Стальные конструкции

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, лучше других конструкций отвечавшие основной задаче военного времени — скоростному строительству.

В 50—70-х годах строительство  металлических конструкций развивалось  с соблюдением основных принципов советской школы проектирования, установленных еще в довоенный период: экономия стали, упрощение изготовления, ускорение монтажа. Для этих лет характерным является широкое применение стали в промышленных сооружениях больших размеров с тяжелыми технологическими нагрузками. Построены такие уникальные промышленные здания, как сборочный цех пролетом 120 м с кранами грузоподъемностью 30 т, подвешенными к стропильным фермам на отметке 57 м, двухпролетное здание с кранами грузоподъемностью 1200 и 600 т.

Большое развитие получили листовые конструкции (в связи с развитием  нефтяной, газовой, химической и металлургической промышленности), высотные сооружения связи, опоры электропередачи, а  также конструкции общественных зданий.

Из общественных сооружений выделяются павильоны Советского Союза  на международных выставках в  Брюсселе (1958 г.) и Монреале (1967 г.), павильон Космоса на ВДНХ в Москве, перекрытие Дворца спорта в Лужниках и др. Уникальные большепролетные спортивные сооружения с несущими металлическими конструкциями разнообразной и оригинальной конструктивной формы построены в Москве к Олимпиаде-80.

Наряду с совершенствованием конструктивной формы совершенствовались и методы расчета конструкций. До 1950 г. строительные конструкции рассчитывали по методу допускаемых напряжений. Такой расчет недостаточно полно отражал действительную работу конструкций под нагрузкой, иногда в недостаточной мере гарантировал их надежность и в ряде случаев приводил к перерасходу материалов; взамен его был разработан метод расчета конструкций по предельным состояниям.

С 1950 г. в Советском  Союзе все виды строительных конструкций  рассчитывают по методу предельных состояний  в соответствии с главой СНиП по строительным конструкциям.

Существенно повышает качество проектирования и ускоряет его процесс современная вычислительная техника (ЭВМ) с системами автоматического проектирования (САПР). Применение ЭВМ позволяет проектировщику в короткие сроки найти оптимальное конструктивное решение проектируемого сооружения и рассчитать практически любую сложную систему без значительных упрощений.

Успехи в развитии металлических конструкций за советский  период достигнуты благодаря творческим усилиям коллективов проектных  и научных организаций, возглавляемых  ведущими профессорами и инженерами. 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 металлостроения.

Н. С. Стрелецкий, на первых этапах своей деятельности явившийся преемником и продолжателем русской школы мостостроителей, в дальнейшем много сделал для развития строительной науки и высшего строительного образования в нашей стране. 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. Под его непосредственным руководством экспериментальное изучение действительной работы металлических конструкций стало одним из главных методов совершенствования конструктивной формы и расчетов. Он явился одним из инициаторов перехода от расчета по допускаемым напряжениям к расчету по предельным состояниям и внес большой вклад в разработку этого прогрессивного метода.

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 явилось важным техническим достижением советской школы сварщиков. Е. О. Патон в 1928 г. организовал в Киеве при АН УССР Научно-исследовательский институт электросварки (ныне ИЭС им. Е. О. Патона).

Значительный вклад в развитие металлических конструкций внес академик Н. П. Мельников, много лет руководивший ЦНИИ Проектстальконструкцией.

2. Номенклатура и область применения металлических конструкций.

Металлические конструкции  применяются сегодня во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты, высота и нагрузки. Потребность в металлических конструкциях чрезвычайно велика и непрерывно увеличивается. Базой для удовлетворения этой потребности являются большой объем производимой в стране стали (в 1982 г. выплавлено 155 млн. т стали), заводы металлических конструкций и специализированные монтажные организации, оснащенные современной техникой, специализированные проектные организации и научно-исследовательские институты.

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

1. 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.

2. Большепролетные покрытия  зданий. Здания общественного назначения (спортивные сооружения, рынки, выставочные  павильоны, 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.

3. 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, комбинированную.

4. Листовые конструкции  в виде резервуаров, газгольдеров, бункеров, трубопроводов большого  диаметра и различных сооружений  доменного комплекса, 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.

5. Башни и мачты  применяются для радио и телевидения,  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.

6. Каркасы многоэтажных  зданий. Многоэтажные здания с металлическим каркасом применяются главным образом в гражданском "строительстве, в условиях плотной застройки больших городов и для некоторых видов промышленных зданий.

7. 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, конструкций крупных экскаваторов и разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений, конструкции отвальных мостов.

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

3. Основные особенности металлических конструкций и предъявляемые к ним требования.

В предыдущем параграфе  рассмотрена номенклатура металлических  конструкций, которая характеризуется большим разнообразием систем и конструктивных форм. Однако все эти разнообразные конструкции объединены двумя основными факторами, позволяющими изучать их как единый вид.

Во-первых, исходным материалом для всех конструкций является прокатный металл, выпускаемый по единому стандарту: лист, уголок, швеллер, двутавр, труба и т. п. Из этого материала компонуются все разнообразные конструктивные формы.

Во-вторых, все конструкции объединены одним технологическим процессом их изготовления, в основе которого лежат холодная обработка металла (резка, гибка, образование отверстий и т. п.) и соединение деталей в конструктивные элементы и комплексы (сборочно-сварочные операции).

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 индустриальности 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 и 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°C начинает уменьшаться модуль упругости, а при t = 600°C сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние уже при t = 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.).

При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие основные требования.

Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием для проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него.

Экономия металла. Требование экономии металла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности ((машиностроение, транспорт и т. д.") и относительно высокой стоимостью.

В строительных конструкциях металл следует применять лишь в  тех случаях, когда замена его  другими видами материалов (в первую очередь железобетоном) нерациональна.

Транспортабельность. В связи с изготовлением металлических конструкций, как правило, на заводах с последующей перевозкой на место строительства в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком или по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.