История развития строительных наук. История развития металлических конструкций

1. История развития строительных наук Слова «архитектор» и «инженер» вошли в обиход в конце 19 века. Архитектор в переводе с греческого означает старший строитель. Длительное время человечество не имело никаких методов прочностного расчета материалов и сооружений из них. Тем не менее удавалось возводить грандиозные по тем временам, здания и сооружения, ставшие сегодня памятниками архитектуры. Все зависело от талантов зодчих, умевших интуитивно чувствовать работу сооружений и безошибочно находить нужные размеры конструкций. Хотя удача способствовала им не всегда. Много проектов так и не смогли построить, или же они рушились уже после возведения. Основу для разработки расчетов на прочность положили работы Г. Галилея (1564 – 1642 гг.). А в 1679 году, англичанин Р. Гук опубликовал результаты своих экспериментов в работе «Сила сопротивления или упругость». Там впервые было озвучено утверждение - «каково растяжение, такова и сила», известное нам как закон Гука. Однако в 17 и 18 веках методика прочностного расчета так и не была разработана. И только после опубликования работы французского инженера и ученого О. Коши (1789 - 1857 гг.) в 1822 году, в которой были сформулированы понятия о напряжении и деформации внутри материала, дело сдвинулось с мертвой точки. В 1826 году, французским инженером и ученым Л. Навье (1785 – 1836 гг.) в работах по сопротивлению материалов «Конспект лекций» и Выводы из уроков», впервые сформулирован метод расчета по допускаемым напряжениям. По разработанной методике, исследователи вычисляли наибольшие напряжения в конструкциях и следили, что бы они не превышали узаконенных норм прочности материала на разрыв. Для большей безопасности, наибольшие напряжения уменьшали в 3-4 раза, чем прочность, определенная при лабораторных испытаниях простых образцов. Такие действия называли введением коэффициента запаса, или «коэффициента незнания». Следует отметить вклад в развитие строительной науки исследования по устойчивости ученого Л. Эйлера (1707 – 1883 гг.), швейцарца и немца по происхождению, но 17 лет прожившего в России. Однако интерес к его открытию возник только через 100 лет. Со временем коэффициенты запаса уменьшались, при этом увеличивались предельные напряжения. При уточненных расчетах исследователи пришли к выводу, что величина предельных напряжений не всегда характеризует прочность конструкции и сооружений. Это было предпосылкой к разработке методики расчета по методу разрушающих нагрузок, которую впервые применили в 1938 году в СССР для железобетонных конструкций, основные идеи и некоторые приемы которой были предложены советскими учеными. Внесли свой вклад в области железобетона и каменных конструкций профессора А.Ф. Лойлет, А.А. Гвоздев, Л.И. Онищенко, в области деревянных и стальных конструкций профессора Н.С. Стрелецкий, С.А. Бернштейн, Б.Н. Горбунов, Ю.М. Иванов, Г.Г. Карлсен. В 1943 году при Техническом совете Наркомстроя была создана комиссия по унификации методов расчета. В 1944 году утверждена замена единого коэффициента запаса системой коэффициентов: перегрузки, качества материалов и условий работы конструкций. Большое влияние на эти разработки имели работы д.т.н. профессора Н.С. Стрелецкого. Новый метод назвали методом расчета по предельным состояниям и ввели в действие 01.01.1955г., с введением новых норм проектирования строительных конструкций. Этот метод действителен и в наше время. На данный момент все больше пределяется внимания вероятностным методам расчета. Они предполагают новое содержание критерия качества – вероятность безотказной работы или надежность конструкции. Впервые, в 1935 году, Стрелецкий Н.С., систематизировано изложил принцип теории надежности применительно к строительным конструкциям зданий. Большую лепту в развитие теории внес Ржаницын А.Р., стремясь упростить сложный математический расчет и свести его к инженерному. Важную роль в развитии вероятностных методов внес Болотин В.В. В своих трудах он основывал теорию надежности на понятиях отказа случайного выброса. Из зарубежных исследователей стоит обратить внимание на работу итальянских ученых, охвативших все аспекты теории вероятностного расчета. В настоящее время вероятностный метод и теория надежности строительных конструкций служит основой для нормативных документов и применяется на практике. 2. История развития металлических конструкций Металл – один из самых старых искусственных материалов. История его развития определяется потребностями народного хозяйства и техническими возможностями. В России можно выделить пять периодов развития металлических конструкций. Первый период (от 12 до начала 17 века) – применение металла в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Использовалось кричное железо, получаемое из чугуна путем рафинирования (очистки от примесей). Позднее стали применять пудлингование (передел чугуна в малоуглеродистое, тестообразное железо в пудлинговой печи). К примеру: Успенский собор во Владимире (1158г.), храм Василия блаженного (1560г.). Второй период (от начала 17 до конца 18 века). Применение наклонных стропил и купольных пространственных конструкций. Конструкции изготавливались из кованых брусов, соединенных между собой замками при помощи горновой сварки. Примеры применения: перекрытия Троицко-Сергиевского монастыря в Загорске (1696 – 1698 гг.), перекрытие Большого Кремлевского дворца в Москве (1640г.), каркас купола колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола Казанского собора в Сант-Петербурге (1805 г.). Третий период (с конца 18 до средины 19 века) освоение процесса литья чугуна. Соединение чугунных литых деталей осуществляется на замках или болтах. Первая чугунная конструкция в России – перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). Первый чугунный мост в Петербурге (1784 г.). Чугунный купол Исаакиевского собора возведен в 40-х годах 19 века. В 50-х годах, в Петербурге построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м (самый большой чугунный мост в мире). Появляются первые фермы. Четвертый период (с 30-х годов 19 века до 20-х годов 20 века) характеризуется стремительным ростом технического прогресса в металлургии. В 80-ых годах 19 века переход на выплавку железа из чугуна в мартеновских и конвертерных печах. Помимо уральской базы создается южная база металлургической промышленности. В 30-х годах освоено заклепочное соединение и дыропробивной пресс. В 40-х годах получение профильного металла и прокатного листа. В строительных конструкциях сталь практически вытеснила чугун. Во второй половине 19 века развивается мостостроение для железных дорог. Основателями русской школы стали инженера и ученые Кербедз С.В., Белолюбский Н.А., Проскуряков Л.Д., Журавский Д.И., Патон Е.О. Опыт мостостроения стали переносить на гражданское и промышленное строительство. Так Ясинский Ф.С. разработал конструкции многопролетных пром.зданий и большепролетных складчатых и консольных конструкций покрытий, исследовал работу сжатых стержней на продольный изгиб с учетом упругопластичной работы материала. Шухов В.Г. разработал пространственные решетчатые конструкции покрытий. Им реализована идея предварительного напряжения, и идея висячих систем. Прокофьев И.П. запроектировал ряд большепролетных покрытий. Стрелецкий Н.С. автор метода расчета строй.конструкций по предельным состояниям. Исследовал упругопластичные свойства материала. Определил допуск частичного пластического деформирования. Исследовал процесс разрушения статически неопределимых систем. Пятый период (с 20-х годов 20 века по настоящее время). К концу 40-х годов на смену клепаным соединениям приходит сварка. Начало применения низколегированных и высокопрочных сталей. Активное развитие проектирования исследования и производства металлических конструкций. Разработаны типовые серии несущих и ограждающих элементов металлоконструкций, типовые проекты зданий и сооружений. За период с 1930 по 1980 объем металлостроительства возрос в 20 раз. 3. История развития железобетонных конструкций История развития железобетона насчитывает всего около 150 лет, но в настоящее время получил огромное распространение в строительстве. Появление железобетона обусловлено стремительным ростом промышленности, транспорта и торговли во второй половине 19 века, что потребовало строительства новых заводов, фабрик и других сооружений. Исследования покрытий Царскосельского Дворца показали, что еще в 1802 году русские мастера применяли железобетон в строительстве. Первым изделием из железобетона была лодка, построенная французом Ламбо в 1850 г., а первый патент был получен Монье в 1868 – 1870 гг. В 1892 году французский инженер Геннебик предложил монолитные ж/б ребристые перекрытия, что можно считать началом первого этапа развития железобетона. В России ж/б стали применять с 1886 г. Для перекрытий по металлическим балкам. В 1885 г. В Германии инж. Вайсом и проф. Баушингером проведены опыты по определению прочности и огнестойкости ж/б конструкций, сохранности железа в бетоне, сцепления арматуры с бетоном и т.д. А инж. М. Кёнен предположил, подтвердив опытами, что арматуру следует располагать там, где ожидаются растягивающие усилия и в 1886 г. Предложил первый метод расчета ж/б плит. В 1891 г. русский проф. Белелюбский Н.А. провел испытания ж/б конструкций, которые по методике и результатам превзошли зарубежный опыт и легли в основу широкого распространения железобетона в строительстве. В 1911 г. в России издаются технические условия и нормы для ж/б конструкций. Большой вклад в развитие железобетона привнесли труды ученых: Абрамова Н.М. по расчету армированного бетона и Малюги И.Г., Байкова А.А., Жидкевича Н.А., Беляева М. и др. по разработке основ технологии железобетона. В 1904 г. в г. Николаеве, по проекту инж. Н. Пятницкого и А. Барышникова был построен монолитный железобетонный морской маяк высотой 36 м. Идея предварительно напряженного железобетона впервые озвучена в 1928 г. Э. Фрейссине. А затем и в работах немецких инженеров Ф. Дишенгера, Е. Хойера, У. Финстервальдера, что послужило началом применения преднапряженных ж/б конструкций. Широкое применение железобетон приобрел в гидротехническом строительстве. Впервые его применили при строительстве Волховской ГЭС. Примерно в 1928 г. железобетон начинают использовать для тонкостенных конструкций и оболочек. Советским ученым В.З. Власовым впервые разработан общий практический метод расчета оболочек. В 1937 г. издана «Инструкция по расчету и проектированию тонкостенных покрытий и перекрытий» под руководством Гвоздева А.А. Это можно считать вторым этапом в развитии железобетона. Учеными Лойлетом А.Ф и Гвоздевым А.А. (1931 – 1934 гг.) создали теорию расчета железобетона по разрушающим усилиям. Широкая индустриализация ж/б строительства, внедрение преднапряженных конструкций и высокопрочных материалов, а также разработка нового метода расчета стали началом третьего этапа развития. Одним из примеров может послужить построенная в 1965 г. башня московского телецентра высотой 522 м. 4. История развития деревянных конструкций В качестве строительного материала древесина использовалась издревле. Этому способствовали большие массивы лесов, легкость обработки и отменные конструктивные качества (прочность, упругость, не большой вес). В России с давних времен дерево применялось в строительстве оборонительных, общественных, хозяйственных, жилых и др. сооружениях. Основной конструктивной формой бревенчатых сооружений был сруб (горизонтально расположенные бревна, соединенные врубками, шипами или др. видами соединений). Примером таких сооружений может послужить успенский шатровый храм в Кондопоге высотой 42 м (1774 г.) или Преображенский храм в Кижах, высотой 35 м (1714 г.). В 1667 – 1681 гг. в с. Коломенском, под Москвой был возведен деревянный рубленный дворец, под руководством плотничного старосты Петрова. Его называли восьмым чудом света. В конце 17 века начали применять ручную, а затем и механическую продольную распиловку бревен. Это способствовало созданию стержневых систем в виде брусчатых и дощатых конструкций. Примером такого зодчества стали: шпиль Адмиралтейства в Ленинграде, высотой 72 м. построенный в 1736 – 1738 гг., архитектором И.К. Коробовым; деревянные фермы Манежа в Москве, пролетом 48 м, построенного в 1817 г. арх. А.А Бетанкуром; Останкинский дворец, построенный в 1792 - 1793 гг. крепостным Назаровым; железнодорожные девяти пролетные мосты через р. Мету с пролетами по 61 м и через овраг р. Веребья с пролетами по 54 м при высоте над уровнем воды 49 м на Петербурго-Московской железной дороге, спроектированные инженером Д.И. Журавским и возведенные в 1842 - 1851 гг. В начале 20-ого века, российскими инженерами внедряется дощато-гвоздевые конструкции. Формы дощато-гвоздевых конструкций были весьма разнообразными. Перекрываемые ими пролеты доходили до 100 м, а автодорожные мосты имели пролеты размером 45 - 55 м. Следом 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. Пространственные сетчатые системы В. Г. Шухова получили развитие в деревянных кружально-сетчатых конструкциях: в СССР — в виде безметальных кружально-сетчатых сводов Песельника, за рубежом — в так называемых покрытиях Цолльбау с узлами на болтах, которые с 1929 г. широко применялись в строительстве и в нашей стране. Уже в 1937 г. в ЦНИПС были начаты научные разработки и опытное строительство первых клееных конструкций. В послевоенные годы работы А. Б. Губенко, Г. Г. Карлсена, М. Н. Плунгянской, А. С. Белозеровой, Н. П. Птицына способствовали дальнейшему развитию клееных деревянных конструкций. В послевоенные годы, при развитии и увеличении объемов металлоконструкций и ж/б в строительстве, использование деревянных конструкций резко сокращается. Первые несущие клееные деревянные конструкции в порядке эксперимента были изготовлены в Швейцарии более 60 лет назад. В СССР промышленное производство клееных деревянных конструкций было организовано в 70-х годах. Большой вклад в древесиноведение внесли исследования Ф. П. Белянкина, Ю. М. Иванова, Л. М. Перелыгина и других, посвященные изучению структуры и физико-механических свойств древесины. Отечественную теорию расчета сжатых, сжато-изгибаемых стержней, в том числе стержней на податливых связях разработали П. Ф. Плешков, А. Р. Ржаницын, В. Г. Писчиков, Г. В. Свенцинский и др. В области антисептирования древесины начало научно обоснованной системе противогнилостных мероприятий заложено А. Н. Борщевским. Последующее развитие производства деревянных конструкций предусматривает внедрение конструкций, удовлетворяющих требованиям комплексной механизации их изготовления и монтажа. Получили широкое применение легкие клеефанерные конструкции, внедряется бакелизированная фанера, являющаяся наиболее стабильным лесоматериалом по своим физико-механическим свойствам. Клеефанерные балки пролетом 12 м были использованы для перекрытия цеха в г. Электросталь. В 50-е годы было предложено использование фанерных труб и профилей в фермах покрытий и пролетных строений мостов. В последние годы в строительстве внедряются балки и треугольные арки с двутавровым и коробчатым сечением элементов. Трехслойные клеефанерные плоские и криволинейные панели применяются в куполах, сводах-оболочках и т. д.