Краткий обзор развития металлических конструкций

Металл - один из наиболее старых искусственных материалов. Самородные металлы - золото, серебро, медь - человек стал использовать уже за 6-7 тыс. лет до н.э. В V - IV тысячелетиях до н. э; началась выплавка меди, олова и свинца из руд, а примерно с 3 тысячелетия до н.э. применялась бронза. Ф. Энгельс отмечал, работающих как элементы свода. Таким образом, резкое увеличение пролета было достигнуто за счет воспроизведения в металле каменной конструкции.

Строительство арочных чугунных мостов быстро развивалось и в России. Арки пролетом 20-30 м обычно состояли из коробчатых элементов длиной до 3 м, скрепленных болтами. В 1848 - 1850 гг. по проекту русского инженера С.В. Кербедза был построен большой арочный мост через Неву, которые имел семь пролетов длиной от 33 до 47 м. В каждом пролете устанавливалось 13 Чугунных арок из соединенных болтами двутавровых элементов. Один пролет (21 м) был разводным.

Конструкции из чугуна начинают осваиваться в промышленном строительстве, получившем бурное развитие во второй половине XVIII в. в 1783 г. в здании мануфактуры близ Манчестера были использованы несущие чугунные стойки, а в 1801 г. в Сэлфорде (Англия) сооружено семиэтажное здание хлопчатобумажной фабрики шириной 14 и длиной около 42 м с внутренним каркасом из чугунных стоек и балок. Разработанный инженерами М. Бултоном и Д. Уаттом (изобретателем паровой машины), этот каркас впервые объединил в одну систему металлические стойки с металлическими балками. На протяжении всего XIX в. в промышленных зданиях широко применялся «сэлфордский» каркас с наружными кирпичными стенами.

Следующий шаг в развитии металлического каркаса был сделан Д. Богардусом, который ввел чугунные стойки и балки в наружное ограждение, частично заменив ими кирпичные несущие стены. В 1848 г. Богардус построил в Нью-Йорке первое трехэтажное здание фабрики с применением полного чугунного каркаса. За период с 1850 по 4880 г. Богардус, применяя стандартные чугунные элементы, построил в США большое количество торговых, складских и административных каркасных зданий. Самое известное из них - здание издательства фирмы «Харпер и братья», построенное в Нью-Йорке в 1854 г., фасадная стена которого благодаря каркасу превращена в почти сплошь застекленную поверхность. Здания с полным чугунным каркасом строились и в Англии, Сам Богардус писал о себе, что он «первым выдвинул идею соперничества с прекрасными античными произведениями архитектуры с помощью нового материала - чугуна».

До середины XIX в. чугун наравне с железом и в сочетании с ним применяется и в гражданском строительстве.

В 1786 г. В. Луи осуществляет перекрытие театра в Париже сложной системой арок с растяжками и подвешенных к ним рыбообразных балок из чугуна и железа.

В. 1827 г. по проекту архит. К. Росси и директора Александровского чугунолитейного завода инж. М.Е. Кларка зрительный зал и сцену Александрийского театра в Петербурге перекрыли конструкцией из чугунных отливок и железных поковок в виде трех независимых систем: арок пролетом 21 м, несущих пол чердака и подвешенный к ним потолок зрительного зала, ферм пролетом 22 м с треугольной решеткой, перекрывающих чердачное пространство, и сквозных арок пролетом 30 м с параллельными поясами и крестовой решеткой, поддерживающих кровлю здания.

Купол Исаакиевского собора в Петербурге (1818-1858 гг., архит. О. Монферран) образован 24 вертикальными чугунными ребрами. Вверху и посредине купола диаметром 24 м и высотой около 21 м расположены опорные кольца, На среднее опорное кольцо опираются дополнительные чугунные ребра, нижние концы которых, как и нижние концы основных ребер, покоятся на каменных стенах. Чугунные элементы соединены железными болтами. Медная золоченая кровля поддерживается 48 криволинейными железными ребрами, которые, соединяясь с конической частью посредством железных стержней, образуют с ней треугольные системы. Сложный расчет купола был выполнен известными французскими учеными Г. Ламе и Б. Клапейроном.

В 1821-1831 гг. при строительстве Орлеанской галереи в Пале-Рояле (Франция) П. Фонтен впервые соединил металл со стеклом. Этот новый прием широко распространился в Европе в строительстве оранжерей и был развит Д. Пэкстоном в сооружении Хрустального дворца на Всемирной выставке в Лондоне в 1851 г. Хрустальный дворец можно считать вершиной строительного искусства в области применения чугуна в гражданском строительстве. Все его колонны (свыше 3000 шт.) и балки выполнялись из чугуна. Для перекрытий применялись железные фермы с перекрестной решеткой. Колоссальное сооружение длиной 563 и шириной 124,5 м, занявшее площадь в 69 тыс м кв., наглядно продемонстрировало архитектурные; возможности металла. Небольшие площади сечений металлических элементов позволили создать сплошное остекление. Впервые была применена модульная система (модуль расстановки колонн в поперечном и продольном направлениях равнялся 7,33 м), на основе которой стандартизированы все элементы конструкций. Здание было сборно-разборным. Элементы конструкций привозились на площадку в готовом виде и здесь укрупнялись, благодаря чему здание было построено в рекордно короткий срок - 6 мес, а в 1853 г. демонтировано, перевезено в предместье Лондона и здесь вновь собрано.

Несколько позднее Хрустальный дворец продемонстрировал и основной недостаток металлических конструкций - слабую огнестойкость. В 1936 г. в результате пожара дворец обрушился и превратился в бесформенную груду расплавленного металла и стекла.

Первой строительной конструкцией, целиком выполненной из железа, было покрытие в виде шпренгельных ферм пролетом 6,5 м одного из домов в Булони (Франция) в 1785 г.

В Петербурге в 1801-1811 гг. по проекту архит. А.Н. Воронихина был сооружен купол Казанского собора диаметром 17,7 м, образованный двумя рядами железных ребер из полосового железа сечением 70X15 и 120X15 мм. 120 ребер наружного ряда и 32 внутреннего опираются внизу на общее опорное кольцо. Кверху ряды ребер расходятся и соединяются подкосами. Между ребрами размещены горизонтальные элементы из таких же полос, образующие в плане кольца. Соединения осуществлены на болтах или клиньях.

За рубежом первый купол из ковкого железа был сооружен в 1828 г. над хорами Майнцского собора в Германии. Его диаметр равнялся 13,75 м.

Русские строители использовали железо, выпускаемое в виде полос, прутков и брусков, для создания жестких и прочных конструкций по типу наклонных стропил и деревянных ферм.

Фермы пролетом 22 м были установлены над Зимним дворцом в 1839 г. Первые фермы Полонсо, созданные в том же году, имели пролет лишь 8,5 м и состояли из деревянных стропильных ног с проволочным шпренгелем. Полностью металлическая ферма такого типа была изготовлена в Париже только в 1862 г. и пролет ее составлял 12 м. В 1867 г., почти через 30 лет после перекрытия Зимнего дворца, ферма Полонсо пролетом 2S м демонстрировалась как новейшее достижение на Всемирной Парижской выставке.

В 1830 г. было выполнено арочное покрытие пролетом 26 м здания франко-русского судостроительного завода в Петербурге. Нижний пояс арок был склепан из нескольких полос, верхний состоял из прямолинейных квадратных брусков, а раскосы из круглого железа. Неоднократно применялись железные арки в комбинации со стропильными ногами.

При восстановлении после пожара 1837 г. Зимнего дворца в Петербурге архитекторы В.П. Стасов, А.И. Брюллов и инж. М.Е. Кларк для покрытия залов дворца применили принципиально новую схему стропильной фермы, соединив затяжкой центральные стойки двух перевернутых шпренгверков. Этими фермами нового типа были перекрыты пролеты 15 и 22 м, что для того времени было большим достижением. Впоследствии эта система получила название ферм Полонсо.

Одновременно с поисками средств увеличения выплавки железа велись поиски способов его обработки. В 1769 г. в Англии появились первые станы для проката тонкого листового, а затем круглого, квадратного и полосового железа. Значительно позже были созданы станы для проката уголкового, таврового и зетового железа (Англия, 1819-1820 гг.), рельсов (Англия, 1832 г.), двутавров и швеллеров (Франция, 1849 г.).

Основываясь на опыте восстановления Зимнего дворца, В.П. Стасов и М.Е. Кларк предложили увеличивать жесткость верхних поясов железных ферм фасонными профилями. В 1840 г. они представили образцы уголкового и таврового профиля размерами 76X76X12 мм, а в 1841 г. в Петербург были доставлены 16 800 пудов первых в России прокатных профилей, изготовленных на Гороблагодатском и Камско-Воткинском уральских заводах.

Распространение в строительстве металла стимулировало появление новых средств эстетической выразительности в архитектуре, связанных именно с этим материалом. Французский архитектор А. Лабруст смело ввел в интерьеры крупного общественного здания открытые металлические конструкции. В библиотеке Св. Женевьевы в Париже (1843-1850 гг.) он как бы противопоставил наружным тяжелым кирпичным стенам легкий внутренний каркас в виде чугунных колонн и решетчатых арок из кованого железа. Через 15 лет он построил здание Национальной библиотеки в Париже. Пространство ее читального зала формируется шестнадцатью стройными чугунными колоннами диаметром 30 см при почти десятиметровой высоте. Полуциркульные арки покрытия, соединяющие колонны, образуют девять легких прозрачных полов, настолько по современному целесообразна, что кажется, будто они построены в наши дни».

Спустя несколько лет после строительства здания Национальной библиотеки, в которой металлический каркас отделился от наружной стены, в Нуазеле-на-Марне (Франция) сооружается здание шоколадной фабрики Менье (1871-1872 гг.). Его автор Ж. Сонье создал металлический каркас, который полностью принимал на себя массу всего сооружения и не только слился со стенами, но и «растворил» их в себе, превратив в фахверковое ограждение.

Металлические конструкции становятся формообразующим фактором архитектуры, особенно в таких новых типах зданий, как вокзалы и большие универсальные магазины. Характерным примером последних может служить универсальный магазин «Бон-Марше» в Париже, построенный в 1876 г. по проекту архит. Л.Ш. Буало и инж. Г. Эйфеля. Здесь конструкции из железа, чугуна и частично стали позволили создать сложный функциональный комплекс, состоящий из отдельных ячеек-залов, соединенных системой легких мостиков-переходов.

Таким образом, уже в сооружениях из чугуна и железа определились характерные конструктивные, композиционные и эстетические достоинства металла как нового строительного материала. Однако подлинное утверждение металла в строительстве связано с развитием стальных конструкций. Открытие промышленных способов получения стали, сохранивших значение до наших дней: бессемеровского (1855 г.), мартеновского (1865 г.), томасовского (1878 г.) и позднее электрометаллургического (1900 г.) - резко изменило характер металлургии и способствовало быстрому распространению в строительстве металлоконструкций. Промышленная сталь, обладая большей прочностью, полностью вытесняет из строительства низкокачественное железо и чугун, который к концу. XIX в. применяется главным образом лишь в декоративных формах, а кузнечный способ соединения элементов конструкций заменяется клепкой.

Важную роль в процессе освоения строительной стали сыграли успехи строительной механики и развитие методов расчета конструкций. Большой вклад в строительную механику первой половины XIX в. внесли Л. Навье (теории изгиба балок и расчета висячих мостов), Г. Мозлей (первая теория расчета арочных мостов), С. Пуас-сон, Б. Сен-Венан; работавшие' в Петербурге Г. Ламе и Б. Клапейрон; Д. Максвелл, Л. Кремон, К. Кульман и другие ученые занимались графическими и графоаналитическими методами расчета конструкций и сооружений. Метод расчета пространственных покрытий в форме куполов предложил И. Шведлер. Благодаря введению Э. Винклером и Г. Мюллером-Бреслау понятия «инфлюэнтных линий» были значительно упрощены расчеты конструкций на подвижную нагрузку.

Развитие металлических конструкций и особенно мостостроения связано с именами замечательных русских инженеров и ученых С.В. Кербедза, Д.И. Журавского, Н.А. Белелюбского, Л.Л. Проскурякова, Ф.С. Ясинского и др., внесших огромный вклад в мировую науку и практику в области расчета и конструирования решетчатых стержневых систем.

В 1840 г. Д.И. Журавский предложил раскосную систему ферм с металлическими затяжками. Во второй половине XIX в. решетчатые металлические фермы - арочные, полигональные, с параллельными поясами - широко применяются в мостостроении. Использование такого высокопрочного материала, как сталь, и разработка научного метода расчета конструкций способствовали быстрому увеличению пролетов мостов. В 1868-1874 гг. в США был сооружен арочный мост пролетом 157,5 м. Многопролетный консольно-балочный Фортский мост (Англия) общей протяженностью около 2,5 км, построенный в 1882-1890 гг., имел наибольший пролет 521 м. С увеличением пролетов и уточнением рациональной геометрической формы решетчатых ферм увеличивается эстетическая выразительность металлических мостов.

Ярким примером сложного инженерного сооружения является стальной шпиль Петропавловского собора в Петербурге (1859 г.) высотой 56,43 м при общей высоте собора со шпилем 121,92 м. Шпиль был запроектирован Д.И. Журавским как ребристая стержневая восьмигранная усеченная пирамида с крестовыми связями в плоскостях граней и рассчитывался не только на вертикальную, но и на ветровую нагрузку как консольная балка.

Оригинальная стержневая конструкция в виде сомкнутого свойства из четырех полуарок была разработана и осуществлена в 1863- 1865 гг. русским инженером Г.Е. Паукером для купола высотой 20,33 м над церковью Екатерининского дворца в Царском Селе. Между полуарками, образующими в плане квадрат со стороной 11,13 м, были размещены фермы с параллельными поясами. Расположенные в горизонтальной и вертикальной плоскостях, эти фермы образовали решетчатую складчатую конструкцию.

Крупным шагом в развитии стержневых решетчатых высотных сооружений было строительство в 1889 г. Г. Эйфелем 300-м башни для Всемирной выставки в Париже. Известный своими ажурными арочными мостами (наиболее крупный из них Гарабитский виадук длиной 564 м имел средний арочный пролет 165 м и высоту 124 м), Г. Эйфель использовал для конструкции башни схему шатровой мостовой опоры. Четыре наклонных пилона, соединенных между собой решетками, вздымаются ввысь, асимптотически сближаясь к вершине. Рациональность формы башни определила эстетическую выразительность ее силуэта.

Во второй половине XIX в. появляются и новые архитектурные формы, отвечающие новым общественным потребностям и связанные в первую очередь с перекрытием больших пространств.

Одной из таких форм был решетчатый купол системы Шведлера, впервые сооруженный в Берлине в 1863 г. над газгольдером диаметром 30,91 м. Особенностью этого купола, образованного меридиональными ребрами, горизонтальными кольцами и диагональными связями между ними, была прямолинейность всех его элементов. Уменьшение площади стен, частично заменяемых поверхностью самого купола, снижение массы покрытия, простота и быстрота изготовления, четкая расчетная схема обусловили быстрое и широкое распространение новой конструкции для покрытия круглых зданий самого различного назначения: производственных цехов, паровозных депо, выставочных павильонов и др. Шведлеровский купол цирка Чинизелли в Петербурге (1876 г., архит. В.А. Кенель) уже имел в диаметре 48 м, а такой же купол над газгольдером в Вене (1874-1875 гг.) - 64, 52 м.

Поиск по сайту: