Опубликовано

Железобетонные конструкции. Исторический обзор

Железобетон по сравнению с другими строительными материалами появился сравнительно недавно и почти одновременно в Европе и Америке. Его история насчитывается не более 150 лет. Однако к настоящему времени он получил самое широкое распространение в строительстве, имеет свою историю и своих выдающихся деятелей.

Железобетонные конструкции — несущие элементы зданий и сооружений, изготовляемые из железобетона, и сочетания этих элементов.

Появление железобетонных конструкций связано с большим ростом промышленности, транспорта и торговли во второй половине 19 века, когда необходимо было строительство новых фабрик, заводов, портов и многих других капитальных вложений. К этому времени были развиты цементная промышленность и чёрная металлургия. Им предшествовал многовековой опыт строительства из камня, неармированного бетона, дерева и двухсотлетний опыт из металла.

Исследования покрытий Царскосельского Дворца показали, что русские мастера ещё в 1802 году применяли армированный бетон, однако они не считали, что получили новый строительный материал, и не патентовали его.

Первым изделием из железобетона была лодка, построенная Ламбо во Франции в 1850 году. Первые патенты на изготовление изделий из железобетона были получены Монье в 1867-1870 годах. В 1892 году французский инженер Геннебик предложил монолитные железобетонные ребристые перекрытия и ряд других рациональных строительных конструкций.

В России железобетон стали применять с 1886 года для перекрытий по металлическим балкам.

В 1885 году в Германии инженер Вайс и профессор Баушингер провели первые научные опыты по определению прочности и огнестойкости железобетонных конструкций, сохранности железа в бетоне, сил сцепления арматуры с бетоном и пр. Тогда же впервые инженер Кенен высказал предложение, подтверждённое опытами, что арматура должна располагаться в тех частях конструкции, где можно ожидать растягивающие усилия.

В 1886 году Кенен предложил первый метод расчёта железобетонных плит, который способствовал развитию интереса к нововму материалу и более широкому распространению железобетона в Германии и Австро-Венгрии.

В 1891 году талантливейший русский строитель профессор Белелюбский первым провёл серию испытаний железобетонных конструкций плит, балок, арок, резервуаров, силосов для зерна, моста пролётом 17 м, которые по методике испытаний и полученным результатам по многом превосходили работы зарубежных учёных и послужили базой для широкого распространения железобетона в строительстве. В 1911 году в России были изданы первые технические условия и нормы железобетонных сооружений.

Время появления предложений Геннебика, то есть конец 19 века, можно считать началом первого этапа и развития железобетона, характеризуемого появлением в практике разного рода железобетонных стержневых систем. С этого времени повсеместно вошёл в практику и метод расчёта железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, основанный на законах сопротивления упругих материалов. На развитие железобетона в этот период большое влияние оказали труды многих русских учёных.

В 1904 году в Николаеве по проекту русских инженеров Пятницкого и Барышникова был построен первый в мире морской маяк из монолитного железобетона высотой 36 м, со стенами толщиной 10 см вверху и до 20 см внизу.

Примерно в то же время были осуществлены безбалочные междуэтажные перекрытия склада молочных продуктов в Москве. Приоритет создания этих конструкций принадлежит русскому инженеру, впоследствии выдающемуся учёному профессору Лолейту. Однако в дореволюционной России не было условий для подлинного прогресса в развитии железобетона.

Впервые идея предварительного напряжения элементов, работающих на растяжение, была выдвинута и осуществлена в 1861 году русским артиллерийским инженером Гадолиным применительно к изготовлению стальных стволов артиллерийских орудий. Вопрос о применении предварительного напряжения арматуры в железобетонных конструкциях был поднят в 1928 году в работах Фрейссинэ, а затем в работах немецких инженеров, послуживших началом практическому применению предварительного напряжённых железобетонных конструкций.

После Великой Октябрьской социалистической революции железобетонное строительство в Советской России получило невиданный в мире размах.  Необходимость максимально экономить материал и снижать стоимость железобетонных конструкций вынуждала советскую школу учитывать все наиболее передовое в европейской и американской практике и широко развивать собственные теоретические и экспериментальные исследования в области железобетона. В этих целях вскоре после революции был создан ряд научно-исследовательских институтов и лабораторий для теоретического и экспериментального изучения физико-механических свойств бетона и железобетона. В строительных и транспортных вузах были организованы кафедры строительных конструкций. Всё это позволило в краткий срок подготовить высококвалифицированных специалистов по железобетону. Это, в свою очередь, способствовало значительному расширению применения железобетона в гидротехническом и жилищно-гражданском строительстве.

В 1925-1932 годах советские учёные на базе широких экспериментальных работ разработали общие методы расчёта статически неопределимых стержневых систем (арок и рам), которые позволили запроектировать и построить много уникальных для своего времени общественных и промышленных зданий из железобетона – Центральный телеграф, Дом «Известий», здания министерств лёгкой промышленности и земледелия в Москве, почтамт и Дом промышленности в Харькове, Дома советов и Ленинграде, Минске, Киеве и ряд других крупных сооружений, в том числе много промышленных предприятий. В гидротехническом строительстве впервые железобетон был применён при строительстве Волховской ГЭС (1921-1926 года), крупнейшей по тому времени Плотина сооружалась на железобетонных кессонах, транспортируемых к месту установки на плаву.

Главное здание станции железобетонное каркасное, с железобетонными аркадами, поддерживающими путь 130-тонного мостового крана. Так же, широко железобетон был применён в главной подстанции и во всех вторичных подстанциях. Волховстрой явился первой большой практической школой советских специалистов по железобетону. Вслед за Волховской ГЭС были построены ДнепроГЭС (1927-1932 года), Нижне-Свирская ГЭС (1928-1934 года), в которых бетон и железобетон применялись ещё более широко.

Примерно в 1928 году железобетон стал широко использоваться в строительстве тонкостенных пространственных конструкций разнообразных оболочках, складах, шатрах, сводах и куполах. Советский учёный Власов первым разработал общий практический метод расчёта оболочек, значительно опередив зарубежную науку в этой области. В 1937 году вышла в свет первая в мире «Инструкция по расчёту и проектированию тонкостенных покрытий и перекрытий», составленная на основе теоретических  и экспериментальных работ, проведённых под руководством Гвоздева.

Первый тонкостенный купол значительного диаметра (28м) был построен в 1929 году в Москве для планетария, а самый большой в то время гладкий купол диаметром 55,5 м был сооружён в 1934 году над зрительным залом театра в Новосибирске.

Конструкцию купола разработал инженер Матери по идее и под руководством Пастернака.

Применение в строительстве рамных и тонкостенных пространственных систем с использованием их жёсткости и монолитности следует считать вторым этапом в развитии железобетона.

В 1936 году в СССР впервые был применён предварительно напряжённый железобетон для изготовления опор канатной сети на закавказских железных дорогах. Широкому внедрению предварительно напряжённых железобетонных конструкций во многом способствовали работы советских учёных.

Огромную работу по изучению и созданию теории и практики железобетонных конструкций и по разработке наиболее прогрессивных решений проводят Научно-исследовательский институт бетона и железобетона и многие другие научно-исследовательские и проектные институты.

На основе глубокого изучения физических и упругопластических свойств железобетона, а также экспериментальных данных учёные создали теорию расчёта железобетона по разрушающим усилиям. Она была положена в основу норм (ОСТ 90003-38), по которым рассчитывали все промышленные и гражданские здания и сооружения.

Многолетняя плодотворная деятельность учёных позволила нашей стране взять новый рубеж в дальнейшем совершенствовании науки о железобетоне – разработать новый метод расчёта железобетонных конструкций по предельным состояниям , который достаточно полно учитывает основные факторы, влияющие на их работу под нагрузкой.

Широкую индустриализацию железобетонного строительства, развитие предварительно напряжённых конструкций, внедрение напряжённых конструкций, внедрение высокопрочных материалов и разработку нового метода расчёта железобетонных конструкций следует считать началом третьего этапа в развитии железобетонных конструкций. Выдающимся примером третьего этапа может служить построенная в 1965 году башня Большого московского телецентра общей высотой 522 м.

Нижняя часть до высоты 385 м выполнена из монолитного предварительно напряжённого железобетона. Диаметр башни внизу 18 м, а вверху – 8,5 м при толщине стенки соответственно 46 и 30 см. На отметке 65 м ствол башни переходит в коническое основание диаметром понизу 61 м. На высоте 360 м расположены ресторан на 420 человек и смотровые площадки на 600-700 человек. Нижняя часть конического основания имеет диафрагмовое кольцо, воспринимающее усилие от анкеровки канатов предварительно напряжённой арматуры. Советские учёные и инженеры осуществляли плодотворные научные и конструкторские исследования по всем направлениям теории и практики железобетона.