История градостроительства

Как вы знаете, до 18 в. строительные машины имели ручной привод, дальнейшее их развитие тормозилось отсутствием двигателя. В нач. 80-х гг. 18 в. Дж. Уатт создал паровую машину. В 1796 г. инженер Бремчоу построил первую паровую землечерпательную машину. Она работала по принципу одноковшового экскаватора; рабочее оборудование состояло из четырёх рукоятей с ковшами, приводившимися в движение попеременно от четырёх паровых лебёдок.

В России паровая землечерпалка была построена в начале 19 в. на Ижевском заводе под руководством О.К. Бетанкура. Рабочая часть машины состояла из рамы, один конец которой свободно вращался на шарнире, а другой с помощью троса опускался на грунт, непрерывной цепи, одетой на зубчатые колёса, и ковшей, прикреплённых к непрерывной цепи (рис.41, а). Машина успешно действовала на дноуглубительных работах в Кранштадском порту с 1813 по 1819 гг.

Первый одноковшовый сухопутный экскаватор - «механическая лопата» - на рельсовом ходу был запатентован в 1834 г. В.Отысом (США) (рис. 41, б). Он состоял из деревянной рамы, на которой монтировались паровой котёл, напорный и поворотный механизмы, треугольной деревянной стрелы, поддерживаемой полой чугунной мачтой, и рукояти с ковшом. Стрела поворачивалась на 180° (была неполноповоротной). Первые экскаваторы имели в качестве рабочего оборудования «прямую лопату» (при резании грунта рабочий орган-ковш перемещался в направлении снизу вверх); это объясняется, в частности, тем, что создавались они на базе существующих в то время конструкции кранов. Широкое применение одноковшовых экскаваторов началось с конца 19 в. в связи с развитием строитёльства железных дорог.

Первая механическая лопата была ввезена в Петербург и США в 1842 г. Вместе с ней были доставлены паровой копёр для забивки свай и паровоз для перевозки грунта. Этими машинами было положено начало механизации земляных работ на строительстве первой русской железнодорожной магистрали Петербург-Москва.

 

                 

Рисунок 41 - Строительные машины 19 в.

а) плавучая паровая землечерпалка  Бетанкуры;

б) одноковшовый паровой  экскаватор на рельсовом ходу;

в) производство кессонных  работ

 

В 1843 г. на строительстве этой дороги работало уже четыре механические лопаты. Интересно отметить, что общий мировой парк экскаваторов в то время состоял из семи штук. Инициаторами применения паровых экскаваторов в России были инженеры П.П.Мельников и И.О.Крафт.

Начало развития отечественного экскаваторостроения было положено в 1902 г. выпуском одноковшовых паровых экскаваторов на железнодорожном ходу с ковшом емкостью 2,29 м³ на Путиловском заводе в Петербурге; к 1917 г. завод изготовил 32 таких экскаваторов. К 1913-1915 г. общее количество экскаваторов в России, работающих почти исключительно на железнодорожном строительстве, составляло около двухсот машин. Однако, несмотря на это, земляные работы по-прежнему выполнялись преимущественно ручным, способом с использованием тачечной и конной возок. В конце 19 в. был создан паровой экскаватор на гусеничном ходу (фирма «Мариоп»).

Сухопутный многоковшовый экскаватор, изобретённый во Франции М.Кувре в 1860 г., был применён на строительстве Суэцкого канала. В конце 19 в. многоковшовые экскаваторы нашли широкое применение в Германии на открытых горных работах по добыче бурого угля.

     Грандиозные возможности в области развития технологии возведения зданий и сооружений открыло создание в 19 в. грузоподъемных машин. До конца 18 в. грузоподъемные краны изготовлялись из деревянных деталей и имели ручной привод. В 20-х гг. 19 в. были изготовлены первые цельнометаллические краны. Паровой подъёмный кран создан в Англии в 1830 г.

Паровые машины дали возможность значительно увеличить мощность подъемных кранов. Французский инженер Эйфель применял их при строительстве мостов, а также при монтаже строительных конструкций знаменитой Эйфелевой башни высотой в 300 м (1889 г.).

С появлением паровой машины стало  возможным производство подводных  работ с применением кессона. Кессон (ящик) - ограждающая конструкция для образования под водой рабочей камеры, свободной от воды. Для этого в него накачивался воздух под давлением 3,5 атм. Такой способ применялся для устройства фундаментов мостов. В 1859 г. с кессоных работ под основания опор было начато строительство моста через Вислу в Варшаве по проекту С. В. Кербеза. Работа в кессоне под воздействием значительного давления воздуха чрезвычайно опасна и тяжела, но сто лет назад об этом ещё не знали. Поэтому из занятых в работах 352 рабочих тяжело заболели 30 и умерли 12 человек. В США кессоны были применены в 1883 г. при устройстве опор висячего Бруклинского моста со средним пролётом 186,6 м (рис.41, в).

В России применялись деревянные кессоны на строительстве Сибирской железной дороги. Модель русского деревянного кессона на Всемирной выставке в Париже в 1900 г. получила большую золотую медаль.

Применение в конце 18 в. парового двигателя в лесопилении дало возможность довести число пил на одной пилораме до 15 штук и увеличить скорость распила в шесть раз по сравнению с ручным способом. Дальнейшему прогрессу в области лесообработки способствовало изобретение французом Альбером в 1799 г. дисковой пилы, а спустя несколько лет англичанином Ньюберри - ленточной. Паровое лесопиление дало строителям большое количество пиломатериалов высокого качества, что позволило, в частности, создать деревянные фермы больших проделов.

Изобретение в 1834 г. Б.С.Якоби электрического двигателя и в 1860 г. Ж.Э.Ленуаром двигателя внутреннего сгорания ввиду их компактности и мобильности способствовало дальнейшему развитию механизации строительных работ. В 1910 г. появились первые электрические экскаваторы, в 1912 г. - полноповоротные экскаваторы на гусеничном ходу с двигателем внутреннего сгорания, в 1916 г. - с дизелем. Двигатель внутреннего сгорания был использован в подъёмных кранах в 1895 г., а электрический двигатель - в 1880-1885 гг.

9.2 Строительство из металлических конструкций

Создание новых строительных материалов, внедрение в промышленности строительных материалов на смену тяжёлому ручному труду механизации способствовали разработке более совершенных и высоко-прочных конструкций больших пролётов. Изменяются архитектурные формы зданий, увеличиваются их параметры; создаются новые типы сооружений.

Развитие металлургии  способствовало созданию металлических конструкций, история которых охватывает три этапа. Первый этап- с момента появления в строительстве металлических конструкций (18 в.) до середины 19 в. В это время металлические конструкции выполнялись из чугуна или из чугунных и железных элементов; массового распространения в строительстве они не получили.

Чугун - хрупкий нековкий сплав железа, серы, фосфора, выплавляемый из руды в доменных печах. В 18 в. конструкции доменных печей' постоянно совершенствовались, что способствовало значительному увеличению выпуска чугуна. Появилась возможность наряду с удовлетворением потребностей военного дела использовать его и в строительстве. Первые конструкции и чугуна в России были применены на Невьянском заводе, на Урале, в 1725 г. для устройства перекрытия дозорной башни. Конструкции были выполнены в виде чугунных балок сечением 190x140мм, усиленных снизу железными полосами. Усиление (армирование) чугунных балок свидетельствует о том, что строители знали о хорошей сопротивляемости этого материала сжатию и плохой — растяжению.

Постепенно чугун начал применяться в более ответственных строительных конструкциях, конкурируя со сварочным железом (получалось переделом чугуна в кричных горнах на древесном угле), которое требовало значительно больших затрат труда при производстве и отличалось более высокой стоимостью. Из чугуна легко было отливать любые конструктивные элементы.

К наиболее значительным конструкциям, выполненным из чугуна и железа, принадлежит купол Исаакиевского собора, собранный в 1840-1858 гг. по проекту О.Монферрана. В 1831 г. была закончена установка трёхъярусных строительных конструкций пролётами 21, 22, и 30 м над сценой и зрительным залом Александрийского театра в Петербурге. Проект этого покрытия первоначально едва не был забракован, но осуществлен после испытания специальной комиссией исполненных конструкций на заводе. Каждый член комиссии обязан был выбить на конструкциях после их испытания личное клеймо, 150-летняя служба чугунных конструкций подтвердили их достоинства.

Одним из замечательных сооружений, выполненных из чугуна и железа за рубежом, является Хрустальный дворец, строительство которого было приурочено к всемирной выставке, состоявшейся в Лондоне в 1851 г. Все колонны дворца и балки пролётом до 7,33 м были сделаны из чугуна; чугунные балки подвергались предварительному испытанию на гидравлических домкратах.

При перекрытии больших проёмов  применяли фермы из железа. Монтаж конструкций был достаточно механизирован. Фермы поднимались в проектное положение подъёмниками с использованием лошадиной тяги (рис. 42). Была спроектирована специальная тележка для остекления крыши.

В 1784 г. в Англии инженером Г.Кортом была создана пудлинговая печь для выплавки железа (сварочное и пудлинговое железо называлось также ковким), что способствовало увеличению его выпуска.

Изобретение в 1769 г. первых станков для прокатки круглого, квадратного и полосового железа, в 1832 г. - рельсового, в 1849 г. двутаврового и швеллерного железных профилей расширило его применение.

Рисунок 42 - Подъем ферм центрального зала Хрустального дворца.

Рисунок 43 - Установка рамных конструкций зданий Сенного рынка в Петербурге.

 

Первой русской, к тому же пространственной конструкцией и ковкого железа стал 17,7 - метровый купол Казанского собора в Петербурге, выполненный в 1811 г. из полос 70x15 и 120x15 мм по проекту А.Н.Воронихина. Стропильные железные фермы пролётом 21,3 м были применены при устройстве покрытия Георгиевского зала Зимнего дворца в Петербурге в 1837-1838 гг.

Английский инженер  Фербери в 1838 г. построил дом, состоящий целиком из железа для Галильпаши, командующего турецкой армией в Константинополе. Конструкции этого здания были изготовлены в Лондоне.

Отличительная черта первого  этапа развития металлических конструкций с точки зрения технологии их сборки состоит в том, что соединение отдельных частей конструкций осуществлялось на болтах или кузнечным способом.

Второй этап развития металлических  конструкций продолжался со второй половины 19 в. до начала первой мировой войны. Этот этап характеризуется интенсивным развитием транспорта, металлургической и машиностроительной промышленности, обширным гражданским строительством. Всё это вызвало необходимость создания металлических конструкций различного назначения.

В 60-х годах 19 в. были изобретены новые способы передела чугуна в литое железо (сталь) в бессемеровских конверторах и мартеновских печах, что, в основном, разрешило проблему выпуска стали в промышленных масштабах.

Практика строительства  выдвигала на первый план задачу обеспечения надёжности возводимых сооружений. При проектировании сооружений в феодальную эпоху геометрические схемы конструкций, материал и размеры их элементов определялись эмпирическим путём (с огромным запасом прочности). Перед проектировщиками 19 в. встала задача облегчить, удешевить конструкции, создать конструкции для перекрытия больших пролётов. С одной стороны это, как отмечалось выше, способствовало развитию методов испытаний конструкций.

В первой половине 19 в. стала успешно развиваться строительная механика - наука о методах расчёта сооружений на прочность, жёсткость и устойчивость. Большой вклад в разработку теоретических методов строительной механики внесли Л.Навье, Г.Мозлей, С.Пуассон, Б.Клайперон и др. Графическими и графоаналитическими методами расчёта конструкций занимались Д.Максвелл, Л.Кремона и др. Среди русских учёных и инженеров следует отметить Д.И.Журавского, Н.А.Белелюбского, Ф.С.Ясинского, В.Г.Шухова и др.

Д.И.Журавский разработал теорию расчёта плоских ферм. Н.А.Белелюбский улучшил конструкций мостовых ферм, применив много раскосную решётку, и ввёл в мостостроение литое железо, что дало возможность повысить надёжность сооружений и уменьшить их стоимость. Очевидные преимущества стали в то время нуждалось в доказательствах. За границей сталь не применяли вплоть до 1888 г., а в немецких технических условиях для этого материала долго ещё стояло слово «Осторожность». В возглавляемой Белелюбским Механической лаборатории Петербургского института инженеров путей сообщения были проведены испытания свойств стали различных заводов, составлены технические условия приёмки стали для мостов. По его проектам построено большое количество мостов, наиболее крупным из которых является Сызранский мост через р. Волгу (1879 г.).

В конце 19 в. в промышленном и гражданском строительстве стали применяться рамные конструкции. В 80-х годах строится Сенный рынок в Петербурге с использованием металлических решётчатых рам пролетом в 23,6 м с шагом 13,25 м. Рамы собирали на земле и поднимали в вертикальное положение посредством лебёдок и полиспастов, закрепленных на ранее установленных рамах (рис. 43).

В.Г.Шухов разработал теорию разнообразных сетчатых конструкций. Необходимо отметить предложенную Шуховым сетчатую конструкцию башни, стержни которой лежат на поверхности однополого гиперболоида. Поскольку однополый гиперболоид является линейной поверхностью, то все стержни башни прямолинейны, что упрощает их конструирование и монтаж. По высоте стержни связаны кольцами, а в местах пересечения склёпаны, образуя лёгкий и прочный каркас.

Особенно интересны  были сетчатые висячие конструкции. В 1896 г. такая конструкция была использована Шуховым для покрытия круглого здания инженерно-строительного павильона на Нижегородской выставке диаметром 68м. В середине здания по вершинам правильного многоугольника были поставлены ажурные металлические стойки, соединенные по верху жёстким кольцом. По периметру стен здания было расположено другое кольцо, а между ними натянуты взаимоскрещивающиеся стальные полосы, скреплённые в местах пересечения. По свидетельству академика А.Н.Крышова, Шухов в основу своей инженерной деятельности положил поиски «наивыгоднейших соотношений между элементами конструкции и наивыгоднейших условий постройки и эксплуатации».