Исторический обзор развития деревянных и пластмассовых конструкций

Русскими зодчими в XII—XIII веках созданы выдающиеся образцы деревянных гражданских и крепостных сооружений — это церкви, крепостные стены и башни (рис. 1), ветряные мельницы и другие сооружения.

Значительное развитие деревянные конструкции получили с начала XVIII века. Строились мосты, набережные, верфи и другие сооружения. Было введено лесопиление вместо тески досок топором. Совершенствовались каркасные конструкции. Однако техника выполнения несущих деревянных конструкций основывалась на плотничном искусстве.

Во второй половине XVIII в. роль инженера в развитии деревянных конструкций усиливается в связи с общим развитием инженерных наук. Плотничное искусство уступает место инженерному творчеству.

В 70-х годах XVIII в. И. П. Кулибин составил проект грандиозного по тем временам однопролетного арочного моста через р. Неву в Петербурге пролетом около 300 м с арками многорешетчатого типа и с соединениями на болтах. Была построена и испытана модель моста в 1/10 натуральной величины.

Крупным сооружением из дерева является покрытие над московским манежем с треугольными фермами пролетом 50 м, построенное в 1817 г. (рис. 2).

В середине XIX в. Д. И. Журавский запроектировал и построил несколько крупных деревянных железнодорожных мостов. Веребьинский мост имел 9 пролетов по 54 м, а Мстинский — 9 пролетов по 61 м (рис. 3). Д. И. Журавскому принадлежит заслуга создания теории расчета решетчатых ферм, а также составных балок, работающих на сдвиг при изгибе.

В гражданских и промышленных зданиях второй половины XIX в. преобладали треугольные фермы из бревен и брусьев со стальными растянутыми элементами. В конце XIX в. были применены первые пространственные покрытия и сооружения в металле и дереве, предложенные и выполненные В. Г. Шуховым (рис. 4).

В советский период небывалые темпы развития народного хозяйства поставили перед строителями новые задачи, вызвали необходимость разработки новых деревянных конструкций. Были применены новые дощато-гвоздевые конструкции в виде двутавровых балок и рам с перекрестной стенкой. Широкое распространение получили сегментные фермы и трехшарнирные арки из досок на гвоздях (рис. 5). При этом пролеты конструкций достигали 100 м. Впервые в Советском Союзе были применены пространственные дощато-гвоздевые конструкции типа оболочек (рис. 6).

Большой вклад в развитие деревянных конструкций внесли такие ученые, как Г. Г. Карлсен, В. М. Коченов, В. В. Большаков, М. Е. Каган, а также создатели теории расчета оболочек В. 3. Власов, А. А. Гвоздев и др.

Пространственные сетчатые системы В. Г. Шухова получили развитие в деревянных кружально-сетчатых конструкциях: в СССР — в виде безметальных кружально-сетчатых сводов Песельника (рис. 7), за рубежом — в так называемых покрытиях Цолльбау с узлами на болтах, которые с 1929 г. широко применялись в строительстве и в нашей стране.

В 30-х годах инженер В. С. Деревягин разработал соединение на дубовых пластинчатых нагелях для сплачивания брусьев. Составные балки Деревягина с таким соединением нашли применение в верхних поясах металлодеревянных ферм.

Уже в 1937 г. в ЦНИПС были начаты научные разработки и опытное строительство первых клееных конструкций. Исследования продолжались и в условиях военного времени, причем в порядке опытного строительства были изготовлены почти все разновидности конструкций — балки, арки, фермы. В послевоенные годы работы А. Б. Губенко, Г. Г. Карлсена, М. Н. Плунгянской, А. С. Белозеровой, Н. П. Птицына способствовали дальнейшему развитию клееных деревянных конструкций.

Изучением клееных деревянных конструкций у нас занимаются многие научно-исследовательские и учебные институты: центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК), ЦНИИ механической обработки древесины (ЦНИИМОД), институт механики АН УССР, Военно-инженерная академия, инженерно-строительные институты, ЦНИИЭПсельстрой, ЦНИИЭПЖили-ща, зональные НИИЭП, ЦНИИЭП зрелищных зданий и спортивных сооружений и др.

Первые несущие клееные деревянные конструкции в порядке эксперимента были изготовлены в Швейцарии более 60 лет назад, а затем в Швеции. В США, Канаде, ФРГ, Финляндии до конца 50-х годов несущие клееные деревянные конструкции использовались в незначительных объемах и только с 60-х годов начато их широкое применение.

В СССР промышленное производство клееных деревянных конструкций было организовано недавно — в 70-х годах. В настоящее время организован их выпуск на 17 заводах и в многочисленных цехах при деревообрабатывающих предприятиях. Из числа построенных можно отметить арки пролетом 45 м в покрытиях складов калийных комбинатов в гг. Солигорске (БССР), Березниках и Соликамске на Урале, на химико-металлургическом комбинате в г. Калуше на Украине (рис. 8). Пролеты клееных деревянных конструкций для спортивных сооружений с покрытием из трехшарнирных арок кругового очертания равны 63 м в Архангельске и 57 м в Калинине. В Белорусской ССР построено несколько спортивных объектов с применением в покрытиях трехшарнирных клееных деревянных арок пролетом 49 м.

Параллельно с развитием конструктивных форм совершенствовались методы расчета деревянных конструкций. Неоднократно издавались нормативные документы на их проектирование. С 1955 г. расчеты всех строительных конструкций производятся по методу расчетных предельных состояний, который заменил собой существовавший ранее метод допускаемых напряжений.

Большой вклад в древесиноведение внесли исследования Ф. П. Белянкина, Ю. М. Иванова, Л. М. Перелыгина и других, посвященные изучению структуры и физико-механических свойств древесины. Отечественную теорию расчета сжатых, сжато-изгибаемых стержней, в том числе стержней на податливых связях разработали П. Ф. Плешков, А. Р. Ржаницын, В. Г. Писчиков, Г. В. Свенцинский и др.

В области антисептирования древесины начало научно обоснованной системе противогнилостных мероприятий заложено А. Н. Борщевским.

А. И. Фоломин разработал новый способ сушки и одновременной пропитки древесины в неводных жидкостях.

Дальнейшее развитие производства деревянных конструкций предусматривает внедрение конструкций, удовлетворяющих требованиям комплексной механизации их изготовления и монтажа.

Получают широкое применение легкие клеефанерные конструкции, внедряется бакелизированная фанера, являющаяся наиболее стабильным лесоматериалом по своим физико-механическим свойствам. В СССР клееные фанерные конструкции стали применять в конце 40-х годов. Клеефанерные балки пролетом 12 м были использованы для перекрытия цеха в г. Электросталь. В 50-е годы было предложено использование фанерных труб и профилей в фермах покрытий и пролетных строений мостов. В последние годы в строительстве внедряются балки и треугольные арки с двутавровым и коробчатым сечением элементов. Трехслойные клеефанерные плоские и криволинейные панели применяются в куполах, сводах-оболочках и т. д.

История применения пластмасс насчитывает всего несколько десятилетий. В нашей стране изучение свойств конструкционных пластмасс и строительных конструкций на их основе интенсивно началось с развитием химической и нефте-химической промышленности. Изучение физико-механических свойств пластмасс, установление расчетных характеристик позволили обосновать расчеты и методы проектирования строительных конструкций с их применением. Тенденции развития пластмассовых конструкций изложены в § 2, примеры современных конструктивных решений и правила их проектирования даны в учебнике в соответствующих главах и параграфах.

В 1958 году профессором С. С. Давыдовым сформулирована впервые идея создания нового конструкционного материала — пластбетона. В последующие годы под руководством профессоров А. М. Иванова и С. С. Давыдова разработана технология изготовления изделий из этого материала и проведены исследования по расчету и конструированию их. Новый материал уже применяется в экспериментальном строительстве.

Дальнейшее развитие и совершенствование деревянных и пластмассовых конструкций основано на индустриализации их изготовления, разработке рациональных схем размещения предприятий, расширении номенклатуры конструкций и разработке новых эффективных форм, на определении областей рационального применения, накоплении, анализе и обобщении опыта эксплуатации, на повышении качества изготовления и на применении новых методов контроля, совершенствовании норм проектирования, обеспечении надежности и долговечности.