ГЛАВА I
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

1. 
   Краткая история развития металлических конструкций
   

Понятие «металлические конструкции» объединяет в себе их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металличeскиx конструкций определяется, c одной стороны, потребностями в них, а c другой – возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.

Первый период (от XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквях и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых таких конструкций являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.).

Второй период (от начала XVII до конца XVI11 в.) связан c применением наслонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок») глав церквей (рис.1).

Рис. 1. Металлические конструкции XVII в.

а) наслонные стропила; б) каркас купола; в) узел каркаса
Стержни конструкции выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой свapкой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытие пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевого монастыря в Загорске (1696-1698 гг.), перекрытие старого Кремлевского дворца в Москве (1640 г.), каркас купола колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола Казанского собора в Ленинграде пролетам 15 м (1805 г.) и др.

По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок над коридором между притворами храма Василия Блаженного (1560 г.) (рис. 2). Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие.

Рис. 2. Конструкция перекрытия коридора в Покровском соборе (Москва XVI век)

Затяжки, поддерживающие потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Поражает, что уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, a подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Третий период (от начала XVПI до середины XIX в.) связан c освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). B 1784г. в Петербурге был построен первый чугунный мост.

Совершенства чугунные конструкции достигли в России к середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией является Купол Исаакиевского собора (рис. 3), собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки. Конструкция купола состоит из верхней конической части, поддерживающей барабан, венчающий собор, и нижней более пологой части.

Рис. 3. Купол Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге
Наружная оболочка купола при помощи легкого железного каркаса опирается на чугунную конструкцию.

Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александрийского театра в Петербурге (1827 – 1832гг.).

В 1850-х гг. в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира.

В этот же период наслонные стропила постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы (рис. 4).

Рис. 4. Перекрытие Зимнего двора в Санкт-Петербурге (1837 г.)

а) над большой церковью; б) над Георгиевским залом

В фермах сначала не было раскосов (рис. 4 а), они появились в конце рассматриваемого периода (рис. 4, б). Сжатые стержни ферм часто выполняли из чугуна, а растянутые – из железа. В узлах элемеиты соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничивало конструктивную форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были поняты и стержни уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой нагретых полос.

Четвертый период (с 30-х гг. XIX в. до 20-х гг. ХХ в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени, и в частности, в металлургии и металлообработке.

В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным – пудлингованием, а в конце 1880-х гг. – выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конверторных печах. Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышленности.

В 1840-х гг. был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа, в 1850-х гг. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса. В течение ста последних лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун, будучи материалом более совершенным по своим свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше поддающимся контролю и механической обработке. Чугунные конструкции после середины XIX г применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т.п., где могла быть полностью использована хорошая сопротивляемость чугуна сжатию. В России до конца XIX в. промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы (рис. 5). Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлентrем раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными пpи помощи фасонок.



Рис. 5. Стропильная фepмa 70-x гг. XIX в
В конце прошлого столетия применялись решетчатые каркасы рaмно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов. Примерами являются покрытия Сенного рынка в Петербурге (1884 г.) пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м (1891 г.), покрытия Гатчинсксго вокзала (1890 г.) и др.

Наибольшего совершенства рамно-арочная конструкция достигла в покрытии дебаркадера Киевского вокзала (рис. 6), nостроенного по проекту В. Г Шyxoвa (1913-1914 гг.). В конструкциях этих сооружений хорошо проработаны компоновочная схема, опорные закрепления и узловые заклепочные соединения.

Во второй половине XIX в. значительное развитие в нашей стране получило металлическое мостостроение в связи с ростом сети железных дорог. На строительстве мостов развивалась конструктивная форма металлических конструкций, совершенствовалась теория компоновки и расчета, технология изготовления и монтажа. Принципы проектирования, разработанные в мостостроении, были перенесены затем на промышленные и гражданские объекты.

Основателями русской школы мостостроения являются известные инженеры-профессора: С.В.Кepбедз, Н.А.Белелюбский, Л.Д. Проскуряков.

С. В. Кербедз (1810-1899 гг.), инженер-строитель, построил первый в России железный мост с решетчатыми фермами через р. Лугу (1853 г.). Он же является автором самого крупного чугунного моста в Петербурге.

Профессор Н.А. Белелюбский (1845-1922 гг.), мостостроитель и ученый, впервые применил раскосную решетку для мостовых ферм (рис. 7), разработал первый в России метричeский сортамент прокатных профилей, усвершенствовал методику испытаний строительных материалов, написал первый систематизированный курс по строительной механике.

Профессор Л. Д. Проскуряков (1858-1926 гг.) ввел в мостовые фермы треугольную и шпренгельную решетки и разработал теорию о наивы­годнейшем очертании фермы. За проект Енисейского моста на Парижской выставке (1900 г.) Л. Д. Проскуряков был удостоен золотой медали.



Рис. 6. Перекрытие Kиeвскoгo вокзала


Рис.7. Сызранский мост через Волгу (1879 г., Н. А. Белелюбский)
Большой вклад с дальнейшее развитие металлического строительства в конце XIX и вначале ХХ в. и распространение опыта, накопленного в мостостроении, на металлические конструкции гражданских и промышленных зданий внесли Ф.С.Ясинский, В.Г. Шухов и И.П.Прокофьев. В этот период развитие металлургии, машиностроения и других отраслей тяжелой промышленности внесло качественное изменение в технологию производства и потребовало оборудования зданий мостовыми кранами. Первое время их устанавливали на эстакадах (рис.8), однако это загромождало помещение. С увеличением грузоподъемности мостовых кранов и насыщенности ими производства, а также с увеличением высоты и ширины пролетов помещений стало целесообразным строить здания с металлическим каркасом, поддержи­вающим как ограждающие конструкции, так и пути для мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис. 9), включающая в себя колонны и ригели (стропильные фермы).

Профессор Ф.С.Ясинский (1858-1899 гг.) первым запроектировал мно­гопролетное промышленное здание с металлическими колоннами между пролетами и разработал большепролетные складчатые и консольные конструкции покрытий. Он же внес значительный вклад в расчет сжа­тых стержней на продольный изгиб, работающих в упругопластичеекой зоне деформирования стали.

Исключительно плодотворной и разносторонней была деятельность почетного академика В.Г. Шухова (1853-1939 гг.). Он первым в мировой практике разработал и строил пространственные решетчатые конструкции покрытий и башен различного назначения («башня IIIyxoва»), использовав для них линейчатые поверхности (рис. 10).

В построенных В.Г. Шуховым сооружениях реализованы идеи предварительного напряжения конструкций и возведения покрытий в виде висячих систем с эффективным использованием работы металла на растяжение (рис.11).

Рис. 8. Перекрытие тульских мастерских

(80 – е гг. XIX в., В.Г. Шухов)


Рис. 9. Каркас промышленного здания (начало XX в.)

Этими проектами В.Г. Шухов намного опередил своих современников и предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций, закрепив тем самым приоритет нашей страны. Особенно значительна его теоретическая и практическая работа в области резервуаростроения и других листовых конструкций. В.Г. Шухов разработал новые конструктивные формы резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных параметров.

Профессор И.П.Прокофьев (1377-1938 гг.), используя накопленный опыт, опубликовал первую монографию по изготовлению и монтажу ме­таллических мостов и запроектировал ряд уникальных по тому времени большепролетных покрытий (Мурманские и Перовские мастерские Московско-Казанской железной дороги, Московский почтамт, дебаркадер Казанского вокзала в Москве).



Рис. 10. Башня Шухова Рис. 11. Висячие сетчатые покрытия на Нижегородской ярмарке (1896 г.)
Пятый период (послереволюционный) развития металлических конструкций в нашей стране начинается с первой пятилетки (конец 1920-х гг.), а к концу 1940-х гг. клепаные конструкции почти полностью были заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичиыми.

Развитие металлургии уже в 1930-х гг. позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегироваиную сталь [сталь кремнистую для железнодорожного моста через р. Ципу (Закавказье) и сталь ДС для Дворца Советов и москворецких мостов], а в середине столетия номенклатура применяемых в строительстве низколегированных и высокопрочных сталей значительно расширилась, что позволило существенно облегчить массу конструкций и создать сооружения больших размеров. Кроме стали, в металлических конструкциях начали использовать алюминиевые сплавы, объемная масса которых почти втрое меныше. Чрезвычайно расширились номенклатура металлических конструкций и разнообразие их конструктивных форм. Этот резкий количественный и качественный подъем металлических конструкций был вызван развитием всех ведущих отраслей народного хозяйства, грандиозным размахом промышленного и гражданского строительства.

В начале 1930-х гг. стала оформляться советская школа проектирования металлических конструкиий. В связи с развитием металлургии и машиностроения строилось много промышленных зданий с металлическим каркасом. Стальные каркасы nромышленных зданий оказались ведущей конструктивной формой металлических конструкций, определяющей общее направление их развития. Требованиям эксплуатации и высоких темпов строительства в лучшей степени отвечали сложившиеся к тому времени схемы конструирования поперечных рам с жестким сопряжением колонн с фундаментами и ригелями. Советские проектировщики взяли за основу эти схемы и улучшили их аналитическим определением оптимальных геометрических соотношений элементов рамы, схемы решеток и т.п. (рис. 12). В годы Великой Отечественной войны 1941-1945 гг., несмотря на временную потерю южной металлургической базы и большой расход металла на нужды войны, в промышленном строительстве и мостостроении на Урале и в Сибири широко использовались металлические конструкции. Они лучше других конструкций отвечали основной задаче военного времени – скоростному строительству.

В соответствии с этим требованием упрощалась конструктивная форма благодаря более широкому применению сплошных конструкций из крупных прокатных профилей.

Успехи в развитии металлических конструкций за советский период достигнуты благодаря творческим усилиям проектных и научных организаций, возглавляемых ведущими профессорами и инженерами, внес­шими большой личный вклад в это развитие.



Рис. 12. Поперечная рама начала 30-х годов. Завод «Азовсталь»

Особенно значительны заслуги Героя Социалистического Труда, члена-корреспондента АН СССР, профессора Н.С. Стрелецкого (1885-1967 гг.), возглавлявшего в течение 50 лет советскую конструкторскую школу металлостроительства.

Он впервые применил ста­тистические методы в расчете конструкций, исследовал работу статически неопределимых систем за пределом упругости, провел теоретические исследования и обобщил их данные в области развития конструктивной формы. Герой Социалистического Труда, действительный член АН УССР Е.О. Патон (1870-1953 гг.), также внесший свой вклад в развитие металлического мостостроения, имеет исключительные заслуги в области механизации и автоматизации электродуговой сварки, что являлось важным техническим достижением советской школы сварщиков. Металлические конструкции и сегодня применяются во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты, высота и нагрузки (торговые центры, выставочные павильоны, ангары и т.п.).

Современные технологии расчета и проектирования элементов металлических конструкций отличаются широким применением систем автоматизированного проектирования (САПР). Одной из базовых платформ для построения САПР, нацеленных на выполнение задач в области промышленного и гражданского строительства, является AutoCAD.

2. 
   Достоинства и недостатки металлических конструкций
   

Широкое применение металлических конструкций в строительстве обусловлено целым рядом положи­тельных свойств, которыми они обладают. Основные достоинства металлических конструкций следующие.

Легкость, что объясняется высокой прочностью материала. Металлические конструкции легче конструкций из других мате­риалов, воспринимающих те же нагрузки. Легкость металлических конструкций определяет их широкое использование для экспеди­ционного строительства, особенно в отдаленных и труднодоступных районах.

Высокая надежность, которая обеспечивается однородностью структуры металла, хорошим соответствием между расчетными схемами и фактической работой конструкции и, следовательно, вы­сокой точностью расчета, а также высокими пластическими свойст­вами металла.

Высокая индустриальность изготовления и монтажа. Основная масса металлических конструкций изготавливается на специали­зированных заводах, имеющих высокопроизводительное оборудо­вание, по хорошо разработанной технологии. На этих заводах имеются механизированные полуавтоматические линии по произ­водству сварных балок, сквозных прогонов, ферм и т.д. Монтаж металлических конструкций также индустриален, так как осу­ществляется специализированными организациями с использова­нием высокопроизводительной техники. В настоящее время широко применяется конвейерная сборка конструкций внизу и монтаж крупными блоками, что резко снижает сроки строительства и по­вышает качество конструкций.

Хорошая сборность конструкций. Соединения, применяемые в металлических конструкциях (сварные, болтовые), хорошо раз­работаны и легко осуществимы, поэтому сборка на строительной площадке сооружения из отдельных элементов, выполненных на заводе (балок, колонн, ферм), производится быстро. Быст­рой сборке способствует также высокая точность изготовления металлических конструкций.

Газо- и водонепроницаемость, обусловленные большой плот­ностью металла. Это свойство определяет широкое использование металла для резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, гидроизо­ляции подземных сооружений.

Сравнительная простота ремонта и восстановления металли­ческих конструкций позволяет в короткие сроки вводить в строй разрушенные объекты при небольшой затрате нового металла. Кроме того, металлические конструкции проще, чем конструкции из других материалов, поддаются усилению, в том числе под на­грузкой, что важно при необходимости увеличения мощности кра­нового оборудования зданий и т. п.

Наряду с перечисленными достоинствами, металлические кон­струкции имеют и недостатки.

Подверженность коррозии (ржавлению), предупреждение кото­рой требует специального ухода за конструкциями и дополнитель­ной затраты средств на очистку, окраску и т. д. Конструктивные формы элементов и узлов должны обеспечивать легкий доступ для проведения этих операций и быть такими, чтобы на них не про­исходило скопления пыли, влаги. Алюминиевые сплавы обладают значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем сталь. Имеются также атмосферостойкие стали, например, марки 10ХНД17.

Малая огнестойкость, которая проявляется в снижении проч­ности и модуля упругости при высоких температурах, что приво­дит к потере несущей способности конструкции. Модуль упругости стали начинает снижаться при температуре 200° С, а при 600° С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминие­вые сплавы переходят в пластическое состояние, т.е. теряют несу­щую способность, при температуре 300° С. В необходимых случаях для повышения огнестойкости металлических конструкций преду­сматривают огнестойкую облицовку (бетон, специальные покрытия).

3. 
   Требования, предъявляемые к металлическим конструкциям
   

При проектировании как металлических конструкций, так и конструкций из других материалов приходится преодолевать зна­чительные трудности, ибо они должны отвечать целому ряду тре­бований.

Соответствие назначению и условиям эксплуатации. Это без­условное требование является определяющим при выборе кон­структивной формы сооружения и материала для него, а также при назначении основных размеров сооружения.

Надежность конструкций, т. е. обеспечение прочности, устойчи­вости, жесткости сооружения и его элементов при восприятии за­данных нагрузок. Выполнение этого требования достигается стро­гим соблюдением положений нормативных документов при проек­тировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации конструкций, а также качеством применяемых материалов, соответствием их характеристик государственным стандартам.

Возможно меньшая затрата материала. Это важнейшее требо­вание в условиях дефицита металла. Его выполнение достигается принятием рациональной конструктивной формы сооружения и элементов, точностью расчетов, правильным выбором марок ста­лей или алюминиевых сплавов, применением эффективных профи­лей элементов и т. д.

Возможно меньшая затрата труда на изготовление и монтаж конструкций. Для выполнения этого требования конструкции должны быть как можно проще и проектироваться с учетом наи­более современных технологических приемов при изготовлении, которые обеспечивают снижение трудоемкости. Конструкции должны быть высокой заводской готовности, иметь удобные мон­тажные соединения (преимущественно на болтах), что обеспечи­вает быстрый монтаж с наименьшими трудозатратами.

Удобство транспортировки. При проектировании металлических конструкций необходимо предусматривать возможность их пере­возки на строительную площадку тем или иным видом транспорта (чаще по железной дороге) целиком или по частям, в виде отпра­вочных марок, которые не только должны вписываться в габарит погрузки транспорта, но и быть достаточно крупными, чтобы упростить укрупнительную сборку при монтаже. Особое значение требование удобства перевозки имеет для конструкций, возводи­мых в отдаленных и труднодоступных районах.

Понятно, что создание конструкции, отвечающей в полной мере всем отмеченным требованиям, невозможно, так как некоторые из них противоречивы. Так, если исходить из требования затраты минимума мате­риала, то при этом получится более сложная конструкция и, сле­довательно, увеличится трудоемкость ее изготовления. И наоборот, стремление максимально упростить конструкцию для облегчения ее производства, транспортировки и монтажа, как правило, при­водит к большему расходу материала.

Задача по созданию той или иной конструкции не решается однозначно, всегда может быть предложено несколько вариантов. Выбор наилучшего из них должен производиться путем технико-экономического сравнения возможных конструктивных решений. При этом надо руководствоваться принципом проектирования, который состоит в стремлении сочетать надеж­ность конструкции с наибольшей экономией металла и наимень­шей трудоемкостью изготовления и монтажа, а следовательно, с сокращением сроков строительства. Преодоление противоречивости, содержащейся в этих требова­ниях, заставляет искать более рациональные конструктивные фор­мы, совершенствовать методы расчета, создавать стали и алюми­ниевые сплавы новых марок, более эффективные профили, т.е. обу­словливает развитие металлических конструкций как отрасли науки и техники.

4. 
   Организация проектирования
   

Проектирование выполняется в две стадии: проектное задание и рабочие чертежи. В проектном задании устанавливаются экономическая целесообразность и техническая возможность предполагаемого строительства. На этой стадии проектирования обосновывается целесообразность применения металлических конструкций, определяется основная конструктивная схема сооружения подбираются соответствующие типовые конструкции.

Рабочий проект металлических конструкций состоит из двух частей: КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции металлические, деталировка).

Проект КМ выполняется проектной организацией на основании утвержденного проектного задания. В проекте КМ решаются все вопросы компоновки металлических конструкций и увязки их с технологической, транспортной, архитектурно-строительной и другими частями проекта.

В состав проекта КМ входят: пояснительная записка, данные о нагрузках, статические расчеты, общие компоновочные чертежи, схемы расположения частей конструкций с таблицами сечений элементов, расчеты и чертежи наиболее важных узлов конструкций и полная сводная спецификация металла по профилям. По чертежам КМ заказывается металл и разрабатываются деталировочные чертежи КМД.

Проект КМД разрабатывается в конструкторском бюро завода-изготовителя металлических конструкций с учетом технологических особенностей завода.

5. Вопросы для самоконтроля

1. 
   Область применения металлических конструкций.
   
2. 
   Перечислите основные особенности металлических конструкций
   
3. 
   Достоинства и недостатки металлических конструкций.
   
4. 
   Назовите основные этапы проектирования металлических конструкций.
   
5. 
   В чем заключается основное отличие проекта КМ от КМД.