Роберт Майяр: Революционер в железобетонном мостостроении.

Введение

Швейцарский инженер-строитель и проектировщик мостов Роберт Майлларт (16 февраля 1872 – 5 апреля 1940) был швейцарским инженером-строителем, совершившим революцию в использовании железобетона в конструкциях, таких как трехопорная арка и арочная балка с усиленной плитой для мостов, а также безбалочные перекрытия и грибовидные потолки для промышленных зданий. Его мосты Салгинатобель (1929–1930) и Швандбах (1933) кардинально изменили эстетику и инженерные принципы мостостроения и оказали влияние на поколения архитекторов и инженеров. В 1991 году мост Салгинатобель был признан Международным историческим памятником гражданского строительства Американским обществом гражданских инженеров.

Ранние годы и образование

Роберт Майлларт родился 6 февраля 1872 года в Берне, Швейцария. Он учился в Федеральной политехнической школе в Цюрихе и изучал строительное дело в Цюрихском политехническом институте с 1890 по 1894 год, где в учебную программу входили лекции Вильгельма Риттера по графической статике. Майлларт не отличался успехами в академических теориях, но понимал необходимость делать допущения и представлять себе картину при анализе конструкции. Традиционным методом до 1900-х годов было использование форм, которые можно было легко анализировать математически. Это излишнее применение математики раздражало Майлларта, так как он предпочитал отходить на шаг назад и полагаться на здравый смысл для прогнозирования поведения конструкции в реальных условиях. Кроме того, поскольку он редко испытывал свои мосты до строительства, он проверял их достаточность только после завершения работ. Часто он испытывал мосты, переходя их сам. Именно такое отношение к проектированию и строительству мостов позволило ему создавать инновационные проекты.

Карьера

Майларт вернулся в Берн и работал в течение трех лет с Pümpin & Herzog (1894–1896). Затем он два года работал в городе Цюрих, а после этого несколько лет – в частной фирме. К 1902 году Майлларт основал собственную фирму Maillart & Cie. В 1912 году он переехал со своей семьей в Россию, где руководил строительством крупных проектов для заводов и складов в Харькове, Риге и Санкт-Петербурге, в период индустриализации России, финансируемой швейцарскими инвестициями. Не подозревая о начале Первой мировой войны, Майлларт оказался с семьей в России. В 1916 году умерла его жена, а в 1917 году Коммунистическая революция и национализация имущества лишили его проектов и вложений. Вернувшись в Швейцарию вдовым с тремя детьми, Майлларт был совершенно без средств и погряз в долгах перед швейцарскими банками. После этого ему пришлось работать на другие фирмы, но лучшие его работы были еще впереди. К 1920 году он перешел в инженерное бюро в Женеве, которое впоследствии открыло филиалы в Берне и Цюрихе.

Разработка и использование железобетона

Первое использование бетона в качестве основного материала для строительства мостов произошло в 1856 году. Он был использован для создания многопролётной арочной конструкции на акведуке Гранд-Маître во Франции. Бетон отлит в самой простой форме – в виде огромной массы без армирования. Позднее, в XIX веке, инженеры стали изучать возможности железобетона как конструкционного материала. Они обнаружили, что бетон воспринимает сжимающие усилия, а стальные стержни – растягивающие. Это сделало бетон более подходящим материалом для сооружений. Французу Жозефу Монье приписывают первенство в понимании принципов железобетона. Он внедрил железную проволочную сетку в бетон. Монье был садовником, а не лицензированным инженером, и продал свои патенты подрядчикам, которые построили первое поколение железобетонных мостов в Европе. Он также усовершенствовал технологию предварительного напряжения бетона, которая создает постоянные сжимающие напряжения в бетонных арках. К началу XX века железобетон стал приемлемой заменой в строительстве всем предыдущим конструкционным материалам, таким как камень, дерево и сталь. Такие специалисты, как Монье, разработали полезные методы проектирования и строительства, но никто не создал новых форм, демонстрирующих полную эстетическую сущность железобетона. Роберт Майярт обладал интуицией и гением, позволившими ему раскрыть эстетический потенциал бетона. Он спроектировал трёхшарнирные арки, в которых проезжая часть и рёбра арки были объединены, образуя тесно интегрированные конструкции, которые эволюционировали в усиленные арки из очень тонкого железобетона и бетонных плит. Мост Зальгинатбель (1930) и мост Швандбах (1933) являются классическими примерами трёхшарнирных арок Майярта и мостов с усиленной проезжей частью соответственно. Они получили признание за свою элегантность и влияние на последующее проектирование и строительство мостов. Эти проекты вышли за рамки общепринятых норм проектирования бетонных конструкций того времени. Оба упомянутых моста – прекрасные примеры способности Майярта упрощать конструкцию для максимального использования материалов и гармоничного сочетания с окружающей средой. Майярт был выбран из 19 участников конкурса проектов, отчасти благодаря низкой стоимости своего предложения, и начал строительство моста Зальгинатбель в Шиерсе, Швейцария, в 1929 году; он был открыт 13 августа 1930 года. Майярт также известен своим революционным дизайном колонн для ряда зданий. Он построил свой первый потолок типа «гриб» для склада в Цюрихе, рассматривая бетонный пол как плиту, а не усиливая его балками. Одной из его самых известных работ является конструкция колонн на станции фильтрации воды в Роршахе, Швейцария. Майярт решил отказаться от стандартных методов, чтобы создать «более рациональный и красивый европейский метод строительства». Его конструкция колонн предусматривала расширение верхней части для уменьшения изгибающего момента в балках между колоннами. Благодаря расширению колонны образовали небольшие арки, передающие нагрузку от потолочных балок на колонны. Майярт также расширил нижнюю часть колонн, чтобы уменьшить давление (силу на единицу площади) на определённую точку почвенного основания. Расширяя нижнюю часть колонн, площадь приложения нагрузки распределялась более широко, что снижало давление на почвенное основание. Многие из его предшественников использовали этот метод моделирования с деревом и сталью, но Майярт совершил революцию, впервые применив его к бетону. Он использовал бетон, потому что он мог выдерживать большую массу земляного материала для теплоизоляции и защиты от замерзания. Поскольку бетон обладает высокой прочностью на сжатие, он идеально подходил для поддержки большой, неподвижной массы земли. Эта технология была использована при строительстве моста Понте-дель-Чиоло (Мост Чиоло), расположенного в Чиоло, Апулия.

The first use of concrete as a major bridge construction material was in 1856. It was used to form a multiple arch structure on the Grand Maître Aqueduct in France. The concrete was cast in its crudest form, a huge mass without reinforcement. Later in the nineteenth century, engineers explored the possibilities of reinforced concrete as a structural material. They found that the concrete carried compressive forces, while steel bars carried the tension forces. This made concrete a better material for structures. Joseph Monier, from France, is credited with being the first to understand the principles of reinforced concrete. He embedded an iron wire mesh into concrete. He was a gardener, not a licensed engineer, and sold his patents to contractors who built the first generation of reinforced concrete bridges in Europe. He also perfected the technique of pre stressing concrete, which leaves permanent compressive stresses in concrete arches. By the early twentieth century, reinforced concrete became an acceptable substitute in construction for all previous structural materials, such as stone, wood, and steel. People such as Monier had developed useful techniques for design and construction, but no one had created new forms that showed the full aesthetic nature of reinforced concrete. Robert Maillart had an intuition and genius that exploited the aesthetic of concrete. He designed three hinged arches in which the deck and the arch ribs were combined, to produce closely integrated structures that evolved into stiffened arches of very thin reinforced concrete and concrete slabs. The Salginatobel Bridge (1930) and Schwandbach Bridge (1933) are classic examples of Maillart's three hinged arch bridges and deck stiffened arch bridges, respectively. They have been recognized for their elegance and their influence on the later design and engineering of bridges. These designs went beyond the common boundaries of concrete design in Maillart's time. Both of the bridges mentioned above are great examples of Maillart's ability to simplify design in order to allow for maximum use of materials and to incorporate the natural beauty of the structure's environment. Selected from among 19 entrants in a design competition in part because of the low cost of his proposal, Maillart began construction of the Salginatobal Bridge in Schiers, Switzerland in 1929; it opened on 13 August 1930. Maillart is known also for his revolutionary column design in a number of buildings. He constructed his first mushroom ceiling for a warehouse in Zurich, together with treating the concrete floor as a slab, rather than reinforcing it with beams. One of his most famous is the design of the columns in the water filtration plant in Rorschach, Switzerland. Maillart decided to abandon standard methods in order to create "the more rational and more beautiful European method of building". Maillart's design of the columns included flaring the tops to reduce the bending moment in the beams between the columns. With the flare, the columns formed slight arches to transfer the loads from the ceiling beams to the columns. Maillart also flared the bottom of the columns to reduce the pressure (force per area) on a certain point of the soil foundation. By flaring the bottoms of the columns, the area of the load was more widely distributed, therefore reducing the pressure over the soil foundation. Many of his predecessors had modeled by this method using wood and steel, but Maillart was revolutionary in being the first to use concrete. He used concrete because it could support a large mound of earthen material for insulation against freezing. Since concrete is very good in compression situations, it was the perfect material to support a large, unmoving mass of earth. His technique was used to build the Ponte Del Ciolo (Ciolo's Bridge), which is located at Ciolo in Apulia.

Аналитические методы

К второй половине девятнадцатого века были достигнуты значительные успехи в теории проектирования, графической статике и знании прочности материалов. По мере приближения к концу XIX века, главным фактором, обусловившим необходимость научного проектирования мостов, стали железные дороги. Инженерам требовалось точно знать уровни напряжений в элементах моста, чтобы учитывать воздействие поездов. Первое конструктивное решение было получено Сквайром Уипплом в 1847 году. Его главным прорывом стало понимание того, что элементы фермы можно анализировать как систему сил, находящихся в равновесии. Эта система, известная как «метод узлов», позволяет определять напряжения во всех известных элементах фермы, если известны две силы. Следующим шагом в проектировании стал «метод сечений», разработанный Вильгельмом Риттером в 1862 году. Риттер упростил расчет сил, разработав простую формулу для определения сил в элементах, пересекаемых сечением. Третьим достижением стал усовершенствованный метод графического анализа, разработанный независимо Джеймсом Клерком Максвеллом (Великобритания) и Карлом Кульманом (Швейцария). Роберт Майлларт изучал аналитические методы своего времени, но наибольшее влияние на него оказали принципы, разработанные его наставником Вильгельмом Риттером, упомянутым выше. Майлларт учился у Риттера, который придерживался трех основных принципов проектирования. Первый из них заключался в том, чтобы отдавать предпочтение расчетам, основанным на простом анализе, чтобы можно было делать обоснованные предположения, руководствуясь здравым смыслом. Второй принцип – тщательно учитывать процесс строительства конструкции, а не только конечный результат. Последний принцип – всегда испытывать конструкцию полномасштабными нагрузочными испытаниями. Все эти принципы являлись адаптацией доступных методов, но с акцентом на тщательное изучение ранее построенных сооружений. В то время как Майлларт и Риттер придерживались этих принципов, другие проектировщики предпочитали развивать свои проекты на основе ранее успешных конструкций и решений. Немецкие инженеры и ученые разработали сложные математические методы и были уверены, что им не требуются практические нагрузочные испытания конструкций, разработанных с их использованием. Однако эти методы не стимулировали проектировщиков к поиску необычных форм, поскольку их полный анализ с помощью доступных математических инструментов был затруднен. Принципы Риттера, напротив, позволяли использовать нестандартные формы.

By the second half of the nineteenth century, major advances in design theory, graphic statics, and knowledge of material strengths had been achieved. As the nineteenth century neared its end, the major factor contributing to the need for scientific design of bridges was the railroads. Engineers had to know the precise levels of stresses in bridge members, in order to accommodate the impact of trains. The first design solution was obtained by Squire Whipple in 1847. His major breakthrough was that truss members could be analyzed as a system of forces in equilibrium. This system, known as the "method of joints," permits the determination of stresses in all known members of a truss if two forces are known. The next advance in design was the "method of sections," developed by Wilhelm Ritter in 1862. Ritter simplified the calculations of forces by developing a very simple formula for determining the forces in the members intersected by a cross section. A third advance was a better method of graphical analysis, developed independently by James Clerk Maxwell (UK) and Karl Culmann. (Switzerland). Robert Maillart learned the analytical methods of his era, but he was most influenced by the principles developed by his mentor, Wilhelm Ritter, mentioned above. Maillart studied under Ritter, who had three basic principles of design. The first of these was to value calculations based on simple analysis, so that appropriate assumptions could be made based on common sense. The second was to consider carefully the construction process of the structure, not just the final product. The last principle was to test a structure always with full scale load tests. All these principles are an adaptation of the available techniques, but with an emphasis on the careful study of previously built structures. At the time of Maillart and Ritter, other designers preferred that their designs evolve from previously successful structures and designs. German engineers and scientists had developed elaborate mathematical techniques, and were confident that they did not need practical load tests of their designs developed using those techniques. However, these techniques did not encourage designers to think of unusual shapes, because those shapes could not be completely analyzed using the available mathematical techniques. Ritter's principles did allow for uncommon shapes.