Книга рассматривает историю развития современных методов расчета сооружений на прочность. Книга предназначена для научных работников, инженеров и студентов строительных вузов.

Введение

Очерк первый. Из истории сопротивления материалов
Глава I. Рождение науки о прочности
Глава II. Наука, утратившая связь с практикой
Глава III. Задача о прочности балки
Глава IV. Задача о продольном изгибе. Итоги XVIII века
Глава V. Работы Навье и реформа строительной механики
Глава VI. Завершение теории изгиба
Глава VII. Новые пути

Очерк второй. История расчета арок
Глава I. Введение
Глава II. Период умозрительных концепций
Глава III. Теория Кулона
Глава IV. Труды Ивана Петровича Кулибина
Глава V. Послекулоновский период
Глава VI. Возрождение и расцвет идей Кулона
Глава VII. Работы Навье и его последователей
Глава VIII. Методы, основанные на отыскании истинной кривой давления
Глава IX. Поиски недостающей аксиомы статики
Глава X. Расчет свода, как упругого тела
Глава XI. Заключение

Очерк третий. Из истории расчета ферм
Глава I. Введение
Глава II. Работы Д.И. Журавского
Глава III. Работы Шведлера и Августиновича
Глава IV. Появление классических методов расчета ферм
Глава V. Новые методы

Очерк четвертый. История расчета неразрезной балки
Глава I. Первые попытки расчета
Глава II. Первый расчет неразрезной балки
Глава III. Уравнение трех моментов
Глава IV. Поиски удобного метода вычисления перемещений
Глава V. Завершение теории неразрезных балок и новые методы

Библиография
А. Работы по истории строительной механики
Б. Подлинные труды
Алфавитный перечень имен

Введение

Изложение строительной механики в современных учебниках, методически продуманное и стройное, не всегда дает почувствовать читателю, сколько труда было затрачено поколениями ученых, чтобы дойти до современных удобных и надежных методов расчета сооружений на прочность, сколько на этом пути пришлось преодолеть ошибок и заблуждений. Разумеется, нельзя требовать от инженера, чтобы он при расчете каждой балки думал об истории двухсотлетних исканий, плодом которых явилась знакомая ему расчетная формула σ = M / W. Но знать об этих исканиях полезно каждому инженеру.

Для сознательного применения методов строительной механики не только полезно, но и необходимо знакомство с историей развития этих методов. Без такого знакомства нельзя подойти с критической оценкой и к современному состоянию науки. Более того, для дальнейшего развития науки обязательно знакомство с ее историей, если мы хотим избежать повторения старых ошибок, которые в былое время тормозили научный прогресс. С другой стороны, известный интерес могут представлять даже те методы, которые в свое время были отброшены, так как среди них подчас обнаруживаются полезные способы, которые можно с успехом применить в наше время, на изменившемся уровне развития науки.

Более 20 лет назад, приступив к изучению давно забытых исследований по строительной механике давно забытых ученых XVII—XVIII веков, автор с удивлением обнаружил, что их методы расчета, забракованные в XIX веке, имеют неожиданное сходство с некоторыми новейшими методами нашего времени — с методами, основанными на учете пластических деформаций. Это было тем более неожиданным, что в ту далекую эпоху ученые не только не имели понятия о пластических деформациях, но и свойство упругости еще не умели использовать при расчетах на прочность. И несмотря на это, те методы, которые наука выдвинула за последние десятилетия как принципиальное новшество, оказались в известном смысле воскресшими давно забытыми методами XVIII века.

Дальнейшее изучение истории строительной механики показало, что в 20—30-х годах XIX века произошла коренная ломка основного подхода к проблеме прочности. В эту пору старинные методы XVIII века быстро исчезли, «вымерли», уступив место новым методам, которые безраздельно господствовали в строительной механике в течение последующего столетия. Лишь в последнее время они вновь подвергаются пересмотру, означающему начало нового этапа в науке.

Таким образом, оказалось возможным разделить историю строительной механики на три основных этапа [Проф. С.А. Бернштейн, Очерк истории расчета свода, сборник «Исследования по теории сооружений», ОНТИ, 1936, стр. 228.].

Первый этап начался с трудов Галилея, опубликованных в 1638 г. В очерке первом мы подробно ознакомимся с этими трудами, а здесь отметим только самое существенное: Галилей ставил вопрос о прочности тел, рассматривая их в момент разрушения, или, как мы говорим теперь, в предельном состоянии. Его совершенно не интересовало, каким путем и через какие этапы тело дошло до этого состояния. Подход Галилея был принят без возражений всей последующей плеядой ученых XVII—XVIII веков, занимавшихся вопросами прочности, во главе с Мариоттом, Яковом и Даниилом Бернулли, Лейбницем, Эйлером и получил наиболее законченную форму в работах Кулона. Все немногочисленные в ту эпоху эксперименты ставились с единственной целью — найти величину разрушающего груза и форму разрушения; все многочисленные теории пытались предсказать эту форму и найти по ней величину разрушающей нагрузки. С особой отчетливостью своеобразие этого подхода видно из истории расчета арок. В очерке втором читатель увидит, что десятки исследований в XVIII и начале XIX века основаны на умозрительных гипотезах о форме разрушения арки.

Этот подход был обречен на бесплодность в силу ряда причин, о которых мы подробнее расскажем в дальнейших очерках. Одной из важнейших причин было то, что метод предельного состояния по самой своей природе не мог дать никаких сведений о поведении сооружения при той нагрузке, для которой оно создавалось, о поведении его в рабочем состоянии. Следствием этого явился резкий отрыв строительной механики XVIII века от жизни, от практических задач техники. Такая наука могла существовать только до тех пор, пока в ней не было настоящей практической потребности.

В дальнейшем мы постараемся показать, почему в XVIII веке практика не ставила серьезных требований к строительной механике и почему эти требования возникли в начале XIX века. И то, и другое объясняется историческими причинами социально-экономического порядка: сменой господствующего класса и начинающимся расцветом буржуазии. Как сказал Ф. Энгельс, «вместе с расцветом буржуазии шаг за шагом шел гигантский рост науки. Возобновились занятия астрономией, механикой, физикой, анатомией, физиологией. Буржуазии для развития ее промышленности нужна была наука, которая исследовала бы свойства физических тел и формы проявления сил природы» [«Развитие социализма от утопии к науке», изд. 1940 г., стр. 22].

Эти слова Энгельса самым прямым образом применимы и к строительной механике. Развитие промышленности приводит к появлению новых строительных материалов — чугуна и сварочного железа, приводит к развитию путей сообщения, к усиленному строительству мостов: сперва для шоссейных дорог, а с 30-х годов XIX века и для железных. И тогда оказывается, что строительная механика XVIII века с ее умозрительными приемами поисков предельного состояния не способна решить простейшую задачу — рассчитать простую балку на изгиб, и не способна именно потому, что не может ответить на вопрос: как же работает балка под той нагрузкой, для несения которой она создана?

Запросы практики растут быстрее, чем строительная механика может их разрешить, и к 20-м годам XIX века ее задолженность перед практикой достигает нетерпимых размеров. В науке созревает необходимость коренной ломки. Эту ломку начал Кулибин, а завершил Навье, который решительно встал на путь изучения действительной работы сооружения под нагрузкой, на путь его расчета по рабочему состоянию.

Так начался второй этап в истории строительной механики. Плодотворность нового подхода обеспечила быстрое развитие науки, которая к 70-м годам XIX века не только полностью ликвидировала свою задолженность перед строительной практикой, но даже начала сама вести ее вперед.

Однако и расчет по рабочему состоянию (иначе называемый расчетом по допускаемым напряжениям) имеет свои недостатки. Он не позволяет достаточно точно установить величину действительного запаса прочности и не позволяет именно потому, что в отличие от первого подхода недостаточно интересуется предельным состоянием сооружения. Любопытно, что этот недостаток отчетливо сознавал уже Кулибин, первым применивший новый подход при расчете знаменитого моста через Неву. Только совместный учет поведения сооружения и в рабочем, и в предельном состоянии способен дать точный ответ о величине истинного запаса прочности, обеспечив наивысшую экономичность сооружения без ущерба для его прочности и долговечности.

Вопросы экономичности и рационализации имеют особую важность для нашей Родины, а потому естественно, что недостатки расчета по рабочему состоянию, заставляющего мириться с избыточными запасами, вызывали особенно серьезную критику именно в Советском Союзе, где и получили успешное развитие новая ветвь науки — теория пластичности и новое направление в строительной механике — расчет сооружений по предельному состоянию с учетом пластических деформаций. Но это не есть возврат к старым приемам расчета по предельному состоянию, имевшим лишь умозрительную основу. Теперь предельное состояние изучают во всеоружии современных знаний о рабочем состоянии с использованием и теории пластичности, и теории упругости, изучают на новой научно-технической основе. И хотя новый подход приводит иногда к приемам, напоминающим забытые приемы инженеров XVIII века, но это, конечно, не есть возврат к старому, а подъем науки на следующую, более высокую ступень, подобный восхождению по спирали. В этом подъеме науки одно из первых мест по праву занимают советские ученые, начинающие третий этап в истории строительной механики.

Этот третий этап было бы неправильно расценивать как отказ от расчета по рабочему состоянию и полный переход к расчету по предельному состоянию. Это не всегда возможно и не всегда целесообразно. По нашему мнению, попытка подобной полной перестройки (имеющая своих приверженцев) было бы ошибочной. Новый этап должен, на наш взгляд, синтезировать оба метода расчета, сочетать расчет по рабочему и по предельному состояниям, используя достоинства обоих подходов и освобождаясь от их недостатков.

Таковы основные этапы в истории строительной механики. В дальнейших очерках мы подробно остановимся на основных особенностях каждого периода и на исторических причинах их смен. В настоящее время разделение истории строительной механики на эти три основных этапа пользуется достаточно широкой известностью, хотя возможно, что будущие историки найдут в установленной нами смене периодов ошибки и неточности и внесут в нее свои поправки.