Исторические строительные конструкции и виды их усиления

Чтобы уяснить сущность строительных материалов и конструкций, необходимо представить историю их развития, основные этапы архитектурно-технического применения. Историю строительства можно разделить на два периода:

1) Первый (ранний), когда методы строительства были главным образом эмпирическими;

2) Второй, когда строительная техника в возрастающей степени стала базироваться на научной основе (с XIX в.).

На людей Древнего мира, как и на современников, большое впечатление производили физические размеры сооружений. Вот семь чудес света, перечень которых был составлен в I в. до н.э. и позднее цитировался греческими и римскими авторами: 1) пирамиды Египта; 2) Висячие сады Семирамиды в Вавилоне; 3) храм Артемиды (Дианы) Эфесской в Малой Азии; 4) статуя Зевса в Олимпии; 5) гробница царя Мавзола (Мавзолей) в Малой Азии; 6) Колосс Родосский (статуя Гелиоса в Родосе); 7) маяк (Фарос) в Александрии.

Все эти «чудеса» поражали грандиозностью размеров и объемом использованных материалов. Строительство велось по строгому строительному Уставу тех времен. Одна из надписей, вырезанная на колонне и сохранившаяся до наших дней, гласит: «Если строитель построил дом для человека, и работа его не крепка, и дом, построенный им, обвалился и убил владельца, то строитель сей должен быть казнен», требования уставов были направлены прежде всего на обеспечение надежности сооружений, а не на экономию материалов. В те времена отсутствовали методы определения размеров конструкций, и отношение пролета к высоте сечения конструкции было малым вплоть до XII в. н.э. В античную эпоху, когда уровень развития строительной техники был достаточно низок, для строительства использовались материалы в их природном состоянии.

Природный камень - широко распространенный материал - благодаря своей долговечности, прочности и декоративности имел преимущества перед другими природными материалами (деревом и глиной). Особенности камня - хорошая работа на сжатие и слабое сопротивление изгибу - предопределили области его применения: конструкции отдельных опор (столбов), стен, арочно-сводчатые конструкции. Камень монументальных зданий стал материалом, который в государствах с деспотической формой правления лучше всего выразил идеи величия и вечности.

В Древнем Египте (XXX-XI вв. до н.э.) основным материалом для построек в массовом строительстве служил кирпич-сырец, в монументальном - горные породы камня (известняк, песчаник, базальт, гранит и др.). Кирпич изготавливался с помощью деревянных форм из смеси глины, ила, мелкой гальки и рубленой соломы. Кладка обработанных камней осуществлялась на растворе из смеси извести, песка и глины. Применялась также кладка «насухо», т.е. без раствора, Основными конструкциями каменных монументальных сооружений Египта (в основном, храмов) были стена и стоечно-балочная система, в которой мощные опоры несут массивную балку - блок с опиранием на нее каменных плит перекрытий. Для погребальных сооружений характерен сплошной массив кладки.

Дерево применялось в конструкциях перекрытий, крыш и для опор галерей. Использовались стволы пальм, связки из тростника и камыша.

Расцвет производства керамического кирпича начался в Двуречье - долине рек Тигра и Евфрата. Территория Вавилонии была лишена и дерева, и камня. Тем ценнее как строительный материал оказалась глина. Несмотря на трудности изготовления обожженного кирпича, связанные с нехваткой топлива, он стал играть значительную роль в архитектуре. Раскопки подтверждают существование знаменитой Вавилонской башни высотой 90 м, облицованной снаружи голубовато-лиловым глазурованным кирпичом. На огромную башню были израсходованы не менее 40 млн. кирпичей.

В императорском Риме высокий технический уровень имело строительство из бетона. Пески вулканического происхождения, обладающие цементирующим свойством, при смешивании с известью позволяли получать раствор, напоминающий современное цементное вяжущее. В качестве заполнителя использовались дробленая керамика или кирпич, природный камень или бут от разрушенных строений. Постоянная опалубка выполнялась из сплошной каменной кладки. Прочность бетонных сооружений после отвердевания бетонной массы не вызывала сомнений. Конструкции отличались массивностью: толщина стен иногда достигала нескольких метров.

Металл - один из наиболее старых искусственных материалов. В V-IV-м тысячелетиях до н.э. человек начал выплавку меди, олова и свинца из руд, а с 3-го тысячелетия до н.э. стала применяться бронза. Металлургия железа появилась в Египте, Месопотамии, Индии, а к концу 2-го тысячелетия до н.э. она проникла в Древнюю Грецию, Закавказье, Малую Азию, позднее - в Китай. Кричное и сварочное железо из-за своей мягкости и трудоемкости производства не могло получить применения в несущих конструкциях. На протяжении столетий железо применялось только для отдельных деталей в виде штырей, скоб, закрепов и т.п.

В Западной Европе сохранилось небольшое количество средневековых деревянных сооружений. Формы деревянных конструкций мало изменялись в период между XI и XVII вв. Основные типы соединений - шип, врубка, «ласточкин хвост». Обычным было применение шпонок из твердых пород дерева, так как железные гвозди, изготовлявшиеся вручную, обходились дорого, ржавели и были непрочными. В местах стыкования элементов деревянные конструкции заметно ослаблялись, поскольку при соединении вполдерева требовалось уменьшать сечение конструктивных элементов.

Еще в начале XIII в. привлек к себе внимание более твердый, чем железо, металл - чугун, получаемый при производстве железа. Из чугуна стали отливать различные изделия, а спустя пять веков - строительные конструкции в виде столбов и балок. В 1725 г. при строительстве башни Невьянского завода на Урале были применены чугунные балки с усилением понизу железными полосами — тем самым была учтена высокая прочность чугуна на сжатие, а железа — на растяжение. Как в России, так и за рубежом применялись отлитые из чугуна фермы, пояса которых соединялись между собой кольцами.

Распространение в строительстве металлических конструкций определило формообразование в архитектуре, особенно в новых типах зданий - вокзалов, универмагов. Определились характерные конструктивные, композиционные и эстетические достоинства металла. Однако подлинное утверждение металла в архитектуре связано с развитием стальных конструкций. Быстрому распространению в строительстве металлоконструкций способствовало открытие промышленных способов получения стали: бессемеровского (1855), мартеновского (1865), томасовского (1878), электрометаллургического (1900). Более прочная промышленная сталь полностью вытесняет из строительства низкокачественные железо и чугун, а кузнечный способ соединения элементов конструкций заменяется клепкой. Важную роль в процессе освоения строительной стали сыграли успехи в развитии строительной механики и методов расчета конструкций. Русский металл в XIX в. считался одним из самых прочных и качественных в мире. Железные дороги в разных странах предпочитали сооружать из российсокго металла, как известно, также, знаменитая Эйфелева башня была возведена из металла, выплавленного и выкованного на Демидовских заводах в России.

Возрождение бетона, а точнее, вторичное его открытие, относится к концу XVIII в. К тому времени в Европе возникает социальный заказ на гидравлическое вяжущее и на бетон как на необходимые материалы для гидротехнического, дорожного и промышленного строительства (для устройства фундаментов). Заказ реализуется рядом технических изобретений. Первый патент на гидравлическое вяжущее - романцемент (продукт обжига природных мергелей) - был получен в 1796 г. Дж. Паркером (Англия). Портландцемент (обжиг смеси известняка и глины; был создан в 1824 г. англичанином Дж. Аспдином и в 1825 г. в России Е. Челиевым. Идея армирования бетона родилась из наблюдения за отдельными клетками или частями организмов животного и растительного мира, выполняющими различные функции. Неудивительно, что идея армирования бетона пришла в голову почти одновременно нескольким изобретателям. Решая утилитарные задачи (увеличение прочности, огнестойкости, водонепроницаемости и др.), изобретатели в разных странах опытным путем пришли к созданию нового конструкционного материала - железобетона. Среди них были французы Ж. Ламбо, Ф. Куанье, Ж. Монье, англичанин В. Уилкинсон, американцы Т. Хайэт, В. Уард, русский Д. Жаринцев. В короткие сроки было выдано множество патентов. Внедрение железобетона шло быстрыми темпами.

Древесина, несмотря на положительные строительные качества, стала терять свою значимость в архитектурной практике, превращаясь во «второсортный» материал с применением там, где невозможно использование других материалов. В некоторой степени этому способствовало совершенствование металлических и железобетонных конструкций, их вовлечение в сферу индустриального строительного производства. Существовало даже мнение, что деревянные конструкции не отвечают требованиям индустриального строительства.

С развитием науки и техники к середине XX столетия это необоснованное предположение было опровергнуто появлением клееных деревянных конструкций. Технология изготовления таких конструкций позволяет организовать их массовый выпуск индустриальным методом в механизированных цехах. Развитию клееных конструкций способствовали достижения химической отрасли, производящей высококачественные клеи и средства защиты древесины, которая, соединенная в крупноразмерные элементы синтетическими клеями в условиях высокомеханизированной заводской базы, дала принципиально новый по качеству конструкционный материал, сохранив при этом все свойственные древесине положительные качества.

За многие десятилетия проектирования, организации и проведения работ были разработаны многочисленные методы усиления конструкций, в том числе:

Укрепление при перегрузках. Необходимость усиления каменных стен столбов возникает при механических повреждениях кладки, растесках проемов, ликвидации промежуточных перекрытий, чрезмерных нагрузках, наличии трещин или других признаков деформации и т.д. Следствием каждой из причин становится перегрузка рабочих сечений кладки, либо внецентренно обжатых, либо многократно сокративших несущую способность, например при расслоении инструкции на отдельные гибкие элементы. Поэтому большинство видов укрепления стен и столбов заключается в обеспечении местной устойчивости обжатой кладки.

Укрепление при структурном разрушении кладки. Под структурным разрушением здесь подразумевается, во-первых, деструкция строительного материала кладочных элементов, а во-вторых, нарушение монолитности кладочной структуры целых конструкций. Структурному разрушению подвергается перегруженная, а также мокрая кладка (при протечках кровель и коммуникаций, капиллярном подсосе влаги из грунта, коррозии закладного металла, изменении температурно-влажностного режима).

Укрепление гибких и наклонных стоек и стен. К внешне неустойчивым конструкциям, требующим введения открытых, логически завершающих рабочую схему элементов усиления, относятся наклоненные крепостные и подпорные стены, а также ограждающие стены и столбы зданий с обрушенными или разобранными междуэтажными перекрытиями. Если восстановление этих перекрытий трудноосуществимо или не оправдано методически, то чрезмерная свободная длина стен и колонн может быть снижена с помощью стержневых связей-затяжек и распорок, объединяющих элементы в пространственные блоки.

Выпрямление стен, столбов, пилонов. Если наклон стен, пилонов, башен и т.п. достаточно заметен, а укрепление с помощью открытых конструкций не представляется возможным, например, из эстетических соображений, возникает необходимость в их подъеме (повороте).

Усиление деревянных конструкций. Основной вид усиления стержневых систем – ферм, стропил и завершающих конструкций – частичная или полная замена их поврежденных элементов. Способ замены и стыковки зависит от характера работы стержня в системе. Сжатые элементы – верхние пояса ферм и подкосы соединяются и включаются в работу с помощью лобовых и угловых врубок, подстрахованных хомутами и шпильками.

Укрепление и консервация срубов. Укрепление массивных деревянных сооружений в виде простых и сложных срубов, мостов, ряжей и т.п. заключается, главным образом, в переборке венцов стен, подвалов, наката. Выборочная замена сгнивших венцов производится с местным «разжимом» сруба клиньями или домкратами. При замене подряд нескольких целых венцов, углов и несущих простенков вышерасположенная часть сруба вместе с конструкцией перекрытия предварительно вывешивается. Наиболее сложно укрепление высоких срубов – башен, церквей, мельниц.