История металлоконструкций

Сегодня металлоконструкции широко применяются в строительстве. Они различны, и квалифицируются по размеру, способу изготовления, конфигурации и принципу действия. В зависимости от технологии изготовления такие конструкции могут быть литыми, коваными, точеными, клепанными, штампованными, сварными и комбинированными: клеесварными, штампосварными. Достоинств у металлических установок масса: они обладают меньшим весом, чем железобетонные, плюс, простота и серийность их изготовления, легкость монтажа и демонтажа, возможность осуществления монтажа крупными блоками, транспортабельность. Трудно представить сейчас без них нынешнюю инфраструктуру города и села. Стальные конструкции создают прочность промышленных и агропромышленных сооружений, мостов, эстакад (сооружений в виде моста для проведения одного пути над другим в месте их пересечения, для причала судов), а также специальных построек (резервуаров – вместилищ для хранения жидкости и газов, башнях, мачтах, трубопроводах). Без алюминиевых сплавов не обходится ни одна внутренняя и внешняя отделка здания. Это и плиты покрытий, и панели стен, и листовые покрытия больших пролетов типа арок и куполов. Всего и не перечислишь.

Развитие металлических конструкций

Развитие металлических конструкций в нашей стране идет из XII века. Ученые подразделяют время их развития на пять периодов. Первый – самый протяженный. Он насчитывает пять веков (от XII до начала XVII вв.) Русские зодчие использовали металл при возведении дворцов и церквей в виде затяжек – стержней, обычно горизонтальных, применяющихся для растяжения и соединения концевых узлов строительных конструкций и скреп для каменной кладки. Скрепы – это специальная безусадочная сухая смесь для заполнения пустот в сооружениях. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одними из первых они использовались при возведении Успенского собора во Владимире в 1158 году. Вероятно, эти приемы наши предки взяли на вооружение у древних греков, римлян и египтян, ведь при раскопках металлические скрепы обнаружены были в римских термах Каракаллы, храме Крокодилов в Египте, Эрехтейоне в Греции. Поражает дальновидность древнейших строителей. Так, блоки в стенах мексиканского храма Ума-Пунка соединены металлическими скрепами в виде плоских гантелей длиной 20 сантиметров. Они отлиты в канавки соседних блоков как в изложницы. Эти скрепы – сплав железа, меди и никеля. А при возведении храмов в Византии для соединения строительных деталей применяли железные скобы – железные полосы, изогнутые под углом, служащие для скрепления деревянных частей в лесах, стропилах, мостах и других сооружениях. По всей видимости, первыми стали применять железо в постройке греки. И этому есть обоснование. Для преодоления напряжения растяжения они скрепляли каменной кладкой железную арматуру – каркас такой конструкции. Металлические затяжки были использованы и при строительстве Парфенона. Зодчий Мнесикл замуровал в специальных канавках – мраморных балках железные стержни длиной около 2-х метров. Каменные блоки Эрехтейона в одном ряду скреплялись металлическими скобами в виде пластин, напоминающими двойную букву Т или были П-образной формы. Блоки в смежных рядах связывали вкладышами-пиронами (короткий металлический стержень, скрепляющий блоки каменной кладки по вертикали). Каждый пирон вставляли в перевернутый камень и ставили на место так, чтобы свободный его конец входил в гнездо нижнего камня, которое заливали свинцом по специально пробитому лотку. Иногда строители Эрехтейона применяли деревянные вкладыши или комбинированные скрепы в виде металлических штырей, заделанных в деревянные пробки. Металлические крепления заделывались в свинец или дерево, для того чтобы мягкая свинцовая оболочка смягчала их удары о стенки мраморных блоков при землетрясениях.
Но вернемся к русскому зодчеству. Второй период развития металлических конструкций начало XVII – конец XVIII века. В это время в возведении сооружений используются наслонные металлические стропила (опора для кровли) и пространственные купольные («корзинки») глав церквей. Наглядно это выглядит так:
Стержни «корзинок» выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Кстати, такие формы мы можем увидеть и сегодня. Побывайте возле перекрытия старого Кремлевского дворца в Москве, который датируется 1640-м годом. Или посмотрите каркасы купола колокольни Ивана Великого (1603 г.) и купола Казанского собора в Санкт-Петербурге пролетом 15 метров (1805 г.). Стоит оценить также мастерство инженерного решения в создании металлической конструкции, которая поддерживает каменный потолок над коридором между притворами храма Василия Блаженного (1560 г.). Уникальность ее в том, что она одной из первых состоит из стержней, работающих сразу на растяжение, изгиб и сжатие. Затяжки для поддержки потолка укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Что доказывает дальновидность конструктора, который знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Литье чугуна

В начале XVIII века Россия активно осваивает литье чугуна. Что отразилось и на новом этапе металлического строительства – третьим в нашей хронологии, и продлился он до середины XIX века. Быстрыми темпами начинается освоение процесса литья чугунных стержней и деталей. Возводятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Теперь соединения чугунных элементов происходило за счет замков или болтов.
Первым чугунным изделием в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале(1725 г). А через 59 лет после этого в Петербурге был построен и первый чугунный мост. Такие конструкции достигли совершенства в стране к середине XIX столетия. Чего только стоит один купол Исаакиевского собора (рис. 1.3), собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки! Он состоит из верхней конической части, поддерживающей каменный барабан – упирающаяся на своды цилиндрическая или граненая часть здания, увенчанная куполом, – и нижней более пологой части. Наружная оболочка купола при помощи легкого железногокаркаса опирается на чугунную конструкцию. Или чугунная арка пролетом 30 метров, которая была применена в перекрытии Александрийского театра в Петербурге (1827 – 1832 гг.), или Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 метров, который является самым крупным чугунным мостом мира!
Что же касается деталей скреплений конструкций, то постепенно наслонные стропила меняются на смешанные железочугунные треугольные фермы – сооружения из скрепленных стержней и брусьев (рис. 1.4). Поначалу в фермах не было раскосов (рис 1.4, а), они появились в конце XIX века (рис. 1.4, б). Сжатые стержни часто выполняли из чугуна, а растянутые – из железа. В узлах элементы соединялись через проушины на болтах. Ограничивало конструктивную форму железных стержней отсутствие в этот период прокатного и профильного металла.

 

Закрыть