В конце 40-х годов советскими учеными А.И. Сегалем, Б.А. Дзержковичем и рядом других были предложены оригинальные методы расчета каркасов на ветровые нагрузки, суть которых сводилась к решению многочленных и дифференциальных уравнений для определения в многоэтажных рамах усилий и деформаций от горизонтальных нагрузок. Однако эти методы и мели основной целью обеспечение необходимой прочности сооружения; при расчете же каркасов высотных зданий необходимо было обеспечивать жесткость, при которой прогибы верха каркаса не превосходили бы 1/500 общей высоты здания, а перекосы отдельных этажей 1/1000. Требовалась разработка методов, позволяющих быстро и с достаточной точностью определять величины перекосов и прогибов многоэтажных рам под воздействием ветра
[160].
Каркас высотного здания представлял собой пространственную, статически неопределимую систему. Был предложен аналитический метод, в качестве исходной расчетной схемы которого рассматривалась плоская многоэтажная и многопролетная рама, выделенная из пространственного каркаса высотного здания с приходящейся на нее равномерно распределенной нагрузкой. Поскольку разработанный математический аппарат требовал практической проверки, велась и подготовка к экспериментам на моделях. В 50-х годах XX столетия в распоряжении инженеров еще не было электронно-вычислительных машин и программных комплексов, позволяющих реализовать виртуальную модель каркаса. В то же время имелась острая потребность использовать моделирование, в частности, для предварительного определения деформаций в сложных, статически неопределимых системах, где даже использование приближенных методов расчета являлось весьма затруднительным и трудоемким.
Поскольку при проведении эксперимента приходилось иметь дело не с моделями действительных сооружений, а с моделями расчетных схем, исключительно важное значение для точности решений имел правильный выбор масштаба преобразований. Наиболее полный вывод масштаба преобразований, основанный на теории размерностей, был разработан доктором наук Ю.А. Нилендером. Таким образом, зная для конкретных условий масштабы преобразований, выражающие соотношения между различными параметрами модели и ее оригинала, по перемещениям модели стало возможным определять и перемещения оригинала.
Для испытаний была сконструирована специальная установка. На установку в горизонтальном положении помещались модели каркасов высотных домов, изготовленные из цельного листа целлулоида или стали и защемленные для предупреждения смещения в основании. Для уменьшения трения в узловых точках модель опиралась на стальные шарики, над которыми на нее клались свинцовые грузы, препятствующие потере устойчивости вследствие выпучивания модели из горизонтальной плоскости. Горизонтальная нагрузка, имитирующая ветровую, осуществлялась при помощи системы блоков и грузов, одновременно передающих усилия на все исследуемые узлы. Количество грузов соответствовало количеству этажей здания, а фиксация величин перемещений, то есть деформаций точек модели, производилась измерительными приборами. Сравнение экспериментальных и аналитических величин прогибов указало на их достаточно близкое совпадение во всех испытанных моделях многоэтажных рам
[161].
Более чем пятидесятилетняя практика каркасного строительства за рубежом не дала рациональных решений каркасных зданий. Конструктивные решения каркасов были весьма случайными, не объединенными общей идеей и направлением проектирования, решения в большинстве своем достаточно сложные и неэкономичные; усложненные объемно-планировочные решения приводили соответственно к усложнению конструкции каркаса, нарушению модульности, перебивке шага колонн и т. п. Размещение связей в плане – один из важнейших вопросов обеспечения жесткости зданий – выполнялось без должного инженерного и научного подхода: ветровые связи вопреки принципу концентрации материала, как правило, были распылены в плане, не объединены в общую связевую систему, способствующую повышению жесткости здания в целом. Именно поэтому советские конструкторы искали свои пути решения проблемы высотного строительства в Москве, отвечающие ведущим положениям отечественной инженерной школы.
Установка для испытаний моделей высотных зданий, запроектированная и реализованная инженером С.А. Каганом. Площадь установки 150 х 80 см, высота 90 см
Для высотных зданий за рубежом и в России ранее применялись стальные и железобетонные каркасы. Стальной каркас, по сравнению с железобетонным, являлся более индустриальным, однако его применение влекло большой расход стали. В ходе проектирования восьми высотных зданий в Москве конструкторы разработали третье, промежуточное по степени экономичности и индустриальности решение – стальной каркас, усиленный бетоном, так называемый железобетонный каркас с жесткой арматурой. При этом металлический каркас рассчитывался только на восприятие монтажных нагрузок; эксплуатационная нагрузка воспринималась железобетонными сечениями ригелей и колонн. Несмотря на бесспорные преимущества железобетонных каркасов с несущей арматурой, их широкому применению в высотном строительстве прежде мешало недоверие многих инженеров к совместной работе бетона и стальных профилей крупного сечения. Вследствие этого недоверия обетонировка ранее учитывалась только при расчете каркаса на жесткость и не учитывалась при расчете элементов каркаса на прочность, что приводило к необоснованному перерасходу металла. Однако уже при строительстве высотного здания на Котельнической набережной удалось достичь весьма существенной экономии металла благодаря применению схемы каркаса с пространственной системой связей, где конструкции фундамента и каркаса работали совместно. При этом суммарный расход стали для несущей и круглой арматуры каркаса составил 3240 т (против 5800 т по проекту-аналогу стального каркаса с рамной системой связей) и 657 т на фундамент (против 1355 т по аналогии с минимальным расходом стали на фундаментах других московских высотных зданий)
[162].
Вычисления показали, что если значительную часть расчетных усилий передавать на бетон, а несущую арматуру рассчитать только на монтажные нагрузки от 4–6 этажей, то придется применить такой метод производства работ, при котором монтаж несущей арматуры будет зависеть от ее последующей обетонировки. Фактически это привело к применению совмещенного способа работ для всех строительных процессов на площадке, когда бетонщики поднимались вверх по скелету здания вслед за верхолазами-монтажниками и сварщиками. Причем основные элементы и колонны армировались бетоном не только из-за необходимости усиления жесткости, но и из соображений защиты каркаса. Известно, что во время возведения главного здания МГУ даже имел место конфликт пожарного надзора со строителями, которые категорически отказались взять в бетонные футляры все металлические элементы. Проект полной обетонировки металлоконструкций был даже составлен, причем бетон, естественно, не учитывался в статических расчетах армокаркаса и резко утяжелял здание
[163]. Между тем в здании МГУ был применен не железобетонный, а стальной каркас, в котором работа бетона не учитывалась.
