Архитектура XIX - начала XX вв. Развитие инженерно-строительной науки-3
Для расчетов железнодорожных мостов большое значение имел вопрос о работе неразрезных балок, т.е. балок, имеющих ряд промежуточных опор. Эйлер и Навье для расчета таких балок принимали балку абсолютно жесткой, а опоры — упруго-смещающимися. Такая предпосылка вызывала большие математические трудности. В 1852 г. Д.И. Журавский (Россия) предложил приближенное решение этой задачи, но окончательный расчет многопролетных балок был дан в 1857 г. Клайпероном, использовавшим для этого уравнение трех моментов Берто (1855).
Особое значение в связи со строительством железнодорожных мостов получил расчет на подвижную нагрузку, состоящую из большого числа сосредоточенных сил. Кроме того, необходимо было научиться находить наиневыгоднейшее распределение этих грузов, а также учитывать динамическое действие их. В 1867 г. Винклер дал графическое построение инфлюентных линий, метод, который вскоре стал повсеместно применяться.
Несмотря на то, что расчеты сооружений во второй половине XIX в. производились в основном по схемам статически определимых систем, инженеры не могли не видеть, что шарнирная схема является некоторым допущением и что фактически действительные конструкции почти всегда статически неопределимы. Поэтому работа над методами расчета статически неопределимых систем все время продолжалась. Это было тем более необходимо, что в конце XIX в. возникли конструкции металлических каркасов многоэтажных зданий, которые потребовали изыскания возможно более точных методов расчета статически неопределимых многоэтажных рам.
Вторым важным фактором было появление нового строительного материала несущих конструкций — железобетона, который образует преимущественно статически неопределимые схемы.
Для получения дополнительных уравнений, позволяющих определять усилия в дополнительных стержнях этих систем, пришлось ввести новые понятия, такие, как работа упругих сил, перемещения.
Основными этапами в развитии метода сил и метода деформаций, при помощи которых эти системы рассчитываются, были: приложение Пуассоном теоретической работы Лагранжа о принципе возможных перемещений к механике твердого тела (1833), формула действительной работы упругих сил, опубликованная Клайпероном в 1852 г., теорема о взаимности перемещений и канонические уравнения метода сил Максвелла (1864), принцип взаимности работ для любого упругого тела Бетти (1872). И, наконец, в 1875 г. на итальянском языке появилась книга Кастильяно, посвященная тем же идеям потенциальной энергии, изучению упругого тела и работы его деформации, которые легли в основу современной теории статически неопределимых систем.
Тяжелые подвижные краны, мощные прессы, сложные механизмы, появившиеся в промышленных зданиях, потребовали динамического расчета сооружений.
Здесь снова, как это уже случалось ранее, были привлечены теоретические исследования, сделанные еще в XVIII в. Эйлером, Бернулли, Лагранжем. Их труды послужили основанием для решения практических задач на колебания и на удар, связанных с динамикой упругих систем. Авторами этих работ были Пуассон (Франция), Остроградский (Россия), Рэлей (Англия), Сен-Венан (Франция).
В XVII и XVIII вв. некоторые ученые изучали предельное состояние сводов и арок. В XIX в. этой темы касались Ламе и Клайперон в 1826 г. и Паукер (Россия) в 1849 г. Однако во второй половине XIX в. расчетом по предельному состоянию никто не занимался, так как всех интересовала действительная работа сооружений в упругой стадии, а не за ее пределами.
Расчетные дисциплины не только испытывали влияние со стороны развивающихся конструкций, но и сами оказывали влияние на них. Так, простые доступные формулы и методы графической статики для расчета статически определимых систем вызвали широкое применение их.
В металле число различных типов ферм общественных и промышленных зданий исчислялось десятками. Получили распространение плоскостные купола и арочные конструкции из ферм. Во второй половине века стала применяться клепка в первую очередь в пролетных строениях мостов, в колоннах, балках, кранах. В строительстве резервуаров, газгольдеров и т.п. появились листовые конструкции.
Можно утверждать, что в течение XIX и в первых декадах XX в. зародились и начали претворяться в жизнь все те конструктивные идеи, которые получили свое дальнейшее развитие в XX в.
В 1893 г. В. Г. Шуховым были рассчитаны и построены первое сетчатое перекрытие подвесной системы и сетчатые пространственные покрытия, криволинейная поверхность которых образована прямолинейными элементами. Такая сетчатая гиперболоидная башня была возведена в Нижнем Новгороде на Всероссийской выставке 1896 г. В 1898 г. на Выксунском заводе Шухов создал новый тип стержневых сетчатых сводов двоякой кривизны. Как видно, многие из этих осуществленных им идей опередили свое время на полстолетия.
Развитие деревянных конструкций в XIX в. происходило в направлении усовершенствования существующих типов ферм: создавались более четкие расчетные схемы с сокращением числа стержней, упрощались узлы. В мостовых фермах было заметно стремление к стандартизации элементов. В гражданских и промышленных зданиях обычным стало применение стропильных конструкций и висячих брусчатых ферм с бабками на врубках. В случаях значительных пролетов получили распространение металлодеревянные системы. Во второй половине XIX в. появились дощатые конструкции на болтах и гвоздях, а в первой декаде XX в. — первые составные сечения из досок на клею.
Деревянные несущие конструкции во второй половине XIX в. утратили свое былое значение — к ним обращались все реже, особенно в ответственных сооружениях, предпочитая им несгораемые материалы. Однако в годы подготовки Германией первой мировой войны из дерева стали возводить огромные сооружения — ангары и эллинги из сборных элементов на различного типа металлических шпонках (Тухшерера, Кюблера и т.п.).
В каменных конструкциях на рубеже века нашла отражение общая тенденция уменьшения веса конструкций. Появились различные системы облегченных кладок, уменьшающих вес стен.
Большие успехи были достигнуты в развитии железобетонных конструкций. Принципиальное отличие их от традиционных систем из стоек и балок возникло в 1892 г., когда Геннебик (Франция) предложил связывать арматуру плит, балок, колонн и фундаментов, после чего бетонирование обеспечивало монолитность системы. Таким образом, появились ребристые железобетонные конструкции, получившие огромное распространение в каркасах гражданских и промышленных зданий.
В первом десятилетии XX в. в России и Швейцарии были запатентованы безбалочные, а в США так называемые «грибовидные» перекрытия.
В железобетоне начиная с XX в. возводилось большое число шоссейных и железнодорожных мостов и эстакад. В мостах особенно часто встречалась арочная конструкция. Специальные сооружения, такие, как элеваторы, резервуары различного назначения, маяки и пр., также начали строить из железобетона. Непрерывное расширение диапазона применения этого материала ясно показало неизбежность его дальнейшего развития.
Появление в XIX в. строительной механики — науки, сделавшей возможным расчет сложных строительных сооружений, показывает, насколько сильно уровень производительных сил влияет на развитие прикладных наук. Большинство идей в области математики и механики, на которых базировались инженерные науки XIX в., уже были сформулированы математиками-теоретиками ранее. Однако эти идеи получили конкретное выражение в виде расчетных формул лишь тогда, когда возросший уровень производительных сил потребовал этого от ученых своего времени.
Если в прошлом при решении и конструктивных, и художественных задач зодчие опирались прежде всего на традиции, опыт и интуицию, то появление строительной механики существенно изменило подход к выбору тех или иных конструкций. Методы расчета конструкций инженерами отличались от традиционных приемов работы архитектора. Постепенно в ходе развития архитектуры эти новые методы проникали в архитектурное проектирование, вносили в него рациональное начало.