Бетонні та залізобетонні конструкції та споруди

Розвиток металургійної, цементної промисловості та вимоги до несучої здатності й вогнестійкості конструкцій зумовили впровадження у будівництво залізобетонних конструкцій.

У різних країнах одночасно з’являються ідеї підсилення бетону металевою арматурою з метою підвищення міцності під час роботи конструкцій на розтяг. Француз Ж..Ламбо в 1849 р. побудував залізобетонний човен з каркасом (арматурою) з дротяної сітки. У тому спмому році американець Г. Гіатт виконав перші дослідження бетонних брусків, В. Уілкінсон (Англія) у 1865 р. одержав патент на вогнестійкі залізобетонні перекриття. За його проектом побудований двоповерховий будинок, який успішно витримав випробування на вогнестійкість.

У 1861 р. у Франції видано книгу Ф. Куньє “Агломерування бетону”, який застосовується в будівельній справі», а у 1867 р. перший патент на цементні діжки, армовані залізним дротом, одержав французький садівник Ж. Моньє.

У 1892 р. французький інженер Ф. Геннебік застосував важливе удосконалення залізобетонних конструкцій – похилі та поперечні стрижні для підсилення бетону під час його роботи на зріз і сколювання. Він запропонував наближені формули для розрахунку, що зумовило розповсюдження каркасних конструкцій, подібних до сучасних.

У 1870—1880 рр. з розвитком цементної промисловості в Україні почали широко впроваджуватися залізобетон. Експериментальні випробування конструкцій були виконані в Києві, Львові, Миколаєві, Здолбунові.

Залізобетонні конструкції появились у середині минулого століття, однак вже до кінця століття було споруджено залізобетонні ребристі перекриття, перші мости, труби. На початку ХХ століття у Москві вже було збудовано безбалкове залізобетонне перекриття, а у Миколаєві на Україні – перший у світі залізобетонний маяк. Надалі залізобетонні конструкції набувають все більшого розповсюдження у вигляді монолітних конструкцій будівель і інженерних споруд. На початку 30-х років минулого століття з’являються перші попередньо напружені конструкції, ефективність яких швидко розвивається з підвищенням механічних характеристик арматурної сталі і бетону, а також з розвитком технології їх виготовлення. У післявоєнні роки значного розвитку набули збірні залізобетонні конструкції. Застосування уніфікованих збірних залізобетонних конструкцій у промислових будівлях (колони, балки, ферми, арки тощо), великопанельних житлових і будівлях загального призначення (рис. 1.6, а), у інженерних спорудах (мости, естакади, шляхопроводи, гідротехнічні споруди тощо) дало змогу скоротити терміни будівництва і зменшити витрати.

Із залізобетону побудовано багато унікальних споруд. Ще у 1935 році у Новосибірську було побудовано найбільший тоді купол діаметром 60 метрів завтовшки 7 см. Пізніше залізобетон почали широко використовувати під час будівництва різних оболонок, прольоти яких перевищили 200 м. У 1960 – 1965 рр. із попередньо напруженого залізобетону було побудовано Московську телевізійну башню заввишки більше 500м (рис. 1.6.d).

Залізобетон став основою сучасного будівництва, його успішно застосовують не тільки у масовому цивільному, промисловому і сільськогосподарському будівництві, але й у містобудуванні, у гідротехнічному будівництві і інших галузях (рис. 1.6).

Внаслідок наукової і практичної діяльності Н. А. Белелюбського, А. Ф. Лолейта, А. В. Кузнєцова в Росії, А. С. Кудашева, Н. К. П’ятницького, С. І. Рудницького та інших в Україні залізобетонні конструкції почали широко застосовувати у практиці будівництва. З 1898 р. залізобетон впроваджується для будівництва на залізницях.

Одним з піонерів упровадження залізобетону в Україні був інженер С. І. Рудницький, який працював в Одесі. Його будівельна контора за 1889—1907 рр. побудувала близько 100 залізобетонних резервуарів на залізничних коліях, застосовувала залізобетон у конструкціях Бесарабського ринку в Києві, стеаринового заводу, деяких житлових і торгових будинків в Одесі.


 

a b
с d
Рис.1.6. Залізобетонні висотні будівлі: a – каркасна будівля інституту ДерждорНДІ (Київ); b – каркасна будівля Мінтрансу (Київ); c–каркасна промислова будівля; d –Останкінська телевізійна вежа (Москва)

З ініціативи М.Тульє в 1894 р. у дворі Вищої політехнічної школи збудовано залізобетонний міст–арку прольотом 11,05 м як експо­нат для виставки, яка відбувалась у той час у Львові.

На початку ΧΧ ст. в Україні великий вплив на впровадження залізобетону чинили інженери земств, залізниць, викладачі ВНЗ, особливо професори С. А. Прокоф’єв, Я. В. Столяров, Є. О. Патон, інженери Ю. І. Успенський, Н. К. П’ятницький, А. Г. Гінзбург,В. І. Леонтович, Н. І. Летуновський, І. А. Кириленко, С. А. Віслоцький та багато інших.

У 1901 р вперше в Україні, влаштовуючи фундаменти Миколаївського костелу у Києві, застосовано бетонні буронабивні палі (винахід київського інженера Страуса).

Об’єднання ребристих перекриттів з колонами в єдину каркасну систему вважається початком впровадження сучасних залізобетонних конструкцій.

В Україні вперше будинок з елементами залізобетонних конструкцій побудовано в Катеринославі. Це двоповерховий пакгауз розмірами 35 × 80 м. Стіни виконані з монолітного залізобетону завтовшки 10 см. Для утеплення житлових приміщень застосовані коркові щити. Плоска покрівля цього будинку, очевидно, була першою в Україні.

Найбільшою будовою з повним залізобетонним каркасом був шестиповерховий комерційний банк у Харкові (1913 р., арх. А. І. Ржепишевський, Н. В. Васильєв). Будинок каркасний з фахверковим заповненням цегляною кладкою.

Поширення залізобетонних конструкцій дало змогу застосовувати їх у промисловому будівництві. Це бункери, силоси, резервуари і водонапірні башти у Керчі, Катеринославі, Миколаєві, Харцизьку, Ялті, Одесі тощо.

В Україні найвидатнішою інженерною спорудою з монолітного залізобетону є маяк у Миколаєві. Це перша в світі споруда такого типу. У 1903 р. інженер Н. К. П’ятницький і архітектор А.А. Баришников запроектували маяк у трьох варіантах (з металу, цегли та залізобетону). Техніко-економічний аналіз виявив переваги залізобетонного варіанта. Конструкція маяка — конусоподібна труба заввишки 36 м, завтовшки стінки 20–9 см. Автори присвятили цю працю своєму вчителю — відомому вченому Ф. С. Ясинському. У розробці проекту брав участь Н. А. Белелюбський.

Доцільність застосування збірного залізобетону визнана ще у 1902 р. Так, інженер Н. К. П’ятницький писав, що недоліки монолітного залізобетону призвели до необхідності створити таке перекриття, яке в готовому вигляді укладали на місце будови. Причому з таким розрахунком, щоб формам для його виготовлення можна було користуватися декілька разів.

Серед перших збірних залізобетонних елементів були плити, сходи, труби, палі, елементи залізобетонних мостів.

У кінці ΧΙΧ ст. на основі досвіду та теоретичних праць було розроблено метод розрахунку залізобетонних конструкцій за допустимими напруженнями. В основу цього методу покладено закони опору матеріалів Бернуллі й закон Гука з урахуванням особливостей залізобетону. При тому припускали, що напруження при згині пропорційні деформаціям і відстаням від волокон до нейтральної осі. Опір бетону розтягу не враховували.

У розробку методів розрахунку залізобетону значний внесок зробили вчені різних країн. Зокрема К. Мазо і П. Нейман (1890 р.) запровадили поняття про приведений переріз бетону, в якому арматуру заміняли еквівалентною площею бетону. М. Кенен запровадив в обіг теорію розрахунку (1887 р.). Ф. Куньє і Н. Тедеско вперше ввели поняття про робочу висоту перерізу. Удосконалили теорію розрахунку і конструювання Ф. Геннебік, А. Консідер, П. Джексон та інші.

Значний внесок у розвиток методів розрахунку залізобетону зробили вчені України. Професор Львівського політехнічного інституту М. Тульє у 90-ті роки минулого століття ввів поняття про стадії напруженого стану елементів, що згинаються, і вперше розрізнив їх. Ці поняття існують досі. Київський інженер А. С. Кудашев у 1898-1899 рр. виконав у лабораторії Південно-західної залізниці дослідження, якими експериментально підтвердив доцільність прийняття для залізобетону гіпотези плоских перерізів.

У 1902 р. М. Тульє виконав у Львові важливі експериментальні дослідження ребристих перекриттів у стадії руйнування і зробив спробу побудувати формули для цієї стадії (1913 р.), що було прообразом нового методу розрахунку за граничними станами.

Основні обчислювальні комплекси, за допомогою яких виконують проектування залізобетонних конструкцій в Україні та багатьох країнах світу, розроблені в Києві (Городецький, Здоренко). В Україні розроблені точніші методики розрахунку залізобетонних конструкцій, ніж у діючих нормах. З часом вони повинні стати основою розроблення нових будівельних норм в Україні.

Розвиток залізобетону і підвищення його техніко-економічної ефективності зв’язано із збільшенням міцності бетону і арматури, зменшенням ваги за рахунок використання раціональних конструктивних форм, а також легких бетонів, армоцементну, технології виготовлення, особливо складних конструкцій (попередньо напружених, тонкостінних просторових тощо).