Развитие железобетона в России

1. Возникновение железобетонных конструкций.

     Железобетонные  конструкции по сравнению с конструкциями  из других материалов (камня, дерева, стали) являются новыми. В строительстве они появились только во второй половине XIX в. Однако, несмотря на это, железобетон получил широкое распространение в строительстве и имеет свою историю и своих выдающихся деятелей. Когда именно появились первые железобетонные конструкции и кому принадлежит первая мысль включения проволочного каркаса в массу цементного бетона, точно не известно. Первые подобные конструкции встречаются в середине прошлого столетия. Так, около 1850 г. француз Ламбо изготовил лодку из проволочной сетки, обмазанной с обеих сторон цементным раствором, которая затем была выставлена на Всемирной выставке в Париже в 1855 г. Около этого же времени американец Хайэтт уже производил опыты с армированными балками и дал описания некоторых конструкций, характеризуемых включением железа в бетон. В его книге, изданной в 1877 г., впервые было высказано положение о целесообразности расположения железа в растянутой зоне элемента. В Англии первые предложения конструкций из бетона и железа относятся к 1854 г. (патент Уилкинсона). В 1861 г. француз Куанье предложил свои конструкции перекрытий, сводов и труб, основанные тоже нал принципе железобетона. Несмотря на это, изобретателем железобетона долго считали парижского садовника Монье, взявшего первый патент в 1867 г. на изготовление цветочных кадок из проволочной сетки, обмазанной с обеих сторон цементным раствором, т. е. той же по существу конструкции, что и лодка Ламбо. За первым патентом последовали другие на изготовление резервуаров, труб, плит, сводов и т. п. Столь успешное внедрение железобетона в разные области строительства относят к заслуге Монье. Однако, не имея понятия о существе работы своих конструкций, Монье выполнял их чисто эмпирически, допуская грубые ошибки. Например, в плитах он укладывал сетку посредине толщины, где растягивающих напряжений вообще ожидать нельзя. Французы, торжественно отметив в 1949 г. столетие железобетона, тем самым признали приоритет Ламбо. Работы Монье имели весьма ограниченное распространение и лишь в 1884 г., когда его патенты были приобретены двумя немецкими строительными фирмами, изучением железобетона стали заниматься ученые и инженеры. В 1886 г. инженером Вайсом и профессором Баушингером (при материальной поддержке фирмы Фрейтаг и Гейдшук) были предприняты первые научные опыты над железобетонной конструкцией по определению прочности, огнестойкости, сохранности железа (арматуры) в бетоне, силы сцепления арматуры с бетоном и т. п. Тогда же немецким инженером М. Кененом было высказано то же положение, что и Хайэттом, подтвержденное опытами, что арматура в виде железных стержней должна располагаться в тех частях конструкции, где можно ожидать растягивающих усилий. В 1887 г. Кенен предложил первый метод расчета железобетонных плит, а Вайс издал брошюру о системе Монье с описанием результатов опытов и изложением данного метода расчета. Это существенно подняло доверие к новому материалу и способствовало более широкому распространению железобетона в Германии и в Австро-Венгрии. Во Франции дальнейшее развитие системы Монье, а также целого-ряда других систем, как Куанье, Коттансена, Борденава, Бонна и др. шло сравнительно медленнее, чем в Германии. Существенное влияние на развитие железобетона оказала новая система, предложенная французским инженером Франсуа Геннебиком в 1892 г. Эта система - ребристых конструкций, для которых отпала необходимость в металлических балках, - положила начало возведению монолитных железобетонных конструкций. Геннебик выполнял из железобетона не только плиты и балки и их монолитное сочетание, но также колонны, фундаменты, подпорные стены и пр.; затем им были введены забивные железобетонные сваи.

     В ребристой конструкции Геннебик впервые применил арматуру (отгибы и хомуты) для усиления бетона против скалывающих усилий. В действительности же эта арматура воспринимает главные растягивающие напряжения. Затем он дал приближенные формулы для расчета, получившие сразу большое распространение. По железобетонному строительству фирма Геннебика была самой мошной. Она имела отделения во многих странах, в том числе и в России. Появление в это время многочисленных систем железобетонных конструкций (особенно перекрытий) было вызвано главным образом конкуренцией разных предпринимателей. Системы эти несущественно различались - видом арматурных стержней и их расположением в бетоне - и по существу сводились к двум основным видам конструкций: Монье и Геннебика. Со времени предложений Геннебика, т. е. с конца XIX в., можно считать начало первого этапа развития железобетона, характеризуемого появлением в практике строительства разного рода железобетонных стержневых систем. Вскоре повсеместно вошел в употребление и метод расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, в основу которого положены законы сопротивления материалов, с учетом особенностей железобетона. По этому методу, нередко называемому классическим, считаются справедливыми гипотеза плоских сечений и закон Гука, т. е. принимается, что нормальные напряжения при изгибе пропорциональны деформациям и расстояниям волокон до нейтральной оси, сопротивление бетона растяжению не учитывается, и, таким образом, эпюра напряжений (при изгибе) принимается в виде треугольника в сжатой зоне (II стадия напряженного состояния). При расчете вводится приведенное (фиктивное) сечение, в котором сталь приведена к материалу бетона и принимает на себя напряжения, в п раз большие, чем бетон. В США благодаря смелым работам инженера Ренсема и приглашенных из Германии и Австрии специалистов (Эмпергер, Мелан) применение железобетона также значительно расширилось. Большое распространение для постройки мостов получила вывезенная из Австрии система Мелана, арматуру (жесткую) которой составляют металлические балки и целые конструкции в виде решетчатых арок и ферм. В течение долгого времени основное внимание американских инженеров было направлено на выработку всевозможных форм стержней (периодического профиля) для увеличения сопротивления скольжению их в бетоне. Однако в 1906 г. в США появилась новая конструкция Турнера монолитных перекрытий - так называемая безбалочная "грибовидная", устраиваемая без применения каких-либо балок и получившая вскоре значительное распространение в России и Западной Европе. Следует отметить, что в США первые официальные нормы по железобетону были изданы только в 1921 г. [2, C.567-569].

2. Развитие железобетона в дореволюционной России.

     Применение  первых железобетонных конструкций  в России относится к 1885 г., т. е. к  тому времени, когда в Западной Европе они только получили признание и  практическое применение в строительстве. В 1886 г. Вначале распространение  железобетона в России шло очень  медленно как вследствие слабого  развития промышленности, так и недоверия  к этому новому виду конструкций  со стороны многих инженеров, что  являлось следствием отсутствия установленных методов расчета и конструирования. Большая заслуга в деле развития железобетона в России принадлежит Н. А. Белелюбскому, профессору Института инженеров путей сообщения, который правильно оценил значение железобетона для строительства и явился убежденным пропагандистом его среди инженеров. Под его руководством в 1891 г. в Петербурге были проведены обширные опыты с разного рода железобетонными конструкциями, имевшие целью проверку рациональности самого принципа железобетона и возможности его применения в разных областях строительства. В присутствии значительного числа представителей разных ведомств и учреждений были подвергнуты испытанию нагрузкой различные железобетонные конструкции в натуральную величину: железобетонные плиты, армированные сетками из стержней 0 5, 6, 7 и 10 мм; железобетонный свод при толщине в шелыге 5 и в пятах 8 см, рабочая арматура 0 7 мм через 7 см; труба, армированная сетками, изготовленными из стержней - поперечных 06 мм, расположенных через 7,5 см, и продольных 05 мм - через 7 см; цилиндрический резервуар, у которого в качестве арматуры применена одиночная сетка; шестигранный закром элеватора со сторонами 1,5 м и высотой 3,0 м при толщине стенок 8 см, арматура двойная из двух сеток; сводчатый мост под проезжую дорогу пролетом 17,08 м при ширине 6,4 м, толщина свода в шелыге 14 и в пятах 30 см, арматура - сетка из продольных стержней 013 мм через 7,5 см и поперечных 0 7 мм через 7 см; у пят добавлена вспомогательная сетка из стержней - продольных 0 10 мм через 7,5 см и поперечных07 мм через 7 см. Для сравнения результатов испытания плиты и свод указанных пролетов были исполнены и без арматуры, т. е. чисто бетонные. Результаты испытаний были весьма убедительными; они показали большие -преимущества железобетона, рассеяли сомнения у многих инженеров и явились толчком к распространению железобетона в строительстве. В 1908 г. Министерством путей сообщения были утверждены первые Технические условия для железобетонных сооружений, которые в 1911 г. были заменены новыми Техническими условиями с приложенными к ним Нормами для расчета прочности железобетонных сооружений. Эти первые официальные документы имели существенное значение для развития железобетонного дела в России. Почти одновременно были выпущены Технические условия (ТУ) и другими ведомствами, которые вели железобетонное строительство: военным ведомством, Министерством внутренних дел, Министерством финансов, а также Московской городской управой. Неполнота первых Технических условий Министерства путей сообщения МПС 1908 г. и отсутствие в них норм для расчета побудили Железобетонную комиссию Московской городской управы приступить к разработке более подробных ТУ для возведения железобетонных промышленных и гражданских зданий и сооружений. При этом для проверки ряда возникших расчетных и конструктивных вопросов параллельно с постройкой покрытий вагонных сараев были возведены из тех же материалов экспериментальные железобетонные конструкции, при испытании которых был разрешен ряд существенных вопросов [3, C. 123-127].

     Для выяснения свойств железобетона в отношении пригодности его  для фортификационных (оборонительных) сооружений в 1907-1909 гг. под Петербургом профессором Николаевской инженерной академии Н. А. Житкевичем производились испытания железобетонных плит взрывами. Эти испытания явились, можно сказать, преддверием обширных опытов над фортификационными сооружениями долговременного характера на о. Березань на Черном море (близ г. Очакова) в 1912 г. - самых крупных из известных в то время опытов этого рода в мире. Результаты этих опытов были весьма значительными. На основе их были разработаны совершенно новые фортификационные конструкции, успешно выдержавшие боевое испытание в первую мировую войну (в крепости Осовец). Вопросы технологии бетона, бетонных и железобетонных работ разрабатывались главным образом в Петербурге в трех механических лабораториях: Института инженеров путей сообщения (проф. Н. А. Белелюбский), Николаевской инженерной академии (проф. И. Г. Малюга) и Политехнического института (проф. С. И. Дружинин). В Москве первая лаборатория по изучению и испытанию бетона была организована проф. Н. К. Лахтиным. Что касается научной работы в области железобетонных конструкций, то она велась почти исключительно в высших учебных заведениях и то преимущественно теоретически. Никакого исследовательского института или специальной лаборатории, где занимались бы изучением железобетона, в то время не было.

     Перед началом первой мировой войны  русские инженеры широко и успешно вели бетонное и железобетонное строительство, особенно по возведению искусственных сооружений на железных и шоссейных дорогах, а также портовых сооружений (на Балтийском и Черном морях и во Владивостоке) и фортификационных сооружений в крепостях. В последних двух областях имелись значительные достижения в отношении производства и механизации бетонных и железобетонных работ. Однако работа русских инженеров-строителей сильно затруднялась политикой правящих классов России, которые, не веря в творческие силы русского народа, усиленно насаждали зарубежную культуру и технику, в том числе и в строительстве. В результате строительство промышленных объектов и крупных общественных, торговых и складских зданий нередко сдавалось с подряда иностранным железобетонным фирмам, преимущественно немецким и французским [1, C. 156-158].

3. Развитие железобетона в СССР и зарубежем от октябрьской революции до второй мировой войны.

     После Великой Октябрьской социалистической революции и гражданской войны перед советским народом встала задача восстановления разрушенного народного хозяйства и в первую очередь тяжелой промышленности. По окончании восстановительного периода развернувшаяся индустриализация страны вызвала необходимость широкого развития строительной промышленности на новой технической основе - с внедрением новых методов работы. Это способствовало значительному применению железобетона в первые две пятилетки в гидротехническом и промышленном строительстве.

     Еще до начала первой пятилетки, в восстановительный  период, большим строительством с широким применением железобетона явился Волховстрой (1921 -1926 гг.). Здесь советскими инженерами запроектированы и выполнены выдающиеся бетонные и железобетонные конструкции и сооружения. Большой интерес, например, представляют своеобразной конструкции железобетонные кессоны под плотину, подводившиеся к месту установки на плаву. Главное здание силовой станции осуществлено железобетонной каркасной конструкции, с железобетонными аркадами, поддерживающими подкрановый путь мостового крана весом 130 т. В главной понижающей подстанции и во всех вторичных подстанциях также широко применен железобетон. На Волховстрое впервые для расчета плит, опертых по контуру и по трем сторонам, применялся точный метод академика Б. Г. Галеркина, что давало существенную экономию в кубатуре железобетона. Так, например, по этому методу принималась толщина плиты 9 вместо 14 см по нашим и немецким нормам. Здесь же впервые серьезно были поставлены лабораторные испытания бетона по указаниям проф. Н. М. Беляева. Большое развитие в СССР получило применение железобетона в промышленном и гражданском строительстве. Организованные в начале восстановительного периода (с 1922 г.) в крупных промышленных центрах строительные конторы для ремонта и восстановления старых фабрично-заводских корпусов и гражданских зданий вскоре выросли в крупные строительные тресты с проектными отделами, откуда впоследствии вышли опытные специалисты железобетонщики по проектированию и строительству промышленных и гражданских зданий и сооружений. В этот период (до первой пятилетки) уже осуществлялись серьезные железобетонные сооружения. Строились большие одноэтажные заводские корпуса срамными и арочными конструкциями и с тяжелыми подкрановыми балками, многоэтажные каркасные здания с ребристыми и безбалочными перекрытиями и с железобетонными фундаментами или свайными основаниями, а также фундаменты под машины (турбогенераторы), железобетонные стапели, набережные и многие другие сооружения. При этом находили применение и новые по тому времени методы производства работ, например литой бетон, впервые в широком масштабе примененный в Ленинграде в 1927 г. при постройке первого механического хлебозавода. В 1932 г. при ЦНИПС была создана лаборатория железобетонных конструкций, сыгравшая выдающуюся роль в деле развития и усовершенствования теории расчета и конструирования железобетона. Представляют интерес ребристые купола, выполненные сборномонолитным способом. Так, в Копенгагене построен ребристый купол цирка пролетом 40 м. На земле были заготовлены 20 сборных меридиональных ребер двутаврового сечения и части колец, расположенных между ними, опорное же кольцо - монолитное. Образованный таким образом остов был перекрыт на месте монолитными плитами - внутренней и более прочной внешней, являющейся плитой покрытия. Эти плиты бетонировались на месте секторами, а не кольцами. Заслуживает внимания также купол над гаражом в Аахене пролетом 24 м, сооруженный сборномонолитным способом. Вес сборных ребер купола достигал 10 т. Перед второй мировой войной во Франции возводились сооружения, в том числе и ангары, с покрытием из оболочек двоякой кривизны вида гиперболических параболоидов и покрытием из оболочек, образующих зонтикообразную (пирамидообразную) форму. Эти оболочки вследствие большой жесткости позволили осуществлять покрытия больших пролетов при наименьшей их толщине (3-5 см). Рассмотрим покрытие небольшого ангара размерами 41x54 м, состоящее из шестнадцати оболочек в виде гиперболических параболоидов площадью 10,25x12 м при толщине 5 см и двух шедов прямоугольного очертания. Оболочки поддерживаются пятью продольными тонкостенными балками-диафрагмами пролетом 27 м с двумя консолями по 12 м и двумя главными балками (ригелями) пролетом 20,5 м с двумя консолями по 10,25 м. Каждая главная балка жестко связана с двумя столбами, заделанными в фундаменте. Ангар может быть полностью открыт с трех сторон и закрыт воротами.