Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Инженеры учились избегать чугуна для деталей под напряжением. В 1801 году в Манчестере была построена семиэтажная хлопкоткацкая фабрика, ее полы опирались на кирпичные арки, установленные на перевернутые Т-образные чугунные балки, а те, в свою очередь, поддерживали чугунные колонны. Болтон и Уатта создали эту конструкцию как первое современное пожаробезопасное здание. Другие последовали тем же путем, но, несмотря на усовершенствованные балки, полы в таких зданиях часто рушились, и гибли люди. Джозеф Пэкстон постарался учесть весь предшествующий опыт и в 1851 году создал знаменитый Хрустальный дворец, британское чудо XIX века (рис. 8.12). Его каркас был собран из чугуна, железа и дерева, но чугун использовался только для тех деталей, которые работали на сжатие. За стеклянными стенами и под стеклянной крышей было 20 акров выставочных площадей (дворец строили к Всемирной выставке 1851 г.). При его строительстве использовали самые крупные стандартные листы стекла, изготовляемые в то время, – длиной 4 фута. Людей удивило то, что огромное здание оказалось собрано из небольших предварительно изготовленных частей и его можно было без особого труда разобрать. Работа была выполнена за шесть месяцев. Современники считали комбинацию железа и стекла революцией в архитектуре. Но аналогичные здания из тех же материалов в это же время начали появляться в Америке. Хрустальный дворец в 1854 году был перенесен из Гайд-парка в Лондон и там стоял, пока в 1936 году не был уничтожен огнем.

К 1841 году житель Массачусетса запатентовал фермовый мост с чугунными верхними хордами, которые были всегда под сжатием, но с коваными нижними хордами и другими деталями. Только не за этот мост и не за собственную особенную ферму Сквайр Уайт (1804–1888) заслужил славу, а за нестандартное мышление. Еще мальчиком он внимательно наблюдал за постройкой канала Эри. Позже он учился в Юнион-колледже и окончил его в 1830 году в возрасте 26 лет. Он работал в поле, строил мосты, выполнял геодезические работы для железнодорожных компаний и, как Смитон и Уайт, изготавливал инструменты. В 1847 году в возрасте 43 лет Сквайр Уайт опубликовал свой очерк Essay on Bridge Building. В нем он показал, как можно вычислить растягивающее напряжение или напряжение сжатия в каждой части фермы, которая должна выдержать определенную нагрузку. Понимал Уайт это или нет, но он на практике применил знания, которые французский математик уже развил на основании трудов Стевина и Верингтона.

Рис. 8.12. Интерьер трансепта Хрустального дворца. Лондон, 1851 г.

Достижение Сквайра Уайте, возможно, вовсе не зависело от прошлой учебы во Франции, равно как и от современного мышления в Британии и Америке. Его слава не стала эксклюзивной. В то же самое время американец германского происхождения, живший в Пенсильвании, уже придавал форму собственным мыслям о мостах. Герман Гаупт (1817–1905) учился инженерному делу в традициях французов Сганзена и Крозе в Уэст-Пойнте. После окончания обучения в 1835 году Гаупт провел три месяца в армии, но подал в отставку, чтобы стать помощником инженера на Норристаунской железной дороге. В 1840 году он начал изучать мосты. К 1845 году уже был профессором инженерного дела в Пенсильванском – ныне Геттисбергском – колледже. В 1851 году Гаупт опубликовал свой труд General Theory of Bridge Construction, заявив в предисловии, что не видел и не слышал о какой-либо другой работе по этому предмету. Тем временем в 1851 году Роберт Г. Боу, инженер из Эдинбурга, также, очевидно, не знавший о работе Уиппла, написал Treatise on Bracing. Британские исследователи Уильям Томас Дойн и Уильям Биндон Блад опубликовали в «Трудах института гражданских инженеров» за 1851–1852 годы анализ напряжений в диагоналях решетчатых ферм. Труды Уиппла, Гаупта, Боу, Дойна и Блада впервые описали рациональные методы расчета напряжений в фермах мостов. После этого при проектировании мостов ни одному инженеру больше не приходилось полагаться на свою интуицию или некие практические методы. Он мог рассчитать заранее, используя математический анализ, распределение нагрузок в разных частях конструкции, которую он собирается возвести.

Рис. 8.13. Мост Брюнеля через реку Теймар – двояковыпуклые фермы

Проектирование мостов в середине XIX века в основном ограничивалось фермами, и дерево постепенно уступало место железу. Баварец Карл Фридрих фон Вибекинг (1762–1842) строил мосты с плоскими арками из досок, соединенных болтами, настолько эффективно, что коллеги посчитали его создателем системы, однако фермы и железо все равно доминировали. Прочность на разрыв кованого железа, его сопротивление огню и другие полезные черты делали металл лучшим материалом для строительства мостов, особенно железнодорожных. Прокладывая железную дорогу Стоктон – Дарлингтон, Джордж Стефенсон в 1824 году провел эксперимент с маленьким железным мостом в Западном Окленде. Мост длиной 50 футов имел четыре линзообразных пролета в комбинации арок и подвесных форм, выпуклых и сверху, и снизу. Были вертикальные стойки, но никаких диагональных связей. В 1859 году Изамбард К. Брюнель построил уникальный мост через реку Теймар в Салташе (рис. 8.13). Он следовал тем же принципам, но его мост был намного больше и усовершенствован добавлением диагональных связей. Десятью годами позже был построен другой двояковыпуклый мост через реку Эльба в Гамбурге, Германия. Однако большинство строителей полагались на диагонали, чтобы использовать преимущество стабильности, присущее треугольникам, единственным многоугольникам, не меняющим форму под напряжением. Все проектировщики, понимали они это или нет, действовали в соответствии с принципами, которые Стевин сформулировал еще в 1586 году, дав определение «треугольнику сил».

С тех пор как человек впервые перепрыгнул на лиане через пропасть, существовали мосты без промежуточных опор. Мосты из шкур в Древнем Китае, Перу и Чили – исторический факт. В XVII веке в Европе поговаривали о подвесных мостах из железных цепей и стержней с проушинами, но до постройки дело так и не дошло. Нет свидетельств и того, что концепции Веранцио и Кирхера стали известны Джеймсу Финли (1762–1828), местному судье из Пенсильвании. Судя по всему, он использовал лишь собственное богатое воображение для формулировки идей, в результате которых мир увидел первый современный подвесной мост, где несущие конструкции разной длины поддерживают ровный пол. Этот мост Финли построил в 1801 году через Джейкобс-Крик, недалеко от Юнионстауна.