным видом конструкций из пластмасс при возведении сборно-разборных построек (складских, спортивных, зрелищных и др.) являются пневматические конструкции, состоящие из воздухонепроницаемых оболочек из прорезиненной ткани или армированной пленки, внутри которых поддерживается постоянное избыточное давление воздуха. Пневматические конструкции получили за последние годы распространение за рубежом и осуществлены в нашей стране. Экспериментальное строительство с применением пластмасс сопровождалось исследованиями их физико-механических свойств, разработкой конструкций, методов расчета и технологии их изготовления."
В историческом обзоре развития деревянных конструкций, даже очень кратком, нельзя не упомянуть о творческих работах И. П. Кулибина, Д. И. Журавского и В. Г. Шухова, внесших огромный вклад не только в область инженерных конструкций, в том числе и деревянных, но таклсе в теорию их расчета.
Иван Петрович Кулибин (1735—1818 гг.) 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.
Вопреки нерациональным системам И. П. Кубин впервые предложил комбинированную систему, которая состоит из гибкой арки, воспринимающей в основном собственный вес моста, и жесткой бесшарнирной арочной фермы, несущей временную подвижную нагрузку. Применение арки жесткости уменьшило усилия в раскосах по сравнению с балкой жесткости. Мост, спроектированный И. П. Кулибиным, состоял из брусчатых комбинированных систем, соединенных в коробчатое сечение решетчатыми связями (рис. 20).
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 и современных принципов проектирования. И. П. Кулибин сконструировал «испытательную машину» (рис. 21), на которой определял зависимость величины распора от отношения высоты арки к пролету. Интересно отметить, что имитирующая арку распорная система треугольного очертания имела переменное по высоте сечение. Переменность сечения учитывала изменение нагрузки от собственного веса по длине проекции, что связано с переменой угла наклона и разной длиной криволинейной арки на 1 пог. м проекции.
То же самое им было учтено при определении очертания гибкой арки, которая была принята по кривой давления от постоянной нагрузки. Для этого к закрепленной горизонтально бечеве длиной около 30 м было прикреплено пятьдесят грузов (рис. 22). Величина грузов по соображениям, отмеченным выше, уменьшалась от опор к середине арки. Очертание прогиба бечевы под нагрузкой наносилось на щит. После поворота щита на 180° линия прогиба явилась кривой очертания оси арки. Таким образом Кулибин впервые применил свойство веревочного многоугольника для построения арки по кривой давления задолго до разработки этой теории Ламэ и Клапейроном, которая была ими дана только в 1823 г., уже после смерти И. П. Кулибина.
Ранее отмечалось, что, применив в системе моста арку жесткости, И. П. Кулибин добился использования свойства древесины хорошо работать на сжатие, а также Уменьшения усилия в элементах решетки. Однако это уменьшение еще не могло обеспечить прикрепления ре-Щетки к поясам с помощью болтов. Резкое снижение усилий получено И. П. Кулибиным благодаря уменьшению расстояния между узлами арочной фермы применением впервые многорешетчатой системы раскосов. Общий вид моста показан на рис. 23. Как известно, мост через Неву не был построен. Однако для проверки его конструкции была построена модель моста в 1/10 его натуральной величины. Модель моста сама являлась солидным сооружением, имеющим пролет около 30 м. При строительстве модели моста И. П. Кулибин соответственно изменению пролета назначал различные поперечные сечения элементов.
Таким образом, И. П. Кулибиным по-существу впервые была разработана теория испытания моста на модели и созданы принципы моделирования конструкций. Это положение подтверждается следующей заметкой, напечатанной в номере 12 «Санкт-Петербургских ведомостей» за 1777 г.: «Господин Кулибин в 1773 году дошел сам собою до тех правил, чтоб узнавать по модели, может ли настоящий мост снести собственную свою тягость и сколько может понести постороннего грузу. Сии правила совершенно сходны с теми, кои после произвел из механических оснований славный господин Ейлер, здешний академик, и кои напечатаны были в календаре с наставлениями за 1776 год и внесены в Академические комментарии».
Испытание модели моста проводилось комиссией Петербургской Академии наук в присутствии известного ученого академика Леонарда Эйлера. Комиссия полностью одобрила работу И. П. Кулибина.
Идеи И. П. Кулибина, заложенные в проекте моста через Неву, составили основу многих систем инженерных конструкций как в дереве, так и в металле, которые появились в строительстве позже. Так, например, можно назвать широко применявшиеся мосты многорешетчатой системы, в том числе металлические старые Крымский и Б. Краснохолмский мосты в Москве, деревянные фермы Тауна, балки, арки и рамы с перекрестной стенкой на гвоздях, своды-оболочки, складки и др.
И. П. Кулибин предложил использовать многорешетчатую конструкцию для большепролетных покрытий зданий и спроектировал арочное покрытие пролетом 136 м (рис. 24). Он считал рациональным воспринимать распор арок не мощными каменными контрфорсами, а затяжкой. Выдающийся ученый и крупнейший инженер Д. И. Журавский, с именем которого связано дальнейшее развитие инженерного конструкторского искусства, в том числе и деревянного, прекрасно понимал передовое значение работ И. П. Кулибина и высоко оценивал их. Им дана такая характеристика работе Кулибина по проекту моста через Неву: «На ней печать гения; она построена по системе, признаваемой новейшею наукою самою рациональною; мост поддерживает арка, изгиб ее предупреждает раскосная система, которая по неизвестности того, что делается в России, называется американской».1
Дмитрий Иванович Журавский (1821 — 1891 гг.) Инженер путей сообщения Д. И. Журавский принимал непосредственное участие в строительстве Петербурго-Московского (ныне Октябрьского) железнодорожного пути. Им были спроектированы крупнейшие железнодорожные деревянные мосты: через р. Мсту — девятипролетный мост по 61 м каждый пролет, через овраг р. Веребьи — также девятипролетный с неразрезными деревянными фермами каждая по 54 м. Этот мост имел выше уровня воды деревянную конструкцию опор высотой 49 м. Д. И. Журавский не только проектировал, но и руководил строительством моста через овраг р. Веребьи. При строительстве этих мостов их элементы антисептирова-лись глубокой пропиткой под давлением. В связи с отсутствием в то время физико-механических характеристик сосны и ели, произрастающих в России, Д. И. Жу-равскому пришлось проделать огромную работу по изучению прочности этих пород. В результате им были созданы первые научно обоснованные допускаемые напряжения, которые легли в основу расчета деревянных мостов.
Талантливому инженеру и крупному ученому Д. И. Журавскому принадлежат решения задач, которые до него оставались неизвестными. Занимаясь проектированием мостов, он столкнулся с необходимостью в целях увеличения высоты сечения балок применять их составными из брусьев, соединенных шпонками. Такие составные балки потребовали расчета шпонок, и Д. И. Журавский, решая этот вопрос, вскрыл ранее неизвестное явление сдвига при поперечном изгибе, которое приводило деревянные элементы к разрушению от скалывания. Им впервые получена формула для определения касательных напряжений в брусе прямоугольного сечения и, следовательно, дан метод расчета составной деревянной брусчатой балки с соединением шпонками.
Д. И. Журавским была проведена большая работа по созданию метода расчета запатентованной в 1940 г. в Америке и широко применяемой фермы Гау (рис. 25). В то время считалось, что усилия во всех раскосах, так же как и усилия во всех стойках, одинаковы. Д. И. Журавский сначала теоретически доказал, что усилия в элементах решетки уменьшаются от опор к середине фермы, а при передвижении сосредоточенного груза по ферме могут даже менять в элементах сжимающие усилия на растягивающие, а затем подтвердил это положение экспериментально. Для этого им была выполнена модель фермы, в которой растянутые стойки были из струн, натянутых с одинаковой силой, и поэтому издававших один и тот же тон. После нагружения модели можно было, проводя по струнам смычком, обнаружить,что теперь уже они издают различный тон и, следовательно, имеют различные усилия.
Исследуя величину усилий в элементах фермы от единичного сосредоточенного груза, перемещаемого от одного узла к другому, Д. И. Журавский высказал идею линий влияния. Им, по-существу, был создан впервые в истории метод расчета ферм, в том числе и неразрезных, в основе которого использована идея вырезания узлов и составления условий равновесия, причем использован этот метод в 1845 г.— на шесть лет ранее Кульмана, статья которого о расчете ферм была опубликована только в 1851 г. Наконец, Д. И. Журавскому принадлежит приоритет применения метода деформаций при решении статически неопределимых задач. Этим методом он пользовался задолго до Винклера, который предложил его в 1862 г. Таким образом, творческая научная и практическая деятельность Д. И. Журавского дает полное право считать его одним из основоположников русской школы инженерных деревянных конструкций.
Владимир Григорьевич Шухов (1853—1939 гг).— почетный член Академии наук СССР, выдающийся ученый, который внес большой вклад в создание инженерных строительных конструкций новых видов. В конце XIX в. В. Г. Шухов выдвинул идею создания легких, экономичных пространственных конструкций, которую он осуществил в 1896 г. на Всероссийской художественно-промышленной выставке в Нижнем Новгороде (ныне Горький). Им там были построены деревянные сводчатые покрытия павильонов пролетом до 21,3 м. Они состояли из трех слоев взаимно перекрещивающихся досок толщиной 12,7 мм каждый, которые были соединены между собой гвоздями. Распор свода воспринимался затяжкой, а его устойчивость обеспечивалась наклонными тяжами. В этих сводах доски выполняли функции как несущей, так и ограждающей конструкции (рис. 26). Позже подобные конструктивные формы выполнялись в виде деревянных сооружений, таких, например, как двойные гнутые своды, кружально-сетчатые своды с узлами на шипах (рис. 27), башни-градирни в виде однополого гиперболоида (рис. 28) и др. В. Г. Шухову принадлежит математическое обоснование целесообразности применения ферм с криволинейным верхним поясом. Широкое применение в строительстве начиная с 30-х годов нашли фермы сегментного очертания, особенностью которых являются малые усилия в элементах решетки, что позволяло все соединения в узлах выполнять гвоздями.

Без рубрики

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.
С позиций диалектического материализма 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 рис. 1 показаны основные формы бревенчатых несущих конструкций в виде сруба. Сочетанием этих основных форм в деревянном зодчестве были созданы самобытные, выдающиеся по красоте рубленые сооружения. Примерами таких сооружений являются Успенский шатровый храм в Кондопоге высотой 42 м, построенный в 1774 г. (рис. 2). 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. (рис. 3). 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 (рис. 4), объединявший в единую композицию многие основные формы, показанные на рис. 1. 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 Соважа1, 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 бани 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. В это время были созданы выдающиеся образцы деревянных конструкций, к которым относятся, например:
построенный в 1736—1738 гг. архит. Иваном Кузьмичем Коробовым шпиль Адмиралтейства в Ленинграде, сохраненный архит. Андреяном Дмитриевичем Захаровым при перестройке башни в период 1806—1823 гг. (рис. 5). Существующая и до настоящего времени деревянная брусчатая конструкция шпиля имеет высоту 72 м;
деревянные фермы быв. Манежа в Москве пролетом около 48 м, построенные в 1817 г. архит. А. А. Бетанку-ром (рис. 6);
Останкинский дворец, построенный в 1792—1793 гг. крепостным Назаровым;
железнодорожные девятипролетные мосты через р. Мету с пролетами по 61 м (рис. 7) и через овраг р. Веребьи с пролетами по 54 м при высоте над уровнем воды 49 м на Петербурго-Московской (ныне Октябрьской) железной дороге, спроектированные инж. Д. И. Журавским и возведенные в 1842—1851 гг.
После Великой Октябрьской социалистической революции, когда в стране создавались станкостроительная, авиационная, химическая и другие отрасли промышленности при малом еще производстве цемента и стали, пе-. ред строителями была поставлена задача создать новые формы деревянных конструкций построечного изготовления, не требующих квалифицированных плотников, которых при резком увеличении объема строительства было явно недостаточно.
Советскими 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, забивка которых не требовала от рабочих высокой квалификации. В создании этих новых конструктивных форм принимали активное творческое участие профессора д-ра техн. наук В. Ф. Иванов, Г. Г. Карл-

сен, В. В. Большаков, В. М. Коченов, М. Е. Каган, Ю. М. Иванов, А. Б. Губенко, доценты канд. техн. наук Г. В. Свенцицкий, Б. А. Освенский, Г. А. Цвингман, К. П. КашкарОЕ 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 (рис. 8).
Формы дощато-гвоздевых конструкций были весьма разнообразными. Они применялись как в виде плоскостных конструкций: сплошных —балки, арки, рамы (рис. 9) и сквозных — балочные и арочные фермы сегментного очертания (рис. 10), так и пространственных конструкций в виде сводов-оболочек (рис. 11), складок, куполов, башен-градирен (рис. 12), башен-оболочек и др. Перекрываемые ими пролеты доходили до 100 м, а автодорожные мосты имели пролеты размером 45—55^м. Один из мостов комбинированной системы, состоящий из гибкой арки и фермы жесткости с тремя пролетами по 44 м каждый, показан на рис. 13.

Мосты комбинированной системы обладают тем достоинством, что их пролетные строения можно собрать на берегу, а затем перевезти на понтонах к месту установки на опоры. Такая перевозка, осуществленная в 1944 г. при строительстве моста через Днепр, видна на рис. 14.
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. Оно решалось на основе крупных железобетонных элементов заводского изготовления. Все это резко сократило объем деревянного строительства в нашей стране. Изменились также требования к строительству.
Вместо конструктивных форм построечного изготовления потребовались конструкции заводского изготовления. Решение, принятое на XXV съезде КПСС о применении деревянных конструкций, способствовало развитию деревянных конструкций нового типа — клееных и клеефа-нерных, чему значительно содействовали достижения в химической промышленности. Были разработаны водо-60 м и рамы 12—24 м. За последнее время из клееных элементов были построены: склады минеральных удобрений пролетом 45 м в Солигорске и Березниковском районе (рис. 15); Дворец спорта профсоюзов в Архангельске, с покрытием арками пролетом 63 м.; крытый каток в Калинине пролетом 56,7 м; легкоатлетический манеж спортивного общества "Трудовые резервы" в Минске пролетом 50 м.
Кроме того, были возведены некоторые другие крупные объекты, а также значительное количество производственных зданий сельскохозяйственного назначения и покрытия промышленных зданий. В ряде организаций и вузов страны — ЦНИИСК, СоюздорНИИ, МИСИ, ЛИСИ, ВИА, НИСИ — проводятся исследования клеефанерных конструкций с использованием бакелизированной фанеры, фанерных профилей и фанерных труб. Одним из основных условий экономической эффективности применения древесины в капитальном строительстве является увеличение срока службы деревянных конструкций, поэтому научной разработке проблемы долговечности деревянных конструкций уделяется большое внимание. Много работают в этом направлении сотрудники отдела деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко под руководством проф. д-ра техн. наук Ю.М.Иванова. Кроме того, в Солнечногорске Московской области находится лаборатория, ведущая работы по защите деревянных конструкций от биологического разрушения, руководимая проф. д-ром техн. наук М. М. Горшиным.

Без рубрики