Железо и железные конструкции

К середине XIX в. в строительстве зданий и сооружений стал чаще применяться металл в качестве самостоятельных несущих конструкций. Если в первой половине XIX в. чугунные конструкции в строительстве занимали первое место, а железо применялось главным образом в качестве связей в кирпичных стенах, то к началу второй половины века железные конструкции в строительстве получили широкое распространение.

Железо как строительный материал было уже хорошо изучено, хотя официальные нормы его прочности еще не были разработаны. Они назначались в каждом случае крупного строительства.

С 1850 по 1860 г. академик А. Я. Купфер в Центральной физической Санкт-Петербургской обсерватории провел многочисленные исследования упругости металлов и сопротивления их под нагрузкой в пределах упругости. В 1853 г. при Институте инженеров путей сообщения была создана первая в России механическая лаборатория. Ее организатором и первым руководителем был выдающийся русский инженер П. И. Собко.

До 80-х годов XIX в. изготовление железных конструкций для строительства было полностью основано на ручном труде в мелких мастерских или непосредственно на месте строительства. Обработка деталей сводилась к кузнечной правке, резке и сверлению отверстий. Заводского изготовления конструкций не существовало. Лишь чугунные строительные конструкции изготовлялись на литейных заводах. Они отливались путем выпуска чугуна из доменных печей или вагранок прямо в земляные формы.

На Урале в начале второй половины XIX в. строились заводские корпуса с применением чугунных конструкций. Колонны, фермы и подкрановые пути отливались так, что они могли применяться в любом месте строящегося здания. Это указывает на то, что строители использовали типовые детали и целые конструкции. Конструкции заводских корпусов принимали новый характер: расстановка конструкций осуществлялась на равных расстояниях друг от друга. Впрочем, следует отметить, что в промышленном строительстве дерево уступало свои позиции железу и чугуну не без борьбы. Металлические или чугунные конструкции хотя и более надежны, чем деревянные, но экономически были не всегда выгодны.

В 60-х и 70-х годах XIX в., когда усилилось строительство железных дорог и станционных сооружений, деревянные и металлические конструкции применялись вначале совместно. Но быстро выяснилось, что совмещение этих разнородных материалов в одном сооружении нецелесообразно. В колоннах и перекрытиях железные и чугунные конструкции скоро вытеснили деревянные.

Кербедз Станислав Валерианович (1810-1899) Инженер-мостостроитель. Окончил Институт корпуса инженеров путей сообщения в Петербурге. Автор проекта и строитель Благовещенского моста (ныне мост лейтенанта Шмидта) с чугунными арочными пролетными строениями - первого постоянного моста через р. Неву в Петербурге. По его проекту построены через реки Лугу и Вислу (в Варшаве) мосты, имевшие железные многораскосные решетчатые фермы с коробчатыми поясами. Прямые и обратные раскосы были разной конструкции: прямые работали на сжатие, а обратные - на растяжение. Это была первая в мире конструкция мостов, где учитывалось сжатие в раскосах. Многое сделал также для развития и улучшения русских водных путей сообщения.

В начале второй половины XIX в. стало развиваться строительство металлических мостов. Первый железный мост в России был построен в 1853-1857 гг. через р. Лугу на Петербург-Варшавской железной дороге по проекту С. В. Кербедза. Это был неразрезной мост с двумя пролетами по 57 м. Мост имел многораскосную решетку. Восходящие раскосы работали на сжатие. Сжатые раскосы состояли из двух полос железа, подкрепленных по всей длине одиночными уголками; две полосы с уголками были связаны между собой крестовой решеткой. Растянутые раскосы состояли из двух полос железа, соединенных между собой распорками. Все узлы были жесткие. Металл для моста был прокатан на заводе Огарева под Петербургом и частично на заводе Демидова на Урале. При изготовлении конструкций применялись машины для резки и пробивки отверстий.

Изготовление и строительство лужского моста послужило примером для создания других металлических конструкций, в частности стропильных ферм. В них постепенно вводились жесткие узлы. Шарнирность узлов стропильных ферм диктовалась формами применяемого проката - полосового и квадратного железа. Значительное время эти формы проката применялись совместно с прокатными уголками и швеллерами, из-за чего конструирование жестких узлов затруднялось. Постепенно из конструкций стропильных ферм было вытеснено квадратное и полосовое железо. В 70-х годах XIX в. стропильные фермы стали изготовлять только с жесткими узлами.

В 1873 г. начались работы по замене деревянных железнодорожных мостов на дороге Петербург-Москва, прослуживших 35 лет. Замена деревянных мостов металлическими осуществлялась под руководством Н. А. Белелюбского. Он знал основы строительства железных мостов в Европе и Америке, критически их оценил и внес в мостостроение более рациональные конструкции. Были построены железные мосты через крупнейшие водные преграды. Большой мост с параллельными поясами через р. Днепр у Екатеринослава имел 15 пролетов по 87 м каждый. В 1880 г. был построен по проекту Н. А. Белелюбского мост через Волгу у Сызрани с пролетами 107 м. Это был последний мост, в России из иностранного железа [34].

Для выполнения строительных работ, где требуется железо высокого качества, нужно было развивать русскую металлургическую промышленность и переходить на выплавку большого количества литой мартеновской стали. Однако еще в 1880 г. русская металлургия выпускала больше сварочного железа, чем литой стали (табл. 8).

Из таблицы видно, что только в самом конце XIX в. в нашей стране резко увеличилась выплавка литой стали и лишь в 1900 г. сварочное железо перестало занимать ведущее место. Полный переход на литую сталь в изготовлении металлических конструкций и мостов завершился в первом десятилетии XX в.

С увеличением выпуска качественной мартеновской стали, а также в связи с тем, что в ряде отраслей промышленности (металлургической, машиностроительной, судостроительной и т. п.) создавались новые технологические процессы, в которых применялись мощные машины и оборудование, потребовались более надежные, жесткие и просторные промышленные здания.

Строительство промышленных предприятий в 1880-1890 гг. поднималось на новую ступень. Появились многопролетные здания с металлическими решетчатыми колоннами и с легкими стропильными фермами. Колонны одноэтажных зданий для увеличения жесткости корпусов развязывались поверху решетчатыми балками в продольном и поперечном направлениях цеха. По верхним поясам ферм устраивались диагональные связи в значительном количестве. Постепенно во всех элементах стропильных ферм промышленных зданий увеличивалось применение жестких профилей железа и осуществлялся переход к жестким клепаным узлам на фасонках. Шарнирные соединения полностью исключались. Во второй половине XIX в. и в начале XX в. металлические конструкции соединялись с помощью заклепок или болтов. Все ответственные сооружения были клепаными.

Таблица 8. Выпуск сварочного железа и литой стали в конце XIX в., млн. пудов [35, с. 263, 276]

В 1882 г. инженер Н. Н. Бенардос предложил соединять железные детали конструкций с помощью сварки электрической дугой с угольным электродом. Электросварка, таким образом, должна была заменить заклепочные соединения металлов. Другой инженер - Н. Г. Славянов в 1888 г. изобрел независимо от Бенардоса сварку металлов с помощью электрической дуги, но с применением металлического электрода. Оба метода сварки металлов быстро стали известными во всем мире, но лишь в 1914-1919 гг., во время войны, электросварка нашла практическое приложение в Америке. В России электросварка стала применяться лишь в 1920 г.

В 1885 г. Н. А. Белелюбский начал разработку русского сортамента прокатных сталей. В 1900 г. он вышел в свет под названием "Русский нормальный метрический сортамент фасонного железа". В сортаменте нормировались угловое железо, тавровое, двутавровое, швеллеры и зетовое железо. Столь длительная разработка сортамента объясняется тем, что для многих владельцев железоделательных заводов нормализация проката была невыгодна, так как прокатные валки могли выйти из употребления.

В 1884 г. Н. А. Белелюбский опубликовал "Таблицы для подбора сечений и исчисления веса частей железных сооружений". Таблицы выдержали в XIX в. несколько изданий. Они пользовались большой популярностью среди инженеров и дали толчок развитию в России металлических конструкций и железных мостов.

В 1899 г. Н. А. Белелюбский совместно с Н. Б. Богусловским опубликовал пояснения к русскому сортаменту прокатных сталей [36]. В них приводятся списки более чем 120 заводов и мастерских, которые в 1898 г. в России изготовляли железные мосты и конструкции. Таким образом, от кустарного производства железных конструкций в России к началу XX в. перешли к изготовлению конструкций частично с применением машин.

С развитием металлических конструкций во второй половине XIX в. появились специальные виды сооружений, которые раньше совершенно не строились. К ним относятся высотные здания, башни, резервуары большой емкости, доменные печи, кауперы, трубы больших диаметров, паровые котлы, речные и морские суда. Расширилось применение металла в строительстве жилых и общественных зданий.

72. Висячие сетчатые покрытия на Нижегородской ярмарке

Уникальными сооружениями были конструкции некоторых зданий на Всероссийской промышленно-художественной выставке в 1896 г. в Нижнем Новгороде. Над многими павильонами были построены оригинальные по форме и удивительно легкие арочные и висячие сетчатые покрытия системы В. Г. Шухова (рис. 72). Сетчатая поверхность создавалась из уголков, зетового и полосового железа; никаких стропил для этих покрытий не требовалось: они опирались на стены и колонны. Появлению шуховских сетчатых покрытий не предшествовала ни одна конструкция ни в России, ни за границей. В. Г. Шухов создал их, руководствуясь анализом стропильных ферм наименьшего веса.

73. Проект сетчатого свода двоякой кривизны на Выксунском чугуноплавильном заводе, осуществленный в 1898 г.

В 1898 г. на Выксунском чугуноплавильном заводе В. Г. Шухов построил сетчатые своды двоякой кривизны над отделением нагрева слитков и цилиндрические сетчатые конструкции в других цехах (рис. 73). Обследованные нами в 1955 г. сетчатые своды на Выксунском заводе находились в хорошем состоянии.

74. Металлическая водонапорная башня, построенная В. Г. Шуховым на Нижегородской ярмарке

На выставке 1896 г. в Нижнем Новгороде демонстрировалась водонапорная сетчатая башня высотой 27 м с резервуаром на 10 тыс. ведер (рис. 74). Башня по проекту В. Г. Шухова выполнена из железных стержней, расположенных по поверхности гиперболоида вращения. Все стержни башни прямые, хотя со стороны (и на снимке) нам кажется, что они изогнуты. Водонапорные сетчатые башни в начале XX в. применялись часто.

75. Аджигольский маяк высотой 72 м вблизи Херсона (1911)

В 1911 г. вблизи Херсона был построен Аджигольский маяк высотой 71,58 м (рис. 75). Сетчатая конструкция башни маяка выполнена по системе В. Г. Шухова (В 1922 г. в Москве В. Г. Шуховым была построена на Шаболовке сетчатая радиобашня из пяти гиперболоидов вращения высотой 150 м (без флагштока). Она вдвое ниже башни Эйфеля в Париже, но зато в 27 раз легче и неизмеримо проще в строительстве.).

В начале XX в. в России постепенно увеличивалась выплавка чугуна и стали (табл. 9).

Таблица 9. Выплавка чугуна и стали в начале XX в., млн. пудов

Увеличение выплавки чугуна и стали не всегда сопровождалось ростом техники металлургии, она развивалась неравномерно. Техника производства железных конструкций также развивалась неравномерно.

Конструкции для мостов создавались в котельных цехах ряда заводов с применением машин для холодной обработки железа, применялось пакетное сверление отверстий на сверлильных станках, резка металла осуществлялась механическими ножницами, появилась пневматическая клепка скобой, строчка кромок осуществлялась на больших кромкострогальных станках и т. п.

Однако изготовление железных конструкций для промышленного и гражданского строительства осуществлялось с применением простейшей техники в мастерских мелких предприятий. Здесь преобладало ручное сверление отверстий или пробивка их ручным прессом, резка железа ручными ножницами, ручная клепка и т. п.

Сборка и клепка железных сооружений на месте возведения мостов или других конструкций всегда велась вручную с применением простейших грузоподъемных устройств - козловых кранов, шедов, стрел и других приспособлений.

Инженеры успешно справлялись с расчетом, проектированием и строительством железных конструкций любой формы. Они добились значительных успехов в разработке более выгодных и экономически целесообразных решений в покрытиях промышленных зданий, снизив вес конструкций перекрытий почти в 2 раза за время с 30-х годов XIX в. до 1903 г. XX в. (табл. 10).

Таблица 10. Снижение веса конструкций перекрытий

В начале XX в. были установлены допускаемые напряжения и временные сопротивления на металл, указанные в табл. 11.

Таким образом, в эпоху промышленного капитализма в России, исходя из требований практики, металлические конструкции прошли следующие этапы:

1. Перекрытия со смешанными конструкциями стропил - дерево, чугун, железо (1830-1870).

2. Перекрытия по железным стропилам с шарнирными узлами из полосового, квадратного и углового железа, с большим числом чугунных деталей (1840-1880).

3. Перекрытия по стропильным фермам с жесткими узлами на фасонках, с уголками в сжатых элементах и полосовым железом в растянутых; число чугунных деталей уменьшается (1850-1900).

4. Перекрытия по стропильным фермам из углового железа с жесткими узлами на фасонках; чугунные детали почти не применяются (1890-1914).

5. Переход от одного типа" стропил к другому происходил постепенно; многие формы и схемы стропил долгое время применялись одновременно, образуя большое многообразие конструктивных решений.

6. Конструкции балок в строительстве изменялись в зависимости от изменения формы проката металла. Чугунные брусковые, тавровые и двутавровые балки применялись до 1860 г. Железные решетчатые и полосового железа-до 1880-1890 гг. Железные решетчатые из гнутых и прокатных уголков из полосового железа и железные сплошные из листового и углового железа применялись до 1917г.

7. В строительстве применялись металлические колонны: сплошные чугунные (приблизительно до 1820-1840 гг.), чугунные полые (до 1880 г.), железные из прокатных квадрантов (1860- 1890), железные решетчатые из уголков и полосового железа (1860-1917), железные сплошные из швеллерного или двутаврового железа (1860-1917), решетчатые железные из швеллеров или двутавров и полосового железа (1870-1917).

8. Развитие машинного производства в России и улучшение техники холодной обработки металла снижали расход рабочей силы на единицу выработки железных конструкций. Производство железных конструкций для строительства все время оставалось на уровне ручной техники. В начале XX в. в некоторых котельных цехах применялась машинная резка железа, пробивка отверстий и т. п.

9. В тех отраслях производства, где не применялись мостовые краны, в последнее десятилетие XIX в. строились новые сетчатые пространственные и большепролетные конструкции типа сетчатых сводов.

Патон Евгений Оскарович (1870-1953) Ученый, специалист в области мостостроения и сварки, действительный член АН УССР (1929), Герой Социалистического Труда (1943). По окончании Петербургского института инженеров путей сообщения (1896) работал на железных дорогах России, проектировал и строил мосты. С 1898 г. преподавал в Московском инженерном училище (ныне Институт инженеров железнодорожного транспорта), с 1905 г. - в Киевском политехническом институте. В 1921-1931 гг. возглавлял Киевскую мостоиспытательную станцию. Автор многих трудов и учебников в области мостостроения. В советское время сделал огромный вклад в комплексное развитие электросварки, особенно ее автоматизации. Под его руководством в 1953 г. в Киеве построен крупнейший в Европе цельносварной мост через Днепр, которому присвоено имя Патона.

10. В строительстве железных раскосных мостов в конце XIX в. сложилась школа мостостроителей Н. А. Белелюбского. К этому времени многораскосные мосты уже не строились, но существовали на 'железных дорогах до 1950-х годов. В начале XX в. в России возникли новые школы мостостроителей - Л. Д. Проскурякова, Г. П. Передерия и Е. О. Патона.

11. В 1913 г. в России было изготовлено для строительства 76 тыс. т железных конструкций.

Таблица 11. Допускаемые напряжения и временные сопротивления, установленные в XX в., т/см²