11. Исторический обзор развития металлических конструкций. Досто­инства и недостатки, номенклатура металлических конструкций.

Понятие «металлические конструкции» объединяет в себе их конст­руктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уро­вень развития металлических конструкций определяется, с одной сто­роны, потребностями в них народного хозяйства, а с 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 в. до начала XVII в.) характеризуется при­менением металла в уникальных по тому времени сооружениях (двор­цах, церквах 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.). По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая ка­менный потолок над коридором между притворами Покровского собо­ра— храма Василия Блаженного (1560 г.) (рис. 1.1). Это первая изве­стная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих на растя­жение, изгиб и сжатие.

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, а подкосы, работающие ьк сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Второй период (от начала XVII в. до конца XVIII в.) связан с при­менением наклонных металлических стропил и пространственных ку­польных конструкций («корзинок») глав церквей (рис. 1.2). Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапез­ной Троицко-Сергиевского монастыря в Загорске (1696—1698 гг.), пе­рекрытие Большого Кремлевского дворца в Москве (1640 г.), каркас купола колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола Казанско­го собора в Ленинграде пролетом 15 м (1805 г.) и др.

Третий период (от начала XVIII в. до середины XIX в.) связан с 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 па Урале (1725 г.). В 1784 г. в Петербурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструк­ции в России достигли в середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией 40-х годов XIX в. является купол Исаакиевского собора (рис. 1.3), собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки. Конструкция купола состоит из верхней конической части, поддержива­ющей каменный барабан, венчающий собор, и нижней, более пологой части. Наружная оболочка купола с помощью легкого железного кар­каса опирается на чугунную конструкцию.

Четвертый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX 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 80-х го­дов— выплавкой железа из чугуна в мар­теновских и конверторных цехах. Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышлен­ности. В 30-х годах XIX в. появились закле­почные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса; в 40-х годах был освоен процесс получения про­фильного металла и прокатного листа. В течение ста последующих лет все сталь­ные конструкции изготовлялись клепаными. Профессор И. П. Прокофьев (1877—1958 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 ж. д., Московский почтамт, дебаркадер Ка­занского вокзала в Москве).

Пятый период (послереволюционный) начинается с конца 20-х го­дов, с первой пятилетки, когда молодое социалистическое государство приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны.

К концу 40-х годов клепаные конструкции были почти полностью за­менены сварными, более легкими, технологичными и экономичными.

В середине столетня номенклатура применяемых в строительстве низколегированных и высокопрочных ста­лей значительно расширилась, что позволило существенно облегчить вес конструкций и создать сооружения больших размеров Кроче стали в металлических конструкциях начали использовать алюминиевые спла­вы, плотность которых почти втрое меньше.

В начале 30-х годов стала оформляться советская школа проекти­рования металлических конструкций. В связи с развитием металлургии и машиностроения строилось много промышленных зданий с металли­ческим каркасом. Стальные каркасы промышленных зданий оказались ведущей конструктивной формой металлических конструкций, опреде­ляющей общее направление их развития. Советская школа постепенно отходила от европейских схем компоновки поперечных рам каркаса, ха­рактерных стремлением приблизить конструктивную схему к расчет­ным предпосылкам, введением большого количества шарниров, что ус­ложняло монтаж и изготовление конструкций (рис. 1.13). Такие схемы но отвечали требованиям эксплуатации в отношении поперечной жест­кости зданий в связи с увеличением размеров пролетов, высоты и, глав­ное, грузоподъемности и интенсивности движения мостовых кранов.

В 1939 г. Промстройпроектом были разработаны типовые секции одноэтажных промышленных зданий со стальным каркасом. Типовые секции включали объемно-планировочные решеяня для различных про­летов, типовые конструктивные схемы компоновки каркаса и типовые ре­шения конструктивных элементов (ферм, колонн, подкрановых балок и т.п.). Впервые был введен трехметровый модуль пролетов, который за­тем (в 50-х годах) был заменен шестиметровым; типизированы здания отдельных видов производств (мартеновские цехи, прокатные и т.п.); типизация распространилась на пролетные строения мостов, резервуа­ры, газгольдеры, радиобашни, радиомачты. Типизация, а затем унифи­кация и стандартизация стали одним из главных направлений развития металлических конструкций. Это снижало трудоемкость конструкции и благодаря упорядочению проектирования уменьшало расход стали.

В зависимости от конструктивной формы и назначения металличе­ские конструкции можно разделить на восемь видов.

А.Промышленные здания. Конструкции одноэтажных промышлен­ных зданий выполняются в виде цельнометаллических или смешанных каркасов, в кото­рых по железобетонным ко­лоннам устанавливаются ме­таллические конструкции по­крытия здания («шатер») и подкрановые пути. Цельноме­таллические каркасы в основ­ном применяются в зданиях с большими пролетами, высотой и оборудованных мостовыми кранами большой грузоподъ­емности. Каркасы промышлен­ных зданий являются наиболее сложными и металлоемкими конструктивными комплекса­ми

Б.Большепролетные по­крытия зданий. Здания обще­ственного назначения (спор­тивные сооружения, рынки, вы­ставочные павильоны, см. рис. 1.18), театры и некоторые зда­ния производственного харак­тера (ангары, авиасборочные цехи, лаборатории) имеют большие проле­ты (до 100—150 м), перекрывать которые наиболее целесообразно метал­лическими конструкциями. Системы и конструктивные формы больше­пролетных покрытий очень разнообразны. Здесь возможны балочные, рамные, арочные, висячие, комбинированные, причем как плоские, так и пространственные системы. К конструкциям зданий общественного назначения предъявляются высокие эстетические требования

В. Мосты, эстакады. Мостовые металлические конструкции на же­лезнодорожных и автомобильных магистралях применяются при боль­ших, а в отдаленных районах и при средних пролетах, а также при сжа­тых сроках возведения.

Как и большепролетные покрытия, мосты имеют разнообразные сис­темы: балочную, арочную, висячую (см. рис. 1.21), комбинированную.

Г.Листовые конструкции в виде резервуаров, газголсдеров, бунке­ров, трубопроводов большого диаметра и различных сооружений домен­ного комплекса (рис. 1.22), химического производства и нефтеперера­ботки имеют весьма большой объем в связи со значительным развитием в нашей стране металлургии, нефтяной, газовой и химической промыш­ленности.

Листовые конструкции являются тонкостенными оболочками раз­личной формы и должны быть не только прочными, но и плотными (непроницаемыми); они часто эксплуатируются в условиях низких или высоких температур; сталь и алюминиевые сплавы хорошо удовлетво­ряют этим условиям работы.

Д.Башни и мачты применяются для радио и телевидения

(рис.

23. , в геодезической службе, в опорах линий электропередачи. Сюда же можно отнести надшахтные копры, нефтяные вышки, дымовые и вентиляционные трубы и промышленные этажерки. Применение стали обеспечивает этим конструкциям необходимую легкость, удобство тран­спортирования на место строительства и быстроту монтажа.

Е.Каркасы многоэтажных зданий. Многоэтажные здания с металли­ческим каркасом (рис. 1.24) применяются главным образом в граждан­ском 'строительстве, в условиях плотной застройки больших городов и для некоторых видов промышленных зданий.

Ж.Крановые и другие подвижные конструкции выполняются из ма­териала, позволяющего максимально уменьшить их вес. Сюда относятся всевозможные металлические конструкции мостовых, башенных, козло­вых кранов и кранов-перегружателей (рис. 1.25), конструкций крупных экскаваторов и разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений, конструкции отвальных мостов.

З.Прочие конструкции, к которым в первую очередь можно отнести конструкции промышленности по использованию атомной энергии в мирных целях, разнообразные конструкции радиотелескопов (рис. 1.26), надшахтные копры, стационарные платформы для разведки и добычи газа и нефти в море и многие другие.

Металлические конструкции обладают следующими достоинствами, позволяющими применять их в разнообразных сооружениях.

Надежность металлических конструкций обеспечивается близким совпадением их действительной работы (распределение напряжений и деформаций) с расчетными предположениями. Материал металлических конструкций (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой однород­ностью структуры и достаточно близко соответствует расчетным пред­посылкам об упругой или упругопластической работе материала.

Легкость. Из всех изготовляемых в настоящее время несущих конст­рукций (железобетонные, каменные, деревянные) металлические конст­рукции являются наиболее легкими.

Индустриальность. Металлические конструкции в основной своей массе изготовляются на заводах, оснащенных современным оборудова­нием, что обеспечивает высокую степень индустриальное™ их изготов­ления. Монтаж металлических конструкций также производится инду­стриальными методами — специализированными организациями с ис­пользованием высокопроизводительной техники.

Непроницаемость. Металлы обладают не только значительной проч­ностью, но и высокой плотностью — непроницаемостью для газов т; жид­костей. Плотность металла и его соединений, осуществляемых с помо­щью сварки, является необходимым условием для изготовления газ­гольдеров, резервуаров и т. п.

Металлические конструкции имеют и недостатки, ограничивающие их применение. По нейтрализации этих недостатков необходимы специ­альные меры.

Коррозия. Не защищенная от действия влажной атмосферы, а иногда (что еще хуже) атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь корродирует (окисляется), что постепенно приводит к ее полному раз­рушению. При неблагоприятных условиях это может произойти через два-три года. Хотя алюминиевые сплавы обладают значительно большей стойкостью против коррозии, при неблагоприятных условиях они также корродируют. Хорошо сопротивляется коррозии чугун.

Повышение коррозионной стойкости металлических конструкций достигается включением в сталь специальных легирующих элементов, периодическим покрытием конструкций защитными пленками (лаки, краски и т. п.), а также выбором рациональной конструктивной формы элементов (без щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль), удобной для очистки и защиты.

Небольшая огнестойкость. У стали при t = 200 °С начинает умень­шаться модуль упругости, а при i = 600°C сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластичес­кое состояние уже при ^ = 300°С. Поэтому металлические конструкции зданий, опасных в пожарном отношении (склады с горючими или лег­ковоспламеняющимися материалами, жилые и общественные здания), должны быть защищены огнестойкими облицовками (бетон, керамика, специальные покрытия и т. п.).