Изучение механических свойств древесины

31

Выплавка железа приняла большой промышленный масштаб лишь тогда, когда были изобретены способы выплавки’стали в Бессемеровских конвертерах (1855) и в мартеновских печах (1865).

Изучение механических свойств древесины — древесиноведение — сопровождалось работами в области изыскания химических препаратов для антисептирования и антипирирования ее.

С середины века началось изучение нового строительного материала — железобетона. Раньше всего была высоко оценена его огнестойкость. Железобетон стал применяться наравне с керамическими материалами в качестве заполнения в перекрытиях для защиты железных элементов, для искусственных камней и пр.

Первые экспериментальные исследования соединений бетона и железа производили во Франции — Монье, Ламбо, Куанье, Геннебик; в Германии — Баушингер; в России — Белелюбский, позже — Лолейт; в США — Хайетт, Ренсем. Теория расчета железобетона намного отставала от его практического приложения. В самом конце XIX в. для теоретического расчета появились различные эпюры напряжений — в некоторых из них работа бетона на растяжение учитывалась, в других не учитывалась.

В первом десятилетии XX в. в Европе впервые были выработаны нормы расчета и конструирования железобетона. Аналогичные нормы были изданы в США только в 1921 г.

Таким образом, получение достаточно точного инженерного расчета стало возможным лишь при многостороннем расширении знаний, что удалось достигнуть в конце XIX в., когда в промышленно развитых странах были созданы лаборатории испытания материалов и введены на них стандарты.

В первой половине XIX в. в строительных конструкциях продолжали применяться статически неопределимые системы. Эти системы характеризуются избыточным числом стержней, усложняющим конструирование и вызывающим излишний расход материала. Рассчитать усилия в стержнях такой системы, пользуясь уравнениями равновесия твердого тела, невозможно. Однако из статически неопределимой системы можно удалять излишние стержни без нарушения ее геометрической неизменяемости. Тогда система становится статически определимой и трех уравнений равновесия твердого тела становится достаточно для вычисления усилий в ее элементах.

До середины XIX в. никто и не ставил себе заведомо неразрешимой задачи расчета конструкции; предполагалось, что дополнительные стержни увеличивают прочность сооружения. Отсутствие методов расчета приводило к умозрительному заключению, что чем больше в системе стержней, тем она надежнее.

Когда во второй четверти XIX в. появилась возможность производить расчет некоторых конструкций, то и тогда в большинстве случаев продолжали применять сложные запутанные статически неопределимые системы.

Только во второй половине XIX столетия строительная механика шагнула далеко вперед, так как большие нагрузки и пролеты, появившиеся в это время, вызвали необходимость поисков таких инженерных решений, которые имели бы четкую статическую схему и могли бы быть возможно более точно рассчитаны.

В Европе в середине века появился ряд работ, посвященных расчету ферм. Все они базировались на прогрессивной идееНавье, который в своем труде по механике, опубликованном в 1826—1833 гг., рассматривал ферму как сочетание балок, а не как балку, требующую усиления, как это делалось ранее.

Кульман (Швейцария) в 1851 г. дал теорию ферм и их расчета исходя из принципа построения ферм из треугольников и рассматривая случаи с параллельными и параболическими поясами. Он предложил для определения усилий в элементах ферм рассматривать узловые соединения как шарниры.

В том же году появилась работа Швед- лера (Германия), оказавшая большое влияние на развитие теории ферм. В ней была дана теорема о поперечной силе как о производной от изгибающего момента и обоснована мысль, что пояса следует конструировать как неразрезные; небольшими усилиями, возникающими в них вследствие незначительного изгиба, можно пренебречь по сравнению с усилиями в раскосах. Это допущение давало возможность считать отдельные части поясов шарнирно соединенными между собой.

После этих исследований последовали другие, облегчившие и упростившие расчет статически определимых ферм. Наиболее важными из них были метод сечения Риттера (Германия, 1864), приложение теории замкнутого многоугольника для уравновешенной пересекающейся в одной точке системы сил к определению усилий в стержнях статически определимых ферм Максвелла (Англия, 1864), построение диаграммы усилий Кремоны (Италия), графическая статика Кульмана (1864). Эти работы открыли путь к широкому распространению ферм и статически определимых систем типа трехшарнирных арок и рам вследствие ясности их статической схемы и простоты расчета.

.Однако легкие ажурные конструкции с малым количеством стержней долгое время вызывали недоверие. Когда во Франции открылась Всемирная выставка 1889 г., легкость сквозных конструкций, перекрывавших огромный объем Дворца машин, произвела на современников сильное впечатление, но внушила тревогу. Трехшарнирные арочные фермы высотой 45 м перекрывали пролет 115 м (инж. Контамин). Известный бельгийский инженер Вирен- дель (автор «балок Виренделя») после посещения выставки написал: «Фермы Дворца машин имеют еще один недостаток: они слишком пустые» 1:

Оба металлических сооружения выставки— Дворец машин и башня Эйфеля — доказали высокий уровень достижений как в области строительной техники, так и в области изучения строительных материалов— железа и стали.

Для расчетов железнодорожных мостов большое значение имел вопрос о работе неразрезных балок, т. е. балок, имеющих ряд промежуточных опор. Эйлер и Навье для расчета таких балок принимали балку абсолютно жесткой, а опоры — упруго-сме- щающимися. Такая предпосылка вызывала большие математические трудности. В 1852 г. Д. И. Журавский (Россия) предложил приближенное решение этой задачи, но окончательный расчет многопролетных балок был дан в 1857 г. Клайпероном, использовавшим для этого уравнение трех моментов Берто (1855).

Особое значение в связи со строительством железнодорожных мостов получил расчет на подвижную нагрузку, состоящую из большого числа сосредоточенных сил. Кроме того, необходимо было научиться находить наиневыгоднейшее распределение этих грузов, а также учитывать динамическое действие их. В 1867 г. Винклер дал графическое построение инфлюентных линий, метод, который вскоре стал повсеместно применяться.

Несмотря на то, что расчеты сооружений во второй половине XIX в. производились в основном по схемам статически определимых систем, инженеры не могли не видеть, что шарнирная схема является некоторым допущением и что фактически действительные конструкции почти всегда статически неопределимы. Поэтому работа над методами расчета статически неопределимых систем все время продолжалась. Это было тем более необходимо, что в конце XIX в. возникли конструкции металлических каркасов многоэтажных зданий, которые потребовали изыскания возможно более точных методов расчета статически неопределимых многоэтажных рам.

Вторым важным фактором было появление нового строительного материала несущих конструкций — железобетона, который образует преимущественно статически неопределимые схемы.

Для получения дополнительных уравнений, позволяющих определять усилия в дополнительных стержнях этих систем, пришлось ввести новые понятия, такие, как работа упругих сил, перемещения.

Основными этапами в развитии метода сил и метода деформаций, при помощи которых эти системы рассчитываются, были: приложение Пуассоном теоретической работы Лагранжа о принципе возможных перемещений к механике твердого тела (1833), формула действительной работы упругих сил, опубликованная Клайпероном в 1852 г., теорема о взаимности перемещений и канонические уравнения метода сил Максвелла (1864), принцип взаимности работ для любого упругого тела Бетти (1872). И, наконец, в 1875 г. на итальянском языке появилась книга Кастильяно, посвященная тем же идеям потенциальной энергии, изучению упругого тела и работы его деформации, которые легли в основу современной теории статически неопределимых систем.

Тяжелые подвижные краны, мощные прессы, сложные механизмы, появившиеся в промышленных зданиях, потребовали динамического расчета сооружений.

Здесь снова, как это уже случалось ранее, были привлечены теоретические исследования, сделанные еще в XVIII в. Эйле

ром, Бернулли, Лагранжем. Их труды послужили основанием для решения практических задач на колебания и на удар, связанных с динамикой упругих систем. Авторами этих работ были Пуассон (Франция), Остроградский (Россия), Рэлей (Англия), Сен-Венан (Франция).

В XVII и XVIII вв. некоторые ученые изучали предельное состояние сводов и арок. В XIX в. этой темы касались Ламе и Клайперон в 1826 г. и Паукер (Россия) в 1849 г. Однако во второй половине XIX в. расчетом по предельному состоянию никто не занимался, так как всех интересовала действительная работа сооружений в упругой стадии, а не за ее пределами.

Расчетные дисциплины не только испытывали влияние со стороны развивающихся конструкций, но и сами оказывали влияние на них. Так, простые доступные формулы и методы графической статики для расчета статически определимых систем вызвали широкое применение их.

В металле число различных типов ферм общественных и промышленных зданий исчислялось десятками. Получили распространение плоскостные купола и арочные конструкции из ферм. Во второй половине века стала применяться клепка в первую очередь в пролетных строениях мостов, в колоннах, балках, кранах. В строительстве резервуаров, газгольдеров и т. п. появились листовые конструкции.

Можно утверждать, что в течение XIX и в первых декадах XX в. зародились и начали претворяться в жизнь все те конструктивные идеи, которые получили свое дальнейшее развитие в XX в.