001 Генри Дж. Коуэн Строительная наука XIX-XX вв
146-147
148-149
150-151
152-153
154-155
156-157
158-159
160-161
162-163
164-165
166-167
168-169
170-171
172-173
174-175
176-177
178-179
180-181
182-183
184-185
186-187
188-189
190-191
192-193
194-195
196-197
198-199
200-201
202-203
204-205
206-207
208-209
210-211
212-213
214-215
216-217
218-219
220-221
222-223
224-225
226-227
228-229
230-231
232-233
234-235
236-237
238-239
240-241
242-243
244-245
246-247
248-249
250-251
252-253
254-255
256-257
258-259
260-261
262-263
264-265
266-267
268-269
270-271
272-273
274-275
276-277
278-279
280-281
282-283
284-285
286-287
288-289
290-291
292-293
294-295
296-297
298-299
300-301
302-303
304-305
306-307
308-309
310-311
312-313
314-315
316-317
318-319
320-321
322-323
324-325
326-327
328-329
330-331
332-333
334-335
336-337
338-339
340-341
342-343
344-345
346-347
348-349
350-351
352-353
354-355
356-357
358-359
360-361
Текст
                    Science
•nd Buildfog

Henry J. Cowan Professor of Architectural Science University of Sydney Science and Building Structural and environmental design in the nineteenth and twentieth centuries A Wiley-lnterscience Publication John Wiley & Sons, New York-London-Sydney-Toronto
Генри Дж. Коуэн Строительная наука XIX-XX вв. Проектирование сооружений и систем инженерного оборудования Перевод с английского канд. архит. В. А. Коссаковского Под редакцией канд. техн, наук Л. Ш. Килимника 1982 Москва Стройиздат
УДК 624.04(09)4-721.011.03](—87) Коуэн Г. Дж. Строительная наука XIX—XX вв.: Проек- тирование сооружений и систем инженерного оборудования/ Пер. с англ. В. А. Коссаковского; Под ред. Л. Ш. Килим- ника. — М.: Стройиздат, 1982. — 359 с., ил. — Перевод изд.: Science and Building / Н. J. Cowan. — John Wiley & Sons, <- Дан глубокий анализ научно-технических преобразований, которые произошли в практике архитектуры и строительства в XIX—XX вв. Основное внимание уделено строительным кон- струкциям; статически определимым и статически неопредели- мым, большепролетным и криволинейным. Описана история возникновения и совершенствования практики возведения вы- сотных домов. Показано в разнообразных аспектах соотноше- ние между окружающей средой и строительством. Для архитекторов и инженеров-строителей. Ил. 162, список лит.: 319 назв. 4902010000—464 К--------------КБ—19—27—82 047(01)—82 © 1978 by John Wiley & Sons, Inc. © Перевод на русский язык, Стройиздат, 1982
Лосвящается Юдифи, потому что Она любит историю ОТ АВТОРА Эта книга представляет собой второй том труда по истории строительной науки от древних времен до наших дней. В ней рас- сматриваются события, происходившие в XIX и XX вв., когда на- ука и технология трансформировали природу архитектуры и строительства, основанных на искусстве. Предыдущий том, на- званный «Мастера строительного искусства», посвяшен истории прошлых веков. Эти две книги можно читать независимо одну от другой. Я чувствую себя обязанным д-ру Валери Хэвиатт за огромную работу по библиографическим исследованиям, проф. Дж. М. Бен- нетоу, Т. Каллагену, Б. Кассиди, Л. Э. Чаллису, проф. Р. В. Кла- фу, проф. Дж. С. Геро, д-ру Хэвиатт, Т. Ф. Хес, Е. Б. Хаддлесто- ну, Дж. Дж. Кеоту, Р. Дж. Маллету, д-ру М. Ньюману, проф. Р. К. Макферсону, В. X. Пилкингтону, Д. Саундерсу, проф. П. Р. Смиту, Дж. К. Томпсону, Э. Уоргону, Б. Уэббу и Дж. Уитмору за чрезвычайно полезные советы и исправления, Джону Диксону за всю фотографическую работу, Рите Артурсон, Хильде Миош и Энн Новицки за перепечатку рукописи. Генри Дж. Коуэн Сидней, Австралия июнь 1977 .
1. ВВЕДЕНИЕ Единственный наш долг перед историей — перечитывать ее Оскар Уайльд Эта глава содержит краткое обозрение истории архитектуры и истории науки. В ней также рассматривается влияние на про- ектирование зданий социальных изменений, последовавших после окончания наполеоновских войн. Новые типы зданий — промышленных, административных и массового жилища, — требующиеся в странах с развивающейся индустрией, изменили характер строительных конструкций и при- вели к окончательному формированию профессий архитектора и инженера-конструктора. 1.1. ИСТОРИЯ АРХИТЕКТУРЫ И ИСТОРИЯ НАУКИ Наука постигается традиционно — как логическое развитие положений, накапливаемых опытом и экспериментом, при этом не принимается во внимание историческая последовательность открытий или препятствий на их пути. Архитектура, напротив, постигается главным образом в про- цессе изучения работ великих мастеров. Чувство истории никогда не пропадает в этом процессе, даже когда объектом изучения являются совсем недавние работы. Для анализа определенного здания мы считаем важным знать, кем оно спроектировано — Филиппо Брунеллески, Кристофером Реном или Кендзо Танге. Сооружение, по крайней мере отчасти, определяется личностью архитектора и временем, в котором оно создавалось. Мы видим существенное различие между архитек- турой или искусством XV и XVI вв. в Италии и с очень неболь- шой степенью ошибки эксперт может установить время, когда было спроектировано здание или когда была написана картина. С известным допущением это справедливо и по отношению к результатам научных исследований. Имеются проблемы, кото- рые не могли были быть решены до появления определенных тех- нических возможностей. В то же время мы, как правило, не рас- сматриваем теоретические основы науки только в зависимости от того, кому то или иное открытие принадлежит и когда оно было сделано, например «принцип рычага» (соотношение между параллельными силами) был открыт Архимедом в Сицилии в III в. до н. э. «Параллелограмм сил» (соотношение между си- лами, сходящимися в одну точку) был открыт Симоном Стеви- ным в Голландии в XVI в. Эти два открытия, разделенные во времени девятнадцатью веками, обычно изучаются вместе как две взаимодополняющие части единой проблемы. — 6 —
Наука развивается. И хотя ее выводы подчас оказываются ошибочными и технические решения постоянно вытесняются бо- лее прогрессивными, теоретические основы науки постоянно рас- тут и научные достижения давних времен могут быть полезными и сегодня. Ученые Древнего Египта открывали новые звезды и включали их в атлас звезд. Мы продолжаем делать то же самое с лучшим оборудованием, но не имеет значения, когда та или иная звезда была открыта — в XIII или XX в. В противоположность этому сооружение церкви в готическом стиле в XX в. было бы воспринято как упражнение в реставрации, независимо от того, использовал бы архитектор при этом тради- ционные методы или применил преднапряженные железобетон- ные элементы. То же относится к живописи и к музыке. Приведенные положения отражают глубокие различия меж- ду характером творчества ученого и художника. Попытки пре- одолеть этот разрыв успеха не имели. Многие ученые проявляли большой интерес к истории их отрасли науки; изучению законо- мерностей, накладываемых на современную архитектуру конст- руктивными решениями сооружений и новыми строительными материалами, отдали дань многие выдающиеся архитекторы, инженеры и историки искусства. Несмотря на эти усилия, наука, архитектура и общая история Остаются изолированными друг от друга, и представляется инте- ресным сопоставить достижения в разных областях знания, от- носящиеся к одному и тому же времени. Галилей, одним из первых внесший вклад в развитие строи- тельной механики, был современником Карло Мадены, архитек- тора, работавшего в стиле барокко. Папой Римским был Ур- бан VIII, инквизицию только что ввели в Риме, венецианцы одержали победу над турками в битве под Лепанто. Конец XVIII в., отмеченный появлением чугунных конструк- ций в Англии и развитием основ теории расчета конструкций во Франции, был также временем возрождения классики. Ма- стер металла Абрахэм Дерби III, гражданский инженер Томас Телфорд и французский теоретик инженер Шарль Огюстен де КуЛон были современниками архитекторов Клода Леду во Франции и Роберта Адама в Англии. Во Франции произошла революция. Англией правил Георг III, который потерял амери- канские колонии и создавал новую империю в Индии. В 1900 г. был хорошо освоен стальной каркас и американцы начали строить небоскребы; железобетон не был еще престиж- ным материалом (Институт гражданских инженеров в 1913 г. еще высказывал сомнения относительно его надежности). Тео- рия расчета статически определимых систем была хорошо раз- вита, и разрабатывалась теория расчета статически неопредели- мых систем. Большинство главных городов только что получили Водоснабжение. Искусственное освещение на нефти и газе стало обычным, начало появляться электрическое освещение. Уолес — 7
Клемент Сабин опубликовал первую работу по теории акустики. Норман Шоу был на вершине своей архитектурной карьеры в Англии, а Фрэнк Ллойд Райт только начал приобретать из- вестность в Соединенных Штатах. В большинстве европейских стран еще были монархии, а большинство стран Азии и Африки находилось под колониальным господством европейских стран. 1.2. РАЗДЕЛЕНИЕ АРХИТЕКТУРНОГО И КОНСТРУКТИВНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В XIX В. Современное значение слов «архитектор» и «инженер» по- явилось только в последние годы XIX в. Греческое слово «архи- тектор», которое означало «старший строитель», относилось как к строителям мостов и акведуков, так и к создателям театров и храмов. Слово «инженер», встречающееся в средневековых текстах, относилось к лицам, которые изобретали различные хитроум- ные приспособления, главным образом для военных целей. В 1716 г. французская армия создала «Корпус инженеров мостов и дорог», а в 1747 г. «Школу мостов и дорог», которая стала прототипом современной высшей инженерной школы. Вскоре после этого Джон Смитон первых назвал себя «гражданским инженером», подразумевая под этими словами инженера, рабо- тающего над сооружением гражданских объектов (не военных). Разделение профессий было узаконено основанием Институ- та гражданских инженеров в Лондоне в 1818 г. и Королевского института британских архитекторов в 1834 г. Различие в про- фессиях было больше связано с назначением сооружений (до- роги, мосты и каналы в противоположность монументальным зданиям), чем с применяемыми методами строительства, ибо как архитекторы, так и инженеры в начале XIX в. использовав ли одинаковые традиционные материалы в традиционных формах. Как правило, инженеры проектировали промышленные зда- ния, которые заполнялись машинами. Так как инженеры для изготовления машин использовали чугун, для них было естест- венным использовать чугун и для строительства промышленных зданий. Отсюда его использование постепенно распространилось и на здания, проектируемые архитекторами. Некоторые архитек- торы стали приглашать инженеров для консультации в работе с необычным для них материалом. Так как проектирование чу- гунных и бетонных конструкций-требовало больше математиче- ских расчетов, инженеры-консультанты стали привлекаться регулярно. Появление такой профессии можно датировать толь- ко концом XIX в. Кооперация между архитекторами и инжене- рами не всегда была дружеской, а на пороге века разрыв между двумя профессиями увеличился. К 190,0 г. считалось особо цо- — 8 -.
Четным дЛй английских архитекторов быть избранным в 1{ор0-= левскую Академию, а для инженеров стать членами Королев- ского Общества. Архитектор становится художником-созидате- лем, который полагается на технические советы инженера, а ин- женер все более специализируется на математической стороне инженерного дела. В последние годы XIX в. произошло окончательное разделе- ние их труда. Стальной каркас не обязательно должен быть ви- ден снаружи, и обычно в законченном здании он и не виден. Архитектор мог, таким образом, проектировать свой классиче- ский или готический фасад и передавать чертежи инженеру, ко- торый вставлял в здание, спроектированное архитектором, сталь- ной каркас, способный выдержать его вес. Разрушения и социальные изменения, принесенные первой мировой войной (1914—1918) , создали невиданные ранее потреб- ности в новых зданиях. В связи с ростом цен абсолютная стои- мость зданий увеличилась и богатые фасады, высеченные из естественного камня, стали слишком дорогими даже для мону- ментальных зданий. Многие архитекторы, особенно в побежден- ных Германии и Австрии, пересмотрели традиционные ценно- сти и возник новый стиль архитектуры. Трудно сказать, чему более обязан новый стиль — экономической необходимости или новым теориям архитектурного проектирования, однако ко вре- мени второй мировой войны (1939—1945) архитектурная рево- люция была завершена. 1. 3. ПОЧЕМУ В ДАННОЙ КНИГЕ РАССМАТРИВАЮТСЯ ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ КОНСТРУКЦИИ В новой архитектуре конструкции рассматриваются как чрез- вычайно существенная, а по мнению ряда теоретиков, как основ- ная сторона проектирования. Отсюда следует, что конструкции не могут быть чем-то, что добавляется в проект инженером-кон- сультантом. ^Архитектор вынужден был изучить конструктивные системы, и эту задачу требовалось сделать доступной для него, несмотря на сложности технических расчетов. ' Это один из наиболее важных аспектов работы, проводимой учеными и инженерами, вследствие чего указанным вопросам уделено в данной книге большое внимание. Требования включения в проект вопросов, связанных с окру- жающей средой, появились недавно. Традиционные конструкции ’должны были обеспечить требуемые звуко- и теплоизоляцию, а во влажном тропическом климате — естественную вентиляцию. Инженерное обеспечение и электроснабжение в 20-х годах на- шего века были сравнительно примитивными и даже в 50-х го- дах кондиционирование воздуха за пределами Америки практи- чески отсутствовало. — 9 —
Это яйляеТся Одной из причин, но которой строительная на- ука занялась вопросами, связанными с окружающей средой, значительно позднее, чем проектированием конструкций. Другой важной причиной служит тот факт, что здание, которое обру- шается, перестает существовать, зданием же, в котором слиш- ком жарко, холодно или шумно, можно продолжать пользовать- ся. Действительно, есть много известных шедевров архитектуры, совершенно неудовлетворительных с точки зрения соответствия окружающей среде, но жизнь которых продолжается. 1.4. ИЗМЕНЕНИЯ В АРХИТЕКТУРНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В XIX В. История строительной техники может быть разделена на два периода: ранний период, когда проектирование велось в основ- ном эмпирически [1.1], и поздний, в течение которого оно все более и более основывается на научных данных. Я считаю 1815 г., год битвы под Ватерлоо, годом начала вто- рого периода, который и является предметом рассмотрения в данной книге. Основы индустриализации, изменившей характер городов Европы, принадлежат прошлому веку. Это первые кон- струкции из чугуна и рождение математических теорий расчета конструкций [1.1], но воздействие этих факторов на проектиро- вание и строительство зданий до конца наполеоновских войн было еще очень слабым. Поэтому данная книга посвящена сравнительно короткому периоду времени — с 1815 г. до наших дней, тем полутора сто- летиям, которые содействовали развитию строительной науки более, чем все предшествующие века. За временем наполеоновских войн последовала эра социаль- ных перемен. Попытки реставрации условий, существоваших в Европе до французской революции, оказались бесплодными, потрясения — общими для всех европейских стран, особенно в 1830 и 1848 гг. Только Англия оказалась незатронутой револю- ционным движением 1848 г., возможно, потому, что в 1832 г. там был проведен ряд парламентских реформ. В Дании в 1849 г. было введено право голоса всему мужскому населению на вы- борах в нижнюю палату рикстага (чего в Англии не было вве- дено до 1884 г.), но в большинстве стран за революционными вспышками следовали периоды «законности и порядка». Многие из тех, кому угрожало судебное преследование, и тех, кого не устраивал новый порядок, эмигрировали в Северную и Южную Америку или в Австралию. Это обстоятельство было одной из причин быстрого развития этих континентов и появления там новой архитектуры, менее связанной с традициями, чем это было у строителей Старого Света. С 1907 г. коммерческие здания в Америке стали превышать по высоте европейские соборы. — 10 -
Вторая половина XIX в. и первая половина XX в. были от- мечены быстрым развитием экономики. Повышение уровня жиз- ни было всеобщим благодаря росту производительности труда и возрастающей механизации производства. Например, в Сое- диненных Штатах, где из-за нехватки рабочей силы потребность в механизации были наиболее высокой, количество энергии, по- требляемой промышленностью, увеличилось с 1,6 млн. лошади- ных сил в 1859 г. до 9,6 млн. — в 1899 г. В течение этого же пе- риода число рабочих выросло с 1,3 до 5,1 млн. человек и таким образом расход энергии на одного рабочего почти удвоился [1.2]. Эта тенденция продолжала усиливаться в XX в. В 40-х годах была установлена зависимость между решени- ем проблем водоснабжения и удаления сточных вод и количе- ством заболеваний. В этом отношении за короткий период вре- мени (около 25 лет) в Северной Европе и Северной Америке про- изошли значительные изменения к лучшему (см. разд. 7.5). К концу XIX в. новые достижения в медицине привели к зна- чительному оздоровлению населения. Результатом этого был быстрый рост народонаселения. Хотя рождаемость слегка по- низилась, но смертность падала значительно быстрее. То, что в конце прошлого века казалось явным социальным достиже- нием, к 1950 г. стало важнейшей проблемой, встающей перед человечеством, — как справиться с ростом населения. Рост населения сопровождался дальнейшей урбанизацией. Главные города европейских государств были перестроены в кон- це XIX в. и большинство старых зданий в действительности от- носятся к Викторианской эре. Потребности в новых конструкци- ях совершенно изменили проблемы архитектуры. Акцент в стро- ительстве смещался с церквей и дворцов на административные и коммерческие здания, заводы, больницы, школы и жилые дома. Период с 1850 по 1914 г. был великим в развитии науки й техники вообще и веком значительного прогресса в области строительных конструкций и строительной науки. В то же время его нельзя назвать веком процветания искусства и архитектуры. ; К 1900 г. традиции в архитектуре уже разрушились, а соци- альные изменения, вызванные двумя мировыми войнами, завер- шили этот процесс. Таким образом, время с 1850 до 1939 г. трудно оценить одно- значно. Новые проблемы решались в процессе проектирования и строительства самых различных типов зданий. Возникают во- просы, как можно приспособить греческий ордер или вертикали готики к многоэтажным зданиям? (см. разд. 3.1). Какой истори- чески сложившийся стиль верен для банков, университетской ла- боратории или больницы с новыми дифференцированными функ- циями? Как стальной каркас совместить с классическим стилем? Как предусмотреть современное освещение, отопление и аку- стику в ратушах, решенных в новой готике? (см. разд. 8.4). Се- годняшний ответ на эти вопросы таков — не пытайтесь этрго
делать! Однако все проблемы выглядят много яснее в ретро- спективе. Начались поиски новых основ для современной архитектуры. Одни видели ответ в инженерных сооружениях конца XVIII в. и XIX в., которые и не рассматривались как произведения архи- тектуры (см. разд. 10.1), другие видели его в современной трак- товке живописи и скульптуры. Различие между новым и старым в. XX в. было значительно существеннее, чем смена романского стиля на готику или готи- ки на Возрождение. Для проверки новых идей и технических новшеств требуется время. Некоторые ранние постройки извест- ных мастеров современной архитектуры, таких как Ле Корбю- зье и Мне ван дер Роэ, грешили техническими неудачами. Глад- кие белые поверхности, которые выглядели великолепными на чертежной доске и на ранних фотографиях, были испорчены трещинами в бетоне или в штукатурке или неожиданной порчей покраски. Плоские крыши пропускали воду, в помещениях была невыносимая жара из-за незащищенного остекления (см. разд. 8.2). Эти вопросы также выглядят много яснее в ретро- спективе. Сегодня мы признаем потребность в надлежащем изучении технических аспектов и в ломке архитектурных традиций, про- изведенной технической революцией, но вопрос, лучше ли новая архитектура, чем старая, остается открытым. Большинство может согласиться с тем, что современные за- воды, школы и больницы функционируют лучше, чем эти же уч- реждения в прошлом веке или в любом из ранних веков. Мы построили мало жилых домов, сравнимых по качеству с прекрас- ными итальянскими дворцами или английскими загородными домами XVIII в., но средний стандарт жилища стал выше. В осо- бенности улучшилось жилище для рабочих. По техническому и социальному уровню современная архитектура развивалась ус- пешно, хотя поле деятельности для дальнейшего совершенст- вования еще достаточно обширно. Но по поводу того, являются ли лучшие образцы современной архитектуры такими же высо- кими произведениями искусства, как Парфенон, Шартрский со- бор или Флорентийский кафедральный собор, мнения могут быть разные. Эти проблемы выглядят различно в Новом и Старом Свете. Есть справедливость в утверждениях, что новые здания, архи- тектура которых основана на совершенно других масштабах, погубили главные города Европы и Азии, но также можно ска- зать, что многоэтажные здания создали Нью-Йорк, Чикаго, Рио- де-Жанейро и Сидней такими, какие они есть. Бесспорно, социальные, политические и художественные ас- пекты рассматриваемой проблемы дискуссионны. Данная книга, однако, касается их только косвенно. Мы рассматриваем исто- рию развития науки-и техники в строительстве в. хронологиче-* 12
ском порядке. Так, большая часть теории расчета статически определимых систем (гл. 2) была раз'работана ранее большей части теории расчета неопределимых систем (гл. 3). Механиза- ция проектирования конструкций (гл. 5), теория расчета много- этажных зданий (гл. 4) и возобновленный интерес к криволи- нейным системам (гл. 6) все еще являются новыми вопросами. В XX в. особое значение приобретают проблемы, связанные с окружающей средой. Сегодня стоимость эксплуатации здания зачастую выше, чем стоимость строительства, и мы посвящаем этим проблемам главы 7 и 8. В гл. 9 рассматриваются новые строительные материалы и глава 10 касается вопросов, связан- ных с индустриализацией строительства. 2. СТАТИЧЕСКИ ОПРЕДЕЛИМЫЕ СИСТЕМЫ Формула — это нечто такое, что сработав раз, продолжает пытаться делать это снова и снова. Генри С. Хаскинс Вторая половина XIX в. оказалась весьма продуктивной для развития теории расчета статически определимых систем. Пер- вое практически используемое решение этого вопроса было до- стигнуто в области расчета деревянных и чугунных ферм. Вско- ре после этого были разработаны основы расчета балок и -колонн, - г. Первый стальной каркас появился в Чикаго в 80-х годах XIX в., развитие применения железобетона шло • медленнее и географически более разбросано. 2.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ, ЧУГУННЫХ И СТАЛЬНЫХ ФЕРМ . Изучение проблемы равновесия сил началось со времен Ар- химеда, решившего задачу рычага ([1-1], разд. 2.5). Дополняю- щий эту задачу закон параллелограмма сил был решен только в конце XVI в. Стевином ([1.1], разд. 7.4). Также в XVI в. Пал- ладио возродил римский метод строительства треугольных де- ревянных ферм ([1.1], рис. 7.18), поэтому в XVII в., казалось, было возможным использовать численные методы расчёта для определения размеров таких ферм, особенно в связи с тем, что "деревянные фермы уже использовались в конструкциях мостов й в архитектурном проектировании. 6- Фактически основанные на теории методы расчета были раз- работаны только к середине XIX в., когда быстрое, развит-иё Строительства железных дорог сделало это необходимым. Пер* 13
вая железная дорога была построена в Англии в 1825 г. Идея железнодорожного транспорта основывалась на том, что маши- на с гладкими металлическими колесами движется по гладким рельсам, причем потери толкающего усилия на преодоление трения сведены до минимума. Это означало, что уклоны дорож- ного полотна должны быть малыми, иначе трение будет недо- статочным для того, чтобы машина смогла тащить поезд вверх по крутому склону. В связи с этим на местности с неровным рельефом необходи- мо устраивать тоннели или срезки грунта, мосты или насыпи, иногда в комбинации друг с другом. Мосты большей частью были дешевле, чем тоннели. Пока не построены все мосты и все участки линии не соединены между собой, вся железная дорога не может функционировать. Первые железные дороги в Англии имели каменные мосты с большим числом опор, напоминающие римские акведуки. Про- тив строительства железных дорог в Англии и других странах Западной Европы существовала сильная оппозиция со стороны людей, которые сейчас могли бы быть названы консерваторами. Давление общественного мнения, а иногда и законодательства, усиливали тенденцию к использованию традиционных типов мостов, построенных из традиционных материалов, которые вписывались в ландшафт. В Соединенных Штатах и в России железные дороги проходили по необозримым просторам необ- житых территорий, протяженность дорог была значительно больше и поэтому для мостов нашли применение более дешевые конструкции — треугольные фермы. Кроме того, дерево часто было естественным местным материалом вблизи трасс железно- дорожных линий. Поэтому именно в Америке и России была впервые сформулирована теория расчета треугольных ферм. Первые железнодорожные мосты в Америке были выполнены из дерева. Наиболее известным типом моста является ферма Хау, которая состоит из верхнего и нижнего поясов, соединен- ных деревянными раскосами, работающими на сжатие, и вер- тикальными стойками из ковкого чугуна. Такие фермы строи- лись до 1840 г. Позднее их стали выполнять из чугуна из-за опасности возгорания деревянных конструкций. Первый цельнометаллический ферменный мост был построен Уипплом в Соединенных Штатах в 1840 г. Фермы состояли из верхнего пояса и стоек из литого чугуна, нижнего пояса й рас- косов из ковкого чугуна. В 1844 г. Томас Уиллис Пратт запатен- товал более экономичную конструкцию чугунной фермы, в кото- рой стойки тоже работали на сжатие, а раскосы на ^астя^кение (рис. 1). Ферма Пратта сохранила свое значение и поныне (см. рис. 5, а). В 1846 г. Джеймс Уоррен построил в Англии первый ферменный мост без вертикальных элементов (см. рис. 4,в). Ферма Уоррена также используется до сих пор. . !о н 14
Рис. 1. Ферменный мост через р. Делавэр близ Трентона, штат Нью-Джерси, построен- ный Томасом Уиллисом Праттом Уиппл и Д. И. Журавский, оба инженеры-железнодорожни- ки,, один в Соединенных Штатах, другой в России, разработали независимо друг от друга первые методы расчета ферм. Уиппл опубликовал свое решение в «Эссе по строительству мостов», изданное в г. Ютика, штат Нью-Йорк, в 1847 г. Журавский опуб- ликовал свой метод анализа в русском журнале в 1850 г. Сегодня этот метод известен под названием «метода выреза- ния узлов». Так как ферма находится в состоянии равновесия, Рдс.. Определение усилия в нижнем поясе треугольной формы методом сечений. Если рассматривать моменты относительно точки А, усилие в нижнем поясе, умноженное на Сбудет равно реакции левой опоры, умноженной на 'АГ- Остальные три силы проходят через точку А и поэтому не образуют моментов относительно нее - 15 -
Рис. 3. Определение усилий в строительной ферме посредством диаграммы равновесия сил. Верхняя диаграмма с обозначе* ниями по системе Бау. Буквами обознача- ются пространства между элементами и силами. Узлы не маркируются. Каждая сила обозначается буквами, стоящими. с обеих сторон. Рассмотрим условия равно- весия на левой опоре: узел удерживается в равновесии реакцией опоры АВ, внутрен- ним усилием в стропильном элементе BF и внутренним усилием в горизонтальном поясе AF. Мы знаем величину и направле- ние реакции опоры АВ. Усилие (растягива- ющее или сжимающее) в стропильном эле- менте BF должно быть параллельно BF, а усилие в горизонтальном поясе AF (рас- тягивающее или сжимающее) должно быть горизонтальным. В соответствии с этим мы чертим АВ в условном масштабе, линии параллельно BF и AF. Пересечение линий даст точку F. Получаем треугольник сил для узла левой опоры. Если требуется, можно завершить построение параллелог- рамма сил добавлением ВА'1 и A'F. Рас- смотрим условия равновесия на следую- щем узле. Известны внешняя сила ВС и внутреннее усилие в элементе BF. Чертим линий параллельно CG и FG, образуя че- тырехугольник сил и т. д., пока не полу- чим полную диаграмму равновесия сил. Неизвестные усилия можно затем опреде- лить по масштабу. Будут, ли найденные усилия сжимающими или растягивающими, определяют по направлению сил. Если ди- аграмма вычерчена в крупном масштабе, достаточно хорошо отточенным каранда- шом, на хорошей чертежной доске, то ме- тод дает хороший результат, но с появле- нием счетных механизмов (см. разд. 5.4) " этот метод вышел из употребления более долгими. Метод сечений тельного расчета при проектировании, когда мы хотим быстро Определить параметры одного или двух наиболее ответственных элементов. Определение усилий во всех элементах достаточно трудоемкий процесс. каждый ее узел должен нахо- диться в равновесии. Поэтому мы можем определить горизон- тальные и вертикальные усй? лйя в каждом узле фермы пО очереди и таким образом име- ем 2J уравнения сил, где /' — чи- сло узлов в ферме. Как будет показано в разд. 2.2, всего мы имеем па три уравнения боль- ше, чем нужно для решения. Они используются как конт- рольные уравнения. Этот метод основан исключительно на вы- числениях. Следующим шагом в разви- тии проектирования ферм был метод сечений, опубликован- ный в 1862 г. немецким инже- нером А. Риттером в труде «Элементарная теория расчета железных крыш и конструкций мостов». Этот метод основан на условном рассечении фермы и замене отсеченных элемен- тов внутренними усилиями (рис. 2). Представим, что мы хотим найти усилие в нижнем поясе фермы. Рассмотрим моменты, создаваемые этими усилиями и внешними силами в одной из отсеченных частей относитель- но какой-либо точки. В дан- ном, случае наиболее удобной является точка А. Усилия в обоих рассеченных элемен- тах проходят через эту точку. Внешняя сила также прило- жена в точке А. Если вместо этого мы будем рассматривать моменты относительно менее удобной точки, мы получим тот же ответ, только расчеты будут особенно удобен для предвари- — 16 —
Наиболее йбпулярным становится третий метод. В XVIII и даже в XIX вв. более удобными, чем основанные на математи- ческих расчетах, были графические методы расчета. Логариф- мическая линейка с кареткой не была известна до 1859 г. (см. разд. 5.1). Анс Монж, основатель Политехнической школы в Па- риже, поддерживал внедрение графических методов всюду, где они могла быть использованы. Такие методы разработали неза- висимо друг от друга Карл Кульман, профессор инженерных наук во вновь основанном Федеральном техническом институте в Цюрихе, и Кларк Максвелл, в то время профессор естествозна- ния в Королевском колледже в Лондоне, впоследствии широко известный благодаря своим работам по электромагнитным вол- нам. Максвелл опубликовал свой метод в 1864 г., но он был принят лишь после того, как Роберт X. Бау объяснил его в книге «Экономика конструкций каркасных зданий» (Лондон, 1873 г.). Бау ввел систему обозначений, где буквами обозначаются про- странство между элементами фермы и силами вместо обозна- чения узлов (рис. 3). Во всех трех методах мы определяем внутренние усилия (растягивающие или сжимающие) в элементах фермы. Затем рассчитываем площадь сечения элементов делением каждого усилия на максимально допустимое напряжение материала (см. разд.'2.4). । Все три основных метода анализа простых ферм после веков эмпирического проектирования были разработаны менее чем в 'двадцатилетний срок. Это показывает, насколько настоятель- ная необходимость стимулировала их появление. 2.2. ПРИНЦИП СТАТИЧЕСКОЙ ОПРЕДЕЛИМОСТИ Л В описанных в предыдущем разделе методах подразумева- лось, что конструкции могут быть рассчитаны только по законам статики. Эта проблема довольно рано стала объектом внимания. В 1837 г. Август Фердинанд Мебиус, профессор астрономии Лейпцигского университета, опубликовал в «Руководстве по-ета- тике» теорему, которая теперь носит его имя. Представим, что все элементы фермы соединены на шарни- рах — давно используемый удобный метод соединения элемен- тон'из дерева или литого чугуна, работающих на сжатие, и свя- зующих элементов из- ковкого чугуна, применявшийся до изо- бретения сверлильных машин. * Термин «шарнирный узел» теперь подразумевает любой узел, который допускает в известных пределах поворот, так что эле- менты фермы конструкции могут находиться под воздействием сжимающего или растягивающего усилия, но не испытывает изгиба.; - ' 7. " г -.э к£ \
j = 3, n=3 ra“2j—3, (2.1) j = 5,n = 7 Рис. 4. Простейшая статически определимая ферма состоит из трех элементов и трея шарнирных узлов. Каждый дополнительный шарнирный узел требует добавления двух элементов. Ферма b представляет короткую ферму Уоррена Простейшая ферма состоит из трех элементов и трех узлов (рис. 4, а). Если мы уберем один элемент, ферма превращается в механизм. Для создания дополнительного узла мы должны добавить два элемента. Таким образом, число требуемых эле- ментов будет где « — число элементов; / — число узлов. Если ферма имеет меньше элементов, она разрушится. Если в ней больше элементов, мы не можем ее рассчитать методами статики. Поэтому ферма с числом элементов 2/—3 является ста- Рис. 5. Статически определимые фермы с / шарнирными узлами должны иметь П-2/-3 элементов. Если элементов больше, ферма является статически неопределимой (см. гд. 3). Если их меньше, ферма превращается в механизм а—ферма Пратта: f=10; п=17; б — ферма с центральной стойкой: f=6, №9 - 18 -
тически определимой (рис. 5). Статически неопределимые сис- темы мы рассмотрим в главе 3. Мёбиус опередил своё время. Его закон не был известен никому из тех, кто использовал методы расчета ферм, описан- ные в разд. 2.1, но когда Отто Мор, профессор Дрезденского по- литехнического училища, вновь открыл этот закон и опублико- вал его в 1884 г., он становится общепризнанным. Закон Мёбиуса может быть записан и по-иному, если вклю- чить в него реакции опор. Для фермы, опертой по концам, тре- буются две вертикальные реакции (см. рис. 5). В дополнение к этому необходима одна горизонтальная реакция на любом ее конце, чтобы ферма не была сдвинута с опор горизонтальной силой. При этом нужна именно одна горизонтальная реакция, так как две горизонтальные реакции будут препятствовать уп- ругому растяжению или сжатию нижнего пояса. Включив эти три реактивные силы в уравнение (2.1), получаем n+m=2j, где т — число требуемых сил реакции. 2.3. РАСЧЕТ БАЛОК Галилей предсказал решение задачи изгиба консольной бал- ки, нагруженной на конце ([1.1], разд. 7.4). Решение было не- правильным, но изгибающий момент для консоли был установ- лен верно. В большинстве последующих решений задачи изгиба консоли используется терминология, принятая Галилеем. Мари- отт ([1.1], разд. 8.3) в конце XVII в. с помощью эксперимента Определил зависимость между прочностью консоли и шарнирно опертой балки. Томас Тредголд [2.6] нашел способ определения изгибающего момента как для консоли, так и для шарнирно оиёртой балки, используя довольно сложный геометрический метод, основанный на «Элементах» Эвклида. Эта задача была впервые сформулирована математически в 1826 г. Луисом Ма- рия Генри Навье в его «Конспекте лекций», прочитанных в Учи- лище мостов и дорог для механиков, проектирующих конструк- ции и машины, в виде, приведенном на рис. 6. Определив изгибающий момент М, мы можем затем рассчи- тать момент сопротивления сечения Z, имея максимально допус- тимое напряжение f и используя теорию изгиба Навье ([1.1], разд. 8.3): M=fZ. . •э Преимущество использования двутаврового сечения, которое Лает сосредоточение большой части материала на максималь- ном удалении от нейтральной оси, было найдено эмпирически даже ранее того, как была разработана Теория изгиба. Тред^ голд [2,6] рекомендовал использование такого сечения из литого 19
Полная нагрузкам/ Рис. 6. Изгибающий момент в шарнирно опертой балке, несущей равномерно распреде- ленную нагрузку, статически определим. Это значит, что он может быть найден из усло- вий равновесия. Так как балка и нагрузка симметричны, реакции на обеих опорах равны 'I2W, где W — полная нагрузка на балку (а). Максимальный изгибающий момент возни- кает посередине пролета. Сделаем условное сечение на середине пролета. В левой части балки действуют силы: реакция левой опоры ’Ай7 и половина нагрузки W, которую несет балка, действующая посередине половины пролета балки, т. е. на расстоянии '/Д. от опоры. Взяв моменты относительно места сечения на середине пролета (в), получим вы- ражение изгибающего момента M~'I2WX.42L—'/2Wx'l<L=4aWL. Изгибающий момент изме- няется по закону параболы от 0 на конце балки до максимального значения (в) а —силы, действующие на балку; б — рассеченная (условно) по центру балка, удер- живаемая в равновесии максимальным изгибающим моментом; в —эпюра изгибающего момента чугуна в 1824 г.; Генри Корт в начале XIX в. начал изготовление прокатных элементов из ковкого чугуна, а к 1850 г. был уже освоен прокат элементов двутаврового сечения. Очевидные удобства для расчета дают таблицы геометриче- ских характеристик I — момента инерции и Z — момента сопро- тивления сечения, а также таблицы допустимых нагрузок, кото- рые могут выдержать элементы разного сечения при различных пролетах. Тредголд привел простые таблицы допустимых нагру- зок в своей книге по литому чугуну. Вскоре производители кон- струкций нашли полезным выпускать такие таблицы для своей продукции как часть торгового каталога. Некоторые такие ка- талоги сохранились. При пользовании таблицами проектирование простых балок значительно упростилось. Хотя ковкий чугун часто использовался в строительстве же- лезных дорог благодаря его большой ковкости и лучшему со- противлению ударному воздействию и вибрации, в первой поло- вине XIX в. в строительстве употребительнее стал более деше- вый литой чугун. Он обладает значительно меньшей прочностью на растяжение,, чем на сжатие, и к концу первой половины века в практику строительства вошло использование растянутых элементов е большим сечением, чем для сжатых элементов, ЙО
В 1847 г. Генри Филдер получил патент на конструкции со- ставных балок из соединенных на заклепках плит и уголков из литого и ковкого чугуна, чтобы использовать литой чугун для работы на сжатие, а ковкий—-на растяжение. В это время стои- мость ковкого чугуна была вдвое выше, чем литого, и, несмотря на высокую стоимость рабочей силы, такие составные профили оказывались экономичными. В 1856 г. Генри Бессемер изобрел процесс производства ста- ли продувкой воздуха через расплавленный чугун вместо сокра- щения количества углерода в стали в традиционном трудоемком- процессе. В результате стоимость стали резко упала. Бессеме- ровская сталь стала сочетать ковкость с прочностью, значитель- но большей по сравнению с ковким чугуном. . -----] В 1885 г. фирма Дорман Лонг и Компани в Англии и Корнеги, Фиппс и Компани в США начали производить прокатные балки и комбинированные балки из прокатной стали, а балки литого й ковкого чугуна вскоре сделались неэкономичными. Колонны же из литого чугуна были в употреблении вплоть до 1914 г. 2.4. ЗАДАЧА О ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ИЗГИБЕ Леонард Эйлер дал решение задачи о потере устойчивости упругого стержня еще в 1759 г. ([1.1], разд. 8.4) , но оно остава- лось академическим упражнением, так как на практике немно- гие колонны теряли устойчивость от продольного изгиба. Имеется два совершенно различных типа разрушения колонн. Если короткая колонна из ковкого чугуна или стали будет пере- гружена, материал течет, а первоначальная форма колонны не восстанавливается. Величина нагрузки, при которой происхо- дит разрушение колонны, зависит только от площади сечения колонны и от прочности материала на сжатие, по не от модуля упругости. В колонне из литого чугуна образуются трещины, но тем не менее результат остается аналогичным. Колонна, у которой Длина значительно больше ширины сече- ния (будем называть ее длинной колонной)/характеризуется со- вершенно другим видом разрушения. При перегрузке она вы- гнется в сторону и выйдет из строя, хотя материал сохранит упругость, т. е. при снятии нагрузки колонна восстановит свою' первоначальную форму и не разрушится. К колоннам такого типа относится решение Эйлера, который рассматривал нагруз- ку-в зависимости не от прочности материала на- сжатие, а -от модуля упругости и от отношения длины к ширине колонны.. Подавляющее большинство стальных колонн, встречающихся на практике, не настолько короткие, чтобы рассматривать толь- ко их прочность на сжатие, и не настолько длинные, чтобы не учитывать прочность материала. В этом промежуточном случае обе‘формулы, как относящаяся к короткой колонне, так и фор1
Рис. 7. Практический метод расчета ко- лонн. Прямая линия (1) характеризует на- грузку на «короткую колонну» Ps, которая не зависит от гибкости. Гипербола' (20 выражает нагрузку Эйлера Ре, которая об- ратно пропорциональна гибкости. Очевид- но резко расходящиеся кривые (/) и (2) не соответствуют показателям для практи- чески применяемых колонн. Кривая (3) показывает значение нагрузки Р, получен- ной из эмпирической формулы Репкина (2.3). Хотя формула Перри-Робертсона ос- нована на других теоретических положе- ниях, она также дает кривую близкую с (3). Гибкость равна £/ V ЦА (L — длина колонны, А — площадь сечения, I — мо- мент инерции). Это вытекает из формулы Эйлера мула Эйлера, особенно последняя, не обеспечивали достаточной надежности (рис. 7). Формула Эйлера явилась одной из причин скептического отношения многих британских инженеров к фран- цузской математической теории расчета конструкций. В 1824 г. Томас Тредголд опубликовал эмпирическую фор- мулу расчета колонн: р _№ 1-\-а!2 L2/d2’ где Р — безопасная нагрузка на круглую колонну; f — допускаемое напря- жение в колонне; А — площадь сечения колонны; L — длина; d— диаметр; а—Постоянная величина. Комментируя эту формулу, Тредголд писал: «Следует отметить, что чрезвычайно изящные методы анализа были приложены к тем же объектам Эйлером, Лагранжей и другими математика- ми континента без привлечения результатов более точных, более простых или более удобных для практического использования методов» [2.6]. Эмпирическая формула Тредголда, пересказанная Льюисом Гордоном, широко использовалась еще в XX в. Первое теоретическое обоснованное решение этого вопроса было дано Дж. У. Маккорном Ренкином в его «Руководстве по прикладной механике», опубликованном в США в 1858 г. Рен- кин сменил Гордона тремя годами ранее на посту руководителя инженерной науки в Университете в Глазго. Ренкин утверждал, что расчет нагрузки для короткой колонны (Д) справедлив при нулевой гибкости, а расчет по формуле Эйлера (А) справедлив при бесконечной гибкости. Для промежуточных величин гибко- сти колонн Р может быть получено в приемлемом приближении по формуле _L^_L + ±. (2.3) Р Ps Pi 1 7 На рис. 7 показаны графики зависимости нагрузки от гибкости колонн. Формула аналогична предлагаемой Тредголдом и Гор- — 22—
доном, а-требуемые постоянные величины по-прежнему опреде? дялись эмпирически. Формула типа Ренкина — Гордона Тредголда все еще при- водится в Указаниях Американского института стальных конст- рукций (строительные нормы для стали) издания 1969 г. Проблема, к которой обратился Ренкин, заключается в струк- туре формулы для короткой колонны и формулы Эйлера. Одна из них пренебрегает изгибом колонн, а другая не учитывает прочность материала. Трудности могут быть преодолены путем анализа колонны, нагрузка на которую несколько смещена от ее центра, или колонны, которая имеет небольшой изгиб по оси. В этом случае можно вывести формулу, которая дает теоретически точный результат не только для короткой или длинной колонны, но и для всех промежуточных значений гиб- кости. Для внецентренно нагруженной колонны задача была решена профессором Р. X. Смитом (Инженерное искусство. Т. 44, 1887 г., с. 303), а для колонны с начальным прогибом — профес- сором Джоном Перри (Инженерное искусство. Т. 42. 1886 г., с. 464) *. • Можно утверждать, что нагрузить колонну точно по центру так же трудно, как держать в равновесии иголку на острие. Точ- но так же трудно сделать идеально прямую колонну. Поэтому для того, чтобы теоретически определить поведение колонны, можно допустить существование небольшого эксцентриситета нагрузки (который существует даже тогда, когда колонна теоре- тически нагружена по центру) или допустить, что колонна име- ет небольшой начальный выгиб. Влияние эксцентриситета на- грузки и искривления колонны при определении предельной на- грузки аналогично. Первый подход к решению был предложен в Америке в 1955 г. •в докладе Объединенного комитета по проектированию по пре- дельной несущей способности ’[2.1] и с тех пор введен в Америке и некоторых других странах в национальные нормы по железо- бетонным конструкциям. Бетонные колонны в большинстве сво- -ем значительно менее гибкие, чем металлические и не всегда необходимо учитывать прогиб, а учет минимального эксцентри- ситета, определенного эмпирически, применим и к коротким -колоннам.. Английский исследовательский комитет по стальным конст- рукциям [2.7] в своем первом отчете в 1931 г. рекомендовал применение формулы, основанной на допущении небольшого начального прогиба. Известная как формула Перри—Робертсо- * Автор, по нашему мнению, осветил историю развития исследований по .рассматриваемой проблеме не вполне правильно. Более подробно этот вопрос изложен в книге Н. С. Стрелецкого: Работа сжатых стоек. — М., Госстройиз- ' дат; 1959. (Примеч. науч, ред.) - 23 —
ha она была введена й'йаЦионйльФыё нормы но проектированию металлоконструкции в. Англии и в некоторых других странах. Постоянные величины в формуле основывались на эксперимен- тах, проведенных профессором Эндрю Робертсоном [2.2]. В на- стоящее время проектирование стальных колонн выполняется с учетом возможности потери устойчивости при продольном изгибе. ’ Естественно, элементы, работающие на сжатие в фермах (см. разд. 2.1), ведут себя также, как колонны, и с конца XIX в. допускаемые сжимающие -напряжения в них определяются с уче- том гибкости или в соответствии с эмпирическими данными, либо по формуле Перри—Робертсона. Этого не учитывали при строительстве первых чугунных мостов, где к тому же не было связей, обычно применяемых для уменьшения гибкости элемен- тов. В результате сжатые элементы поясов мостов, не снабжен- ные растяжками, теряли устойчивость, в результате чего было несколько случаев обрушения [2.8]. 2.5. ПОТЕРЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ИЗГИБЕ БАЛОК Сжатые пояса балок также теряют устойчивость, если их гибкость слишком велика, но этот тип разрушения конструкций не так легко установить. Впервые эта проблема нашла отражение в работе Вилльяма Феарбейрна. Феарбейрн начал трудиться в качестве подмас- терья с 15 лет. Он изучал математику по вечерам, работая ин- женером-строителем. Феарбейрн построил много фабрик и дру- гих сооружений, особенно в промышленных северных районах Англии. Хотя он был лишь на год моложе Тредголда, он с боль- шим уважением относился к французской строительной науке. -После посещения Парижской выставки 1855 г. он написал в сво- ем отчете:' ' " . - «В результате виденного мною я твердо уверен, что французы и немцы -опередили нас в теоретических познаниях принципов индустриального искус- ства, и я полагаю, что это происходит вследствие более благоприятных усло- вий, создаваемых учреждениями этих стран в обучении химии и математике. Под воздействием мощных стимулов развития мы упорно продвигаемся количественно, в то время как другие страны, менее развитые и менее бога- тые, значительно более тщательно,' чем мы изучают широкие возможности использования материала и -во многих случаях находятся впереди нас каче- ственно» [2.8]. . В своих наиболее.полных исследованиях Феарбейрн сотруд- ничал с Итоном Годкинсоном, его ровесником, также получив- шим только начальное образование. В возрасте 22 лет Годкин- сон встретился с Джоном Дальтоном, сформулировавшим тео- рию атомной химии. Дальтон помог Годкинсону в овладении ма- тематикой и познакомил его с работами французских классиков механики, таких как Бернулли, Эйлер и Лангранж. Позднее Год- — 24 —
Рис. 8. Мост коробчатого типа про- летом 126 м через р. Конвей, 1849 г. Феарбейрн исследовал не только дей- ствие вертикальных нагрузок на ко- робчатые конструкции, но и эффект горизонтальной ветровой нагрузки и неравномерного нагрева от солнечных лучей Рис. 9, Схема чикагского металличе- ского каркаса, состоящего из колонн (литой чугун), которые несут стальные балки. Последние считались шарнирно опертыми. Ветровая нагрузка, если она принималась во внимание, воспри- нималась кирпичными стенами и диа- гональными связями 'кинсон изложил результаты своих исследований в работах, про- читанных в Манчестерском Литературно-философском обществе, где Дальтон был ведущим членом. В 1847 г. Годкинсон стано- вится профессором основ инженерной механики в Колледже Лондонского университета. Роберт Стефенсон (сын знаменитого строителя'первой пас- сажирской железной дороги) получил в 1845 г. утвержденный парламентом акт, санкционирующий строительство железной
дороги от Лондона до Холихэда, откуда, пассажиры продолжа- ли путь в Дублин по воде. Эта железная дорога была необходима для пересечения пролива Мэней между материком и . островом Энглиси. Британское адмиралтейство наложило ограничения на размеры и размещение опор моста в интересах судоходства, и, в конце концов, было решено использовать чугунные короба, через которые поезд должен проходить, как через туннель. Дол- жно было быть два центральных пролета по 140 м и два более коротких пролета. В дополнение к этому мосту, названному «Британия», предполагалось возвести другой более короткий мост такого же типа длиной 128 м через р. Конвей (рис. 8). Феарбейрн был привлечен к строительству в качестве кон- сультанта. На территории фабрики он испытал несколько одно- пролетных Коробчатых секций. Было хорошо известно, что балки из литого чугуна, опертые по концам, разрушаются с нижнего пояса, где действуют растягивающие усилия. Короба из ковкого чугуна разрушались, однако, в верхней части. В «Отчете о стро- ительстве коробчатых мостов «Британия» и «Конвей», опубли- кованном в 1849 г., Феарбейрн дал следующие объяснения: «В ходе экспериментов выявился ряд неожиданных и интересных явле- ний, многие из которых противоречили ранее сложившимся представлениям о прочности материалов и совершенно отличались от того, что когда-либо на- блюдалось в предыдущих научных исследованиях. Было отмечено, что посто- янно, почти в каждом эксперименте, короба деформируются под воздействием нагрузки с верхней стороны» [2.9]. Феарбейрн обратился к Годкинсону с просьбой дать теорети- ческое объяснение этому явлению, на что Годкинсон ответил: «Любое заключение, выведенное из испытания прочности коробов малых размеров, может быть только приблизительным, так как у таких коробов обычно верхняя сжатая часть начинает коробиться и теряет несущую способ- ность задолго до того, как часть ее, подвергающаяся растяжению, подходит к предельному напряжению». Годкинсон, таким образом, предложил продолжать опыты, «чтобы выяснить насколько эти результаты, не предвиденные теорией, могут Повлиять на точность вычисления прочности ко- робов» [2.8]. Тогда Феарбейрн построил модель длинного коробчатого про- лета в масштабе 1 : 6. Верхняя часть нагружалась, пока раз- рушение не происходило одновременно сверху и снизу. Однако до того, как это достигалось, в стенках конструкции происходи- ло волнообразное смятие — явление, теперь называемое «поте- рей устойчивости при сдвиге». Поэтому было решено увеличить жесткость конструкции уголками, приклепанными к боковым стенкам. Две идеи, предложенные Годкинсоном, а именно сни- жение допустимых напряжений в сжатых полках балок и по- вышение жесткости стенок балок, с тех пор широко используются. - 26 -
2.6. ЧИКАГСКАЯ ШКОЛА И КАРКАСНЫЕ КОНСТРУКЦИИ Вполне симптоматично для развития архитектуры много- этажных зданий, что первое здание с металлическим каркасом было построено в 1885 г. не в Европе, а на американском Сред- нем Западе. Не было никаких особых конструктивных проблем, которые задерживали бы развитие этого вида строительства. Пяти- и шестиэтажные промышленные здания с чугунными колоннами и балками .возводились в Англии в большом количестве с 1803 г. Теория проектирования каркасных зданий не представляла труд- ностей (рис. 9). Такая конструкция могла рассматриваться как ряд колонн, на которые опираются однопролетные шарнирные балки. Навье опубликовал решение задачи изгиба балки в 1826 г. .(см, разд. 2.3). Тредголд решил задачу расчета колонн и опуб- ликовал это решение в 1858 г. вместе с теорией изгиба (см. разд. 2.4). t В проектах первых чугунных и стальных каркасов ветровая нагрузка еще не учитывалась, так как здания имели массивные^ каменные стены, которые создавали достаточную прочность кон- струкций. Изобретение каркаса, поэтому, не сдерживалось технически- ми проблемами, а зависело в большей степени от социальных и экономических факторов. Первое здание с чугунным каркасом .было построено в 1880 г. в Чикаго. В 1854 г. была изобретена -безопасная кабина, которая позволила использовать подъемни- ки для транспортировки пассажиров (см. разд. 8.7). Подъемни- ки использовались уже в течение нескольких веков для подъема грузов и для транспортировки шахтеров; но первый пассажир- ский лифт был построен в Нью-Йорке только в 1857 г. Первый лифт в Чикаго — «Патентованный паровой пассажирский лифт Отиса» был установлен в 1870 г. в здании Хонор Блок, сгорев- шем в 1871 г. . .Препятствием, которое должно было быть преодолено, была инерция архитектурного мышления. Чугун столетиями с успехом использовался в строительстве мостов и промышленных зданий, но эти сооружения проектировались инженерами. Международ- ная выставка 1851 г. в Лондоне (см. разд. 10.1) сделала чугун модным материалом, однако Кристал Палас было построен кон- структором оранжерей с помощью инженерной фирмы, .^-.Проектируемыми архитекторами зданиями с использованием НУГУна до 1880 г. были большей частью рынки или библиотеки, -и даких зданий было не много. В их числе можно назвать Чи- тальный зал Британского музея, построенный Сиднеем Смирке, Национальную библиотеку в Париже Генри Лабруста, здание ;Г»ранд Аль в Париже Виктора Балтара и Рыбный рынок в Лон- дрне Хангерфорда (см. также разд. 3.3). - 27 -
Среди немногих здйнйй с чугунным каркасом, не входящих в эту категорию, были Театр Франсе и Павильон в Брайтоне (см. [1.1], разд. 8.6). В Чикаго, однако, не существовало традиций. Город рос быстро, начав с маленького поселения. Форт Диаборн, двух- этажное бревенчатое сооружение, был построен в 1804 г. и сож- жен индейцами в 1812 г. В 1830 г. население его было все еще меньше 100 человек. В 1840 г. оно возросло до 4 тыс., в 1850 г.— до 30 тыс., в 1860 г, — 109 тыс., а в 1870 г.— 299 тыс. человек. В воскресенье, 8 октября 1871 г., начался Большой пожар и к следующему утру 18 тыс. зданий, включая весь центр города, были полностью уничтожены [2.10]. Чикаго уже стал местом рождения «дутого каркаса», кото- рый был изобретен Джорджем Вашингтоном Сноу и впервые ис- пользован при строительстве Чикагской церкви в 1833 г. Недо- статком традиционных деревянных конструкций и одним из наиболее дорогостоящих моментов строительства было решение узлов сопряжений. В дутом каркасе древние соединения «в паз» и «в шип» были не нужны, и деревянные элементы соединялись чугунными гвоздями массового производства, которые давали более прочные соединения и стоили значительно дешевле, чем изготовляемые вручную гвозди начала XVIII в. Кроме того, де- ревянные гвозди были меньше и поэтому вбивались чаще. На- звание «дутый каркас» вначале выражало насмешку над кон- струкцией, однако новая конструкция в короткое время нашла широкое применение на Среднем и Дальнем Западе благодаря тому, что она обеспечивала большую экономию времени и де- нег и не требовала квалифицированного труда. Вскоре новое решение распространилось по всей территории Соединенных Штатов, а также Австралии. В Европе, однако, традиционные методы соединений были более устойчивы. После пожара Чикаго стал энергично восстанавливаться. К 1880 г. население города увеличилось до 500 тыс. человек, к 1890 г, —до 1 млн., а к 1910 г. оно составило 2 млн. человек. Действующие на механической тяге пассажирские лифты нашли Широкое применение как раз перед пожаром, и многие здания в городе получили название «лифтовых домов». Внедрение лиф- тов позволило увеличивать этажность зданий. Большинство зданий, построенных после пожара, имело внутренний каркас с колоннами из литого чугуна, поддержива- ющие фермы —балки из литого или ковкого чугуна, на которые, в свою очередь, были положены чугунные или деревянные ри- гели. Пролет между колоннами редко превышал 3 м, и был обычно одинаков в обоих направлениях. В 70-х и 80-х годах XIX в. вертикальные связи еще не применялись. Наружные сте- ны выполнялись в основном из массивной каменной кладки, раз- деленной на простенки из кирпича, или облицовывались камнем; рассчитывались они на восприятие своей массы и нагрузки от — 28 —
Перекрытий й крЫшй от ПоЛойины пролета,'непосредственна прилегающего к стенам. Предположительно они также рассчи- тывались на сопротивление ветровой нагрузке, работы велись быстро — большинство зданий отстраивалось менее чем за год. Фасады отличались простотой отделки и отсутствием почтения к исторически установившимся формам орнаментики, чем Чи- кагская школа привлекала пионеров современной архитектуры. В этом отношении Чикагская архитектура конца XIX в. отли- чалась не только от европейской, но и от архитектуры восточ- ных штатов. Заметные изменения произошли также в производстве под- земных работ. Известняковый материковый слой под улицами городского центра в Чикаго толщиной примерно 38 м от уровня планировки был покрыт глиной и песком с включением «водя- ных карманов». Это вызывало необходимость для значительной части- застройки проектировать здания с развитыми фундамен- тами, состоящими из ступенчатой каменной кладки и верхнего ростверка из чугунных рельсов. Обычно каждая колонна или стена опиралась на свой изолированный фундамент. В некото- рых зданиях была сделана попытка учесть осадку конструкций, и здания строились с повышением уровня фундаментов на вели- чину предполагаемой осадки. В 80-х годах прошлого столетия в Чикаго было много талант- ливых и оригинальных архитекторов, но эволюция каркасного здания является в свою очередь результатом работы Уильяма Ле Барон Дженни, который родился в Массачусетсе в 1832 г. В 1853 г. он выехал во Францию и в 1856 г. окончил курс инже- нерных наук в Центральном художественно-промышленном учи- лище. Во время гражданской войны Дженни находился на во- енной службе. После отставки в 1867 г. он направился в Чикаго, где работал вплоть до 1905 г. (за исключением краткого периода работы в Мичиганском университете в 1876 г., куда он был при- глашен профессором архитектуры). Первое здание, построенное Дженни, — семиэтажное здание Портланд Блок (1872) имело несущие стены и внутренний кар- кас с колоннами и балками из литого чугуна. На гладкой по- верхности наружных стен не было никаких архитектурных де- талей за исключением мелкой рустовки и узких тяг по углам здания, но каждая контора имела свою выходящую на улицу витрину. В пятиэтажном здании Лейтер Билдинг (1879) колон- ны из литого чугуна сечением 200X200 мм были размещены непосредственно у восточной и западной стен и поддерживали -деревянные балки. У южной стены от фундамента до крыши шла непрерывная решетка из литого чугуна, частично поддерживаю- щая перекрытия. Наружные стены были частично несущие, в северной стене чугун не использовался. г. Первый полный каркас был применен Дженни в девяти- ; этажном здании компании Хоум Иншуренс, построенном в 1885 г. — 29 —
Конструктивная часть проекта была вручейа помощнику Джен- ни инженеру Георгу Б. Уитни, получившему образование граж- данского инженера в Мичиганском университете. В этом здании колонны из литого чугуна были поставлены и внутри здания, и в толще наружных стен. Балки были запроектированы из ков- кого чугуна, но «было получено разрешение на замену балок из ковкого чугуна первой партией балок из бессемеровской стали от Карнеги-Пиплз Компани». Появление первого несущего каркаса в то время осталось почти незамеченным. В 1896 г. Ф. Т. Гейтс, президент Бессемер Стимшип Компани, направил запрос издателю журнала «Инжи- ниринг Рекорд», спрашивая, «кому принадлежит честь открытия или практического использования идеи высоких стальных кон- струкций для зданий». Среди ответов наиболее примечательный пришел от Даниэля X. Бернхэма, который к этому времени стал одним из ведущих чикагских архитекторов: «Принцип восприятия нагрузки от всего здания достаточно жестким ме- таллическим каркасом, защищенным от огня, является именно тем, что раз- работал Уильям Ле Барон Дженни. Никто не предвосхитил этого и ему одно- му принадлежит честь свершения этого инженерного подвига» [2.10]. Каркас был второй необходимой предпосылкой для успешно- го развития многоэтажных зданий после появления лифтов. До пожара высота зданий в деловом районе Чикаго была в преде- лах от четырех до шести этажей. Лифты начали использовать- ся только за год до пожара. После пожара лифты стали обыч- ным явлением (см. разд. 8.7) и высота зданий выросла до восьми этажей. В 1882 г. появилось первое десятиэтажное здание Мон- таук Блок. Это здание, спроектированное Бернхэмом и Рутом, имело несущие наружные стены, внутренний каркас с колонна- ми из литого чугуна и балками из ковкого чугуна. Оно было также первым зданием, в котором для уменьшения глубины фундаментов были применены ростверки из чугунных рельсов. В начале 90-х годов XIX в. в Чикаго возникает более дюжи- ны зданий, высота которых превышает 10 этажей, и в 1891 г. появилось название «небоскреб». Таким образом Монтаук был первым небоскребом. По мере увеличения высоты зданий несущие стены станови- лись все толще. Предел этому увеличению был достигнут в 16-этажном здании Монаднок Блок, построенном в 1891 г. (рис. 10). Его несущие стены толщиной 1,83 м в нижнем этаже были наиболее толстыми стенами среди современных несущих стен в Чикаго, а возможно и во всем мире. Авторами этого зда- ния были те же Бернхэм и Рут, однако решение применить не- сущие стены было принято заказчиком, Шефердом Бруксом, который писал своим деловым партнерам, когда планировалась дополнительная пристройка к зданию Монаднок Блок: «Что касается возведения многоэтажного здания полностью из стали для долговременного пользования, я бы не принимал такого решения. Такое зда- — 30 —
Рис. 10. 16-этажное здание Монаднок Билдинг, 1891 г. Проект выполнен Берн- хэмом и Рутом. Здание имело несущие стены толщиной 1,83 м на уровне 1-го этажа, так как заказчик проявил недоверие к. надежности конструкции со сталь- ным каркасом (см. разд. 9.2) - 31
Рис. 11. Типичный узел стального каркаса, применяемого в Чикаго (9-этажное здание Феар Стар, построенное У. Л. Дженни в 1892 г.) [2, 19] ние, без сомнения, хорошо служило бы много лет, однако имеется слишком много риска и неясности в отношении изменения прочности во времени» [2.3]. Бернхэм и Рус возвели стены с учетом осадки фундаментов на 200 мм выше намеченного уровня. К 1905 г. осадка стен до- стигла этой величины и «несколько дюймов свыше этого». К 1940 г. стены осели на 500 мм. Осадки из-за повышенного соб- ственного веса зданий на Чигагских глинах представляли тогда неразрешимую проблему, и Монаднок Блок был последним не- боскребом с несущими стенами до 60-х годов XX в. (см. разд. 9.2). Кэпител Билдинг, построенное в 1892 г. (позднее известное как Масоник Темпл), представляло собою новое достижение. Это здание, спроектированное Бернхэмом и Рутом, имело 21 этаж и высоту 92 м. Его конструктивной основой был сталь- ной каркас; массивные колонны — коробчатые. Для придания каркасу жесткости, необходимой для восприятия ветровой на- грузки, были применены перекрестные раскосы из ковкого чугу- на. Фундаменты состояли из железобетонных опор глубокого заложения. С этого времени лидерство в строительстве многоэтажных зданий перешло к Нью-Йорку. Там в 1896 г. было построено 26-этажное здание Сент Пол Билдинг, а в 1907 г. — 47-этажно? - 3?
Зингер Билдинг высотой 206 м. Это было первое здание, превы- сившее по высоте готические и ренессансные соборы, а также древнеегипетскую Великую пирамиду в Гизе. Здание компании «Хоум Иншуренс» было первым, где для балок (правда, только в верхних этажах) была применена бессемеровская сталь. С этого времени такую сталь начинают широко применять для ба- лок, однако для колонн она считалась слишком дорогой. В построенном в 1890 г. четырехэтажном здании Рилайнс Билдинг (авторы Бернхэм и Рут), десятиэтажном здании Рэнд Мак Нелли Билдинг (авторы Бернхэм и Рут) и 12-этажном Как- стон Билдинг (авторы Холеберд и Роше) впервые были приме- нены колонны из бессемеровской стали. Продолжали исполь- зоваться и колонны из ковкого чугуна, например, в 16-этажном здании Манхэттен Билдинг, построенном в 1890 г., и в 16-этаж- ном здании Юнити Билдинг — в 1892 г. Однако в канун века кле- паный стальной несущий каркас становится общепринятой кон- струкцией для всех американских небоскребов (рис. И). В 1893—1894 гг. было впервые построено здание с жестким каркасом (Олд Колони Билдинг) по проекту Коридона Т. Пур- ди. Узкое 16-этажное здание было открыто воздействию ветра со всех четырех сторон. Стены с большими окнами не были рас- считаны на горизонтальную нагрузку. Пурди поместил в наруж- ных пролетах арочные вставки из ковкого чугуна, соединяющие колонны из ковкого чугуна со стальными балками (рис. 12), что создало ряды жестких портальных рам, способных воспринять горизонтальную нагрузку. В начале XX в. каркасы американ- ских небоскребов, как правило, проектировались в виде ряда жестких портальных рам, воспринимающих ветровую нагрузку. Такая система применена и в Эмпайр Стейт Билдинг (разд. 4.1). 2.7. ИЗОБРЕТЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА К середине XIX в. обычный бетон доказал свои высокие ка- чества прекрасного материала для инженерных конструкций, особенно тех, которые имеют контакт с водой (см. [1.1], разд. 8.7). Из обычного бетона было построено несколько весь- ма внушительных арочных мостов. Наиболее протяженным из них был железнодорожный мост с пролетом 64,5 м, построенный Дикерхофом и Видманом (1904—1906) в Кемптене (Германия) через р. Иллер. Внедрение бетона в строительство зданий шло медленнее, хотя бетон с водоустойчивым цементом (естественным или порт- ландцементом) заменил известковый цемент в фундаментных работах, а цементный раствор заменил известковый в наруж- ной штукатурке. Было лишь несколько примеров использования бетона в сте- рнах. В 1837 г. Д. Б. Уайт, купивший за три года перед этим це- 2 Зак. 887 — 33 —
ментные заводы в Кенте, построил для себя большой двухэтаж- ный дом в стиле Тюдор [2.11]. В 1834 г. французский архитек- тор Жан Август Лебрен построил одноэтажное здание школы в Сент Аньян в департаменте Тарн э Карон (Южная Франция). Его предложение покрыть здание бетонной крышей с бочарным сводом было отклонено. В 1835—-1836 гг. он построил в окрест- ностях Корбери бетонное здание церкви со стенами толщиной 700 мм. Здание предполагалось покрыть бочарным бетонным сводом пролетом 8 м. Когда опалубка была снята, небольшая трещина в торцовой стене распространилась до вершины свода и прошла по всей его длине. Лебрен не предусмотрел связей, воспринимающих горизонтальные усилия распора в бетонном своде, и в 1837 г. крыша была заменена деревянной [2.12]. Попытки использовать бетон в стенах многоэтажных зданий, естественно, сопровождались применением бетона и в конст- рукциях перекрытий. Это требовало усиления бетона металлом. В конце XVIII в. для огнестойких перекрытий промышленных зданий использовались кирпичные арки, покрытые сверху пес- ком и керамическими плитками (см. [1.1], разд. 8.6). В начале XIX в. песок иногда смешивали с известью или цементом, полу- чая малопрочный бетон. В 1844 г. доктор Фокс запатентовал решение конструкций перекрытий, использовавшееся еще в 30-х годах, которые состоя- ли из балок литого чугуна с шагом 0,5 м, с известковым бето- ном на деревянной обрешетке с последующим оштукатурива- нием. По существу, это была конструкция с бетонным полом по балкам из литого чугуна. Она была использована, например, в замке Балморал — шотландской резиденции королевы Вик- тории [2.12]. Более поздний вариант конструкции с балками из ковкого чугуна показан на рис. 113. В 40-х годах XIX в. Феарбейрн, спроектировавший много каркасных промышленных зданий, применил подобную конст- рукцию с шагом колонн из литого чугуна до 3 м, а затем и с большим шагом, с бетонными арочными перекрытиями между балками (рис. 13). Бетон поддерживался металлическими (из ковкого чугуна) листами, и балки были соединены обычным способом стержнями из ковкого чугуна. Как листы, так и попе- речные стержни играли роль арматуры бетона (см. разд. 7.2). Первая серьезная попытка использовать бетон в строитель- стве зданий была предпринята Франсуа Куанье, который в 1855 г. запатентовал «beton agglomere». Этот бетон замеши- вался с небольшим количеством воды в постоянно работающем смесителе (на конской тяге). Бетон утрамбовывался в формы (а не заливался) и формы использовались неоднократно. Куанье заявил в приложении к патентной заявке, что эта технология может быть использована для изготовления наиболее сложных частей здания, таких, как балконы и лепнина, если формы будут изготовлены достаточно аккуратно. - 84 -
Рис. 12. Каркас, состоящий из порталов. В качестве примера показаны конструкции здания Оулд Колони Билдинг в Чикаго, 1893—1894 гг. Справа видны шарнирно опертые балки центрального пролета. Проект выполнен архитекторами Хоулбердом и Рочем с консультантом-конструктором Коридоном Т. Пурди Позднее в том же году Куанье запатентовал в Великобрита- нии метод армирования, в котором он предложил располагать стержни арматуры переплетенными, как клетки шахматной дос- ки. Стержни заводятся во все четыре стены, поддерживающие плиты перекрытия. В следующем году Куанье получил новый патент во Франции, в котором было введено понятие «tirans» (растянутые элементы) для чугунных стержней. Очевидно, к это- му времени Куанье имел достаточно точную оценку их функции. ; Куанье сделал предложение о возведении бетонного дома на Всемирной выставке, которая должна была проводиться в Па- риже в 1855 г. В нем он обращал внимание на новые материа- лы— «beton agglomere» и «beton pise». Его объяснительная за- пуска свидетельствует о замечательной проницательности: 2* - 35 -
Рис. 13. Огнестойкие перекрытия, строившиеся Уильямом Феарбейрном в 40-х годах XIX в. Балки из литого чугуна имели шаг 3 м, что создавало сравнительно большие пролеты для бетонных арок. Бетон заливался по листам ковкого чугуна, служившим оставляемой опалубкой. Обычные связи закладывались внутри бетона «Наши заказчики больше не требуют тех громоздких и тяжелых конст- рукций, которые произведут па будущее поколение впечатление архитектуры далекого прошлого. Не лучше ли, чтобы один дом служил одному поколе- нию? Это решение особенно своевременно сегодня, когда господство камня в строительных конструкциях по-видимому подходит к концу. Цемент, бетон и чугун пришли на смену камню. Камень будет теперь использоваться для мо- нументов» [2.12]. Предложение Куанье построить на выставке целый дом не было принято, но ему была предоставлена возможность выста- вить несколько бетонных элементов, за которые он получил брон- зовую медаль выставки. На этой же выставке Джозеф Луис Ламбо экспонировал за- патентованное им ранее судно, выполненное из цементного раст- вора и арматурной сетки. Этот экспонат вызвал большой интерес, и несколько историков объявило Ламбо изобретателем армиро- ванного бетона. Одно такое судно все еще эксплуатировалось в 1902 г., а в 4955 г. к столетию со времени проведения выставки два армоцементных судна были подняты со дна озера на юге Франции. В начале 50-х годов XIX в. была начата перестройка Парижа, и Куанье получил ряд заказав. Французский журнал отмечал в 1853 г., что целые кварталы Парижа застраивались в «невероят- но короткий срок» с использованием метода Куанье, при кото- ром применялся известковый бетон, составленный из 1,5 части речного гравия, 2,5 части песка, 1,5 части извести и 1,5 части кипящей воды [2.11]. В 1862 г. Куанье построил себе трехэтажный жилой дом на окраине Парижа Сен Дени, использовав бетон для всех частей здания, которое сохранилось до сих пор. Здание было выполнено в стиле Палладио. Бетонная крыша была армирована двутавро- выми балками высотой 120 мм с шагом 1 м [2.11]. В 1868 г. — 36 —
Куанье испытывал финансовые затруднения и обанкротился во время экономического кризиса, последовавшего после сдачи Па- рижа немцам в 1871 г. Тем временем У. Б. Уилкинсон также .начал применять арми- рованный бетон в Ньюкасл-апон-Тайн в Северной Англии. Целый ряд патентов подобного рода был зарегистрирован в Анг- лии в середине XIX в., но патент Уилкинсона, полученный нм в 1854 г., был единственным, подтвержденным практическим использованием: «Изобретение усовершенствованных конструкций огнестойких зданий, складов и других учреждений или их частей, включая лестницы, покрытие полов и т. д., а также гипсовые пустотелые огнестойкие и звукоизоляционные перегородки и бетонные перекрытия, посредством армирования металлически- ми прядями и прутьями небольшого сечения, размещаемыми ниже централь- ной оси бетонных элементов» [2.11]. Однако воздействие Уилкинсона на развитие железобетона было незначительным. Действительно, его патент был забыт, но когда в 1955 г, подрядчик сносил здание, построенное Уилкинсо- ном в 1865 г., он заметил необычное решение конструкций и со- общил об этом профессору Ньюкастлского университета Фишеру Касси, который впоследствии обнаружил еще несколько зданий, построенных Уилкинсоном [2.13]. Все эти здания были неболь- шие и всюду в качестве основной арматуры были использованы пряди, применяемые в лебедках шахтных подъемников (рис. 14). Эта арматура закреплялась в балках сверху над опорами и опус- калась вниз в середине пролета, так что ее положение соответ- ствует положению арматуры в неразрезанных балках (см. разд. 3.2). В этом плане Уилкинсон либо был впереди своих со- временников в технической интуиции, либо нашел .правильное решение случайно. Несколько небольших чугунных стержней обеспечивали дополнительное .армирование. Касси испытал не- сколько образцов бетона и получил прочность на сжатие 26— 31 МПа, что сравнимо с прочностью современного бетона [2.41]. Большинство наиболее смелых из ранних бетонных построек в Англии было возведено Эндрю Петерсеном (поклонником Кри- стофера Рена). После своей отставки он построил 13-этажную бетонную башню высотой 66,5 м в Хэмпшире (1879—4'885). Пе- терсен использовал поднимающуюся опалубку и подъемник бето- на, приводимый в движение лошадью. Толщина стен изменялась от 600 мм внизу до 300 мм в верхней части башни. Перекрытия имели чугунные профили в качестве арматуры. Неясно, зачем Петерсен построил это примечательное сооружение, но оно стоит до сих пор. Развитие железобетонных конструкций в Америке было, по 7 существу, оторвано от европейских достижений в этой области. Одним из ранних примеров железобетонного сооружения в Аме- рике был дом, который Уиллиам И. Уорд построил для себя в — 37 —
Рис. 14. Конструкция железобетонного перекрытия, запатентованная У. Б. Уилкинсоном. Основная арматура состоит из вышедших из употребления тросов шахтоподъемников, закрепленных в верхней части балок у опор и опущенных в середине пролета так, что форма арматуры соответствует работе неразрезных балок. Дренажные трубы уложены у центра пролета, чтобы уменьшить массу бетона Порт-Честере, окраине Нью-Йорка (1873). Уорд был инженером- механиком, владельцем фабрики по производству болтов. В Нью- Йорке с его холодными зимами, требующими применения отоп- ления, пожары были обычным явлением в домах с деревянными перекрытиями (а часто и целиком деревянных). Уорд решил по- строить огнестойкое жилище. После того, как ему попался экземпляр «Практического пособия по бетону Куанье и другим видам искусственного камня», изданного в Нью-Йорке в 1871 г., он проделал серию экспериментов с бетонными балками, арми- рованными чугунными стержнями. Он сначала установил, что арматура должна быть в нижней части балки, а затем провел проверку работы железобетона на срез, прогиб и огнестойкость. В 1872 г. он поручил нью-йоркскому архитектору Роберту Муку проектирование дома без применения дерева в его кон- струкциях. Дом был построен в стиле французского Ренессанса, обычного для вилл в долине Гудзона, с мансардной крышей, с двумя башнями с амбразурами и открытой верандой с тоскан- скими колоннами. Из дерева были выполнены лишь переплеты окон, двери и перила лестниц. Мансардная крыша была- бетон- ная, армированная чугунными прутками. Ковры прикреплялись к полосам, втопленным в бетонный пол. Уорд -сам выполнил проект конструкций дома и лично вел наблюдение за ходом работ. Перекрытия были в основном тол- щиной 90 мм, -армированные прутками диаметром 8 мм и длиной 1,8 м. Полые-колонны веранды служили -водосточными трубами. Вся лепнина и конструктивные кессоны потолка были отлиты на месте из бетона, составленного из портландцемента, песка и дробленого медного купороса. Дом стоит до сих пор. В 1877 г. в журнале «American Architect» этот дом был подробно описан и опубликовано несколько статей об использовании бетона. Уорд сам написал работу «Бетон в -сочетании с металлом как строи- тельный материал», которая появилась в 4-м томе «Трудов Аме- риканского общества инженеров-механиков» (1882—1883). Более вначительной была работа Тадеуша- Хайатта, начатая в 1855 г. В 1877 г. он опубликовал для ограниченного распро- странения «Доклад о некоторых экспериментах с бетоном на портландцементе^ в сочетании с чугуном как строительным мате-
.риалом с рекомендациями по экономии металла в конструкциях и предохранению от огня при возведении перекрытий, крыш и покрытий полов». В работе содержались данные испытаний пя- тидесяти балок на прочность и огнестойкость, а также методы расчета. Хайатт получил несколько патентов в Соединенных Штатах и Англии. Эрнест Лесли Рэнсом родился в г. Ипсвич в Англии в 1844 г. В этом же году его отец открыл фабрику по производству бетон- ных блоков. В 1866 г. сын был послан в отделение, организован- ное Рэнсомом старшим в Балтиморе, и уже в 1870 г. работал самостоятельно. Неизвестно, насколько Рэнсом был знаком с экспериментами Уорда и Хайатта, однако в 1884 Г.' он вапатен- товал окрученные в спираль квадратные прутки арматуры для улучшения сцепления между чугуном и бетоном. С 1889 по 1891 г. Рэнсом построил здание музея при вновь образованном Стэн- фордском университете около Сан-Франциско. Трехэтажное зда- ние было огнестойким, так как в нем не было деревянных кон- струкций. Перекрытия были железобетонные. Бетонные плиты покрытия опирались на чугунные фермы. Переплеты окон также были металлическими, холл был облицован мрамором. Рэнсом, был, вероятно, первым, кто применил отделку бетонной поверх- ности с обнажением заполнителя, для чего верхнюю часть це- мента снимали зубилом. Для бетонного здания XIX в. отделка была исключительно хорошей. Рэнсом использовал свои идеи железобетонных каркасных конструкций в нескольких многоэтажных зданиях, а в 1902 г. он выстроил первый железобетонный небоскреб — 16-этажное зда- ние Ингеллс Билдинг в Цинциннати высотой 54 м. Это здание имело каркас со стенами, которые были, по сути дела, навесны- ми. Здание было решено в традиционном для чикагской, школы функциональном духе (см. разд. 2.6). В этом же году Рэнсом запатентовал систему железобетонных конструкций, главным преимуществом которых он считал исключение необходимости иметь толстые бетонные стены, что давало возможность делать большие окна там, где это требуется. Джозеф Монье, человек, чаще других называемый изобрета- телем бетона наряду с Пакстоном (см. разд. 10.1), сначала про- являл интерес к парковому искусству. В 1863 г. он запатентовал способ изготовления больших емкостей для выращивания деревь- ев в оранжереях, которые становятся к этому времени популяр- , ными (см. разд. 9.3). Емкости представляли собой сетку из чу- > гунных прутьев, покрытых цементным раствором. Для того чтобы выносить на лето деревья из помещения, глиняные кадки были недостаточно прочными. Возможно, Монье имел в виду и более широкое использование этого способа, но не мог получить патен- та в связи с тем, что к этому времени уже были патенты Дамбо на армоцементные суда и патент Куанье на «beton agglomere». В 1873 г. Монье получил другой патент — на конструирование - 39 -
мостов, балок и сводов из железобетона. Основным предметом его славы было искусство, с которым он устанавливал свои па- тентные права за рубежом. В 1879 г. Густав Адольф Вэйсс, имев- ший определенный опыт в применении бетонных конструкций с «римским» цементом, приобрел право пользования «системой Монье» в Германии. Впоследствии он вступил в партнерство с Конрадом Фрейтагом и фирма Вэйсс и Фрейтаг поставила про- ектирование железобетонных конструкций на научную основу. Мы вернемся к этому вопросу в следующем разделе. В XX в. железобетон становится наиболее употребимым стро- ительным материалом и естественно, что огромное количество профессиональных и торговых предприятий было связано с исто- рией его развития. Чаще других изобретателем железобетона называют Монье, за ним Ламбо. Однако один из них изобрел способ изготовления цветочниц, другой—судов. Куанье в ран- ний период своей деятельности разработал метод создания стро- ительных конструкций, но его бетон, хотя и армированный, силь- но отличался от современных форм. В то же время Уилкинсон в Англии изобрел метод конструирования, близкий к современ- ным формам железобетона. Однако это было забыто, и совре- менные методы проектирования железобетонных конструкций основаны на французских изобретениях. Таким образом, нет ясного ответа на вопрос, кто же изобрел железобетон в Европе. Развитие железобетона в Америке шло совершенно изолиро- ванно. В зависимости от того, что считать более важным для этого развития —теорию или практику, можно сказать, что же- лезобетон в Америке был изобретен немного позднее, чем в Ев- ропе, Хайаттом или Рэнсомом. 2.8. ТЕОРИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗДАНИЙ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА Большинство ранних работ по теории проектирования зда- ний и сооружений из железобетона имело место во Франции и Германии. Требовалось решить три основные проблемы. Одна из них — поведение бетонных конструкций в системе жесткого кар- каса. Рэнсом принципиально решил этот вопрос на стыке веков в Америке, а Францис Геннебик сделал то же самое в Европе. Геннебик родился в Г84'2 г., стал мастером-плотником и в те- чение многих лет занимался реставрацией средневековых собо- ров. Впервые он применил бетон, усиленный чугунными прутка- ми, при сооружении противопожарных перекрытий в 1879 г. и предложил идею изгиба прутков арматуры для восприятия растя- гивающих усилий, возникающих в бетоне над опорами. Он запа- тентовал это решение в 1892 г. (рис. 15). Строительная фирма Геннебика постепенно переходит на использование железобетона. В 1892 г. он закрывает свою конструкторскую фирму и открыва- ет консультативную инженерную контору. Проекты конструкций - 40 -
Рис. 15. Устройство арматуры в системе Геннебика, запатентованной в Объединенном Королевстве и колониях в 1897 г. (Патент № 30143). Во вступительном разъяснении в пе- речне преимуществ сказано: «Использование усиленного бетона в зданиях в последние годы получило значительное развитие благодаря использованию сочетания бетона и стали взамен чисто металли- ческих элементов. Конструкции оказались более огнестойкими, легкими, более просты- ми и быстрее выполнимыми. Однако сочетание цемента, который отлично работает на сжатие, и стали с особенно высокой прочностью при работе на растяжение и на изгиб, до сих пор не было использовано достаточно рационально и эффективно» выполнялись фирмами-подрядчиками по инструкциям конторы. Геннебик подчеркивал, что железобетон не является дешевым вспомогательным материалом. Он отмечал необходимость посто- янного внимательного отношения к достижению высокого качест- ва работ и был первым, кто применил бессемеровскую сталь вме- сто ковкого чугуна в качестве арматуры. Как и Рэнсом, Геннебик рассматривал бетонную конструкцию как каркас, состоящий из колонн и междуэтажных перекрытий, с наружными стенами, не несущими нагрузки и поэтому не обя- зательно толстыми. Легкость была качеством, характеризующим все сооружения Геннебика, и по этой причине его постройки вы- игрывали по стоимости по сравнению с другими постройками ка- нуна века. Среди проектов Геннебика была свободно стоящая винтовая лестница Малого дворца на Елисейских полях, построенная в 1898 г. для Парижской выставки 1900 г. (выглядящие поддержи- вающими', ее стены были возведены позднее для организации складских помещений). Проект был во многом основан на интуи- ции. Через 20 лет, когда работа элементов из железобетона на кручение была изучена лучше, мало кто из инженеров осмелился бы построить такую легкую конструкцию [2.5]. Представитель Геннебика в Англии Луи Густав Мушель спро- ектировал 11-этажное каркасное здание Роял Ливер Билдинг в Ливерпуле, установив европейский рекорд в многоэтажном стро- ительстве из железобетона. Построенное в 1908—1909 гг. здание имеет высоту основной части 51 м, однако здание увенчано баш- ней с часами и гигантским изображением легендарной птицы, вместе с которой общая высота составляет 95 м. Это был первый небоскреб в Англии. — 41 —
Рис. 16. Разрушение железобетонных балок вследствие раздробления бетона в сжатой зоне Геннебик ввел в строительную практику Европы конструкции с жестким железобетонным каркасом, при этом он не проекти- ровал конструкции перекрытий как неразрезные балки и пли- ты, хотя теоретические работы по этому поводу были опублико- ваны за 40 лет до этого (см. разд. 3.2 и 4.2). Вместо этого он ис- пользовал коэффициенты для определения изгибающего момен- та на опорах и посередине пролета в пределах от 7в до 7зо, т. е?': изгибающий момент определялся как WL/8 и т. п., где W — об- щая нагрузка на балку; L — ее пролет (см. разд. 2.6). Эти коэф- фициенты приводились в большинстве ранних пособий по желе- зобетону [2.14, 2.15] и в первых указаниях по строительству со- оружений из бетона [2.'16]. Железобетонные перекрытия начали проектироваться как неразрезные конструкции только с 1910 г. Размеры 'сечений рассчитывались исходя из изгибающего мо- мента. Было общепризнано, что железобетонные балки работают в соответствии с гипотезой Навье (см. разд. 2.3), а именно, что сечения, первоначально плоские и параллельные, остаются плос- кими и поворачиваются, относительно общего центра кривизны. С другой стороны, было неясно, подчиняется ли бетон закону Гука. Марш [2.15] описывает ряд гипотез, основанных на раз- личных нелинейных соотношениях между напряжениями и де- формациями, а также несколько весьма сложных формул, выте- кающих из этих положений. В конце концов основным методом проектирования железобе- тонных конструкций стал метод, предложенный Маттиасом Ке- неном в его книге «Система Монье», опубликованной в издатель- — 42 -
Рис. 17. Разрушение железобетонных балок вследствие текучести арматуры на стороне, подверженной растягивающим усилиям. Она сопровождается повышением уровня нейт- ральной оси, что вызывает разрушение бетона стве Вайсс и Фрейтаг в 1886 г. * (см. р.азд, 2.7). Кёнен предло- жил считать закон Гука применимым к бетону так же, как к чугуну, допуская, что арматура воспринимает все растягиваю- щие усилия и что между металлом и бетоном существует полное сцепление. Он отметил также, что коэффициенты линейного рас- ширения чугуна и бетона весьма близки и, следовательно, изме- нение температуры не создает никаких дополнительных напря- жений между бетоном и арматурой. Это положение существен- но для огнестойкого материала. Кёнен, однако, считал, что ней- тральная ось в железобетоне проходит по середине сечения, не учитывая разницу модулей упругости чугуна и бетона. Эта ошибка была исправлена в документе, представленном в 1894 г. Обществу гражданских инженеров Франции Эдмондом Куанье (сыном Франсуа Куанье, см. разд. 2.7) и Наполеоном де Тедеско. В 1897 г. Шарль Рабо прочел первый курс лекций по проектированию железобетонных конструкций в Училище мостов и дорог в Париже, а в 1899 г. в Льеже. Поль Кристоф опубликовал книгу «Железобетон и его при- менение», которая была основана на линейной теории Куанье и Тедеско. Чарльз Ф. Марш в первой книге по проектированию железобетонных конструкций на английском языке [2'15], наобо- рот, использовал метод Кристофа. Теория проектирования железобетона была значительно упро- щена Эмилем Мёршем, главным инженером компании Вайсс и Фрейтаг, в книге «Строительство из железобетона», изданной в 1902 г. [2.17]. В 1904 г. Мёрш стал профессором в Федеральном * Здесь автор, как и в других разделах книги, дает собственную трактов- ку истории развития строительных конструкций и методов их расчета. В ча- стности, работы русских и советских ученых и специалистов совсем, не упо- минаются. (Примеч. науч, ред.) - 43
Рис. 18. Разрушение железобетонных балок от появления диагональных трещин от пере- резывающих сил Рис. 19. Система профессора Матраи, впервые запатентованная в Венгрии, предусматри- вает размещение арматуры наподобие сетей паутины, прочно закрепленных на опорах. Система требует «в три или четыре раза меньше металла», чем при обычном армирова- нии балок В пролетах, отмеченных цифрами I и III, стержни арматуры размещены так, чтобы распределить нагрузку равномерно на балки, которые могут нести только половину нагрузки. Диагонально расположенные тросы рассчитаны на восприятие второй поло- вины нагрузки. В пролетах П, IV и V диагонально размещенные тросы не рассчитаны на передачу половины нагрузки к концам балок, поэтому в том же направлении раз- мещены дополнительные диагональные стержни арматуры. В пролете VI поперечные стержни арматуры распределяют всю нагрузку равномерно на стены, а продольные стержни и диагонально размещенные элементы используются лишь для связи попе- речной арматуры Верхняя поверхность бетона следует прогибу арматуры, а пустоты заполняются легким бетоном — 44 —
технологическом институте в Цюрихе. С тех пор метод проекти- рования железобетонных конструкций сохранился вплоть до 70-х годов нашего столетия, когда в большинстве стран были введены методы расчета конструкций по предельным нагрузкам (см. разд. 4.10). Вайсс и Фрейтаг финансировали первые крупные исследова- ния по железобетону в Техническом университете Штутгарта, проводившиеся профессором Карлом фон Бахом и доктором От- то Графом. Основательность этих исследований впечатляет даже сейчас. Бах и Граф установили четыре типа разрушения железо- бетона. 'Разрушения первого типа происходят при раскрошива- нии бетона в сжатой зоне балки, в то время как сталь остается упругой (рис. 16). Такое разрушение происходит внезапно, поч- ти без предупреждающих признаков и 'поэтому является опасным видом с точки зрения трудности его цредупреждения (см. разд. 4.10). Второй тип разрушения является следствием того, что арматура начинает течь при пластических деформациях (рис. 17). Это сопровождается постепенным перемещением вверх нейтральной оси сечения по мере увеличения нагрузки. В конеч- ном счете бетон раскрошивается и балка обрушается. Этот про- цесс, однако, происходит постепенно и некоторые признаки пре- дупреждают о разрушении. Обычно балки рассчитываются исхо- дя именно из такого типа разрушения. Третий тип разрушения, вызываемый срезывающими напряжениями, приводит к развитию диагональных трещин (рис. 48). Такие разрушения могут быть предотвращены йа первой стадии (но не полностью исключены) специальным поперечным армированием. И, наконец, балка мо- жет выйти из строя вследствие выдергивания стержней армату- ры из бетона, если они недостаточно прочно заанкерены в нем. Такие повреждения предотвращаются отгибами стержней или с помощью анкеров. К 1914 г. основные принципы работы железо- бетона были установлены. Ко времени смены веков Геннебик стал «Наполеоном желе- зобетона», но в 1901 г. он потерпел серьезную неудачу, когда пятиэтажное здание отеля в Базеле обрушилось в процессе стро- ительства, причем были человеческие жертвы [2.4, 2.11]. Комис- сия, расследовавшая это дело под председательством профессора В. Риттера, отметила ошибки в проекте, выполненном парижской фирмой Геннебика, и плохое качество работ местного подрядчи- ка. В частности, критике подверглось использование немытых песков и гравия, частично взятых непосредственно у места стро- ительства, и не выдержавшие критики качество цемента и проч- ность бетона на сжатие. Обрушение здания привело к введению в 1903 г. в Швейцарии первых строительных норм для железобетонных конструкций. Вскоре и другие страны последовали этому примеру. В США Объединенный комитет, основанный Американским обществом гражданских инженеров, создал первые нормы в 1908 г, - 45
Катастрофа также пролила свет на третью важнейшую про- блему проектирования железобетонных конструкций, а именно на необходимость контроля качества материалов, составляющих бетон (см. разд. 4.6). В первые два десятилетия нашего века подбор состава бетона был поставлен на научную основу. В 1918 г. профессор Дафф Абраме из Института Леви в Чикаго установил, что прочность (бетона обратно пропорциональна водо- цементному отношению, т. е. отношению количества воды к коли- честву цемента при смешивании. В Древнем Риме знали, что для получения хорошего бетона нужно использовать как можно меньше воды. Однако правило Абрамса обосновывало количест- венное соотношение. Долговечность бетона продолжала оставаться предметом бес- покойства. В 1908 г. английский Институт гражданских инжене- ров создал Специальный комитет по железобетону, который опубликовал в 1910 г. первоначальный отчет, а в 1913 г. второй отчет [2.18]. В этих отчетах выражались сомнения относительно надежности железобетона, что означало отход английских инже- нерных кругов от духа поиска и эксперимента XVIII и XIX вв. к консерватизму XX в. Они также указывали на недостаточность доказательств долговечности железобетонных конструкций. В ряде ранних построек, в которых не была обеспечена необхо- димая толщина защитного слоя, или там, где использовался по- ристый или недостаточно плотный бетон, сталь арматуры ржа- вела, что вело к ухудшению состояния (разупрочнению) всего сооружения. В некоторых документах начала XX в. предусматри- валась минимальная толщина защитного слоя 12 мм. Иногда этот размер не выдерживался из-за невысокого качества работ. Сейчас минимальной толщиной защитного слоя считается 20 мм. Чрезмерное использование отгибов для анкеровки арматуры, соз- дающее концентрацию напряжений, вело к образованию трещин. Недостаточность поперечного армирования также ухудшала со- стояние (потеря прочности) конструкций в ранних постройках. До 1919 г. использованию железобетона в большой степени мешало обилие запатентованных систем конструктивных реше- ний. Марш [2.16] в 1904 г. составил перечень 43 различных си- стем, из которых 15 было запатентовано во Франции, 14 в Гер- мании или Австро-Венгрии, 8 в США, 3 в Англии и 3 в других странах. Среди них были самые различные решения — от чрез- вычайно сложных (рис. 19) до простых, весьма схожих с приме- няемыми в настоящее время (см. рис. 15). Последние решения преобладали благодаря появившейся уже в начале XX в. повышенной стоимости рабочей силы (включая дополнительный надзор за работами в связи с их сложностью), которая не компенсировалась экономией материалов. В связи с тем, что железобетон включает в себя два материа- ла, математический аппарат теории расчета более сложен, чем в случае расчета однородного материала. Принцип расчета, одна- - 46 -
ко, по существу прост и сложность уравнений в первом десятиле- тии XX в. зависела от факторов, не столь важных для практики строительства. К 4930 г. теория расчета железобетонных кон- струкций [была значительно упрощена за счет исключения несу- щественных вариантов. Проектирование можно было также облегчить введением гра- фи ков и таблиц. К 1910 г. они уже появляются в пособиях по проектированию и учебниках. Хотя труд проектировщика стал более сложным по сравнению с проектированием стальных кон- струкций, это объясняется главным образом недостаточной стан- дартизацией сечений бетонных элементов. Большим преимуществом железобетона является универсаль- ность его применения в строительстве в соответствии с различ- ными архитектурными требованиями. Железобетон в отличие от стали может быть использован не только для изготовления кар- каса, но и для ограждающих конструкций, а перекрытия и кры- ша обычно включаются в конструктивную структуру здания (см. разд. 4.2). Определение изгибающего момента, который может быть воспринят железобетонным сечением, не представляло особой трудности при проектировании зданий из железобетона, хотя этому вопросу отводилась большая часть пособий первых лет XX в. Действительная трудность заключалась в оценке совмест- ной работы всех элементов здания как неразрезной конструкции. В связи с тем, что колонны и перекрытия обычно изготовляются совместно, в монолите, изгибающие моменты передаются от каж- дой плиты к примыкающим балкам и от каждой балки к примы- кающим к ней колоннам. Геннебик решил эту проблему, используя эмпирические коэф- фициенты для изгибающих моментов. Этот метод еще сейчас включается в строительные нормы (коды) и используется для проектирования небольших и простых конструктивных элемен- тов. Он может, однако, давать совершенно ошибочные результа- ты, хотя это игнорировалось до 1910 г. Проблему совместной работы (не,раз,резвости) элементов конструкций мы рассмотрим в следующей главе.
3. СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫЕ СИСТЕМЫ Качества бетона достаточно яс- ны. Во-первых, это массовый мате- риал; во-вторых, это выразительный материал в фасадах зданий; в-треть- их, это материал, который может быть непрерывным, или монолитным, в весьма широких пределах; р чет- вертых, это материал, который мо- жет быть обработан химически, по- крашен, сделан непроницаемым для воды; в-пятых, он послушен, когда свеж; хрупок пока молод; неподат- лив, когда стар; но всегда слаб в ра- боте на растяжение. Фрэнк Ллойд Райт, 1928 Наш анализ вначале касался вопросов использования желе- зобетона в качестве материала для конструкций, проблем, свя- занных с отделкой его поверхности и методов приближенного расчета конструкций, принятых в первые годы XX в. Статически неопределимые системы не обязательно совершен- нее статически определимых. В конце XIX и начале XX в. боль- шепролетные конструкции часто умышленно делались статиче- ски определимыми. Рассмотрим причины этого и установим, что это дает для расчета консольных балок, арок, порталов. Мы также разберем влияние предварительного напряжения арматуры как на работу стали, так и на работу бетона. Наконец, мы вкратце рассмотрим методы расчета статически неопредели- мых систем в практике проектирования в XIX в. Более удобные для практического использования методы рас- чета, применяемые в XX в., рассматриваются в гл. 4. 3.1. БЕТОН В АРХИТЕКТУРЕ Триумфальное развитие применения железобетона (от неуве- ренных попыток в середине XIX в. до его сегодняшнего исполь- зования в большепролетных конструкциях и в меньшей степени в многоэтажных зданиях) сдерживалось по двум (причинам. Од- ной из них было неудовлетворительное состояние теории расче- та статически неопределимых систем, другой — необходимость в лучших методах отделки бетонных поверхностей. Современный бетон может иметь поверхность, похожую на штукатурку, пользовавшуюся популярностью в XIX в., особенно если он заглаживается. Серый цвет может быть перебит окрас- кой. Однако интенсивное заглаживание оказывает определенное воздействие на поверхностный Слой цемента. Когда цемент высы- хает, он дает усадку и образуются поверхностные волосяные тре- щины, даже если усадка бетона умеренная. Окраска может по- - 48 -
крыть волосяные трещины, но не глубокие. Кроме того, краси- тели, используемые в первые годы1 XX в., были непрочными и бетонные поверхности требовалось часто перекрашивать. Архитектура конца XIX и начала XX вв. отличалась эклекти- ческим возвращением к ранее господствовавшим стилям, для некоторых из которых бетон не был подходящим материалом. Для зданий, спроектированных в стиле ренессанса или под гре- ческую классику, бетонные конструкции были достаточно удо- влетворительными, но в зданиях, богатых скульптурной декора- цией, например в неоготике, применение бетона затруднялось в связи с появлением трещин вследствие неизбежной концентра- ции напряжений во входящих углах. Отливка 20 бетонных гаргу- лий с использованием одной формы вместо высечения их инди- видуально из естественного камня обеспечивает большую эконо- мию средств, но в отличие от естественного камня бетон в скуль- птурах не столь долговечен. Хотя бетон как строительный материал высоко ценился мно- гими пионерами современной архитектуры, их работы в бетоне часто показывали недостаточное понимание его возможностей. Ле Корбюзье в книге «К новой архитектуре» представил некото- рые свои работы и дал к ним следующие пояснения: «Бетон подается сверху, как если бы заполнялась бутыль. Дом может быть построен за три дня. Он растет в опалубке, как при литье металла. Но это шокирует наших современных архитекторов, они не доверяют домам, ко- торые могут быть построены за три дня. Мы должны затрачивать год на постройку дома и нам нужна высокая скатная крыша, слуховые окна и ман- сарды» [3.11]. Заказчик Ле Корбюзье, Генри Фрюж так писал о работе с ним при строительстве бетонного дома в Пессаке в 1926—1927 гг.: «Между Ле Корбюзье и мною были следующие расхождения во мнениях. С его закоренелой ненавистью к любым формам декорации (которая проис- ходила от его протестанского происхождения и его личного аскетизма) он хотел оставить стены совершенно без отделки, чтобы на них были видны сле- ды опалубки. Я был изумлен этим. Он сказал мне, что если мы хотим полу- чать дома по возможности минимальной стоимости, то не должны позволять себе тратить деньги на бесполезные украшения. Затем он подверг едким насмешкам стремление к украшениям, воскликнув: «Мы устали от декора. Нам нужно хорошее визуальное слабительное! Голые стены, абсолютная простота — так мы можем восстановить наши способности зрительного вос- приятия!» Я его понял, но только потому, что мы оба хотели строить эконо- мично, а он меня не понял» [3.1]. «Пригород-сад» Пессака не был успешной работой Ле Кор- бюзье. Этот эксперимент был интересен как ранний опыт стан- дартизации, но бетон плохо сопротивлялся .атмосферным воздей- ствиям. Эта же проблема возникала при строительстве зданий по проектам других архитекторов в 20-х и 30-х годах XX в. Огюст Верре стал первым архитектором, добившимся высоко- го качества бетонной поверхности без использования отделки. Он сделал это, совмещая функции проектировщика и строителя, уделяя повышенное внимание деталям. Его деревянная опалуб- - 49 -
кй всегда была выполнена безукоризненно, и 'бетонные работы велись под надлежащим контролем. Построенные им здания до сих пор находятся в отличном состоянии [3.10]. Heppe широко использовал в строительстве сборные бетонные блоки для навес- ных стен с втопленным в бетон стеклом. Ранним примером ши- рокого использования этого приема является церковь Нотр Дам в Ла Рэнси, пригороде Парижа, построенная в 1922 г. В бетон- ной поверхности ее стен вдавлена масса стеклянных включений. Перре также понимал возможности, которые давал железо- бетон в сооружении арок, сводов и лестниц. Многие из построен- ных им зданий имеют стройные округленные лестницы. В здании фабрики одежды Эздера, построенной в Париже в 1919 г., Перре применил полуциркульные арки, поддерживающие крышу в середине пролета, что увеличило вдвое свободный пролет балок крыши без центрального ряда колонн. Кроме функциональных преимуществ большого пролета, арки создали зрительный эф- фект в общем очень просто решенном внутреннем пространстве. В большинстве железобетонных каркасных сооружений, соз- данных Перре, основную роль в композиции играли горизонталь- ные и вертикальные элементы, причем колонны обычно по форме соответствовали законам Витрувия о энтазисе. Перре был вели- ким новатором, но не революционером в архитектуре, как Ле Корбюзье,, и он отдавал дань классицизму даже в своих поздних зданиях 30-х и 40-х годов. В годы после второй мировой войны значительное повышение стоимости рабочей силы сделало мето- ды строительства Перре несовременными. Стало экономически нецелесообразным возводить тщательно изготовленную сложную опалубку для монолитных железобетонных колонн и затем с большой точностью устанавливать сборные бетонные блоки меж- ду колоннами. Среди крупных архитекторов начала XX в. наиболее значи- тельным в раскрытии качеств бетона был Фрэнк Ллойд Райт, (хотя сам материал не занимал в его работах такого места, как в работах Перре или Ле Корбюзье). Райт впервые использовал бетон в 1905 г. при строительстве фабрики E-Z в Чикаго, но железобетонный каркас был облицован кирпичной кладкой. В 1906 г. в Унитарной церкви в Оук Парке, штат Иллинойс, фа- сад был целиком выполнен из монолитного бетона с обнажен- ным заполнителем в виде гальки. В 20-х годах Райт использовал сборные бетонные блоки во многих зданиях — в некоторых из них блоки применялись в виде постоянной опалубки для моно- литного железобетонного каркаса. Это решало проблему, кото- рую не мог решить Ле Корбюзье, — создания приемлемой отдел- ки вертикальных поверхностей бетона. В то же время он избежал больших затрат рабочей силы для изготовления сложной опа- лубки, характерных для работ Перре. В 30-х годах бетон все еще был скорее материалом инженера- конструктора, а не архитектора. Даже производители цемента в - 50 —
своих рекламах стремились подчеркнуть «легкость, с которой бетон может быть облицован естественным камнем, что позволя- ет создавать здания, которые невозможно отличить от зданий, построенных целиком из камня, но значительно более дешевые». Проблема отделки бетонной поверхности была решена только в 50-е и 60-е годы (см. разд. 9.5). 3.2. ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ЗАЩЕМЛЕННЫХ И НЕРАЗРЕЗНЫХ БАЛОК Примерно в 1900 г. новый материал — железобетон получает единое название, которое заменяет термины, применявшиеся раз- личными строителями и изобретателями путем сочетания слов «железо» и «бетон» (ферробетон, армированный бетон, железный бетон и другие малоупотребительные термины). Правила проектирования железобетонных каркасов были включены в первые руководства, опубликованные в 10-х годах XX в. [2.14, 2.15 и 2.17]. До 1910 г. рамный каркас при расчете расчленялся на плиты, защемленные по концам и опиравшиеся на балки, которые также считались защемленными на опорах (колоннах). Соответствующая теория расчета была в 1826 г. изложена Навье в его «Выводах из уроков» (разд. 2.3). Навье отметил, что углы поворота балок, полностью защемленных по концам, на обеих опорах равны нулю. Он установил отношение между про- гибом у и изгибающим моментом М в формуле [1.1] ei^L=M, (3.1) ах2 где Е — модуль Юнга; I — момент инерции сечения балки. Кроме того, угол поворота в любой точке равен 0-=-^-. (3.2) dx В защемленных балках мы имеем у=0 и dyldx=Q) на обоих концах. Эти четыре условия изгиба балки достаточны для реше- ния задачи. Навье добился этого в два приема, интегрируя вы- ражение для изгибающего момента и затем определяя постоян- ные интегрирования исходя из указанных граничных условий. Этот метод довольно трудоемок, поэтому в настоящее время предпочтение, как правило, отдается методу, разработанному Отто Мором, профессором механики Штутгартского техническо- го университета, а позднее Дрезденского технического универси- тета. В L868 г. Мор опубликовал работу в журнале Общества архитекторов и инженеров в Гановере, в которой указал на то, что уравнение Навье (3.1) математически идентично уравнению, связывающему изгибающий момент и нагрузку, Поэтому оно мо- жет быть применено для определения угла поворота и прогиба С помощью правила Мора. . . . 51
Изгибающий момент Рис. 20. Изгибающий момент в защемленных по концам балках а —Так как балка жестко защемлена на опорах, форма ее участков у опор должна оставаться горизонтальной. Опоры оказывают реактивное воздействие на балку, кото- рое вызывает, вертикальные реакции и удерживающий момент Ма\ б — балка ведет себя так же, как центральная часть шарнирно опертой балки с консольными свесами, которые слишком длинны, чтобы удерживать участок балки над опорами в горизон- тальном положении. Величина реактивного момента Ма равна моменту, создаваемому консолями; в — эпюра изгибающего момента состоит из двух частей: обычной эпюры изгибающего момента для шарнирно опертой балки (рис. 6) и дополнительной, нало- женной на нее эпюры от постоянного реактивного момента Ма; г —по теореме Мора, площадь двух частей должна быть равна. Так как площадь параболы ограничивает 2/з площади описанного вокруг нее прямоугольника 2 1 МА L= —. — UZL-L, 3 8“ что дает Ma — WL/12. Это соответствует также максимальному отрицательному из- гибающему моменту, который требует армирования в верхней части бетонной балки. Вычитанием получим максимальный положительный изгибающий момент WL WL_WL 8 12 ~ 24 Мы можем разделить эпюру изгибающих моментов для за- щемленной балки (рис. 20) на две части: эпюру моментов в шар- нирно-опертой балке того же пролета при аналогичной нагрузке (см. рис. 6, б) и эпюру моментов, вызываемую защемлением кон- цов балки. Первая часть заставляет балку изгибаться вниз, в то время как вторая действует в обратном направлении. В связи с - 52 -
тем, что балка фактически жестко защемлена по концам, угол поворота на опорах равен нулю. Из правила Мора можно видеть, что площади обеих частей эпюры изгибающих моментов должны быть равными и это дает -величину реактивных моментов на опо- рах. Из этого следует, что максимальный изгибающий момент возникает на опорах, а не в середине пролета. Последний мень- ше, чем в шарнирно-опертой по концам балке. Более того, име- ется отрицательный изгибающий момент, который создает на определенных участках балки растяжение в верхней части сече- ния и сжатие в нижней. Таким образом, арматуру в бетоне на опорах требуется размещать в верхней части сечения. Другой максимум изгибающего момента (меньший, чем первый) возни- кает посередине пролета. Здесь арматуру требуется размещать в нижней части сечения. Указанный подход к размещению арматуры использовался Геннебиком в его ранних постройках (см. разд. 2.8). Это дела- лось с помощью поправочных числовых коэффициентов, вводи- мых для учета того, что железобетонные балки частично (но не полностью) защемлены на опорах. В 10-х годах XX в. к расчету железобетонных каркасов была применена теория расчета неразрезных балок. Она была разра- ботана Клапейроном в связи с реконструкцией моста Аньер вблизи Парижа в 1849 г. Позднее эта теория была видоизменена X. Берто в работе, опубликованной в «Записках Общества граж- данских инженеров Франции» (том 28). В этой более удобной форме она известна как «теорема трех Моментов» (рис. 21). В течение нескольких десятилетий теорема служила основным методом расчета железобетонных каркасных конструкций. Она была основана на допущении, что колонны об- ладают достаточной гибкостью для того, чтобы jae создавать за- щемления балок на опорах. Такой подход оправдан при проекти- ровании балок жестких междуэтажных перекрытий, опираю- щихся на относительно гибкие колонны. К середине XX в. железобетон стал конкурировать со сталью в качестве основного материала несущих конструкций много- этажных зданий. В связи с увеличением высоты зданий сечение колонн, которые должны воспринимать нагрузку от всех выше- лежащих этажей, значительно увеличивалось. Кроме того, вет- ровая нагрузка создавала в колоннах изгибающие моменты. Поэтому стал необходимым переход на. проектирование рамных каркасов. Ж- 3.3. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ НЕРАЗРЕЗНЫХ И СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ КОНСТРУКЦИЙ «-.Хотя максимальный изгибающий момент и, следовательно, требуемое количество материала в .неразрезных балках меньше, Чем в шарнирно-опертых, неразрезные балки выгодны не во всех — 53
Рис. 21. Шарнирно опертые балки получают деформации независимо друг от друга. Условия непрерывности кривизны не соблюдаются (а). В неразрезных балках пролеты соединены вместе и их работа взаимосвязана (б). Форма прогиба балки, показанной на схеме (б), представляет собой непрерывную кривую. В точке В угол поворота пролета Li на правой опоре равен углу поворота пролета Lz на левой стороне. Это равенство со- здается совместной работой двух пролетов, которая в свою очередь вызывает появление реактивного момента Мв. Используя теорему Мора, можно получить угол поворота в точке пролета Li в функции моментов Ма (в точке А) и Мв (в точке В) и угол по- ворота в точке пролета Lz через величины Мв и Мс. Приравнивая эти углы, получаем теорему трех моментов МА Li + ZMr) (Li-YLJ+Mc t2 =----— X 4 X(W1 LJ+W'i.LS) отношениях. Умеренные осадки фундаментов относительно без- опасны, если балки работают как статически определимые кон- струкции, но при неразрезных балках они приводят к большим напряжениям (рис. 22). В 1866 г. У. Гербер запатентовал тип неразрезной балки, те- перь носящей его имя. В ней статическая определимость обеспе- чивалась введением конкретного числа шарнирных узлов (см. разд. 2.2). Для такой балки небольшая осадка одной или не- скольких опор несущественна. Балка Гербера может быть рас- считана по правилам статики (рис. 23). Кроме того, существуют конструктивные преимущества, так как консольные балки и балки небольшого пролета* .можно воз- водить независимо. Этот принцип был применен Бенджамином Рис. 22. Влияние неравномерной осадки грунта на шарнирно опертые и неразрез- ные балки а — линия прогибов неразрезной балки; б — линия прогибов балки после значи- тельной осадки грунта под центральной опорой, превращающей ее в одну шар- нирно опертую балку. Изгибающий мо- мент увеличится в четыре раза и его знак изменится с отрицательного на по- ложительный; в — две шарнирно опертые балки не изменяют схемы работы при не- равномерной осадке грунта под централь- ной опорой - 54
^AAAAAAAAAAAAAA^ Рис. 23. В балке Гербера в среднем пролете введены два дополнительных шарнира (вверху). Неразрезная балка превращается в две шарнирно опертые балки с консольны- ми концами и короткую промежуточную балку (внизу) Бекером .при строительстве железнодорожного моста Ферт-оф- Форт, 1883—1889 гг. (рис. 24). Фермы этого моста были выпол- нены в виде консолей на жестких опорах. Следовательно, для достижения статической определимости требовалось добавить по два шарнирных узла в каждом пролете. Этот мост имел самый большой пролет из построенных в XIX в., а даже сейчас он все еще остается одной из наиболее впечатляющих конструкций. Мост имеет два свободных пролета по. 521 м, длину 4630 м и три промежуточные опоры (рис. 25), установленные шарнирно промежуточные фермы делают 'конструкцию статически опреде- лимой. Статически определимая схема была также использована в большепролетных конструкциях зданий в конце XIX в. Большие пролеты были удобны в залах врытых рынков, которые в XIX в. все чаще строились с металлическими конструкциями. Они были необходимы и для конструкций зданий вокзалов, где промежу- точные опоры мешали бы поездам переходить с одного пути на Рис. 24. Принцип решения конструкций моста Форт Бридж —55—
Рис. 25. Железнодорожный мост через пролив Форт, 1883—1899 гг. Общая длина моста 1630 м, максимальный пролет 513 м Рис. 26. Параболическая арка вокзала железнодорожной станции Сант Панкрас в Лон- доне, построенного по проекту У. X. Барлоу в 1866 г. Пролет арки 73,4 м. Гигантская арка весьма странно смотрится в контрасте с неоготическим зданием перед ней, в кото- ром размещались контора и станционная гостиница. Это здание проектировал Джил- берт Скотт, чье высказывание «вероятно, оно было слишком хорошо для его целей» ха- рактеризовало все увеличивающийся разрыв между архитектурой и конструированием — 56 -
a T ——Tf- 6 Рис. 27. Сравнение арок и неразрезных балок. Эффект от введения дополнитель- ных стержней для арки подобен введе- нию дополнительной промежуточной опо- ры в балке. Статическая определимость может быть восстановлена введением не- обходимого числа шарнирных узлов а Рис. 28. Характерные черты железобетон- ных мостов Мэйлларта определялись сое- динением трехшарнирной арки с балками пролетного строения. Так как арка трех- шарнирная, в середине пролета и на опо- рах изгибающие моменты равны нулю. Изменение толщины арки соответствует величине изгибающего момента '777777^' в Рис. 29. Прямоугольная рама а — конструкция механизма не устойчива; б — статически определимые конструкции: ячейка фермы Пратта и трехшарнирная портальная рама; в — рамы с одним лиш- ним неизвестным: ячейка фермы с диа- гональными раскосами и портальная рама, прикрепленная жестко к фундамен- ту шарнирными узлами; г — рамы с тре- мя лишними неизвестными: ячейка фер- мы Виренделя (рама, у которой все узлы жесткие) и портал, жестко закрепленный к фундаменту - 57 -
другой. Чугунные арки были способны обеспечить необходимый свободный пролет. Одно из первых крупных зданий вокзалов с чугунными арочными конструкциями, построенное в 1.848 г. И. К. Брюнелом для станции Паддингтон в Лондоне, имело про- лет 31,9 м. В 1866 г. У. X. Барлоу построил параболическую арочную конструкцию станции Сан-Панкрас с пролетом 74,4 м, все еще являющуюся самым большим вокзалом в Европе (рис. 26). Однако эти конструкции не могли быть спроектирова- ны на основе точного расчета с помощью разработанных в то время принципов механики. В 1865 г. Дж. У. Швеллер впервые использовал принцип трехшарнирной арки (рис. 27) для двух железнодорожных вокзалов в Германии. Эти а,р‘ки также были статически определимыми. В 1889 г. для Парижской выставки была сооружена Галерея машин (архит. Фердинанд Дюрер и инж. Коттансен). Строитель- ство этого сооружения поставило новый рекорд длины пролета в здании (113 м). Оно состояло из трехшарнирных портальных рам с криволинейными боковыми сторонами и остроконечной крышей, причем крыша, торцовые и боковые стены были в ос- новном стеклянными, что подчеркивало легкость конструкций. Длина здания 420 м. Позднее оно было демонтировано. Зигфрид Гидион писал по поводу контраста между внешним видом этой конструкции и традиционной аркой: «Каждая арочная ферма выполнена из двух сегментов. Шарнир соединя- ет их в центральной части высоко над центральной линией зала. К нижней части фермы становятся все тоньше, пока почти не достигнут уровня земли. К верхней части они расширяются, приобретая вес и силу, что создает впе- чатление перевернутой конструкции. Эти правдиво прорисованные арки на- рушали или вернее разрушали традиционные статические представления о работе конструкций, рациональных отношениях между нагрузкой и опорами. Вытянутые как чрезмерно выступающие консоли, фермы воплощают динами- ку в каждой своей части. Ничего не остается от солидной архитектуры ка- менного бочкового свода. Новый тип движения, пронизывания пространства, был создан здесь так же новаторски, как в куполах Барромини» [3.12]. В XX в. такое же впечатление вызывали железобетонные конструкции Роберта Мэйлларта, .построившего в горах Швей- царии ряд эффектных мостов, наиболее известный из которых мост в Салгинатобеле пролетом 90 м возведен в 1929—1930 гг. [3.13]. В этих мостах пролетное строение состояло из трехшар- нирных арок, образующих массивную бетонную конструкцию (рис. 28). Наибольшая толщина арки совпадала с местом дейст- вия максимального изгибающего момента. У опор и у вершин арки сужались. Статически определимые большепролетные конструкции были особенно популярны в конце XIX в. и начале XX в. в связи с тем, что теория их расчета была достаточно разработана. Никаких дополнительных усилий не вызывалось ни небольшими осадками фундаментов, ни от изменений температуры или от незначитель- ных погрешностей в производстве работ. Однако выход из строя 58 -
Одного элемента конструкции мог '.привести к обрушению всего сооружения. Статически неопределимые конструкции обладают по своей природе большой степенью надежности. Только когда все допол- нительные связи будут удалены постановкой шарниров и доба- вится еще один шарнир, конструкция может обрушиться. Такой механизм разрушения конструкций использован при разработке теории предельного равновесия (см. разд. 4.10). Жесткие рамы более прочные при одном и том же расходе ма- териала и обеспечивают большую безопасность в случае внезап- ных повреждений конструкции от внутреннего взрыва (например, взрыва от бытовых газовых установок), при землетрясениях и разрушениях конструкций при пожарах. В статически определимых конструкциях сравнительно не- большое нарушение в длине какого-либо элемента вызывает определенное, но обычно незначительное искажение схемы соору- жения. В статически неопределимых конструкциях любая неточ- ность может вызвать очень большие усилия. Например, диаго- наль в ферме Пратта (рис. 29, б) может быть соединена с обои- ми узлами независимо от ее длины, так как шарниры могут по- ворачиваться, изменяя форму конструкции. Однако вторая диа- гональ (рис. 29, е) должна иметь абсолютно точную длину, иначе во всей системе возникнет предварительное напряжение. Пред- варительное напряжение, если оно использовано непреднамерен- но, может привести к серьезному повреждению фермы. Напро- тив, если оно используется правильно, то может увеличить несу- щую способность конструкции. Так в конце XIX в. и начале XX в. нижний пояс многих ферм присоединялся к опорам при помощи винтового соединения, ко- торое натягивалось после того, как ферма была полностью собрана. Предварительное натяжение выгибало ферму вверх, т. е. в сторону, противоположную действию нагрузки. Натягива- ющие устройства могли также использоваться для создания на- пряжения, противоположного действию нагрузки, и в том случае, когда ферма была статически неопределимой, что повышало ее несущую способность. Однако элемент фермы, включающий в себя натяжное устройство, необходимо было делать более мощ- ным, так как он должен был воспринимать растягивающие уси- лия предварительного натяжения в дополнение к растягивающе- му усилию от нагрузки на ферму. К концу XIX в. для предварительного натяжения арматуры использовались также гидравлические домкраты. Например, при строительстве Эйфелевой башни в 1889 г. они были применены в нижних частях опор для исправления погрешностей строительст- ва и восприятия реактивных усилий. Позднее более мощные домкраты были применены при строительстве Гладесвилльского моста (рис. 30). Тот же принцип используется в преднапряжен- ных стальных конструкциях. Напряжение создается с помощью — 59 —
Рис. 30. Гладесвилльский мост в Сиднее, 1964 г. Пролет моста 305 м Рис. 31. Гладесвилльский мост в Сиднее был составлен из четырех парал- лельных сборных арок, монтируемых в опалубке при помощи плавучего крана. После сборки арки сжимались гидравлическими домкратами и вы- водились из опалубки. Швы у гидравлических домкратов были затем запол- нены бетоном. После затвердения бетона домкраты и опалубка были сняты. Арка оставалась предварительно напряженной для восприятия своей большой собственной массы — 60 —
Стальных канатов с высокой прочностью йа растяжение. Однако наиболее подходящий материал для преднапряженных конструк- ций — железобетон. 3.4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН Первые попытки использования преднапряженного железобе- тона относятся почти к тому же времени, что и строительство первых зданий из железобетона (см. разд. 2.7). В 1886 г. К. У. Ф. Дюринг запатентовал в Германии метод производства плит из цементного раствора с армированием стальной прово- локой. В 1888 г. П. X. Джексон запатентовал метод создания предварительного напряжения в бетонных арках и конструкциях перекрытий путем натяжения стержней арматуры натяжными винтовыми устройствами [2.11]. Дюринг натягивал арматуру до заливки 'бетона. Этот метод теперь известен как .предварительное натяжение. Джексон за- кладывал арматуру в бетон и устранял сцепление арматуры с бетоном, размещая ее в трубках или завертывая в бумагу, и производил натяжение после затвердения бетона. Этот метод известен теперь как последующее натяжение или натяжение на бетон. После этого еще несколько патентов было получено в США и в различных европейских странах, но ни один из предло- женных методов не был успешным из-за недостаточного внима- ния к учету потерь предварительного напряжения вследствие усадки и ползучести. Увеличение деформации бетона со временем было отмечено У. К. Хоттом [3.3] в 1907 г. В ,1915 г. Ф. Р. Макмиллан указывал на существенное различие в длительной деформативности бетб- на сильно и слабо нагруженных конструкций [3.4]. Таким об_ра^ зом, он разделил влияние усадки и ползучести. Однако их рель в потере предварительного напряжения была в достаточной мере определена лишь в 20-х годах, когда Эжен Фрейссине исследовал эту проблему. Фрейссине подал свою первую заявку на патент во Франции в 1928 г. - - • Матиас Коенен, получивший патент в 1888 г., устанавливал предварительное напряжение 600 кг/см2 = 60МПа [2.11]. Усадка бетона составляет примерно 3-10~4, а модуль упругости стали 200 000 МПа. Относительное сжатие порядка 3-10~4 дает измене- ние напряжений в стали 3• 10—4• 200 000 = 60 МПа и, таким обра- зом, предварительное натяжение будет снято только из-за усад- ки бетона. Эта проблема была решена эмпирически Карлом Веттштай- ном [2111], который в 1921 г. зарегистрировал патент в Австрии на использование предварительно напряженного железобетона с арматурой в виде проволоки диаметром 0,3 мм с предельным на- пряжением 1400—2000 МПа. Потеря предварительного напряже- ния арматуры от усадки бетона составляла, таким образом, — 61 —
Рис. 32. Момент сопротивления балки М образуется сжимающим усилием С, рас- тягивающим усилием Т и плечрм пары а. В железобетоне или предварительно на- пряженном железобетоне сжимающие уси- лия воспринимаются бетоном, а растяги- вающие — арматурой. Сила сопротивления растягивающему усилию в стали в каждом случае является произведением макси- мального напряжения fs и площади сече- ния /4 s только 4% от всего преднапряжения, и даже при учете потерь за счет ползучести бетона (которая вызывается вытеснением воды из пор бетона при длительном действии высоких нагрузок) все еще остается достаточное предварительное напряжение для того, чтобы предотвратить образование трещин в бетоне под нагруз- кой. Узкий бетонный брус Веттштайна с предварительно 'напря- женной арматурой получал под нагрузкой, видимый на глаз про- гиб, подобно деревянному бруску, и упруго восстанавливал свою первоначальную форму после снятия нагрузки.' Возможность бетона выдерживать большие деформации и восстанавливать первоначальную форму оказалась неожиданной для многих, как вообще остается удивительной до сих пор для тех, кто не знаком с природой этого явления. Результаты исследований Фрейссине, опубликованные в 1933 г., поставили проектирование предварительно напряженных железобетонных конструкций на научную основу. К 1929 г. пред- варительно напряженный железобетон становится одним из об- щепринятых строительных материалов во Франции и Германии и к этому времени было запатентовано несколько новых удачных конструктивных решений по его использованию. В 1940 г., когда Франция капитулировала в войне, немцы приступили к строи- тельству тщательно разработанных укреплений для своей армии и флота вдоль атлантического побережья. Во время войны сталь была одним из дефицитных материа- лов, а возведение железобетонных конструкций требовало значи- тельного количества стали для арматуры, так как она обеспечи- вала восприятие растягивающих усилий от изгибающих момен- тов (рис. 32), возникающих в балках под нагрузкой. Это растя- гивающее усилие равно fsAs, где fs — напряжение в стали; As — сечение стали. Максимальные .напряжения для предварительно напрягаемой стали в 10 раз больше, чем в обычной стальной ар- матуре, поэтому количество требуемой стали значительно умень- шается. Нет необходимости использовать высокопрочную сталь в обычных железобетонных конструкциях, поскольку ее упругие деформации (в 10 раз больше, чем обычной стали) могут вы- звать значительные растягивающие усилия в бетоне и следова- тельно появление значительных трещин, ведущих к. коррозии стали. Продукты коррозии занимают больший объем, чем сталь, и это может привести к разрушению бетона. — 62 —
В связи с тем, что применение предварительно напряженных железобетонных конструкций давало экономию стали, оно бы- стро развивалось в Центральной Европе в '1940—1944 гг. После войны дефицит стали сохранялся во всем мире в течение несколь- ких лет и преднапряженные конструкции широко распространя- ются по всем развитым странам.. Предварительно напряженный железобетон все еще продол- жают использовать при строительстве мостов, но когда производ- ство стали снова достигло достаточного объема, стоимость опе- раций по натяжению арматуры сделала ее применение неэконо- мичным для массового использования при строительстве зданий. Все же она использовалась в большепролетных 'конструкциях, в которых большая собственная масса представляла серьезную проблему (см. разд. 6.7), и в плитах перекрытий (см. разд. 4.4). Новая концепция предварительного напряжения арматуры в бетоне была предложена в 1961 г. Т. И. Лином, профессором факультета гражданских инженеров Калифорнийского универси- тета [3.9]. Лин проектировал преднапряженные железобетонные балки с арматурой из высокопрочных стальных тросов, распола- гая их в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Так, если балка шарнирно оперта по концам и несет равномерно распре- деленную нагрузку, эпюра изгибающих моментов в ней представ- ляет собой параболу (см. рис. 6). Тросу также придается форма параболы с эксцентриситетом, варьирующимся от е в середине пролета до нуля на опорах. Момент, воспринимаемый тросом, таким образом изменяется от Ре в середине пролета до нуля на опорах, где Р—сила предварительного натяжения в тросе. Этот момент имеет тенденцию выгибать балку вверх, в направ- лении, противоположном действию изгибающего момента от на- грузки. Если эти два момента равны между собой и противопо- ложно направлены, балка не работает на изгиб и воспринимает только сжатие от силы предварительного натяжения Р. В этом разделе уже отмечалось, что в связи с ползучестью бетона прогиб железобетонных балок увеличивается во времени. В связи с этим возникает особая Проблема при проектировании плоских плит перекрытий, опирающихся на колонны без оголов- ков (см. разд. 4.4). При больших пролетах эти плиты подверга- ют предварительному напряжению, рассчитывая их по методу уравновешивающих нагрузок, чтобы уменьшить прогиб от пол- зучести бетона. Нагрузка, которая должна быть уравновешена, равна постоянной нагрузке от массы конструкций здания и по- ловине временной нагрузки, создаваемой людьми, предметами мебели и оборудования. Таким образом, плиты перекрытия Выги- баются вверх, когда временная нагрузка равна нулю (что бывает редко) и несколько прогибаются вниз, когда действует полная временная нагрузка (что также бывает редко). В обычных усло- виях, когда действует часть временной нагрузки, упругие проги- бы невелики, так как эксцентрично приложенное преднапряжрг - 63
ние почти уравновешивает изгибающий момент от полной нагруз- ки: Также небольшим является увеличение прогиба при длитель- ном действии нагрузки. 3.5. РАСЧЕТ НЕВЫСОКИХ СТАЛЬНЫХ РАМ НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ НАГРУЗКИ Усилия, вызываемые землетрясениями и ветровой нагрузкой, не учитывались при проектировании конструкций до XIX в., а также в течение большей части XX в. Важность учета ветровой нагрузки была подтверждена при трагическом обрушении Тей- ското моста [3.2, 3.5]. Мост был запроектирован Томасом Бау- чем и построен в 1871—1878 тг. через доступное приливам устье р. Тей в 56 км к северу от Эдинбурга. Мост состоял из 85 решет- чатых пролетных строений из ковкого чугуна, поддерживаемых высоко над водой колоннами из литого чугуна. Ко времени окон- чания его строительства это был самый длинный мост в мире. В дождливую ночь в 1879 г. более 1000 м пролетного строения моста вместе с проходившим по нему пассажирским поездом были снесены штормом в воду. Никому из 'пассажиров не уда- лось спастись. Судебное следствие, проведенное в 1880 г., обнаружило недо- статки в производстве строительных работ и в качестве литья металлических деталей, однако возникла дискуссия по поводу того, должно ли было быть принято во внимание давление ветра. В 1759 г. Джон Смитов представил в Королевское общество доклад, в котором он предложил учитывать в проектах ветровую нагрузку, равную 9 фунтов на кв. фут при сильном ветре и 12 фунтов на кв. фут (575 Па) при штормах или бурях. В связи с удачей Смитона при строительстве маяка вблизи Эддистона, подверженного штормам, эти значения ветровых нагрузок нашли широкое применение. Бауч консультировался с королевским астрономом Г. Эри, который писал: «Мы знаем, что на очень ограниченных поверхностях и в течение весьма ограниченного времени ветровая нагрузка достигает иногда 40 фунтов на кв. фут, а в Шотландии, вероятно, и более... Я думаю, что максимальную вет- ровую нагрузку на плоскую поверхность такого объекта, как мост по всей его длине, можно принять 10 фунтов на кв. фут» (479 Ра). Это были значения, которые использовал Бауч. Большинст- во свидетелей, вызванных на следствие, дали показания, доказы- вающие, что эти значения были слишком низкими. Джорж Стокс, известный авторитет в гидромеханике, возглавлявший кафедру математики в Кембридже, полагал, что нужно учиты- вать ветровую нагрузку более 50 фунтов на кв. фут (2,4 КПа). До того, как Бенджамин Бекер спроектировал мост Форт (см. разд. 3.3), он провел обширные экспериментальные исследова- ния на стройплощадке и на их основании принял величину вет- - 64 -
Рис. 33. В рамном каркасе под действием горизонтальной нагрузки возникают точки перегиба элементов. В этих точках угол наклона осей балок и колонн максимален. Эти точки образуются примерно в середине пролетов балок и высот колонн (Ровой нагрузки 56 фунтов на кв. фут (2,7 кПа). Министерство торговли Англии впоследствии установило эту величину ветро- вой нагрузки как расчетную при проектировании моста Форт и при реконструкции моста Тей, которую произвел У. X. Барлоу. В ретроспективе кажется, что обрушение моста Тей произо- шло не столько из-за Рис. 34. Можно видеть [3.6], что в нулевых точ- ках (точках перегиба) изгибающий момент ра- вен нулю. Поэтому мож- но условно считать, что на этих местах имеются шарниры. Это допуще- ние делает конструкцию статически определи- мой 3 Зак. 887 - 65 -
Рис. 35. Изгибающие моменты, соответствующие конструкции с воображаемыми шар- нирными узлами (см. рис. 33). Для каркаса, показанного на левой схеме, ординаты эпюры перерезывающих сил (показана на средней схеме) равны сумме вышележащих горизонтальных сил (т. е. равны VglF наверху и увеличиваются до 3W в нижней части рамы. Изгибающие моменты (правая схема) в месте условных шарниров равны нулю. Они увеличиваются линейно в колоннах до максимума, равного WXVa/f у узла балки и колонны. Эти моменты передаются на балки, причем в каждой балке момент равен сумме моментов в примыкающих колоннах и уменьшается до нуля к условному шарниру Рис. 30. Метод Максвелла-Мора решения статически неопределимых конструкций применительно к раме с пересекающимися диагоналями. Вторая диагональ на рис. 29, в заменена двумя равными и про- тивоположно направленными силами, одна из которых действует на нижний, а дру- гая на верхний шарнирный узел. Расстоя- ние между этими узлами зависит от удли- нения второго диагонального стержня вследствие силы F Рис. 37. Метод Кастильяно решения стати- чески неопределимых конструкций приме- нительно к портальной раме, шарнирно за- крепленной на обеих опорах и несущей на- грузки W. Эти условия вызывают стати- чески определимые реакции Rv и статиче- ски неопределимые реакции Rh, которые требуются для предотвращения взаимного смещения опор. Так как рама не переме- щается вдоль линии действия реакции Rh, производная от полной потенциальной энергии деформации рамы по Rh равна нулю 66 -
вой нагрузки, сколько из-за отсутствия системы непрерывных горизонтальных связей. Необходимость расчета конструкций зданий с металлическим каркасом на ветровую нагрузку была осознана не сразу. Ветро- вую нагрузку не учитывали в ранних зданиях с чугунными и стальными каркасами в 80-х годах прошлого века. В 90-х годах, однако, в ряде зданий высотой более 50 этажей были предусмо- трены системы диагональных связей (см. разд. 2.6). Пер-вая ра- бота по связям в многоэтажных зданиях появилась в 1892 г. в «Трудах Американского общества гражданских инженеров». Сопротивление каркасов зданий горизонтальным нагрузкам не может быть определено только методами статики сооружений. Если рамный каркас подвергается действию горизонтальной на- грузки (рис. 33), то можно определить точки нулевых моментов, где кривизна изменяет свой знак. В начале XX в. задача была в общем виде решена с учетом допущения, что эти точки располо- жены по середине длины балок и по середине высоты колонн. В точках перегиба угол наклона оси элемента достигает макси- мального значения, и можно доказать, что в этих местах изгиба- ющий момент равен нулю [3.6]. Мы отмечали, что в шарнирных углах изгибающий момент, по определению, равен нулю (см. разд. 2.2). Поэтому можно условно принять, что в центре каждо- го элемента образуются условные шарниры (рис. 34). Если допустить наличие условных шарнирных узлов, рамный каркас на рис. 34 можно рассматривать как статически опреде- лимую конструкцию и изгибающие моменты в ее элементах могут быть легко определены (рис. 35). Этот приближенный про- стой метод оказался вполне удовлетворительным для определе- ния изгибающих моментов, вызываемых горизонтальными на- грузками в невысоких каркасных зданиях, и использовался для расчетов до того времени, когда были разработаны более точные методы (см. гл. 4). К концу XIX в. было известно, что землетрясения создают горизонтальные нагрузки на здания, хотя определить вели- чины этих нагрузок стало возможным много позднее (см. разд. 4.8). Землетрясение в Сан-Франциско 1906 г. [3.7] дало убедитель- нйе свидетельства о преимуществах каркасных конструкций перед конструкциями с несущими каменными или кирпичными стенами. Ряд зданий4 был запроектирован с учетом горизонталь- ных нагрузок от воздействия землетрясений еще в 1910 г. (см. разд. 4.(8). Здание банка Ниппон Кого в Токио с рамным желе- зобетонным каркасом, рассчитанное на максимальное ускорение грунта 0,065 g (где g — ускорение силы тяжести), успешно вы- держало разрушительное землетрясение в Токио в 1923 г. [3.8]. 3* — 67 —
3.6. МЕТОД РАСЧЁТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ Поиски методов точного расчета рамных каркасов начались в 60-х годах прошлого века. Первое пригодное для практики ре- шение, основанное на принципе сохранения энергии, было полу- чено Кларком Максвеллом (см. разд. 2.1) и опубликовано в «Философском журнале» в 1864 г. (т. 27). Максвелл начал с исследований статически определимых каркасов и затем рассма- тривал дополнительные «лишние» элементы, превращавшие конструкцию в статически неопределимую, как эквивалентные не- известные внешние силы. Дополнительные элементы неизменно связывались с понятием устойчивости геометрической схемы кон- струкции. В разд. 3.2 указывалось, что расчет защемленных балок может быть выполнен с учетом нулевых углов поворота в защемлениях. Максвелл заменил «лишнюю» диагональ (см. рис. 29, в, левая сторона) двумя равными, противоположно на- правленными внешними силами F, одна из которых действует на верхний шарнирный узел, а другая на нижний (рис. 36). Расстоя- ние между этими узлами .зависит от степени упругого удлинения диагонального элемента под воздействием силы F. Это. условие дает дополнительное уравнение, необходимое для решения за- дачи. Работа Максвелла была написана в абстрактных терминах без иллюстраций и осталась незамеченной, пока Отто Мор (см. разд. 3.2) вновь не открыл -метод Максвелла в 1875 г. В настоя- щее время он известен как метод Максвелла — Мора. В 1875 г. Альберто Кастильяно независимо от Максвелла и Мора разработал другой вариант метода. Кастильяно вначале работал учителем, а затем был принят на факультет математики Университета в Турине, где сдал все экзамены трехгодичного курса за один год. Затем он представил диссертацию на тему «Принцип минимума работы», который был выдвинут без дока- зательства военным инженером Л. Ф. Менабриа в книге, опубли- кованной в 1867 г. Кастильяно в своей диссертации (1873) доказал теорему Менабриа и дал ее приложение к ряду задач. После защиты диссертации Кастильяно. работал для компании Северной Итальянской железной дороги и в 1879 г. опубликовал на французском языке расширенный вариант своих тезисов, ко- торые содержали больше положений, применимых к практиче- ским инженерным проблемам. Эта книга была переведена на не- мецкий язык в 1886 г., а в 1919 г. — на английский [3.14]. Метод Кастильяно до сих пор широко используется в расчетах статически неопределимых криволинейных конструкций, таких как упругие арки, выполненные из стали или из железобетона, но не из камня [1.1]. Метод Кастильяно базируется на энергии упругих деформа- ций конструкции. Рассмотрим, например, (портальную раму на — 68 —
,рис. 29, в (оправа), несущую сосредоточенную вертикальную на- грузку W в середине пролета (рис. 37), 'которая вызывает изги- бающие моменты, осевые сжимающие силы и перерезывающие силы во всех трех элементах рамы. Они в свою очередь вызыва- ют упругие деформации, которые накапливаются в конструкции в виде энергии деформаций и снимаются, когда удаляется на- грузка. Накапливаемая энергия деформаций равна уменьшению потенциальной энергии нагрузки. Например, если нагрузка рав- на силе 100 кН и прогиб в результате действия этой нагрузки будет 20 мм, то уменьшение потенциальной энергии составит 100 кН-20 мм = 2 кНм и энергия деформаций рамы должна быть той же. Кастильяно доказал, что если минимизировать накопленную энергию деформаций (приравняв к нулю ее производную по одной из действующих на раму сил), то в результате можно по- лучить перемещение рамы в точке приложения этой силы вдоль линии ее действия. Применим это положение к портальной ра- ме, показанной на1 рис. 37. Мы можем определить ее вертикаль- ные реакции Rv из уравнений статики, однако подобным образом определить статически неопределимые горизонтальные реакции RH невозможно. Так как рама шарнирно сопряжена с неподвиж- ным фундаментом, ее смещение вдоль линии действия горизон- тальных реакций RH равно нулю и соответственно производная от потенциальной энергии по каждой из горизонтальных реакций RH также равна нулю. Поэтому мы находим выражение полной потенциальной энергии в раме. Она равна сумме произведений сил на перемещения и изгибающих моментов на углы поворота. Для определения минимального значения мы затем дифференци- руем эту сумму, приравниваем производные нулю и получаем уравнение для определения неизвестных горизонтальных ре- акций. Этот метод был сложнее большинства, разработанных 50 лет спустя «(см. разд. 4.2), и трудоемок для расчета любых конструк- ций, кроме простейших рам. По этой причине он не стал мето- дом практического расчета многоэтажных рамных каркасов до тех пор, пока не были изобретены электронные вычислительные машины (см. разд. 5.2). Возможно, что Кастильяно, который был выдающимся мате- матиком и известным инженером-практиком, мог бы разработать и более практичный метод расчета, но он умер в 1884 г. в возрас- те 37 лет, через три недели после того, как получил золотую медаль от руководства железнодорожной компании за его работу по упорядочению пенсионного фонда компании. В своей книге ,[3.14] Кастильяно приложил свой метод глав- ным образом к арочным покрытиям из ковкого чугуна (бессе- меровская сталь еще не использовалась в Италии в это время) и к двум каменным арочным мостам. Это был первый случай точ- ного расчета статически неопределимой металлической арки. — 69 —
С другой стороны, для каменных арок этот метод был шагом на- зад, так как каменная арка разрушается при раскрытии, швов между ‘каменными блоками. Различие в методах упругого рас- чета и расчета по предельной прочности еще не было выявлено (ом. [1.1], разд. 7.6 и 8.3). 4. МНОГОЭТАЖНЫЕ ЗДАНИЯ Мне умноженье досаждает, Деленье — тоже тьма! Знак Пи в тупик меня вгоняет, Сведет меня с ума. «Елизаветинские рифмы» Эта глава посвящена многоэтажным зданиям. Усложнение расчетов выдвинуло много проблем, которые мы рассмотрим в главе 5. Архитектура многоэтажных зданий породила споры между сторонниками традиционной и новой школ архитектуры, разре- шившиеся в конечном счете в пользу последней. Проектирование конструкций также требовало создания но- вого подхода. Метод распределения моментов отвечал требова- ниям расчета конструкций в 30, 40 и 50-х годах. В это время обычными элементами конструкций стали плиты, работающие в двух направлениях, плоские плиты с капительными и бескапи- тельными колоннами. Поиски методов расчета по разрушающим (предельным) на- грузкам, заброшенные в ХГХ в., были возобновлены и в послед- ние годы 1эти методы все чаще стали включаться в строительные нормы. Это делало необходимым не только пересмотр принципов обеспечения надежности конструкций и более точную оценку воспринимаемых ими нагрузок, но также изучение проблем, свя- занных с деформациями. С начала кризиса в капиталистических странах до конца пе- риода послевоенной реконструкции в 50-х годах строительство многоэтажных зданий почти (прекратилось. Когда оно возобно- вилось, появились новые пространственные системы, которые обеспечивали значительное сокращение материалоемкости зда- ний. 4.1. МНОГОЭТАЖНЫЕ ЗДАНИЯ — АРХИТЕКТУРА НОВОГО МИРА В разделах 2.6 и 2.7 отмечалось, что первые 'многоэтажные здания с металлическим каркасом были построены в 80-х годах XIX в. в Чикаго, где развитие этих конструкций не сдержива- лось почитанием башен и шпилей старых соборов и ратуш. За — 70 —
первыми высокими зданиями с железобетонным каркасом, по- строенными в Цинциннати в 1902 г., последовало строительство в 1908—19'12 гг. здания Роял Ливер Билдинг в Ливерпуле, кото- рое представляло собой особый случай — здание было сооружено на набережной, где оно не соперничало визуально с центром го- рода, застроенным в викторианском стиле. В европейских городах высота зданий была лимитирована традициями, а в некоторых случаях и законодательством. Поэто- му новая форма зданий—небоскребы—нашла свое развитие в ОША и других странах Америки, где практически высота зданий не ограничивалась. В Австралии ограничение высоты, унаследо- ванное от Англии, действовало вплоть до 50-х годов XX в. Затем .высота зданий стала возрастать, и в Сиднее и Мельбурне нача- лось строительство многоэтажных зданий. В связи с этим оба города приобретают собственное лицо. В Европе роль многоэтажных зданий была не столь значи- тельна как в Америке и Австралии. В средневековых городах вертикальными доминантами были башни или шпили кафедраль- ных соборов. В растущих промышленных городах, таких как Манчестер' или Шеффилд, в конце XIX и начале XX в. соборы стали менее важными центрами общественной жизни, чем граж- данские здания. В то же время, несомненно, общественные зда- ния доминировали над коммерческими. : Высокие коммерческие (административные) здания легко ут- вердились в Чикаго в связи 1с тем, что после пожара 1871 г. в центре города не осталось ни одного значительного здания. В Нью-Йорке соперничество между существующими культовы- ми и гражданскими зданиями с небоскребами создало пробле- му, которая разрешилась в пользу новых многоэтажных зданий. Нью-Йорк приобрел больше, чем потерял. Ле Корбюзье был одним из ранних сторонников небоскребов, но 'Он отмечал, что они были размещены слишком близко один к другому. В 1924 г. он писал в работе: «Город завтрашнего дня»: «Девять часов утра. От четырех выходов шириной 230 м каждый станция выпускает пасса- жиров из окраин города. Поезда, идущие только в одном направлении, сле- дуют один за другим с интервалами в одну минуту. Станционная площадь такая огромная, что все могут свободно идти по своим делам без затрудне- ний. Под землей тоннели пригородных линий метро расходятся в различных направлениях и разгружаются в подвальных этажах небоскребов, которые постепенно заполняются. В каждом небоскребе находится станция метро» Важность связи многоэтажных зданий с системой обществен- ного транспорта и гаражами для частных машин была попята с запозданием (см. разд. 4.13). -Решение внешней архитектуры многоэтажных зданий пред- ставляет серьезную проблему, которая решается только постепен- но. Здания, воздвигнутые в Чикаго, понимались их проектиров- — 71 —
щиками как утилитарные сооружения с простыми фасадами. Однако к концу XIX в. многоэтажные здания проектировались в соответствии с законами определенного архитектурного стиля. История знает два прецедента такого рода. В Древнем Риме было построено несколько высоких общественных зданий. На- пример Колизей, имевший высоту 48 м, был декорирован четырь- мя поясами приставных полуколонн тосканского, ионического и коринфского ордеров. В архитектуре многоэтажных зданий кон- ца XIX и начала XX в. применение колоннад было достаточно распространено и часто гигантские колонны возвышались на че- тыре и пять этажей. Однако должны же быть какие-то границы в высоте здания, которая может быть покрыта колоннами класси- ческих ордеров. Второй исторический прецедент — готическая архитектура, которая не была связана подобными ограничениями. Готические соборы имели такую высоту, какую только архитекторы могли осуществить, и готика лучше всех других исторических стилей архитектуры выражала вертикальное развитие зданий. В 1913 г. строительством здания Вулворс Биллинг на нижнем Бродвее в Нью-Йорке был поставлен новый рекорд высоты зда- ния — 55 этажей, 241 м. В его проекте было предусмотрено сопротивление ветровой нагрузке до уровня урагана. Поэтому до высоты 28-го этажа каркас представлял собой систему клепаных порталов с жесткими скругленными углами (см. рис. 12). До 42-го этажа для восприятия горизонтальных нагрузок были пре- дусмотрены вертикальные полураскосные связи. Остальные 13 этажей имели' обыкновенный стальной каркас. Техническое совершенство конструкций здания никогда не оспаривалось (про- ект конструкций выполнила компания Гаиволд Аус, архит. Гил- берт Касс). Фасады здания были выполнены с тонкими готиче- скими деталями, которые подчеркивали вертикальное построе- ние здания. Монтгомери Шайлер, известный архитектурный кри- тик, высоко оценивал это здание в журнале «Архитекчурал Ре- корд» в 1913 г. [4.2]. В своей статье, которая была первой оцен- кой здания, он высказывал мнение, что выбор конструкций зда- ний не определяет архитектурный стиль. После того, как каркас здания решен, детали внешнего облика здания, по его мнению, могут быть взяты из любого «исторического стиля». С другой стороны, в оценках поборников нового стиля архитекторы зда- ния Вулворс Билдинг стало объектом нападок и насмешек. Воз- никшая общественная полемика особенно усилилась после того, как на конкурсе проектов нового здания для газеты «Чикаго Триб юн» в Нью-Йорке победителями вышли Раймонд Худ и Джон Мид Хауэллс (рис. 38). Их проект имел отчетливо угады- ваемые элементы готики, заимствованные с Руанского собора, хотя это было не так подчеркнуто, как в здании Вулворс Бил- динг. Архитекторы так описывают свой проект: - 72 —
Рис. 38. 34-этажное здание газеты «Чикаго Трибюн>, построенное по проекту Р. Худа и Дж. М. Хауэллса в 1923—1925 гг. Высота здания 137 м — 73 -
«Мы считаем, что в проекте мы добились единства объекта. Это не баш- ня, поставленная на здание, — все его части единое целое. Здание устремлено ввысь естественно, оно характеризуется сохранением основных пропорций конструкций и их соединением воедино в высоком пара- пете с проемами. Расположение главных вертикальных опор на фасаде помо- гает обеспечить хорошее освещение помещений в угловых частях здания и па- норамы обзора вверх и вниз по улице. Мы хотели не столько повторить археологически выражение какого-либо определенного стиля, сколько выра- зить во внешнем облике здания конструктивную сущность американских не- боскребов с их непрерывными вертикальными линиями и включениями гори- зонталей» (Международный конкурс на проект нового административного здания газеты «Чикаго Трибюн», МСМХХП. Компания «Трибюн», Чикаго, 1923). Люис Салливен, один из основателей Чикагской школы и учи- тель Фрэнка Ллойда Райта, придерживался противоположного мнения:' «При внимательном анализе проект, получивший первую премию, не выдерживает критики. Очевидно, что это не архитектура в том смысле, какой мы ее понимаем. Формула проекта декларативна: слова, слова, слова. Это воображаемая структура здания, но не' вообразимая. Начиная с ложных пред- посылок, дело было доведено до ложных выводов, и кроме того, достаточно очевидно, что эти выводы явились причиной тех умозаключений, которые привели к перевернутой архитектурной композиции. Предположение огромной массы воображаемой каменной структуры в верхней части здания вполне естественно требует наличия мощных воображаемых каменных опор, идущих от земли, чтобы создать ей воображаемое опирание» (Конкурс на здание «Чикаго Трибюн». — «Архитекчурал Рекорд». Т. 53, февраль 1923 г., с. 154— 155, 157—158). Не считая второго призера конкурса — Элиэла Сааринена, ' который представил проект в умеренно современном духе, напо- минающий неоромаискую мднеру Генри Хобсон Ричардсона (влияние которого чувствовалось в работах Чикагской школы), имелись проекты ,в действительно новом стиле. К ним можно от- нести проекты Вальтера Берли Гриффина, Вальтера Гропиуса, Адольфа Луса, Адольфа Мейера, Бруно и Макса То (см. разд. 8.1). Зигфриз Гидион был особенно возмущен тем, что от- вергли проект Гропиуса: «Как жюри, так и общественность сочли этот проект лишенным стиля и устарелым. Однако, несомненно, этот проект много ближе по духу к Чикаг- ской школе, чем готическая башня, которая была построена... К этому времени, однако, доверие общественности и вера в собственные силы, которые отличали Чикагскую школу, совершенно исчезли. Школа как будто и не существовала. Ее принципы были задавлены модой на вулворс- скую готику» (Отзыв о Вулворс Билдинг [3.12]). Карл У. Кондит в 1973 г. выразил другое мнение:1 «Проект, получивший первую премию, будет, видимо, оставаться объек- том дискуссии в течение многих лет. И можно только сказать, что члены жюри могли сделать много хуже при выборе победителя и что их презрение к новому стилю было порождено невзрачностью работ, представленных мо- дернистами» [4.3]. — 74 —
Потребовалось еще четверть века шока были осмыслены .но- вые эстетические критерии для зданий из стали, стекла и бетона. И даже в .ряде зданий, отличавшихся успешной трактовкой внешнего облика в новом стиле, оказались большие дефекты в решении проблем долговечности и внутреннего инженерного оборудования (см. разд. 3.1 и 8.2). Здание Трибюн Тауэр высотой 137 м (34 этажа) имело усту- пы по высоте, в угоду чему пришлось предусмотреть дополни- тельные колонны внутри объема здания, проходящие через холл и другие этажи. Конструкции здания, запроектированного Фрэнком И. Брау- ном и Генри Дж. Бертом, выполнены с традиционным решением колонн и ригелей до 25 этажа. На этом уровне была воздвигнута восьмигранная башня, поддерживаемая пересечением балок и ригелей, .а также двумя фермами, высота которых занимала весь 26-й этаж. Некоторые колонны проходили через 25-й этаж, обра- зуя восьмиугольник, и были присоединены к основному каркасу горизонтальными подкосами, облицованными каменной кладкой, имитируя взлетающие контрфорсы Руанского собора [4.3]. Дей- ствительные связи жесткости были выполнены в виде диагоналей и подкосов в системе стального каркаса. Здание было рассчита- но на ветровую нагрузку до 30 фунтов на кв. фут (1,43 кПа) в связи с тем, что оно было открыто со всех сторон и расположено близко от озера Мичиган. Здание Эмпайр Стейт Билдинг в Нью-Йорке строилось в 1929—1931 гг. по проекту архитекторов Шрива, Лэмба и Хармона и инженера X. Д. Брлкома. Здание имело 85 этажей и высоту 318 м. Оно венчалось шпилем,, первоначально предназначавшим- ся для причала дирижаблей. Потом сочли более целесообразным использовать его как радио-телевизионную антенну. Вместе со шпилем высота здания составляла 378 м, что соответствует 102 этажам, и была рекордом, который не был превышен до 1973 г. Тогда было построено здание Уорлд Трейд Сентр (Все- мирный торговый центр) в. Нью-Йорке (см. разд. 4.12), а в 1974 г. 'здание Сирс Тауэр в Чикаго. Однако превышение высо- ты по сравнению с Эмпайр Стейт Билдинг было небольшим (110 этажей, 442 м). Здание было запроектировано с клепаным стальным каркасом с вертикальными связями в виде жестких портал сив (см. рис. 12), ригели были приклепаны по всей высоте сечения к полкам ко- лонн, а балки соединены на заклепках с ригелями. Нью-Йорк- ские градостроительные нормы 19Гб г. требовали устройства двух уступов на фасаде здания, и это привело к сбивке колонн на шестом и 72 этажах, где расположены усиленные распредели- тельные ригели. — 75 —.
4.2. РАСЧЕТ РАМНЫХ КАРКАСОВ, 1900—1940 ГГ. Рост этажности каркасных зданий стимулировал возрождение интереса к методам расчета конструкций, более точным, чем те, которые рассматривались в разд. 3.5, но менее трудоемким, чем методы Максвелла — Мора и Кастильяно, рассмотренные в разд. 3.6. В 1880 г. инженерная школа Мюнхенского технического уни- верситета установила премию за разработку методов определе- ния дополнительных напряжений в фермах при замене шарнир- ных узлов на жесткие. Премию получил X. Мандерла [4.4], ко- торый показал, что эти напряжения зависят от поворота узлов и вывел уравнения для определения изгибающих моментов. Этот метод был позднее улучшен Мором (см. разд. 3.2) и опубликован в журнале «Цивилинженир» в 1892 г. Мор включил этот вопрос в свои лекции и впоследствии в книгу по прикладной механике [4.5]. На основании этого Аксель Бендиксен в 1914 г. разработал для расчета рам метод деформации [4.6] *. Аналогичный метод был независимо разработан Д. Э. Мэни в США в 1915 г. [4.7]. В методе перемещений предполагается, что в прямоуголь- ной раме прямой угол между элементами остается прямым в про- цессе деформирования рамы, так как зона узла является беско- нечно жесткой по сравнению с жесткостью элементов. Поэтому углы поворота соединяемых в узле стержней различаются на 90° как до, так и после появления деформаций (см. рис. 33). Это геометрическое условие позволяет составить одно уравнение для определения каждого лишнего неизвестного. Мэни продемонстрировал потенциальные возможности мето- да перемещений, рассчитав целиком раму многоэтажного дома, что было почти подвигом без современного счетного машинного оборудования. Его опыт показал, что этот метод, будучи более простым, чем используемые ранее, все еще слишком трудоемок при расчете каркаса многоэтажного дома, поскольку одновремен- но должно быть решено множество уравнений. Поэтому единст- венно практическим выходом было расчленить многоэтажную раму на отдельные этажи (рис. 39). Оказалось достаточно простым вывести коэффициент для определения изгибающих моментов в защемленных и неразрез- ных балках (см. разд. 3.2). Содержание такого метода могло быть дано на нескольких страницах. Имеется еще ряд методов расчета рамных каркасов. Первую попытку составить систематизированную таблицу коэффициен- тов изгибающих моментов сделал Адольф Кляйнлогель, профес- сор Дармштадского технического университета [4.8], который позднее распространил свои исследования с однопролетных, рам * В настоящее время принято название «метод перемещений». (Примеч. науч, ред.) — 76 —
Рис. 39. Приближенный расчет многоэтажных каркасов методом перемещений (деформаций) и распределения моментов. Каркас разбивается на отдельные ярусы по горизонтали, каждый из которых содержит конструкции перекрытия и рядов ко- лонн выше и ниже его уровня. Колонны рассматриваются как жестко защемлен- ные в удаленных от перекрытия концах. Каждый этаж, таким образом, может быть рассчитан отдельно, хотя и с известной погрешностью на многопролетные [4.9], в том числе многопролетные одноэтаж- ные рамы и одноярусные многопролетные системы многоэтажных ,рам (ом. рис. 39). Предполагавшееся распространение работы на полный расчет многоэтажных рам не было закончено в (связи Со смертью Кляйнлогеля в 1958 г. Однако применимость его сбор- ника таблиц, а также таблиц, составленных другими исследова- телями, была ограничена в связи со сложностью каркасных кон- струкций большинства многоэтажных зданий (см. разд. 4.1 и 5.4). В 1930 г. Харди Кросс, профессор по строительным конструк- циям из Университета штата Иллинойс, опубликовал в «Трудах американского общества гражданских инженеров» [4.55] метод распределения моментов, значительно уменьшающий трудоем- кость вычислений. Подобно методу перемещений новый метод основан на предпосылке, что прямые углы между элементами рам остаются прямыми после деформирования. Первоначально прини- мается, что все узлы рамы жестко защемлены. Балки и колонны, таким образом, рассматриваются как защемленные по концам, и моменты в них определяются по соответствующим выражени- ям''(см, рис, 20), В большинстве узлов такое защемление вызьг- — 77 -
Рис. 40. Решение для однопролетной портальной рамы с жесткими опорами методом рас- пределения моментов (а). Все узлы жесткие, что дает изгибающий момент на концах балки (см. рис. 20) №£/12 = 60X4/i2=20 кНм и изгибающий момент, равный нулю в ко- лоннах (б). Процесс распределения моментов имеет две стадии: 1. Неуравновешенный момент в каждом узле должен быть распределен на другие стер- жни в узлах. Если какие-то стержни являются более жесткими, чем другие, они полу- чают при распределении больший момент. В нашем примере мы должны распределить момент. В нашем примере мы должны распределить ’/2X20=10 кНм 2. Поворот стержней в высвобождаемом узле вызывает изгибающие моменты на противоположных концах стержней. Эта передача момента определяется упругими деформациями стержней. Кросс показал, что коэффициент передачи для рассматриваемой рамы равен ’/2, отсюда пере- даваемый момент равен ’/2X10=5 кНм. Изгибающие моменты после первого распределе- ния показаны на схеме (в) и разница между изгибающими моментами на верхних узлах составляет 10—5=5, или 67% от среднего момента. Второе распределение (г) снижает разницу до 10%, третье (д) — до 2%. Чтобы свести разницу к нулю, требуется бесконеч- ное множество распределений, однако при разнице в 2% обеспечивается точность расче- та, достаточная для любых целей вает неуравновешенные моменты. Например в прямоугольной ра- ме, несущей вертикальную нагрузку, появляются значительные изгибающие моменты в защемленных балках, но нет изгибающих моментов в защемленных колоннах (рис. 40). Затем каждый узел поочередно освобождается и неуравновешенный момент распре- деляется между примыкающими стержнями. Процесс освобож- дения узлов (и распределение изгибающих моментов) может быть продолжен неограниченное число раз. В результате таких .расчетов неуравновешенные моменты становятся все меньше. На практике, однако, достаточная степень точности достигается тремя последовательными операциями, а для предварительного расчета может быть достаточно и двух операций. Таким образом, можно регулировать общий объем вычислений в зависимости от важности расчета. Метод Крооса имел два больших преимущества по сравнению с ранее созданными методами расчета. Вычисления были менее - 78 -
трудоемкими й могли проводиться людьми с весьма ограничен- ной математической подготовкой. Метод распределения момен- тов был сначала применен при расчете железобетонных мостов рамной конструкции, предназначенных для различных видов транспорта, но вскоре было признано целесообразным исполь- зовать его для расчета каркасных конструкций зданий. Изобретение в 1940 г. конструкций перекрытий с плоскими плитами, опираемых непосредственно на оголовки колонн, значи- тельно увеличило популярность метода, так как ни эмпирические правила для расчета плоских плит, ни традиционные методы рас- чета неразрезных балок при проектировании железобетонных каркасов не могли быть использованы для расчета нового вида конструкций. 4.3. ПЛИТЫ, РАБОТАЮЩИЕ В ДВУХ НАПРАВЛЕНИЯХ До сих пор мы рассматривали изгиб только в одном направ- лении. Обычные промышленные здания с деревянным каркасом состояли из деревянных колонн, на которые опирались ригели или балки. По ригелям укладывали второстепенные балки или прогоны, а на них в свою очередь доски (под прямым углом к ригелям и параллельно балкам). Когда такая конструктивная схема перерабатывалась для чугуна, а затем для стали, то использовалась та же система, за исключением того, что перекрытия выполнялись из деревянных брусков, кирпичных арок или бетона. Тем не менее каждый кон- структивный элемент опирался по обоим концам и изгибался только в одном направлении. Первые железобетонные конструкции проектировались на ос- нове тех же принципов. Железобетонные колонны поддерживали железобетонные ригели, на которые опирались железобетонные балки. Железобетонные плиты перекрытий опирались на балки (рис. 41). Отношение пролетов балок к пролету плит порядка 1,5 считалось приемлемым решением. Однако, если оба пролета были примерно равны, бетонные плиты могли практически работать на изгиб в двух направлениях (рис. 42). Можно представить себе, что панель перекрытия раз- делена на полосы и что защемление, создаваемое поддерживаю- щими балками, приводит к повороту и закручиванию наружных полос. Можно поэтому считать, что панель состоит из параллель- ных полос (рис. 43), каждый участок которых является общей частью двух полос, расположенных под прямым углом одна, к другой. При решении этой задачи следует рассматривать цен- тральную часть единичной площади плиты длиной L\ в одном направлении и L2 — в перпендикулярном. Современная теория прогиба конструкций восходит к 1741 г., когда Даниил Бернулли определил прогиб однопролетных балок (см. [1.1], разд. 8.4). Используя современную систему обозначе- — 79 —
ний, 'получим прогиб от равномерно распределенной нагрузки w однопролетной балки пролетом L: Г 5 wLl 384 EI ' где Е — модуль Юнга; I — момент инерции сечения балки. Элемент единичной площади в центре плиты образуется дву- мя полосами, одна из которых несет нагрузку кч и имеет ’пролет L\, а другая соответственно w2 и L2. Прогиб обеих полос в центре должен быть одинаковым, поэтому имеем: 5 Д] _____ 5 w2 L$ 384 EI ~ 384 EI ’ откуда (4.1) ау2 \ 11 / Это уравнение позволяет нам определить как общая нагрузка w = wi+w2, которую несет плита, распределяется между двумя перпендикулярными полосами. Таким образом мы можем опре- делить количество арматуры, необходимой в обоих направле- ниях. Две авторитетные книги [4.10, 4.56] приписывают этот Ме- тод Ф. Грашофу, профессору прикладной механики в техниче- ском университете в Карлсруэ с 1863 по 1893 г. и У. Дж. Ренки- ни, профессору по гражданскому строительству университета в Глазго с 1855 по 187:1 г. Однако мне не удалось обнаружить описание этого метода в их наиболее известных работах. Метод Грашофа — Ранкина был включен в первые американские на- циональные нормы по бетону*, составленные комиссией из пред- ставителей различных заинтересованных групп [2.16], а затем был перенесен в строительные нормы Германии, Англии и Ав- стралии. Работа плит в обоих направлениях подтвердилась испытания- ми бетонных плит, проведенными Бахом и Графом в начале XX в. (см. разд. 2.8). Уже отмечалось, что в плите, изгибающейся * В дополнение к результатам первой и второй Объединенных комиссий представителей по железобетону Американский институт бетона (ACI) также выпустил свои нормы по строительству из бетона. В 1917 г. нормы ACI и Объединенной комиссии были подразделены на несколько важных разделов, включая постоянные коэффициенты для проектирования плит перекрытий. Строительные нормы Чикаго и Нью-Йорка иногда отличались от норм ACI. В связи со значением этих двух городов, их нормы имели наибольшее рас- пространение в проектной практике. Кроме того, существовало несколько ре- гиональных норм [4.11]. Например, «метод эквивалентных рам» был включен в строительные нормы Калифорнии (см. ниже) до того, как он был принят в нормах ACI. В последующие годы, однако, нормы ACI приобрели статус национальных .норм США и каждое новое изданйе норм АСГ обычно приво- дило к изменениям норм в других странах (см. разд. 4.10). — 80 —
Рис. 41. Железобетонный каркас с плитами, опертыми с двух сторон. Колонны поддержи- вают ригели, на которых лежат балки, а на них плиты перекрытия. Стрелками указаны пролеты между колоннами, ригелями и балками Рис. 42. Деформации плиты, работающей в двух направлениях, под нагрузкой. В связи с защемлением балок на опорах во взаимно перпендикулярных направлениях, наружные полосы поворачиваются и за- кручиваются Рис. 43. Работающая в двух направлениях плита может быть рассмотрена, как со- стоящая из переплетающихся полос. Каж- дый квадратный участок площади плиты является тогда частью двух полос, пер- пендикулярных одна к другой Рис. 44. Испытания, про- веденные Бахом и Графом в Штутгартском техниче- ском университете, пока- зали, что когда плита не защемлена на опорах, ее углы закручиваются
в двух направлениях, наружные полосы поворачиваются (см. рис. 42). Как и ожидалось, испытания Баха и Графа показали, что если утлы панелей не защемлены, они искажаются (рис. 44). На практике железобетонные плиты бетонируются вместе с балками и искажения углов не происходит. Это создает крутящие моменты в угловых вонах панелей. Отмеченное явление игнори- ровалось в методе Грашофа — Ренкина, и поэтому в него необ- ходимо ввести поправку в виде соотношения (4.1). Переработан- ный метод расчета, предложенный X. Маркусом [4.12], позволил установить ряд коэффициентов, которые зависели не только от отношения двух пролетов, но также от степени защемления пли- ты поддерживающими балками. Метод был включен в нормы по бетону в Германии в 1925 г. [4.13], а впоследствии — в первые нормы Англии [4Л0]. Хотя метод Маркуса был более точным, чем Ренкина, в нем игнорировались перерезывающие силы между смежными поло- сами, показанные на рис. 4'2. Точное решение задачи упругого изгиба плиты можно получить при рассмотрении упругих дефор- маций плиты в целом, а не по методу разделения взаимно пере- секающихся полос. Эта задача уже рассматривалась в работе Навье «Выводы из уроков» в 1826 г. (см. разд. 2.3). Общее ре- шение было получено Густавом Кирхгофом в 1877 г. [4.24] в виде дифференциального уравнения четвертого порядка в част- ных производных, решение которого может быть найдено в виде рядов Фурье. Специальное решение изгиба упругой плиты, бето- нируемой совместно с несущими балками, работающими в двух направлениях, было получено X. М. Вестергардом ,[4.14] в 1921 г. В .американских строительных нормах [2.16] впервые были ис- пользованы коэффициенты, вычисленные на основе метода Ве- стергарда с некоторыми эмпирическими корректировками. 4.4. ПЛОСКИЕ ПЛИТЫ НА КАПИТЕЛЬНЫХ И БЕСКАПИТЕЛЬНЫХ КОЛОННАХ В деревянных и стальных конструкциях, собираемых из от- дельных элементов, балки являются необходимыми частями кон- струкции. В бетонных монолитных конструкциях балки как таковые могут отсутствовать, хотя это делает перекрытия более гибкими при той же толщине плит. Без поддерживающих балок колонны имеют тенденцию прорезать плиты перекрытия и в ней появляются диагональные трещины от перерезывающих сил (рис. 45). Поэтому первые безбалочные покрытия делались над колоннами, имевшими расширяющуюся вверх часть типа капи- тели (рис. 46). Патент на такую конструкцию был зарегистриро- ван в США Орландо Норкросом в 1902 г., а первым упоминаю- щимся сооружением с плоскими плитами, по капительным колон- нам было пятиэтажное здание Бовей Джонсон Билдинг в Мин- неаполисе, построенное по проекту К- А. П. Тернера [4.15]. — 82 —
Рис. 45. Плоские плиты подвержены раз- рушениям от диагонального растяжения (1) вследствие перерезывающих усилий по периметру капители колонны (2) i Рис. 46. Плоские плиты с капительными и бескапительными колоннами. Плоские пли- ты с капительными колоннами (б) впервые были применены в 1905 г. расширение колонны у плиты увеличивает взаимодействие колонны и плиты, при этом увеличивается зона бетона, препятствующая таранящему действию колони. Баскапи- тельные колонны (а) впервые были применены в 1940 г К 1914 г. Тернер, по его утверждению, построил 'большое число сооружений с безбалочными перекрытиями с капительными ко- лоннами стоимостью 200 млн. долл. Эти конструкции особенно часто применялись в промышленных зданиях и складских поме- щениях с динамической нагрузкой порядка 100 фунтов на кв фут (4,8 кПа) и более. Изобретение безбалочных перекрытий часто приписывают Роберту Мэйлларту [3.13], однако он не имел опыта применения таких конструкций до 1910 г., и первое здание с безбалочными перекрытиями было построено в 1912 г. Увеличение размеров оголовников колонн было характерной чертой этого решения конструкций и поэтому оно было также известно под термином «грибовидные перекрытия». У Мэйлларта капители плавно переходили в плиты перекрытий, что делало это решение более эстетичным, но и более дорогим, чем обычно ис- пользуемое в Америке решение с плоскими капителями, подхо- дящими к перекрытиям под углом. Иногда эти расширения колонн декорировались под капители коринфского ордера или под египетские капители в форме цветка лотоса, но, к счастью, это не нашло широкого распространения (см. разд. 3.1). Арматура, использовавшаяся Тернером, обычно размещалась четырьмя группами параллельно двум пролетам и двум диаго- налям (рис. 47). Мэйлларт располагал арматуру только в двух - 83 —

Рис. 47. Система размещения арматуры в плоской плите при капительных колоннах в ви- де стержней, идущих в четырех направлениях, применявшаяся К. А. П. Тернером. Стержни, обозначенные сплошной толстой линией, размещены в нижней части плиты, стержни, обозначенные двумя тонкими линиями, размещены в верхней части плиты направлениях, параллельно ‘каждому пролету, как это делалось в 'плитах, работающих в двух направлениях и опирающихся на балки. Этот более простой метод в конечном счете стал самым распространенным (рис. 48). Интересным вариантом армирова- ния была круговая система, запатентованная Эдвардом Смуль- ским (рис. 49). В ней была использована схема армирования, примененная Торройей и Нерви (см. рис. 89). Несмотря на неко- торую экономию металла, ее повышенная трудоемкость была неоправдана. Безбалочную плиту перекрытия можно разделить на полосы примерно равной ширины — надколонные полосы и средние по- лосы (рис. 50). Над колоннами изгибающий момент отрицатель- ный (т. е. он вызывает растягивающие усилия в верхней части плиты) и изменяется на положительный ;к середине пролета. Сумма положительных и отрицательных ’ моментов статически определима (рис. 51). Рассмотрим работу половины безбалочной плиты — от центра колонны до середины пролета. Если вся пли- та несет нагрузку W, то половина плиты несет нагрузку 7г W и реакция колонн также равна 7г W. Половина плиты находится в состоянии равновесия при возникающих в результате действия этих двух сил суммарного положительного момента М+ и сум- марного отрицательного момента М— Составив.уравнение момен- тов относительно линии центров колонн, получим общий суммар- ный изгибающий момент м0.=м++м_=4 ж fi-4-FT- ад о \ о L, J Это уравнение было получено Дж. Р. Никольсом в 1914 г. [4.17]. Для расчета конструкций необходимо разделить суммар- ный момент А40 на максимальные положительный и отрицатель- ный моменты в надколонной и средней полосах. Эта часть зада- чи статически неопределима. В 1878 г. задачу решил Грашоф применительно к топке паро- воза [4.18]. Несмотря на внешнее различие, имелась определен- ная аналогия между взаимодействием паровых труб со стенками котла и взаимодействием железобетонной плиты с грибовидными колоннами. Решение Грашофа было использовано рядом иссле- дователей для проектирования безбалочных перекрытий, причем их интерпретации были различными. .. - ч — Рис. 48. Система размещения арматуры в плоской плите при капительных колоннах в виде стержней, идущих в двух направлениях, применявшаяся Робертом Мэйллартом. Эта система используется в наши дни. Стержни, показанные сплошной толстой линией, размещены в нижней части плиты, стержни, обозначенные двумя тонкими линиями, размещены в верхней части — 85 —
Рис. 49. Система разме- щения арматуры в пло- ской плите при капи- тельных колоннах в ви- де радиальных лучей и концентрических кругов, запатентованная Эд- вардом Смульским. Тон- кие линии показывают арматуру, размещенную в нижней части плиты, толстые — в верхней ее части Рис. 50. Разделение пло- ской плиты на полосы в соответствии с нормами ACI, 1917 г. — 86 —
Рис. 51. Метод Николь- са определения суммы положительных и отри- цательных изгибающих моментов (М-4- и М—) для плоской плиты с ка- пительными колоннами W — полная нагрузка, действующая на одну панель плиты; L — про- лет, с — диаметр рас- ширенной части колон- ны (капители) или при- веденный диаметр се- чения прямоугольной капители; Xi и х2 — рас- стояния, зависящие от отношения c/L. В альтернативном подходе бетонная плита рассматривается ка'к консоль до точки перегиба плиты (см. рис. 33), а остальная часть плиты — как вставка между консолями, подобно тому, как это делалось в неразрезной балке .Гербера (рис. 23). Третий, и наиболее экономичный подход к решению задачи был предложен Тернером. Хотя Тернер приводит работу Грашо- фа в списке использованных материалов, его метод в основном эмпирический, основанный на обширных экспериментах и дан- ных, полученных из испытаний конструкций до разрушения. Пер- вые испытания безбалочных перекрытий были проведены в 1910 г. Артуром Р. Лордом в Миннеаполисе. Еще несколько серий испытаний относятся к периоду между 1910 и 1917 гг. [4.15, 4.9]. Метод Тернера давал максимальный момент (по которому определялась толщина панели), равный WL/50, где W — полная нагрузка; L — пролет. В 1878 г. Грашоф вывел момент для опре- деления толщины стенки бойлера, равный WL/25,6 К 1917 г. формула Никольса (4.2) была принята Объеди- ненной американской комиссией и введена в строительные нор- мы ACI [2.Гб] для проектирования безбалочных перекрытий с капительными колоннами, но коэффициент был принят ниже l/s, ja'K как уменьшенные значения изгибающих моментов уже были — 87 —
введены в Чикагские строительные нормы. Были также установ- лены правила распределения общего изгибающего момента на положительные и отрицательные моменты для надколонных и средних полос. Более точная методика оценки моментов, основанная на тео- ретических и экспериментальных исследованиях Вестергарда и Слейтера i[4.14], появилась в 1925 г. Этот метод был включен в строительные нормы стран всего мира. Все изложенные до сих пор методы были основаны на .рас- смотрении упругой плиты, поддерживаемой колоннами с расши- ренной верхней частью. Как отмечалось в разделе 3.2, колонны рассматривались как поддерживающие элементы конструкции, а не как составная часть рам. Альтернативный подход, который предпочитается большинством проектировщиков, рассматривает плоские плиты и поддерживающие колонны как систему упругих ортогональных рам. Этот метод был разрешен нормами на бетон- ные конструкции Германии 1925 г., а в 1926 г. появилась методи- ка расчета, основанная на методе Максвелла — Мора (см. разд. 3.6) и предложенная Виктором Лью, лектором Берлинско- го технического университета [4.20]. В 1933 г. «метод эквивалентных рам» (или метод рамной аналогии) для расчета безбалочных перекрытий был включен в калифорнийское издание Единого Строительного кода (которое использовалось главным образом на Западном побережье ОША). Работа подкомитета, исследовавшего возможности этого метода, проливает свет на конструктивное мышление этого' времени [4.21]. В 1941 г. метод был включен в нормы ACI и с тех пор входит в большинство строительных норм. В настоящее время этот метод обычно предпочитают методу Вестергарда — Слейте- ра в связи с его большой гибкостью, однако без пердшествующе- го развития метода распределения моментов Крооса (см. разд. 4.2) объем вычислений был бы чрезмерно велик. Расширенные столовники колонн впервые были исключены из 'конструкции Джозефом Ди Стасио [4.92] в 1940 г. Это умень- шило площадь перекрытия, воспринимающую реакцию колонн (см. рис. 45), и поэтому было необходимо ввести дополнитель- ную поперечную арматуру для восприятия перерезывающих сил или увеличивать размеры колонн (толщину перекрытий) больше, чем требовалось. Последние две альтернативы обычно дешевле, чем при использовании поперечной арматуры для восприятия перерезывающих сил. Для того чтобы отличить плиты перекры- тий с бескапительными колоннами от плит с капительными ко- лоннами (flat slab), им было дано специальное название (flat plate). Безбалочные перекрытия с бескапительными колоннами пред- ставляют собой предельно простые конструкции, состоящие из железобетонных плит одинаковой толщины и колонн постоянного сечения. Это упрощает опалубочные работы, а также арматур- — 88 —
ные работы и бетонирование. Такая конструкция экономически целесообразна там, где не требуется устройства подшивных по- толков для инженерных коммуникаций, таких, например, как кондиционирование воздуха. Там, где подвесной потолок необ- ходим, экономическая целесообразность подобной конструкции, требующей большего расхода бетона, чем балочная конструк- ция, имеющая меньшую толщину перекрытий, остается под во- просом. Безбалочные, бескапительные конструкции получили особенно широкую популярность в Австралии ;[4.23], где мно- гие здания не имеют отопления и кондиционирования воздуха. Расчет этих конструкций методом Вестергарда —'Слейтера за- труднителен и поэтому при их проектировании обычно использу- ется метод эквивалентных рам. В связи с тем, что при бескапительных конструкциях колон- ны имеют постоянное сечение, их легко сопрягать со стенами и перегородками между колоннами. Поэтому они удобны для ад- министративных зданий и жилых домов. Конструкции с капи- тельными колоннами используются теперь почти исключительно в таких зданиях, как склады и гаражи без внутренних стен и перегородок. В бескапительных конструкциях, однако, задача ограничения прогибов более сложна, чем в капительных. Из-за общей неболь- шой толщины перекрытий и отсутствия капителей упругие про- гибы плит перекрытий относительно велики. Повышенная дефор- мативность перекрытий может быть учтена в процессе проекти- рования, но существует опасность роста прогибов при долговре- менно . действующей нагрузке (см. разд. 4.4) вследствие ползу- чести бетона, возникающей в результате выдавливания воды из пор бетона под воздействием собственной массы плит. Дополни- тельные деформации ползучести, по крайней мере, вдвое увели- чивают величину упругих прогибов. Эта проблема не была пол- ностью преодолена до конца 50-х годов XX®., когда в ряде зданий с 'бескапительными колоннами обнаружились треснувшие перегородки и раздавленные окна. Для исправления положения имелись два выхода —выбор более коротких пролетов для уменьшения прогибов, которые про- порциональны пролету, или применение предварительно напря- женной арматуры (см. разд. 3.4). 4.5. КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА ПРОТИВ РАЗРУШЕНИЯ Термин «разрушение» в каждом конкретном случае требует определения. Если в старом здании выходит из строя водоснаб- жение, мы можем решать, стоит ли устанавливать новые трубы или снести'здание. Если здание представляет исторический, инте- рес, можно превратить его в нежилое музейное помещение и в этом случае мы устанавливаем непригодность (отказ в работе) здания в качестве жилого дома. Многие известные старые зда- — 89 -
ния и памятники фактически давно вышли из строя в Этом смысле. Пирамиды в Гизе (Египет) часто приводятся в качестве при- мера долговечности, но в строгом смысле слова они уже давно -вышли из строя. Они больше не служат той цели, для которой были предназначены, поверхность их граней сильно разрушена. Имеются два типа разрушения (выхода из строя), при кото- рых восстановление или реставрация редко имеет смысл, — раз- рушение от огня при пожаре и обрушение конструкций. Оба эти разрушения зданий с давних времен были объектами определен- ных мер предосторожности. Специальные меры нормативного характера, относящиеся к пожарной безопасности зданий, су- ществовали в Древнем Риме (см. '[1.1], разд. 3.8), а в Лондоне они появились в XII в. Нормы же по обеспечению безопасности конструкций были Обычно весьма нечеткими. Так, Хаммураби (см. [1.4], разд. 3.1) издал закон, по которому строитель, построивший дом настолько плохо, что это вело к гибели владельца, сам должен был быть убит. Законы такого типа, естественно, поощряли осторожность в проектировании конструкций без каких-либо рекомендаций от- носительно параметров конструктивных элементов. Невозможно было установить законы по проектированию тех или иных конструкций до тех пор, пока не были разработаны, теоретические основы их расчета. Теория упругости для расчета конструкций была сформулирована в середине XIX в., главным образом благодаря влиянию работ Навье\(см. [1.1], разд. 8.4). Требовалось только установить предельные допускаемые напря- жения в различных материалах, чтобы превратить эту теорию в признанный и обязательный метод проектирования конструкций. Это было сделано впервые примерно в 1840 г., когда Торговая палата Англии установила допускаемое напряжение для ковкого чугуна в железнодорожных мостах в 5 т на кв. дюйм (77,2 МПа) [4.25]. Это значение было получено делением среднего предель- ного напряжения, зафиксированного в различных испытаниях ковкого чугуна (20 т на кв. дюйм), на 4, что предусматривало определенный. запас прочности. Ренкин (см. разд. 2.4) определил коэффициент запаса как от- ношение предела прочности материала к максимально допускае- мому напряжению при воздействии действительной или рабочей нагрузки на конструкцию. К концу XIX и началу XX в. это допус- каемое рабочее напряжение -было включено в строительные нор- мы для различных материалов и строительных конструкций. Ренкин также указал на различие между постоянно действующей нагрузкой, которая может быть точно определена, и временной нагрузкой, величина которой не может быть установлена с та- кой же точностью [4.26]. Коэффициент запаса 4 рассматривался как приемлемый и в первых английских нормах проектирования зданий со стальным - 90 -
каркасом, выпущенных в 1909 г. Советом Лондонского графства (осно'ван в 1888 г. в качестве административного органа для го- родов страны). Допускаемое напряжение для 'стали было уста- новлено в 7,5 т на кв. дюйм (115,8 МПа). Более высокий коэффициент запаса был установлен для ко- лонн с учетом неизбежных несовершенств, которые могли вы- звать изгиб колонн в дополнение к сжатию (см. разд. 2.4). Вели- чина коэффициента зависела в большой степени от используемо- го метода определения предела прочности 'материала. Если ко- эффициент устанавливался по лабораторным испытаниям тща- тельно подготовленных образцов, то он должен был быть значи- тельно выше, так как точность изготовления опытных образцов не может быть достигнута на строительной площадке. И. X. Салмон в его классическом трактате, посвященном колоннам [4.27], ре- комендовал коэффициенты запаса 10 для постоянной нагрузки и 20 для временной нагрузки для колонн из литого чугуна в том случае, когда постоянные величины в формуле Ренкина (в кото- рую входит значение предела прочности) определялись из испы- таний специальных лабораторных образцов. Эти величины более чем вдвое превышали рекомендованные Ренкином в 1866 г., когда лабораторные образцы не могли выполняться и испыты- ваться с одинаковой точностью. Проблема определения коэффи- циента запаса была поэтому не таким простым делом, как во Времена Ренкина [4.25]. . . Другой проблемой' было определение рабочих (расчетных) нагрузок. Постоянная нагрузка могла быть рассчитана по разме- рам конструкций и известной массе материалов. Временная на- грузка вначале оценивалась весьма, приблизительно. Можно бы- ло определить нагрузку от плотной толпы людей, которая состав- ляет Г50 фунтов на кв. фут (7,2 кПа). Такая нагрузка, однако, возможна только в условиях паники, и коэффициент запаса дол- жен частично это учитывать. Следовательно, рабочая нагрузка Должна быть не менее, чем нагрузка от толпы людей, деленная на коэффициент запаса. Поэтому временная нагрузка от 40 до '80 фунтов на кв. фут рассматривалась как приемлемая для зда- ний, за исключением складов, в которых нагрузка может быть выше. В течение XIX в. колонны неизменно рассчитывались на пол- ную временную нагрузку от всех поддерживаемых ими этажей. После 1900 г. местные строительные нормы как в Чикаго, так и в Нью-Йорке, допускали снижение временной нагрузки, посколь- ку считалось маловероятным, чтобы одновременно на всех эта- жах временная нагрузка была максимальной. Нормы предусма- тривали расчет на максимальную временную нагрузку только конструкций верхнего этажа, на 95% нагрузки—предпоследне- го этажа, на 90% — еще этажом ниже и так далее, пока времен- ная нагрузка не снизится до 50%, которые принимались в расчет для всех нижних этажей. Здание Таймс Билдинг в Нью-Йорке, — 91 —
законченное в 1909 г., было первым многоэтажным зданием, кон- струкции которого проектировались .по таким правилам. Анало- гичные рекомендации были приняты в Лондонских строительных правилах в 1909 г. и до сих пор используются (с некоторыми изменениями в процентах снижения нагрузки) в большинстве строительных норм. Проблема сочетания нагрузок важна также в связи с учетом ветровой нагрузки. В разделе 3.5 указывалось, что первые при- меры учета ветровой нагрузки были основаны на ассоциации с правилами проектирования железнодорожных мостов после об- рушения моста Тей. Считалось, что вряд ли мост будет нести максимальную вертикальную временную нагрузку, когда при штормовом ветре возникнут большие горизонтальные нагрузки. Операторы железных дорог могут остановить движение поездов во время сильного шторма или, по крайней мере, снизить воз- можную вертикальную нагрузку. Таким образом, возникло пра- вило допускать в случае сочетания вертикальных нагрузок и ветровой нагрузки повышение обычных (рабочих) напряжений на 20%;. Это правило было перенесено в практику проектирова- ния многоэтажных зданий и включено сначала в американские, а затем в английские .строительные нормы [4.25], хотя его обо- снованность остается под вопросом. Теория .упругости в сочетании с допускаемыми (рабочими) напряжениями в материалах и допускаемыми (рабочими) на- грузками, которые все шире устанавливались строительными нормами, стали основой проектирования конструкций примерно с 1870 г. и не вызывали сомнений примерно до 1920 г. Теория упругости в одном случае была случайно использова- на при расчете каменных конструкций традиционного типа. Прочность готических и ренессансных конструкций зависела только от линии действия распора (кривой давления), но не от прочности материала (см. [1.1], разд. 6.3 и 7.6). Если пренебречь прочностью раствора в швах кладки на растяжение, как это делалось, то по теории упругости требуется, чтобы кривая давле- ния проходила в пределах средней трети сечения конструктивных элементов. Фактически конструкции сохраняют устойчивость, пока равнодействующая нагрузка находится в .пределах сечения. В первом случае, кривая давления может смещаться на ’/гХ’/з толщины сечения каменной кладки, во втором случае — на !/г толщины. Таким образом, согласно теории упругости, коэффи- циент запаса, обесточивающий сохранность конструкции от раз- рушения, составляет V2/V2 X !/з — 3. Допускаемое напряжение для материала не входит в расчет. — 92 —
4.6. ПРИНЦИПЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В 20-х годах XX в. новая отрасль промышленности — само- летостроение стимулировала поиски более точных основ опреде- ления коэффициента запаса. Разумное его уменьшение, не со- здающее опасности для надежности сооружения, естественно, дает экономию материалов и денежных средств. Это важно в строительстве, но особенно в самолетостроении, так как слишком тяжелый самолет вообще не сможет взлететь. Поэтому коэффициент запаса в конструкциях самолетов значительно меньше, чем в зданиях, однако этот более низкий запас прочно- сти сочетается с тщательным контролем качества материалов, частой проверкой состояния конструкций,заменой поврежден- ных частей, точностью методов проектирования конструкций,ос- нованных на математических расчетах. Методы проектирования, разработанные для самолетостроения, в определенной степени повлияли на проектирование зданий. Кроме того, поиски теории прочности конструкций зданий, прекратившиеся в XIX в. (см. [1.1], разд. 8.3), возобновились в 20-е годы XX в. (см. разд. 4.10). Теория упругости была, с од- ной стороны, достаточно развита, а с другой стороны, ее положе- ния критически осмысливались. До этого времени почти не уделялось внимания проблеме це- лесообразной длительности эксплуатации зданий. Пирамиды были построены навечно. То же можно сказать о средневековых соборах и, вероятно, дворцах эпохи Ренессанса. Эксплуатация самолета ограничена во времени — около 30 тыс. летных часов или примерно 10 лет [4.25]. К 1920 г. стало очевидным, что боль- шинство зданий имеют конечные сроки существования. Санитар- но-гигиенические удобства, считавшиеся прекрасными в 1870 г., к 1920 г. стали едва удовлетворительными и иногда проще было снести здание и построить новое, чем улучшать инженерное обо- рудование старого здания. Промышленная технология и деятель- ность конторских учреждений постепенно изменяются. Следова- тельно, промышленные и административные здания1 и много- квартирные жилые дома имеют ограниченные сроки эксплуата- ции и существование конструктивной основы здания, которое пережило свое назначение, теряет смысл. Целесообразный срок эксплуатации здания, зависящий от ожидаемых изменений в той области, которой оно служит, как правило, может быть от 50 до 100 лет. Только отдельные мону- ментальные здания могут рассчитываться на более долгое суще- ствование. Приемлемая вероятность разрушения (отказа) здания1 также может быть определена. Значение, придаваемое человеческой жизни, все еще различно в различных точках мира, но в целом смертельные случаи от аварий зданий значительно менее часты, - 93 —
чем вследствие дорожных катастроф. Из данных официальной статистики 1960 г. ПО' штату Новый Южный Уэльс, вероятность того, что проектировщик здания погибнет в автомобильной ката- строфе в период 50 лет, в 130 раз больше, чем вероятность серьезной аварии конструкций в одном из спроектированных им зданий за тот же период. После 1946 г. теория вероятности, созданная в течение второй мировой войны, стала применяться при расчете конструкций зданий [4.28—4.30]. Здесь неизбежны компромиссы, так как чем надежнее конструкция, тем больше ее стоимость. Приемлемая вероятность местного повреждения конструкции, не ведущего к ее разрушению, составляет 1 из 10 тыс. случаев, или 1-Ю-4. Эти цифры подводят приемлемый баланс между до- пустимым уровнем надежности и стоимостью конструкций. Теперь необходимо определить вероятность того, что нагруз- ка, на которую рассчитывается конструкция при проектировании, будет превышена, и вероятность снижения прочности материала ниже расчетной. Ответ на первый вопрос лежит в исследованиях природы нагрузок (см. разд. 4.7 и 4.8), ответ на второй вопрос достигается соответствующей программой испытаний. Если результаты испытания материалов, проводящиеся на множестве образцов, нанести на график, то образуется кривая, показывающая небольшое число образцов с очень небольшой прочностью, большое число образцов со средними показателями и снова небольшое число с очень высокой прочностью. Форма кривой была установлена примерно в 1800 г. и с тех пор названа кривой Гаусса по имени Карла Фридриха Гаусса (его имя было дано также единице измерения силы магнитного поля) [4.57]. Чем уже кривая, тем выше уровень контроля качества. После построения кривой можно определить среднюю прочность мате- риала, по которой видно, какой процент случаев, например 1 :10 или 1 :20, будет ниже минимально допустимой прочности (fe' на рис. 52), принятой для того или иного материала. Хотя контроль качества использовался в американской про- мышленности с начала века, статистические методы стали основ- ным элементом контроля продукции только во время второй ми- ровой войны. В 1940 г. Американская ассоциация стандартов провела исследование, результатом которого было появление Американских стандартов обеспечения безопасности. В них оп- ределялись методы контроля качества, базирующиеся на стати- стических методах. Институт британских стандартов принял их в 1942 г., а Ассоциация стандартов Австралии — в 1943 г. Статистический метод оценки результатов испытаний бетона на сжатие, принятый Американским институтом бетона в 1957 г., привел к значительной экономии этого широко используемого в строительстве материала (рис. 52). Затем этот метод был принят Европейским комитетом по бетону и включен в нормы по железобетонным конструкциям Англии и Австралии. — 94 -
Рис. 52. Гауссовская частотная кривая для коэффициентов вариации в 10, 15 и 20%. Требуемая средняя прочность на сжатие бетонного цилиндра f сг основана на вероятности 1 к 10; при испытаниях прочность образца будет ниже номинальной прочности f с .рав- ной 20,7 МПа. Коэффициент вариации — статистическая мера степени разброса резуль- татов эксперимента (Из «Рекомендаций по практической оценке результатов испытаний бетона. Стандарт 214». Американский институт бетона. Детройт, 1957 г.) Программа испытаний бетона, предписываема» в настоящее время в нормах ACI, направлена на обеспечение того, чтобы в конструкциях здания материал недостаточного качества не со- ставлял более 5%. Эту цифру, а также 5% вероятности того, что действительные нагрузки могут превысить расчетные, возможно теоретически вычислить из условия вероятности 1-IO-4 против местного разрушения и вероятности 1 • 10-7 общего обрушения конструкций здания [4.25]. С 1950 г. коэффициенты запаса в строительных нормах во все большей степени определялись на основе теории вероятности. 4.7. ОБЫЧНЫЕ НАГРУЗКИ НА ЗДАНИЯ Первые детальные исследования временной нагрузки в здани- ях были предприняты Комитетом норм Департамента коммерче- ских зданий в 1924 г. и Британским комитетом по исследованиям стальных конструкций [4.58] в 1931 г. Позднее нагрузки в адми? ниетративных зданиях исследовались в США Данхэмом, Брекке и Томпсоном [4.58], а также Брайсоном и Гроссом [4.31], и в Англии Митчеллом и Вудгейтом [4.32, а и Z?; 4.59]. Взвешивание всех передвижных предметов в административ- ных зданиях и регистрация: данных взвешивания — процедура весьма утомительная и длительная. Последние предложения ос- - 95 -
повивались главным образом на применении автоматических взвешивающих и регистрирующих устройств. Так, работа Мит- челла [4.32, а] содержала примеры 32 административных зданий (выбранных из рассмотренных 473), занятых более чем 100 ор- ганизациями, с общей площадью- в 160 тыс. м2. Другие исследования касались торговых зданий [4.32 в; 4.58], складских помещений [4.58], промышленных зданий [4.58], церк- вей и театров [4.58], а также жилых зданий [4.33]. Взвешивание мебели, передвижного оборудования, нагружен- ных шкафов, книг и других предметов является объективной оценкой нагрузки и при достаточно больших масштабах исследо- вания результат такого измерения должен быть достаточно на- дежным. Более сложен вопрос определения нагрузки .в склад- ских помещениях и торговых зданиях, в которых количество хранящихся грузов может быть различным, но и здесь задача решается путем достаточно правильного- выбора примеров для обследования. Исследователи расходились в оценках веса людей, находя- щихся в зданиях. Данхэм [4.58] давал одно решение, по которо- му учитывался вес людей, действительно находившихся на месте в момент обследования. По другому решению, если помещение было бы заполнено людьми, вес принимался в пределах 60 фун- тов на кв. фут (2,8 кПа), что соответствовало условиям- наи- большего скопления людей, как например, при широкой распро- даже товаров или при пожаре. Так, полезная нагрузка по иссле- дованиям, проводившимся в секции мужской обуви в нью-йорк- ском универмаге в 1950 г., составила 10,6 фунтов на кв. фут ; (0,5 кПа), а в условиях скопления людей нагрузка увеличилась до 43,6 фунтов на кв. фут (2,1 кПа). Однако на складах того же универмага, закрытых для публики, нагрузка оставалась неиз- менной — 57 фунтов на кв. фут (2,7 кПа). Митчелл [4.59], исследования которого выполнялись 20 лет ! спустя, был уже в состоянии достичь более точного учета эффек- ; та максимального скопления- людей, проводя наблюдения- за I числом людей в обеденное время, в свободные дни недели, во время распродажи или непосредственно перед праздником в за- висимости от назначения магазина и его размещения. Это дало исследователю величину нагрузки в 50 фунтов на кв. фут (2,4 кПа) от толпы на верхней части лестницы и у выходов из магазинов. Таким образом, более точные исследования имеют тенденцию к снижению первоначальных величин максимальных нагрузок. Снеговая нагрузка играет существенную роль только в высо- когорных местностях или в странах, близких к Арктике, особенно в Канаде, Скандинавии и СССР. Определение снеговой нагруз- ки сравнительно- несложно, но последние исследования- направ- лены больше на разработку в проектах мер предотвращения скопления снега (которое может привести к очень большим на- - 96 —
грузкам)’, чему способствуют фонари, ендовы и перепады уровня крыш [4.60]. Солнечная радиация может уменьшить снеговую нагрузку, так как снег тает даже при температуре воздуха не выше 0°С, если предусмотрено соответствующее устройство для отвода воды. Но когда за таянием последует замораживание, может возникнуть ледяной барьер на краю скатной крыши, ве- дущий к увеличению толщины снежного покрова. Как отмечалось в разд. 3.5, оценка ветровой нагрузки произ- водилась еще в XVIII в. [4.61]. Однако достаточно точных дан- ных о ветровой нагрузке, действующей на здание, не было, пока она не стала предметом изучения в 50-х и 60-х годах нашего столетия [4.62]. Статический расчет здания в настоящее время основывается на данных средней скорости ветра, измеряемой при помощи ане- мометра в течение многих лет, обычно на открытых пространст- вах или на крышах метеорологических станций. Недавно в США и различных европейских странах был проведен ряд наблюдений на зданиях [4.62], что позволяет сравнить действительные ско- рости ветра с данными метеорологических бюро. Сильные порывы ветра, очень непродолжительные по време- ни (менее 1 с) могут более чем вдвое превышать среднюю ско- рость ветра. Это' имеет большое значение при проектировании кровли и навесных стен, особенно если порывы ветра могут привести к отсосу. В этом случае возможны повороты конструк- ций, что создает дополнительную поверхность для воздействия ветра и может повести к быстрому разрушению. Архитектурные сооружения слишком массивны, чтобы они могли разрушаться от действия порывов ветра, по крайней мере, если исключить легкие жилые дома. Поэтому при статическом расчете зданий учитывается средняя скорость ветра. Конечно, весьма важно, чтобы многоэтажные здания были защищены от разрушения под действием ветровой нагрузки. Практически это- го никогда не происходит. Было отмечено весьма небольшое число случаев серьезных повреждений многоэтажных зданий от ветровых нагрузок и только в одном случае (здание Мейер-Кай- зер Билдинг во время урагана в Майами в 1926 г.) произошло повреждение стального каркаса. С другой стороны, разрушение жилых домов и небольшие повреждения! многоэтажных зданий в результате атмосферных явлений (ураганов, тайфунов) отмеча- ются достаточно часто. Многое можно сделать, чтобы свести к минимуму последствия атмосферных воздействий [4.34], но полностью исключить возможность повреждений зданий в ре- зультате стихийных бедствий, вероятно, нельзя по экономиче- ским соображениям. • Хотя в проектировании конструкций при расчете на статиче- ские нагрузки используются данные о средней скорости ветра, кратковременные порывы ветра, по-видимому, влияют на дина- мический режим зданий [4.35]. Очень высокие (высотой более 4 Зак.' 887 - 97 —
400 м) здания со стальным каркасом, выстроенные в США после 60-х годов имели заметные колебания с частотой порядка 0,1 Гц. Для их уменьшения может потребоваться включение в схему каркаса вязкоупругих демпферов. Аэродинамические колебания таких зданий привлекли к себе внимание только сравнительно недавно [4.36, 4.62]. Динамические критерии проектирования каркасов зданий определяются ощущениями находящихся в здании людей. Речь идет не только о предотвращении разрушения зданий из-за динамической неустойчивости, как произошло с Такомским мо- стом вблизи Сиэтла [4.37]. Если в здании возникают ощутимые колебания чаще, чем раз в 10 лет, то обеспечить достаточную плату при сдаче его в наем весьма затруднительно. Какова дей- ствительно приемлемая для обитателей здания амплитуда его колебаний, в момент написания книги еще не было определено [4.63]. В связи со сложностью динамического расчета большинство задач решалось путем исследований на моделях в аэродинамиче- ских трубах, в которых достаточно точно моделировались усло- вия окружающей среды — шероховатая или гладкая поверхность земли и особенно влияние соседних зданий [4. 63, т. 1 в]. Кроме того, исследуемые здания должны моделироваться с учетом их геометрической формы, жесткостей и распределения масс, чтобы воссоздать колебания и нагрузки в аэродинамической трубе, ко- торые дали бы возможность предсказать поведение реальных зданий [4.64]. 4.8. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Отдельные небольшие подземные толчки время от времени наблюдаются в большинстве районов Земного шара, однако в сейсмически активных районах они происходят многократно каждый год. Вероятно, до появления сейсмографов часто толчки земной коры проходили незамеченными и не вели к заметным повреждениям зданий. Основными зонами сейсмической активности являются Тихо- океанский пояс, проходящий через Чили, Центральную Америку, Калифорнию, Аляску, Японию, Индонезию и Новую Зеландию, и Альпийский пояс, проходящий через Португалию, Италию, Югославию, Грецию, Турцию, Иран и Афганистан. Наиболее сильные землетрясения в Альпийском поясе упоминаются в исто- рических документах и легендах стран Средиземноморья и Среднего Востока. Ряд ученых от Аристотеля до Роберта Гука (который напи- сал «Доклад о землетрясениях» для Королевского Общества в 1668 г.) давали достаточно объективные объявления явлениям, однако без каких-либо правильных или полезных практических выводов. 1 ноября 1755 г. столица Португалии Лиссабон была разру- — 98 -
Шена землетрясением, продолжавшимся около 6 мин. Было раз- рушено почти 12 тыс. зданий и более 60 тыс. человек погибло. Это первое крупное землетрясение современности привлекло внимание многих ученых — физиков и геологов. Джон Митчелл, профессор минералогии в Кембриджском университете, опубли- ковал работу в Философских записках Королевского Общества, в которой утверждал, что Земля внутри жидкая и покрыта срав- нительно тонкой твердой корой. Волны колебаний, возникающие во внутриземной жидкой части земли, толкают податливую гибкую оболочку и, если эти толчки достаточно сильны, проис- ходит землетрясение. В 1807 г. Томас Янг (Юнг) в своих «Лек- циях по естественной философии» объяснял землетрясения как упругие волны в твердом теле. Это было начало' практически приемлемой сейсмологии. Первый сейсмограф был создан в 40-х годах XIX в. и к середине века землетрясения регистрировались и классифицировались в соответствии с их интенсивностью [4.65]. Последующие крупные землетрясения помогли сформировать теоретические основы и методы проектирования сейсмостойких зданий. В 1811—1812 гг. в южной части штата Миссури произо- шло одно из сильнейших землетрясений,.состоявшее из трех от- дельных толчков. Оно затронуло пространство от Канады до Мексики и привело к большим изменениям поверхности земли, но человеческих жертв было мало из-за редкой заселенности района землетрясения. 18 апреля 1906 г. в Калифорнии произошла подвижка в раз- ломе Сан-Андреас длиной 435 км, захватившая и Сан-Франциско [3.7]. Около 70 человек погибло и возникли большие пожары, повлекшие убытки порядка 400 млн. долл. 1 сентября 1923 г. во время землетрясения в Токио огнем было уничтожено около 700 тыс. домов. Человеческих жертв на- считывалось от 74 до 143 тыс. человек. Разрушение зданий во время землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г. ясно продемонстрировало важность учета горизонталь- ной составляющей колебания грунта (см. разд. 3.5). Движение грунта происходит быстро, и благодаря своей инерции здания отстают от этих колебаний. Нагрузки, возникающие вследствие вертикальных составляющих колебаний грунта, менее разруши- тельны для зданий, поскольку здания рассчитаны на восприятие вертикальных нагрузок. Хотя нагрузки, вызываемые землетря- сением, превосходят учтенные при проектировании, в связи с на- личием запаса прочности конструкций, серьезных повреждений не произошло. Так как в проектах большинства зданий не были учтены горизонтальные нагрузки или расчет велся на небольшие горизонтальные нагрузки от ветра, горизонтальная составляю- щая колебаний грунта вызвала большие повреждения и даже обрушения зданий. После землетрясения 1906 г. высокие здания в сейсмических районах проектировались с учетом восприятия 4* — 99 —
статических горизонтальных нагрузок, равных весу здания, умноженному на величину С — эмпирический коэффициент, ко- леблющийся в пределах от 0,02 до 0,14 в зависимости от высоты здания и уровня приложения сил. Этот коэффициент постепенно был введен в строительные нормы стран, находящихся в сейсми- ческих районах. Во время землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г. каменные здания оказались малонадежными, в то время как немногочис- ленные тогда здания со стальным каркасом получили лишь не- большие повреждения [3.7]. Это было до1 развития железобетон- ных конструкций. В 1923 г. землетрясением в Токио было разрушено 54% всех кирпичных зданий и только 10% зданий с железобетонным каркасом (см. разд. 3.5). Считалось, что чем жестче конструкция здания, тем больше его сопротивление го- ризонтальным нагрузкам и тем лучше они переносят землетря- сения. Здания с жестким железобетонным каркасом и массивны- ми стенами-диафрагмами были признаны наиболее сейсмостой- кими. В 30-х годах XX в. возникла другая точка зрения на этот предмет. Жесткое сооружение хорошо сопротивляется статиче- ским горизонтальным нагрузкам, но не может рассеивать энер- гию сильных колебаний в связи с малыми упругими прогибами. Гибкое сооружение, напротив, способно развивать значительные упругие деформации и, следовательно, накапливать их энергию (см. разд. 3.6). Горизонтальная нагрузка, которая в действитель- ности является не статической, а динамической, снижается за счет знакопеременных колебаний здания, а не воспринимается полностью, как в случае жесткого каркаса. Во время землетря- сения 1971 г. в Лос-Анджелесе гибкие стальные каркасные кон- струкции показали себя лучше, чем жесткие железобетонные, хотя и те и другие вели себя значительно лучше неармированных конструкций кирпичных зданий. В настоящее время для строи- тельства в сейсмических районах стальной каркас считается более подходящей конструкцией по сравнению с железобетон- ным [4.63, т. I в]. 4.9. ВЗРЫВЫ И УДАРНЫЕ НАГРУЗКИ Возможность разрушений в результате военных действий до последнего времени не учитывалась при проектировании зданий, хотя даже во времена Древнего Рима при осадах городов зда- ния могли быть разрушены снарядами. Однако эти разрушения це шли ни в какое сравнение с всеобщим разбоем, часто следо- вавшим за взятием города неприятельской армией. Даже бомбардировка Парижа немецкой артиллерией и пер- вые воздушные налеты во время первой мировой войны не при- чинили такого ущерба, чтобы инженеры-конструкторы начали учитывать такую возможность при проектировании зданий. Во — 100 —
время гражданской войны в Испании (1936—1939 гг.) воздуш- ными налетами были сильно разрушены многие здания. В ко- роткий период перед началом второй мировой войны в 1939 г. и в годы войны вопросу проектирования зданий, стойких к бом- бардировкам с воздуха, уделялось много внимания. Преимущест- ва рамных каркасов с железобетонными плитами перекрытий ясно проявились как в экспериментах, так и в практике строи- тельства. В 1945 г. взрывы двух атомных бомб, сброшенных на японские города, показали, что никакие конструктивные решения зданий не могут противостоять этому виду разрушений. Можно строить убежища, чтобы защитить людей от радиоактивного поражения [4.38], но это уже выходит за рамки конструктивного решения зданий. Последние события в Северной Ирландии [4.39] дали доста- точно интересную информацию о стойкости конструкций к дей- ствию взрыва. В течение второй мировой войны разрушения были слишком большими, а время слишком коротким, чтобы специалисты могли провести исследования в этой области. Петер Роудес, главный инженер-конструктор департамента финансов Северной Ирландии утверждал, что надежность традиционных конструкций зависит от их массы, препятствующей разрушению от диагональных растягивающих усилий (рис. 53). Тот же прин- цип заложен в постройках готического стиля (см. [1.1], разд. 6.5 и рис. 90). Современные каркасные конструкции способны вы- держивать растягивающие усилия и поэтому выдерживают дей- ствие взрывов значительно лучше, чем здания XIX в., конструк- ции которых рассчитаны главным образом на сжатие. Во многих сборных железобетонных зданиях устойчивость при горизонтальных нагрузках зависит от сил трения, возникаю- щих в местах соединений в связи ,со сравнительно большой мас- сой сборных элементов и достаточно большим трением между бетонными поверхностями. Хотя эти силы в обычных условиях одинаковы, в случае взрыва может произойти обрушение. Взрывы связаны не только с военными действиями. Рано ут- ром 16 мая 1968 г. произошел взрыв газа в двухкомнатной квар- тире на 18-м этаже 24-этажного здания на Ронен Пойнт в Кан- нинге-Туане, пригороде Лондона. Взрыв выбил панель несущей стены кухни, выходящей на главный фасад, и стены общей ком- наты и спальни, выходящих на торцовый фасад, лишив опоры перекрытия и стены верхних этажей юго-восточного угла здания, в результате чего произошло их обрушение. Тяжесть обломков конструкций и действие от их удара при падении на перекрытия нижних этажей привели к еще большему разрушению . угловой части здания, вплоть до уровня монолитного подиума. Погибли 4 человека и 17 ранены, Поскольку взрыв произошел ранним утром, большинство жителей находились еще в спальнях. Если бы это случилось, когда жильцы находились бы уже в кухнях и общих комнатах, жертв было бы значительно больше. - 101 —
Рис. 53. Разрушения от взрыва выложен- ной в XIX в. кирпичной стены с арочным проемом. Значительная масса кладки с ле- вой стороны удерживает равнодействую- щую сил в пределах сечения стены. На правой стороне равнодействующая вы- ходит за пределы стены, поэтому здесь Взорвался обычный газ бытового пользования, и сила взрыва была не очень большой. Последующее после взрыва расследова- ние [4.40] показало, что давление газа было от 13,8 до 82,7 кПа. По английской статистике 1966 г., частота случаев взрывов бы- тового газа составляла примерно 8 случаев на 1 млн. квартир в год, из которых 3,5 случая на миллион были настолько мощ- ными, что привели к значительным повреждениям конструкций зданий. В зданий Ронен Пойнт было 110 квартир и оно было построено 60 лет назад. Исходя из этих данных, частота сильных взрывов, ведущих к повреждениям конструкций в течение срока существования здания составляет 1 : 50, что недопустимо .велико. Катастрофа в Ронен Пойнт вызвала большую дискуссию [4.41] и привела, к внесению изменений в строительные нормы Англии [4.42]. Расчет на силы трения и массу конструкций, ко- торый современные здания унаследовали от проектирования го- тических конструкций, подвергся серьезной критике. В проектах большинства современных конструкций различных систем преду- сматривается соответствующее армирование и неразрезность стыков конструктивных элементов. . Прогрессирующее разрушение до упомянутой катастрофы рассматривалось как возможное только в связи с военными дей- ствиями или землетрясениями. В дополнение к нормам [4.42] были введены Требования учета при расчёте зданий одного из двух случаев: 1. Расчет конструкций на комбинацию нагрузок— постоян- ной, временной и давления в 34,5 кПа во всех направлениях в случае возможного взрыва газа. 2. Предотвращение прогрессирующего разрушения, т. е. при- нятие таких мер, чтобы при удалении одного конструктивного — 102 —
элемента разрушение ограничивалось двумя примыкающими этажами и не вызывало полного обрушения здания. Эти дополнения к нормам были встречены со значительным скептицизмом, как в Англии, так и в других странах [4.43]. Принцип проектирования конструкций, предотвращающий прог- рессирующее разрушение, до сих пор находится в стадии об- суждения. С ростом высоты зданий возникла опасность возможности столкновения с ними самолетов [4.44]. В проектах зданий необ- ходимо предусмотреть меры, предотвращающие их обрушение в результате удара самолета. Наиболее известный из таких слу- чаев произошел В' июле 1945 г., когда бомбардировщик Митчелл Б-25 врезался в 25-й этаж здания Эмпайр Стейт Билдинг в Нью-Йорке. Часть фюзеляжа прошла сквозь здание, один мо- тор упал в лифтовую шахту, и местные повреждения были зна- чительными, однако существенных обрушений не произошло [4.45]. 4.10. ТЕОРИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ И ПРИНЦИП НАДЕЖНОСТИ ПРОТИВ РАЗРУШЕНИЯ В разделе 4.6 отмечалось, что разработка теории предельной прочности, забытая в XIX в., была продолжена в 20-х годах XX в., и большинство строительных норм включает ряд элемен- тов расчета по предельным нагрузкам. Диаграммы работы ков- кого чугуна на растяжение были установлены в основных чертах еще в XVIII в. Материал сначала деформировался упруго в со- ответствии с законом Гука. Затем появились признаки текучести металла. Это явление было отчетливо видно при испытаниях об- разцов на установках типа Мушенбурока (см. [1.1], разд. 8.2). Резкое увеличение скорости деформации при появлении текуче- сти вызывает падение ручки управления. Физическая природа пластической деформации, металла в то время еще не была по- нята. Текучесть металла не уменьшает его прочности. Напротив, после точки текучести происходило упрочнение металла и пре- дельная прочность, при которой он разрушался, была выше точ- ки начала текучести. Начало текучести означает конец упругой деформации и начало пластической. Поэтому Навье (см. разд. 2.3) построил свою теорию упругости для стадии упругих деформаций. Верхний уровень упругих деформаций определялся напряжениями предела текучести, допускаемое (рабочее)’ на- пряжение принималось значительно ниже этого уровня. В машиностроении такой подход никогда не применялся. Пластическая деформация использовалась в технике и техно- —- юз —
Рис. 54. Реологическая модель пластического материала и соот- ветствующая диаграмма упру- гопластической деформации а — реологическая модель, со- стоящая из тяжелого блока, лежащего на шероховатой по- верхности, к которому при- кладывается усилие через упру- гую пружину; б ~ идеализиро- ванная диаграмма напряже- ние — деформация для модели (а). Пластическая деформация предполагается неограничен- ной. Так как строительные стали практически. никогда не деформируются до разрушения (за исключением случаев по- жара, землетрясения или взры- ва), это Допущение соответст- вует действительному процес- су деформирования стали Рис. 55. Деформация кристалла металла а — кристалл, не подвергнутый деформированию; б — кристалл упруго деформирован. Угол 6 является мерой жесткости, обычно задаваемый в виде модуля упругости Е (ко- торый характеризует условные напряжения при единичной деформации). Когда нагруз- ка снимается, атомы восстанавливают свое первоначальное положение; в —кристалл деформируется пластически. Когда достигается предел упругости, атомы перескакивают на другой уровень, вызывая остаточные (пластические), деформации логии для формования металла в условиях нормальной темпера- туры в прессах и было хорошо известно, что концентрация уси- лий вблизи острых углов вызывает местную текучесть металла, не обязательно ведущую к нарушению сохранности части ма- шины. 1868 г. X. Треска представил во Французскую академию на рассмотрение Сен-Венану две работы по вопросу о пластической деформации. Сен-Венан, который в 1864 г. подготовил к выходу третье издание книги Навье (см. разд. 2.3), заинтересовался проблемой пластичности и в 1871 г. опубликовал первый выпуск работ по прочности чугунных балок за пределами упругости [2.8]. Он назвал новое явление пластикодинамикой, сейчас оно составляет предмет теории, пластичности. В 20-х годах XX в. Е. К. Бингхэм ввел в употребление новый термин «реология» для науки о вязком течении и пластической: деформации. Специалисты по. реологии использовали в работах физические модели [4.46] для иллюстрации своих взглядов, и модель изучения пластической деформации была назвала мо-
делью Сен-Венанй (рис. 54). Она представляет собой тяжелый блок, лежащий на шероховатой поверхности и передвигаемый по ней упругой пружиной. Пока сила, действующая на систему, меньше силы трения блока с поверхностью под ним, деформа- ция возникает только в пружине. Пружина упруго растягивается по мере увеличения нагрузки и упруго сжимается при уменьше- нии нагрузки. Когда нагрузка на систему превышает силу тре- ния, система деформируется под действием постоянной силы и деформации неограниченно растут. Таким образом, эта модель достаточно точно отображает упругую деформацию, после кото- рой следует идеально пластическая деформация, что соответст- вует предположению Сен-Венана в его трудах 70-х годов XIX в. В действительности деформация ковкого чугуна и. мало- углеродистой стали несколько сложнее, но эта простая модель давала удовлетворительную основу для теории пластичности, подобно тому, как модель Гука в виде упругой пружины была основой теории упругости. Указанный уровень появления теку- чести относится только к ковкому чугуну и малоуглеродистой стали. В частности, он не наблюдается в высокопрочных сталях и алюминиевых сплавах. Можно, однако, определить эквивалент- ную точку текучести, называемую условным пределом текучести, и использовать теорию пластичности, считая материал достаточ- но податливым, чтобы он деформировался без хрупкого разру- шения до тех пор, пока конструкция действительно не разру- шится. В 40-х годах XX в. наука о физике металлов [4.47] объяснила пластическую деформацию металлов свойствами их атомного строения (рис. 55). Металлические кристаллы были представлены как совокупность атомов, удерживаемых вместе электростатическим притяжением. Концепция Мушенброка (см. [1.1], разд. 8.2) о силах внутреннего притяжения подтверждается, таким образом, современными исследованиями. Когда кристалл нагружен, эти силы допускают небольшую деформацию и вос- станавливают первоначальную форму, как только нагрузка снимается. ; Таким образом, кристалл деформируется упруго. Когда на- грузка увеличивается, атомы смещаются настолько значительно, что часть атомов перескакивает на другой уровень. Кристалл деформируется пластически и его форма не восстанавливается. Однако кристалл сохраняет способность к дальнейшей пласти- ческой деформации при той же нагрузке. Диаграмма зави- симости напряжение — деформация такого идеализированного кристаллического строения металла соответствует, таким об- разом, диаграмме идеального пластического тела, показанной на рис. 54, б, которая была получена в результате анализа реологи- ческой модели на рис. 54, а. Идеально пластическое теле может быть деформировано не- ограниченно при сжатии. Например, можно изогнуть брус из - 105 -
мягкой стали до соприкосновения его концов без каких-либо раз- рывов металла. При растяжении пластическая деформация в ко- нечном счете ведет к утонению материала и его разрыву, однако это требует настолько большой пластической деформации, что может произойти в сооружении только в случае пожара, земле- трясения или взрыва. Все чистые металлы имеют такую степень податливости (вязкости), что обладают высоким уровнем пластической дефор- мации. При наличии примесей, например углерода в железе, пластическая деформация частично сдерживается инородными атомами и упругая прочность значительно повышается. С другой стороны, инородные атомы становятся источниками возникнове- ния трещин, так что излом происходит более свободно, а по- датливость снижается. Таким образом, малоуглеродистая сталь менее прочная, но более податливая, чем чистое железо, а высокоуглеродистая сталь прочнее, но менее податлива, чем малоуглеродистая сталь. В конечном счете величина пластической деформации, предшест- вующей разрыву, столь мала, что теория пластической деформа- ции не может быть в данном случае применена. Сталь с высоким содержанием углерода (хорошая для инструментов) не подхо- дит для строительных конструкций. По той же причине литое железо (наиболее насыщенное уг- леродом) является хрупким материалом, и его разрушение про- исходит внезапно без предшествующей пластической дефор- мации. Естественный камень, бетон и кирпич также хрупкие матери- алы. Теорию пластичности можно, использовать в различных пределах для железобетона поскольку его стальная арматура обладает пластичностью (см. разд. 2.8). Такое объяснение физического смысла явления стало воз- можным только в связи с развитием физики металлов в 40-х годах, но основные данные известны с конца XIX в. по лабора- торным испытаниям различных видов чугуна, стали, камня и бе- тона [4.66]. Вопрос о. применении теории пластичности к поведению' за- щемленных балок после стадии упругой деформации был впер- вые поднят Габором Казинчи [4.49], показавшим, что макси- мальный изгибающий момент, на который балка с защемленны- ми концами должна рассчитываться (рис. 56), составляет Й7Л/16, а не в соответствии с теорией упругости (см. рис. 20). Таким образом, теория пластичности в этом слу- чае дает возможность достичь экономии материала, примерно на 25%. В 1928 г. сталелитейное производство в Англии было под уг- | розой растущей конкуренции со стороны производителей желе- 1 зобетона. Был основан Научный комитет по стальным конструк- , циям с целью объединить усилия промышленников с правитель- — 106 —
Рис. 56. Защемленная на концах балка постоянного сечения при равномерно рас- пределенной нагрузке а — схема нагрузки; б — эпюра изгибаю- щих моментов в соответствии с теорией упругости; в — эпюра изгибающих момен- тов в соответствии с теорией пластично- сти; г — образование пластических шар- ниров, предшествующее обрушению Если нагрузка увеличивается сверх уров- ня упругой деформации, начинаются пла- стические деформации в местах наиболь- шего изгибающего момента (т. е. на опо- рах). Этот процесс продолжается до тех пор, пока на всех опорах все сечение ста- ли не перейдет в пластическую стадию и не образуются пластические шарниры, которые допускают поворот под действием постоянного момента Мр (пластический момент сопротивления сечения). В двух шарнирах действуют статические момен- ты Ма. Третий шарнир, требующийся для превращения балки в механизм, может образоваться в точке следующего макси- мального изгибающего момента, т. е. в середине пролета. Когда изгибающий мо- мент в середине пролета достигнет Мр, образуется третий пластический шарнир, балка превращается в неустойчивый ме- ханизм и обрушается. Это показано в схе- мах (s) и (г). Как на рис. 20 изгибающий момент в статически определимой балке равен ilsWL, и из рис. 56, в следует, что 2Мр=1/8№Т, откуда M$='/{6WL. Это составляет только 75% максимального изгибающего момента в стадии упругой деформации, который (см. рис. 56, б) равен l/i2WL. Все это дает возможность экономии материала при использовании теории пластичности в расчете конструкций ственными учреждениями. Джон Ф. Бейкер был назначен тех- ническим руководителем этого комитета. Комитет опубликовал три отчета [4.50], последний из которых содержал «Рекоменда- ции по проектированию», основанные на традиционной теории упругости (см. разд. 2.4). Вводились поправки в предыдущие строительные нормы, но лабораторные исследования и натур- ные испытания зданий убедили Бейкера, что не может быть разработано действительно экономически целесообразного ме- тода проектирования стальных конструкций без учета поведения конструкций за пределами упругости. Поэтому в 1936 г. он по- ставил научную программу по исследованию работы пластичных конструкций после того, как нагрузка превышает предел упру- гости вплоть до разрушения конструкции. В 1933 г. Бейкер воз- главил кафедру механики в Кембриджском университете, где под его руководством работа успешно продолжается по сей день. В 1941 г. Бейкер разработал идею так называемого Морри- соновского внутридомового противовоздушного укрытия (по имени министра1 обороны Англии того времени). Проект проти- вовоздушного укрытия для семейного пользования был основан главным образом на опыте гражданской войны в Испании (см. разд. 4.9), когда щели, отрытые в земле и покрытые большой толщей грунта, оказались вполне удовлетворительным средст- — 107 —
вом защиты населения. Укрытия такого типа были разумны в конструктивном отношении, однако климат Англии — холод- ный и сырой,, да и характер воздушных налетов был иной, чем в Испании (не столь прицельная бомбардировка). Укрытие Моррисона представляло собой толстый гофрированный лист стали, изогнутый так,-чтобы он мог войти под обычный обеден- ный стол. Эта конструкция была достаточно прочной, чтобы выдержать частичное разрушение конструкций дома, благодаря восприятию силы удара при пластической деформации гофриро- ванного листа. Таким образом, вся площадь, ограниченная кривой напряже- ние — деформация на рис. 54, б определяла величину энергии, которая могла быть поглощена при падении обломков. Согласно теории упругости, при расчетах можно учитывать только энер- гию упругих деформаций (что соответствует на диаграмме не- большому треугольнику); В начале 50-х годов Бейкер предсказал, что всего через не- сколько лет. все проектирование стальных каркасов будет ве- стись с учетом развития пластических деформаций, но последу- ющие открытия выявили новые проблемы, ряд из. которых до сих пор ждет своего решения. Задача о разрушении рамного каркаса при образовании пла- стических шарниров не имеет единого решения. Даже у простой портальной рамы может быть, по крайней мере, шесть различ- ных механизмов разрушения (рис. 57). В многоэтажных каркас- ных конструкциях число возможных механизмов разрушения многократно увеличивается. Самым опасным (критическим) яв- ляется механизм, который образуется при наименьшей нагрузке. Для его определения может потребоваться большой объем вы- числений. До того, как образуются все пластические шарниры, рама может потерять устойчивость (см. разд. 2.4). Потеря устойчиво- сти каркаса, частично деформированного в пластической стадии, представляет собой настолько сложную задачу, что пока, не имеет законченного решения. Если проектировщик не уверен, что потеря устойчивости каркаса не произойдет ранее образова- ния полного механизма пластического разрушения, теорию пла- стичности нельзя использовать для расчета каркаса в целом. Одноэтажные рамные стальные каркасы для промышленных зданий в настоящее время частично рассчитывают методами теории пластичности. Пока эта- теория применима только для относительно невысоких зданий [4.54]. С конца 50-х годов Лехайский, университет в Пенсильвании стал основным центром научных-исследований по расчету сталь- ных конструкций с учетом развития пластических деформаций*. * Здесь автор, как и во многих других разделах книги, совершенно не рассматривает достижения в Области строительной механики, достигнутые в СССР и многих других странах. (Примеч. науч, ред.) — 108 —.
Рис. 57. Возможные механизмы обрушения одноэтажной однопролетной портальной рамы с. жестко защемленными опорами. Точками обозначены места возможного возникновения пластических шарниров Хотя теория пластичности не заменила теорию упругости, бла- годаря ей серьезное внимание было обращено на видимые признаки, которые в стальных каркасных конструкциях предше- ствуют полному разрушению. Теория пластичности дала, таким образом, определение опасного механизма, которое позволяет предупредить обрушение, когда конструкция находится в еще достаточно безопасном состоянии. Такой подход, не обязательно связанный с пластическими деформациями, был разработан в Германии и быстро нашел применение в самолетостроении. В сочетании с принципами теории пластичности он стал важным фактором обеспечения надежности конструкций. Одна из классических проблем, выдвинута Грёнингом в 1926 г. [4.51], проиллюстрирована на рис. 58. Система, состоя- щая только из двух наклонных стержней АС и ВС, является ста- тически определимой (см. разд. 2.2). Если один стержень раз- рушится, разрушится вся система. Если мы добавим стержень. б Рис. 58. Простейшая конструкция, ил- люстрирующая принципы обеспечения надежности против разрушения а — конструкция, соединённая на шар- нирах, состоит из трех стержней Л С, ВС и CD; б — зависимость между на- грузкой W и прогибом б точки С. При нагрузке деформации 61 стержня CD происходят в пределах упругости. При нагрузке W2 прогиб б2 стержней АС и ВС достигается при пределе упругости. При прогибе б3 стержень CD разорвется. Нагрузка должна за- тем быть снижена до W4 и конструк- ция полностью разрушится . при про.-, гибе б4, когда разрушатся два остав- шихся стержня ?' — 109 —
СД, система становится статически неопределимой и разруше- ние одного стержня не обязательно ведет к разрушению всей системы. Такая система может быть рассчитана одним из мно- гих методов (см. разд. 3.6). Примем стержень CD достаточно небольшого сечения, чтобы пластические деформации в нем начинались при нагрузке Wi, в то время как стержни АС и ВС продолжают работать упруго. Так как напряжение в начавшем пластически деформироваться стержне CD больше увеличиваться не может (см. рис. 55, в), любое увеличение нагрузки должно распределиться на два дру- гих стержня! и прогиб увеличится более резко. Это может быть зафиксировано с помощью приборов и свидетельствует о выхо- де из строя части системы в то время, как вся система еще оста- ется надежной. При нагрузке IFg остальные два стержня достигнут начала развития пластических деформаций. Это максимальная нагрузка, которую может выдержать система. Разрушение не произойдет внезапно, так как пластические деформации для своего разви- тия требуют определенного времени. При прогибе 63 стержень CD лопнет, но действительного обрушения не произойдет, пока прогиб не достигнет уровня 64. Таким образом, существует не- сколько стадий предостережений. При 61 система остается безо- пасной, но пластические деформации стержня CD предупрежда- ют об увеличении нагрузки сверх нормального (расчетного) уровня. Прогиб 62 свидетельствует о достижении максимальной нагрузки, но еще остается время до разрушения. При прогибе б3 конструкция может еще существовать, если нагрузка будет снижена. Такие «безопасные» системы часто применяются в са- молетостроении, так как они вовремя дают предупреждение, позволяющее пилоту благополучно посадить поврежденный са- молет. Принцип обеспечения безопасности был также распространен на проектирование строительных конструкций. Появление пла- стических шарниров (см. рис. 57) является таким же признаком предостережения, как текучесть в стержне CD на рис. 58. Не имеет значения, на основе какой теории рассчитывается конст- рукция— теории упругости или пластичности; ее разрушение произойдет путем образования пластических шарниров. Таким образом, даже приближенное определение начала появления текучести дает нам возможность оценить время между первым предупреждением и полным разрушением. В разд. 2.8 мы рассматривали развитие теории упругости применительно к проектированию железобетонных конструкций. В 1922 г. X. Кемптон Дайсон предложил теорию, использующую модуль упругости [4.52]. В 1937 г. Чарльз С. Уитни [4.53] опу- бликовал метод расчета ПО‘ предельным нагрузкам, который с некоторыми модификациями в 1956 г. был введен как оптималь- ный метод проектирования в Строительные нормы Американ- — по —
ского института бетона. В 1971 г. он стал стандартным методом, применяемым в проектировании в США. С тех пор подобные методы были введены в Англии, Австралии и нескольких евро- пейских странах. Метод расчета по предельным нагрузкам основан на допу- щении, что разрушение сечения железобетонного элемента на- чинается с появления текучести в арматурной стали. Пластиче- ское растяжение стали вызывает повышение уровня нейтральной оси (см. рис. 17), а последующая пластическая деформация ве- дет к образованию пластических шарниров, поворот в которых до начала разрушения (расслаивания) бетона много меньше, чем для стали. Поэтому весьма трудно предотвратить разруше- ние бетона в некоторых шарнирах до тех пор, пока не образуют- ся шарниры, которые в соответствии с теорией пластического равновесия возникают в рамных каркасах. Таким образом, тео- рия пластичности не может быть использована при проектирова- нии железобетонных каркасов, а применима только для железо- бетонных элементов*. Тем не менее, пластические деформации в шарнирах обеспе- чивают определенный уровень безопасности, которого не было бы, если бы шарниры не образовывались. Это может случиться, если железобетонные балки так переармированы, что бетон раз- рушится до того, как сталь достигнет стадии пластических де- формаций (см. рис. 16). Поэтому нормы ACI 1971 г. лимитиру- ют количество арматуры величиной 75% от того количества, при котором разрушение бетона наступит, когда сталь еще бу- дет оставаться упругой. Подобные рекомендации были введены и в других нормах. 4.11. РАСЧЕТ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ Методы расчета конструкций по предельной нагрузке были предложены в 50-х годах нашего века. Ряд проблем был успеш- но решен с помощью теории упругости. Одной из задач было оп- ределение прогиба под действием рабочей нагрузки, которую теперь принято называть «эксплуатационной». Эта задача могла решаться только для упругих систем под действием по- лезной нагрузки, при действии же предельной нагрузки они могли иметь чрезмерный прогиб. Эта проблема особенно важна для расчета плоских перекрытий (см. разд. 4.4), однако чрез- мерные прогибы могут проявляться в разнообразных железобе- тонных конструкциях типа плит. В связи с деформациями пол- * Указанное положение не совсем справедливо, см., например, Тихий М., Ракосник И. Расчет железобетонных рамных конструкций в пластической стадии, —-М.: Стройиздат, 1976. (I/римеч. науч, ред.) ‘ — 111 —
а bfes • ? УШ зучести бетона под действием долговременных нагрузок (см. разд. 3.4) эти прогибы не могут быть компенсированы обратным прогибом. Таким обазом, постепенное увеличение прогиба бе- тонных плит может привести к повреждению хрупких элементов отделки, к образованию трещин в кирпичной кладке или блоках перегородок, перекосу дверных и оконных коробок в нижележа- щих участках стен. Значительна» деформативность приводит к интенсивным ко- лебаниям конструкций при сильном ветре (см. разд. 4.7). В бе- тонных конструкциях под действием эксплуатационной нагруз- ки могут образовываться значительные трещины, которые приво- дят к разупрочнению бетона и коррозии арматуры. В 60-х годах XX в. термин «расчет по предельным состояни- ям» (limit states design), был принят для определения комплек- сных расчетных проверок, включая проверку предельных состоя- ний по несущей способности, по эксплуатационной способности и долговечности конструкций [4.63]*. В принятых в Америке (1971 г.), Англии (1972 г.) и Австралии (1973 г.) строительных нормах употреблялся термин «предельное состояние» по эксплу- атационной способности (serviceability limit state). В конструк- циях с использованием железобетонных плит ограничение про- гиба часто более важно, чем контроль достижения предельной прочности. 4.12. ПЛОСКИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ Крупные успехи, достигнутые в теории расчета конструкций каркасов в течение 40-х и 50-х годов, были в большой степени результатом разработок в области проектирования конструкций военных кораблей, самолетов и объектов гражданской обороны. После войны многие высококвалифицированные специалисты ос- вободились для других работ и строительная индустрия приоб- рела инженеров, знания которых в области теории расчета кон- струкций были большими, чем когда-либо требовалось для нужд строительства. Развитие строительства многоэтажных зданий было задер- жано сначала кризисом 30-х годов **, затем войной в начале 40-х годов и в первое десятилетие после нее вследствие интен- сивных восстановительных работ. * Методика расчета по предельным состояниям была создана прежде всего исследованиями советских ученых, см. В. А. Балдин, И. И. Гольденблат и др. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям. — М.: .Стройиздат, 1951. (Лримеч. науч, ред.) ** Речь'идет а развитых капиталистических странах. (Примеч. науч, ред.) — 112 — I 1
Строительство здания Эмпайр Стейт Билдинг, начавшееся до кризиса, было окончено в 1931 г. (см. разд. 4.1), и высшее дости- жение в высоте здания, установленное его строительством, про- держалось в течение 42 лет. Эмпайр Стейт Билдинг было спро- ектировано в виде ряда плоских рам. Когда строительство мно- гоэтажных зданий возобновилось в 60-х годах, принцип расчета конструкций как плоских систем уступил место более экономич- ному принципу расчета пространственных замкнутых конструк- ций [4.63, т. 1а]. . ' Многоэтажные здания требуют специальных стволов (шахт) для лифтов. В последние годы в стволах размещают также вер- тикальные системы кондиционирования воздуха и электроснаб- жения. Эти стволы должны иметь достаточные размеры в плане, особенно для лифтов. Кроме того, стволы должны быть обето- нированы для защиты лифтов от огня. Чем выше здание, тем более крупный ствол (шахта) и тем больше он должен быть связан с несущими конструкциями здания. Здание должно иметь наружные стены, несущие колонны ко- торых вместе с обвязочными балками образуют пространствен- ную замкнутую коробку (оболочку). Таким образом, наружная оболочка вместе со стволом создают как бы «трубу в трубе». Вме- сте они воспринимают вертикальные нагрузки как составныеко- лонны и горизонтальные нагрузки — как коробчатая консоль. ; Принцип совместной работы конструкций был использован фазлур Кханом в проекте здания Джон Хенкок Сентр (рис. 59). Шесть ярусов перекрестных связей придают наружному коробу (оболочке) жесткость на сдвиг подобно раскосам в простых фермах (см. разд. 2.1). Гигантские диагонали, однако, создают необычный архитектурный облик здания, который нравится далеко не всем. Принцип проектирования пространственной конструкции дает значительную экономию материалов (рис. 60), даже когда диагональные связи не применяются. Наружная коробка здания рассматривается, как перфорированная труба, а не как система балок и колонн, образующих рамный каркас (рис. 61). Этот подход был использован Лесли Робертсоном при проектирова- нии Всемирного торгового центра (Уорлд Трейд Сентр), строи- тельство которого было закончено в Нью-Йорке в 1973 г. Его высота 411 м была первым случаем превышения высоты здания Эмпайр Стейт Билдинг. В здании Сирс Тауэр Фазлур Кхан применил многосекционную коробчатую систему в виде несколь- ких связанных между собой коробок различной высоты (рис. 62). ' Концепция коробчатых систем в проектировании многоэтаж- ных зданий вызвала значительное увеличение пролетов конст- рукций перекрытий. Здание M.LC Сентр в Сиднее (см. рис. 69) размером в плане 43X43 м и высотой 64 этажа в качестве вертикальных опор — из —
Рис. 59. Здание Джон Хэнкок Сентр в Чикаго, 1968 г. Его высота 344 м
110 - 100 - ? 90 5 * 80 - § 70- X 2 бо - о 50- eAe»<, 4-Х \ Сирс Тауэр,* • всемирный центр Чикаго торговли,Нью-иорл «и/ £. а Джон Хэнкок С ектр, га| w Чикаго | | , । yi\ Стандарт / \ Ойл Индиана. '. Чикаго 40 - - 100 “1 Г*Т I П I 1—1—ГЛ—[—J—I—[—|—г 150 200 250 300 Масса стали на единицу площади пола,кг/мг Рис. 60. Соотношение между высотой здания и расходом стали на его конструкции для ряда американских и австралийских многоэтажных здании (по данным Австралийского Института стальных конструкций) Г —Юнион Гардиан в Нью-Йорке; 2 —Джене- рал Моторе в Нью-Йорке; 3 — Юнайтед Стейтс Стил в Питтсбурге; 4 — Панамерикэн в Нью- Йорке; 5 —первый национальный банк (Ферст Нейшнл Бэнк) в Чикаго; б — Чейз Манхэттен Бэнк в Нью-Йорке; 7 — В. Н. Р. Хауз в Мель- бурне Рис. 61. Многоэтажное здание в виде перфори- рованной коробчатой системы, образованной вер- тикальными колоннами и горизонтальными обвя- зочными балками на уровне каждого этажа с пространством между ними для окон и других проемов 60| 61 162 Рис. 62. Многосекционная коробчатая система, мРотлчене»ная в здании Сирс Тауэр в Чикаго (1974). В момент, когда писалась данная книга это здание было самым высоким (442 м). Две из девяти перфорированных коробок доходят до 50-го этажа, две — до 66-го этажа, три до 30-го и две имеют высоту ПО этажей. Вокруг техниче- ских этажей устроены диагональные элементы, создающие дополнительную жесткость — 115 —
Рис. 63. Верхний пояс (венчающая диафрагма), состоящий из расширенного техниче- ского этажа и связанный со стволом для вертикальных коммуникаций на уровне верхне- го этажа, значительно увеличивает жесткость многоэтажного здания имеет лишь ствол для лифтов и коммуникаций и восемь колонн по периметру наружных стен. Колонны имеют большое сечение (3,6 м в нижнем уровне), но будучи размещены вне внутреннего объема здания они не занимают полезной площади этажей. От- носительно тяжелая конструкция перекрытий между колоннами в уровне наружных стен и лифтовой шахтой, выполненная без дополнительных опор, требует горизонтальных элементов в на- ружной коробке, которые воспринимают горизонтальные нагруз- ки. Такое решение конструкций здания, получившее развитие в США в 60-х годах, применено в большинстве последних много- этажных зданий. В каждом многоэтажном здании должны быть определенные служебные устройства на крыше, например, водяные баки и подъемные механизмы для лифтов. Во многих зданиях ранней постройки эти элементы обслуживания оставались открытыми, так как они были выше других конструкций и соседних зданий. После появления более высоких зданий вошло в практику устрой- ство верхнего технического этажа, включающего все обслужива- ющие устройства, находящиеся на крыше здания. В 60-х годах- этот технический этаж стал использоваться как верхний пояс (венчающая диафрагма), придающий зданию дополнительную жесткость и повышенную сопротивляемость ветровой нагрузке (рис. 63). Так как на служебном этаже окна могут быть неболь- ших размеров или вообще отсутствовать, ствол для лифтов — 116 -
Рис. 64. Здание Стандард Бэнк Сентр в Иоганнесбурге (ЮАР). Основной несущей кон- струкцией здания является ядро жесткости (ствол для вертикальных коммуникаций, выполненное из монолитного железобетона в скользящей опалубке. Ядро несет в трех уровнях мощные консольные клети, на каждой из которых подвешено по девять сбор- ных междуэтажных перекрытий на предварительно напряженных железобетонных под- весах
Рис. .65. Конструктивная схема здания с перекры- тиями, подвешенными к консольным оголовкам покрытия и коммуникаций расширялся в плане, чтобы создать дополнительную связь колоннам на- ружной коробки здания,. Тот же принцип был принят при проектировании промежуточных технических этажей в средней части здания, которые обычно устраиваются в очень высо- ких зданиях. В 30-х годах нашего века считалось, что стальной каркас является единственным целе- сообразным решением конструкций много- этажного дома, и это положение было принято во всем мире. К I960 г. доминирующая роль стальных конструкций стала оспариваться в связи с развитием железобетонных конструкций и к 1970 г. железобетон стал дешевым материа- лом для многоэтажных зданий в большинстве стран. В то время, когда писалась эта книга, только в США, Канаде и Японии наиболее высокие здания имели стальные каркасные конструкции. Во всех других странах та- кие здания имеют железобетонный каркас (см. рис. 69). Наиболее высокие железобетонные здания, однако, еще зна- чительно меньше по высоте, чем наиболее высокие здания со стальным каркасом. В момент работы над книгой самым высо- ким зданием из железобетона было чикагское здание Уотер Тауэр Плейс, имеющее высоту 262 м. В тех зданиях, где отсутствует наружная несущая коробчатая система, лифтово-коммуникационная шахта становится основ- ным конструктивным элементом. При определенных условиях может быть выгодным использовать подвесные конструкции, когда перекрытия этажей и стены навешиваются на конструк- ции покрытия (рис. 64). Это означает, что вся нагрузка переда- ется через конструкции покрытия на конструкции ствола для лифтов и вертикальных инженерных коммуникаций, опирающе- гося на фундамент (рис. 65). В связи с тем, что стоимость кон- струкций многоэтажных зданий обычно составляет от !/4 до 7б ча- сти общей стоимости здания, этот метод может быть принят не только вследствие экономических соображений, особенно если имеется возможность снизить стоимость монтажных работ. При этом методе строительства можно вести монтаж перекрытий и наружных стен, начиная с верхних этажей, а пространство в нижней части здания использовать для склада и монтажной сборки укрупненных элементов, которые затем ставятся на место в собранном виде. — 118 -
4. 13. ОГРАНИЧЕНИЕ ВЫСОТЫ ЗДАНИЙ В разд. 2.6 отмечалось, что новые здания с металлическим каркасом в Чикаго в 80-х годах XIX в. получили название «лифтовых домов», так как высота требовала обязательного ис- пользования лифтов. До изобретения лифта высота зданий была ограничена уровнем, до которого жильцы согласны были под- ниматься пешком, хотя в Древнем Риме существовали здания высотой более 20 м (см. [1.1], разд. 3.8). Только на ранних ста- диях развития общества высота зданий лимитировалась возмож- ностями конструкций. В первые годы существования Чикагской школы, когда еще не было полной уверенности в методах расчета зданий с метал- лическим каркасом, высота таких зданий удерживалась неболь- шой, однако вскоре она стала определяться скоростью движения лифта. Лифты, применявшиеся в XIX в., двигались медленно и поэ- тому для обслуживания высокого здания требовалось сравни- тельно большое их число. Отношение площади шахты лифтов и других вертикальных коммуникаций к полезной площади эта- жа, которое зависит отчасти от размеров и формы участка стро- ительства, определяло максимальную экономичную высоту. С повышением скорости движения лифтов увеличивалась высо- та зданий, однако без доходов, получаемых от размещения в башне здания Эмпайр Стейт Билдинг радио и телевизионных передатчиков, это здание могло выйти из пределов экономиче- ской целесообразности. Когда изобретение системы промежуточных лифтовых холлов (см. разд. 8.7) снова повысило экономически целесообразную высоту зданий, важным вопросом стали загрузка и разгрузка зданий, поскольку количество^ жильцов зданий возросло. В том случае когда многоэтажные здания соединены между собой в единую систему скоростной транспортной связи, как это предлагал Ле Корбюзье, вертикальный транспорт вновь может оказаться фактором, лимитирующим высоту. В действительно- сти большинство^ многоэтажных зданий, за исключением не- скольких монументальных сооружений, размещены в старых частях города, где соответствующим образом была решена ком- муникационно-транспортная система города. В центральной части Лондона (Сити) некоторые главные 'дороги все еще остаются примерно в том виде, какой они имели во времена римлян. Высокая стоимость земли может сделать перестройку дорог или их расширение чрезвычайно дорогостоя- щим. В Сиднее, где дороги в центральной части делового района прокладывались только начиная с XIX в. в расчете на малень- кий город с небольшим движением транспорта, эта проблема оказывается точно такой же. Даже в таких городах, как Чикаго — 119 —
или Мельбурн, где улицы шире, не решена проблема организа- ции стоянок транспорта и система общественного транспорта не соответствует нуждам города. В Лос-Анджелесе, где вполне благополучно обстоит дело с системой транспорта и его паркирования, значительно меньше очень высоких зданий. В противоположность «Городу будущего» Ле Корбюзье [4.1], многоэтажные здания на практике усугубляют транспортные трудности, так как они всегда связаны с большим скоплением людей. Другая идеальная концепция «города в городе» также оста- ется нереализованной. В Хенкок Сентр имеются квартиры, мага- зины, конторы и помещения для отдыха. Предполагалось, что этим будет сокращен транспортный поток к зданию и от него, но практически этого не произошло, поскольку лишь неболь- шое число людей, проживающих в доме, работают в нем, и наоборот. Можно построить здание много выше, чем Сирс Тауэр и пре- дусмотреть в нем соответствующую систему вертикальных ком- муникаций. Однако загрузка и разгрузка здания потребуют зна- чительного улучшения горизонтального транспорта. В настоя- щее время это представляется невозможным ни физически, ни экономически. Эта проблема выходит за рамки материала дан- ной книги. 5. МЕХАНИЗАЦИЯ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИИ Сверхзадача компьютера — спра- виться с той путанной информацией, с которой он манипулирует, и не сломаться. Фазлур Кхан В первом разделе рассматривается развитие методов счета и появление первых счетных машин. Второй раздел знакомит с методами оценки конструктивных систем с помощью моделей, отражающих суть теорий расчета конструкций и моделей кон- струкций, которые используются для измерения деформаций и перемещений. В разд. 3 анализируются физические аналоги, используемые для решения строительных задач. В конце главы прослеживает- ся развитие методов расчета конструкций с помощью ЭЦВМ, которые коренным образом изменили практику проектирования сооружений.
5.1. РАЗВИТИЕ СЧЕТНОЙ ТЕХНИКИ Обозначения цифр почти так же ©тары, как и обозначения букв, слогов и слов. В Египте древнейшие надписи, изображав- шие цифры, относятся к 3000 г. до н. э., т. е. примерно ко време- ни древнейших пирамид. В Месопотамии древнейшие обозна- чения цифр датируются 2400 г. до н. э. [5.23]. Мы больше знаем о состоянии счетного дела, чем о других аспектах науки древ- него мира, благодаря тому, что было найдено множество папи- русов и плиток из керамики и камня с записями счетов, полу- ченных товаров, оплаты за них и астрономических расчетов. На папирусах был обнаружен также ряд упражнений. В этом пла- не особенный интерес представляет содержание «папируса Ринда». В 1858 г. шотландский антиквар Генри Ринд купил сверток папируса размером 1X18 футов, относящийся, как полагали, к 1650 г. до н. э. Большая часть этого папируса находится сей- час в Британском музее. На папирусе Ринда были найдены законы пропорциональ- ности, впоследствии известные в Англии со средневековья до Викторианского времени как «Закон трех» («Если 258 булок хлеба стоят 3 фунта, 4 шиллинга, 6 пенсов, какова стоимость 13 булок»). Эта пропорциональность дает удивительно точное значение л, полученное при приведении площади круга к пло- щади квадрата: «Площадь круга диаметром 9 единиц равна площади квадрата со стороной в 8 единиц». Так, л=4Х82/92= = 3,1604 с погрешностью менее 1% [4.57]. Мы не так хорошо осведомлены о развитии математики в Месопотамии, но, очевидно, она также достигала высокого уровня. Поэтому греки вели свое строительство на прочной ос- нове. Особенных достижений они добились в геометрии. Извест- ны также их успехи в расчетах. Птоломей примерно в 150 г. н. э. определил значение л = 377/120, что равнялось 3,1416 и до пято- го знака соответствует тому, чем мы пользуемся сегодня. Фактически весь древний счет был основан на десятичной системе, проистекающей от счета десяти пальцев на двух руках. Слово «digit» — цифра, произошло от греческого слова дигитус (digitus) — палец. Однако это относилось только к целым чис- лам, десятичные же дроби не были известны до эпохи Возрож- дения и это очень осложняло даже простые расчеты. Сложение простых дробей сегодня легко выполняется посредством пере- вода их в десятичные. Для греков, даже во время высшего подъема развития их арифметики в Александрии, требовалось производить долгие вычисления для решения этой задачи в связи с необходимостью нахождения общего знаменателя для двух дробей. Вычислительные приспособления использовались в Китае и в средиземноморских странах к III в. до н. э. Слово «абакус» — — 121 -
счеты, произошло от финикийского слова «абак» — доска, усы- панная песком, на которой можно было чертить метки, но егип- тяне уже использовали для счета камешки (гальку), а позднее укладывали их в желобки или нанизывали на прутья. Римские счеты, имеющиеся в настоящее время в Британском музее, очень похожи на современные китайские счеты. Китайцы и японцы, с детства тренирующиеся в пользовании счетами, могут произ- водить на них сложение, вычитание и умножение почти так же быстро, как при помощи карманного электронного калькулятора, и можно полагать, что и в древнем мире были люди, которые могли пользоваться счетами с близкой к этому скоростью. Арифметические возможности греков и римлян были органи- чены их цифровыми системами и необходимостью пользоваться простыми, а не десятичными дробями. В качестве цифр греки использовали буквы алфавита. Римские цифры, используемые и сейчас, были определенным улучшением системы счета, но они не были пригодны для обозначения десятичных дробей. Араб- ские цифры были изобретены в Индии и заимствованы араба- ми в VIII в. н. э., когда индийские труды по математике были переведены на арабский язык. В Европе арабские цифры впер- вые были применены примерно в 1200 г. Леонардо Пизанским, более известным как Фибоначчи. Леонардо путешествовал со своим отцом, пизанским купцом, в Северную Африку и обучал- ся там у мусульманского учителя. Первое использование в записи нуля датируется 876 г. н. э., когда он появился в индийской рукописи. Независимо от этого он был также введен в счет в племени майя в Мексике [5.23]. Точка (или запятая) появилась для обозначения деления числа на десять в работе Франческо Пеллоса «Развитие счета», опубликованной в Турине в 1492 г. [5.23], но десятичные дро- би не находили сколько-нибудь серьезного использования в вы- числениях до XVII в. Симон Стевин, который впервые опубли- ковал теорему о параллелограмме сил, был выдающимся про- пагандистом десятичной системы в арифметике. Введение десятичных дробей значительно усилило эффектив- ность счета как приспособления для сложения, вычитания и ум- ножения, но счеты имели ограниченные возможности даже для простого деления и возведения в квадрат и были совершенно не пригодны для извлечения квадратных корней. Логарифмы были изобретены Джоном Непером в 1614 г. Они значительно упростили деление, возведение чисел в квадрат и куб, а также извлечение квадратных и кубических корней. В 1620 г. Эдмунд Гюнтер нанес значения логарифмов на двух- футовую прямую линию. С помощью измерителя для переноса размеров умножение и деление можно было производить графи- чески. В 1633 г. Уилййам Отред, взяв две шкалы Гюнтера, про- изводил вычисления, сдвигая шкалы одну под другой. Таким образом, он изобрел первое аналоговое устройство (см, — 122 -
разд. 5.3). В 1654 г. Роберт БиССакёр поместил скользящую шка- лу внутри подвижной основы. Инструмент такого типа исполь- зовался еще в работах Джеймса Уатта. Первая современная логарифмическая линейка была выпол- нена в 1859 г. Амедеем Маннгеймом, французским артиллерий- ским офицером. На ней были нанесены шкалы логарифмов от 1 до 10 и от 1 до 100 на движущейся и основной частях линейки, дополнительная шкала от 0 до 1000 и обратная шкала в центре. Такое устройство до сих пор используется в логарифмических линейках. Маннгейм также изобрел движок, который значительно уве- личил точность и быстроту вычислительных действий. Инстру- мент Маннгейма давал возможность легко производить подсче- ты, включающие деление, возведение в квадрат, извлечение квадратного корня, и мог быть использован для возведения в куб и извлечения кубического корня. Логарифмическая линейка имеет сплошное градуирование и ее точность зависит от точности и тонкости нанесения деле- ний. Чем длиннее линейка, тем точнее результат, однако имеют- ся очевидные практические ограничения длины. Электронные карманные калькуляторы дают большую точность при меньших размерах за счет использования цифровых изображений. Первый цифровой калькулятор был создан французским ма- тематиком Блезом Паскалем, получившим известность своими работами в области теории вероятности. В 1641-г., когда ему было всего 18 лет, он выполнил первую машину для сложения, используя поворачивающиеся ^зубчатые колеса, а позднее изго- товил еще пять других машин. Однако они могли выполнять только то, что выполнялось и с помощью счет. В 70-х годах XVII в. Готфрид Вильгельм Лейбниц, более из- вестный как философ и сооткрыватель исчисления с бесконечно малыми величинами, изобрел клавишную счетную машину, ко- торая производила умножение путем повторного сложения. Она демонстрировалась в Академии наук в Париже и в Королевском обществе в Лондоне. В течение XVIII в. в цифровых калькуляторах были сделаны лишь небольшие улучшения.. В 1813 г. Чарльз Бэббидж в воз- расте 21 года (позднее профессор математики в Кембридже) предложил метод составления некоторых таблиц при помощи машин и создал небольшую машину, которая могла табулиро- вать функции, у которых вторые производные были постоянны- ми (рис. 66). В ней было несколько вертикальных колонок с «цифровыми колесиками», на которых были изображены циф- ры от 0 до 9. В 1876 г. Скотт Лонг, профессор математики уни- верситета Сент Эндрю, описал эту машину в своей книге [4.65, том 4]. В 1822 г. Бэббидж послал описание своей машины Хэмфи Дейви, Президенту Королевского общества, и просил помощи — 123 —
Рис. 66. Модель разностной машины, созданной Чарльзом Бэббиджем в 1820 г. часть вращающихся дисков машины имеет насечку цифр от 0 до 9. На одной колонке набира- ются разности второго порядка (постоянные), на центральной колонке — разности пер- вого порядка и на последней колонке получается результат, вносимый в таблицу. Ма- шина включается поворотом рукоятки для изготовления машины с числами, с двадцатью десятичными знаками. В 1823 г. он получил согласие, но ко времени его смерти в 1871 г. машина была еще не закончена. Первая из ряда подобных машин была построена Георгом Шютцем в 1853 г., на одной из которых в 1864 г. были рассчитаны «Таблицы продол- жительности жизни в Англии», используемые страховыми ком- паниями. — 124 —
В 1833 г. Бэббидж задумал более сложную машину с боль- шими возможностями, которую он назвал «Аналитической ма- шиной». Он так описал ее: «Аналитическая машина является, таким образом, машиной наиболее об- щей природы. Если нужно просчитать какую-либо формулу, порядок расчета должен быть заложен в машину при помощи двух наборов карт. Когда это выполнено, машина готова к расчетам по этой конкретной формуле. Число- вые значения закладываются на цифровые диски и, приводя машину в дви- жение, мы получаем в напечатанном виде результат расчета по формуле» [4.65, т. 4]. Согласие на изготовление машины конструкции Бэббиджа было задержано правительством Роберта Пила в 1842 г., хотя Королевское общество рекомендовало дальнейшую поддержку этой работы. Ни разностная машина, ни аналитическая так и не были им выполнены. Бэббидж оставил ряд фрагментов машины и массу чертежей. Одной из причин, по которой конструкция Бэббиджа созда- ла так много трудностей, было использование десятичной сис- темы счета. В 1937 г. Говард X. Эйкен предложил конструкцию вычислительной машины в Гарвардском университете, которая, как теперь видно, имела много общего с аналитической машиной Бэббиджа. В этом проекте числа из десятичной системы были переведены в двоичную систему, при которой используются толь- ко две цифры 0 и 1: в десятичной системе 0 1234567 8 9 10 11 в двоичной системе 0 1 1011 100 101 110111 1000 1001 1010 1011 и т. д. Хотя двоичная система требует использования большого числа цифр, в механизме машин применяются только два поло- жения. Эйкен использовал электрическое реле, подобное при- меняемому в автоматических телефонных установках. Когда ре- ле разомкнуто и ток не проходит через него, цифровое табло показывает 0. Когда реле замкнуто и ток проходит, то на табло цифра 1. Первая Гарвардская автоматическая вычислительная машина была завершена в 1944 г. с помощью фирмы «Интерне- шенл Бизнес Машин» (IBM) и использовалась для обслужи- вания морского флота США [5.22]. В течение 40-х годов XX в. Дж. Проспер Эккерт и Джон У. Маучли начали работу в Пенсильванском университете над вы- числительной машиной с использованием электрических схем. Электронный цифровой интегратор и калькулятор (ENIAC) бы- ли впервые продемонстрированы в 1946 г. [5.1]. Вряд ли электронные вычислительные машины были бы соз- даны без повышенного интереса к научным исследованиям, вы- званным второй мировой войной. Количество вычислений, необ- ходимое в баллистике и атомных исследованиях, требовало -быстроты действий, которая могла быть достигнута только — 125 —
в электрических схемах. После войны новые электронно-вычис- лительные машины нашли применение в самых различных на- учных исследованиях, однако вскоре было обнаружено, что их можно с успехом использовать и в сфере обычного бизнеса. Мало кто в 50-х годах нашего столетия мог ожидать того уров- ня развития сферы использования вычислительной техники, ко- торого она достигла в 60 и 70-е годы. Хотя успехи в технике счета были весьма важны для расче- тов и других коммерческих вычислений, на ранних этапах раз- вития общества они мало затрагивали строительное проектиро- вание. Расчет зданий в Древнем мире, в средневековье и в эпо- ху Возрождения основывался на геометрии (см. [1.1], разд. 3.9, 6.3 и 7.6). Новая теория расчета строительных конструкций, появившаяся в начале XIX в., требовала только простейших вычислений. Графические методы (см. разд. 2.1) были приме- нимы для расчета большинства статически определимых систем и широко использовались в конце XIX и начале XX в. Усовер- шенствование счетной линейки в 1859 г. (что уже описывалось) оказалось достаточным для приведения счетных приспособлений в соответствие с потребностями конструктивных расчетов того времени. Однако проблемы расчета конструкций усложнились, когда в 20-х годах нашего века появились статически неопределимые системы значительной сложности, (см. разд. 4.2). Это побудило к поискам машинных методов расчета строительных конст- рукций 5.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ В 1922 г. Дж. И. Беггс, профессор гражданского строитель- ства Принстонского университета, опубликовал описание своего деформометра [5.2]. Он был основан на теореме, выведенной в 30-е годы XIX в. из работ Кастильяно X. Мюллером—Бреслау, профессором Берлинского технического университета. Рассмотрим балку с одной неизвестной реакцией в точке А (рис. 67). Удалим реакцию в этой точке и переместим ее на 6л. что вызовет прогиб 6В точки В. Теорема Мюллера-Бреслау ус- танавливает [5.21], что реакция Ra в точке А, выдываемая си- лой IFjb, приложенной в точке В, может быть определена по формуле Ra 6л — Wb • Эта теорема использовалась в расчетах (главным образом в Германии) для решения статически неопределимых систем. Беггс разработал устройство для точного измерения самых не- больших перемещений. Затем он использовал микроскоп с мик- рометром для измерения появляющихся деформаций по длине — 126 —
Рис. 67. Теорема Мюллера-Бреслау утвержда- ет, что реакция Яд, вызываемая силой Wb может быть получена из выражения: «А ° А «В , где С А и бв прогибы, возникающие при от- сутствии реакции Ra картонной модели анализируемой конструкции. Таким образом, неизвестную силу (или силы) можно было определить при лю- бом положении нагрузки. Если эти реакции известны, конструк- ция может быть рассчитана обычными методами статики соо- ружений. Теория упругости применима только в случае малых упру- гих деформаций, поэтому Беггс использовал небольшие переме- щения, изменяемые с помощью микроскопа. Это утомляло глаза и одному оператору было трудно пользоваться таким оборудо- ванием даже при непродолжительной работе. С другой стороны, использование картона для моделей вело к ошибкам, в связи с чем позднее перешли на использование в моделях металла или пластмасс. В действительности, лишь при измерении больших переме- щений возможны сравнительно небольшие ошибки. В 1926 г. по- явился континостат Отто Готтшалка — первое изобретение, ос- нованное на использовании больших перемещений. Он состоял из сборных секций, из которых собиралась модель. Как и аппа- рат Беггса, он получил серийное производство, но так и не стал расчетным инструментом. Главным недостатком этого приспо- собления было ограниченное число применяемых секций и огра- ниченный диапазон их свойств. Деформометр Уильяма Энея [5.4], использовавшего модели из целлулоида, позволял воспроизводить любые свойства сече- ний и измерять большие перемещения, однако он появился лишь в конце 30-х годов нашего века. В 20-е годы быстро развиваются методы расчета многоэтаж- ных зданий (разд. 4.11), результатом чего явились проекты зда- ний Крейслер Билдинг и Эмпайр Стейт Билдинг в Нью-Йорке. Были разработаны простые, но довольно приближенные мето- ды расчета и более точные, но сложные методы, основанные на теории упругих деформаций (см. разд. 3.6) или методе переме- щений (см. рис. 4.2). В связи с предвоенным кризисом и второй мировой войной в течение 30-х и начале 40-х годов объем строительства был неве- лик, а в 1930 г. Харди Кросс опубликовал сравнительно простой метод расчета рамных каркасов (см. разд. 4.2). Деформометр Энея, который появился слишком поздно, оставался первона- чально полезным лабораторным прибором для исследования конструкций. Улучшение оборудования для испытания моделей конструк- — 127 —
ций начиная с появления деформометра Беггса продолжалось в 30-х, 40-х и 50-х годах [4.64]. Наряду с этим совершенствова- лась и вычислительная техника. Начало XX в. было также периодом повышенного интереса к криволинейным каменным и бетонным конструкциям (см. гл. 6). Математические решения были получены только для некоторых оболочек (см. разд. 6.3), но они не удовлетворяли многих проектировщиков. В 30-х годах железобетонные соору- жения строились без применения точных теоретических методов расчета конструкций. Особенно это касалось работ Пьера Луид- жи Нерви в Италии и Эдуарда Торройя в Испании. В этих условиях для расчета выполнялись модели в опреде- ленном масштабе. Нагрузки на них определялись по теории прямого подобия; по измерениям деформаций и прогибов моде- ли можно было рассчитать натурные сооружения (см. гл. 3). Галилей в XVII в. уже наметил основные принципы теории подобия конструкций (см. [1.1], разд. 7.4). Модели, рассчитан- ные в 20-х годах XX в. в соответствии с этой теорией, использо- вались для анализа конструктивных решений плотин [5.5], ко- торые имели неправильную геометрическую форму, как того тре- бовала топография местности, где они строились. Математиче- ские решения для расчета такого рода конструкций весьма трудны (в последнее время вычисления значительно упрости- лись в связи с разработкой метода конечных элементов; см. разд. 5.4). Эти модели, однако, были громоздкими и тяжелыми по сравнению с моделями, используемыми позднее при проекти- ровании зданий, поэтому измерения величины деформаций мог- ли производиться только достаточно громоздкими приборами с большой базой — порядка 120—160 мм. Приборы для измерения небольших упругих деформаций (т. е. деформаций порядка 10-5 мм на базе 1 мм) после 1870 г. быстро совершенствовались, но они были слишком тяжелыми или требовалась сравнительно большая база измерения. Легкие тензометры с базой 25 мм были разработаны в 20-х годах швей- царским инструментальным мастером А. У. Гуггенбергером. Они имели точность порядка 1Х10-4. Первым сооружением, расчет которого был выполнен с по- мощью измерения деформаций на крупномасштабной модели, был авиационный ангар в Орвието в Италии (см. рис. 98). Он был спроектирован и построен Нерви. Модель конструкций, выполненная из целлулоида, была ис- пытана в 1935 г. профессором Миланского технического универ- ситета Гидо Оберти, который пользовался тензометрами Гугген- бергера для измерения деформаций и прогибомерами для изме- рения прогибов. Несколько других моделей архитектурных сооружений было испытано Оберти в Италии и Торройей в Ис- пании в период до 1945 г. В течение войны 1939—1945 гг. многочисленные испытания — 128 —
конструкций самолетов привели к значительному совершенство- ванию техники испытаний. В конце 30-х годов были изобретены приборы, основанные на измерении электрического сопротивле- ния проволоки, электроприборы на бумажной или резиновой основе, которые наклеивались на конструкции. По мере того, как длина конструктивного элемента, на который наклеены датчики, увеличивается, проволока также удлиняется, ее диа- метр уменьшается и повышается электрическое сопротивление. Напротив, если проволока будет сжата, ее сопротивление умень- шится. Если в таких испытаниях используются определенные сплавы, клеи и электрические схемы, то точность электрорези- сторов (датчиков сопротивления) может быть порядка 10-5. Ког- да в конце войны такие датчики стали доступными для широко- го использования, исследования конструкций на моделях под- нялись на качественно новый уровень. Кроме того, стало возмож- ным устанавливать на модели большое число датчиков, а их показания регистрировать на центральном пульте. Тензодатчи- ки весят только доли грамма и их база может быть уменьшена до нескольких миллиметров. Использование моделей особенно s целесообразно для исследования конструкций, расчет которых либо очень сложен, либо для которых при современном состоя- нии науки невозможно получить численное решение. С 60-х го- 8 дов совершенствование вычислительной техники (см. разд. 5.4) { сузило область целесообразного исследования конструкций на моделях. Анализ сооружений на моделях все еще используется для | предварительных стадий проектирования, например, если архи- । тектор придерживается необычных концепций по компоновке I объема здания и хочет знать, может ли здание с задуманным им I решением быть построено в разумных пределах стоимости. Ар- хитектурные решения, которые вообще не могут быть реализо- ваны, в наше время трудно себе представить. Небольшая мо- дель (рис. 68) дает возможность при невысоких затратах уста- новить конструктивную осуществимость проекта. Получение результатов, которые с определенной точностью можно исполь- зовать для расчета конструкций, стоит значительно дороже. Если испытания показывают, что реализация принятого реше- ния ведет к значительным расходам, их результаты, естественно, практически не получают огласки. Поэтому можно предполо- жить, что использование моделей для анализа конструкций.'рас- пространено шире, чем это находит отражение в литературе. С другой стороны, моделирование особенно целесообразно для архитектурных сооружений, стоимость которых несопоста- вима со стоимостью испытаний моделей (рис. 69). К этой же категории относятся исследования на моделях объектов с повы- шенной сложностью объемного решения (рис. 70). При расчетном анализе часто необходимо вводить упрощаю- щие предпосылки. Поэтому граничные условия элементов и кон- 5 8§7 — 129 —

Рис. 69. Модель конструкций каркаса MLC Сентр в Сиднее. 64-этажная железобетонная конструкция проверялась в Сиднейском университете в 1972 г. Модель была выполнена из перспекса в масштабе 1 : 95. Деформации измерялись электрическими датчиками, а прогибы — циферблатными прогибомерами 5*
Рис. 70. Модель из перспекса конструкций перекрытия клуба в Сиднее, испытывавшаяся в Сиднейском университете в 1960 г. Деформации из- мерялись электрическими датчиками, а прогибы — циферблатными прогибомерами. Масштаб модели 1 : 32 Рис. 71. Архитектурный макет того же клуба в Сиднее. Здание, пере- крытое складчатым пологим куполом, было построено в 1961 г.
Струкций со сложными криволинейными поверхностями легче воспроизводить на моделях. С другой стороны, измерения на моделях не так точны, как результаты, получаемые с помощью вычислительной техники. Таким образом, модель служит для проверки результатов расчета и наоборот. Испытания моделей часто помогают выявить принципы ра- боты конструкций. Даже инженеры-конструкторы считают бо- лее удобным изучать поведение конструкций на модели, чем раз- бирать результаты машинного счета. Также проще продемонст- рировать преимущества и принципы работы конструкций архи- тектору и заказчику. Таким образом, значительно облегчается принятие решения при проектировании зданий, строительство которых требует больших денежных затрат. До сих пор рассматривались только модели, которые испы- тываются в пределах упругих стадий работы для определения напряжений и прогибов. Как было указано в разделах 2.4 и 4.10, сооружение может разрушиться от потери устойчивости при продольном изгибе до того, как оно достигнет предельных на- пряжений. Такого рода разрушения конструкций также лучше изучать на моделях (рис. 72). Модели, показанные на рис. 68—71, были выполнены из удобного эластичного материала для их испытаний только в пре- делах упругости. Теория расчета по предельным нагрузкам дает решение для некоторых видов рам и балок, но пока не суще- ствует удовлетворительного метода расчета предельной несущей способности оболочек. Для таких конструкций особенно инте- ресны испытания моделей за пределами упругости. Относитель- но просто выполнить модель стальной конструкции для проведе- ния испытаний до разрушения. Кристаллы железа и углерода имеют микроскопические размеры, и для модели достаточно использовать ту же сталь, что и в конструкции. При моделиро- вании железобетонных конструкций размеры заполнителя дол- жны быть уменьшены, чтобы получить микробетон [5.6]. Естественно, коэффициенты подобия модели для определе- ния предела прочности (предельной, разрушающей нагрузки) более ограничены. Модели каркасов многоэтажных зданий для испытаний в пределах упругости имеют коэффициенты подобия от 1 : 100 до Г: 50. Тогда модель здания высотой 400 м будет иметь высоту 4 или 8 м. При использовании микробетона, ими- тирующего в модели действительный бетон, трудно использо- вать коэффициенты подобия более 1 : 15 [5.7], поэтому модели для испытаний с определением предельных нагрузок могут быть выполнены только для не очень больших сооружений или их составных частей. ® Хотя вычислительная техника сузила область рационально- го использования модельных испытаний, она в большой степе- ни дополняет оценку результатов исследований. В 40-х годах использование большого числа тензодатчиков потребовало бы — 133 —
Рис. 72. Модель из перспекса прямоугольной рамы, в которой под действием нагрузки наступает потеря устойчивости (Архитектурная лаборатория Сиднейского университета)
такого увеличения штата испытателей для регистрации и обра- ботки материалов, какого не могла обеспечить ни одна лабора- тория. Сейчас с помощью цифрового преобразователя стало воз- можным получать автоматическую печать результатов испыта- ний и осуществлять их перенос на перфоленту или перфокарты, которые могут быть введены в ЭВМ для выполнения необходи- мых вычислений и получения картин напряжений в полном или сокращенном объемах. 5.3. МЕТОД АНАЛОГИЙ Из множества различных видов аналогий очень немногие могут быть использованы при проектировании зданий. Наиболее удачным аналоговым приспособлением всех прошлых времен была логарифмическая линейка (см. разд. 5.1). Если мы сложим логарифмы двух чисел А и В, то получим логарифм произве- дения АВ. Таким образом, умножение чисел аналогично сумми- рованию логарифмов. При этом легче сложить логарифмы, чем перемножить числа. Все аналогии основаны на этом принципе. Если мы имеем дело с задачей, слишком сложной для прямого решения, следу- ет искать другую задачу с подобным математическим уравнени- ем, но решаемым проще. Рассмотрим задачу о кручении как пример техники аналого- вого решения. Б. Сен-Венан в 1853 г; разработал общую теорию '.упругого кручения валов и элементов конструкций. Для элемен- t тов с круглым сечением теория дает простое решение. Несколько более сложными получаются решения для некоторых других сечений (например, прямоугольного). Для сечений неправильной формы (например, стальных элементов двутаврового сечения) точного решения не существует. До изобретения электронных '-вычислительных машин для решения ряда задач кручения ис- пользовался аналоговый метод [5.8]. Теория Сен-Венана дает дифференциальное уравнение в частных производных: :2!® _ + 2i^ = _2G6, (5.2) дх2 ду2 [где G — модуль упругости материала на сдвиг; 9 — угол закручивания на * единицу длины элемента; х, у —координаты поперечного сечения элемента; Ф функция кручения, с помощью которой определяются упругие касатель- ные напряжения в двух взаимно перпендикулярных направлениях: > В 1903 г. Людвиг Прандтль, профессор инженерной механи- ки-в Ганноверском техническом университете, указал, что урав- - J35 -
нение (5.2) математически подобно уравнению прогиба мембра- ны под давлением: — = (5.3) <Эх2 ду* Т где р — давление, действующее на мембрану (избыточное атмосферное дав- ление) ; Т — сила поверхностного натяжения в мембране; х, у — координаты сечения основания мембраны; z — поперечный прогиб мембраны. Можно поэтому решить задачу о кручении с помощью про- стого эксперимента вместо проведения сложных вычислений. Возьмем ящик и на одной стороне вырежем отверстия, подобные сечениям элементов, для которых ищутся решения (рис. 73). На- клеим на отверстия резиновые мембраны, затем повысим дав- ление воздуха внутри ящика (например, с помощью велосипед- ного насоса) и исследуем контуры выгнутых мембран. Это мо- жет быть сделано иглой микрометра или фотоспособом. Упругие касательные напряжения в любой точке определяются диффе- ренцированием Ф (или z). Упругий момент сопротивления кру- чению, согласно Сен-Венану, равен 2 f ФсМ (где А — площадь сечения элемента), так что его можно получить по аналогии Рис. 73. Мембранная аналоговая установка Прандтля для моделирования кручения эле- ментов с квадратным, прямоугольным, круглым и треугольным сечением. Контуры мем- бран измеряются угловым микрометром (виден на верхней части фотографии). Тот же метод может бмтв использован и для более сложных форм сечения, например, стальных двутавровых балок — 136 —
б объемом, образовавшимся под мембраной вследствие пойьЬ шейного давления воздуха. Объем вычисляется по контуру мем- браны. В 1923 г. А. Надаи разработал теорию пластического круче- ния и также дал аналогию для численного решения [5.9]. Когда сечение закручивается и полностью переходит в пластическое состояние (см. разд. 4.10), касательные напряжения v, по опре- делению, однородны по всему сечению и равны касательному напряжению в момент начала текучести ---- + — =» • (5.4) \ дх ) \ \ ду J к 1 Если сыпать сухой песок на горизонтальную ровную поверх- ность любой формы, он образует постоянный угол откоса т, и поэтому высота слоя песка z может быть выражена следующим выражением: Если приравнять уклон откоса песка т постоянному каса- тельному напряжению материала конструкций v, то пластиче- ский момент сопротивления кручению будет пропорционален объему песка, который определяется взвешиванием. Таким об- разом, можно определить пластический момент при кручении, вырезав кусок картона, равный сечению исследуемого элемен- та, например прямоугольника, насыпав на него сухой песок и возвесив оставшийся на картоне. 4 i: Надаи отмечал [5.10], что можно также исследовать сечение при частичном пластическом кручении, комбинируя модели мембран и песка, хотя это потребует довольно большой работы. ’Когда сечение стального элемента закручивается, оно деформи- руется упруго до того момента, пока напряжение в точке сече- ния не достигнет предела текучести. Это соответствует аналогии с мембраной. При дальнейшем увеличении кручения касатель- ные, напряжения в этой точке остаются постоянными, так как материал перешел в пластическое состояние. Зона пластических деформаций в сечении постепенно расширяется, пока все сечение не станет пластичным. Это явление соответствует пластическому моменту сопротивления и аналогично явлению с уклоном сухо- го, песка. Определив форму песчаного холмика, делаем крышку той же формы из прозрачного материала, например плексигла- са, и помещаем ее над упругой мембраной. По мере повышения давления на мембрану она в конце концов коснется крышки в одной или нескольких точках. Этот контакт может быть отме- нён более четко при смачивании мембраны, в результате чего образуется линия касания крышки с мембраной. Часть сечения, где образуется контакт мембраны с крышкой, соответствует участку сечения элемента, где начинается пластическая дефор- — 137
IF SL SL M д/ bh T, F Рис, 74. Аналог Райдера состоит из комбинации электрических сопротивлений и транс- форматоров с отводами а — схема конструктивного элемента; б — аналог силы; в — аналог момента мация. Упругопластический момент сопротивления при круче- нии пропорционален объему воздуха, вытесненного мембраной, ограниченной крышкой в виде песчаного холмика. Имеется множество аналогий задач расчета строительных конструкций, основанных на самых различных физических яв- лениях, особенно в области гидравлики или электричества [5.8— 5.11]. В то время, когда численное решение дифференциальных уравнений было трудоемким, метод аналогий давал более быст- рые способы решений. Эти решения могли быть настолько точ- ными, насколько требовалось для практических целей, и дости- гались увеличением размеров моделей и совершенствованием измерительных приборов. Явления, аналогичные задаче круче- ния, использовались в практике проектирования в 30—50-х го- дах нашего века. К I960 г. стало проще и быстрее выполнять необходимые численные расчеты с помощью вычислительных машин (см. разд. 5.4). Наиболее важной задачей проектирования конструкций с 30-х годов стал расчет прямоугольных каркасов с жесткими узлами (см. разд. 4.2). Для него использовалось несколько ана- логий [5.8], основанных главным образом на свойствах электри- ческих цепей. Аналогия, предложенная Ванневером Бушем, изо- бретателем множества весьма удачных аналогий [5.12], состояла из блоков сопротивления и преобразователей, которые соединя- лись так, что моделировали работу ферм и рамных каркасов разной формы. Свойства отдельных элементов моделировались набором сопротивлений и других элементов. Токи играли роль внешних нагрузок, а внутренние силы и моменты воспроизводи- лись другими потоками электрического тока, которые легко мог- ли быть измерены. Установка была по существу электрической аналогией метода деформаций (перемещений) Мэни (смг! разд 4.2). -*•'''С-УЙЖ В 1953 г. Фредерик Райдер предложил аналогию, основан^ ную на методе энергии упругих деформаций (см. разд. 4.6). О| так описал свое предложение: — 138 — |
«Труд, требуемый для решения статически неопределимых систем, может быть в значительной степени сокращен с помощью использования электриче- ского аналога, особенно в тех случаях, когда ведется выбор различных раз- меров элементов. Подобие между конструкциями и их аналогами часто позво- ляет строить аналог на умозрительной основе, без необходимости обращаться к математическим уравнениям. В электрической цепи сила и момент моделируются силой тока, а про- гибы и углы поворота — падением напряжения. Аналогия основана на том, что теорема Кастильяно и принцип минимума потенциальной энергии имеют свои аналоги в электрических сетях [5.13]». Примеры аналогий показаны на рис. 74. Участки электриче- ских цепей, построенные на основе аналогии Райдера, в 50-х го- дах были использованы для анализа работы рамных каркасов. В конце 60-х годов, однако, цифровые вычислительные машины стали производить вычисления быстрее, более точно и дешевле. 5.4. ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ В разд. 5.1 отмечалось, что первая цифровая электронно-вы- числительная машина (ЭВМ) появилась в Соединенных Штатах в 1946 г. В Англии первая ЭВМ (EDSAC) была закончена в Кем- бриджском университете в 1949 г. Конец 40-х годов не был, однако, периодом, когда необходи- мость в улучшенных методах расчетов каркасов зданий была определяющей. Со времени начала проектирования очень высо- ких зданий в. конце 20-х годов (см. разд. 5.2) был развит расчет по методу распределения неуравновешенных моментов (см. разд. 4.2). Электрические счетные машины, явившиеся вариан- тами стандартных суммирующих машин 90-х годов XIX в. — арифмометров (разд. 5.1), дополненные электромоторами, стали доступными по сравнительно небольшой цене. На них также про- изводилось умножение и деление, не так быстро, как можно сделать на счетной линейке, но с большей точностью. Кроме того, некоторые машины выдавали ответ в напечатанном виде, что облегчало контроль ввода. Первая работа по использованию ЭВАА для расчета конст- рукций была опубликована в 1953 г. Р. К- Ливсли, лектором по техническим дисциплинам в Манчестерском университете ,[5.24]. ЭВМ особенно удачно оперируют с матрицами, и Ливсли вывел соответствующие уравнения для упругих деформаций гкаркасов зданий (разд. 4.2) в терминах матричной алгебры. В Тболее поздней публикации [5.14] Ливсли указывал, что Джон Беннетт, теперь профессор вычислительной техники Уни- верситета в Сиднее, первым в 1950 г. выполнил расчеты конст- рукций ЭВМ и описал их в диссертации, представленной на сте- пень доктора философии в Кембриджский университет в 1952 г. -Беннетт, в свою очередь, основывал свой метод на работах Г. Крона [5.15], который описал электрические аналоги для мо- делирования конструкций. В 1968 г. Ливсли писал: »» 139 -*
«Хотя это и не первая работа по анализу конструкций с использованием матричной алгебры, в ней впервые дается систематическое описание топологии основных типов конструкций. Идея происходит от использования матриц сое- динений в электронных цепях. Крон понял, что имеются две совершенно раз- личные системы уравнений, которые вместе определяют свойства конструкций. Первая система содержит описание работы отдельных элементов, а вторая охватывает поведение всей конструкции в целом. Эта вторая система преду- сматривала коэффициенты как для уравнений равновесия, так и уравнений совместности деформаций, принятых в классическом расчете конструкций. Это четкое разделение свойств элементов и топологии конструкций было важным шагом в развитии методов расчета конструкций» [5.14]. ЭВМ. дают известные преимущества, когда они используются как быстродействующие электрические счетные машины с целью ускорения существующих методов расчета конструкций (см. разд. 3.6 и 4.2). Чтобы использовать действительные возможно- сти вычислительных машин, необходимо переложить задачу на язык машины. В конце 50-х годов задача расчета рамных кар- касов была записана в терминах матричной алгебры и в 1959 г. появился первый учебник по проектированию конструкций, на- писанный специально для выполнения расчетов с помощью ЭВМ. Первым примером практического применения таких расче- тов, отмеченным Ливсли [5.14], был проект пятипролетного кар- каса Британской электростанции, но возможно, что были и бо- лее ранние случаи практического применения машинных расче- тов в США, не отмеченные в публикациях. В это время расчет конструкций мог быть выполнен быстрее традиционными мето- дами. К I960 г. расчет на ЭВМ был быстрее и дешевле для кар- касов высоких зданий и сопоставим по затратам для каркасов зданий средней этажности, но многие инженеры-консультанты испытывали трудности в использовании вычислительной техни- ки. К 1970 г. машинный расчет стал основным видом расчета конструкций в Америке, Западной Европе и Австралии для всех видов конструкций каркасных зданий, за исключением каркасов небольших зданий. Если использование моделей и аналоговых машин оказывало только количественное влияние на расчет кон- струкций, то вычислительные машины коренным образом видо- изменили его. Первые ЭВМ требовали формализации программ в матема- тических терминах так, что проектировщики не могли делать никакой предварительной оценки результатов, пока не получали отпечатанный конечный результат. В 1956 г. в США был раз- работан специальный язык для составления программ ФОРТРАН (FORmula TRANslation). В то же время в Европе были разрабо- таны автокоды, дающие возможность использовать обычные' слова из ограниченного словаря. Эти методы позволили преодо- леть языковый барьер, который удерживал архитекторов и ин- женеров от использования ЭВМ. 4 Расчетчики получили также возможность связи с ЭВМ по ка- - налу ввод — вывод в виде электрической пишущей машинки. | Позднее эта связь улучшилась с появлением графических уст- - 140 - 1
ройств ввода и вывода, таких, как катодно-лучевая трубка со световым пером. Благодаря скорости работы вычислительных машин, основная задержка была связана с возможностями оцен- ки результатов расчетчиками. Все это положило начало появлению в 50-х годах каналов связи, позволившей расчетчику из своей конторы посредством вводно-выводного устройства по телефону общаться с машиной, находящейся на расстоянии в сотни миль от него. Таким обра- зом, небольшие проектные организации получили доступ к круп- ным вычислительным машинам. Хотя вычислительная техника наиболее широко развивалась в США, первые работы по расчету конструкций, выполненные на базе машинных расчетов, были произведены в Англии. В конце 50-х годов ряд американских университетов по заказу вычисли- тельных фирм начал работу по упрощению программ расчета конструкций, в результате которой были разработаны специали- зированные программы. Это позволило инженерам быстрее со- ставлять программы для решения разнообразных задач расчета конструкций в знакомых им терминах [5.16]. Первой из таких программ была программа СТРЕСС (STRuctural Engineering Sistem Solver), которая была доведена до производственной стадии в 1964 г. Она была разработана в Массачусетском тех- нологическом институте в сотрудничестве с фирмой IBM [5.17]. Программа СТРЕСС использует метод перемещений, при кото- ром в качестве неизвестных принимаются углы поворота узлов рамы. Усилия в элементах выражаются через эти неизвестные и уравнения равновесия узлов записываются в матричной форме и решаются ЭВМ. программа написана так, что пользователи не должны быть знакомы с техникой используемых расчетов. С появлением программ такого типа стало возможным даже при работе с современными миникомпьютерами быстро вывести на печать решение для любого из сотен рамных каркасов, для которых Кляйнлогель так старательно выводил формулы расче- та [4.8, 4.9]. Лишь за 15 лет до этого такая работа рассматри- валась как чрезвычайно трудная монументальная задача. Одно из больших преимуществ машинного решения строи- тельных задач заключается в том, что оно предусматривает по- лучение оптимального решения для статически неопределимых систем. Для статически определимых систем значения усилий и моментов, действующих в конструктивных элементах, могут быть получены без задания размеров элементов (см. разд. 2.1, 2.3). Отсюда размеры элементов, оптимальные при определен- ных усилиях, могут быть получены без труда. Для статически неопределимых систем необходимо задаться размерами элемен- тов, чтобы определить их жесткости. Поэтому без машинной оптимизации расчет представляет собой весьма трудоемкий про- Фесс. При работе с машиной ту же программу можно легко пов- торить е другими размерами элементов, чтобы йыбрать те элё-
9% ИД' ч й! И н менты, напряжения и перемещения в которых были бы допусти- мыми и удовлетворялись другие требования. В последнее время разработаны программы для ЭВМ. автоматической выдачи оп- тимальных размеров конструкций, по некоторым простым крите- риям, например минимум массы конструкций. Масса конструкций, однако, является только одной из со- ставляющих в общей стоимости здания. Стоимость заводского изготовления металлических элементов и опалубочных работ для бетонирования входят в общую стоимость конструкций. Од- нако даже с учетом стоимости этих работ экономическая опти- мизация не может быть определена, так как наиболее низкая стоимость конструкций еще не обеспечивает минимальную стои- мость всего здания. Пока задача глобальной оптимизации стои- мости здания остается нерешенной. Вопросы расчета плоских конструкций и оболочек (см. гл. 6) были также трансформированы для машинного расчета. В 1935 г. Ричард Саусвелл, профессор инженерных наук Оксфордского университета, разработал метод расчета шарнирно соединенных ферм, используемых в самолетостроении, позднее обобщенный и приспособленный к множеству других задач [5.18], включая расчет плоского напряженного состояния. Плоская конструкция заменяется сеткой или системой ферм, которая решалась мето- дом сеток — последовательным перераспределением конечных разностей (подобно методу распределения моментов — см. разд. 4.2). Для получения достаточно точных результатов необ- ходимо уменьшить шаг сеток, что увеличивает объем расчетов. Таким образом, метод сеток (конечных разностей) является весьма трудоемким процессом, однако задача значительно об- легчается, если использовать вычислительную технику. В 1954 г. У. Дж. Аргирис в Англии и Р. В. Клаф в США раз- работали метод расчета сложных рамных конструкций самоле- тов [5.19], в котором неразрезная плоская система заменялась системой плоских элементов, соединенных в узлах. Позднее Клаф ввел термин «метод конечных элементов» (МКЭ) и при- способил этот метод к расчету плоского напряженного состоя- ния [5.20]. Таким образом, МКЭ представляет собой модифика- цию метода перемещений для рамных систем к континуальной среде, моделируемой рядом соединенных между собой элемен- тов различной геометрической формы. Этот метод более точен и универсален, чем метод конечных разностей, и используется при расчете конструкций зданий (см. гл. 6) и других типов конст- рукций оболочек, для которых не существует точного математи- ческого решения. ЭВМ применяются также при проектировании инженерного оборудования зданий, а также в решении общих архитектурных проблем (см. разд. 9.10 и 10.9). Эффективность работы ЭВМ можно сравнить с изобретением механических подъемных механизмов и землеройных машин, от- ,142 г?
сутствйё которых не останбвило древних римлян От постройки сотен километров акведуков. Сегодня мы можем прокладывать водопровод без тяжелого труда и значительно дешевле. Отсут- ствие вычислительных машин не останавливало составителей математических таблиц сотни лет назад от их свершений, кото- рые можно рассматривать как подвиг в области арифметики, выполненный людьми путем кропотливых и утомительных вы- числений. То, что было раньше исключительно трудной задачей, стало теперь обычным делом. Теория расчета конструкций к 50-м годам настолько ослож- нилась, что оставался выбор между приближенным расчетом конструкций, с одной стороны, и огромным количеством вычис- лительной работы, с другой, которую редко кто из инженеров был в состоянии выполнить. Вычислительные машины также не решили эту задачу полностью в связи с тем, что расчет конст- рукций каркасов современных многоэтажных зданий и сегодня слишком дорог без определенных упрощений. Правда, теперь стало возможным получить гораздо более точное решение и про- пустить программу несколько раз, чтобы найти подходящее проектное решение. Системы конструкций, кратко описанные в разд. 4.12, не могут быть использованы в практической работе без наличия соответствующих машинных программ. 6. БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ И КРИВОЛИНЕЙНЫЕ КОНСТРУКЦИИ Свой метод я рад бы для Вас объяснять, В моей голове он ясен весьма, Но мне бы дать время, а Вам бы ума, — Ведь слишком уж многое нужно сказать Льюис Кэрролл («Змеиная охота») Последние две главы были посвящены главным образом, проблеме высоты зданий. Теперь рассмотрим методы проектиро- вания большепролетных конструкций. По-видимому, до XVIII в. перекрываемые пролеты не превышали 50 м. Позднее пролеты росли весьма быстро и в настоящее время наибольшие пролеты мостов достигают 1300, а в зданиях 219 м. В увеличении проле- тов мостов практически нет предела, но сомнительна возмож- ность дальнейшего увеличения пролетов в зданиях. В данной главе мы рассмотрим сначала перекрытия тради- ционных куполов и цилиндрических сводов в виде тонких желе- зобетонных оболочек и новые формы бетонных оболочек, такие как гиперболический параболоид, а затем покажем экономиче- — 143 —
«кйе преимущества складчатых конструкций для перекрытия средних пролетов. В разд. 6.6 и 6.7 рассматриваются большепролетные сталь- ные конструкции, такие как решетчатые купола, пространст- венные каркасы, подвесные конструкции, а в заключение дается краткий обзор пневматических оболочек. 6.1. БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ МОСТЫ Самыми большепролетными конструкциями явля!отся (и не- видимому, всегда были) мосты. В здании проблему таких кон- струкций решить проще, когда пролет слишком велик, можно поставить дополнительные колонны. Так, крупнейшие храмы Древнего Египта, Индии и Греции имели целые леса колонн. Палладио, описывая мост, который он спроектировал в XVI в. (см. [1.1], разд. 7.7), пояснял, что однопролетная конструкция была использована в связи с тем, что река «была очень быст- рой... и было принято решение сделать мост без размещения опор в воде, поскольку они могут быть расшатаны и снесены силой потока». Несомненно, этот аргумент также оказал влия- ние на форму некоторых римских и средневековых мостов. Наиболее большепролетный из сохранившихся римских мо- стов— мост Траяна в Алкантаре (Португалия). Он был постро- ен Каем Юлием Цезарем во времена царствования императо- ра Траяна (II в. н. э.) и его наибольший пролет в виде каменной арки составляет 30 м, а высота над уровнем р. Тагус 52 м. Ут- верждают, что наиболее длинный пролет деревянного моста, построенного в то же время Аполлодором через Дунай, составил 52 м [4.65]. Допуская, что изображение этого моста на Траян- ской колонне является просто рисунком, можно предположить (но доказать этого нельзя), что в большинстве источников дают- ся значительно меньшие размеры. Каменный мост в виде полуциркульной арки через р. Тек у Серета (Франция) вблизи испанской границы, на старой рим- ской дороге от Нима в Испанию, был построен в XIV в. на рим- ских фундаментах. Он имел пролеты по 45 м. Так как нет сви- детельств о существовании промежуточных опор, можно пола- гать, что он был построен на месте римского моста того же пролета. Пролеты не увеличивались до XVIII в. С 1756 по 1758 г. Иоганн Ульрих Грубенманн, местный плотник, не имевший теоретиче- ской подготовки, построил деревянный мост через р. Рейн в Шаффхаузене (Швейцария). Первоначально он предложил однопролетную конструкцию с пролетом НО м и выполнил мо- дель с целью проиллюстрировать прочность своей конструкции, которая легко несла собственную массу. Городской муниципа- литет, однако, настоял на введении промежуточной опоры, и мост был построен с двумя пролетами по 59 и 52 м. Фриц Штюс- - 144 —
Т а б л й Ц а 1 Пролет, м Тип моста Название и место строительства Год окончания строительства 177 Висячий Мост через пролив Меняй, Северный 1826 265 » Уэльс, Англия Мост Во Фридбургё. Швейцария* 1834 308 » Мост через р. Огайо. ВилЛинг, И1Т. 1849 318 ЗапаДВай Вирджиния, США* Мост через р. Ниагара, Левистон, 1851 322 » шт. Йью-Йбрк, США* Мост через р. Огайо, Циитиннати, 1867 387 » шт. Огайо, США Мост через р. НйаГара, Ниагара- Фоллс, шт. Нью-Йорк, США* Бруклинский мост. Нью-Йорк, США 1869 486 » 1883 521 Консольный Мост Форт-БриДЖ. ЭДййбург, Англия 1889 549 » Мост через р. Квебек, Квебек, Кана- 1918 564 Висячий да Мост Амбасадор. Детройт, шт. Ми- 1929 1067 » чиган, США Мост Джорджа Вашингтона. Нью- 1931 1280 » Йорк, США Мост «Золотые ворота». Сан-Фран- 1937 1298 » циско, шт. Калифорния, США Мост Веррацано. Нью-Йорк, США 1964 * Разрушены. си [6.1] установил, что Грубенманн выполнил проект моста с вариантами — с одним и с двумя пролетами. Перед официаль- ным открытием моста он выбил блок из-под промежуточной опоры, превратив мост в однопролетный и сказав при этом свое- му подрядчику: «Возьмите свою опору, а у меня останется мой мост». Мост состоял из верхнего и нижнего поясов с наклонными диагональными элементами, сходящимися у центральной опоры. Так как мост был разрушен после того, как он просуществовал всего 41 год, эта история не может быть проверена, хотя даже при двухпролетном строении строительством этого моста дости- гался наивысший размер пролета. Томас Тредголд (см. разд. 2.3) заметил по этому поводу: «Французская армия в 1799 г. разрушила знаменитый мост через Рейн у Шаффхаузена, но слава плотника Грубенманна будет жить долго и форма этого прекрасного произведения искусства будет забыта только тогда, когда само плотницкое искусство перестанет существовать» («Начальные принципы плотницкого дела». 1820 г.) Щ В 1812 г. Луис Вернваг построил мост Колосса через р. Скул- килл в Фермонте близ Филадельфии (деревянный мост с про- летом 104 м). я. — 145 -
Рис. 75. Первый висячий металлический мост (из ковкого чугуна) через пролив Менаи в Северном Уэльсе, построенный в 1826 г. по проекту Томаса Телфорда. Центральный пролет моста 177 м [4.65] После появления чугуна среди строительных материалов пролеты стали быстро увеличиваться и с 1826 г. наибольшие размеры пролетов принадлежали металлическим мостам. Таб- лица дает картину увеличения пролетов мостов во времени. Хотя строительство висячих мостов имеет древнюю историю, мост Томаса Телфорда через пролив Менаи (рис. 75) был пер- вым мостом с действительно большим пролетом. Как все пре- дыдущие и ряд последующих висячих мостов, он также был гибким и поэтому требовал укрепления для продления срока его существования. Двадцать лет спустя Стефенсон построил парал- лельно этому мосту коробчатый железнодорожный мост «Брита- ния» (см. разд. 2.5), через который теперь транспорт не прохо- дит. Джон Рёблинг первым спроектировал жесткий висячий мост Гранд Транк Бридж пролетом 236 м (чуть ниже Ниагарского водопада). Рёблинг был также первым, кто использовал плете- ные тросы из высокопрочной стальной проволоки с предельной прочностью на растяжение 143 кг на кв. дюйм или 986 МПа (Бруклинский мост, 1883 г.). Отмар X. Амман применил вдвое больший пролет по сравне- нию с предыдущим максимальным пролетом в мосте Джорджа Вашингтона, строительство которого закончилось в 1931 г. одно- временно со зданием Эмпайр Стейт Билдинг (см. разд. 4.1). С этого времени ни пролеты мостов, ни высота здания не были значительно увеличены. Особую славу заслужил мост «Золотые1 ворота», построенный по проекту Джозефа Бауэрманна Штрау- са, во многом благодаря тому, что он великолепно вписался в окружающий ландшафт. Все мосты с рекордными размерами пролетов, построенные с 1826 г., имели подвесные конструкции, за исключением мостов Форт-Бридж (см. разд. 3.3) и Квебек Бридж, которые были кон- сольного типа. До этого времени висячие конструкции не играли важной роли в строительном проектировании (см. разд. 6.7). С XVIII в. различие между максимальными пролетами мо- стов и зданий постоянно растет. В Древнем Риме, во времена средневековья и Возрождения максимальная длина пролетов — 146 —
мостов лишь немного превышала наибольший пролет в зданиях. В настоящее время максимальный пролет в здании 219 м, что со- ставляет 1/6 максимального пролета моста (см. разд. 6.3). Это Соотношение, по-видимому, будет увеличиваться (см. разд. 6.9). 6.2. ВОЗРОЖДЕНИЕ КРИВОЛИНЕЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЙ Изучая конструкции, применявшиеся в прошлом, можно ви- деть путь развития от стоечно-балочной конструкции через кон- сольный и цилиндрический свод к сводам с ребрами жесткости (см. [1.1], разд. 3.1 и 6.1). С каждым шагом по этому пути уменьшался удельный вес конструкций, но в то же время увели- чивалась сложность проектирования. Подобный ход развития можно проследить и в стальных, и в железобетонных конструк- циях. Первое сооружение с цельнометаллическими конструкциями, мост у Колбрук Дэйл (см. [1.1], разд. 8.6), построенный в кон- це XVIII в., представлял собой арку. В то время не было ни эмпирической, ни научной основы для проектирования такой конструкции. Разработанная в течение нескольких десятилетий теория изгиба прямых упругих балок вскоре стала широко ис- пользоваться в проектировании огнестойких чугунных конструк- ций (см. [1.1], разд. 8.3 и 8.6). С развитием теории расчета стальных каркасов (см. разд. 2.6) линейные металлические кон- струкции в начале XX в. стали такими же распространенными, как одномерные каменные конструкции в Древнем Египте и Древней Греции, поэтому в городах Европы и США появилось огромное число многоэтажных зданий, большинство из которых имело форму больших прямоугольных коробок (см. разд. 6.9). В середине XIX в. чугун использовался в строительстве лишь в немногих большепролетных зданиях с криволинейной формой конструкций покрытий (см. разд. 2.6 и 3.3). Наиболее приме- чательным сооружением такого рода было вокзальное здание железнодорожной станции Сант Панкрас (см. рис. 26) проле- том 74 м, построенное в 1886 г. Конструкции перекрытий из чу- гуна стало легче осуществлять после того, как Шведлер пред- ложил «третий шарнир» (см. рис. 27). Это делало конструкцию статически определимой и позволяло выполнять точный расчет, и, следовательно, увеличивать размеры перекрываемых проле- тов. Галерея машин (см. разд. 3.3) с трехшарнирными стальны- ми порталами, построенная в 1889 г., имела пролет 113 м, что более чем вдвое превышало пролеты крупнейших зданий в Древнем Риме и в эпоху Возрождения и в четыре раз превышало максимальные пролеты готических храмов. Большепролетные стальные конструкции зданий в отличие от традиционной каменной кладки образуют только несущий .остов здания. Это не имеет значения для таких сооружений, как <-147 —
Эйфелева башня, которая была построена в качестве вертикаль- ного монумента Парижской выставки 1889 г., и только много позднее она нашла свое практическое применение как радио- башня. Для зданий нужны ограждения — стены и крыши. Экс- плуатируемые определенное время выставочные павильоны, как например Кристалл Палас (разд. 10.1), и промышленные зда- ния, могут иногда быть полностью сооружены из листов стекла и стали, но эти материалы не годятся для капитальных зданий. Поэтому с начала XX в. криволинейные конструкции проекти- ровались железобетонными, чтобы строительный материал несу- щих конструкций одновременно выполнял и функции ограж- дения. Пролеты в традиционных конструкциях были ограничены не- высокой прочностью на растяжение неармированных каменных конструкций (см. [1.1], разд. 3.9, 5.2, 6.5, 7.2, 7.3 и 7.6). Железо- бетон снимает трудности в этом отношении. В 1897 г. М. А. Де Бодо спроектировал церковь Сен Жан на Монмартре в стиле «нового искусства». Она имела купол с же- лезобетонными ребрами и кирпичным заполнителем. Целиком железобетонных конструкций куполов не было построено до 1900 г., но в последующее десятилетие появились по крайней ме- ре шесть куполов [2.11, 2.15, 6.2] и все имели ребра. Использование ребер в железобетонных куполах было, по- видимому, повторением в новом материале характерных форм стальных конструкций и влиянием «возрождения готики». Кон- струкции готических зданий, до сих пор остающиеся примером наиболее легких форм существующих каменных зданий, стали естественным прототипом криволинейных железобетонных кон- струкций. Конструкции готических соборов в конце XIX в. были проанализированы в соответствии с новыми принципами строи- тельной механики и рассмотрены в свете опыта, полученного при строительстве чугунных конструкций. В результате была раз- работана теория, особенно пропагандируемая Виолле-ле-Дюком (см. [1.1], разд. 6.7), который считал, что ребра как несущий каркас поддерживают каменное заполнение свода, и подчерки- вал, что железобетонные конструкции можно проектировать та- ким же образом. Вопросы потери устойчивости тонких слоев железобетона подобны проблемам, встречавшимся при конст- руировании чугунных конструкций (см. разд. 2.5), что помогало решению вопроса. Несколько крупных железобетонных купольных сооружений с ребристой конструкцией купола было построено до 1914 г.; наиболее известными из них были Методистский зал в Вестмин- стере (Англия), законченный в 1910 г., главный читальный зал Публичной библиотеки в Мельбурне (Австралия), 1911 г. и Зал Столетия в Бреслау (ныне Вроцлав в Польше), 1913 г. Купол Мельбурнской публичной библиотеки (рис. 76) хотя и был значительно меньше, чем в зале в Бреслау, по-видимому, « 148
Рис. 76. Разрез читального зала Мельбурнской публичной библиотеки, построенной по проекту Бейтса, Пиблса и Смарта в 1909 г. [6.3] Рис. 77. Авиационный ангар, спроектированный Фреиссине, во время строительства в Орли близ Парижа. Конструкция имела пролет в свету 80 м, высоту 56 м и длину 300 м. Высота гофрированных складок оболочки — 5,4 м, а максимальная толщина бетона лишь 90 мм -*149
наиболее примечателен, так как это было вообще первое желе- зобетонное здание, построенное в Австралии в те времена, когда ответ на письмо в Европу или Америку приходил через три ме- сяца. Авторы проекта, архитекторы Бейтс, Пиблс и Смарт [6.3], Первые эскизные наброски планов были выполнены в 1906 г. Н. Дж. Пиблсом с набросков, сделанных главным библиотека- рем, который, как предполагали, представлял себе в качестве образца читальный зал Британского музея архит. Смирка (см. разд. 2.6) —чугунную каркасную конструкцию диаметром 42,6 м. Джон Монэш, тогда директор строительной компании, был, очевидно, ; ответствен за выбор железобетона для купола диаметром 35,1 м и утверждал, что конструкция из-этого мате- риала будет дешевле, чем из стали. Однако его компания не получила контракта на строительство, так как более низкую стоимость строительства предложила лондонская фирма «Трассд Стил Компани», которая незадолго перед этим закончила стро- ительство купола Методистского зала в Вестминстере. Строи- тельством Мельбурнской публичной библиотеки были перекрыт наибольший до этого пролет бетонного купола толщиной в 1 фут. Этот рекорд продержался в течение года. Зал Столетия в Бреслау имел первый бетонный купол-, раз- меры которого превзошли размеры Пантеона, построенного 1800 лет назад. Он был спроектирован городским архитектором Максом Бергом и в соответствии со строительной практикой, принятой в Германии, подрядчики Дикерхофф и Видманн вы- полняли проект конструктивного решения и осуществляли стро- ительство. Расчет конструкции был выполнен Вилли Гехлером (позднее профессором Технического университета в Дрездене) и Евгением Шульцем. Купол имел диаметр 65 м в чистоте. В 1916 г. в Париже началось строительство двух железобе- тонных ангаров каждый пролетом 80 м в чистоте (рис. 77). Они были спроектированы Эженом Фрейссине (разд. 3.4) и построе- ны компанией «Энтерпрайз Лимузин» в 1924 г. (разрушены в 1944 г. во время воздушного налета). Благодаря форме кон- струкций усилия от собственной массы были, как в арке Ктези- фона (см. [1.1], разд. 5.3), почти целиком сжимающие. Из-за их значительной высоты и расположения на открытом участке, а также малой собственной массы, в конструкции возникали за- метные изгибающие, моменты от действия ветровой нагрузки, которая воспринималась складками, благодаря чему сама бе- тонная оболочка могла быть тонкой. Авиационные ангары в Ор- ли получили высокую оценку не так из-за легкости конструкций, сколько за их изящную форму, хотя Фрейссине заявлял, что он не стремился к художественному эффекту и что форма соору- жений вытекала логически из условий их равновесия. 150
6.3. БЕТОННЫЕ КУПОЛА И ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ОБОЛОЧКИ Хотя авиационные ангары в Орли и Зал Столетия в Бреслау были объектами, где в конструкциях действовали громадные из- гибающие усилия, для их строительства требовалось материала в несколько раз меньше, чем для зданий с классическими купо- лами и сводами. Масса конструкций может быть еще более уменьшена при использовании мембранных оболочек. Уже, по крайней мере, в течение двух веков было известно, что гибкий материал, такой, как кожа или тонкий лист металла, может как мембрана выдерживать определенное давление жид- кости. Задача была решена двумя французскими инженерами Ж. Ляме и Е. Клапейроном (см. разд. 3.2), бывшими в то вре- мя профессорами в институте инженеров путей сообщения в Санкт-Петербурге. Их решение задачи о работе мембраны под давлением, содержащееся в «записке» из 100 страниц, в которой дается общая теория упругости, было подано во французскую Академию (дата подачи не была зарегистрирована). Решение этой проблемы было рассмотрено Навье в 1828 г. и опубликова- но.в «Воспоминаниях различных ученых» в 1833 г. Оно также было освещено в Англии Тодхантером и Пирсоном [6.35]. Мембрана, воспринимающая усилия только в своей плоско- сти (рис. 78), может служить конструктивным элементом. По- скольку она не требует толщины для восприятия изгибающих и крутящих моментов или поперечных сдвигающих усилий, она может быть настолько тонкой, насколько'позволяют конструк- тивные требования и необходимость водозащиты. Поэтому мем- бранные конструкции очень легки. В действительности тонкая оболочка не может быть постро- ена при наличии заметных изгибающих напряжений (рис. 79), так как внутренний момент сопротивления требует наличия пле- ча пары сил а (см. рис. 32) и оболочка должна быть достаточно толстой для его восприятия. Альтернативным решением, приме- ненным Фрейссине в ангарах в Орли, является использование складок, в которых растягивающие и сжимающие усилия дейст- вуют в противоположных волнах складок, и за счет высоты образуется плечо пары сил. Это может быть достигнуто только в том случае, если изгиб ограничен одним направлением и если складки приемлемы с функциональной и эстетической точек зрения. Тонкостенные оболочки могут не иметь изгиба. Это может быть легко продемонстрировано на мыльном пузыре, который достаточно прочен для сопротивления воздействию сил в плос- кости мембраны, но лопается, как только подвергается воздей- ствию поперечного усилия или изгибу. Замкнутая сфера, однако, не может быть строительной конструктивной формой, а когда сфера рассекается, на ее краях появляются неуравновешенные силы, которые ведут к появлению изгибающих усилий. Тем не — 151 —
Рис. 78. Мембрана Может воспринимать только усилия в своей плоскости. Единственно возмож- ными усилиями в мембране являются растягива- ющие или сжимающие Nx и Ny, действующие под прямым углом друг к другу, и перерезываю- щие силы V, как показано на рисунке менее, в ряде форм оболочек усилия под воздействием нагрузок близки к теоретическим усилиям в мембранах на большей части ее поверхности. Теория расчета мебран для железобетонных конструкций была разработана Францем Дишингером, главным инженером строительной компании «Дикерхофф и Видманн», и Вальтером Бауэрсфельдом из оптической компании «Карл Цейс», который создал прибор для наблюдения за. движением звезд. Бауэр- сфельду нужно было иметь большую «небесную» полусферу, на которой его прибор мог проектировать движущееся изображение звездного неба. Таким образом, теория расчета мембраны была использована для проектирования первого в мире планетария в Иене в 1924 г. Метод проектирования и строительства полу- сферы был запатентован Дикерхоффом и Видманном как «сис- тема Дивидаг» и до 1945 г. этот патент на тонкостенные оболоч- ки оставался единственным в нескольких европейских странах и в Северной Америке. Полусферический купол йенского планетария [6.36] имел диаметр 24,9 м и толщину оболочки только 60 мм без каких-либо ребер. Вскоре появились большие по размерам оболочки, спро- ектированные по системе Дивидаг, и большинство из них имели ребра. Наиболее известны из них три восьмигранных купола с оболочкой толщиной 90 мм для ярмарочных залов в Лейпциге (ГДР) с пролетом 65,8 м (1927 г.), цилиндрический свод спор- тивного стадиона для шоколадной фабрики близ Филадельфии (рис. 80) и крытый стадион для Олимпийских игр 1936 г. в Бер- лине (рис. 81). По теории расчета мембран оболочки являются статически определимыми конструкциями. Решение может быть получено Рис. 79. «Толстая» оболочка может также вос- принимать изгибающие моменты Мх и Му, кру- тящие моменты Мтх и А4ту и поперечные усилия среза Qx и Qy. Г — 152 —
Рис. 80. Спортивная арена шоколадной фабрики Херши вблизи Филадель- фии, выстроенная по проекту компании «Робертс и Шефер» в 1936 г. Пролет коротких цилиндрических оболочек — 69 м, толщина оболочки от 90 мм До 152 мм на краях. Оболочка усилена арками сечением 0,56X1,52 м Рис. 81. Спортивная арена для Олимпийских игр в Берлине, спроектированная и построенная Дикерхоффом и Видманном в 1935 г. Эллиптический купол с пролетами по осям 45 и 35 м — одна из немногих конструкций такой формы со времени строительства куполов в стиле барокко в XVIII в« - 153
определением . усилий, действующих в направлениях х, у и г, а затем и изгибающих моментов. Хотя эта теория дает весьма сложные уравнения [6.37], они относятся к области дифферен- циальной геометрии. В связи с этим требуется описать поверх- ность оболочки зависимостями, удобными для составления урав- нений равновесия [6.4]. Дишингер и Бауэрсфельд получили решения для сферических, параболических и эллиптических ку- полов, конических и цилиндрических оболочек. Позднее Ф.Ай- монд получил решения для мембранных напряжений в гипер- болическом параболоиде (см. разд. 6.4), а М. Соар — для ко- ноида. Положения теории полностью отвечают условиям плаваю- щей в пространстве полной сферы. Они также подходят для не- больших полусферических оболочек типа Йенского планетария и других планетариев, построенных позже в виде полусфериче- ских бетонных оболочек. В полусфере оболочка удерживается работающим на растяжение кольцом [1.1] и нет необходимости в восприятии горизонтальных реакций, которые возникают в полуциркульных арках. Реакции полусферических оболочек теоретически чисто вертикальные и легко воспринимаются сте- ной или тонким кольцом, опертым на колонны. Так как напря- жения в кольце основания купола растягивающие, оболочка слегка расширяется, но если только оболочка не закреплена жестко к поддерживающей ее конструкции, изгибающие напря- жения в кольце очень невелики. Проблемы возникают, например, в случае полого сфериче- ского купола, дуга которого соответствует 60° круга (рис. 82). Такой тип купола применялся в Византии й мусульманских странах (см. [1.1], разд. 5.2), а также в современной архитек- туре. В зданиях XX в, использование плоских куполов объяс- няется главным образом, функциональными факторами, Купол в классической архитектуре и архитектуре эпохи Возрождения нес эстетические' функции создания монументальности здания, его высота должна была усиливать впечатление от здания. Зда- ние не отапливалось. Планетарий был специализированным зда- нием,-где полусфера, изображавшая небесный свод, была нужна для-проектирования на нее движения звезд. Для других совре- менных зданий, однако, отношение высоты к, диаметру 1 ; 2 (ха- рактеризующее полусферу) излишне большое. Оно увеличивает объем воздуха в помещении, который нужно нагревать; кроме того, возрастает стоимость опалубочных работ и материалов, за- трачиваемых на строительство свода. Особые трудности пред- ставляет бетонирование крутой части полусферы. 1 Пологий свод имеет, однако, наклонную реакцию (под углом 60° к вертикали на рис. 82). В Византийской архитектуре она воспринималась контрфорсами или дополнительными полусфе- рами (см. [1.1], разд. 5.2), что также возможно в железобетон- ных куполах, а в нескольких случаях так и делалось. Наиболее — 154 —
Rh Rv Рис. 82. Реакции, возникающие на опорах полого- го сферического купола .60' Рис. 83. Контрфорсы передают горизонтальные реакции на грунт во Дворце спорта, построенном П. Л. Нерви в Риме в 1957 г. Купол армирован внутри диагональными пересекающимися ребра- ми, связанными с контрфорсами. Диаметр купо- ла 58,5 м Рис. <84. Когда пологий купол, показанный на рис. 82, нагружен, кольцевые усилия в нем — сжимающие и нижняя его часть будет укорачи- ваться. Кольцо, воспринимающее горизонтальную реакцию Яи, будет испытывать растягивающие усилия и соответственно удлиняться. Эти два ви- да деформации несовместимы в мембранных обо- лочках. В нижней части купола неизбежно воз- никновение изгибающих моментов известным сооружением ..такого типа был небольшой -крь1.тый стадион, построенный в 1957 г. Пьером Луиджи Нерви "для Рим- ских Олимпийских игр (рис. 83). Это был дорогостоящий способ вр^приятия наклонных реакций. Значительно проще и дешевле бйло предусмотреть железобетонное кольцо, выполненное моно- литно с куполом (рис. 84). Поскольку кольцо воспринимает го- ризонтальные усилия (реакция RH, показанная на рис. 82), оно расширяется, когда купол нагружен. Это происходит, когда опа- лубка. снимается и купол начинает нести, свою массу... Усилия в речениях пологого купола только сжимающие; нижний край оболочки Сжимается и, следовательно, кольцо создает в оболоч- ке изгибающие усилия. s Подобное явление характерно и для всех цилиндрических оболочек (рис. 85), так как в них необходима постановка связей или краевых рам, препятствующих распрямлению цилиндриче- ского свода в плоский лист. Взаимодействие оболочки и связей создает в крайних участках свода напряжения изгиба, кручения и сдвига, из которых чаще всего наибольшим является изгиб. J В небольших оболочках достаточно увеличить толщину у опор и предусмотреть стержни арматуры или сварные сетки — 155 —
Рис. 85. Кроме использования контрфорсов как в готической архитектуре в цилиндриче- ских оболочках по торцам требуется устройство связей или жестких арок для предотвра- щения распрямления поверхности под действием нагрузки. Мы называем оболочку «ко- роткой» (а), если направляющие идут в коротком направлении, и «длинной» (б), если они идут вдоль длинной стороны оболочки Рис. 86. Пологий сферический купол на близком к квадрату плане покрытия резиновой фабрики в Брин Мавр, Уэльс. Оболочка имеет толщину 90 мм. а колонны расположены на расстоянии 27 и 21 м. Архитектурный проект—Кооперативного архитектурного то- варищества, проект конструкций — компании «Ове Аруп энд Патнерс» — 156 —
у обеих поверхностей, чтобы обеспечить Восприятие изгиба ар- матурой. В оболочках с большими пролетами изгибающие моменты следует обязательно учитывать расчетом. Общие формулы теории изгиба толстых оболочек были опуб- ликованы в виде дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных Э. И. X. Лявом, профессором натурфи- лософии в Оксфорде в 1888 г. (Философские труды Королевско- го общества, т. А. 179). Решение для сферического купола было получено X. Рейсснером в 1912 г. (Мюллер-Бреслау. Юбилейное издание), но оно оказалось слишком сложным для практиче- ского применения при проектировании. Бауерсфельд пригласил Дж. У. Гекелера для разработки более простого решения купо- лов. Это решение было опубликовано в «Инженерных исследо- ваниях», № 276 (Берлин, 1926 г.). Они включали теорию устой- чивости оболочек, которая была впоследствии проверена испы- таниями на моделях, выполненных из металлических листов (см. разд. 5.2). . С 30-х годов советские инженеры проявили особый интерес к теории расчета оболочек, и «Общая теория оболочек» В. 3. Вла- сова, опубликованная в Москве в 1949 г. [6.5], стала основой для большинства последующих трудов по теории упругости. Квадратная и прямоугольная форма помещения наиболее удовлетворяет функциональным требованиям большинства тор- говых и промышленных зданий. Купола возводились на квад- ратных планах (рис. 86), прямоугольные помещения легко пере- крывались цилиндрическими оболочками. Большая популярность оболочек в конце 40-х и начале 50-х годов XX в. в Восточной и Западной Европе, в Северной и Южной Америке частично объ- ясняется нехваткой стали после второй мировой войны. Повреж- дения, причиненные незащищенным стальным конструкциям вследствие воздушных бомбардировок, могли повлиять на решение проектировщиков, выбиравших железобетонные конст- рукции для гаражей и промышленных зданий. В 60-х годах по- вышение стоимости рабочей силы оказалось сдерживающим фактором для дальнейшего распространения криволинейных бетонных конструкций в Западной Европе и Северной Америке, а совершенствование сварки и соединений на высокопрочных болтах привело к тому, что стальные каркасы оказались более экономичными. Имеется два основных типа цилиндрических оболочек. Одни называются «короткими оболочками», так как прямолинейные образующие идут в коротком направлении (см. рис. 80 и 85). В этом типе оболочек усилия распора воспринимаются горизон- тальными связями (см. рис. 85) или жесткими арками (см. рис. 80), являющимися основными элементами конструкции. Теория расчета мембран дает хорошее решение для оболочек с небольшим пролетом. Такие оболочки служат также конструк- — 157 —
Рис. 87. Длинная цилиндри- ческая оболочка работает под вертикальной нагрузкой как балка с криволинейным поперечным сечением. Хо- тя связи играют существен- ную роль на криволинейных сторонах оболочки, они ча- сто используются и на пря- молинейных участках, так как этот тип оболочки тре- бует значительного усиле- ния арматурой для воспри- ятия растягивающих уси- лий. Изгибающий момент (А) воспринимается боль- шой массой бетона в верх- ней части (сила С) и арма- турой, работающей на рас- тяжение (сила Т), которая размещается как можно ни- же. Плечо пары — а (см. рис. 32). Поперечная арма- тура для восприятия перере- зывающих сил размещается у опор (б) и изгибается по диагонали, чтобы восприни- мать диагональные усилия растяжения Рис. 88. Повторяющиеся длинные своды-оболочки формируют плоскую крышу, состоящую из отдельных криволинейных сводчатых элементов цией покрытий, что создает четко выраженную кривизну, анало- гичную сводам Древнего Рима и эпохи Возрождения. В оболочках второго типа, называемых «длинные», прямоли- нейные образующие идут вдоль длинной стороны конструкции (рис. 85, б). Усилие распора определяется теорией изгиба, а тео- рия расчета мембран не может быть использована для проекти- рования этого типа конструкций. Хорошее приближение к точ- ному решению теории изгиба оболочек достигается, если рас- сматривать оболочку как прямую балку с криволинейным по- перечным сечением (рис. 87). Различие между длинными и короткими оболочками опреде- ляется направлением их образующих независимо от размеров оболочек. Таким образом, покрытие из длинных оболочек вос- принимается как плоское, образованное из элементов, имеющих кривизну (рис. 88). В то же время короткая оболочка из-за кри- визны в длинном направлении (см. рис. 80) выглядит как свод- чатое покрытие. Проектирование цилиндрических оболочек было значитель- но упрощено в 50-х годах после опубликования двух руководств по проектированию, включающих детальные таблицы [6.6, 6.7]. В конце 60-х годов трудности расчета оболочек всех типов были в большинстве своем решены благодаря разработке соответству- ющих программ для ЭВМ с использованием сначала метода конечных разностей [6.8], а затем МКЭ (см. разд. 5.4) расчет — 158 —
Рис. 89. Крытый рынок в Альжесирасе, Испания, спроектированный и построенный Эду- ардо Торройей в 1933 г. и разрушенный во время гражданской войны в Испании. Купол имел пролет 48 м и толщину оболочки 90 мм с увеличением к опорам до 450 мм. Гори- зонтальные реакции воспринимались восьмиугольным кольцом, объединяющим верхние части колонн с предварительно напряженной арматурой из 16 стержней [6.52] Общий вид; траектории усилий при вертикальной погрузке; план размещения ар- матуры
Рис. 90. Аэровокзал в Сент-Луисе, штат Миссури; строительство закончено в 1954 г. Каждый из трех точечно опертых бочковых сводов имеет пролет 37 м., толщина оболоч- ки колеблется от 115 до 200 мм. Высокие ребра требуются в местах пересечения сводов, которые армированы десятью стержнями диаметром 35 мм в верхней части и еще де- сятью — в нижней. Архитекторы: Хелльмут, Ямасаки и Лейнвебер. Проект конструкций — У. К. Бекер и Э. Тедеско Рис, 91. (Выставочный зал) Национального центра индустрии и техники в Париже, представляющий двойную оболочку крестового свода на треугольном плане. Строитель- ство было закончено в 1958 г. Здание до сих пор остается наиболее большепролетным архитектурным сооружением (пролет — 219 м). Общая толщина бетона в двух оболочках доставляет всего 120 мм. Архитекторы Камло, Де Мейли, Зерфус, проект конструкций выполнен Никола Эскилоном
плавно искривленных оболочек почти любой геометрической формы стал практически реализуем [6.9]. Мембранные усилия в куполах весьма малы, особенно у их вершин [3.6]. Поэтому в этой части купола могут быть проре- заны достаточно большие отверстия для доступа дневного света. В большей части оболочки армирование может быть только конструктивным. Однако, если купол опирается на точечные опоры, большая концентрация усилий требует повышенного ар- мирования. Оба положения нашли отражение в решении здания рыночного зала в Алжесирасе в Испании, построенного по про- екту Эдуардо Торройи в 1933 г., — одного из первых купольных зданий с плоской формой купола, малой толщиной бетонной оболочки без ребер и с большим отверстием для верхнего света (рис. 89). Другим интересным купольным сооружением с точечными опорами является здание аэровокзала в Сент-Луисе (рис. 90), конструкции которого фактически представляют собой готиче- ский пересекающийся свод (крестовый свод) из тонкостенных оболочек. Выставочный павильон Национального Центра индустрии и техники в Париже перекрыт своеобразным крестовым сводом, хотя и построенным на треугольном плане (рис. 91). Эта свод- чатая конструкция имеет громадный пролет — 219 м (пока наи- больший среди построенных когда-либо зданий), что вызвало трудности обеспечения устойчивости. Поскольку свод покоится только на трех опорах, появились изгибающие моменты. Поэто- му конструкция свода была решена в виде двух оболочек с промежуточными диафрагмами жесткости, идущими через 9 м [6.38], что, в известном смысле, представляет собой возвраще- ние к концепции Брунеллески, выраженной им в решении купола Флорентийского собора (см. [1.1], разд. 7.2). В этой конструкции толщина оболочки была 60 мм и поэтому общая толщина двух оболочек составляла только 120 мм. Пространство между обо- лочками 3,75 м было достаточным для обслуживания и обеспе- чивало достаточное плечо для восприятия изгибающего момен- та. Горизонтальные реакции воспринимались предварительно напряженными тросами в конструкциях пола. Когда это сооружение было построено (1957—1958 гг.) на Рон-Поэн ля Дефанс — важной магистрали, идущей от Пари- жа на Сен Жермен, его окружали только небольшие здания, которые оно подавляло своими размерами. Вершину его свода можно было увидеть только с самолета или с Эйфелевой башни. Спорным был вопрос о необходимости такого большого свобод- ного пролета для выставочного павильона (см. разд. 6.9). Здание выглядело слишком большим как для своего назначения, так и для окружающей застройки. Впоследствии недалеко от выста- вочного павильона была построена группа наиболее высоких в Европе зданий, что создало визуальный баланс, 6 Зак. 887 — 161 —
6.4. ГИПЕРБОЛИЧЕСКИЕ ПАРАБОЛОИДЫ (ГИПАРЫ), ГИПЕРБОЛОИДЫ И КОНОИДЫ Возвращение к формам купола и свода—традиционным формам каменных сооружений, было, естественно, первым ша- гом в проектировании железобетонных оболочек. Экономичность бетонных сооружений в большой степени определяется стоимостью опалубочных работ. Каменные купола выкладывались из блоков камня, обтесанных до требуемой фор- мы; и стоимость тески блоков с непараллельными гранями до появления механических пил не отличалась существенно от тес- ки прямоугольных блоков. Известно, что Брунеллески построил купол Флорентийского собора без лесов. Каменные своды строились так же (см. [1.1], разд. 6.4 и 7.2). Бетон должен быть уложен в опалубку, которая определяет форму конструкции. Опалубка изготовляется из пря- мых элементов из дерева или стали. Геометрия купола была преимуществом Брунеллески, так как кольца из каменных блоков были устойчивы, пока угол наклона швов не становился слишком большим, чтобы силы трения не могли удержать блоки. С другой стороны, геометрия купола не- удобна для исполнения в бетонных конструкциях, так как невоз- можно образовать форму купола из прямых линий, и поэтому не существует простого способа для изготовления опалубки из прямых деревянных элементов (см. разд. 6.8). Стоимость опа- лубки снижала привлекательность формы купола для оболочек с малыми и средними размерами пролетов. При больших про- летах прямолинейность деревянных элементов опалубки мень- ше влияет на стоимость проектного решения. • Только два типа кривых поверхностей могут быть построены из элементов с прямыми образующими. Один из них — гипер- болоид, который образуется вращением прямой, наклоненной к вертикали, вокруг этой вертикали. При этом образуется фор- ма, знакомая нам по градирням. Кристофер Рен опубликовал свое открытие гиперболоида [4.57] в Философских трудах Королевского общества в 1669 г. (в период его пребывания профессором астрономии в Оксфорд- ском университете, до того, как он прославился как архитектор). Другой вид поверхности, получивший название гиперболиче- ского параболоида, или коротко гипара, образуется одной пря- мой линией, движущейся по двум прямым линиям, которые на- клонены под углом одна к другой (рис. 92). Он был открыт в конце XIX в. в результате систематического исследования с целью определения формы ряда уравнений, включая очень простую: z—kxy, (6.1) где х, у и z — три оси прямоугольных координат в пространстве; k — постоян- ная величина. — 162 —
Рис. 92. Оболочка в виде гиперболического параболоида образуется одной прямой, движущейся по двум другим прямым ли- ниям, наклоненным под углом одна к дру- гой. Конструктивно она работает как ре- шетка из пересекающихся арок и тросов, идущих под 45° к прямым направляющим. В связи с наличием сжимающих и растя- гивающих усилий конструкция хорошо со- противляется продольному изгибу В связи с простотой уравнения (6.1) теория мембран для ги- паров имеет простое решение. Оно было получено в начале 30-х годов XX в. Ф. Аймондом [6.10], инженером французской госу- дарственной железной дороги; который построил несколько’па- ровозных депо в новых формах. Архитектурные возможности гипаров (рис. 93, 94) были от- крыты испанским архитектором Феликсом Канделой [6.39]. Он продемонстрировал их на различных сооружениях от промыш- ленных зданий, отличавшихся своей экономичностью и изящест- вом, до впечатляющих зданий церквей, архитектура которых напоминала готическую. Рис. 93. Если поверхность, показанную на рис. 92, разрезать под углом 45°, получим поверхность оболочки с искривленными краями Рис. 94. Сложные конструкции покрытий могут быть образованы комбинированием обо- лочек в виде гиперболического параболоида, показанного на рис. 92 и 93. Возможно мно- жество комбинаций, в результате которых образуются различные формы покрытий 6* — 163 —
Рис. 95. Здание монастыря Сент Мэри Энд Сент Луис в г. Сент-Луисе, штат Миссури. Хотя церковь имеет общий диаметр 43 м, отдельные элементы гиперболического парабо- лоида имеют максимальный пролет только 6,4 м и высоту 6,4 м. Архитекторы — Хелль- мут, Обета, Кассабаум Рис. 96. Параболический коноид образуется прямой линией, движущейся с одной сторо- ны по прямой линии, а с-другой стороны —по параболе. Плоская часть коноида не мо- жет быть использована для форм конструкций, так как она весьма подвержена потере устойчивости. Практически коноид ограничивается двумя параболами, которые обычно ориентируются на север и на юг, чтобы дать максимальный доступ отраженного (не пря- мого) солнечного света. Бетонные оболочки в форме коноида начали применяться в Во- сточной Европе в начале 50-х годов и в 1958 г. была опубликована теория расчета этих оболочек [6.12] — 164 —
Кандела пренебрегал ИспоЛьзойанием сложного математиче- ского аппарата при проектировании своих оболочек и проекти- ровал их, основываясь главным образом на изучении мембран- ных усилий и условий равновесия на краях оболочек. Большин- ство из его оболочек имело средние по величине пролеты. С конца 50-х годов оболочки типа гипара использовались и другими проектировщиками [6.40], особенно в США (рис. 95). Вначале это были небольшие по размерам оболочки из-за не- достаточной разработки теории изгиба, но после появления ме- тода конечных разностей (см. разд. 5.4) начали строиться гипары с большими пролетами, например, в перекрытии зала в Пуэрто- Рико на 10 тыс. мест с консольными участками пролетом 42 м Коноид, родственный гипару тип оболочки [6.41], образует- ся поворотом прямой линии по прямой и кривой направляющим линиям (рис. 96). 6.5. ОБОЛОЧКИ ИЗ ПЛОСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Возможность снижения массы криволинейных конструкций путем расчета их как железобетонных мембран привлекала вни- мание инженеров-конструкторов в течение с 1920 по I960 г. К концу этого периода акцент сместился на снижение стоимости рабочей силы и достигалось это переходом на линейные обо- лочки. Для пролетов порядка 20 м толщина оболочки определяется в большей степени конструктивными ограничениями, а не уси- лиями в ней. Минимальная толщина криволинейных и сводча- тых бетонных оболочек определялась тем, как подрядчик может их изготовить с экономически оправданными затратами, обес- печением достаточной точности размеров и требований гидро- изоляции, различающихся в разных районах мира. В странах с высоким уровнем жизни, стоимость труда велика, а заказчики требуют надежной гидроизоляции. В развивающихся странах, где можно применять более тонкие оболочки, стоимость возве- дения которых ниже, оболочки остаются весьма популярными -конструкциями. В развитых странах в настоящее время исполь- зуются в основном большепролетные оболочки. Наше понимание «большого пролета» изменилось. В средне- вековье большепролетные постройки имели небольшие пролеты ио сравнению с современными. Лишь немногие готические со- борты имели нефы шире 15 м. Сейчас можно перекрыть этот про- лет крышей из складчатых панелей. В США, Австралии и Се- верной Европе минимальная экономичная толщина бетонной оболочки составляет 80 мм и конструкция с такой толщиной способна воспринимать определенные изгибающие усилия. — 165 —
Кбнструкцйи из складчатых панелей состоят й§ плоских уча- стков, соединенных под различными углами. Так как в них нет непрерывной кривизны, они обязательно подвергаются опреде- ленным изгибающим усилиям (см. разд. 6.3). Тем не менее стои- мость опалубки для них ниже, чем для любых других типов оболочек, включая и оболочки, образуемые вращением прямой линии. Полезная функция складчатых панелей сходна с функ- цией куполов и сводов, и в них заложены сравнимые, хотя и раз- личающиеся, эстетические качества. Первые железобетонные складчатые панели были использованы в Германии в 20-х годах нашего века для строительства хранилищ угля, которые обычно проектировались с несущими балками [6.2]. Первый теоретический анализ складчатых конструкций был дан Швейцером в его докторской диссертации, представленной в Цюрихский технический университет в 1920 г. [6.13] и несколь- ких работах, основанных на равенстве углов поворота и проги- бов (разд. 4.2) в двух смежных плитах вдоль линии их соеди- нения в складку [6.13]. Они появились в периодических издани- ях на немецком языке в 20-х и 30-х годах. Теория расчета была значительно упрощена, когда в 1947 г. Джордж Винтер, про- фессор строительной механики Корнелльского университета, применил метод распределения моментов к расчету складчатых конструкций [6.14]. Каждая плоская часть, формирующая кон- струкцию складчатой панели, рассматривалась как жестко за- щемленная. Каждое соединение складок по очереди освобож- далось от защемления и проводилось распределение неуравно- вешенных моментов. Этот способ давал достаточно экономичный метод расчета. Таким образом, теории расчета оболочек и складчатых плит до 1939 т. были совершенно различными, хотя фактически оба вида конструкций являлись пространственными, требовали оп- ределенной толщины и были способны воспринимать изгибаю- щие моменты, вызываемые вертикальной нагрузкой (см. рис. 6). В 50-х годах были найдены элементы, объединяющие эти два вида конструкций [6.15], а различия в их расчете на ЭВМ ста- ли менее значительными [6.16]. Во внешнем виде криволинейных и складчатых оболочек мы тоже теперь видим меньше различий. Можно образовать покры- тие из складчатых панелей, которые напоминают цилиндриче- ские оболочки (рис. 97), купола или оболочки типа гипара. Как и оболочка, складчатая конструкция требует связей или жест- ких рам в качестве бортовых элементов. Складчатые оболочки стали более экономичными с развити- ем производства водозащитной фанеры и картона (см. разд. 9.8), •которые можно использовать как легко режущиеся материалы для изготовления опалубок для бетонирования при сравнитель- но низкой стоимости. Другой цодход к проектированию оболочек из плоских эле- — 166 —
Рис. 97. Фрагмент школы Кейзи Юниор в Боулдере» штат Колорадо. Максимальный пролет складчатых панелей — 17 м, их толщина 90 мм. Складчатые плиты несут те же функции, что и повторяющиеся параллельные длинные цилиндрические своды, и для такого пролета толщина не имеет значения. Стоимость опалубки меньше, чем при сводах. Архитектор X. Д. Вадженер, конструкторы — Кетчум, Конкель, Ха- стингс Рис. 98. Авиационный ангар в Орвието размером 100><40 м, спроектированный и по- строенный Пьером Луиджи Нерви в 1935 г. и разрушенный германской армией В 1944 г, Цилиндрический свод был образован комбинацией линейных элементов. Эта конструкция рассматривалась в разд. 5-2
ментов был разработан благодаря работам Пьера Луиджи Нерви, который более 40 лет занимался и проектированием и строительством. Первым примером его работ был авиационный ангар (1935 г.), в котором покрытие перекрывало пространст- венный каркас, состоящий из линейных элементов (рис. 98). В недавних конструкциях Нерви объединяет каркас с покрыти- ем крыши и разбивает на сборные элементы, изготовляемые в заводских условиях и собираемых с монолитными соединения- ми на площадке. 6.6. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РЕШЕТЧАТЫЕ КОНСТРУКЦИИ В разд. 2.1 отмечалось, что треугольные фермы проектиро- вались в XIX в. из растянутых и сжатых элементов, восприни- моющих изгибающие моменты. В XX в. фермы с параллельны- ми поясами (одна из них показана на рис. 1) иногда рассмат- ривались как сплошные балки с отверстиями, вырезанными там, где материал не требуется. В них верхний пояс воспринимает сжимающую составляющую изгибающего момента (см. рис. 32), нижний пояс воспринимает его растягивающую составляющую, а соединительные элементы воспринимают перерезывающие силы, возникающие под действием нагрузки. Таким же образом и пространственный каркас (такой, как показан на рис. 98) можно рассматривать как пространствен- ную систему из линейных элементов или как оболочку с отвер- стиями, прорезанными в ней. Такое рассуждение может быть распространено и на металлические купола. Усилия в элементах определяются из уравнений равновесия горизонтальных и ме- ридиональных составляющих усилий в кольце и меридиональ- ных усилий, необходимых для устойчивости оболочки купола. С появлением машинных программ для пространственного кар- каса этот метод перестал быть простейшим способом расчета, но он отражает связь между работой бетонных и металлических куполов. Простейшая плоская или пространственная рама, образован- ная из прямолинейных элементов, состоит из системы треуголь- ников (рис. 99). Эта конструкция может быть рассчитана только статическими методами, если элементы соединены на шар- нирах, т. е. не жестко. Принцип построения купола, состоящего из треугольников, был впервые предложен И. В. А. Шведлером [6.17], который в 1863 г. построил первый металлический купол пролетом 30 м [6.18] над газовым резервуаром в Берлине. Ку- пола Шведлера имели вертикальные ребра, подобно меридиа- нам земного шара, горизонтальные (широтные) кольца (малые кольца в сферической тригонометрии) и диагональные элемен- ты, которые образовывали треугольники (см. рис. 99). Для симметричной нагрузки могут быть применены простые способы расчета с использованием метода вырезания узлов (см, — 168 -
Рис. 99. Конструкция купола, предложен- ная Шведлером, образуется ребрами в широтном и меридиональном направлени- ях с дополнительными диагональными эле- ментами составляющих купола, значи- противном случае угловую форму и разд. 2. Г), принятого Шведле- ром и последующими проекти- ровщиками. Однако это утоми- тельный метод, если число тре- угольников, конструкцию тельно, но в купол имеет покрытие становится сложным. Графический метод Карла Кульмана (см. разд. 2.1) -был также трудоемким, так как требовалось построение трехразмер- ных диаграмм сил с проектированием их на две плоскости — вертикальную и горизонтальную [6.18]. Первый получивший признание метод был разработан Ри- чардом Саусвеллом в 1920 г. (см. разд. 5.4) для расчета само- летных рам [6.19]. Метод коэффициентов растяжения Саусвелла был модифи- кацией метода Журавского (см. разд. 2.1). В последнем исполь- зовались тригонометрические функции (синусы и косинусы), поэтому он был неудобен для использования при трехмерном пространстве. Саусвелл выразил тригонометрические функции как отноше- ние координат (х, у и z) к длине элемента и, таким образом, получил уравнения в декартовых координатах. Их было легче решать в трехмерном пространстве. Кроме того, эти уравнения могли быть выражены в матричной форме, что позднее сделало их подходящими для машинных вычислений. Шведлер сам построил купол с диаметром 63 м в Вене (1874) [6.42]. В 1954 г. купол такого же типа диаметром 91 м был построен для Колизея (Гражданского центра) в г. Шар- лотт, штат Северная Каролина. До сих пор он является самым большим куполом такого рода. Сетчатый купол, в котором треугольники разделяются на более мелкие, представляет собой модификацию купола Швед- лера. Когда схема купола образуется из развитых в плане эле- — 169 —
Рис. 100. «Купол открытий», построенный в 1950—1951 гг. для Лондонской выставки 1951 г. и вспоследствии демонтированный. Он был образован пересечением огромных алюмини- евых ребер, опирающихся на стальное растянутое кольцо. Пролет купола 111 м. Вверху купол во время строительства; внизу — фрагмент сооружения после окончания строи- тельства. Решетчатые опоры поддерживают опорное кольцо. Архит. Ральф Таббс, инже- неры — Фримэн, Фокс и др. ментов с раскосами, можно перекрывать большие пролеты. Наи- более крупные сооружения с куполами этого типа — стадион Харрис Конти, более известный как «Астрономический купол» в Хьюстоне, который был спроектирован компанией «Руф Страк- чес» из Сент-Луиса и построен в 60-х годах (диаметр купола 196 м), и Луизианский суперкупол в Нью-Орлеане, спроекти- рованный Сведерупом и Парселом из Сент-Луиса и построен- — 170 —
Рис. 101. «Климатрон» — оранжерея в Сент-Луисе, штат Миссури, построенный по про- екту Бакминстера Фуллера в 1960 г. Пролет конструкции 53,3 м. Структура представляет собой геодезический купол из алюминиевых трубчатых элементов, покрытый плексигла- сом. Сгруппированные по шесть треугольные ячейки образуют шестиугольники, придаю- щие куполу характерный облик ный в 1973 г. Диаметр этого купола — 207 м, что, однако, все же меньше диаметра крупнейшего железобетонного купола (см. рис. 91). Эти большие купола имеют жесткие узлы и поэтому являются статически неопределимыми конструкциями [6.20]. Для их расчета требуются высчислительные машины большой мощности. Третий принципиально отличный тип купола образуется пересечением регулярно размещенных окружностей (пли геоде- зических линий). Этот тип отличается от куполов Шведлера и сетчатых куполов, состоящих из больших и малых колец. Наи- более известным из ранних куполов такого типа был «Купол от- крытий», представляющий собой алюминиевую конструкцию со стальным кольцом, работающим на растяжение. Купол был по- строен для лондонской Всемирной выставки 1951 г. и позднее разобран (рис. 100). В 1954 г. Ричард Бакминстер Фуллер запатентовал конст- рукцию из системы равномерно пересекающихся ребер под на- званием геодезический купол [6.43]. Большинство конструкций существующих геодезических куполов разработаны на принци- пах, заложенных в патентах Фуллера. Эти купола различны по размерам — от маленьких игрушечных каркасов до огромных промышленных сооружений, таких, например, как завод Юньон — 171 —
Рис. 102. План двухслойной, пространст- венной решетчатой системы (структурной плиты) из треугольных ячеек. Пояса сое- динены диагональными связями, идущими из каждого узла б трех направлениях Рис. 103. Части узла Нодуса для простран- ственных решетчатых систем, производи- мых компанией «Бритиш Стил Корпо- рейшн»
Танк Кар Компани в Батон Руж, штат Луизиана (1958г.), с диа- метром купола 117 м. Для малых куполов принимается однослойная конструкция: из труб. Для больших пролетов требуется соединение между со- бой двух слоев для восприятия изгибающих моментов от ветровой нагрузки, а также для снижения опасности потери устойчивости отдельных трубчатых элементов (рис. 101). Принцип составления оболочки из линейных элементов может быть логически распространен на рамы любой формы. Прямоли- нейные стальные элементы могут быть собраны в пространствен- ные решетки в форме купола, гипара, но могут образовывать' также и решетчатую пространственную плиту (структурные кон- струкции— рис. 102). г Хотя пространственные решетчатые системы имеют «машин- ную эстетику», которая делает их подходящими для технической выставки или промышленного здания, их главным преимущест- вом является легкость. Плоские фермы более экономичны, чем. балки перекрытий, так как они имеют большую высоту и, сле- довательно, требуют меньшего расхода материала.'В свою оче- редь, пространственные решетчатые системы требуют меньше материала, чем плоские фермы, поскольку они могут быть вы- полнены более развитыми по высоте и не возникает опасность- потери устойчивости. - Это преимущество, однако, часто уравновешивается повы- шенной стоимостью соединения элементов. Сборка узлов на ме- сте строительства тоже слишком дорога для большинства типов, пространственных решетчатых систем.; Если бы механизация производства в масштабах, обычных для автомобильной или авиационной промышленности, могла быть внедрена в строительную индустрию (см. разд. 10.4 и 10.5), то пространственные решетчатые системы немедленно стали бы= оптимальным вариантом конструкций. Многие сторонники новой школы архитектуры в 20-х годах нашего века полагали, что пришло время для строительства зданий, изготовляемых в за- водских условиях, что было особенно заметно в Германии, где были изобретены первые пространственные системы. В 1937 г. в Германии был разработан узел MERO (MEnge- ringhausen's ROhr-Bauwerke), который используется и в на- ши дни [6.44]. Он представляет собой стальную отливку с гра- нями под 45° одна к другой, которая может служить для соеди- нения 18 стержневых элементов. Узел имеет 18 плоских сторон с резьбовыми отверстиями для соединения с резьбой соедини- тельных наконечников, которые приварены к концам стержне- вых элементов. ... ' Узел имеет компактную аккуратную; форму, но его изготов- ление дорого. Используя его, можно быстро собрать конструк- цию из стальных труб любой длины- и любой • геометрической формы с учетом соединения элементов под углом 45°, , — 173 —
В 50-х годах в Мичиганском университете в Энн Арбор бы- ло проведено научное исследование, финансированное Чарльзом. У. Аттвудом [6.21]. Узлы этой системы состояли из пластины, штампованной так, чтобы к ней можно было осуществить бол- товое соединение девяти элементов под углом 45 и 90°. Этот узел был более дешевым, но недостаточно универсальным в исполь- зовании, чтобы найти широкое применение. В то же время А. И. Фенитмен в Канаде разработал узел, выполненный из алюминия штамповкой с отверстиями, в кото- рые впрессовывались сплющенные алюминиевые трубы [6.45]. Эти узлы могли служить для соединения девяти элементов. Из- гибая трубы под нужным углом, можно было производить соеди- нения под любыми углами. Позднее в связи с высокой стоимо- стью алюминия стали применять стальные трубы, но соедини- тельные элементы продолжали выполняться из алюминия, поскольку для их сложной формы более экономично было штам- пование. Соединительный узел был особенно удобен для неболь- ших геодезических куполов и других относительно небольших сооружений, в которых возможны большие прогибы в результа- те заводских допусков на изготовление: элементов. С середины 60-х годов интерес к пространственным решет- чатым конструкциям возобновился. Было получено несколько новых патентов на соединительные узлы. Узел (Nodus joint) — типичный представитель узлов нового положения (рис. 103), сложных по конструкции, высокопрочных и дорогих, но легких в сборке. Вновь возвращенная популярность пространственных конст- рукций отчасти обязана дальнейшим исследованиям и отчасти развитию вычислительной техники, которая сделала возможным поиск наиболее экономичных решений благодаря точному рас- чету конструкций. Кроме того, сейчас чаще возникает потреб- ность в перекрытии больших пролетов с плоскими крышами (рис. 104). 6.7. ВИСЯЧИЕ КОНСТРУКЦИИ Висячие конструкции имеют давнюю историю в строительст- ве мостов. Чтобы перебираться с одной стороны ущелья на дру- гую, обезьяны пользуются вьющимися растениями, и можно предположить, что то же самое делали люди в доисторические времена. Затем они научились прикреплять лианы к деревьям на другой стороне ущелья, образуя одноканатные висячие мо- сты. Введение второго троса с соединительными деталями де- лает мост более удобным и менее опасным. Мосты такого типа, сделанные местным населением, ведущим примитивный образ жизни, были найдены в джунглях Амазонки. Висячие мосты из бамбука [6.45] с пролетом 60 м использовались в Китае. С ис- пользованием чугуна в качестве материала, для строительных 174 —
Рис. 104. Поперечный разрез пространственной фермы покрытия ангара в Лондонском аэропорту, в котором размещаются два 360-местных авиалайнера (построен по проекту Зигмунда Маковского в 1973 г.). Размах крыльев авиалайнера требует пролета в чисто- те 178 м. Тщательный контроль температурного режима, необходимого для эксплуата- ции, делал желательным максимальное сокращение объема воздуха в ангаре. Это было причиной отказа от применения купольных или висячих конструкций [6.51] конструкций пролет висячих мостов увеличился. В 1826 г. через пролив Менаи (см. разд. 6.1) был построен-первый висячий мост с рекордным пролетом, и до сих пор висячие мосты удержи- вают первенство в этом отношении (см. табл. 1). История под- весных конструкций в зданиях была менее успешной. Частично это объясняется большей сложностью трехмерных сооружений по сравнению с плоской конструкцией моста. Гибко подвешенные мосты, такие, как мост через пролив Менаи (см. рис. 75), имели статически определимые конструкции (рис. 105). В конструкциях покрытий зданий требуются дополнительные Рис. 106. Рэлей-арена для спортивных соревнований, штат Северная Каролина, — первое современное архитек- турное сооружение с подвес- ными конструкциями. Стро- ительство закончено в 1953 г« Рис. 105. Висячая конструк- ция обеспечивает восприятие момента от вертикальной нагрузки благодаря провесу. Момент образуется силой горизонтальной реакции Ян, растягивающим усилием в тросе Т и стрелой провеса s. Поскольку s намного больше, чем плечо пары в балке (а — на рис. 32), висячая конструкция может обеспечить перекрытие бб ль- шего пролета при том же растягивающем усилии Т
TpScbi, идущие в йерйейдйкулярйбм направлений, чтобы поддер’ живать конструкции кровли, а для обеспечения устойчивости покрытия эти тросы должны быть взаимно связаны, образуя сетку. В результате получаются статически неопределимые кон^ / струкции. Тросы из высокопрочной ётали( перекрывающие отно- сительно небольшие пролеты порядка 50 м и получающие отно- сительно небольшие растягивающие напряжения 72,5 кг на кв. дюйм (500 МПа), удлиняются на 125 мм, что не так уже мало. Удобная для расчета теория упругих статически неопределимых конструкций приложима лишь к конструкциям, в которых де- формации настолько малы, что их влиянием на геометрическую форму конструкций можно пренебречь. Это, безусловно, не от- носится к висячим конструкциям. Кроме того, на практике необходимо производить предвари- тельное напряжение тросов, по крайней мере, стабилизирующих, идущих под прямым углом к несущим тросам. Это требуется в связи с их чувствительностью к температурным изменениям. Стальные тросы длиной 50 м изменяются на 15 мм при измене- нии температуры на 25° С. Так как колебания тросов могут, ес- тественно, привести к повреждениям элементов кровли и сни- зить надежность всей конструкции, необходимо быть уверенным, что тросы, установленные при нормальной или, возможно, при холодной температуре, не ослабнут в наиболее жаркие дни года. Таким образом, возникает необходимость проверки геомет- рической схемы связанных тросов при комбинированном дейст- вии нагрузок и усилий предварительного напряжения. Теория расчета конструкций из предварительно напряженных тросов была разработана независимо в двух докторских диссертациях в 1960 г. (Ф. К. Шлейер) и в 1961 г. (А. Сиев) [6.47]. Однако первые подвесные конструкции крыш опередили появление этих теоретических работ. В 1895 г. В. Г. Жуков запатентовал в Рос- сии метод перекрытия зданий несущими стальными тентами. В следующем году на Всероссийской выставке в Нижнем Нов- городе по этому методу было перекрыто пять павильонов. Име- ются гравюры того времени с изображением этих сооружений и процесса их строительства, некоторые из них были приведены И. Г. Людковским [6.47], но эти здания были разрушены и за- быты. В 1950 г. Новицкий задумал подвесную конструкцию арены для ярмарки штата Северная Королина в г. Релей. Проект кон- струкции был закончен Фредом Н. Сиверудом. Архитектором был Уильям X. Дейтрик. Построенное в 1952—1953 гг. сооруже- ние (рис. 106) состояло из двух пересекающихся арок (рассмат- риваемых, как имеющие шарниры на опорах и в соединениях), объединенных между собой тросами, образующими покрытие пролетом 89 м. Под прямым углом к несущим тросам шли дру- гие, предварительно напряженные тросы. Эта сетка поддержи- вала покрытие из гофрированных стальных листов. Сиверуд,. — 176 —
£ис. 107. Аналогии Ф. Н. Северуда, объяс- няющие принципы рабо- ты конструкций Рэлей- арены (верхняя схема) и висячего моста (ниж- няя схема) Рис. 108. Конструкции покрытия круглого здания Мемориального зала в Утике, штат Нью-Йорк, из предварительно напряженных тросов пролетом 73 м. Верхние и нижние тросы разделены распорками, работающими на сжатие. Верхнему и нижнему поясу <было дано различное предварительное натяжение, в результате чего они обладают раз- личными собственными частотами колебаний. Колебания в одном уровне тросов поэтому не совпадают с колебаниями в другом уровне, а силы внутреннего сопротивления снижают колебания всей конструкции. Архитекторы Герои и Зельтцер, инженер ~ Л. Цетлин
описывая эту конструкцию в 1956 г. [6.22], сравнил ее с двумя людьми, уравновешивающими натяжение рук давлением на ноги. По сравнению с этой конструкцией схему висячего моста, у ко- торого тросы натянуты между двумя башнями и закреплены у земли, можно изобразить подобной же группой с добавлением двух лежащих фигур, отображающих закрепление у земли (рис. 107). Бетонные арки тяжелые, равнодействующие от массы и натяжения тросов должны быть в плоскости арок, если арки рассчитываются только на сжатие. Строительство здания вызвало ряд непредвиденных проблем, которые увеличили его стоимость и нарушили первоначальные экономические показатели конструктивного решения. Несмотря на свою массу, арки были фактически длинными тонкими эле- ментами. Они работали на сжатие и имели тенденцию к потере устойчивости при продольном изгибе. Для обеспечения надеж- ности конструкции пришлось поставить дополнительные тросы, заанкеренные в земле. Внутренние тросы были закреплены к плоским частям крыши, чтобы предотвратить потерю устой- чивости, и другие демпферы были поставлены в местах соеди- нения тросов, чтобы избежать вибрации конструкций крыши. Несмотря на эти выявившиеся трудности, строительство Ре- лей-арены вызвало появление различных и оригинальных вися- чих конструкций покрытий. Наиболее известный комплекс кон- струкций такого рода был построен на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г. [6.47], самой дорогостоящей и известной вы- ставке из всех проводившихся до этого времени. Ее посетило более 41 млн. человек. На выставке доминировали сооружения, в которых в той или иной мере использовались висячие конструк- ции. Два сооружения такого рода, привлекшие наибольшее внимание, были спроектированы Рене Сарже, парижским инже- нером-конструктором. Одно из сооружений — Французский па- вильон—имел крышу, образованную 'висячей консольной «шпо- рой» и двумя симметрично расположенными гиперболическими параболоидами длиной по 70 м с одной общей стороной. Павиль- он имел вид громадной бабочки. Другим сооружением такого рода был ресторан Мари Тумас, покрытый четырьмя коноидами, поддерживаемыми восемью наклонными мачтами. Менее экзотичная, но большая по размерам висячая конструк- ция перекрывала Американский павильон (архит. Эдвард Д. Стоун, инженер-консультант У. Корнелиус). Он имел круглую крышу диаметром 100 м в виде велосипедного колеса с верхней и нижней сетками тросов, сходящихся к одному внешнему сжа- тому барабану. Это решение было доведено до своего логическо- го завершения в Мемориальном зале в Утике (рис. 108), строи- тельство которого было закончено в 1959 г. Другой известной круглой висячей конструкцией этого деся- тилетия был Муниципальный стадион в Монтевидео (1957) с крышей в виде вогнутого диска диаметром 94 м, спроектирован- — 178 —
ный компанией Прилоуд. Кровля была образована одной систе- мой тросов, покрытой сборными бетонными плитами, которые были временно нагружены строительными блоками для прида- ния канатам предварительного напряжения. После сборки стыки залиты цементным раствором [6.23]. Так как круглые кирпичные стены обеспечивают достаточную прочность наружного работаю- щего на сжатие кольца, вся конструкция крыши была достаточ- но экономична. Эффект конструкции, однако, нарушало решение интерьера из-за идущей по ее центру водосточной трубы для от- вода дождевой воды с крыши. Проблема отвода 'воды была решена Скидмором, Оуингсом и Мерриллом в их проекте для цирка округа Окленд-Аламеда [6.24], построенного в <1967 г. с пролётом 128 м. В этой конструк- ции дождевая вода откачивалась с крыши, если ее накаплива- лось более 160 тыс. галлонов. Излишек выливался на пол .аре- ны, чтобы предохранить конструкцию от обрушения.: Тросы были ужесточены бетонными ребрами и гипсовым слоем покрытия крыши. К периоду 1953—'1963 гг. относятся также и три известных сооружения с висячими конструкциями крыш с параллельными тросами. Одно из них —крытый плавательный бассейн в Вуппер-- тале (ФРГ). Конструкция кровли в виде перевернутого свода из легкого железобетона имеет пролёт .65 м. Тросы, 'закреплены к наклоненным внутрь бетонным опорам для скамей зрителей. Здание было спроектировано муниципальным архитектором г. Вупперталя, инженерами-конструкторами были Фриц Леон- гардт и В. Андра [6.25]. Покрытие здания аэропорта Даллеса в Вашингтоне (1962) также представляет собой перевернутый бетонный свод, вися- щий на наклоненных внутрь бетонных опорах. Архитектором был Е. Сааринен, а инженерами-конструкторами Амманн и Уитни [6.26]. Кровля, хоккейного зала Йельского университета, также за- проектированная Саариненом, имеет изогнутую . центральную седловину, от которой идут параллельные тросы, заанкеренные с обеих сторон в грунт. .Покрытая деревом крыша, сооружение которой было закончено в 1959 г., имеет пролет 56 м. Инжене- ром-конструктором был Фред Н. Северуд [6.26]. Наиболее известное сооружение с висячим покрытием в Ав- стралии—здание музыкальной арены Майер Мюзик Боул (рис. 109) — было построено в это же десятилетие. ; Большая часть висячих конструкций имеет бетонные кровли. Среди девяти описанных сооружений четыре имеют гибкие по- дрытия, четыре покрыты бетоном и одно гипсовое покрытие, ужесточенное бетоном. Разница между висячими конструкциями и ободочками из предварительно напряженного железобетона заключается скорее -в методах строительства, чем в характере работы конструкций.
Рис. 109. Музыкальная эстрада Сидней Майер в Мельбурне, Австралия. Навес площадью 3700 м2 из соединенных алюминиевыми элементами фанерных листов поддерживается на гибких тросах. Пролет 140 м. Сооружение было закончено в 1957 г. Архитекторы Янкен, братья Фримен, Гриффитс и Симпсон, инженеры — Ирвин и Джонсон С 1936 г. Дикерхофф и Видманн (см. разд. 6.3) использова- ли предварительно напряженные краевые элементы в цилиндри- ческих конструкциях оболочек. Крайние балки получают предаа-- рительное напряжение после твердения бетона, причем оболочка выгибается вверх, выходя из опалубки. Этим уравновешивается нагрузка (см. разд. 3.4), что увеличивает потенциально возмож- ный пролет. Кроме того, подъем конструкций при предваритель- ном напряжении облегчает распалубочные работы. Вслед за проектом Релей-арены здание с висячими конструк- циями было построено в Карлсруэ (ФРГ) в 195'3 г. [6.27]. Архи- тектор Е. Шеллинг предложил овальную плоскую седловидную кровлю с размерами по большой оси 73 м (что соответствует пролету несущих тросов) со стрелой прогиба 4,5 м, т. е. с уклоном 1 : 16. Было установлено, что гибкая висячая крыша будет про- гибаться на 500 мм вследствие снеговой нагрузки и на ±300 мм от ветровой нагрузки. Поэтому проект был -изменен и введена конструкция предварительно напряженной седловидной железо- бетонной кровли толщиной 58 мм. Прогиб от нагрузки был со- кращен до 20 мм. В таком виде по проекту Дикерхоффа и Вид- манна сооружение было построено. За Шварцвальдхалле последовали другие сооружения с желе- зобетонными вогнутыми крышами, некоторые из которых в виде сводов типа гиперболического параболоида с прямолинейными крайними балками. ' 180 "
Необычный овод типа гиперболического параболоида с пред- варительно напряженными конструкциями был использован;для перекрытия павильона фирмы Филлипс на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г., спроектированного И. Ксенакисом и Ле Корбюзье [6.28]. Пролет этой конструкции был небольшим, но. его сложное по форме покрытие, состоящее из нескольких высо- ко поднимающихся оболочек в виде гиперболического параболе-. ида, создавало трудности в расчете конструкций и.их возведе- нии. Относительно эстетических достоинств павильона мнения разделились, но мало кто . отрицал, что сооружение такой кон- струкции было инженерным подвигом. Оболочка состояла из сборных железобетонных плит толщи- ной 50 мм и была смонтирована с предварительно напряженны- ми тросами, расположенными с наружной стороны. Расчет кон- струкций, выполненный К- Г. И. Вреденбургом, сопровождался; испытанием двух моделей (см. разд. 5.2), проведенным в Делфт- ском техническом университете А. Л. Боумой. Пластмассовая, модель использовалась для проверки напряжений во всей кон- струкции, а фанерная модель с предварительно напряженной' арматурой — для проверки методов строительства. После окон-' чания выставки павильон был. разобран.. . . г Рассмотренные висячие конструкции были образованы пере- секающимися тросами. Большая часть конструктивных форм, знакомых по сводчатым конструкциям, может быть рассчитана как висячая конструкция. Могут быть выполнены конструкции в форме гиперболического параболоида, купола и цилиндрического свода, хотя последние, два вида .должны быть перевернутыми. .. Другим и более старым .методом является использование для', оболочек тканей или кожи..Тенты, сделанные из кожи животных/ использовались кочевниками еще в доисторические времена. Тканевые навесы также имеют древнюю историю. В ряде источ- ников указывается, что в Древнем Риме некоторые театры на от* крытом воздухе имели тканевые навесы. Для '.римского Колизея потребовалось бы перекрытие пролета минимум 60 м. В более позднее время цирки также имели тканевое покрытие, закрываю- щее большую по площади арену и места зрителей на. несколько сот человек. Древние приемы строительства тентовых покрытий зданий были систематически изучены Фреем Отто и в 1954 г. опублико- ваны в книге [6.29]. В 1955 г. Отто построил в ФРГ ряд неболь- ших сооружений такого типа, которые с Каждым следующим зданием увеличивались по размерам и становились значительнее, •' . Ф.рей Отто и Рольф Гатборд получили первую премию на кон- курсе в 1965 г. за проект павильона ФРГ на Всемирной выставке 1967 г. вч Монреале [6.30]. Они предложили подвесную конструк- цию тентового типа с восемью опорами, настолько сложную по .форме,- что даже трудно определить., размер наибольшего проле- та в чистоте. Она состояла из сетки с квадратными ячейками, по- 181
крытой полупрозрачной синтетической тканью. Тент был закреп- лен к грунту в 31 точке по периметру и перекрывал площадь 8 тыс. м2. Расчет конструкций был выполнен 'Фрицем Лешгард- том, который испытал модель конструкции на статические на- грузки и в аэродинамической трубе в университете г. Штутгарта. Отто рассчитал и подвесную сеть седловидного типа с полу- прозрачным акриловым покрытием гимнастической арены для' олимпийских игр в Мюнхене 1972 г. [6.31] с максимальным про- летом 135 м. Он также спроектировал два сооружения того же типа с меньшими пролетами для олимпийского стадиона и олим- пийского плавательного бассейна. Конструкторами-консультанта- ми были Леонгардт и Андра. Важным аспектом этих проектов было определение формы, получаемой в результате натяжения канатов. Эта задача была выполнена с помощью ЭВМ и форма конструкции была вычерчена с помощью графопостроителя. Хотя целый ряд весьма примечательных сооружений был по- строен с применением висячих конструкций, в целом они не оп- равдали надежд, связанных с ними в 60-х годах. Висячие тро- совые конструкции и мембраны не нашли широкого применения в покрытиях зданий и наиболее большими по пролетам конструк- циями остались купола из железобетона и стали (см. разд. 6.3 и 6.6). 6.8. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ В 1917 г. Ф. У. Ланчестер, построивший в 1896 г. первый английский автомобиль, зарегистрировал в Англии патент № 119339 на конструкцию армейского полевого госпиталя, в ко- тором описана его идея поддерживаемой воздухом конструкции: «Настоящее изобретение имеет своим предметом способ проектирования и возведения тентовых большеразмерных конструкций без использования опор или каких-либо других поддерживающих элементов. Настоящее изобретение представляет собой конструкцию из ткани, в ко- торой используется резиновая оболочка или другой малопроницаемый для воздуха материал. Конструкция ставится в рабочее положение посредством повышения давления под оболочкой, для чего в ней предусмотрен один (или более) воздушный клапан. Верхняя часть конструкции должна быть тщательно разложена, а ниж- няя часть, если необходимо, загружена балластом. Пространство под оболоч- кой заполняется воздухом с ограниченным давлением при помощи центробеж- ного воздушного насоса, который распрямляет оболочку сегментной формы, замыкаемой торцовыми частями, близкими по форме к стене здания. Крайние элементы, вначале загнутые внутрь под лежащую на нем свернутую оболочку, теперь образуют преграду воздуху со стороны грунта. Здесь при необходимо- сти кладутся мешки с песком, чтобы обеспечить лучший контакт с землей и свести к минимуму утечку воздуха. Одна или несколько дверей в виде воз- душных клапанов устраиваются, как описано далее, в тех местах, где это нужно в зависимости от назначения оболочки. Технология возведения оболоч- ки в отношении крепления тросов, создания из них сетки, усиления отдельных частей арматурой и т. д. может следовать тем хорошо известным методам, которые в настоящее время используются в дирижаблестроении». — 182 —
Двадцать лет спустя, в 1938 в., Ланчестер был приглашен для чтения лекции в Манчестерской Ассоциации инженеров. Он предпочел говорить о перекрытиях вообще и о пневматических конструкциях в частности [6.48]. Старого ученого выслушали с учтивым вниманием к гостю, 'который имел выдающиеся успехи в автомобильной и авиационной промышленности (я присутство- вал на этой встрече), но мало кто из слушателей воспринял его высказывания серьезно. Ланчестер описал предложение по кон- струкциям полусферического купола диаметром 427 м, что почти вдвое превышало размеры крупнейших куполов, существовав- ших до 197'5 г. В эскизе, предложенном к описанию, основание купола было декорировано и имело классические колонны. Ланчестер отверг аргументы, что здание такого размера, под- держиваемое давлением воздуха, может рухнуть в случае выхо- да из строя насоса и что имеется большая опасность сильного пожара в случае воспламенения оболочки. В ретроспективе его уверенность в отношении первого утверждения была правильной. Излишнее давление, требуемое внутри сооружения, весьма не- велико и на случай выхода .из строя основного .компрессора мощ- но иметь дополнительную установку. Имеются и огнестойкие ткани, но сопротивление оболочки огню и механическому повре- ждению остается проблемой. . . В 1946 г. У. Бёрд, в то время руководитель лаборатории аэронавтики Корпель'ского университета, проводил эксперименты с пневматическими конструкциями оболочек для покрытия при- боров Американской линии раннего предупреждения, которая проходит через Северную Канаду и Аляску южнее Полярного круга. Эти купола имели диаметр 64 м. Несмотря на сильные ветры, доходящие до 240 км/ч, они служили удовлетворительно с избыточным давлением воздуха всего 70 мм водяного столба (685 Па), что соответствовало 6,8хИ0~3 атмосферы или увеличе- нию внутреннего давления на 7% по сравнению с давлением наружного воздуха. Эти цифры весьма близки к данным, пред- сказанным Ланчестером [6.49]. В 19'56 г. Бёрд и ряд его коллег образовали компанию по организации специализированного производства пневматических конструкций, которые с успехом позволяли перекрывать откры- тые плавательные бассейны, делая возможным пользование ими в.’зимнее время, и временные сборочные цеха заводов или. склад- ские помещения. J Позднее этот метод был найден целесообразным для строи- тельства временных помещений для школ и больничных палат, пока не подготовлены постоянные помещения. После этого пнев- матические конструкции снимались, и могли быть использованы в других местах. В 1959 г. архитектор Карл Кох с помощью инженера-консуль- танта Пауля ВейДлингера спроектировал пневматическую крышу для театра Бостонского Центра искусств (рис. ПО). — 183 -
Рис. ПО. Конструкция крыши театра Бостонского Центра Искусств, Бостон, штат Мас- сачусетс. Из-за недостатка средств напрашивалось решение с тентовым покрытием, но такое покрытие не могло перекрыть достаточно большую площадь без промежуточных колонн. Крыша состоит из наполненного воздухом расширяющегося к центру диска диа- метром 44 м. Конструкция была спроектирована и построена Бёрдом в 1959 г. [6.49] Рис. 111. Купол для школы Наррабин Норт в Сиднее, Австралия. После того, как бетон достаточно затвердел, надутая оболочка, служившая опалубкой, была снята и убрана для дальнейшего использования. Необходимые проемы для дверей и окон были прорезаны в бетоне. Изоляционный слой затем наносился набрызгом как сна- ружи, так и с внутренней стороны бетонной стены для придания оболочке жесткости и достаточных изоляционных свойств. Водозащитное покрытие было нанесено также набрызгом поверх изоляционного слоя. До нанесения изоляционного слоя оболочка бы- ла чувствительна к температурным изменениям
Наиболее преданным сторонником пневматических конструк- ций в 60-х годах был Фрей Отто. Его книга по этому вопросу, опубликованная в ФРГ в 1962 г. и в Англии в 1967 г. [6.50, т. 1], содержала маюсу новых идей, но мало фактического материала. Отто защищал идеи использования пневматических конструкций для создания большепролетных куполов для резервуаров для жидкостей и других сооружений. Иене Пол [6.33] предложил идею сооружения многоэтажных зданий, поддерживаемых не- большим внутренним избыточным давлением воздуха. Пневматические конструкции становятся архитектурной темой на Всемирной выставке 1970 г. в Осаке, подобно висячим кон- струкциям на Брюссельской выставке в 1958 г. На ней был по- строен ряд разнообразных изобретательных пневматических кон- струкций [6.32, 6.51], из которых наиболее крупным был павиль- он США. Пространство павильона овальной формы в плане было заглублено ниже уровня земли, а сверху покрыто тканью, обра- ботанной винилом. Овал имел размеры по большой оси 140 м,- по малой оси — 80 м. Для этой конструкции требовалось избы- точное давление 5 фунтов на кв. фут (240 Па) или 0,23% свыше внешнего давления. Эта конструкция до сих пор самая больше- пролетная. Пневматическая конструкция поддерживается за счет неболь- шого избыточного давления внутри помещения, достаточного для поддержания массы оболочки крыши. Эта часть конструкции должна быть самоуравновешивающейся. Однако дополнительное давление требуется и для противодействия давлению ветра, а в районах с холодным климатом — снеговой нагрузке. ’Когда снега нет и ветер создает отсос оболочки, избыточное внутрен- нее давление вызывает растяжение в ней, которое может ограни- чить размеры перекрываемого пространства. Характер динами-, ческого воздействия на большепролетные .конструкции пока еще полностью не исследован. Это ограничивает выбор пролета, хотя в настоящее время существуют потенциальные возможности соз- дания оболочек больших размеров, чем ,это может потребоваться (см. разд. 6.9). 'Воздухоопорные оболочки находят применение также на строительной площадке. В течение многих лет предпринимались безуспешные попытки бетонировать купола, используя надувные оболочки в качестве опалубки. Такая идея была весьма привле- кательна, так как опалубка могла быть дешевой и многократно применяемой. Однако оказалось невозможным формовать боль- шеразмерный бетонный купол на оболочке, поддерживаемой небольшим давлением воздуха, или наносить бетон, не нарушив форму оболочки из-за неравномерного распределения бетона, в результате чего купол неизбежно получает неправильную форму. В 60-х годах итальянский архитектор Данте Бини решил эту проблему, бетонируя купол на земле по тщательно разложенной неопреновой оболочке и затем поднимая ее (с сырым бетоном) — 1§5 —
с помощью слабого давления воздуха. Для этого использовались электрические насосы со шлангами, пропущенными под разло- женной на земле оболочкой. Бетон был .армирован проволокой, которая натягивалась в процессе подъема оболочки и регулиро- вала форму купола (рис. 111). Средняя толщина бетона была всего 40—70 мм. Более сорока куполов для различных целей с пролетами до 36 м было построено таким способом. 6.9. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЛЕТА Восхищение огромными объектами является древней тради- цией. Семь чудес света были знамениты благодаря их громад- ным размерам, а не красоте (см. [1.1], разд. 3.1). Такое отноше- ние к размерам осталось и до сего времени. В XVIII в. архитек- торы преодолевали огромные расстояния по скверным дорогам, чтобы увидеть здания, знаменитые величиной или перекрывае- мыми пролетами. В разд. 4.13 отмечалось, что высота зданий определяется в большей степени соответствием коммуникаций, чем технологией строительства. Это также относится и к пролетам. В Г23 г. и. э. римляне построили Пантеон (см. [1.1], разд. 3.9) пролетом 43 м. Это достижение было наивысшим в течение 1700 лет. В XIX в. это достижение было превышено бо- лее чем вдвое в сооружении с использованием Стальных кон- струкций. «Галерея машин» (см. разд. 3.3), построенная в 1889 г., имела пролет 113 м. В XX 1в. большепролетные конструкции строились из железобетона (см. разд. 6.2 и 6.5), что было своего рода возвращением к каменным конструкциям, причем до 50-х годов пролеты не первышали 100 м. Выставочный зал Нацио- нального центра индустрии и техники в Париже, построенный в 1958 г. (см. рис. 91), имел пролет 219 м и до 1974 г. не было со- оружения с большим пролетом. Значительно снизилось требуемое количество материала для конструкций (табл. 2). Купол собора Св. Павла в Лондоне, обыч- но считаемый наиболее легким из большепролетных куполов, построенных из традиционных материалов, имел толщину кир- пичной кладки 450 мм. Общая толщина его конструкции с уче- том конусообразного фонаря на верху купола и деревянной кры- ши составляла 900 мм. При этом отношение пролета к толщине конструкций равно 37, что в три раза лучше, чем у Пантеона. В современных железобетонных оболочках со сравнимыми размерами пролетов толщина их может быть уменьшена до 90 мм, так что отношение пролета к толщине становится меньше, чем у яйца. В оболочках из предварительно напряженного желе- зобетона толщина может быть уменьшена до 60 мм, а в пневма- тических конструкциях толщина оболочки может составлять 2—3 мм. — 186 -
Таблица- 2 Год окон- чания строитель- ства Наименование объекта, тип крыши,- библиография Пролет м Средняя тол- щина оболочки или толщина двойной обо- лочки Отношение пролета к толщине Большое куриное яйцо 0,04 0,3 130 123 Пантеон в Риме. Бетонный ку- пол, облегченный арками [1.1] Флорентийский собор. Двух- слойный купол из камня и кир- пича [1.1] 44 4000 11 1434 — — 1710 Собор Св. Павла в Лондоне. Кирпичный купол с кирпичным конусом и деревянной крышей [1-1] 33 900 37 1924 Планетарий в Иене, ГДР. Же- лезобетонный купол (разд. 6.3) 25 60 420 1927 Крытый рынок. Лейпциг, ГДР. Ребристый железобетонный ку- пол (разд. 6.3) 66 95 700 1953 Шварцвальдхалле. Карлсруэ, ФРГ. Бетонный седловидный свод с предварительно напря- женной арматурой (разд. 6.7) 1958 Выставочный зал Националь- ного центра индустрии и тех- ники в Париже. Двухслойный железобетонный свод (рис. 6.17) 219 120 1800 1946 Станции раннего обнаружения для Северной Канады. Тенто- вый пневматический купол (разд. 6.8) 64 3 20000 Трудно сравнивать стоимость старых и новых зданий. Одна- ко масса использованных материалов может дать некоторое представление о стоимости, если мы сравним древние бетонные и каменные постройки с современными железобетонными. Оче- видно, что произошло значительное снижение массы. Для больших пролетов используются двойные оболочки, они лучше, чем одинарные, воспринимают изгибающие усилия, и две бетонные оболочки толщиной 60 'мм могут позволить перекрыть пролет более 220 м. Подобные соображения относятся и к метал- лическим и пневматическим 'конструкциям. При современном состоянии строительной техники представляется возможным перекрытие пролетов до 300 м. Бакминстер Фуллер [6.34] разработал предложения по соз- данию геодезического купола с искусственным климатом с диа-. метром 3220 м для покрытия района Манхэттен. Без детального анализа нельзя сказать, возможно ли осуществить эту идею, од- нако сомнительно, может ли такая конструкция дать полезный — 187 —
эффект, соразмерный с ее стоимостью, большинство зданий мо- жет быть оснащено кондиционерами воздуха, то же можно ска- зать о транспортных средствах., Коммуникации между зданиями могут быть, организованы более легко посредством подземных или навесных переходов. Такое устройство уже применяется в. центре Монреаля и в города^ Сибири,.где зимние температуры могут быть чрезвычайно'низкими... Также под вопросом остается целесообразность возведения отдельных зданий с чрезмерно большими пролетами. Собор Свя- той Софии и Голубая мечеть в Стамбуле, Собор Св. Петра в Риме и Флорентийский собор производят внушительное впечат- ление своими громадными размерами, но Bice они еще несут в себе связь с человеческим масштабом. Выставочный зал Нацио- нального центра индустрии и, промышленности в Париже, когда он пуст, выглядит слишком большим для человека, и несколько колонн не помешали бы размещению экспонатов. Лучшее применение находят большепролетные конструкции для сооружения спортивных арен, но стоит отметить, что Астро- дум в Хьюстоне (см. разд. 6.6) имеет местную телевизионную сеть с телеприемниками среди зрительских мест,, чтобы люди могли более ясно видеть, что происходит на поле. Можно опро- сить, не лучше ли тогда сидеть дома и наблюдать за игрой в более уютном помещении по цветному телевизору со значительно большим экраном. Кроме того, сбор одновременно 60 тыс. чело- век в одно большое здание требует огромного пространства для стоянок машин и организации подъездных путей, и пока ещё нет удовлетворительного решения планировки таких пространств и транспортировки таких больших масс людей. Возможно, придет время, когда спортивные арены будут уменьшаться в размерах, а не увеличиваться. Мы дошли до поворотного пункта. Криволинейные конструк- ции были популярны в конце 50-х и начале 60-х годов. Совре- менный стиль архитектуры становится общепринятым и боль- шинство новых зданий представляет собой прямоугольные объе- мы. Архитекторы и их заказчики искали альтернативу и нахо- дили ее в бетонных оболочках и .затем в сложных стальных кон- струкциях. При этом быстро увеличивались пролеты, В 60-х годах стремление к перекрыванию все больших пролё- тов прекратилось. Основное внимание было перенесено на созда- ние наилучших условий внутри здания и около него. Высшей целью стало создание зданий с удобными интерьерами, стоящих в прекрасных или, по крайней мере, в улучшенных условиях го- родского ландшафта.
7. ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, ВОДОСНАБЖЕНИЕ И КАНАЛИЗАЦИЯ Если бы основатель нашей стра- ны, Джордж Вашингтон, был вос- крешен завтра и ему сказали бы, что американцы сегодня тратят два миллиона долларов ежегодно на ги- гиенические цели, он воскликнул бы: «Что же сделало их такими гряз- ными?!» Уилл Роджерс Эта глава посвящена четырем связанным между собой про- блемам, которые были причиной конфронтации строителей и ад- министраторов в городах средневековья и эпохи Возрождения.: пожарная безопасность, обеспечение достаточного водоснабже- ния, здравоохранение и канализация. В XVII—XVIII вв. был достигнут некоторый прогресс в реше- нии этих вопросов, но наиболее важные достижения относятся ко второй половине XIX в., обычно называемой Викторианской эрой. Это была эра великих открытий в технике и медицине. Концепции этого периода по поводу огнестойкого строитель- ства изменили подход к проектированию 'конструкций. Введение водоснабжения и канализации сделало ванные комнаты и кухни наиболее дорогостоящими частями дома и это изменило уклад жизни людей. 7.1. ПОЖАРЫ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ Пожары в наше время не уносят столько жизней, как авто- мобильные катастрофы или домашние несчастные случаи, такие, как падения и отравления [7.2], однако они более разрушитель- ны и опасны, чем повреждения конструкций. Как и другие не- счастные случаи, пожары происходят главным образом по вине людей. Большинство пожаров зарегистрировано в период време- ни между 10 утра и И часами вечера, когда люди обычно не спят и чем-то заняты [7.1]. Большинство этих пожаров незначи- тельны и возникают в частных домах, но вместе взятые они дают более высокую цифру человеческих жертв и материальных по- терь, чем широко известные большие пожары в общественных зданиях. Значительно больше пожаров, чем в Европе, отмечалось в США. По отношению к численности населения количество по- жаров здесь почти в четыре раза больше, чем в Англии [7.1]; потребление энергии на душу населения также примерно в четы- ре раза выше [7.1]. Таким образом, продолжающее оставаться большим число пожаров в современном мире, по крайней мере* отчасти обязано появлению новых источников энергии, которые создают дополнительную опасность возникновения пожара. — 189 —
Материальные потери й человеческие жертвы от больших по- жаров также остаются объектом тревоги. Древние и средневе- ковые историки часто отмечали гибель от пожаров целых горо- дов, но в прошлом города были небольших размеров, за исклю- чением Древнего Рима, поэтому полное разрушение от пожара Лугдума (теперь Лион во Франции) в 59 г. н. э. принесло мень- ше ущерба, чем пожар части Рима в 64 г. н. э. (см. [1.1], разд. 3.8). Пожары в большей части Лондона в 798 г., затем в 982 г. и опять в 1212 г. привели к разрушению меньшего числа зданий, чем Большой пожар 1666 г. (см. *[1.1], разд. 7.9), по- скольку Лондон к этому времени значительно вырос. Человеческие жертвы обычно были не очень велики при боль- ших пожарах, которые начинались как небольшие, местные по- жары и только постепенно превращались в огромные бедствия. Так, в Большом пожаре в Лондоне погибло только шесть чело- век. К серьезным человеческим жертвам приводят пожары в за- полненных людьми театрах с недостаточно хорошо организован- ными выходами. Около 750 человек погибло в огне при пожаре в городском театре Вены в 1881 г. Большие человеческие жерт- вы были также при пожарах, возникающих в результате естест- венных катастроф или военных действий. В Сан-Франциско при пожарах, возникших в результате землетрясения 8 апреля 1906 г., погибло около 700 человек. Землетрясение в Токио 1 сен- тября 1923 г. создало буквально огненный шторм, в котором погибло до 143 тыс. человек. Жертвами моря огня после воздуш- ной бомбардировки Дрездена в 1945 г. стали 35 тыс. человек, а от взрыва атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму в том же году, погибло 75 тыс. человек [7.7]. • Достоверных данных об убытках, причинявшихся пожарами в древние времена и в средние века, нет, но в наше время потери От некоторых пожаров исчисляются значительными суммами. Так, пожар в крытом базаре в Стамбуле 27 ноября 1954 г. принес убытки в 178 млн. долл., а при пожаре в торговом центре в Ил- форде, пригороде Лондона, 16 марта 1959 г. погибло имущество на сумму около 15 млн. фунтов стерлингов [7.7]. Последствия пожаров оказывали влияние на проектирование зданий и организацию противопожарной службы. Большой по- жар в Риме в 64 г. н. э. привел к появлению новых правил для огнестойких конструкций. После Большого пожара в Лондоне в 1666 г. страховыми компаниями были организованы (первые по- жарные команды, сначала в Лондоне, а затем в других европей- ских городах. В 1824 г. Эдинбург стал первым английским городом, в кото- ром независимые друг от друга пожарные команды (которых в то время было 12) были объединены. Но до того, как новая организация утвердилась, 15 ноября того же года возник пожар в книжном магазине на Хай-стрит. Пожар распространился на высокие здания средневековой части города, некоторые из кото- — 190 —
рых имели высоту до 12 этажей. Оттуда ветер перенес пламя на площадь Парламента и церковь. Подача воды кончилась, а- противоречивые распоряжения мешали организованной борьбе с огнем. Проливной дождь 17 ноября спас город. После этого несчастья было проведено уточнение правил, определяющих координацию действий пожарных, полиции, городских властей и владельцев собственности в случае пожара [7.18]. В 1832 г. страховые ‘компании Лондона объединили свои по- жарные команды в единую службу, во главе которой был по- ставлен Джеймс Брейдвуд, бывший ранее первым начальником объединенной пожарной службы Эдинбурга. В 1834 г. возник пожар в старом Вестминстерском дворце, месте заседаний пар- ламента, и помещения Палаты представителей и Палаты лордов, были уничтожены огнем. Брейдвуд смог спасти только средне-, вековый Вестминстерский зал. Хотя этот пожар был небольшим по сравнению с другими, упоминавшимися в этом разделе, пос- ле него было обращено внимание на необходимость создания хорошо организованных и хорошо оборудованных пожарных команд1. 16 декабря 1835 г. в Нью-Йорке пожар привел к разрушению 530 зданий в деловой части города. Борьба с огнем была чрез- вычайно осложнена нехваткой воды и это послужило толчком к началу строительства акведука Олд Кротон [7.19], первого со- временного водопровода, сравнимого по значению с римскими акведуками. В 1861 г. произошел пожар, охвативший Котонскую пристань и прилегающие части Лондона. После этого в 1863 г. появился Акт о городских пожарных службах. Два больших пожара начались 8 октября 1871 г. на Среднем Западе. Более разрушительным оказался пожар в Пештиго в штате Висконсин, опустошивший 17 небольших городов и по- влекший 1052 смертных случая среди населения. Неделей рань- ше пожаром была разрушена телеграфная линия и сообщение о пожаре достигло внешнего мира только два дня спустя, когда, суда прибыли на Зеленый Мыс. К этому времени газеты были заняты сообщениями о Большом пожаре в Чикаго 7 октября. Контроль над огнем был достигнут в 3 ч 30 мин на следующий день, когда четыре городских квартала были почти полностью уничтожены. Пожар, который начался около 8 ч 30 мин в тот же день, казался сначала небольшим по сравнению с первым. След- ствием было установлено, что пожар начался в хлеве в заднем дворе крытого деревянной щепой дома рабочего на участке разме- ром 30x7,5 м, окруженного другими деревянными домами. В большинстве отчетов утверждалось, что корова сбила ногой керосиновую лампу, отчего загорелась солома [7.6]. Сначала с огнем боролись лишь члены семьи владельца хлева и его соседи и до 9 ч 40 мин не было поднято надлежащей тревоги. Пожар- ный персонал был уставшим от борьбы с первым пожаром, а цо- - 191 —
жарные машины приводились в действие медленно. Несколько мощных паровых насосов оказались неспособными справиться с пламенем, которое разносилось сильным ветром со скоростью, по замерам метеорологической службы США, 27 м/с. Раздувае- мый ветром огонь распространился на деревянное здание мага- зина и газовый завод. К часу дня 9 октября огонь вышел из-под контроля и начали гореть здания, которые считались несгорае- мыми. В 3 ч горящий кусок дерева, по свидетельствам очевидцев, длиной 3,6 м, пробил крышу водопроводной станции, которая обеспечивала водоснабжение всего города. Крыша этого камен- ного здания, незадолго до пожара покрытая гонтом, была заме- нена шиферной, чтобы сделать здание более огнестойким. Одна- ко пробившая крышу горящая головня подожгла деревянную конструкцию и водопроводная станция была охвачена огнем и разрушена. Водонапорная башня осталась единственным сохра- нившимся до сих пор сооружением (см. рис. 59, на переднем плане здание с зубчатыми башнями). 9 октября прибыли допол- нительные пожарные машины из Милуоки, сменилось направле- ние ветра, ак 11ч утра пошел дождь. 10 октября огонь угас. Пожар в Чикаго имел далеко идущие последствия для архи- тектурного проектирования, так как на проектировщиков ложи- лась ответственность за реконструкцию зданий города с учетом пожарной опасности (см. разд. 2.6). Необходимость улучшения защиты от огня стальных карка- сов выявилась впервые при пожаре в Балтиморе в 1904 г., когда (было разрушено 80 городских кварталов, и еще раз при пожаре, последовавшем после землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г. 1[3.7]. Уже упоминавшийся пожар в Венском городском театре вызвал введение норм на мероприятия по пожарной безопасно- сти и по обеспечению выходов из общественных зданий. Нормы стали еще более строгими после того, как в чикагском театре при пожаре погибло,602 человека, поскольку большинство выхо- дов было закрыто. Эти нормы не всегда в достаточной мере выполнялись, осо- бенно в небольших ресторанах и ночных клубах. 14 ноября 1942 г. во время пожара в ночном клубе в Бостоне погибло 6 че- ловек, что привело к появлению распоряжения о контроле всех подобных заведений. 20 ноября была проведена инспекция клуба Коконат Гроув. Инспектор установил, что условия в клубе удо- влетворительны и выходы соответствуют требованиям. Впослед- ствии на расследовании он заявил, что пытался поджечь искус- ственные пальмовые деревья и абажуры из кокосовых орехов и нашел их невоспламеняемыми. Клуб был зарегистрирован с вме- стимостью 500 посетителей, но в ночь 28 ноября в нем собралось 1000 человек [7.4]. Один из гостей выкрутил лампочку, чтобы приглушить освещение. Служащий клуба пытался ввернуть ее обратно и так как он не видел арматуру в темноте, то зажег 192 -
г I i. .. спичку. От огня -спички вспыхнула искусственная пальма и -пла- мя быстро распространилось по покрытым материей стенам. I . Од.-, д дверь на улицу оказалась закрытой, чтобы предотвратить i уход гостей без уплаты по счету. Крутящаяся дверь, зажатая ) людьми между ее створками и давящей на нее толпой практи- чески была блокирована. Большинство из 493 человек, погиб- ших в огне, умерли от ядовитых газов менее чем за четверть часа. Несмотря на широкую информацию об этих инцидентах, по- j добные случаи имели место и после этого. Один из последних J (ко времени написания данной книги) случаев произошел в но- ябре 1970 г. -в танцевальном зале Синг-Септ в маленьком фран- цузском городке Сент Лорен-дю-Пон. В зале не было окон. Входная дверь имела турникет, который управлялся педалью у кассира. Четыре других -входа были закрыты, В помещении не было аварийного освещения, не было и телефона. Пожарный гидрант не был подсоединен к водопроводу. По неустановленной причине загорелось кресло. От этого воспламенились сиденья ! из пенопласта, и огонь распространился на -стены, которые бы- ' ли покрыты пенопластом, имитирующим пещеру. Большинство i из 146 погибших умерло в течение 5 мин, I Пластики были также основной причиной пожара в Самер- i лендском комплексе отдыха, рассчитанном на 5 тыс. человек, на ( острове Мэн у западного берега Англии. Он был совершенно | уничтожен пожаром 2 августа 1973 г. Погибло 50 человек [7.5]. I Пожар начался из-за того, что три школьника, как они потом заявили, бросили непотушенную сигарету. Воспламенился фи- I бергласовый киоск и огонь перебросился на обшивку стального | листа, который служил задней стенкой. Из-за высокой теплопро- 1 водности металла -из обшивки быстро начали испаряться горю- чие газы, а затем огонь проник между металлическим листом и фибровой обшивкой. В течение 10 мин значительное количество горящих газов было выброшено в сторону увеселительной арка- ды и огонь охватил весь комплекс, в котором было множество элементов из акрилового пластика. 7.2. ОГНЕСТОЙКИЕ КОНСТРУКЦИИ Пожар может вызвать тяжелые последствия по двум совер- шенно различным причинам. Огонь, воспламенив ряд конструк- тивных или отделочных материалов, может вызвать повышение температуры, появление дыма и ядовитых паров, которые могут стать причиной гибели людей. От здания, охваченного огнем, мо- гут загореться другие здания. Кроме того, огонь может вызвать ослабление конструктивных элементов до такого состояния, что здание обрушится, что может привести к тяжелым инцидентам, особенно с пожарным персоналом, повредить соседние здания и т. п. (рис. 112). 7 Зак. 887 — J9?
Рис. 112. Обрушение стены универмага Бакинхэм в Сиднее, Австралия, в 1968 г. Здание разрушилось после того, как был разведен огонь для сжигания мусора. От него загоре- лись сложенные деревянные предметы. Жар был настолько велик, что пожарные маши- ны пришлось убрать с противоположной стороны улицы; пострадали три этажа гостини- цы стоявшей через дорогу. Этот тип обрушения особенно опасен в зданиях с каменными стенами и деревянными перекрытиями. Каменные стены обычно обрушиваются, когда сдерживающие их перекрытия уничтожаются огнем Ряд положений относительно конструкций огнестойких пере- крытий, 'применявшихся в конце XVIII и в XIX в., упоминался в разд. 2.6 и 2.7 (см. рис. 10—15). Одним из методов, используе- мых в попытке сделать деревянные конструкции невоспламеняе- мыми, является окраска их специальной жидкостью, затвердева- ющей при высыхании. Эти меры применялись еще в Древнем Риме, где для повышения огнестойкости штурмовых орудий и защиты их от горящих головней, бросаемых защищающимися, использовались квасцы. Наиболее употребительным составом такого рода в XVIII в. была так называемая «жидкость для де- рева», которая при некоторых вариантах в основном состояла из квасцов, буры и сульфидов железа. Другим способом предохранения дерева было покрытие его штукатуркой из смеси глины, песка, а иногда и алебастра, арми- рованной волосом или нарубленным сеном. В дополнение к это- му или вместо этого дерево защищалось чугунными противопо- жарными листами. - 1Н -
Рис. ИЗ. Огнестойкие перекрытия Фокса и Баррета, состоящие из балок (ковкий чу- гун G), по нижним полкам которых были проложены грубо обработанные доски f. Затем сверху заливался бетон. Нижняя поверхность покрывалась штукатуркой Рис. 114. Система Хорнблауэра, описанная в 1887 г. как новая современная огнестойкая конструкция А — пустоты в блоках обожженной глины; В — трубы из того же материала, в которых проходили чугунные балки и заполненные бетоном на портландцементе (бетон также размещался между блоками и над ними); Р — штукатурка, наносимая на потолок сни- зу, для него нижняя часть керамических блоков имела рельефную поверхность [7.8] Наиболее действенным методом защиты здания от огня была замена деревянных досок несгораемыми покрытиями пола, состоящими из полых керамических блоков по кирпичным или бетонным аркам, и защита деревянных балок штукатуркой, же- лезом или тем и другим [1.1]. Следующим шагом в этом направ- лении была замена деревянных балок балками из литого чугу- на ‘[1.1]. Такие конструкции были несгораемыми, так как все материалы, используемые в них, не горели и не поддерживали горения, но не !были совершенно огнестойкими. Чугунные балки рушились, если подвергались воздействию высокой температуры. Ковкий чугун при температуре около 450° становился пластич- ным, т. е. постепенно прогибался до опасного уровня. Балки и колонны из литого чугуна обычно выдерживали температуру до 550° С без появления пластических деформаций (см. разд. 4.10), однако они могли обрушиться неожиданно при чрезмерном по- вышении температуры, при повреждении смежных частей кон- у* — 195 —
Рис. 115. Нормативные кривые температуры и времени, используемые в различных стра- нах для проведения огневых испытаний строительных элементов 1 — Австралия, Великобритания, Новая Зеландия; 2 — Бельгия, Дания, Финляндия, Франция, Нидерланды, Норвегия, Швеция, ФРГ; 3 — Канада, США; 4 — СССР; 5 — Ита- лия; 6 — Швейцария; 7 — Япония струкций или при резком охлаждении струей воды во время ту- шения пожара. В XIX в. противопожарная защита конструкций достигла сле- дующей стадии — чугун начали защищать от перегрева покры- тием штукатуркой, бетоном или пустотелой керамикой. Темпера- тура в горящем здании может достигать 1200° С (рис. 115) и за- щитный слой должен обеспечить изоляцию, достаточную для под- держания температуры металла на безопасном уровне. Третье издание популярной в Англии книги Ривингтона «Строительство зданий» [7.8], опубликованной в 1887 г., все еще — 196 —
приводит огнестойкую конструкцию Феарбейрна (см. рис. 13) и в дополнение несколько способов защиты от огня балок из ков- кого чугуна с помощью штукатурки (рис. 113 и 114), но железо- бетон не упоминается. В Северной Америке развитие строительства многоэтажных зданий вызывало особенно пристальное внимание к защите от огня чугунных, а позднее стальных конструкций (см. разд. 2.6; 4.2 и 4.12). Ранние методы покрытия колонн тонкими плитами с воздушной прослойкой между плитами и колонной при пожаре в Балтиморе ,в 1904 и в Сан-Франциско в 1906 г. (см. разд. 7.1) показали себя неудовлетворительными решениями [3.7]. В по- следующих решениях предусматривалась большая толщина за- щитного покрытия с расположением пустотелых плиток непо- средственно у колонн или гипсовое покрытие по металлической сетке. Американские проектировщики предпочитали легкие по- жарозащитные конструкции, в то время, как европейские сохра- няли тенденцию к защите металла тяжелым бетонным покрыти- ем толщиной 50 мм. В последние годы в Америке стальные эле- менты конструкций покрываются набрызгиваемой на них оболоч- кой из вермикулита или схожего с ним по свойствам изоляцион- ного материала. В других частях света более широко примени- мым материалом для многоэтажных зданий становится железо- бетон (см. разд. 4.12), по крайней мере, потому, что он не требу- ет дополнительной защиты от огня, поскольку защитный слой в нем (обычно 40 мм) достаточно надежен. 7.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ В 1893 г. молодой инженер Уилльям Меррилл был пригла- шен несколькими страховыми компаниями для проведения на Всемирной Колумбийской выставке в Чикаго инспекции огром- ной экспозиции, посвященной электрическому освещению. Мер- рилл заинтересовался вопросами пожарной опасности, связан- ными с электрическим оборудованием, и убедил страховые ком- пании финансировать создание специальной страховой лабора- тории, которая и была образована в 1894 г. в Чикаго. Эта орга- низация вначале проводила испытание электрооборудования, но вскоре построила пожарный полигон, где определялась степень огнестойкости различных видов конструкций. Хотя с тех пор научные работы в области пожарной безопасности получили оп- ределенное развитие [7.20], единственным надежным методом и теперь является проведение натурных огневых испытаний, которые, однако, требуют больших затрат. Архитектор Эдвин Сэчс проявил инициативу в учреждении Британского Комитета защиты от пожара (BFPC), который ор- ганизовал в Лондоне две лаборатории. Выпускаемые Комитетом «Публикации», известные позднее как «Красная книга», были — 197 —
приняты в качестве стандартов Для Степени огнестойкости раз- личного вида конструкций. Всего вышло 257 выпусков. В 1903 г. Комитет созвал Первый Международный Конгресс по противо- пожарной защите в Лондоне. Сэчс умер в 1920 г. и BFPC поте- рял свою активность. В 1938 г. Комитетом департамента пожар- ной охраны была организована новая испытательная станция в Борехамвуде *[7.21 ]. Когда пожар начинается в здании, в котором находится до- статочно много сгораемого материала, температура вначале не отличается от температуры окружающего воздуха. По мере раз- вития огня температура быстро поднимается и в течение 5 мин может достигнуть 5'00° С. В 1916 г. Лаборатория страховых ком- паний установила стандартную кривую подъема температуры для испытания колонн. В 1918 г. она была принята Американ- ским обществом испытаний строительных материалов как стан- дартная кривая температуры для испытания конструкций полов и стен. После этого схожие стандартные кривые подъема темпе- ратуры при пожаре были приняты и в других странах (см. рис. 115). Если температура при испытаниях не соответствует данным стандартной кривой, то результаты испытаний нельзя сравнивать с результатами других испытаний, так как конструк- ции могут вести себя совершенно различно при разных темпера- турах. К строительным элементам могут быть предъявлены требова- ния невоспламеняемости или огнестойкости. Степень огнестой- кости определяется временем, которое требуется для того, чтобы на другой стороне образца температура повысилась по опреде- ленного уровня, или для того, чтобы образовались трещины, . через которые может пройти пламя, или для разрушения об- разца. Понятие «огневая нагрузка» появилось впервые в США. Пер- вые нормы проведения огневых испытаний, разработанные в 1905 г. Национальным департаментом страхования от пожара в Нью-Йорке и впоследствии принятые с некоторыми вариация- ми строительными административными организациями многих городов, определяли продолжительность сопротивления огню (огнестойкость), требуемую для различных типов зданий, в пре- делах от 4 ч до 30 мин. Эти данные были основаны на наблюде- ниях над тем, как назначение здания влияет на продолжитель- ность пожара. Так, склад, наполненный сгораемыми товарами, будет гореть дольше, чем административное здание. В 1922 г. С. X. Ингберг из Национального Бюро стандартов построил модель конторы с мебелью и другими предметами, ха- рактерными для таких помещений. Он изучал как скорость распространения огня в таком помещении, так и продолжитель- ность пожара [7.9]. Последующие подобные испытания проводи- лись для помещений другого назначения. Продолжительность пожара (и соответственно требуемая огнестойкость конструкций — 198 —
в часах) зависит от количества сгораемого материала, приходя- щегося на единицу площади (огневая нагрузка, которая опреде- ляется как масса в фунтах или килограммах материала или ино- гда в единицах теплоты.— калориях или джоулях). Два понятия — огнестойкости, определяемой огневыми испы- таниями, и огневой нагрузки, зависящей от назначения здания или помещения и устанавливаемой испытаниями временем сго- рания, стали основой для учета противопожарных требований к проектированию. Война 1939—1945 гг. продемонстрировала гигантские мас- штабы разрушений, которые может принести огонь, и пределы, в которых его действие может быть ограничено соответствующи- ми мерами, закладываемыми в проекте. Большинство европей- ских стран, а также Австралия, Канада и Япония основали но- вые противопожарные научно-исследовательские организации для изучения огнестойкости различных строительных элементов., ' Кроме того, внимание уделялось действию дыма и газов, ко- торые зачастую вызывали больше несчастных случаев, чем высо- кая температура и прямое действие пламени. Особенное значение эта проблема приобретает в многоэтажных зданиях, из которых невозможно проводить эвакуацию при помощи наружных при- ставных пожарных лестниц, так как обычно их длина не превы- шает 44 м, что является одной из причин, по которой многие строительные нормы до 50-х годов нашего века ограничивали высоту зданий 50 м. Использование обычных лестниц жилого дома ограничено предельной физической нагрузкой при большой высоте зданий, но более серьезное ограничение связано с тем, что дым в тече- ние 5 мин может сделать использование лестниц невозможным [7.10]. Изучение скорости движения людей по лестницам, выпол- ненное Лондонским транспортным ведомством, подтвердило, что за исключением пятиминутного периода лестницы практически не могут служить средствами эвакуации для зданий выше 15 этажей. Общепризнано, что эвакуацию с этажа, на котором возник пожар, нельзя произвести при помощи лифта поскольку жар от огня может помешать закрытию дверей лифта и огонь распро- странится по лифтовой шахте. По вопросу о возможности исполь- зования лифтов для эвакуации остальных этажей мнения разде- лились [4.63, 7.22]. Естественным решением создания эвакуационного пути для многоэтажных зданий является устройство незадымляемой лест- ницы и поддержание незадымляемости проходов к ним посредст- вом организации подпора (избыточного давления) воздуха. На- иболее важным аспектом в вопросе пожарной безопасности та- ких зданий является обеспечение раннего обнаружения огня и его автоматического тушения. 199 —
7.4. БОРЬБА С ОГНЕМ В Древнем Риме была хорошо организованная пожарная служба, имевшая машины, которые могли направлять струю воды под давлением (см. [1.1], разд. 3.8). Во времена средневе- ковья тушение пожаров проводилось при помощи передававших- ся по цепочке людей ведер с водой. Лондонский Декрет 1189 г. требовал, чтобы у каждого дома в городе имелась лестница и бочка с водой, готовая к использованию в случае пожара. В Па- риже считалось необходимым иметь в домах специальные места для хранения ведер и лестниц. Пожарные машины с насосами, качающими воду по кожа- ным шлангам, обеспечивающими струю малого давления, ис- пользовались еще во время Большого пожара в Лондоне 1666 г. После пожара страховые компании организовали пожарные команды (см. [1.1], разд. 7.9), которые могли быстро прибыть на место, однако вначале они имели примитивное оборудование. Первой пожарной командой, имевшей более одной машины, была команда Страховой компании Королевского банка (1722 г.). В 20-х годах Ричард Ньюсхэм начал производство в Лондоне двухцилиндровых пожарных машин, которые могли посылать непрерывную струю воды с ровным давлением воды. В 1781 г. нью-йоркские городские власти заказали одну из таких машин. Машины, приводившиеся в действие вручную, имели весьма ограниченную мощность и поэтому требовали непомерно боль- шого числа обслуживающего персонала — для больших машин до 50 человек. Первая пожарная машина, действующая от па- рового двигателя, была построена в Америке в начале XIX в. [7.11]. Она обеспечивала струю воды мощностью 12,8 л/с на высоту 27 м. Вскоре появились паровые винтовые пожарные на- сосы. Мощность «паровиков» все увеличивалась и они использо- вались до 30-х годов XX в. Генерал А. П. Рокуэлл из Бостона, который писал статью о пожарах для 9-го тома Британской энциклопедии, опубликованного в 1879 г. [4.65], привел иллю- страцию типичного «паровика» своего времени, передвигаемого лошадьми (рис. 116). Шланги возились на отдельной конной по- возке вместе с лестницами (рис. 117). В 1876 г. [4.65] в Нью- Йорке было 56 паровых пожарных машин, в Лондоне — 26, в Париже — 5, а в Берлине все еще использовались пожарные машины с ручными насосами. Винтовые насосы впервые начали использоваться в 1904 г. В XVIII в. в пожарной службе применялись брезентовые шланги, ведра и секционные лестницы. В 1837 г. Абрахэм Уайвелл в Англии изобрел первую сборную пожарную лестницу, установленную на колесах. Рокуэлл описывает в своей статье о пожарах [4.65] «воздушную лестницу», которая при полном раз- двигании достигала высоты 30 м. Эту лестницу можно было пе- редвигать в рабочем состоянии и использовать как для тушения - 200
Рис. 116. Американская паровая пожарная машина (паровик), использовавшаяся в 70-е годы XIX в. Цилиндр машины имел диаметр 190 мм и рабочий ход 200 мм. Трубчатый бойлер обеспечивал мощность 500 циклов в минуту, создавая напор примерно 90 фунт/кв. дюйм (620 кНа). Машина массой 3600 кг перевозилась двумя лошадьми [4.65] пожара, так и для эвакуации людей из многоэтажных зданий. В настоящее время максимальная длина раздвижных пожарных лестниц обычно достигает 44 м. Автоматическая установка для тушения пожара была запа- тентована в Англии Амброузом Годфри в 1723 г. Она состояла из емкости и прикрепленного к ней цилиндра с порохом, от кото- рого шел запал. Огонь воспламенял запал и порох взрывался, давая выход воде к огню. Имеются свидетельства, что такое устройство погасило пожар в Лондоне 7 ноября 1729 г. [7.12]. В 1874 г. Генри С. Пармели изобрел разбрызгиватель (спринклер), удерживаемый в закрытом состоянии пружиной, которая отпускала клапан, когда звено А (рис. 118) плавилось. Фредерик Гринелл запатентовал в 1882 г., разбрызгиватель с чувствительным к высокой температуре элементом стеклянной емкости, который разрывался при определенной температуре, от- крывая путь струе воды. Имеются два типа головки спринклера. В автоматических системах разбрызгивания струя освобождает- ся только над площадью, где температура достигает критиче- ской точки, чтобы сократить до минимума повреждения от воды при небольшом огне. Часто система разбрызгивателей соединя- ется с автоматической системой тревоги, которая включается освобожденной струей воды внутри системы. — 201 —
Для оповещения о пожаре, пб крайней мере, со времен сред- невековья использовались колокола. Иногда для этой цели слу- жил церковный колокол, в звон которого вкладывался опреде- ленный сигнал, а иногда имелся специальный колокол. Во вто- рой половине XIX в. были введены электрические системы сиг- нализации пожарной тревоги. Они представляли собой металли- ческие ящики площадью около квадратного фута, размещенные в заметных местах. В больших городах их устанавливалось бо- лее сотни. Обычно они были заперты и доступ к ним имели только полицейские и пожарный персонал. Если выдернуть ручку, размещенную в ящике, в помещении пожарной команды раздается электрический сигнал пожарной тревоги и указывает- ся номер сигнального ящика, откуда был подан тревожный сиг- нал. Особенно развитая система сигнальных ящиков была уст- роена в Глазго. Все они были соединены между собой и каждый сигнальный пост мог служить телеграфом с передачей и прие- Рис. 117. Американская повозка для лестниц на 20 секций и 12 че- ловек. Две лестницы, соединенные вместе, достигали высоты 21 м [4.65, т. 9] Рис. 118. Спринклер Пармели (мар- ка 1), запатентованный в 1874 г. А — плавкое звено - 202 —
мом сигналов. Таким образом, руководитель пожарной службы мог по прибытии на место пожара использовать ближайший сигнальный пункт для связи с другими пожарными командами и с машинами, находящимися в других частях города, по теле- графу. Системы автоматической пожарной сигнализации устанавли- вались в важнейших зданиях с 1860 г. Они приводились в дей- ствие подъемом температуры и устанавливались с -интервалом 7,5 м. Существовали системы двух типов: одна действовала в результате удлинения от повышения температуры столбика рту- ти, который замыкал электрическую сеть, в другой системе кон- такт создавался расширением спиральной пружины. Большин- ство автоматических систем пожарной сигнализации вызывают действие электрических звонков, но в ряде случаев сигнализа- ция, кроме этого, соединяется с ближайшей пожарной станцией, где также устанавливается звуковой сигнал с автоматическим указателем места возникновения пожара. Среди современных автоматических систем пожарной сигна- лизации можно отметить шесть основных типов. В дополнение к устройствам, включающим спринклерную, систему, имеются де- текторы, в которых используются легкоплавкие звенья, 'биметал- лические пластины, термопары, детекторы огня, действующие от радиационного тепла, детекторы дыма, реагирующие на сниже- ние яркости луча света, направленного на фотоэлемент, и детек- торы негорючих паров, действующие по принципу катализатора. С 50-х годов начали использоваться также детекторы ионизации, небольшие коробочки, содержащие малое количество радиоак- тивного вещества, ионизирующего воздух внутри коробочки. Продукты сгорания уменьшают плотность тока, проходящего через ионизированный воздух и детекторы отличаются высокой чувствительностью. Все современные детекторы автоматически дают сигналы о месте возникновения пожара пожарным служ- бам. 7.5. ВОДОСНАБЖЕНИЕ, ГИГИЕНА И КАНАЛИЗАЦИЯ Улучшение водоснабжения (увеличение количества подавае- мой воды) в Средние века значительно помогло работе пожар- ных команд (см. разд. 7.1), но с точки зрения общества в целом еще более важным было одновременное улучшение качества воды. В XVIII в. появилось несколько типов насосов, подающих воду к кранам в жилых домах и общественных зданиях (см. [1.1], разд. 8.9). Этот процесс получил быстрое развитие в течение XIX в., когда для насосов стали использовать паровые двигатели. Водоснабжение в Лондоне все еще было в руках девяти частных компаний, мощность которых и характер дея- тельности различался. «Гранд-Джанкшин Уотер Компани» обес- - 203 —
печивала водой в достаточной количестве 8760 зданий. Она да- вала 1590 л в день с максимальным 'подъемом 46 м над уровнем Темзы за плату в год 2 фунта 8 шиллингов 6 пенсов [7.14]. «Ламбет Уотер Компани» обеспечивала 16682 здания, давая в среднем около 564 л в день с максимальным подъемом 56 м при годовой оплате 17 шиллингов. Компании, снабжающие водой, конкурировали между собой и на некоторых улицах их трубо- проводы шли параллельно. Качество воды сильно различалось. Вода, забираемая из колодцев или из Темзы, часто была загрязнена сточными вода- ми. Джон Саймон, первый медицинский представитель Централь- ного Департамента здравоохранения, провел анализ смертности от эпидемии холеры в 1848—1849 и 1853—1854 гг. в связи с за- грязненностью источников водоснабжения. В 1848—1849 гг. сре- ди клиентов компании «Ламбет» смертность на 1000 жителей была примерно такой же, что и среди населения, получавшего воду у соседних компаний «Саусуарк» и «Воксхолл». В 1853— 1854 гг. она составила только 2/7, так как «Ламбет Уотер Компа- ни» за это время перенесла место забора воды выше по течению Темзы, до первого спуска сточных вод в Темзу с территории Лондона. Частные компании Манчестера и Сэлфорда, основанные в 1809 г., забирали воду из колодцев. Решение городского муници- палитета Манчестера прекратить эту практику и построить ре- зервуар и акведук, было принято в первую очередь не из сани- тарных соображений, а из-за того, что колодцы не давали доста- точного количества воды. Манчестерская организация по строи- тельству водопровода, организованная в 1885 г. актом парламен- та, начала строить резервуар в долине Лонгдендейл в Дербиши- ре, откуда вода шла по акведуку. В 1885 г. акведук был прове- ден далее до оз. Тирлемер в Районе Озер на расстояние 153 км. Использование источников чистой воды, направляемой в город по акведуку, было фактически возвратом к системе водоснабже- ния Древнего Рима. Несколькими годами ранее, в 1837 г. начались работы по строительству акведука Олд Кротон [7.19]. После окончания его строительства в 1842 г. было обеспечено снабжение чистой во- дой Нью-Йорка с превышением его потребностей того времени. Основными причинами, вызвавшими строительство акведука, были потребности пожарной службы (см. разд. 7.1), но не сани- тарные требования. Эпидемия холеры 1848 г. побудила нескольких врачей к исследованию зависимости между качеством водоснабжения и распространением болезни. Первая вспышка холеры в истории Англии началась от эпидемии этой болезни в Бенгалии (теперь Бангладеш) в 1817 г. Она распространялась медленно по Азии, затем в 1829 г. достигла европейской части России, прошла по Западной Европе и первый случай заболевания ею в Англии был — 204 —
отмечен в порту Сандерленд в 1831 г. [7.15]. В дальнейшем были еще эпидемии холеры в 1848—1849, 1865—1866 гг. и 1893 г. Джон Саймон свидетельствует [7.14], что между 1848 и 1859 гг. холера вызвала 237 500 случаев смерти (при общем населении Англии 17 млн.). Страшные последствия эпидемии вызвали ряд исследований, из которых наиболее значительным была работа доктора Джона Сноу «Характер распространения холеры», опубликованная в 1849 г. Сноу, родившийся в 1813 г. и получивший медицинское образование в 1838 г., продолжал свои исследования и во время эпидемии 1853—1854 гг. Как уже указывалось, Саймон отмечал влияние на распро- странение холеры переноса места забора воды водоснабжающей компанией «Ламбет» выше по течению первого места выброса сточных вод в Темзе. К концу августа 1853 г. Сноу определил в качестве основного источника распространения холеры в Лондо- не в районе Сохо, единственный водяной насос на Броад-стрит, расположенный весьма близко к сточной яме, зараженной жерт- вами холеры. После перемещения насоса на другое место число случаев заболеваний уменьшилось. Сноу представил медицинское свидетельство, что холера воз- никала от употребления для питья воды, загрязненной неотфиль- трованными сточными водами, и это послужило поводом для принятия необходимых законодательных актов. Необходимость обеспечения чистоты воды и создания соот- ветствующих систем удаления сточных вод утверждалась ранее несколькими сторонниками социальных реформ, из которых наибольшего успеха добился адвокат Эдвин Чадвик и лорд Эшли. Чадвик был автором отчета Комиссии по контролю за выпол- нением закона 1832 г. о бедных «Отчет о санитарном состоянии рабочего населения Великобритании», опубликованного в 1842 г. в трех томах [7.16]. В отчете санитарное состояние страны срав- нивается с положением в Древнем Риме, причем не в пользу Англии. После общественных дебатов это привело к ряду ре- форм, включая акт 1875 г., который обязывал местные власти в Англии проводить канализационные работы. Одним из немедленных результатов отчета Чадвика было об- следование Виндзорского дворца, проведенное принцем Альбер- том в 1844 г. Он обнаружил 53 переполненные выгребные и по- мойные ямы и приказал туалеты с ямами заменить смываемыми водой уборными с канализацией. Однако эта работа не была за- кончена, а после его смерти королева Виктория приказала оста- вить замок таким, каким он был. Более важным было начало работ над «Главной дренажной системой Лондона» в 1856 г., в рамках которой в течение 15 лет -Лондон был обеспечен надлежащей системой канализации. Эта система не была первой современной системой в Европе. Гам- 205 —
бург, бывший тогда независимым вольным городом, начал осу- ществлять работы по канализации в 1842 г. Бруклин ввел систе- му канализации в 1857 г., а вскоре за этим последовали канали- зационные работы в Париже. Как только сточные воды стали удаляться, появилась воз- можность очистки воды, добываемой из колодцев и рек. С 30-х годов XIX в. начали использовать песчаные фильтры. Однако удовлетворительный результат не был достигнут до конца XIX в., за исключением тех мест, где водоснабжение шло от отдаленных чистых источников, таких, как озера и резервуары в естествен- ной сельской местности, откуда вода подавалась по акведукам. Э. Б. Мак Доувелл (Лондон) писал в конце 70-х годов [4, 65, том 9]: «Хотя устройство водоснабжения для большинства наших больших горо- дов включает процесс фильтрования, с помощью которого, как правило, мы имеем в достаточном количестве воду отличного качества..., большинство счи- тает целесообразным использование дополнительных мер с помощью одного из таких приборов (имеется в виду бытовой фильтр). В сельской местности... их использование довольно часто является обязательным, если законы в об- ласти здравоохранения достаточно соблюдаются». Автор указывает на то, что первые бытовые фильтры были запатентованы в Англии в 1790 г. с иллюстрацией нескольких различных типов (рис. 119). Доклад Чадвика отмечает поворотный пункт в истории сани- тарии и поэтому получил заслуженное признание. Ежегодные отчеты Отдела здравоохранения местной администрации, орга- Рис. 119. Фильтр очистки воды для установки в цистернах для хранения воды. Иллюстра- ция 1879 г. [4.65, т. 9]. Такой фильтр являлся одним из многих типов фильтров, исполь-> зовавшихся в XIX в< — 206
НйЗованного в 1871 г., отмечают заметные улучшения уже В 1886 г. Джон Клафм, профессор исторической экономики в Кем- бриджском университете [7.17] так комментировал отчет 1886 г.: «Города Англии были среди наиболее здоровых городов в Старом Мире. Смертность в Нью-Йорке была выше, чем в Манчестере, в Париже и Берлине выше, чем в Ливерпуле. Смертность во всем Петербурге была почти на 15% выше, чем в небольшом наиболее неблагоприятном районе Лондона, таком как Клэр Маркет». В Манчестере и других промышленных городах «улицы по закону» строились в соответствии с последовательными и чет- кими законами, заложенными Чадвиком. К 1900 г. санитарное состояние английских городов было значительно лучше, чем ус- ловия, в которых жили рабочие в остальных странах Европы, а дома того времени, и сейчас еще прочные, служат наглядным доказательством хорошего качества работ в кирпичной кладке XIX в. Это, к сожалению, мешало принятию решения о их сносе, когда санитарные условия перестали соответствовать современ- ным требованиям, так что многие дома превратились в язвы промышленных городов северной Англии. 7.6. ТУАЛЕТЫ, ВАННЫЕ И КУХНИ Туалеты, смываемые водой, использовались с древних времен и были обычной частью оборудования зданий еще в Римской империи (см. [1.1], разд. 4.3). Они и сейчас используются в ря- де сельских мест, где ручьи могут быть загрязнены без послед- ствий. Туалеты с бачками для воды использовались уже в средне- вековье в монастырях и домах богатых людей (см. [1.1], разд. 6.9). До XIX в. существовало два основных способа реше- ния проблемы нечистот — отрыв ям в грунте (что было достаточ- но удовлетворительным в сельской местности, но создавало серь- езную проблему в городских условиях) или применение сосудов, которые регулярно выносились, хотя имеются свидетельства, что в ряде городов в ночное время их содержимое часто выбра- сывалось из окон. Изобретение современного смывного унитаза так изменило характер жилища, как никакое другое техническое нововведение. Однако оборудование и канализационные провод- ки увеличили стоимость зданий, и сегодня туалет, ванная и кух- ня стали наиболее дорогостоящими частями среднего дома или квартиры. Более того, размещение стояков ограничивает воз- можности планировки зданий. Вода должна подаваться под дав- лением по горизонтальным отводам, идущим под резкими пово- ротами. Канализационные трубы, работающие при атмосферном давлении и пропускающие также взвешенные частицы твердых тел, должны иметь соответствующие уклоны и плавные повороты. Когда появились унитазы с опрокидным бачком, неизвестно, но несколько таких приборов существовало в начале XVIII в. — 207 —
Рис. 120. Унитаз с водяным бачком [4.65, т. 21] Рис. 121. Клапанный унитаз Бра- маха [4.65, т. 21] Рис. 122. Смывной унитаз [4.65, т. 21] Очевидно, что они были английским изобретением, т. к. во Фран- ции они получили наименование «английского туалета». Альфред Ивинг, профессор инженерных наук в университет- ском колледже в Данди, известный своими работами по магнит- ному полю и прочности материалов, подготовил статью о кана- лизации в Британскую энциклопедию в 1886 г. Он так описывает этот тип прибора: «Используемые в туалетах унитазы почти неизменно имеют опрокидной бачок, но когда отдается дань благам, которые принесла санитарная рефор- ма, этот тип прибора заставляет искать более чистое и удобное решение. Недостатки его ясно видны на рисунке (рис. 120). При каждом пользовании прибором опрокидной бачок а сбрасывает содержимое в контейнер Ь. Стенки контейнера недоступны для чистки, и его верхняя часть не промывается во- дой. Постепенно стенки покрываются издающей запах коркой. Поток испор- ченного воздуха выбрасывается из прибора при каждом открывании крышки, и так как редко все части прибора плотно подходят одна к другой, прибор является постоянным источником запаха и тогда, когда им не пользуются». В 1775 г. Александр Каммингс запатентовал первый клапан- ный унитаз, а в 1783 г. Джозеф Бреймах, один из крупных инже- неров-изобретателей своего времени, более известный своей работой над гидравлическими прессами, запатентовал усовер- — 208 —
Рис. 123. Задний фасад жилого дома в Бате, Англия, с наружной проводкой канализаци- онных труб , г
ШёйсТВованный вариант такого прибора, высоко оцененный Эл- бингом (рис. 121). Клапанный унитаз до сих пор используется В железнодорожных вагонах. Современный тип смывного унитаза (рис. 122) был разрабо- тан в 70-х годах XIX в. Томасом УиллиамоМ Твайфордом, ан- глийским мастером гончарного дела из Хэнли, который заметил, что фаянсовые части клапанного унитаза значительно дешевле металлических. Кроме того, унитаз, выполненный в виде одного Изделия без сборных частей, было легче содержать в чистоте. В 1889 г. Твайфорд свидетельствовал о продаже 100 тыс. смыв- ных унитазов его марки «Националь». Смывные унитазы нахо- дятся в употреблении до сих пор, хотя более распространенной в наши дни является другая модель, разработанная в 80-х го- дах XIX в. В ней части унитаза как бы зеркально перевернуты по сравнению с «Националем», и нечистоты падают через него, не задерживаясь. Примерно в то же время сифонный унитаз появляется в Америке. При нажатии на рычаг за. быстрым потоком воды, ко- торый начинает смывное действие, через сифон, следует медлен- ная подача воды. Такое устройство широко распространено в США. В конце XIX в. унитазы иногда были декорированы. В унита- зе «Эрмитаж» бачок лежал на керамической фигуре льва. В одном типе унитаза «Доултонс» внутри бачка был изображен силуэт Лондона на голубом фоне и линия воды доходила до купола собора Св. Павла. Туалеты .с унитазами, смываемыми водой, требовали устрой- ства канализационных стояков, которые, когда их устанавлива- ли в существующих домах, наиболее легко пристраивались к наружным стенам дворового фасада. Пристройка стояков снару- жи использовалась (особенно в Англии и Австралии) даже тогда, когда они сооружались во время строительства зданий и были заложены в проектах. Возникает вопрос, компенсирует ли не- большое удешевление здания уродство заднего фасада дома (рис. 123). Устройство туалетов с унитазами само по себе не решает всех гигиенических проблем. Нечистоты удалялись из домов и от улиц, но в течение конца XVIII в. и начала XIX в. в большинстве случаев они спускались в ближайшую речку. Так как сточные воды не очищались, а водоснабжение шло от той же реки, оста- валась опасность возникновения болезней, что и показала эпиде- мия холеры в Лондоне (см. разд. 7.5). Наиболее распространен- ные методы устройства канализации, используемые в наши дни, были известны в 70-х годах XIX в. и описаны в статье Эдвинга [4.65, т. 21] в 1889 г.: организация стока в море, если позволяют условия; химическая обработка нечистот с отстоем осадка; фильтрование через искусственные фильтры; широкое орошение или естественная фильтрация на соответствующих сельскохозяй- — 210 —
ственных угодиях. К концу XIX в. в большинстве европейских городов были очистные сооружения, но их совершествование про- исходило медленно. Канализационная система использовалась и для других це- лей— сток грязной воды из ванных и кухонь объединялся в общий поток. Переносные ванны из меди или олова, использовавшиеся средними и высшими классами с XVIII в., наполнялись водой из бака с горячей водой и затем опорожнялись с помощью ведер. На крупнейшей выставке в Лондоне в 1851 г. экспонировалась ван- на с обогревателем на древесном угле для того, чтобы вода сохраняла тепло, но наполнялась и выливалась ванна вручную. К 1870 г. ванны, наполняемые по трубам и имеющие сток также по трубам, стали обычными в домах богатых семей, но в домах рабочих они не появлялись вплоть до XX в. Трубы с холодной водой были установлены в некоторых спальнях в 70-х годах XIX в., однако горячая вода приносилась в кувшинах с кухни. Ванны в XIX в., даже когда они были снабжены подводкой воды и канализацией, были обычно отдельно стоящими, поддер- живаемыми четырьмя ножками. Чистка пола под ними была за- труднительной. В настоящее время распространено устройство встроенных ванн, что удобно для чистки, и покрытие твердой эмалью чугунных ванн, появившихся в начале XX в.. Водопровод и канализация обычно подводятся также и к кухням, но традиционная форма арматуры менялась очень мед- ленно. Одинарные раковины с трубами для стока воды с при- строенными экранами, предохраняющими стены от брызг, появились примерно к 1920 г., двойная мойка около 1930 г., а мойка из нержавейющей стали в 1950 г. 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ИХ ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Законы природы лежали в ночи, ? Бог создал Ньютона и все прояснил - Александр Поуп Но это не , все — прокричал дьявол «Хо!» И, создав Эйнштейна, вернул статус кво Энон В этой главе рассматриваются условия -создания теплового, светового и шумового комфорта в.зданиях, средства их улучше- ния, а также средства обеспечения инженерных коммуникаций И вертикального транспорта. - 211 -
Инженерное оборудование зданий в' XX в., включающее ото- пление, вентиляцию, кондиционирование воздуха, искусственное освещение и лифты, привело к значительному увеличению за- трат электрической энергии, что явилось одной из причин сегод- няшнего энергетического кризиса. Противоречие между принципами учета условий окружаю- щей среды и требованиями экономики строительства пока еще полностью не разрешены. 8.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ В ЗДАНИЯХ — ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ПРОБЛЕМА До XIX в., за исключением примерно трех веков во времена Древнего Рима (см. [1.1], гл. 4) проектирование внутренней среды зданий было ограничено декоративной отделкой внутрен- них поверхностей. Физический аспект создания внутренней среды практически игнорировался (см. [1.1], разд. 5.9; 7.10 и 8.9). До XVIII в., исключая период Римской империи, уровень искус- ственного освещения оставался низким, а отопление было при- митивным. Об искусственном охлаждении не могло быть и речи. Звукоизоляции не придавали особого значения, хотя уличный шум отмечался рядом писателей как фактор, причиняющий бес- покойство. Акустические качества соборов средневековья и эпо- хи Возрождения являлись, вероятно, побочным результатом конструктивного' проектирования. Тем не менее, условия внутренней среды многих сохранив- шихся средневековых и ренессансных зданий, к удивлению, ока- зались удовлетворительными. Толстые каменные стены обеспечи- вали изоляцию, уменьшающую охлаждение в зимние ночи и на- грев в середине дня летом. Они смягчали и внешний шум. Ограниченность возможностей контроля внутренней среды компенсировалась различием в образе жизни. Люди носили бо- лее теплые одежды зимой в Северной Европе и прекращали работу в жаркий полдень летом на юге для сиесты, как многие делают и сейчас. Даже музыка может быть адаптирована к зданиям: отмече- но, что музыка, звучавшая в храмах в Средние века и в эпоху Возрождения, звучит лучше в этих зданиях, чем в современных концертных залах. В течение XIX в. улучшение системы отопления следует рас- сматривать как косвенное следствие промышленной революции. Загрязнение воздуха в промышленных городах Северной Англии, которое становилось все более сильным вплоть до середины XX в., было в большей степени результатом дыма от тысяч домашних очагов с углем в качестве топлива, чем дыма промышленых предприятий (см. разд. 8.4). Уровень осве- щения улучшался еще быстрее в течение того же периода време- ни. Хотя охлаждение не было одной из основных проблем — 212 —
Рис. 124. Оранжерея в Лонглете, в Вилтшире, построенная в 1814 г. Джефри Уайтом (позднее Уайтвиль) в странах Северной Европы, где началась промышленная рево- люция, принудительная вентиляция использовалась на фабри- ках и в некоторых общественных зданиях. В строительной инду- стрии теперь требуются не только специалисты-конструкторы, но также и инженеры-механики. В начале XX в. одной из важ- ных сторон обслуживания зданий становится электроснабжение. Однако конструктивные решения большинства зданий оста- вались близкими к традиционным формам до середины XX сто- летия. Даже когда здания имели несущий каркас (см. разд. 2.6), стены делались толстыми и обеспечивали теплотехническую и акустическую изоляцию. Оранжереи (рис. 124) с большими окнами возводились с на- чала XVIII в. Оранжереи, зимние сады и торговые ряды с кры- шами из стекла появились с начала XIX в. (см. разд. 9.3). Пак- стон, знаменитый строитель оранжерей, в 1851 г. спроектировал Кристалл Палас (см. разд. 10.1), немедленно приспособленный под выставочные залы и универсальные магазины, которые до развития электроосвещения настоятельно' требовали освещения внутреннего пространства сверху (см. разд. 8.9). Кристалл Палас был провозглашен чудом индустриальных конструкций и получил восторженную оценку критики того времени. Однако его внешний облик противоречил направле- нию развития архитектуры (см. разд. 10.1). Его значение было понято только в 30-е годы XX в., когда теоретики современного — 213 -
направления, особенно Зигфрид Гидион [3.12] переосмысливали историю архитектуры. Помимо того, что Кристалл Палас отличался индустриаль- ностью конструкций (см. гл. 10), он вызвал большой интерес со стороны архитекторов XX в. благодаря изобретательному ис- пользованию стекла. Стекло и естественный хрусталь привлека- ли многих проектировщиков современного направления. Валь- тер Гропиус в 1919 г. в предисловии к первой программе «Бау- хауза» (название, полученное школой дизайна и архитектуры в Веймаре) заявляет, что «здания, которые его студенты бу- дут проектировать, должны стать кристальным символом новой веры» [8.1]. Гропиус применил большие стеклянные плоскости окон в здании Фагус Борке — фабрике сапожных колодок, которое он спроектировал в 1911 г. для г. Альфреда в Германии. В 1914 г. он полностью остеклил лестничную клетку модельной фабрики и здание выставки Немецкого общества поощрения индустриаль- ного строительства, где он, к тому же, интенсивно использовал стекло на фасаде. В здании, построенном им в Дессау в 1926 г., после того, как его школа архитектуры переместилась туда из Веймара (школа и здание получили название «Баухауз»), сте- клянные стены простирались непрерывно на высоту трех этажей. Мис ван дер Роэ, ставший приемником Гропиуса на посту директора Баухауза, сделал фасады в проектах двух небоскре- бов полностью стеклянными. Эти проекты не были осуществле- ны, но предвосхитили решения стеклянных навесных стен 40-х и 50-х годов. Мис ван. дер Роэ использовал плоскости стекла от пола до потолка без какого-либо перерыва по горизонтали, что создавало взаимосвязь между наружным и внутренним про- странством. Это было, возможно, отражением современных на- правлений в живописи, в которых также подчеркивалась без- граничность пространства. Многие критики рассматривали дом, спроектированный в 1946 г. для доктора Эдит Фарнсворс на р. Фокс в штате Иллинойс, вблизи Чикаго (строительство зда- ния было закончено в 1950 г.), как один из шедевров (см. разд. 8.2). Райнер Бэнем [8.2] так описывает его: «Пространство существует здесь между двумя заданными плоскостями пола и крыши и не распространяется. вниз или вверх, за исключением четы- рех небольших ступеней, спускающихся от уровня пола к террасе. Только две эти ограничивающие плоскости были непрозрачными поверх- ' ностями в здании. Остальные от пола до потолка — стекло или вообще ни- чего. Как результат этого внутреннее пространство находится почти в полном единстве с бесконечным наружным пространством, причем это единство с бес- конечностью настолько сильно, что кое-кому из гостей будет казаться риско- ванным подходить к краю панели пола. Между верхней и нижней плоскостями нет видимого соединения за исклю- чением шести равномерно размещенных вертикальных элементов конструд- -ЦИЙ...» .. .. и. - 2Ц -
Использование стёкла позволило Мис ван дер Роэ подчерк- нуть легкость несущего, каркаса в соответствии с его афоризмом «меньше — есть больше», который он часто провозглашал в период, когда был директором школы архитектуры в Армоур- ском институте (позднее Иллинойском институте технологии), Приверженность к стеклу Ле Корбюзье имела схожие при- чины: «История архитектуры показывает, что из века в век шла непрекращаю- щаяся беспощадная борьба во славу света против препятствий, создаваемых законом тяготения—история окна!» Еще одним сторонником использования стекла в архитектуре современного направления был Бруно Тот, построивший неболь- шой павильон стекольной промышленности на выставке Дейч- ше Веркбунд в 1914 г. В разд. 2.6 рассматривалось изобретение каркасных конст- рукций зданий, а в гл. 4 — процесс снижения массы каркаса по мере развития теории расчета конструкций. В конце 40-х годов и в 50-х годах нашего века успехи в развитии теории расчета конструкций и архитектурные принципы идеализированного лег- кого несущего каркаса со стеклянным заполнением породили американские навесные стены из стекла. Первые здания, спро- ектированные архитекторами современной школы, были относи- тельно небольшими. Новые здания со стенами из стекла, такие, как здание Секретариата Объединенных Наций (1947—1950) в Нью-Йорке, жылые дома Лейк Шор Драйв (1951) в Чикаго, Левер Билдинг (1952)' и Сигрэм Билдинг (1956) в Нью-Йорке, стали широко известны. Они принимались с враждебностью и порождали соперничество. Тем не менее сейчас в мире немного стран, где нет зданий со стеклянными навесными стенами на легком несущем каркасе, и можно сказать, что немногие здания не подвергались критике. Хрустальные коробки с закрытыми стеклянными фасадами были бы непрактичными без изобретения в 20-х годах нашего века кондиционирования воздуха (см. разд. 8.5). Поток тепла через одинарное остекление при незащищенном фасаде и без надлежащей изоляции был настолько велик, что системы конди- ционирования не всегда могли справиться с охлаждением в не- которых из первых подобных зданий. Поскольку каждый этаж был отдельным объектом кондиционирования, появлялись труд- ности в охлаждении солнечной стороны без переохлаждения теневой. Другими словами, возникло противоречие между лег- костью конструкций и условиями окружающей среды. С одной стороны, успехи в развитии конструкций позволили строить лег- кие каркасы, прочность которых определялась способностью выдерживать нагрузки от прозрачных навесных стен. С другой стороны, защита от температурных воздействий, которая реша- лась вполне удовлетворительно при устройстве массивных ка- - 215 -
менных наружных стен, теперь требовала сложного техническо- го и электрического оборудования. Для уменьшения действия охлаждения использовались теп- лоотражающее стекло и двойное остекление (см. разд. 8.3) вместе с теплоизоляцией непрозрачных частей стен (см. разд. 9.4). В ряде стран, например в Австралии, стекло вскоре было заменено материалами с лучшими теплоизоляционными свойствами, например бетоном. Растущее понимание проблем, вызванных появлением навес- ных стен, совпало с поиском новых конструктивных решений. В 40-х и 50-х годах архитекторы использовали новые конструк- тивные решения и новые материалы в чисто эстетических целях (см. разд. 6.4—6.8). В 60-х годах эта тенденция изжила себя, в особенности в связи с трудностями дальнейшего увеличения пролетов (см. разд. 6.9). Основное внимание стали уделять обе- спечению удобств. В Северной Америке значительно повысились требования к кондиционированию воздуха и к вертикальному транспорту. В других странах, где кондиционирование воздуха до 1960 г. было редкостью, оно входит в обиход в престижных зданиях. Качества сооружений оцениваются теперь по. степени создания удобств и их внутреннему оборудованию. Так как большинство видов оборудования требует электропитания, зна- чительно увеличилось потребление электроэнергии (см. разд. 8.6). В Нью-Йорке потребление электричества летом до- стигает его расхода в зимнее время из-за внедрения систем кон- диционирования воздуха. Конец 60-х годов породил разочарование, особенно' среди студентов архитектурной специальности, в идее общества изо- билия и в проектируемых для него зданиях.. Идеал совершенства внутренней среды здания и его огром- ными потребностями в расходе энергии попал под огонь крити- ки со стороны сторонников радикального повышения удобств. Возникли сомнения относительно правомочности в условиях воз- растающей стоимости энергии концепции «стеклянных коробок», в которых создание оптимальных режимов температуры и влаж- ности требует громадного количества электроэнергии. 8.2. КЛИМАТ, ТЕПЛОВОЙ КОМФОРТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗДАНИЙ Витрувий изложил рекомендации по поводу решения поме- щений для различного назначения (см. [1.1], разд. 4,5). Подоб- ные рекомендации содержались и в архитектурных книгах эпохи Возрождения. Большинство из этих правил было основано на большом опыте и в известной степени остаются справедливыми до! сих пор. Однако появилась новая наука — климатология. Древние греки полагали, что климат местности зависит от широты ее — 216 —
расположения. Астроном и географ Птоломей делил поверхность Земли на параллельные зоны в зависимости1 от их близости к эк- ватору, и греческое слово «клима» первоначально’ означало склонение. Концепция Птоломея о климатических зонах предпо- лагала неподвижную атмосферу. Александр Гумбольдт в 1817 г. рассматривал причины тропических штормов, учитывая влияние движения воздушных масс на климат, и ввел понятие изотерми- ческих линий (линий, соединяющих пункты с одинаковой тем- пературой в определенное время) для иллюстрации состояния погоды. Первые регулярно выполняемые карты погоды начали составляться в 30-х годах XIX в. с использованием данных, по- лучаемых по почте. В конце 50-х годов Юрбен Ж. Ж- Леверье составил карты по данным, получаемым чаще, чем раз в день по электротелеграфу. Климатологические данные весьма важны для расчета интен- сивности отопления и охлаждения для систем кондиционирова- ния воздуха, и с 70-х годов эта информация стала доступной для большинства крупнейших городов Европы и Америки. Эти дан- ные, однако, зависят от конкретного места наблюдений. Микро- климат на вершине холма, в котловине, в тесно застроенном городском районе или на крыше здания может значительно раз- личаться. Данных по микроклимату обычно нет, хотя часто можно1 получить их из общих климатических материалов путем исследования потока ветра на модели района в аэродинамиче- ской трубе. Начало изучения влияния температуры воздуха внутри поме- щения на комфортное состояние человека восходит к XVIII в. В 1775 г. К- Благден выяснил [8.51], что человек может выдер- жать в помещении температуру 127° С по сухому термометру в течение 8 мин. Однако, согласно преобладающему почти до конца XIX в. мнению недомогание людей, находящихся в запол- ненных людьми помещениях, происходило в большей степени из-за выделяемых ими токсичных газов, чем от выделяемого тепла. А. Л. Лавуазье, который открыл состав атмосферы, по- лагал в конце XVIII в., что токсичным веществом была двуокись углерода — углекислый газ. Состав и количество* веществ, вы- деляемых из легких и через кожу в минуту, подвергались изу- чению в течение XIX в. В 1905 г. Дж. С. Холдейн установил, что температура, влаж- ность и скорость движения воздуха являются основными крите- риями комфорта. В 1914 г. Леонард Хилл в конце концов опро- верг антропотоксичную теорию [5.4], Он поместил группу сту- дентов в небольшой комнате и фиксировал повышение темпера- туры, влажности, содержания углекислого газа и изменение физического состояния людей. Включение вентилятора дало значительное облегчение. Контрольная группа студентов, кото- рая дышала таким же воздухом, но находилась при нормальной температуре и влажности, не показала ухудшения состояния. -=- 217 —
Ранние исследования были направлены не на определение критериев идеального комфорта, а на улучшение наиболее тя- желых условий, возникающих на заводах, в шахтах и на кораб- лях. Проблема, связанная с высокой температурой, особенно серьезно возникала в глубоких шахтах, котельных кораблей в тропиках. Так как Англия была еще ведущей индустриальной и морской державой с наиболее развитой горнодобывающей промышленностью, большинство ранних работ в этой области было выполнено британскими медиками, в частности Холдейном и Хиллом. Два комитета, основанные Министерством внутрен- них дел Англии по вопросу вентиляции на промышленных пред- приятиях (1907) и по вопросу влажности и вентиляции на хлоп- чатобумажных фабриках (1909), сошлись на мнении, что глав- ной проблемой является перегрев, возникающий из-за плохой вентиляции. Влияние движения воздуха на комфортное состояние челове- ка было отмечено Джоном Арбатнотом, другом Джонатана Свифта. В 1733 г. он опубликовал «Эссе по поводу воздействия воздуха на человеческое тело» [8.52], в котором объяснял, что движение воздуха производит размывание слоя теплого влаж- ного воздуха у поверхности тела. Д. Босвелл Рейд (см. разд. 8.4) в 1844 г. утверждал, что одни показания термометра не могут быть достаточным показателем комфорта и что необходимо учи- тывать движение воздуха. Мы уже упоминали об опыте Хилла, проведенном в 1914 г. и показавшем, что вентилятор облегчает воздействие высокой температуры. Эффект радиационного тепла в улучшении комфорта в хо- лодное время был отмечен Томасом Тредголдом (см. разд. 2.3) в 1824 г. В работе «Принципы отопления и вентиляции общест- венных зданий, жилых домов и т. д.» он указывал, что люди, обогреваемые радиационным теплом от открытого огня, могут чувствовать себя комфортно даже при сравнительно' низких температурах. Первые попытки установить точные критерии .комфортных условий для человека основывались на измерениях физических величин. Приборы для измерения температуры и влажности ис- пользовались с XVI в. Еще Леонардо да Винчи описал в XV в. инструмент для измерения влажности, основанный на увеличе- нии веса мотка шерсти при высокой влажности, так. как шерсть обладает способностью абсорбировать водяные пары. Первые ртутные термометры со стеклянными трубками, по всей вероят- ности, были выполнены Габриелем Даниелем Фаренгейтом в 1714 г. Первый волосяной ареометр Горацио Бенедикта де Сауссире появился в 1783 г., а первый психрометр с сухим и влажным термометрами К. У. Бекманна — в 1802 г. В процессе своих исследований в 1914 г. Хилл [8.4] изобрел кататермометр для измерения действия движения' воздуха на тедо человека, Это был термометр с большим шариком, который =- -
нагревался немного выше 100° F, и наблюдалось время, требуе- мое для падения температуры от 100 до 95° F, что соответствова- ло примерно температуре, человеческого тела (98°F, или 37°С). Согласно наблюдениям Хилла, сухой пузырек кататермометра измеряет охлаждающее действие атмосферы вследствие радиа- ции и конвекции, а влажный пузырек — из-за радиации, конвек- ции и испарения. Если температура воздуха известна, сухой ка- татермометр может, дать скорость движения воздуха и до сих пор используется' для этой цели. В 1930 г. X. М. Вернон изобрел шаровой термометр для измерения действия радиации. Он состоял из полой медной сфе- ры, покрытой черной краской, с обычным термометром в центре. Если средняя температура радиации выше температуры возду- ха, то температура, регистрируемая шаровым термометром, бу- дет также выше, и наоборот. Если известна температура воздуха и скорость его движения, шаровой термометр определяет сред- нюю температуру .радиации окружающей среды. С тех пор было разработано множество приборов для уста- новления критериев комфорта, но все они основаны на измере- нии температуры, влажности, движения воздуха и радиации. Первой попыткой подменить человека физическим прибором был эвпатоскоп, построенный А. Ф. Дафтоном в Британской станции исследований по строительству в 1932 г. [8.6] для ра- бот по определению комфортных условий для человека в про- хладном климате. Он представляет собой цилиндр высотой 560 мм и диаметром 190 мм с электронагревом. Когда темпера- тура на термостате внутри цилиндра достигает 25,5° С, нагрева- тельный прибор выключается, а когда она падает ниже — вклю- чается. Прибор реагирует на действие температуры, движения воздуха и радиации, но не чувствителен к влажности. Темпера- туру окружающей среды, которая требует потребления такого же количества энергии, Дафтон назвал «эквивалентной темпе- ратурой». Это была температура с поправкой на действие ради- ации и движения воздуха, при которых человек в одежде, со- гласно Дафтону, должен чувствовать себя комфортабельно. Хотя физические приборы дают объективные данные, трудно быть уверенным, что различные факторы, определяющие ком- фортные условия для человека, достаточно верны для исполь- зования в проектировании. Альтернативой этому может быть принятие субъективной реакции группы наблюдателей за основу определения шкалы «эффективной температуры». Такой способ был использован в Исследовательской лаборатории Американ- ского общества инженеров по отоплению и вентиляции (теперь ASHRAE — Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха) в Питтсбурге Ф. К. Хафтеном и К. П. Яглоу [8.7] в основном для условий теплого климата. Эти исследования учитывали температуру, влажность и движение воздуха, но не радиацию. Участникам эк- - 219 -
спёрймёнта задавались вопросы, при каких условиях темпера- туры, влажности и движения воздуха возникало такое же ощу- щение тепла, как в процессе незначительной физической дея- тельности. «Эффективная температура» — это температура, ког- да в группе, находящейся под экспериментом, люди почувствуют тепло при полной насыщенности воздуха водяными парами и от- сутствии движения воздуха. Шкала комфорта ASHRAE [8.22, я] до 1969 г. была еще основана на концепции эффективной темпе- ратуры (ЕТ). Исследования, проведенные в 40-х годах, показа- ли, что- люди чаще чувствуют себя комфортно при ЕТ = 20°С зи- мой и 22° С летом, если скорость движения, воздуха составляет 0,08—0,13 м/с. Чтобы показать, что это обозначает в обычных терминах, скажем, что ЕТ = 22°С для лета соответствует темпе- ратуре на сухом термометре (т. е. обыкновенном термометре) 24° С при относительной влажности 60%| или температуре 26° С при относительной влажности 33%'. Очевидно, критерии комфорта в известной степени зависят от местных привычек. В условиях влажных тропиков люди обыч- но носят очень легкую одежду и акклиматизируются к теплой влажной погоде. Здесь предпочтительнее более высокая эффек- тивная температура. Наблюдения над людьми, приехавшими из Азии и Европы в Сингапур [8.8], показали, что они предпочита- ют температуру 27° С при относительной влажности 80%| и ско- рости ветра 0,4 м/с, что соответствует эффективной температуре 25° С. По этой же причине предпочтительная температура вну- три помещения зимой примерно на 5° С выше в США, чем в Ан- глии, так как американцы в помещении обычно носят зимой более легкую одежду, чем англичане. В конце 50-х годов ASHRAE решило пересмотреть шкалу эффективных температур. Работа была прервана в 1960 г. реше- нием закрыть лаборатории ASHRAE в Кливленде. Они были, однако, возрождены в виде Института исследования окружаю- щей среды в университете штата Канзас. Ряд работ был пред- принят в порядке совместной программы университета и ASHRAE. Самая значительная работа была выполнена психо- логом Ф. X. Ролсом и инженером Р. К. Невинсом. Она про- водилась с привлечением 1600 студентов колледжей. Результаты этой работы привели к пересмотру шкалы комфорта ASHRAE [8.22, в]. Датчанин Р. О. Фэнджер, работавший в университете штата Канзас в 1966—1967 гг., вывел из тестов Канзасского универси- тета серию уравнений комфортных условий. Они включают теп- лозащитные свойства одежды и процент закрытой поверхности тела, обмен веществ и площадь поверхности тела человека, степень физической активности человека, скорость движения воздуха, температуру воздуха (или температуру сухого термо- метра) , среднюю температуру радиации и давление водяных па- ров в воздухе (которое определяет относительную влажность). — 220 —
Из этих данных ФэндЖер аоставил с помощью ЭВМ 43 шкалы [8.9], в настоящее время известные как диаграммы комфорта Фэнджера, которые показывают комфортные условия в функции указанных критериев. Часть этих шкал приведена в очередном руководстве ASHRAE [8.22, в] . Концепция различия критериев теплового комфорта у людей различных рас не подтвердилась наблюдениями, проводившими- ся в США, Англии [8.10] и в Сингапуре [8.8]. Тем не менее, эта концепция имеет древнее происхождение и представляет истори- ческий интерес. Уже Витрувий предполагал различное восприятие климати- ческих условий людьми разных рас (см. [1.1], разд. 4.5). Расо- вые предрассудки были, по-видимому, широко распространены в период путешествий и открытий в XV и XVI вв. Завоеватели в различных частях Америки и на многочисленных тропических островах заставляли работать на плантациях коренных жите- лей, применяя силу, если это требовалось. Они ввозили в Амери- ку негров в качестве рабов, вербовали (более или менее добро- вольно) индусов в Вест Индию, Мавританию и на о. Фиджи, а китайцев и японцев на Гавайи. Утверждение, согласно кото- рому европейцы не могут работать физически в тропиках, в то время как цветные жители могут, было еще в силе в начале XX в., даже после того, как открытие лекарств от большинства тропических болезней уменьшило риск серьезных заболеваний. Ф. С. Маркхэм утверждает в работе «Климат и энергия на- ций» [8.53], что основной причиной развития наций в новой истории является их контроль над климатическими условиями. Он считал, что акклиматизация шла с постепенным понижением активности до уровня, соответствующего климатическим усло- виям. Цветные рабочие не лучше приспособлены для работы в условиях тропиков, чем белые рабочие. Эт положение было под- тверждено результатами опыта жизни в тропической части Австралии, где политические мотивы с конца XIX в. препятству- ют иммиграции цветных рабочих, и поэтому тяжелая: работа на плантациях сахарного тростника полностью выполняется выход- цами из Европы. Отсюда следует, что возможности человека в тропиках могут быть значительно повышены улучшением микроклимата внутри помещений. Даже небольшие улучшения в условиях труда на открытом воздухе, обеспечении удобного ночного отдыха в по- мещениях, оборудованных кондиционированием воздуха, оказы- вают благоприятное воздействие на людей. В странах с жарким климатом, таких как южные штаты США и Северная Австралия, населенных людьми с высоким до- статком, имеются все возможности применять кондиционирова- ние воздуха, хотя возникает опасность теплового удара вследст- вие резкого контраста при переходе из условий кондициониро- ванного помещения на открытый воздух. Эта опасность может — 221 —
быть ослаблена установлением более высокой температуры воз- духа внутри помещения, чем идеальная температура для по- стоянного проживания. В развивающихся странах низкий сред- ний уровень достатка и нехватка квалифицированной рабочей силы для производства оборудования делают недоступным ши- рокое использование механических кондиционеров воздуха. Од- нако могут быть применены более дешевые способы улучшения микроклимата внутри помещения, такие, как увеличение тепло- вой инерции зданий и вентиляция. Сейчас большое внимание уделяется народным способам за- щиты от неблагоприятного воздействия окружающей среды. Амос Рапопорт [8.12] указывал, что хотя традиционные формы жилища явились реакцией скорее на социальные и культурные традиции народов, чем на климатические условия, многое в них хорошо приспособлено к свойствам окружающей среды, а неко- торые типы народного жилища были более удобны для прожи- вания, чем заменявшие их новые здания. В жарких влажных тропиках для строительства многих зда- ний используется тростник, бамбук или деревянные планки, что обеспечивает свободный проток воздуха и дает требуемое сни- жение эффективной температуры. В Малайзии и Индонезии можно видеть дома с искривленной формой крыш, усиливающей движение воздуха. В условиях сухого жаркого климата массивные стены, возве- денные из камня грунтовых блоков или грунта, снижают пико- вую температуру в полдень благодаря своей высокой теплоизо- ляции. Ночью в таких домах теплее, чем снаружи. Эти-типы домов не всегда строятся в соответствующих усло- виях.- Так, традиционные дома в жарком влажном климате рай- она Кумаси в Гане построены из грунтовых блоков. Считается, что жители этих мест пришли в лесную часть страны, (вероятно, из районов с сухим жарким климатом)' в XVI в. и, может быть, характер домов сформировался в других климатических усло- виях. Однако, было невозможно убедить этих людей строить де- ревянные дома, более хорошо отвечающие климатическим усло- виям, несмотря на обилие дерева [1.1]. Многие архитекторы нового направления, особенно Кор- бюзье, обращались к народной архитектуре, ища в ней вдохнове- ние, но их интерес простирался главным образом на визуальные и социальные аспекты, а отношение к окружающей ср-еде в их проектах часто противоречило прочно- установившимся принци- пам. Хотя архитекторы, отличающиеся более традиционными взглядами, включая Фрэнка Ллойда Райта (см. разд. 8.3 и 8.4), добивались больших успехов на основе развития технологии, иногда они допускали ошибки в тепловом режиме некоторых зданий, не соответствовавших окружающим условиям. В 1933 г. Ле Корбюзье построил общежития для Армии спасения, назван- ные «Сите де Рефьюж»: — 222 —
«Шестьсот бедных созданий, мужчин и женщин, живут здесь. Им обеспе- чены простор и незаменимая радость от массы света и солнца. Поверхность стен, имеющая остекление площадью более тысячи квадратных метров, дает освещение комнат от пола до потолка и от стены до стены» [8.19]. Здание имело огромный успех до первого рождества, но в следующее жаркое лето пришлось снабдить южный фасад солнцезащитными устройствами, а часть герметично закрытого остекления заменить окнами, которые могли открываться. Мис ван дер Роэ не признавал, что в доме, построенном им для доктора Элизабет Фарнсворс (см. разд. 8.1), что-либо бы- ло неверным. Однако заказчица после окончания строительства дома сочла его непригодным в качестве «жилища человека» и начала официалньый процесс против архитектора. Хотя Фарн- сворс проиграла дело, она внесла в дом настолько большие из- менения с целью улучшения его теплового режима, что это унич- тожило тот визуальный шедевр, который создал Мис ван дер Роэ. Позже дом был разрушен из-за прокладки скоростной ав- тострады [8.13]. 8.3. СОЛНЦЕЗАЩИТА (РЕГУЛИРОВАНИЕ ИНСОЛЯЦИИ) Устройства, затеняющие помещения от солнечных лучей и в то же время позволяющие улавливать любое движение воздуха, становятся характерной чертой жилых кварталов во* многих му- сульманских городах (рис. 125). В сухих районах часто устраи- вали бассейны с водой, испарение которой снижает температуру воздуха и увеличивает влажность (рис. 126). В условиях теплого климата свешивающиеся, крыши хорошо защищают стены и окна от солнца. Индийская веранда была распространена во многих английских колониях, включая Ав- стралию (рис. 127). Свесы крыши легче выполнить из дерева, и они встречаются даже в районах, где дерево является трудно- доступным материалом, но главным образом здесь использова- лись для этой цели кирпичные арки (рис. 128). Лето в восточных и южных районах западной части Север- ной Америки жаркое и многие американские архитекторы при- меняли для затенения большие свесы крыш. Так, большинство домов, построенных Фрэнком Ллойдом Райтом в районе Чикаго между 1889 г. и 1910 г., имели тщательно спроектированные на- весы [8.14]. Часть из них была с плоскими крышами. Свесы крыш, однако, часто создавали для многих архитекторов нового направления проблемы учета в проекте условий окружающей среды, подобно описанному случаю с домом Фарнсворс. Корбюзье оценил важность затенения после его опыта с «Си- те де Рефьюж» в 1934 г. Позже он разработал солнцезащитные экраны, которые являются составной частью здания и известны во французском языке как «солнцерезы». Корбюзье впервые Применил их в здании Министерства образования в Рио-де-Жа- - 223 -
Рис. 125, Комната в Красном Форте в Дели, построенном в XVII в. Открытые решетки вырублены из целой мраморной плиты нейро, построенном в 1937 г., где он был архитекторм-консуль- тантом группы проектировщиков под руководством Лючио Ко- ста. Солнцерезы получили большую популярность, однако имели ряд ограничений— они излучали тепло, мешали обозрению и доминировали на фасаде. В здании Министерства образования эти элементы были подвижными, но когда затеняющие устрой- ства открыты по-разному, они придают зданию пестроту. В свя- зи с их большими размерами и подверженностью атмосферному воздействию регулируемые элементы через некоторое время часто теряют свою подвижность. Поэтому в последнее время ст<ь - ??4 -
Рис. 126. Открытая терасса для приемов в императорском дворце XVII в. в Исфагдне, Иран Рис. 127. Широкая галерея, окружающая со всех сторон коттедж Экспериментальной фермы в Парраматте, вблизи Сиднея, построенный примерно в 1798 г. (ныне музей). Это — одно из ранних сохранившихся зданий в Австралии, которая начала заселяться европейцами в 1788 г. 8 Зак. 887 225 -
ли более употребительными стационарные неподвижные солнце- защитные устройства. Основы теории расчета инсоляции были известны астроно- мам Александрии. Однако не так легко оценить эффективность солнцезащитных устройств различного типа при помощи чистой математики из-за времени, требующегося для решения уравне- ний; В 1932 г. Дафтон разработал «гелиодон» для проведения экспериментов с солнцезащитными устройствами [8.15] и нес- колько вариантов этой машины было изготовлено (рш.с. 129). В 70-х годах развитие машинных графических устройств обеспе- чило создание другого, более удобного прибора. Хотя вычисле- ния при помощи логарифмический линейки были весьма дли- тельными, так как затрагивали сферическую тригонометрию и данные о положении солнца, задача в основном была неслож- ной и легко укладывалась в короткую машинную программу. Графопостроители могут также дать графики солнечного про- никновения на плане и на развертке стен. Если чертеж согнуть, то можно получить объемную модель помещения или здания (рис. 130). Учитывая влияние движения солнца, можно разработать бо- лее эффективные солнцезащитные устройства. Веранды, часто используемые в строительстве в XIX в., обычно были много ши- ре, чем требовалось для солицезащиты (см. рис. 127), поскольку ширина веранды использовалась как полезная площадь жили- ща. Колоннада в зданиях, реминисцирующих классику, на юге США, также, как правило, дает большую тень, чем это необ- ходимо (рис. 131), так как пропорции зданий основывались больше на эстетических вкусах, чем на учете условий окружаю- щей среды. В обоих случаях внутреннее пространство было слишком затемнено в течение всего года. В районах субтропиков наиболее эффективными солнцеза- щитными устройствами, являются те, которые исключают' про- никновение солнца в помещение летом, но не мешают этому зи- мой. С таким расчетом -проектировались балконы и веранды, даже если они при этом были недостаточно широкими для пол- ноценного бытового их использования. Например, балконы, раз- мещенные над каждым окном, могут служить для затенения ни- жележащих окон. Более эффективными в качестве солнцезащи- ты являются горизонтальные экраны из наклонных металличе- ских или деревянных планок, которые обеспечивают полное за- тенение, не мешая обзору и движению воздуха (рис. 132) . Рис. 129. Тени, полученные на гелиодоне(установке для изучения инсоляции на моделях) на архитектурном макете административного здания в Белконнене, пригороде Канберры. Стол, на котором был поставлен макет, вращался, чтобы получить нужное направление и угол падения света, соответствующие направлению и высоте солнца в определенное время дня и года, которые должны были рассчитываться. Солнце имитируется источни- ком света, располагаемым как можно дальше от макета (в данном примере 10 м). Воз- можно также устройство неподвижного стола и вращающегося источника света на длин- ном рычаге. Однако длина рычага практически ограничена, поэтому такое устройство Менее точно (Архитектурная научная лаборатория Сиднейского университет») - 226 -
Рис. 128. Лоджия с кирпичными ты за лоджиями арочными сводами [1.1] в Исфагане.Комна» полностью затенены от солнца 8*
Рис. 130. Графическое решение задачи прохождения солнечного света в прямоугольное помещение через смещенное с центра окно, ориентированное под углом 15° к северу. Чертеж показывает план и развертку стен помещения. Развертка может быть вырезана и сложена в трехмерную модель. Фигуры 1, 2 и 3 показывают прохождение солнечных лу- чей через незатененное окно в 10, 13 и 15 ч 22 апреля в Сиднее, Австралия (33° 92' ВДЧ 15Г 17' ЮШ. Время на 10 часов позднее Гринвичского) Рис. 131. Классическая колоннада затеняет окно дома в Новом Орлеане
Рис. 132. Горизонтальные решетчатые козырьки затеняют окна фасада здания Сидней- ского университета, выходящего на северо-запад. Здание построено в 1962 г. Солнцеза- щитные устройства легкие, но они затеняют весь фасад, пропуская лишь тонкие полоски солнечного света
Наружные солнцезащитные устройства обычно реже исполь- зуются при стеклянных навесных стенах, так как они разрушают визуальную непрерывность их поверхности. Высокая теплопро- водность стекла создает проблему летом даже в умеренных ши- ротах. «Эффект оранжереи» основан на способности обычного стекла пропускать радиационное тепло при высоких, но не низких температурах. Поэтому солнечное тепло проходит через стекло, а отраженное излучение через него не проходит. Увели- чивая толщину стекла, получают лишь небольшой эффект в по- вышении теплоизоляции. Эффект двойного остекления более значителен и использовался уже давно. Герметически закрытое (Двойное остекление стало возможным в 30-х годах, но его широкое использование в навесных стенах началось только с 50-х годов. Наружные солнцезащитные средства часто нежелательны на остекленных фасадах. Недостаток внутренних солнцезащитных устройств состоит в том, что они не препятствуют прохождению солнечных лучей через стекло. В 60-х годах были разработаны дистанционно управляемые жалюзи, расположенные внутри гер- метичных панелей двойного остекления. Они останавливают солнечные лучи до достижения ими внутреннего слоя стекла и не разрушают непрерывность остекления стен. В 1952 г. в здании Левер Билдинг было использовано тепло- поглощающее стекло. Однако более эффективно отражающее стекло, при котором большая часть солнечного тепла отражает- ся в окружающее пространство. Очень эффективно зеркальное стекло, которое имеет к тому же специфические визуальные ка- чества. В нем отражается окружение, но оно также может созда- вать дополнительные проблемы в связи с отражением тепла на окружающие здания. Таким образом, возможны случаи,, когда Окна, снабженные правильно спроектированными солнцезащит- ными средствами, будут получать неожиданную тепловую на- грузку от зеркальных стен зданий, построеных позже. 8.4. ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ С конца XVIII в. отмечается быстрое улучшение отопления. Кафельные печи, появившиеся в Германии и Скандинавии в XVIII в., были популярными в течение XIX в. в Центральной и Восточной Европе. Печи для дворцов часто проектировались ведущими художниками и кафель для них специально выпол- нялся на фарфоровых'заводах. Благодаря большому ' объему и. большой площади поверхности они давали достаточное коли- чество тепла при сравнительно низких температурах частично за счет излучения тепла, частично за счет конвекции. В некото- рых дворцах имелись специальные помещения, из которых слу- ги могли топить печи, не беспокоя своего хозяина. В домах семей среднего класса печи часто бывали так устроены, что можно — 230 —
Рис. 133. Вид из окна высо- кого здания. Рисунок из книги по отоплению и вен- тиляции, опубликованной в Манчестере в 1927 г. [8.23] Рис. 134. Объединение труб каминов в центральную тру- бу. Из книги по строитель- ству зданий, впервые опуб- ликованной в 1875 г.[8.24]
Рис. 135. Бойлер для отопления здания и горячего водоснабжения, изготовления «Рич- монд Стоув Компани» в Норвиче, штат Коннектикут [8.16] было сидеть на подушках на теплом кафеле. Кафельные печи строились и в XX в., да и сейчас кое-где используются. В Англии в течение XIX и первой половины XX в. предпочте- ние отдавалось камину с его открытым огнем. Добыча угля по- высилась в Соединенном Королевстве с 10 млн. т в 1790 до, примерно, 250 млн. т в 1910 г. К концу этого периода даже бед- ные семьи могли позволить себе пользоваться им. В домах зажи- точных людей и семей среднего класса к концу XIX в. почти каждая комната имела камин. Тепловая эффективность каминов была низкая и значительное количество топлива превращалось в дым, создавая серьезное загрязнение воздуха. Привлекатель- ные здания со стенами из песчаника в Манчестере и окружаю- щих его промышленных городах становились черными. Удивительно, что загрязнение, создаваемое дымом от ками- нов жилых домов, не вызывало слишком большой критики в XIX в. Протесты и требования охраны окружающей среды были направлены главным образом против железных дорог. Хотя англичане в целом остаются приверженцами каминного отопления, инженеры по отоплению почти в течение столетия настойчиво пытались разработать более чистое и эффективное средство отопления (рис. 133), но только >в 50-х годах XX в. законодательство об охране воздуха приостановило его загряз- нение. - 232 -
Каждый камин имеет свою трубу (рис. 134), которую необ- ходимо чистить. В XVII в. и большой части XIX в. на этой рабо- те были заняты мальчики, которые были достаточно малы, что- бы забраться в трубу. В 1803 г. было образовано общество по борьбе с этой практикой, но необходимое законодательство не получило достаточного числа голосов в парламенте. Оно было принято только в 1875 г. (см. разд. 7.5). Часто, особенно в доме рабочих, для нагрева воды использовался очаг с открытым ог- нем. Горячая вода поднималась в бак в ванной или на чердаке, и водонагревательные устройства наполнялись из бака с хо- лодной водой. Такая система горячего водоснабжения была экономична в смысле расхода топлива и связана с тем, что огонь в кухонном очаге горел ежедневно. Обычно трубы с горя- чей водой проходили через сушильный шкаф, где могло быть высушено сырое белье после стирки. В морозы, однако, холодная вода, замерзая, разрывала трубы, и у водопроводчиков Англии было много работы пока такая система нагрева воды оставалась общеупотребительной. В Северной Америке климат был более суровый, слуги не так доступны и дороги, а общий стандарт жизни в течение девятнад- цатого века превысил европейский уровень. Отопление жилища обычно обеспечивалось бойлером (рис. 135), который со време- нем все более и более автоматизировался. Само отопление осу- ществлялось радиаторами из ли- того грунта, нагреваемыми горя- чей водой или паром (рис. 136). Радиаторы часто были украшены растительным или геометриче- ским орнаментом. В это время в Европе радиаторов в широком употреблении не было и они обычно реже были декорированы. Американские архитекторы в конце девятнадцатого и в начале двадцатого века были более вос- приимчивы к новшествам в отоп- лении, чем их европейские колле- ги. В Бекер Хаузе, построенном Фрэнком Ллойдом Райтом в Уил- метте, штат Иллинойс, в 1908 г., скрытые под обшивкой стен тру- бы горячей воды подавали воду к радиаторам. Они располага- лись под подоконниками, которые были прорезаны, чтобы улуч- Рис. 136. Радиатор для отопления квартир компании «Стандарт Ра- диатор». Нью-Йорк, Бостон, Буф- фало и Чикаго [8.16] шить циркуляцию воздуха. В 1914 г. во время своего пу- тешествия по Японии Райт по- — 233 —
сетм дом барона Окура в Токио, где ой чувствовал чрезвычай- ный холод в столовой и приятное тепло, когда его провели в «ко- рейскую комнату» пить кофе. Он так описывал свои ощущения: «Барон объяснил, что корейская комната — это комната, нагреваемая через пол. Тепло от топки, расположенной вне комнаты у одного из ее углов, направляется по кафельным трубам и между ними. Пол является покрытием дымоходов с отдельными перегородками. Дым и теплый воздух затем выво- дятся вверх по дымоходу, расположенному в углу комнаты, противополож- ном месту расположения топки. Труднопередаваемый комфорт от тепла, идущего снизу, был открытием» [8.18]. Хотя Райт не упоминал об этом, указанную конструкцию, весьма близкую римскому гипокаусту (см, [1.1]), разд. 4.6), изобрели независимо друг от друга китайцы и корейцы. «Я немедленно устроил электрическое отопительное оборудование под ванными комнатами в Империал Отеле в Токио, понизив потолки в ванных, чтобы создать пространство для размещения отопительных приборов. Кафель пола и встроенная в кафель ванна были всегда теплыми» [8.18]. К концу XIX в. в ряде домов состоятельных американцев отопление и вентиляция осуществлялись подогретым воздухом, подаваемым к комнатам по трубам через решетки <в полу или в плинтусах. Так как воздух подавался под давлением, тяга воз- духа была не нужна. В отличие от этого, камин вызывает сильный поток воздуха в трубе. Так как обычно вентиляционные решетки имели недо- статочные размеры или их совсем не было, отток воздуха ком- пенсировался прониканием его под дверями или через неплотно закрывающиеся окна. Это создавало сквозняки, что было харак- терно для многих солидных английских домов. Между американскими и европейскими методами отопления и вентиляции промышленных и общественных зданий имелись значительные различия. Здание Палаты представителей в Ан- глии - одно из первых, где было установлено вентиляционное устройство (см. [1.1], разд. 8.9). После того, как Вестминстер-- ский дворец сгорел во время пожара 1834 г. (см. разд. 7.1) Д. Уосвелл Рейд, ведущий эксперт по вопросам вентиляции, был приглашен в качестве консультанта сначала для строительства временного помещения Палаты представителей, а затем посто- янного помещения в новом Вестминстерском дворце. Хотя кон- фликт между ним и архитектором Чарльзом Барри затруднял решение, это была одна из первых попыток научного обоснова- ния проекта вентиляционной системы с определенным контролем влажности. Рейд следовал принципу, что воздух должен быть направлен так, чтобы «держать ноги в тепле, а голову в холоде». В опубликованной в 1844 г. книге «Иллюстрации к теории и практике в области вентиляции» [8.52] он описал несколько — 234 —
своих экспериментов во время строительства Палаты предста- вителей. Очевидно, некоторые члены палаты высказали крити- ческие замечания по поводу работы отопления. Из разговоров с этими критиками Рейд выяснил, что один из них предпочитает температуру 11° С, а другой требовал 22° С. Были и другие мне- ния «спартанцев» середины XIX в. Так, например, Дуглас Галь- тон, который в 1880 г. подготовил статью по отоплению к девя- тому изданию Британской энциклопедии [4.65, том I], рекомен- довал температуру для гостиных от 12 до 20° С, а для спален не менее 4° С. Когда Касберт Бродрик построил городскую ратушу в Лидсе (1853—1859), он для обеспечения вентиляции Зала совещаний разместил скрытые выходные отверстия вентиляции в лепных деталях карниза, что послужило примером для нескольких других престижных зданий в Европе и Америке. Технология вентиляции определялась в течение нескольких десятилетий использованием вентиляторов в глубоких шахтах. Действительной проблемой было превращение вентиляции из роскоши в ощутимое удобство. Здания больниц и фабрик про- ложили путь в этом отношении. На фабриках пыль и тепло, яв- ляющиеся результатом производственных процессов, вызывали необходимость в соответствующих мерах их нейтрализации. Появлению вентиляции в больницах помогло широко распро- страненное мнение, что недомогание, появляющееся у людей в заполненных помещениях, происходит от токсичных выделе- ний в виде дыхания и пота. До тех пор пока «антропотокси- ческая теория» не была опровергнута в начале XX в. (см. разд. 8.2), существовала общепризнанная необходимость орга- низации хорошей вентиляции во всех больничных палатах, Вторая половина XIX в. была временем заметного прогресса в заботе о состоянии здоровья народа и мнен