Архитектура XIX - начала XX вв. Развитие инженерно-строительной науки-2
С середины века началось изучение нового строительного материала — железобетона. Раньше всего была высоко оценена его огнестойкость. Железобетон стал применяться наравне с керамическими материалами в качестве заполнения в перекрытиях для защиты железных элементов, для искусственных камней и пр.
Первые экспериментальные исследования соединений бетона и железа производили во Франции — Монье, Ламбо, Куанье, Геннебик; в Германии — Баушингер; в России — Белелюбский, позже — Лолейт; в США — Хайетт, Ренсем. Теория расчета железобетона намного отставала от его практического приложения. В самом конце XIX в. для теоретического расчета появились различные эпюры напряжений — в некоторых из них работа бетона на растяжение учитывалась, в других не учитывалась.
В первом десятилетии XX в. в Европе впервые были выработаны нормы расчета и конструирования железобетона. Аналогичные нормы были изданы в США только в 1921 г.
Таким образом, получение достаточно точного инженерного расчета стало возможным лишь при многостороннем расширении знаний, что удалось достигнуть в конце XIX в., когда в промышленно развитых странах были созданы лаборатории испытания материалов и введены на них стандарты.
В первой половине XIX в. в строительных конструкциях продолжали применяться статически неопределимые системы. Эти системы характеризуются избыточным числом стержней, усложняющим конструирование и вызывающим излишний расход материала. Рассчитать усилия в стержнях такой системы, пользуясь уравнениями равновесия твердого тела, невозможно. Однако из статически неопределимой системы можно удалять излишние стержни без нарушения ее геометрической неизменяемости. Тогда система становится статически определимой и трех уравнений равновесия твердого тела становится достаточно для вычисления усилий в ее элементах.
До середины XIX в. никто и не ставил себе заведомо неразрешимой задачи расчета конструкции; предполагалось, что дополнительные стержни увеличивают прочность сооружения. Отсутствие методов расчета приводило к умозрительному заключению, что чем больше в системе стержней, тем она надежнее.
Когда во второй четверти XIX в. появилась возможность производить расчет некоторых конструкций, то и тогда в большинстве случаев продолжали применять сложные запутанные статически неопределимые системы.
Только во второй половине XIX столетия строительная механика шагнула далеко вперед, так как большие нагрузки и пролеты, появившиеся в это время, вызвали необходимость поисков таких инженерных решений, которые имели бы четкую статическую схему и могли бы быть возможно более точно рассчитаны.
В Европе в середине века появился ряд работ, посвященных расчету ферм. Все они базировались на прогрессивной идее Навье, который в своем труде по механике, опубликованном в 1826—1833 гг., рассматривал ферму как сочетание балок, а не как балку, требующую усиления, как это делалось ранее.
Кульман (Швейцария) в 1851 г. дал теорию ферм и их расчета исходя из принципа построения ферм из треугольников и рассматривая случаи с параллельными и параболическими поясами. Он предложил для определения усилий в элементах ферм рассматривать узловые соединения как шарниры.
В том же году появилась работа Шведлера (Германия), оказавшая большое влияние на развитие теории ферм. В ней была дана теорема о поперечной силе как о производной от изгибающего момента и обоснована мысль, что пояса следует конструировать как неразрезные; небольшими усилиями, возникающими в них вследствие незначительного изгиба, можно пренебречь по сравнению с усилиями в раскосах. Это допущение давало возможность считать отдельные части поясов шарнирно соединенными между собой.
После этих исследований последовали другие, облегчившие и упростившие расчет статически определимых ферм. Наиболее важными из них были метод сечения Риттера (Германия, 1864), приложение теории замкнутого многоугольника для уравновешенной пересекающейся в одной точке системы сил к определению усилий в стержнях статически определимых ферм Максвелла (Англия, 1864), построение диаграммы усилий Кремоны (Италия), графическая статика Кульмана (1864). Эти работы открыли путь к широкому распространению ферм и статически определимых систем типа трехшарнирных арок и рам вследствие ясности их статической схемы и простоты расчета.
Однако легкие ажурные конструкции с малым количеством стержней долгое время вызывали недоверие. Когда во Франции открылась Всемирная выставка 1889 г., легкость сквозных конструкций, перекрывавших огромный объем Дворца машин, произвела на современников сильное впечатление, но внушила тревогу. Трехшарнирные арочные фермы высотой 45 м перекрывали пролет 115 м (инж. Контамин). Известный бельгийский инженер Вирендель (автор «балок Виренделя») после посещения выставки написал: «Фермы Дворца машин имеют еще один недостаток: они слишком пустые».
Оба металлических сооружения выставки — Дворец машин и башня Эйфеля — доказали высокий уровень достижений как в области строительной техники, так и в области изучения строительных материалов — железа и стали.