Краткий исторический обзор развития деревянных конструкций

О древних формах деревянных конструкций можно судить лишь по сохранившимся их описаниям, а также по каменным памятникам, воспроизводящим существовавшие до них деревянные конструкции. Таковы, например, индийские памятники II в. до н. э. (Рис. 1, a), (Рис. 1, б и в).

В Риме над гражданскими зданиями применялись треугольные фермы, похожие на современные фермы с бабками. Римлянами построены крупные деревянные балочные (Рис. 2, а) и арочные мосты (Рис. 2, б). В средние века в покрытиях соборов, над дворцовыми и общественными залами применялись сложные стропильные системы в соединении с составными балками, сплоченными на зубьях. Примером комбинированной стропильной системы служит покрытие над манежем XVIII в. (Рис. 3).

Рис.2

Рис.3

В эпоху Возрождения арх. А. Палладио (1518 - 1580 гг.) разработал и построил рациональные арочные и балочные мостовые фермы, по своей схеме близкие к современным (Рис. 4, а и б). Несмотря на четкую схему конструкции эти фермы из-за недостаточных сведений об их работе и несовершенства узловых соединений времени получили распространение лишь ХIX в.

Рис.4

В XVIII в. для мостов больших пролетов строились фермы - более сложной конструкции, менее статически ясные, чем фермы Палладио. Примером служит мост через р.Лиммат, построенный братьями Грубенман в 1778 г. в Швейцарии.

В русском деревянном зодчестве с древнейших времен господствовали бревенчатые строения, рубленые горизонтальными венцами.

В местностях с суровым климатом, богатых лесом, рубленое строительство было вполне целесообразным. Оно обладает необходимой прочностью, дает надлежащую защиту от холода. Рубленые здания являются сборно - разборными и легко перевозятся в разобранном ввиде.

Рублеными делались не только жилые дома (Рис. 5.), но и другие здания и сооружения; городские стены и башни, церкви, стволы колоколен, мосты. Еще в начале XI в. «Русская Правда» упоминает о «мостниках» - строителях мостов. В 1115 г. при Владимире Мономахе был построен наплавной мост через Днепр в Киеве.

Рис.5

В борьбе с татарами московские великие князья широко использовали защитные деревянные сооружения и мосты.

Дмитрий Донской построил мосты через Волгу в Твери и через Дон (1380 г.). Не один раз столичные русские города - Владимир и Москва - окружались мощными деревянными стенами. При Иване Грозном в 1551 г. был построен укрепленный форпост для борьбы с татарами - г. Свияжск. Элементы свияжских сооружений - стен, башен, домов, церквей и др. в объеме 21000 м³, были заблаговременно заготовлены в районе г. Углича, сплавлены на расстояние 1000 км и собраны в течение 4 недель под руководством искусного строителя И. Г. Выродкова.

Рубленое строительство имело характер подлинного народного творчества.

Выдающимся по архитектурным достоинствам деревянным сооружением был дворец царя Алексея в с. Коломенском, по мнению современников - восьмое чудо мира (Рис. 6.).

Выдающимся памятником периода завоевания Сибири, частично сохранившимся до наших дней, является Якутский острог (крепость), построенный в 1683 г. воеводой Иваном Преклонным (Рис. 7.).

Каркасные конструкции в старину применялись значительно реже рубленых.

Однако уже в те времена появились предшественники современных каркасных конструкций. Так, например, звонницы церквей делались с каркасом, как тогда говорили, о пяти столбах, о девяти и более (Рис. 7.). Перекрытия больших залов в церковном и гражданском строительстве решались в виде балочной клетки, покоившейся на массивных колоннах, с капителями в форме вилки, необходимой для удержания полбалки (Рис. 8.).

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Дальнейшее развитие деревянных конструкции на Руси связано с реформаторской деятельностью Петра Великого, развитием судостроения, промышленности, строительством Петербурга. Строились набережные, мосты, верфи и другие сооружения, требовавшие большого количества леса и более рационального его использования. Введено лесопиление вместо существовавшей до тех пор тоски досок топором.

Развитие промышленности в России, в первую очередь металлургической, привело к постройке больших рубленых зданий для машин, работавших силою падения воды, так называемых «вертельных амбаров». Плотины, шахты и даже сами машины в то время строились из дерева.

Наибольшими по масштабу и по разнообразию конструкций были сооружения и машины Змеиногорского рудника, построенные в 1785 г. Кузьмой Фроловым (Рис.9.).

Постепенно совершенствовались и каркасные конструкции. В одной из рукописей 1735 г. приведено изображение каркасной конструкции, поддерживающей «подъемную машину» (Рис. 10.). На чертеже каменной плотины лесопильной мельницы Сестрорецкого оружейного завода (конец XVIII в.) видна схема фермы большого пролета, перекрывающая производственный цех (Рис. 11.).

Рис.9

?Рис.10

Рис.11

Эти примеры свидетельствуют о том, что в течение XVIII в. в России разнообразные формы деревянных конструкций развивались в соответствии с общим ростом промышленного производства. Однако техника выполнения несущих деревянных конструкций основывалась в целом на плотничном искусстве. Узловые соединения ферменных конструкций выполнялись на врубках с металлическими поковками и болтами.

Во второй половине XVIII в. роль инженера в развитии конструктивных форм усиливается параллельно с развитием науки о расчете конструкций - строительной механики. Деревянные конструкции (наравне с другими) подвергаются расчету и испытанию. Плотничное искусство перестает играть главную роль и уступает место инженерному творчеству.

В 70-х годах XVIII в. И. П. Кулибин составил проект грандиозного однопролетного арочного моста через Неву в Петербурге (Рис. 12.) пролетом около 300 м.

Рис.12

Очертание оси арки было подобрано с помощью построений веревочных многоугольников сил. Мост состоял из системы арок, воспринимавших вертикальные и горизонтальные нагрузки. Была впервые применена комбинированная система, состоящая из основной несущей арки и арочной фермы жесткости многорешетчатого типа. В соединениях элементов были применены простейшие приемы: лобовые упоры и болты. Мост был осуществлен только в модели в 1/10 натуральной величины. В 1776 г. модель моста была испытана, причем полностью подтвердились расчетные предположения И. П. Кулибина.

Предложенная Кулибиным комбинированная система в виде гибкой арки, усиленной элементом жесткости, а также много решетчатые конструкции ферм оказали сильное влияние на развитие современных форм несущих деревянных конструкций в мостовых сооружениях, покрытиях и подмостях.

Другим крупным деревянным сооружением явилось покрытие над московским манежем с треугольными формами пролетом около 50 м, построенное в 1817 г. Строительство сопровождалось испытанием ферм в натуральную величину и наблюдениями за их работой.

В связи с начавшимся в середине XIX в. усиленным строительством железных дорог особое значение получили работы в области железнодорожных мостов.

Одним из пионеров мостостроения на русских железных дорогах был Д. И. Журавский (1821—1891 гг), сочетавшей в своей работе глубокие теоретические исследования с практикой строительства. Он запроектировал и построил несколько крупных деревянных мостов и других сооружений: огромный Веребьинский мост на Петербурго-Московской ж. д., имевший 9 пролетов по 54 м (Рис. 13.), мост через р. Мсту и подмости большого пролета (60 м) для его восстановления после пожара и др. Д. И. Журавский использовал в железнодорожных мостах появившуюся и 1840 г. систему ферм американского инженера Гау, подвергнув ее значительному конструктивному усовершенствованию. Д И. Журавскому принадлежит заслуга создания теории расчета решетчатых ферм. Разработанный им способ расчета раскосных ферм изложен в его знаменитом труде «О мостах раскосной системы темы Гау», удостоенном в 1855 г. премии Академии наук.

В приложении к упомянутому выше труду Д. И. Журавский определил сдвигающие силы при изгибе балок, что дало возможность рассчитывать составные балки и проверять прочность их соединений.

В гражданских и промышленных зданиях во второй половине XIX в. преобладали треугольные фермы из бревен или брусьев на врубках. Новым достижением было применение в фермах растянутых стальных элементов - сначала в виде растянутых стоек из круглой стали (Рис. 14.), а затем и нижних поясов.

Рис.13

Рис.14

Были созданы металло - деревянные системы, в которых из дерева делались лишь сжатые элементы (Рис. 15.). К концу XIX в. в ответственных сооружениях большого пролета деревянные фермы все более и более вытесняются металлическими, чему способствует развитие металлургической промышленности и снижение стоимости металла. Появились железобетонные конструкции - первые предшественники современного железобетона, во многих случаях заменявшие древесину в капитальных зданиях. Были применены впервые пространственные покрытия в металле и дереве, предложенные и осуществленные В. Г. Шуховым. Деревянные своды Шухова (Рис. 16.),построенное в 1896 г. для павильонов Нижегородской промышленной, выставки, состояли из нескольких слоев досок, расположенных под углом Друг к Другу, изогнутых по цилиндрической поверхности и сшитых между собой гвоздями.

Для увеличения жесткости свода отдельные его точки соединялись с опорами металлическими тяжами.

Рис.15

Рис.16

В течение XIX в. и на Западе появились новые решения несущих деревянных конструкций, оказавшие влияние на их дальнейшее развитие. К ним относятся арочные конструкции французского инженера Эми, появившиеся в 1819 г. (Рис. 17.).

Рис.17

Арки Эми состоят из нескольких слоев досок, уложенных плашмя друг на друга и соединенных между собою болтами и хомутами. Вследствие своей простоты эти арки получили сначала широкое применение. С течением времени выяснились их недостатки: малая жесткость при односторонних нагрузках, ползучесть многослойных составных сечений и, как следствие, большая деформативность. Поэтому от применения арок Эми в чистом виде пришлось отказаться; они явились прототипом некоторых современных деревянных ферм с криволинейными верхними поясами.

Изыскания новых форм арочных конструкций были проведены в Германии. В начале XX в. там применялись решетчатые арки с соединениями на шпонках, а также клееные арочные конструкции на водостойких клеях. Появление клеевых соединений явилось одним из наиболее важных событий в деле рационализации деревянных конструкций.

Во время первой мировой войны и после ее окончания в результате острого недостатка стали строительство деревянных конструкций в Германии получило сильное развитие. Специализированные фирмы, используя патентное право на эксплуатацию изобретений немецких инженеров, построили из дерева много разнообразных зданий и сооружений с большими пролетами (Рис. 18.).

Рис.18

Изучением древесины и деревянных конструкций у нас занимаются специальные научно-исследовательские институты, вузы и проектные организации: Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК), Центральный научно-исследовательский институт механической обработки древесины (ЦНИИМОД), Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), Институт механики АН УССР, Военно-инженерная академия (ВИА), инженерно-строительные институты, Промстройпроект, Индустройпроект и др. В последнее время для разработки типовых проектов создан специальный государственный институт.

Новые решения деревянных конструкций впервые были применены у нас на строительстве павильонов первой сельскохозяйственной выставки 1923 г., а затем на строительстве ЦАГИ в 1925 г. (Рис. 19.). Получили применение конструкции из досок с соединениями на кольцевых шпонках и на гвоздях.

Конструкции на гладких кольцевых шпонках (ГКШ) преобладали в течение восстановительного периода и первой пятилетки (Рис. 20.). Однако эти конструкции требовали точности изготовления, сухого и качественного лесоматериала, которого в то время часто недоставало на стройках, а заводское изготовление деревянных конструкций не было широко организовано. В этих условиях на дежность кольцевых конструкций не была обеспечена, что привело к ограничению их применения.

В ЦНИПС в начале 30-х годов созданы зубчато-кольцевые шпонки(ЗКШ), допускавшие применение влажного пиломатериала и менее требовательные к его качеству, чем ГКШ (Рис. 21, а), (Рис. 21, б). Тем не менее и ЗКШ не получили широкого распространения из-за сложности работ, связанных с запрессовкой шпонок.

Наибольшее применение получили с начала 30-х годов деревянные конструкции с соединениями на нагелях и, в особенности, на гвоздях. Типичными для гвоздевых конструкций того времени были сегментные фермы (Рис. 22.), дощато-гвоздевые балки с перекрестной стенкой или рамы (Рис. 23.).

Эти конструкции отличаются высокой надежностью и простотой изготовления, но требуют высококачественной древесины на нижние растянутые пояса.

Во второй половине 30-х годов получили применение клееные конструкции: настилы междуэтажных перекрытий, балки, арки и фермы (Рис. 24.). Внедрение клееных конструкций стало возможным после разработки в лаборатории деревянных конструкций ЦНИПС водоустойчивых клеев (М. Н. Плунгянская, Л. Б. Губенко). Значение клеевых соединений в деревянных конструкциях может быть по своей эффективности сравнено со значением сварки в стальных конструкциях.

Рис.19

?Рис.20

Рис.21

Рис.22

Рис.23

Рис.24

Интересной разновидностью клееных конструкций являются разработанные в ЦНИПС соединения и конструкции на клеестальных шайбах (Рис. 25.). Склейка тонкой металлической полосы с деревом дает возможность усилить концы соединяемых деревянных элементов металлом, повысить несущую способность соединений и получить весьма удобные в монтаже сборно-разборные конструкции.

Рис.25

В области мостостроения появились новые типы мостовых ферм с соединениями на нагелях преимущественно на гвоздях. Наиболее надежным вариантом гвоздевых ферм большого пролета явились комбинированные арочные фермы, усиленные балкой жесткости, применяемые для автодорожных мостов (Рис. 26.).

Рис.26

Параллельно с развитием конструктивных форм совершенствовались методы расчета деревянных конструкций, изучались свойства древесины как строительного материала. В результате этой работы неоднократно издавались НиТУ по проектированию деревянных конструкций в 1929, 1931, 1938, 1947 гг. Как было упомянуто выше, расчеты строительных конструкций в настоящее время производятся по методу расчетных предельных состояний, введенному с 1955 г.

Переход на новую методику оказался возможным в результате углубленного изучения свойств древесины, работы соединений и конструкций и опыта их эксплуатации.

Дальнейшее развитие строительства предусматривает широкое внедрение конструкций, удовлетворяющих условиям комплексной механизации их изготовления и скоростного монтажа.

Прогрессивной формой деревянных конструкций являются, в первую очередь, клееные конструкции заводского изготовления из досок на водостойких клеях, позволяющие максимально использовать мелкосортную и низкокачественную древесину в сжатых и изгибаемых элементах конструкций, расходуя при этом минимум высококачественной древесины и стали. Предстоит дальнейшая работа по внедрению технологии высококачественной склейки в производство.

Широкое распространение получат легкие клеефанерные конструкции с применением в них водостойкой высококачественной фанеры. Хорошие перспективы имеет применение бакелизированной фанеры в строительных конструкциях. Замена пиломатериалов фанерой явится одним из наиболее эффективных средств экономии древесины в строительстве.

Дальнейшему усовершенствованию подлежат металло-деренянные системы сквозных ферм заводского изготовления. Широкое развитие получит заводское домостроение.

Дата добавления: 2015-08-02