Для  студентов архитектурных специальностей

Металлические конструкции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

В современной практике строительства металлические конструкции — стальные и алюминиевые — находят широкое применение.

Это объясняется тем, что металл обладает высокой несущей способностью, обеспечивающей восприятие значительных нагрузок при сравнительно небольшой собственной массе, надежностью работы при различных видах напряженного состояния и агрессивных эксплуатационных средах, значительной универсальностью с точки зрения создания различных конструктивных форм плоских и пространственных систем, высокой индустриальностью изготовления изделий.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года намечено произвести в 1985 г. 117— 120 млн. т готового проката черных металлов, что на 14—17 % больше, чем в десятой пятилетке. Предусмотрено также увеличение производства алюминия на 15—20%.

Однако с ростом производства перед проектировщиками поставлены и задачи по экономии металла в строительстве в объеме 8—10 % и повышении производительности труда при изготовлении металлоконструкций на 15—20 % из расчета на 1 м2 здания и сооружения.

Решение этой проблемы основано, главным образом, на полном и скорейшем внедрении научно-технических достижений отечественного и зарубежного опыта.

Научно-технический прогресс в области металлических конструкций развивается по трем основным направлениям: повышение эффективности конструктивных форм строительных конструкций и сооружений на их основе с одновременным повышением надежности и долговечности и установлением областей их рационального применения в зданиях и сооружениях различного назначения; создание высокопроизводительной поточно-механизированной и автоматизированной технологии изготовления с целью повышения производительности труда, увеличения степени заводской готовности и качества конструкций; повышение    уровня    механизации сборки, возведения и разработки новых совершенных методов поточно-блочного монтажа.

Совершенствование конструктивной формы направлено на достижение максимальной эффективности конструкции. Достигается это различными приемами, главными из которых следует считать: оптимизацию конструктивной формы; применение предварительного напряжения в конструкциях; проектирование систем с совмещением несущих и ограждающих функций в одном элементе; концентрацию материала в мощных конструкциях; преимущественное применение несущих конструкций в виде растянутых поверхностей (мембран) и нитей; широкое внедрение пространственных систем.

Под оптимизацией конструктивной формы следует понимать такое решение конструкции, ее геометрических параметров, марок стали и расчета, при котором сооружения отвечают заданным архитектурно-конструктивным требованиям. Отсюда вытекают и другие направления совершенствования строительных металлических конструкций. Прежде всего это совершенствование материала путем широкого применения сталей высокой и повышенной прочности с пределом текучести 300— 400 МПа, а также высокопрочных и сверхвысокопрочных сталей с пределом текучести до 1200—2000 МПа.

В соответствии с плановым заданием на одиннадцатую пятилетку в стране принято решение о расширении доли использования сталей высокой и повышенной прочности в общем объеме строительных металлических конструкций до 23—24% вместо 18% на конец 1980 г. Внедрение этих сталей в проекты стальных конструкций только массового изготовления позволит сэкономить от 9 до 16 % металла.

Наряду с внедрением в строительство сталей повышенной прочности важное место занимает проблема совершенствования сортамента прокатных и гнутых профилей, уменьшение толщины элементов и определение научно обоснованной системы градации сортамента. Решение этой проблемы позволит дополнительно сократить расход стали еще на 20—25 %. В этих целях намечено дальнейшее расширение внедрения легких металлических конструкций с применением широкополочных двутавров, гнутосварных профилей прямоугольного сечения и тонкостенных круглых труб для плоских и пространственных ферм и перекрестно-стержневых    систем с доведением зданий комплектной поставки на их основе до 5,5—6 млн. м2 в год вместо 2 млн. м2 на конец 1980 г.

Одним из важных факторов, определяющих эффективность металлических конструкций, является решение соединений. Дальнейшее совершенствование электросварки, применяемой в 95 % металлических конструкций, идет по пути внедрения современных автоматических линий, снижающих трудоемкость изготовления и обеспечивающих высокую надежность соединений. Для прогрессивных решений болтовых соединений характерно преимущественное применение высокопрочных болтов из легированных сталей.

Новые формы соединений — пайка и склеивание, основаны на физико-химических процессах неразъемного соединения элементов. Эти соединения не получили пока широкого распростраения, но представляются очень перспективными (особенно склеивание) ввиду быстроты производства работ и сравнительно низкой их стоимости.

Дальнейшее развитие получают и методы расчета конструкций, основанные на широком использовании электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Металл — один из самых старых и распространенных искусственных строительных материалов. Уже в V в. до н. э. были известны простейшие сооружения из железа. Однако применение металла в строительных конструкциях началось сравнительно недавно — после получения в 1784 г. Г. Кортом (Англия) малоуглеродистого пудлингового железа, положившего начало промышленному производству стали. За короткий период были разработаны основные способы промышленного производства литой стали: бессемеровский (1855 г.); мартеновский (1867 г.); томасовский (1878 г.). С их внедрением начало развиваться прокатное производство стальных профилей — угловых, тавровых, зетовых и двутавровых.

К этому же периоду относится создание науки «Строительная механика», занимающейся определением усилий в элементах сложных   строительных   конструкций.

Велика заслуга в развитии науки о металлических конструкциях, в частности металлических мостов, видных русских ученых и инженеров — Д. И. Журавского (1822—1891), Ф. С. Ясинского (1856—1899), Н. А. Белелюбского  (1845—1922), Л. Д. Проскурякова  (1858—1926), Е. О. Патона    (1870—1953), И. П. Прокофьева (1877—1958), Н. С. Стрелецкого (1885—1967) и др.

После победы Великой Октябрьской социалистической революции в стране создана мощная металлургическая промышленность, обеспечившая возможность широкого применения стальных конструкций в промышленном строительстве.

Бурное развитие сварных металлических конструкций наряду с возрастающими объемами строительства позволили уже в 30-е годы разработать типовые балки и фермы с унифицированным трехметровым модулем, который способствовал созданию индустриального изготовления конструкций на базе максимального использования передовой технологии.

В послевоенный период металлические конструкции применялись главным образом при возведении резервуаров, газгольдеров, доменных печей, мачт линий электропередач, радиомачт, телевизионных башен, конструкций телескопов и тому подобных сооружений, в которых применение других материалов было практически невозможно или экономически нецелесообразно.

В течение 50—60-х гг. мировая практика накопила огромный опыт в развитии современных металлических конструкций. Были разработаны конструкции массового применения в виде традиционных балок, ферм и колонн для одноэтажных и многоэтажных промышленных и гражданских зданий, а также новые типы эффективных конструкций — предварительно напряженные фермы и балки, перекрестно-стержневые конструкции, Байтовые и мембранные конструкции, сетчатые купола, своды и др.

Важную роль в развитии строительных металлических конструкций в стране сыграло принятое в мае 1972 г. постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР об организации производства и комплектной поставки легких металлических конструкций промышленных зданий. Оно наметило грандиозную программу, предусматривающую создание единого комплексного процесса проектирования, специализированного заводского изготовления, комплектной поставки и высокопроизводительного монтажа легких металлических несущих и ограждающих конструкций промышленных зданий из экономичных видов проката черных металлов и алюминия

Для выполнения этой задачи в стране были созданы современные специализированные предприятия по производству легких металлических конструкций для промышленных зданий с производительностью 8 млн. м2 в год.

Общая стоимость металлических конструкций складывается из следующих составляющих: стоимости, проектирования, стоимости металла, стоимости транспортировки металла с металлургического завода на завод — изготовитель конструкций и готовой конструкции на строительную площадку, стоимости изготовления и монтажа конструкций. Учитывая, что стоимость металла составляет около 70 % общей стоимости, при разработке новых конструкций особое внимание обращается на их создание с наименьшей массой.

В отличие от зарубежных школ, Советская конструкторская школа проектирования металлических конструкций, созданная коллективами ЦНИИпроектстальконструкции, Промстройпроекта, Гипромеза, МИСИ им. В. В. Куйбышева, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, НИИ электросварки им. Е. О. Патона и др., базировалась не только на законах веса, которым придавалось решающее значение при разработке оптимальных конструктивных форм, но и на учете трудоемкости и стоимости изготовления и монтажа конструкций, влияющих на повышение производительности труда в металлостро-ении и сокращение сроков возведения зданий и сооружений. Это направление положило начало индустриальному изготовлению металлических конструкций с широким использованием принципов унификации и стандартизации их элементов.

Основные требования, предъявляемые к металлическим конструкциям:

1)         удовлетворение конструктивной формы технологии производства функциональным эстетическим и эксплуатационным   требованиям здания или сооружения;

2)         обеспечение необходимой несущей способности — прочности, устойчивости и жесткости при минимальной массе конструкций;

3)         достижение наименьшей трудоемкости изготовления и монтажа;

4)         сокращение сроков возведения и достижение минимальной стоимости каркаса здания или сооружения.

Эти требования определили принятый в стране двухстадийный принцип проектирования зданий и сооружений: проектное задание и рабочие чертежи. На стадии проектного задания устанавливается техническая возможность и экономическая эффективность предполагаемого строительства. Стадия рабочих чертежей при проектировании металлических конструкций состоит из двух частей: стадия рабочих чертежей КМ (конструкции металлические) и стадия рабочих деталировочных чертежей КМД (конструкции металлические, деталировка). На стадии КМ, выполняемой проектной организацией, разрабатывается общая схема сооружения, производятся расчет конструкций, подбор сечений и конструирование узлов, составляется спецификация на металл. На стадии КМД, выполняемой конструкторскими бюро заводов-изготовителей, по чертежам КМ разрабатываются деталировочные чертежи, используемые в цехах завода для изготовления отправочных монтажных марок, а также с их учетом выполняются монтажные схемы. При проектировании металлических конструкций руководствуются указаниями «Технические правила по экономному расходованию основных строительных материалов» (ТП 101-81) с учетом технико-экономической целесообразности применения металлических конструкций применительно к данному конкретному объекту. Разработка новых стальных конструкций должна подчиняться законам унификации — ограничения числа элементов конструкций и конструктивных форм на основе единой модульной системы в строительстве (ЕМС), которая создает предпосылки для типизации и стандартизации строительных металлоконструкций.