История конструкций с применением пластмасс.
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.