В то время как эти потрясающие сооружения были в центре внимания, развивалась новая и более важная технология: высотное здание со стальным каркасом. Все началось в Чикаго, городе, центральный деловой район которого быстро рос. Давление стоимости земли в начале 1880-х годов заставило владельцев требовать более высоких зданий. Инженер-архитектор Уильям Ле Барон Дженни ответил на этот вызов 10-этажным зданием страховой компании (1885 г.), которое имело почти полностью цельнометаллическую конструкцию. Каркас состоял из чугунных колонн, поддерживающих кованые балки, вместе с двумя этажами катаных балок, которые были заменены при строительстве; это было первое крупномасштабное использование стали в здании. Металлический каркас был полностью заключен в облицовку из кирпича или глиняной черепицы для защиты от огня, поскольку железо и сталь начинают терять прочность, если их нагревают выше примерно 400 ° C (750 ° F). В здании Дженни на Манхэттене (1891 г.) была первая вертикальная ферма, способная противостоять силам ветра; жесткая рама или портальная ветровая распорка была впервые использована в соседнем здании Old Colony Building (1893 г.) архитекторами Уильямом Холабердом и Мартином Роше. Цельностальная рама наконец появилась в здании Jenney’s Ludington Building (1891 г.) и Fair Store (1892 г.).
Фундаменты этих высотных зданий представляли серьезную проблему, учитывая мягкую глинистую почву в центре Чикаго. Традиционные распорные фундаменты, восходящие к египтянам, оказались неадекватными, чтобы противостоять оседанию из-за больших нагрузок на многие этажи, и деревянные сваи (римское изобретение) были забиты в скалу. Для 13-этажного здания фондовой биржи (1892 г.) инженер Данкмар Адлер использовал кессонный фундамент, используемый при строительстве мостов. Цилиндрический вал, скрепленный дощатой обшивкой, был вручную вырыт в скале и заполнен бетоном, чтобы создать прочную опору, способную выдержать большие нагрузки стальных колонн.
К 1895 г. была разработана зрелая технология высотного строительства: каркас из катаных двутавровых балок с болтовыми или заклепочными соединениями, косая или портальная ветровая связь, огнезащита из глиняной черепицы, кессонные фундаменты. Лифт с электроприводом обеспечивал вертикальную транспортировку, но другие экологические технологии были все еще довольно простыми. Внутреннее освещение по-прежнему в основном было дневным, хотя и дополнено электрическим светом. Было паровое отопление, но не охлаждение, а вентиляция зависела от работающих окон; таким образом, этим зданиям требовались узкие площади, чтобы обеспечить достаточный доступ света и воздуха. Не менее важное значение в высотном строительстве имело внедрение на строительной площадке двигателя внутреннего сгорания (который был изобретен Николаусом Отто в 1876 году); он заменил лошадь и силу мускулов человека для выполнения самых тяжелых подъемных работ. В течение следующих 35 лет были построены более высокие здания со стальным каркасом; в Чикаго масонский храм (1892 г.) Дэниела Бернхэма и Джона Рута достиг 22 этажей (91 метр или 302 фута), но затем лидерство перешло в Нью-Йорк с 26-этажным зданием Manhattan Life Building (1894 г.). Зингер-билдинг (1907 г.) архитектора Эрнеста Флэгга вырос до 47 этажей (184 метра или 612 футов), здание Вулворта Касса Гилберта (1913 г.) достигло высоты 238 метров (792 фута) на 55 этажах, а Shreve, Lamb & Harmon’s 102-этажное Эмпайр Стейт Билдинг (1931 г.) коснулось 381 метра (1,250 футов). Гонка за более высокими зданиями резко остановилась с Великой депрессией и Второй мировой войной, и строительство высотных зданий не возобновлялось до конца 1940-х годов.
Стальная длиннопролетная конструкция
Длиннопролетные конструкции из стали развивались медленнее, чем высотные в период с 1895 по 1945 год, и ни одна из них не превышала пролет Галереи машин. Широко использовались двухшарнирные (состоящие из одного элемента, шарнирно закрепленного на каждом конце) и трехшарнирные (состоящие из двух элементов, шарнирно соединенных на каждом конце и в месте соединения на вершине) ферменные арки, самыми крупными примерами которых являются два больших ангара для дирижаблей. для ВМС США в Нью-Джерси – первый построен в 1922 году с пролетом 79 метров (262 фута), второй – в 1942 году с пролетом 100 метров (328 футов). Плоская ферма также использовалась, достигая максимального пролета 91 метр (300 футов) в здании сборки самолетов Glenn L. Martin Co. (1937 г.) в Балтиморе. Электродуговая сварка, еще одна важная технология стали, применялась в строительстве в то время, хотя принцип был разработан в 1880-х годах. Первыми цельносварными многоэтажными зданиями была серия заводов компании Westinghouse, начиная с 1920 года. Сварной жесткий каркас стал новым типом конструкции для средних пролетов, достигнув длины 23 метра (77 футов) в терминале Цинциннати Юнион ( 1932 г.), но широкое распространение сварка получила только после 1945 г.
Повторное введение бетона
Вторая индустриальная эпоха также ознаменовалась возрождением бетона в новом сложном соотношении со сталью, что привело к созданию технологии, которая быстро стала играть важную роль в строительстве. Первым шагом в этом процессе стало создание искусственных цементов повышенной прочности. Известковый раствор, приготовленный из извести, песка и воды, был известен с древних времен. Он был улучшен в конце 18 века британским инженером Джоном Смитоном, который добавил в смесь порошкообразный кирпич и сделал первый современный бетон, добавив гальку в качестве крупного заполнителя. Джозеф Аспдин запатентовал первый настоящий искусственный цемент, который он назвал портландцементом, в 1824 году; название подразумевало, что он такого же высокого качества, как портлендский камень. Чтобы сделать портландцемент, Аспдин вместе обжигал известняк и глину в печи; глина давала соединения кремния, которые в сочетании с водой образовывали более прочные связи, чем соединения кальция из известняка. В 1830-х годах Чарльз Джонсон, другой британский производитель цемента, увидел важность высокотемпературного обжига глины и известняка до белого каления, после чего они начинают плавиться. В этот период для стен использовался простой бетон, и он иногда заменял кирпич в арках пола, которые проходили между коваными балками на заводах с железным каркасом. Также производились сборные железобетонные блоки, хотя они не могли эффективно конкурировать с кирпичом до 20 века.
Изобретение железобетона.
Впервые бетон, армированный железом, был использован французским строителем Франсуа Куанье в Париже в 1850-х годах. Собственный полностью бетонный дом Куанье в Париже (1862 г.) с крышами и полами, укрепленными небольшими двутавровыми балками из кованого железа, стоит до сих пор. Но разработка железобетона началась с патента французского садовника Жозефа Монье в 1867 году на большие бетонные цветочные горшки, усиленные клеткой из железной проволоки. Французский строитель Франсуа Хеннебик применил идеи Монье к перекрытиям, используя железные стержни для укрепления бетонных балок и плит; Хеннебик первым понял, что стержни должны быть выгнуты вверх, чтобы воспринимать отрицательный момент вблизи опор. В 1892 году он закрыл свой строительный бизнес и стал инженером-консультантом, построив множество конструкций с бетонным каркасом, состоящим из колонн, балок и плит. В Соединенных Штатах Эрнест Рэнсом повторил работу Хеннебика, построив фабричные здания из бетона. Высотные конструкции из бетона следовали парадигме стального каркаса. Примеры включают 16-этажное здание Ingalls Building (1903 г.) в Цинциннати, высота которого составляла 54 метра (180 футов), и 11-этажное здание Royal Liver Building (1909 г.), построенное в Ливерпуле английским представителем Hennebique Луи Мушелем. Последнее сооружение было первым небоскребом в Европе, его башня с часами достигала высоты 95 метров (316 футов). Достижение высоты в бетонных зданиях происходило медленно из-за гораздо меньшей прочности и жесткости бетона по сравнению со сталью.
Между 1900 и 1910 годами теория упругости конструкций наконец была научно применена к железобетону. Эмиль Морш, главный инженер немецкой фирмы «Вайс и Фрайтаг», сформулировал теорию, которая была проверена детальной экспериментальной проверкой в Техническом университете Штутгарта. Эти испытания установили потребность в деформированных стержнях для хорошего сцепления с бетоном и продемонстрировали, что количество стали в любом элементе должно быть ограничено примерно 8 процентами площади; это обеспечивает медленное упругое разрушение стали в отличие от резкого хрупкого разрушения бетона в случае случайной перегрузки. В 1930 г. американский инженер Харди Кросс ввел релаксационные методы для приближенного расчета жестких каркасов, что значительно упростило проектирование железобетонных конструкций. В здании Джонсон-Бови (1905 г.) в Миннеаполисе, штат Миннесота, американский инженер К.П. Тернер использовал бетонные плиты перекрытия без балок (так называемые плоские плиты или плоские плиты), в которых использовались диагональные и ортогональные узоры арматурных стержней. Система, используемая до сих пор, которая делит пролеты между колоннами на полосы колонн и средние полосы и использует только ортогональное расположение стержней, была разработана в 1912 году швейцарским инженером Робертом Майяром.
Деревянная каркасная конструкция
Методы строительства деревянного каркаса
После закладки фундамента начинается строительство деревянного каркаса. Существуют различные типы технологий, которые можно использовать для строительства деревянных каркасов. Для данной деревянной конструкции следует выбрать подходящую технологию строительства:
1. Конструкция рамы платформы
Это простой метод, который в основном подходит для строительства домов. В этом методе балки первого этажа покрываются черновым полом, чтобы создать поверхность, на которой возводятся внешние стены и внутренние перегородки. В платформенной системе каркас стены может быть собран на полу, и весь блок можно наклонить на свое место.
2. Конструкция каркаса воздушного шара
Это еще один метод строительства деревянного каркаса, который хотя и немного менее популярен по сравнению с каркасным строительством платформы, но используется, когда того требуют условия. В этом методе стойки наружных стен и балки первого этажа опираются на анкерный подоконник. Стойки наружной стены продолжаются до второго этажа. Балки второго этажа поддерживаются ленточной лентой, которая вставлена во внутренние края стоек наружной стены.
3. Конструкция каркаса из досок и балок
В этом методе каркаса балки, концы которых поддерживаются стойками, располагаются на расстоянии не более 2.4 м, а доски используются для покрытия полов и крыш. Стойки обеспечивают каркас стен, а доски действуют как черновой пол и обшивка крыши. Обшивка стен крепится к дополнительному каркасу между стойками. Нагрузки крыши и перекрытия воздействуют на балки, затем передаются на стойки и, наконец, воспринимаются фундаментом.
4. Ферменная конструкция
В этом методе каркасного строительства для создания прочного деревянного каркаса используются фермы крыши, фермы пола и металлические анкеры. Выдающимися преимуществами стропильных ферм являются существенная жесткость и более широкий шаг несущих элементов крыши и пола.
Типы креплений для деревянного каркаса
Существуют различные средства крепления, которые могут быть выбраны в зависимости от размера деревянных элементов и прилагаемых нагрузок, используемых для соединения различных элементов деревянных рам друг с другом. Наиболее распространенные методы крепления обсуждаются ниже:
1. Гвозди или комбинация гвоздей, анкера и добавок
Гвозди или комбинация гвоздей, металлический каркасный анкер и строительные добавки используются для крепления каркасных пиломатериалов и панелей обшивки.
2. Кольцевые или стержневые гвозди
Кольцевые или стержневые гвозди используются, когда должны поддерживаться высокие нагрузки.
3. Соединения с гвоздями
Гвоздьные соединения используются, когда нагрузки действуют под прямым углом к гвоздям, но следует избегать, если нагрузки действуют параллельно гвоздю.
Меры по защите древесины
Обеспечение надлежащих средств защиты древесины является показателем хорошей строительной практики. Элементы деревянного каркаса, особенно все элементы фундамента, должны быть защищены от гниения и термитов.
Основные меры защиты включают удаление корней деревьев на участках вокруг сооружения перед засыпкой, тщательное утрамбовывание рыхлой засыпки для уменьшения осадки в будущем, а также создание определенного уклона у фундамента и над зданием для отвода воды от сооружения.
Наконец, все деревянные элементы конструкции должны быть обработаны в зависимости от воздействия погодных условий и близости к земле.
