Пособие история отрасли и введение в специальность. Учебное пособие
 Скачать 2.97 Mb.
|
|
Бетон и железобетон. Известен бетонболее 6000 лет (Междуречье), широко использовался в Древнем Риме. После падения Римской Империи рецепт изготовления бетона был забыт на тысячу лет. Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его за- рождения уходит далеко вглубь веков. Очевидно лишь то, что он не возник та- ким, каким мы его знаем, а, как большинство строительных материалов, про- шел длинный путь развития. Наиболее ранний бетон, обнаруженный археоло- гами, можно отнести к 5600 г. до н.э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапински Вир (Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приго- тавливался на гравии и красноватой местной извести. История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлась глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некото- рую прочность. По мере развития и усложнения строительства возрастали тре- бования, предъявляемые к вяжущим веществам. Более чем за 3 тыс. лет до н.э. в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие, такие, как гипс, а позднее - известь, которые получали посредством умеренной терми- ческой обработки исходного сырья. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве) датируется 1950 г. до н.э. Бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до н.э. Римляне материал, подобный бетону, называли по-разному. Так, литую кладку с каменным заполнителем они именовали греческим словом "эмплек- тон" (emplekton). Встречается также слово "рудус" (rudus). Однако чаще всего при обозначении таких слов, как раствор, используемый при возведении стен, сводов, фундаментов и тому подобных конструкций, в римском лексиконе 45 употреблялось словосочетание "опус цементум" (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон (рис. 19). Несомненно, на широкое распро- странение римского бетона определенное влияние ока зала политическая и экономи- ческая структура античного общества. Од- нако не в меньшей степени, а может быть, даже в большей, этому способствовал и ряд крупных технических достижений. В част- ности, открытие римлянами свойств пуццолановых добавок, значительное улучшение состава бетона за счет использования чистых и даже в отдельных случаях фракционированных заполнителей взамен ранее применявшегося грун- та, и тщательное уплотнение бетонной смеси, которому римляне уделяли большое внимание, и которое в значительной степени способствовало улучше- нию качества бетона. Предположительно, в период наивысшего развития бето- на (2 век н.э.) римлянами были разработаны и новые виды вяжущих веществ типа романцемента, позволившие в значительной степени улучшить физико- механические и деформативные характеристики возводимых ими бетонных со- оружений. Повышению долговечности бетона способствовали и географиче- ские условия Италии с ее теплым и влажным климатом, в то время как в других странах с более суровым климатом постройки из такого же бетона сохранились плохо. Даже сегодня не потеряли своей значимости и конструктивные особен- ности римских бетонных дорог, полов, сводов и куполов, особенно в связи с тем, что, не умея бороться с растягивающими и изгибными напряжениями бе- тонных конструкций, римляне прекрасно "научили" их работать на сжатие. Большой интерес представляет и химико-минералогический состав римского цемента. Сочетание этих нововведений и явилось, видимо, основной причиной поразительной долговечности римского бетона, которую до сих пор нередко связывают с якобы утраченными секретами античных строителей. Рис. 19 - Колизей (75—80 гг. н.э.) 46 В середине XIX в. был изобретен железобетон. С помощью стальной арматуры (стержней, спиралей) увеличили прочность бетона. Французский ин- женер Ламбо на Всемирной парижской выставке 1855 г. продемонстрировал лодку с корпусом из металлического каркаса, залитого цементным раствором. В 1861 г. французский ученый Коанье описал в своей книге несколько конст- рукций из бетона с металлической сеткой. Но патент на изготовление железобетонных изделий получил садовник Монье, после того как в 1867 г. сделал железобетонную цветочную кадку. И именно с нее началась эра применения железобетона. С 1885 г., когда Монье продает право на свои изобретения, железобетон начинает широко применяться в строительстве. Так давно известный бетон в XIX в. упрочил свои позиции в строительстве, заняв место самого популярного материала. В последней четверти XIX в. появилась идея «свежеприго- товленной бетонной смеси» - то- варного бетона. В 1872 г. британ- ский инженер Диконс высказал мысль, что «несомненно, большим преимуществом должна рассмат- риваться доставка бетонной смеси или раствора непосредственно на стройплощадку». Считается, что первыми воплотили эту идею в жизнь немцы. Гамбургский архитектор Магенс начал интенсивные поиски подходящих спо- собов внеплоща дочного заводского изготовления и транспортирования свеже- приготовленной и удобоукладываемой бетонной смеси в требуемом количестве и с нужными характеристиками на достаточно большие расстояния. Первые поставки товарного бетона вне Германии были эффективно осуществлены в США перед Первой мировой войной. Растущий выпуск специ- ального транспорта, поставляемого новой и быстро развивающейся автомо- Рис. 20 - Первый советский серийный автобе- тоносмеситель СССМ-738/С-49 на шасси ЯГ-6 47 бильной промышленностью, сыграл позитивную роль в развитии отрасли про- изводства товарного бетона. В Европе товарный бетон стали выпускать в 1926 г. Тогда же в США, а в начале 30-х годов - в Великобритании появился первый автобетоносмеситель. Развитие технологии производства бетона. Использование бетона и железобетона для строительства началось только во второй половине XIX в., после получения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале бетон использовался для возведения монолитных кон- струкций и сооружений. Применялись жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, армиро- ванного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надле- жащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции. Однако применение подобных смесей затрудняло получение бетона высокой прочно- сти, требовало повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижени- ем явилось появление в 30-х годах способа уплотнения бетонной смеси виб- рированием, что позволило обеспечить хорошее уплотнение малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне, повысить его прочность и долговечность. В эти же годы был предложен способ предвари- тельного напряжения арматуры в бетоне, способствовавший снижению расхо- да арматуры в железобетонных конструкциях, повышению их долговечности и трещиностойкости. В 80-х годах XIX века Профессор А.Р. Шуляченко разработал теорию получения и твердения гидравлических вяжущих веществ и цементов и дока- зал, что на их основе могут быть получены долговечные бетонные конструк- ции. Под его руководством было организовано производство высококачествен- ных цементов. Профессор Н.А. Белелюбский в 1891 году провел широкие ис- пытания, результаты которых способствовали внедрению железобетонных кон- 48 струкций в строительство. Профессор И.Г. Малюга в 1895 году в своей работе "Составы и способы изготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости" обосновал основные законы прочности бетона. В 1912 году был издан капитальный труд Н.А. Житкевича "Бетон и бетонные работы". В начале века появляются много работ по технологии бетона и за рубежом. Из них наиболее важными были работы Р. Фере (Франция), О. Графа (Германия), И. Боломе (Швейцария), Д. Абрамса (США). В России технология бетона получила широкое развитие со времени первых крупных гидротехнических строительств - Волховстроя (1924 год) и Днепростроя (1930 год). Профессора Н.М. Беляев и И.П. Александрин возгла- вили ленинградскую научную школу по бетону. В 30-е годы ученные москов- ской школы бетона Б.Г. Скрамтаев, Н.А. Попов, С.А. Миронов, С.В. Шестопе- ров, П.М. Миклашевский и другие разработали методы зимнего бетонирования и тем самым обеспечили круглогодичное возведения бетонных и железобетон- ных конструкций, создали ряд новых видов бетона, разработали способы по- вышения долговечности бетона, основы технологии сборного железобетона. В послевоенные годы создавались новые виды вяжущих веществ и бетонов, на- чинали широко применяться химические добавки улучшающие свойства бето- на, совершенствовались способы проектирования состава бетона и его техноло- гия. Металлические конструкции. Понятие «металлические конструкции» объединяет в себе их конструк- тивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень разви- тия металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, а с другой - возможностями технической базы: раз- витием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов. 49 Первый период (от XII в. до начала XVII в.) характеризуется примене- нием металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки (рис. 21). Затяжки выковы- вали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых таких конст- рукций являются за- тяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.). По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок над коридором между при- творами Покровского собора - храма Василия Блаженного (1560 г.). Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяже- ние, изгиб и сжатие. Затяжки, поддерживающие потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Поражает, что уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо приме- нять полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие нa сжатие, лучше делать квадратного сечения. Второй период (от начала XVII в. до конца XVIII в.) связан с приме- нением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций ("корзинок") глав церквей (рис. 22). Стержни конструкций выпол- Рис. 21 - Металлические связи в каменных конструкциях Рис. 22 - Металлические конструкции XVII в. а) наслонные стропила; б) каркас купола; в) узел каркаса а) б) в) 50 нены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапезной Троицко- Сергиевского монастыря в Загорске (1696-1698 гг.), перекрытие Большого Кремлевского дворца в Москве (1640 г.), каркас купола колокольни Ивана Ве- ликого (1603 г.), каркас купола Казанского собора в Санкт-Петербурге проле- том 15 м (1805 г.) и др. Третий период (от начала XVIII в. до середины XIX в.) связан с освое- нием процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). В 1784 г. в Петербурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструкции в России достигли в середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией 40-х го- дов XIX в. является купол Исаакиевского со- бора (рис. 23), собранный из отдельных кося- ков в виде сплошной оболочки. Конструкция купола состоит из верхней конической части, поддерживающей каменный барабан, венчаю- щий собор, и нижней, более пологой части. Наружная оболочка купола с помощью легкого железного каркаса опирается на чугунную конструкцию. Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александринского театра в Петербурге (1827 - 1832 гг.). В 50-х годах XIX в. в Петербурге был построен Ни- колаевский мост с восемью арочными пролё- Рис. 23 - Купол Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге 51 тами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира. В этот же период наслонные стропила постепенно трансформируются в смешан- ные железочугунные треугольные фермы. В фермах сначала не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода. Сжатые стержни ферм часто выполняли из чугуна, а растянутые - из железа. В узлах элементы соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничи- вало конструктивную форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были поняты и стержни уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой нагретых полос. Четвертый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени и, в частности, в металлургии и металлообработке. В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным - пудлингованием, а в конце 80-х годов - выплавкой железа из чу- гуна в мартеновских и конвертор- ных цехах. Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышленности. В 30-х годах XIX в. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса; в 40-х годах был освоен процесс получе- ния профильного металла и прокатного листа. В течение ста последующих лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун, будучи материалом, более со- вершенным по своим свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше поддающимся контролю и механической обработке. Рис. 24 - Перекрытие тульских мастерских (80 – е гг. XIX в., В.Г. Шухов) 52 Чугунные конструкции во второй половине XIX в. применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т. п., где могла быть полно- стью использована хо- рошая сопротивляе- мость чугуна сжатию. В России до кон- ца XIX в. промышлен- ные и гражданские зда- ния строились в основ- ном с кирпичными сте- нами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались тре- угольные металлические фермы (рис. 24). Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлением раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выпол- нять заклепочными с помощью фасонок. В конце прошлого столетия применялись решетчатые каркасы рамно- арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов. Приме- рами являются покрытия Сенного рынка в Петербурге (1884 г.) пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м (1891 г.), покрытие Гатчинского вокзала (1890 г.) и др. Наибольшего совершенства рамно-арочная конструкция достиг- ла в покрытии дебаркадеров Киевского вокзала в Москве, построенного по проекту В. Г. Шухова (1913-1914 гг). В конструкциях этих сооружений хорошо проработаны компоновочная схема, опорные закрепления и узловые заклепоч- ные соединения. Во второй половине XIX в. значительное развитие получило металличе- ское мостостроение в связи с ростом сети железных дорог (рис. 25). На строи- тельстве мостов развивалась конструктивная форма металлических конструк- ций, совершенствовалась теория компоновки и расчета, технология изготовле- Рис. 25 - Енисейский мост: на Средне-Сибирской желез- ной дороге, близ г.Красноярска, представляет собой одно из замечательных сооружений в России, как по своей грандиозности, так и по трудности условий постройки его. 53 ния и монтажа. Принципы проектирования, разработанные в мостостроении, были перенесены затем на промышленные и гражданские объекты. Основате- лями русской школы мостостроения являются известные инженеры и профес- сора С. В. Кербедз, Н. А. Белелюбский, Л. Д. Проскуряков. Пятый период начинается с конца 20-х годов 20 века. К концу 40-х го- дов клепаные конструкции были почти полностью заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Развитие металлургии уже в 30-х годах позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной ма- лоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь, а в середине столетия номенклатура применяемых в строительстве низколегированных и высокопрочных сталей значительно расширилась, что позволило существенно облегчить массу конструкций и создать сооружения больших размеров. Кроме стали, в металлических конструкциях начали использовать алюминиевые спла- вы, объемная масса которых почти втрое меньше. Чрезвычайно расширились номенклатура металлических конструкций и разнообразие их конструктивных форм. В начале 1930-х гг. стала оформляться советская школа проек- тирования металлических конструк- ций. В связи с развитием металлургии и машиностроения строилось много промышленных зданий с металличе- ским каркасом (рис. 26). Стальные каркасы промышленных зданий ока- зались ведущей конструктивной фор- мой металлических конструкций, оп- ределяющей общее направление их развития. Требованиям эксплуатации и вы- соких темпов строительства в лучшей степени отвечали сложившиеся к тому времени схемы конструирования поперечных рам с жестким сопряжением ко- Рис. 26 - Поперечная рама цеха на- чала 30-х годов 54 лонн с фундаментами и ригелями. В годы Великой Отечественной войны 1941- 1945 гг., несмотря на временную потерю южной металлургической базы и большой расход металла на нужды войны, в промышленном строительстве и мостостроении на Урале и в Сибири широко использовались металлические конструкции. Они лучше других конструкций отвечали основной задаче воен- ного времени – скоростному строительству. В соответствии с этим требованием упрощалась конструктивная форма благодаря более широкому применению сплошных конструкций из крупных прокатных профилей. Успехи в развитии металлических конструкций за совет- ский период достигнуты благодаря творческим усилиям проектных и научных организаций, возглавляемых ведущими профессорами и инженерами, внесши- ми большой личный вклад в это развитие. Особенно значительны заслуги про- фессора Н.С. Стрелецкого (1885-1967 гг.), возглавлявшего в течение 50 лет со- ветскую конструкторскую школу металлостроительства. Он впервые применил статистические методы в расчете конструкций, исследовал работу статически неопределимых систем за пределом упругости, провел теоретические исследо- вания и обобщил их данные в области развития конструктивной формы. Е.О. Патон (1870-1953 гг.), также внес свой вклад в развитие металлического мосто- строения, имеет исключительные заслуги в области механизации и автоматиза- ции электродуговой сварки, что являлось важным техническим достижением советской школы сварщиков. Металлические конструкции и сегодня применя- ются во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необхо- димы значительные пролеты, высота и нагрузки (торговые центры, выставоч- ные павильоны, ангары и т.п.). Современные технологии расчета и проектиро- вания элементов металлических конструкций отличаются широким применени- ем систем автоматизированного проектирования (САПР). |