Предыдущая часть здесь.
Вопрос напряженных конструкций, применительно к строительству, находится в процессе стремительного и бурного развития.
Развитие напряженных конструкций продолжается и сегодня.
Способность воспринимать силы и моменты с помощью растянуто напряженных материалов мы находим в неживой и живой природе. В неорганическом мире, например, среди минералов в редких случаях мы сталкиваемся со способностью воспринимать нагрузки в виде растягивающих усилий, за исключением разве только асбестовых волокон. Тем не менее многие скальные породы имеют определенную прочность на разрыв. Растягивающие усилия встречаются только на поверхности земли, глубинные же слои земли сжаты.
Значительно чаше растянуто напряженное состояние встречаете в живой природе. Так, например, древесина как строительный материал может подвергаться сжатию, растяжению или изгибанию - растягивающие усилия могу действовать в отдельности или совместно с изгибающими. В то время как ствол дерева воспринимает сжимающие и изгибающие усилия, наиболее крупные сучья кроны работают в основном на изгиб, а мелкие ветви -— на растягивание. Гибкие, по малорастяжимые пленки сухожилия необходимы в тех случаях, когда несущая система не жесткая, а подвижная. Сжимающие усилия чаще всего воспринимаются жесткими, работающими на сжатие элементами. Так например, у зверей панцирь округлой формы выполняет роль наружного скелета, воспринимающего сжимающие и в определенной степени изгибающие усилия. Внутри его растянуто напряженная подвижная система. У позвоночных суставчатая система, работающая на сжатие (скелет), одета множеством сухожилий, мускулов и пленок, представляющих собой систему. Она работает на растяжение и обеспечивающую подвижность конструкции. В целом конструкция способна воспринимать значительные силы и моменты.
Конструкции тел животных весьма разнообразны. Чаще всего они представляют собой комбинацию нескольких растянуто напряженных систем со скелетом, работающим на сжатие. Смешанные изгибные напряженные состояния встречаются реже.
В то время как живые конструкции представляют собой высокоразвитые системы, с эффективностью которых могут сравниться только лучшие из созданных человеком конструкций и сооружения, создаваемые животными, стоят на значительно более низкой ступени развития. Но и здесь мы можем наблюдать растянуто напряженные элементы конструкций. Так, например, вырабатываемые пауком нити весьма эффективно используются им в конструкции ловчей сети.
В человеческой деятельности в качестве первых растянуто напряженных конструкций могут рассматриваться шатры и палатки из звериных шкур или из тонких ветвей. С развитием техники, качества и вязания стали изготовлять тканевые шатры и палатки, рыбацкие сети и корабельные паруса. Уже много тысячелетий для изготовления сетей и тканей используются волокна, прочность которых была превзойдена только сравнительно недавно.
Все виды конструкций предварительно напряженных сеток и мембран, которые были известны на заре строительства домов и рассматриваются сегодня как вершина современной техники. Они могли бы получить свое завершенное конструктивное выражение еще в древности при использовании строительных материалов, обычных для того времени.
Хотя вероятность этой гипотезы почти очевидна, исторические данные свидетельствуют о том, что в древности и в средние века строительная техника в области сетчатых и тентовых конструкций не располагала возможностями, сколько-нибудь сравнимыми с современными. Растянуто напряженные конструкции моложе конструкций, работающих на сжатие и на изгиб. Время их развития относится в основном к последним десятилетиям. Этим они отличаются, например, от ажурных сжато напряженных конструкций, которые применялись в готическом строительном искусстве и к которым со времен средних веков ничего существенного добавлено не было.
Шатер - старейшая пространственная конструкция в области растянуто напряженных конструкций. Гибкая оболочка шатра должна воспринимать высокие растягивающие напряжения.
Основные типы шатровых конструкций почти не изменились за последние десятилетия. Известная форма — остроконечный шатер: оболочка конической формы опирается в центре на мачту. В других формах применяются две мачты, так что образуется двускатное покрытие. Старые конструктивные формы шатровых покрытий были широко известны, однако в последнее время в этой области появились новые оригинальные находки. В тентовых конструкциях теперь выполняются роскошные залы и целые палаточные города. При высоком профессиональном исполнении основные формы шатров почти всегда варьируются.
Развитие конструкций корабельных парусов шло, по всей вероятности, независимо от развития тентового строительства. Корабельный парус по существу может быть отнесен к пневматической конструкции. Суровые испытания на морях помогли за сравнительно короткое время создать весьма эффективные конструкции парусов. На основе последних достижений аэродинамики, методов расчета и способов задания формы мембран удалось внести в парусное дело существенные улучшения. Ветер как источник энергии теперь почти не используется, поэтому дальнейшее развитие в этой области проблематично.
Широко известный цирковой шатер приобрел свою форму, по всей вероятности, в прошлом столетии. Чаще всего применялись четыре больших мачты, устанавливаемые вокруг арены, на которые навешивалось тентовое покрытие. Оно раскреплялось большим количеством оттяжек.
Большие пролеты и высокие напряжения в материале заставили воспользоваться тяжелыми тканями из льна, пеньки или хлопка и усиливать их в наиболее опасных местах вшитыми тросами.
В мостостроении известны висячие мосты с одним, двумя или несколькими несущими канатами, причем форма проезжей части этих мостов следует кривой каната. То есть или непосредственно опирается на несущий канат, или подвешивается вплотную к канату снизу. Большепролетные мосты такого типа сохранили свое значение до настоящего времени и будут строиться в дальнейшем. До появления стального троса несущие канаты выполнялись исключительно из растительных волокон с ограниченной долговечностью, что вынуждало часто заменять их. Позднее для висячих мостов были применены кузнечные металлические цепи, известные уже семь веков и, возможно, существовавшие еще раньше. Наиболее важные примеры применения кузнечных цепей для висячих мостов имеются в практике английского мостостроения.
Только в XIX в. появилась горизонтальная проезжая часть, подвешиваемая к несущим тросам и не повторяющая более формы кривой несущего троса. Проезжая часть была отделена от основной системы конструкции. В 1816 г. был возведен первый висячий мост, в котором вместо цепей были применены проволочные тросы. Применение стальных проволочных тросов позволило достигнуть огромных пролетов .
Джон Рёблинг разработал и осуществил конструкции висячих мостов со свободно висящими несущими тросами, с жесткой проезжей частью и вертикальной тросовой сетью, объединяющей несущий канат и проезжую часть. Работы Рёблинга сохранили свое значение до настоящего времени и оказали большое влияние на конструкции всех новых больших висячих мостов.
Важнейшие работы Рёблинга — мост в Цинциннати и Бруклинский мост в Нью-Йорке.
В последнее время разработаны новые системы висячих мостов с четырьмя, реже тремя несущими тросами, образующими пространственную предварительно напряженную систему, которая позволяет добиться высокой жесткости сооружения и малого собственного веса конструкции.
До сих пор не удалось установить кто впервые использовал в висячих мостах дополнительные тросы, раскрепляющие конструкцию моста в вертикальном и боковом направлении для предупреждения вертикальных и скручивающих колебаний. Элизабет Мок приводит данные о речном мосте с такими раскрепляющими тросами, построенном в Англии в 1741 г. Джон и Вашингтон Рёблинги также используют такие тросы. Во всяком случаи, несомненно, что предварительное напряжение пространственной тросовой системы известно еще с давних времен. После висячих мостов начали строить также покрытия, подвешиваемые к тросам (арсенал в Лорнете, 1837 г.) . Существует много более поздних проектных разработок и возведенных сооружений.
Задачи, возникающие при строительстве висячих покрытий, существенно отличаются от проблем, возникающих при сооружении висячих мостов. Покрытия, нагрузки у которых значительно меньше, весят немного и поэтому весьма чувствительны к вертикальным перемещениям под действием ветра в отличие от висячих мостов с тяжелой проезжей частью, для которых, как показали проведенные исследования, опасность возникновения аэродинамической неустойчивости сравнительно невелика.
К числу первых инженерных работ в области висячих конструкций, в которых мембрана покрытия и несущая конструкция представляли единое целое, относятся сооружения В. Г. Шухова, возведенные им на Нижегородской ярмарке (1896 г.). Эти работы были забыты и только недавно снова привлекли к себе внимание. Шуховские конструкции можно отнести к типу шатровых конструкций из листовой стали.
Развитие современных растянуто напряженных конструкций получило мощный толчок в 30-х годах этого столетия в связи с попыткой перекрытия большого зернохранилища в Альбани, штат Мемфис (США) с помощью висячего тонколистового стального покрытия одинарной кривизны. В это время Лафалье в Париже работал над конструкциями жестких тонколистовых металлических оболочек, а позднее — над растянуто напряженными тонколистовыми покрытиями.
Особенно важным этапом в развитии растянуто напряженных конструкций следует считать проект висячего покрытия Рэлей-арены, разработанный Новицким в 1950 г. и реализованный Северудом и Дейтриком в 1953 г.
Впервые попытка рассмотреть тросовые сетки и мембраны, арки, краевые тросы и элементы, стабилизируемые тросовой сеткой, пространственно искривленные предварительно напряженные мембранные системы и различные виды пространственных мембранных покрытий с внутренними опорами была сделана автором в 1951 —1953 гг. в диссертации «Висячие покрытия». Покрытия этого рода получили в последнее время широкое распространение. Во всех странах строятся крупные сооружения такого типа. Инженерами и архитекторами достигнуты выдающиеся теоретические и практические успехи в этой области. Не претендуя на исчерпывающую полноту назовем здесь имена людей, способствовавших развитию этой отрасли конструкций. В их числе Борджес, Бэрд, Костас Альяна, Финстервальдер, Фриман, Хоттингер, Ирвин, Яверт, Ле Риколье, Леонгардт, Людковский, Ергенсен, Хорак, Маринг, Мондино, Рабинович, Рудольф, Сааринен, Сарджер, Шеллинг, Шлеер, Северуд, Стоун, Стюббинс, Штромайер, Тандж, Тростель, Цубои, Вейдлингер, Юнкен, Цеттин. Наиболее важные сооружения типа растянуто напряженных конструкций — Шварцвальдхалле в Карлсруэ, павильон Рио-Гранде де Суль в Сан-Паулу, покрытие хоккейного стадиона в Нью-Хейвене, висячее покрытие над певческой трибуной в Мельбурне, аэропорт им. Даллеса в Вашингтоне, покрытие плавательного бассейна в Вуппертале, французский и американский павильоны на Брюссельской выставке, покрытие зала в Дортмунде, покрытие аудитории в Утике, олимпийский стадион в Токио.
Можно сказать, что с 1960 г. началось международное движение в области растянуто напряженных конструкций.
Трос как часть растянуто напряженной конструкции встречается в самых различных областях техники. Мачта старого парусного корабля, укрепленная растяжками — прообраз гигантских современных радиомачт. Уже с 20-х годов нашего столетия стали думать о том, чтобы подвесить к мачтам площадки, образующие совместно с мачтой конструкцию высотного здания. В этом направлении работали Раш, Бэкминстер Фуллер, Бакема, Пардо, Борисовский, Леман и др. Конструкции такого типа, где все сжимающие усилия концентрируются в немногих несущих элементах, находятся в самом начале своего развития. Можно полагать, что в будущем их ждет широкая область применения, в особенности в сочетании с предварительно напряженными пространственными тросовыми сетками.
