Дерево и деревянные конструкции

Широкое применение дерева в строительстве обусловлено огромными лесными богатствами нашей страны. Достоинства дерева по сравнению с камнем - малый вес, простота обработки - часто погашались его недостатками - быстрой воспламеняемостью и подверженностью гниению.

С развитием химической промышленности появились различные средства для повышения огнестойкости и предупреждения гниения. Дерево покрывалось огнезащитными силикатными красками, пропитывалось солями, предотвращающими горение. Пропитка солями фтора и соединениями фенола препятствовала появлению грибков. С развитием производства аммиака появились новые пропиточные огнеупорные составы - антипирены. Большого эффекта достигали применением раствора железного купороса и хлористого кальция [28].

Лес, применяемый для строительства, должен быть "прямым не суковатым, без гнили и дряблости, червоточины и синевы" [29]. K середине XIX в. были изучены основные свойства древесины а в 1845 г известный мостостроитель и ученый Д. И. Журавский впервые занялся исследованием механических свойств древесины отечественных пород Сконструировав специальные машины, он изучал прочность дерева при растяжении, сжатии, изгибе и скалывании. Результаты экспериментов были использованы при расчете мостов. В дальнейшем эти исследования продолжил инженер Н. А. Белелюбский.

В промышленном и гражданском строительстве древесина применялась тогда без каких-либо расчетов.

Во второй половине XIX в. продолжались исследования физико-механических свойств древесины. С 1906 г. систематические исследования технических свойств разных пород древесины проводились в лаборатории Петербургского лесного института.

На основании развития наук о сопротивлении материалов строительной механики и теории упругости в конце XIX в. размеры крупных деревянных сооружений назначались в соответствии с расчетами.

Обобщению опыта исследования строения древесины и ее механических свойств при обработке были посвящены книги И. А. Тиме "Сопротивление материалов и дерева резанию" (1870), К. А. Казначеева "Механическая технология дерева" (1885), П. А. Афанасьева "Механическая технология дерева" (1886), Ф. К. Арнольда "Русский лес и технологические свойства древесины" (1890), В. Н. Победимова "Курс технологии дерева", К. К. Вебера "Практическое руководств по лесопильному производству" (1890) и Н. Песоцкого "Специальные производства по механической обработке дерева" (1895)

Во второй половине XIX в. увеличиваются масштабы механической обработки древесины в связи с требованиями растущей крупной машинной индустрии. В этот период дерево теряет значение ведущего материала в строительстве, уступая место металлу и железобетону. Но все же значительная роль дерева сохраняется благодаря экономичности, быстроте возведения деревянных конструкций и возможности строительства из них в любое время года.

Развитие лесопильного производства в России В. И. Ленин характеризовал сопоставлением ряда наглядных цифр: "Громадное развитие этого производства в пореформенную эпоху (1866 г.: 4 млн. руб.; 1890: 19 млн. руб.), сопровождавшееся значительным увеличением числа рабочих (4 и 15 тыс.) и числа паровых заведений (26 и 430), особенно интересно потому, что оно рельефно свидетельствует о росте лесопромышленности. Лесопильное производство составляет лишь одну из операций лесопромышленности, которая является необходимым спутником первых шагов крупной машинной индустрии" (В. И. Ленин. Полн. собр. соч., т. 3, с. 475.).

К концу XIX в. количество лесопильных предприятий составляло 600, а в 1913г. - уже 1597.

Появление значительного количества дешевых пиломатериалов способствовало развитию деревянных конструкций, применяемых для перекрытия небольших и средних пролетов. Продолжали использоваться бревенчатые и брусчатые конструкции. Широко применялись брусчатые стропильные конструкции висячей системы, а также смешанные металлодеревянные конструкции с сопряжениями на врубках и болтах.

В 1865 г. был утвержден альбом типовых конструкций деревянных ферм (треугольных, висячих, наклонных, пролетом от 5 до 19 м), широко применявшихся в строительной практике.

Металлодеревянные конструкции в основном получили распространение в промышленных зданиях и в покрытии вагонных и паровозных мастерских, имевших пролеты от 21 до 38 м. Например, в вагонных мастерских на ст. Ковно боковые пролеты были перекрыты брусчатыми металлодеревянными шпрингельными фермами; центральный пролет перекрывался треугольной деревянной фермой. Интересным примером является несущая конструкция покрытия реконструированного листопрокатного цеха Кулебакского завода (1893). Она представляла собой деревянный изогнутый верхний пояс арки с наклонными железными гибкими тягами, идущими лучеобразно от опор и воспринимающими только растягивающие усилия.

В. Г. Шухов в конце XIX в. предложил новые экономичные легкие сетчатые конструкции деревянных пространственных покрытий, которые демонстрировались в 1896 г. на Всероссийской художественно-промышленной выставке в Нижнем Новгороде. Часть выставочных павильонов была покрыта шуховскими конструкциями, состоящими из ряда слоев досок, уложенных плашмя и сшитых гвоздями. Наклонные тяжи обеспечивали устойчивость сводов, а распор воспринимали затяжки. Конструкции В. Г. Шухова отличались простотой, прочностью и дешевизной [30]. Конструкции сетчатых сводов В. Г. Шухова применялись в башнях градирен, деревянных кессонах, в сетчатых цилиндрических сводах.

Дерево в значительном количестве применялось для эллингов. По проекту В. А. Защука перед первой мировой войной было построено несколько крупных эллингов для дирижаблей размером 53*123 м. С 1914 по 1915 г. в России было сооружено восемь деревянных эллингов пролетом по 40 м [31].

71. Эллинг на Балтийском судостроительном заводе (разрез)

На Балтийском судостроительном заводе в 1883 г. был построен уникальный деревянный эллинг (рис. 71). Конструкция его позволяла установить мостовой кран на высоте 23,4 м. Эллинг был перекрыт деревянными стропильными фермами пролетом 21,7 м, очертание которых связано с необходимостью создания габарита для прохождения крана. С этой целью был поднят нижний пояс ферм, устроены подкосы на опорах и вторая металлическая затяжка от опор к центральной подвеске, отчего схема фермы усложнилась. Пролет эллинга освещался сбоку, с торца и с кровли. Для этого на кровле по верхнему наклонному поясу стропильных ферм были сделаны световые проемы в плоскости ската кровли. Подкрановые балки опирались на стойки, которые вместе с опорой для стропильной фермы представляли сложную высокую деревянную конструкцию. К этому пролету эллинга справа примыкал второй пролет, перекрытый треугольной деревянной стропильной фермой с металлической затяжкой. Фермы опирались на деревянные колонны, а подкрановые балки - на отдельные деревянные стойки.

Развитие машинного производства способствовало зарождению индустриальных методов возведения зданий.

В 1872 г. на Всероссийской политехнической выставке демонстрировался театр, построенный архитектором В. А. Гартманом из сборных деревянных конструкций, который получил золотую медаль.

В 1896 г. С. Щербаков предложил схему сборно-разборного каркасно-щитового жилого дома, рассчитанного на заводское изготовление его частей. По этой системе было организовано производство на Бежецком лесопильном заводе. Однако в то время оно не получило дальнейшего развития. В 1912 г. инженер Ф. Г. Галахов осуществил массовое заводское изготовление каркасно-обшивных домов с утеплителем стен термолитом [32]. Война 1914 г. прервала эти работы, и только после Октябрьской революции заводское домостроение получило широкое распространение.

Дерево имело большое значение для мостостроения. В 1908 г, в ведении министерства путей сообщения имелось 13 294 моста на шоссейных дорогах, из них деревянных - 61,8%, каменных - 18,6, металлических - 16,8 и железобетонных - 2,8%.

Значительное число деревянных мостов строили другие ведомства.

В 1895 г. впервые были утверждены нормы допускаемых напряжений для расчета деревянных железнодорожных мостов, а через два года - для шоссейных.

В 1913 г. министерство путей сообщения установило новые нормы допускаемых напряжений для железнодорожных и шоссейных мостов.

Большое значение имели конструкции ригельно-подкосных мостов, сооружаемых из круглого леса. Треугольно-подкосная система благодаря ее жесткости применялась довольно широко в железнодорожных мостах.

Появляются новые формы дощатых конструкций, например балочные, представляющие собой разновидность многорешетчатой системы Кулибина, но со сплошной перекрестной стенкой и с соединениями на дубовых нагелях. На эту конструкцию в 1898 г. - была выдана привилегия русскому инженеру К. Э. Лембке.

Журавский Дмитрии Иванович (1821-1891) Выдающийся ученый и инженер. Участвовал в изысканиях и проектировании железной дороги между Петербургом и Москвой. Для мостов этой дороги было решено поставить деревянные фермы с железными тяжами по образцу ферм Гау, применявшихся в Америке. Журавский разработал теорию расчета этих ферм, использовав ее при проектировании мостов через реки Волгу, Волхов и др. Теория Журавского позволила сооружать и безопасно эксплуатировать раскосные фермы пролетами до 60 м. Предложил для моста через р. Оку между Москвой и Орлом новую систему деревянных ферм, которая была изучена им на модели в 1/20 натуральной величины. Фермы состояли из арочного нижнего пояса, раскосной решетки и прямолинейного верхнего пояса.

Развитие деревянного мостостроения связано с деятельностью Д. И. Журавского, которого можно считать основоположником русской школы деревянных конструкций. Опередив заграничных инженеров, Д. И. Журавский создал теорию расчета многораскосных ферм, в том числе и неразрезных. Американцы размеры всех раскосов и тяжей фермы назначали одинаковыми. Журавский экспериментально доказал, что ближайшие к опорам тяжи и раскосы испытывают бóльшие усилия, чем элементы в середине пролета. Результаты теоретических и экспериментальных исследований Журавского были положены в основу проектирования и строительства деревянных мостов в России.

В мостах больших пролетов применялись многораскосные фермы Гау - Журавского. На железной дороге Петербург - Москва - это Bеребьинский, Метинский, Волховский и другие мосты. Веребьинский мост с неразрезными фермами имел девять пролетов по 54 м, расположенных на высоте 49 м над уровнем воды. Шоссейный крытый деревянный мост Д. И. Журавского через р. Пахру около г. Подольска пролетом 56 м существовал 68 лет. Столь же долговечным был мост, построенный через р. Или в 1882-1883 г., с десятью пролетами от 19,5 до 24,5 м, перекрытыми деревянными фермами [33].

Одним из крупнейших железнодорожных мостов был мост через р. Мету, сданный в эксплуатацию в 1851 г. Мост состоял из девяти пролетов по 60,8 м, перекрытых фермами системы Гау - Журавского. Промежуточные опоры моста представляли собой деревянные пирамидальные решетчатые башни высотой 35 м (от дна реки до низа ферм), обшитые железом. В 1869 г. сгорели фермы этого моста в трех пролетах. Восстановление моста при его большой высоте и крутых берегах представляло большие трудности.

Руководивший восстановлением Д. И. Журавский предложил конструкцию подмостей треугольной подкосной системы без промежуточных опор. Эта конструкция представляла собой систему защемленных на опорах и выпущенных в смежные пролеты мощных консолей с концентрацией материала у опор и легкой средней подвесной частью. На возведение этих подмостей приезжали смотреть крупные иностранные специалисты. После восстановления моста в 1870 г. он эксплуатировался 30 лет.

Значительный пролет деревянной консольной конструкции, ее прогрессивное решение с узловыми сопряжениями на болтах и гвоздях, простота системы, легкость и быстрота сборки являлись большим преимуществом этого выдающегося для своего времени деревянного сооружения.

Эта система была высоко оценена инженерами и в дальнейшем получила подтверждение практикой строительства мостов в военное время.

Развитие машинной обработки дерева во второй половине XIX в. позволило создавать крупные инженерные деревянные сооружения. Применение дерева в высоких и протяженных зданиях, воспринимающих значительную ветровую нагрузку, было выдающимся событием в инженерной практике конца XIX в. В строительстве деревянных железнодорожных и шоссейных мостов русские инженеры достигли результатов, не имевшихся в практике других стран.