Краткий исторический обзор развития конструкций из дерева и пластмасс.
Деревянные конструкции. Древесина является самым древним и в то же время самым современным и перспективным строительным материалом, единственным материалом, который постоянно воссоздается в природе. Правильная организация воспроизводства лесов позволит постоянно получать древесные материалы в количестве, более чем достаточном для покрытия нужд человечества. Для рационального использования древесины необходимо дальнейшее совершенствование методов переработки древесины с безотходным использованием природного дерева от корней до веток.
Важными преимуществами деревянных конструкций являются минимальные затраты энергии при их изготовлении, экологически чистая утилизация отходов переработки древесины и дерева, оставшихся после полной эксплуатации конструкций и сооружений без обременения окружающей среды.
Изучение истории деревянных конструкций по сравнению с множествами исследований, посвященных раннему периоду развития металлических и каменных конструкций, проводилась весьма ограниченно. Причину этого, возможно, следует искать в том, что инженерных деревянных конструкций ранней постройки сохранилось не так много. Пожары привели к исзчезновению великолепных деревянных мостов Грубенмана в Германии, модели моста Кулибина в Санкт-Петербурге, больших деревянных куполов и сводов в России и других странах. Уже после нескольких десятилетий их возведения многие деревянные мосты в конце Второй мировой войны были заменены на металлические
Из уникальных деревянных сооружений постройки начала XIX века и более раннего периода сохранилось лишь ограниченное количество. Известно, что самым древним деревянным сооружением, сохранившимся до наших дней, является японский храм, построенный более трех тысяч лет тому назад из местного красного дерева. Широкое применение нашли деревянные конструкции при строительстве домов, покрытий храмов и мостов в Древнем Риме. Интересно, что при постройке каменных сооружений для их усиления зачастую использовались деревянные элементы. Так, при строительстве сторожевых каменных башен на юге Италии для стяжки противоположных стен использовались деревянные брусья.
Деревянные конструкции, применяемые в России, изначально появились в виде бревенчатых конструкций, основной конструктивной формой которых стал сруб из горизонтально расположенных брёвен, соединенных по углам сложными узлами с применением шипов, врубок и других элементов, выполняемых высококвалифицированными мастерами.
На рис. 1 показаны основные формы бревенчатых сооружений. С применением этих форм русское деревянное зодчество достигло в 1800-х и 1900-х годах верха совершенства при создании домов, хозяйственных построек, церквей, часовен.
Рис. 1. Основные формы бревенчатых несущих конструкций из горизонтально расположенных бревен в виде сруба:
а - прямоугольный сруб (четверик);
б - квадратный сруб;
в - многоугольный сруб (восьмерик);
г - двускатный сруб; д - четырехскатный сруб;
е - низкий (h<b) колпак; ж - высокий (h>l,5b);
з - многогранный шатер; и - килевидный сруб (бочка);
к - кубоватое четырехгранное покрытие (куб);
л - кубоватое многогранное покрытие
На рис. 2 показан дом в мезонином деревне Нижегородской области, выполненный в виде сруба, являющийся типичным для этой местности.
Рис. 2
Наиболее широко памятники деревянных построек в России представлены церковными сооружениями. Среди них следует выделить великолепный ансамбль в Кижах на Онежском озере, который считается вершиной развития русского деревянного зодчества (Рис. 3). Дата основания храмового комплекса - не позже XV в. Дата постройки последнего здания - 1714 г.
Рис. 3
Уникальный по композиции 22-главый храм высотой 35 м - один из выдающихся памятников русского зодчества. Основной объём представляет собой восьмерик, грани которого завершены бочками, увенчанный двумя убывающими по ширине малыми восьмериками, нижний из которых несет еще четыре главки, а верхний служит постаментом для центральной главы (рис. 4).
Рис. 4
С четырех сторон к основному восьмерику примыкают двухступенчатые прирубы, крытые бочками, с западной стороны церковь охвачена трапезной с крыльцом на два всхода. Отдельно стоящая шатровая колокольня построена в 1862 г. (в 1874 г. перестроена). Закрыт в 1937 г.
При реставрации в 1949-59 гг. была снята внутренняя тёсовая обшивка стен, из-за чего была нарушена вытяжная осушающая вентиляция стен. Началось интенсивное гниение древесины, и в 1980 г. в связи со сложным техническим состоянием храма внутри был установлен металлический каркас.
В 2009 г. начата реставрация церкви путем постепенной переборки сруба. В августе 2020 г. 11-летняя реставрация завершена
С 1990 г храм входит в список Всемирного наследия ЮНЕСКО. [Источник Культура.РФ: https://www.culture.ru/objects/1344/khram-preobrazheniya-gospodnya-na-kizhskom-pogoste-v-karelii
Дальнейшее развитие деревянных конструкций связано с совершенствованием механической обработки дерева. Возможность продольной распиловки дерева привела к появлению брусчатых и дощатых конструкций. В 18 веке появляются облегченные решетчатые конструкции с применением брусьев и досок. Одной из старейших в Европе конструкций крыш является построенный в 1736-38 гг. и шпиль Адмиралтейства высотой 72 м в С. Петербурге (Рис. 5).
Следует отметить деревянные фермы покрытия Манежа в Москве, построенного после наполеоновского нашествия в 1817 г. знаменитым инженером, генерал-лейтенентом А. Бетанкуром, которые имели до пожара в 2004 г. пролет около 49 м – наибольший пролет из сохранившихся к тому времени деревянных конструкций такого рода (Рис. 6.).
Во время пожара 14.03.2004 г. покрытие было полностью уничтожено огнем. При срочном восстановлении здания Центрального выставочного зала, как теперь именуется б. Манеж, новое покрытие было выполнено с дощатоклееными фермами заводского изготовления, имитирующими исторические бетанкуровские. Зачем-то этот новодел теперь открыли для обзора, исключив из конструкции здания чердачное перекрытие. (Рис. 7).
Иногда пишут, что после пожара «фермы Бетанкура» были воссозданы, [Источник Культура.РФ: https://www.culture.ru/materials/157829/ekzercirgauz-ili-prosto-manezh]. Всерьез это утверждение воспринимать не следует, в действительности это примитивная подделка в стиле «евроремонт».
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Колонный зал дома Союзов (бывший дом Благородных собраний) – один из лучших концертных залов в России по акустике, построенный в конце XVIII века по проекту архитектора М.Ф. Казакова (рис. 8). В покрытии зала – деревянные фермы на лобовых врубках пролетом 25 м.
Рис. 8
Трудно представить, что его беломраморные колонны в действительности также деревянные.
Деревянная конструкция колонн состоит из четырѐх связанных друг с другом металлическими болтами бревенчатых стоек диаметром 27–30 см, заключенных в обручи и обшитых досками, по которым наметан слой штукатурки с отделкой искусственным мрамором.
Рассматривая историю развития строительных конструкций вообще и деревянных, в частности, необходимо выделить такие имена выдающихся отечественных инженеров, как Иван Петрович Кулибин (1735-1818 гг.), Дмитрий Иванович Журавский (1821-1891 гг.) и Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939 гг.).
И.П. Кулибин в 1776 году спроектировал деревянный мост через Неву в С. Петербурге. Конструкция этого моста представляет собой оригинальную комбинированную систему, состоящую из гибкой арки и жесткой решетчатой арочной фермы (Рис. 9). Эта система является оптимальной для конструкций больших пролетов. Кроме того, такая конструкция дает возможность использовать наилучшим образом конструкционные свойства дерева и применить простое решение узлов.
Рис. 9
При проектировании моста И.П. Кулибин впервые применил свойство веревочного многоугольника для построения арки по кривой давления задолго до разработки этой теории Ламэ и Клапейроном в 1823 г. К сожалению, мост Кулибина не был построен. Однако для экспериментальной проверки его конструкции была построена модель моста в 1/10 его натуральной величины, успешно выдержавшая испытание.
Инженер путей сообщения Д.И. Журавский принимал непосредственное участие в строительстве Петербурго-Московской железной дороги. Им были спроектированы и построены крупнейшие железнодорожные мосты. Талантливый инженер и крупный ученый Д.И. Журавский по праву может считаться одним из основоположников русской школы инженерных деревянных конструкций. Он впервые изучил физико-механические характеристики древесины ели и сосны и дал научно обоснованные допускаемые напряжения, которые легли в основу расчета деревянных мостов. Столкнувшись с необходимостью увеличения поперечного сечения, он применил составные элементы из брусьев, соединенных шпонками. При этом он вскрыл ранее неизвестное явление сдвига при поперечном изгибе, которое приводило деревянные элементы к разрушению от скалывания. Д.И. Журавский впервые получил формулу для определения касательных напряжений в брусе прямоугольного сечения и дал метод расчета составной деревянной брусчатой балки на шпонках. Д.И. Журавский также создал метод расчета запатентованной в 1840 г. в Америке и широко применяемой фермы Гау. По существу им был впервые создан метод расчета ферм, в основе которого использована идея вырезания узлов и составления условий равновесия. Этот метод был использован на шесть лет раньше опубликования статьи Кульмана о расчете ферм в 1851 г. Наконец, Д.И. Журавскому принадлежит приоритет применения метода деформаций при решении статически неопределимых задач.
В.Г. Шухов был одним из замечательных конструкторов конца 19-го -начала 20-го столетий и входит в плеяду выдающихся инженеров не только России, но и всего мира. В.Г. Шухов был мастером, овладевшим искусством конструирования с минимальными затратами на материалы, изготовление и монтаж. Его висячие покрытия, арочные конструкции, сетчатые оболочки и башни в форме гиперболоида были решениями нового типа, которые благодаря своей непостижимой и сегодня легкости, удивительной простоте и элегантности конструкции, а также необычным и смелым формам произвели в то время сенсацию.
Практически все строительные конструкции В.Г. Шухова, осуществленные в металле, и идеи, заложенные в них, могут быть реализованы в дереве. Это можно продемонстрировать на примере деревянных башен-градирен системы Шухова, нашедших применение при строительстве тепловых электростанций (Рис. 10, башня в Североуральске).
Рис. 10
В своей основе эти башни имели конструкцию сетчатой гиперболической башни, которая многократно реализовывалась В.Г. Шуховым в металле для различных сооружений - от водонапорных башен до Шаболовской радиобашни в Москве. В Краснодаре также имеется одна из восьми сохранившихся в стране стальных башен Шухова. Она расположена между двумя корпусами ТК «Галерея» и служила по первоначальному назначению в качестве водонапорной. Впоследствии резервуар был демонтирован, а вместо него на башню водрузили вращающийся барабан для размещения рекламы (Рис. 11). Расчет башни с учетом ее коррозионного износа делал я. Впоследствии я решительно воспротивился идее переноса башни при строительстве второй очереди «Галереи», т.к. она была бы безвозвратно утрачена. Я доказал, что перенести ее на другую площадку целиком невозможно из-за массы более 50 тонн, что превышает рекорд грузоподъемности вертолетов. Если же разбирать клепаную башню на части, то никто ее потом не соберет. В результате проект второго корпуса «Галереи» скорректировали, и башня осталась на месте.
Рис. 11 Башня Шухова на фоне 1-го корпуса «Галереи»
Среди деревянных конструкций В.Г. Шухова следует выделить тонкостенные дощатые своды. Они представляли собой многослойную конструкцию из тонких, уложенных плашмя и изогнутых по дуге досок. Распор свода воспринимался металлическими затяжками. Особенностью этих сводов было также наличие наклонных гибких тяг (Рис. 12).
Рис. 12
В начале ХХ столетия с активным развитием промышленности с новой технологией, требующей свободной планировки оборудования, возникла необходимость в большепролетных деревянных конструкциях построечного изготовления. В этот период в нашей стране широко внедрены так называемые дощато-гвоздевые конструкции. Эти конструкции в период относительной нехватки механизмов и квалифицированных рабочих позволяли решать задачи по строительству зданий и сооружений, отвечающих требованиям технологии. С появлением новых методов обработки дерева и древесных материалов, а также средств соединения деревянных элементов менялись и виды деревянных конструкций.
В 1932-1936 гг. инженером B.C. Деревягиным предложены брусчатые конструкции на пластинчатых нагелях в виде балок пролетом 6 м и ферм пролетом до 24 м. Период индустриализации строительства сопровождался процессом перехода к индустриальным деревянным конструкциям. Технико-экономической предпосылкой индустриализации являлись типизация и стандартизация деревянных конструкций. Наиболее эффективно применение индустриальных ограждающих конструкций из дерева и пластмасс. К этим конструкциям относятся клеефанерные панели и трехслойные панели с применением пенопластов. Кроме того, учитывая конструкционные свойства древесины, широкое применение нашли несущие конструкции покрытий в виде клеёных (в том числе и клеефанерных) балок и арок покрытия и рам.
Дальнейшее развитие деревянных конструкций привело к появлению большепролетных плоских и пространственных конструкций. При этом прототипами многих их них были пространственные конструкции в виде сводов, куполов и оболочек построечного изготовления 30-40-х годов ХХ столетия.
В современном строительстве применяются балки, склеенные из досок, уложенных плашмя (дощатоклееные балки), балки с дощатыми поясами и фанерной стенкой (клеефанерные балки). Дощатоклееные балки изготавливают постоянного и переменного сечения пролетом от 10 до 30–40 м. Применяют также балки криволинейного очертания. Из клеефанерных балок за рубежом наиболее индустриальными оказались балки с волнистой фанерной стенкой, а в нашей стране – с плоской.
Современные ограждающие конструкции – прежде всего клееные панели стен и плиты покрытий заводского изготовления с одной или двумя обшивками из водостойкой фанеры. Основным достоинством клеёных деревянных конструкций является возможность путем склеивания пиломатериалов по длине, по высоте и ширине поперечного сечения изготавливать элементы конструкций практически любых очертаний и размеров. Из клееной древесины изготавливаются как конструкции массового изготовления для зданий пролетом от 12,0 до 45,0 м, так и конструкции уникальных сооружений пролетами от 60 до 150 м.
Состояние, тенденции и проблемы развития деревянных конструкций (профессора Е.Н. Серов, Б.В. Лабудин)
ДК в нашей стране в ХХ веке то получали импульс к развитию, то попадали в опалу, т.е. развивались не по спирали, а волнообразно. И это не по причинам субъективных пожеланий специалистов, мягкости или жесткости чиновников, обвиняющих древесину во всех грехах, утверждающих с видом знатоков, что она гниет и горит, и считающих, что ею выгоднее торговать, чем строить.
Неуклонное расширение применения ДК во всем мире обусловлено, прежде всего, объективными причинами. Достоинств у природного полимера и конструкций из него много. Самое основное, что не скинешь с чаши весов, древесина – единственное сырье, самовозобновляемое на поверхности Земли под действием колоссальной энергии Солнца:
Энергоемкость получения сопоставимой единицы пилопродукции от 4 до 123 раз меньше, чем других традиционных материалов. Что касается гниения и горения древесины, то ведь и другие материалы горят, соединяясь с кислородом и встречая агрессивные среды, только не всегда открытым пламени. По данным Института строительства США, например, ежегодные потери от пожаров составляют 885 млн долларов, от коррозии металлов – 5,5 млрд долларов, т. е. в 6,2 раза больше. Причем в США из всей совокупности основных строительных материалов на долю древесины приходится около 60%. Там производство современных КДК было в 10 раз больше, чем у нас до развала СССР, хотя выпуск и применение этих конструкций отечественными предприятиями находился на гребне волны.
Позитивный отечественный опыт производства и применения ДК обычно подразделяют на три периода (проф. Л.М. Ковальчук). Первый начался с 1943 г., и закончился в 1955 г., второй – с 1973 по 1988 гг., третий – с 1992 г. При этом нельзя не вспомнить 1929 г., когда впервые в мире были опубликованы технические условия и нормы проектирования ДК, свидетельствующие о безусловном приоритете отечественной науки в этой отрасли знаний и переизданные в 1931, 1938 и 1940 гг., (последняя редакция не знает себе равных из всех последующих СНиПов ни по объему (191 с.), ни по содержанию).
Нужно также вспомнить уникальный «Справочник проектировщика промышленных сооружений» (гл. ред. инж. Г.Ф. Кузнецов, объем 955 с., 1937 г.), а ведь к его написанию надо было привлечь большой коллектив специалистов. Ничего подобного больше нигде и никогда не издавалось. В 1930-е гг. в стране возводилось множество зданий и сооружений с использованием ДК (дощато-гвоздевых, на гладких кольцевых шпонках и др. соединениях в виде балок, рам, арок, ферм и даже пространственных конструкций). На втором этапе, когда осуществлялся переход к расчетам по методу предельных состояний, вышел обновленный «Справочник проектировщика. Деревянные конструкции», составленный д-ром техн. наук, проф. А.И. Отрешко (1957 г.).
В эти же годы были созданы кафедры ДК сначала в Москве, потом в Ленинграде. Уникальным является и двухтомный учебник Г.Г. Карлсена и др. по ДК (1942 и 1943 гг.) суммарным объемом около 100 печ. л. Все последующие учебники (1952, 1962, 1975, 1986 и 2004 гг. – последний переиздан в 2007 и 2010 гг.) с каждым выпуском становились все «худощавее», куда не вмещались не только новые научные достижения в этой отрасли знаний, но и старые усекались. Особенно ярко это проявилось после смерти д-ра техн. наук, проф. Г.Г. Карлсена, когда в 1986 г. вышло сильно урезанное 5-е издание учебника (440 с против 758 с у 2-го изд 1952 г.). Совсем плохим дело стало в последние годы, когда учебник для бакалавров 2013 г. Ф.А. Бойтемирова был издан на 288 с.
За годы первого довоенно-послевоенного периода правительство высоко оценило труд специалистов отрасли. В 1952 г. целая группа «деревянщиков» была награждена Сталинской премией. Основатель кафедры в ЛИСИ проф. В.Ф. Иванов дважды был награжден орденом Ленина, в частности, за спасение ДК зданий и сооружений во время и после войны. С изменением строительной политики, начиная с постановления правительства 1955 г. о всемерном поощрении внедрения сборных железобетонных конструкций и «волюнтаристского» снижения цен на них, древесина в стране стала опальным материалом, а вместе с ней и конструкции, и специалисты.
Второй период начался на фоне большого отставания страны с огромными лесными богатствами от производства и применения новых большепролетных КДК за рубежом. Начало биографии КДК можно отнести к получению первых патентов: на КДК – Отто Гетцером; на синтетическую фенол-формальдегидную (бакелитовую) смолу – Лео Бакеландом в 1907 г. Кстати, фанеру изобрел наш отечественный авиаконструктор О. Костович еще в 1882 г. – за 15 лет до патента О. Гетцера.
Склеивание в развитии ДК даже значимее сварки в развитии металлоконструкций, так как не связано с «вредными» технологическими напряжениями. Технологические потери прочности встречаются и в КДК при склеивании, например, участков большой кривизны, но они связаны не с клеем, а с гнутьем досок, и легко могут быть локализованы до пренебрежимо малых величин при использовании тонких досок и, особенно, шпона. Причем лущение шпона – практически безотходный процесс. Для второго периода характерно тесное сотрудничество производства с наукой. Практически все заводы и цеха КДК, особенно вновь открывающиеся, курировали специалисты из НИИ, вузов и др. организаций отрасли. Был и большой спрос на КДК развивающегося сельского строительства в рамках решения Продовольственной программы страны.
Обсуждаемый второй период может быть и продлился бы успешно, но грянула перестройка. На спад после второго периода отводится всего 4 года – с 1988 г. по 1992 г. Но и в 1992 г. никто не ощутил подъема производства и применения ДК. Он, если и наступил, то намного позднее. В это время гибли заводы и цеха КДК сначала вследствие «голодного пайка» – кругляк бурным потоком пошел за рубеж, позднее – по причине сдачи на металлолом оборудования, приобретенного за золотые рубли.
О начале третьего периода можно, видимо, говорить, опираясь на фактический выпуск продукции: а в 1992 г. из 20 заводов и цехов КДК практически ни один не выпускал эти конструкции. Только позднее вступил в строй цех в г. Королеве, выпускавший элементы лишь до 18 м длиной, хотя его продукция получила широкое распространение. Производятся КДК в Смоленске, Нижнем Новгороде и еще кое-где. Взамен двух сгинувших цехов в 2007 г. открылся мощный цех КДК на базе Ижорских заводов в Колпино. Выпуск различных конструкций и элементов из клееной древесины налажен и на некоторых других деревообрабатывающих предприятиях.
В настоящее время проектированием КДК в полную силу, к сожалению, занимается лишь отдел ДК ЦНИИСК (ОДК ЦНИИСК). Вместе с тем, этим должны заниматься проектные институты, а не единственный в стране головной НИИ по строительным конструкциям, который в первую очередь должен заботиться координации деятельности всей отрасли, выпуске указаний, инструкций, рекомендаций и руководств для проектировщиков, а главное – основного нормативного документа – строительных норм и правил по проектированию ДК. Действовавший до 2011 г. СНиП II–25–80 не обновлялся около 30 лет! Затем последовали две редакции СП 64.13330.2011 и 2017 гг. с большим числом грубых ошибок, устранявшихся годами.
Не менее тревожны тенденции современных подходов к направлениям развития производства и применения КДК. Здесь просматриваются три аспекта, связанные с проектированием, ассортиментом выпускаемой продукции и сотрудничеством науки с производством. Вместо солидных институтов появились проектные конторы с «ограниченной ответственностью», не обремененные указаниями и другой нормативной документацией, написанной «по последнему слову науки и техники». В результате в конструкции из мощных клееных блоков иногда закладываются узлы, разработанные более полувека тому назад для ДК, но не получившие применения и не пригодные для КДК. Разработка сложных инженерных узлов и сегодня остается первостепенной проблемой, и отправлять ее решение на строительную площадку – значит открывать путь дискредитации КДК. Эта проблема, на наш взгляд, должна стать главенствующей в научных поисках молодых коллег – аспирантов и соискателей.
Д-ра техн. наук, профессора В.И. Травуш, Л.М. Ковальчук. «Деревянные конструкции в современном строительстве» так определяют области наиболее рационального применения деревянных конструкций.
1. Для индивидуального жилищного строительства, при этом расширяется строительство с применением ДК заводского изготовления (дома из бревен окантованных, оцилиндрованных), дома из клеёного бруса. Более 50 заводов в стране выпускают КДК для малоэтажного строительства.
2. Каркасно-панельные конструкции заводского изготовления в малоэтажном жилищном строительстве, отличающиеся меньшей материалоемкостью, чем брусчатые и бревенчатые. Их изготавливают около 10 предприятий отрасли.
3. Несущие клееные арочные или рамные несущие конструкции складов с химически агрессивной средой, прежде всего, склады минеральных удобрений (строились с пролетами 24, 45 и 63 м).
4. В сельском строительстве для зданий животноводческих и птицеводческих производств, что широко использовалось в СССР, где только зданий птичников было построено более 3 тыс.
5. Здания спортивно-зрелищного назначения пролетами 24-60 м
Наиболее конкурентоспособны большепролетные конструкций разного назначения 60-100 и более м с арочными или купольными покрытиями, выигрывающие по всем показателям у аналогичных конструкций из других конструкционных материалов.
Пластмассовые конструкции имеют более короткую историю, чем деревянные. Однако, за последние 30 лет объем их применения вырос в несколько раз главным образом за счет легких ограждающих и несущих конструкций.
В строительстве нашли применение трехслойные панели, так называемые панели "сэндвич", наружные слои которых выполняются из несгораемых листовых материалов, а внутренний слой из пенопласта. Из несущих пластмассовых конструкций в первую очередь следует назвать стеклопластиковые пространственные складчатые, волнистые, структурные конструкции, выполняемые из элементов трубчатого и открытого профиля.
Особенно эффективны пластмассовые конструкции в зданиях и сооружениях химической промышленности, в сооружениях со специальными требованиями ("радиопрозрачность", немагнитность, большое сопротивление электрическому току и т.д.). Здесь следует выделить пространственные пластмассовые конструкции в виде оболочек, висячих, пневматических и тентовых конструкций.