Строительная энциклопедия

В последнее время металлические конструкции все активнее используются в современном строительстве. Без них практически невозможно представить стройплощадку. Каждый новый объект требует своих особых конструкций. Что же такое металлические конструкции? Как давно они применяются в строительстве, и насколько выгодно их использование? Об этом пойдет речь в данной статье.

Металлические конструкции — это общее название конструкций, выполненных из металлов и применяемых в строительстве. Начало применения в строительстве собственно строительных конструкций относится к 80-м годам 19 века. К этому времени были разработаны и освоены промышленные способы производства литого железа (стали) — мартеновский, бессемеровский и томасовский процессы.

К концу 19 в. в России и за рубежом были построены крупные здания и инженерные сооружения, основные конструкции которых были выполнены из стали. Например, павильоны Нижегородской ярмарки с висячими покрытиями, Бруклинский мост в Нью-Йорке, Эйфелева башня. В СССР интенсивный рост металлургии создал базу для дальнейшего развития и совершенствования стальных конструкций. Был накоплен большой опыт их проектирования и возведения, определены наиболее рациональные области применения.

Основным способом соединения элементов металлических конструкций. стала электросварка. Большая заслуга в создании и развитии отечественной школы проектирования и расчета таких конструкций принадлежит советским ученым В. Г. Шухову, Н. С. Стрелецкому, Е. О. Патону и др. В современном строительстве широко применяются типовые металлические конструкции, обеспечивающие минимальный расход стали, наименьшую трудоемкость изготовления конструкций в заводских условиях, удобство и быстроту монтажа их на месте.

Основное применение

В СССР для изготовления строительных конструкций применяли в основном стали малоуглеродистые, повышенной и высокой прочности. Металлические конструкции обычно выполнялись из т. н. первичных стальных прокатных элементов различного профиля, выпускаемых металлургической промышленностью по определенному перечню-сортаменту (впервые такой сортамент был разработан в России в 1900 Н. А. Белелюбским.

В качестве первичных элементов использовались также трубчатые и гнутые профили. Из первичных элементов на заводах металлических конструкций изготовливали различные типовые конструктивные элементы (набор которых, как правило, ограничен): сплошные, работающие только на изгиб (балки); сквозные, работающие в основном на изгиб (фермы); элементы, работающие преимущественно на сжатие и на изгиб (колонны, стойки); элементы, работающие только на растяжение (канаты, тросы и др.). Наряду с этим выпускается листовая прокатная сталь (широкополосная, толстолистовая, тонколистовая).

С помощью комбинирования конструктивных элементов на заводах изготавливали металлические конструкции практически любого назначения — как в готовом виде (если по габаритным соображениям обеспечивается возможность их транспортирования), так и отдельными укрупненными монтажными блоками. При этом для образования отдельных конструктивных элементов, укрупненных блоков и целых металлических конструкций применяли сварные (преимущественно), болтовые и заклепочные соединения.

Кроме обычных болтовых, применяли также соединения на высокопрочных болтах фрикционного типа (работающих на трение), которые обладали большой несущей способностью. При монтаже для объединения отдельных блоков в целую конструкцию применяли, главным образом, болтовые соединения.

Разные пролеты

В большепролетных покрытиях использовались конструкции различных систем — как плоские, так и пространственные. Плоские балочно-разрезные фермы (сквозные) применяют в основном при пролетах до 100 м (например, в ангарах для самолетов). Для перекрытия средних и значительных пролетов зданий различного назначения применялись т. н. структурные конструкции, представляющие собой сквозные плиты, образуемые из отдельных однотипных стержней, для сопряжения которых в узлах применяются различные конструктивные решения.

Весьма эффективны металлические конструкции рамного типа, преимущественно сквозные, с распором, передаваемым на фундаменты. Для перекрытия большепролетных зданий рационально использование металлических конструкций арочной системы, причем арки могут быть сплошными или сквозными. Во многих случаях целесообразно применение стальных висячих конструкций, обеспечивающих существенную экономию стали. Висячие системы используются также при прокладке трубопроводов различного назначения через ущелья, глубокие овраги, большие реки.

Широкое применение строительных конструкций находят в высотных сооружениях (например, в Киеве построена телевизионная башня высотой 372 м, трубчатая конструкция которой изготовлена из высокопрочной стали).

В СССР строительные конструкции проектировались на основе соответствующих Строительных норм и правил (СНиП), предусматривающих необходимость выбора оптимальных в технико-экономическом отношении схем сооружений, сечений элементов и классов стали. Расчет, как правило, производился по методу предельных состояний.

Перспективные элементы

Перспективны (особенно в висячих системах) предварительно напряженные конструкции из стали, позволяющие существенно снизить собственный вес и увеличить несущую способность металлических конструкций.

Так же пользовались спросом стальные конструкции зданий и сооружений — конструкции, элементы которых изготовлены из стали и соединены сваркой, заклепками или болтами. Благодаря высокой прочности стали такие конструкции надежны в эксплуатации, имеют малую массу и небольшие габариты по сравнению с конструкциями из др. материалов.

Структурные конструкции отличаются разнообразием конструктивных форм и архитектурной выразительностью. Изготовление и монтаж таких конструкций осуществлялся индустриальными методами. Основной их недостаток — подверженность коррозии, что требует периодического проведения защитных мероприятий (т. е. применения специальных покрытий и покраски), повышающих расходы по эксплуатации структурных конструкций.

В современном строительстве металлические конструкции применяют преимущественно в качестве несущих конструкций в различных (по назначению и конструктивной системе) зданиях и сооружениях.

Это жилые и общественные здания (в т. ч. высотные); производственные здания разных отраслей промышленности, особенно металлургической (доменные, мартеновские, прокатные цехи); резервуары и газгольдеры; сооружения связи (радио- и телевизионные мачты и башни, антенны); сооружения энергетики (ГЭС, ТЭС, АЭС, линии электропередачи); транспортные сооружения (мосты и путепроводы на железных и автомобильных дорогах, депо, ангары и т.п.); магистральные нефте- и газопроводы (висячие переходы через большие реки, овраги и ущелья); спортивные и зрелищные сооружения, выставочные павильоны и т.д.

Подразделения

Современные металлические конструкции (металлоконструкции) подразделяются на стальные и из легких сплавов (например, алюминиевых сплавов). До начала 20 века в строительстве применялись в основном металлические строительные конструкции из чугуна (главным образом, в колоннах, балках, лестницах и т.д. Из металла изготовлен, например, купол Исаакиевского собора в Ленинграде диаметром 22 м).

В современном строительстве получили распространение металлоконструкции, используемые в несущих каркасах промышленных сооружений, жилых и общественных зданий, в пролетных строениях мостов, каркасах доменных печей, газгольдерах, резервуарах, мачтах, опорах линий электропередачи и др. Конструкции из алюминиевых сплавов,. обладающие рядом достоинств (легкость, коррозионная стойкость, технологичность, высокие декоративные свойства), наиболее широко применяются в качестве ограждающих элементов и в виде отделочных деталей зданий.

Металлоконструкции изготовляются преимущественно из профилированного и листового металла. По характеру соединения элементов между собой различают металлоконструкции сварные, клепаные и с болтовыми соединениями. В машиностроении обычно под металлическими конструкциями подразумеваются детали, изготовленные из профилированного металла, в отличие от литых деталей и поковок.

Листовые конструкции

Листовые металлоконструкции, изготовляются из листового металла (стали и алюминиевых сплавов). Применяются для сооружения емкостей различного назначения (резервуаров, газгольдеров, бункеров), кожухов доменных печей, трубопроводов, дымовых труб, элементов зданий. Листовые конструкции выполняются в виде оболочек (при сооружении емкостей) или полотнищ и пространственных покрытий (в ограждающих конструкциях зданий).

Выбор рациональной формы листовых металлоконструкций обеспечивает их работу на растяжение при действии нагрузок, т. е. позволяет наиболее полно использовать прочностные свойства металла. Для резервуаров, газгольдеров и т. п., испытывающих внутреннее давление, эффективны в конструктивном отношении шаровые, цилиндрические, каплевидные оболочки, изготовляемые обычно из стали повышенной прочности.

Алюминиевые сплавы применяются с целью повышения коррозионной стойкости металлоконструкций, а также при эксплуатации их в условиях низких температур (например, в резервуарах для сжиженных газов). Использование алюминиевых сплавов для изготовления листовых металлоконструкций зданий (стеновых ограждений, подвесных потолков, кровельных конструкций, пространственных покрытий и др.) обусловлено необходимостью снижения веса и улучшения архитектурных и эксплуатационных качеств сооружаемых объектов.

Для уменьшения объема монтажных работ при сооружении емкостей применяется метод рулонирования: сваренные на заводе из отдельных листов полотнища свертываются в рулоны, удобные для транспортировки; на строительной площадке они разворачиваются с помощью специальных механизмов и устанавливаются в проектное положение с последующей сваркой соединительных швов.

Сварные конструкции

Сварные конструкции — это металлических конструкции зданий и сооружений, соединения элементов которых выполнены сваркой. В виде сварных конструкций изготовляется примерно 95% современных стальных конструкций, среди которых особенно эффективны листовые конструкции.

Сварные конструкции имеют ряд преимуществ перед клепаными; основные из них — экономия металла (до 25%) в результате более полного использования сечения и меньшего веса соединительных элементов, меньшая стоимость (благодаря применению относительно недорогого оборудования), плотность (герметичность сварочных швов).

Клепаные конструкции

Клепаные конструкции — это металлические конструкции, элементы которых соединяются заклепками. Современные металлические конструкции изготавливаются главным образом сварными; отверстия для заклепок, ослабляющие сечения клепаных конструкций на 15—20%, а также трудоемкость изготовления клепаных конструкций делают их в большинстве случаев менее выгодными по сравнению со сварными конструкциями.

Однако клепаные конструкции более надежны в условиях низких температур, когда концентрации напряжений, способствующие возникновению хрупкого разрушения конструкций и развивающиеся в местах отверстий для заклепок, существенно меньше концентраций в сварных швах конструкций. Поэтому к клепаным конструкциям нередко прибегают при возведении сооружений в северных районах.

Клепаные конструкции применяются также в мостостроении (преимущественно в железнодорожных мостах) и в конструкциях промышленных зданий с большими нагрузками (например, в подкрановых балках), когда возможность разрушения металла под действием циклических нагрузок является особенно опасной или изготовление путем сварки мощного составного сечения элемента представляет значительные технологические трудности.

Роман Шевченко