В В Е Д Е Н  И Е

      Понятие «Металлические» конструкции»  включают в себя их конструктивную  форму, технологию изготовления  и способы монтажа. Уровень  развития металлических конструкций  определяется, с одной стороны,  потребностями в них народного  хозяйства, с другой - возможностями технической базы развития металлургии, металлообработки, строительной науки  и  техники.

      Металл применяли давно с ХII века в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах, и т. д.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Первой такой конструкцией являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.). Покровский собор в Москве – первая конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Там затяжки, поддерживающие пол и потолок, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Конструктор уже в то время знал, что для затяжки, работающей на изгиб, надо применить полосу, поставленную на ребро, а подкосы,  работающие  на  сжатие,  лучше  делать  квадратного сечения (рис.1).

Рис.1. Перекрытие коридора в Покровском соборе   (Москва, 1560 г.) 
 

  С   начала  XVII  века  металл  применяют в пространственных  купольных конструкциях  глав  церквей. Стержни  конструкций  выполнены  из  кованых брусков и соединены на замок и скрепы горной сваркой. Такие конструкции можно видеть в наши дни: трапезная Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом Посаде 1696-1698 гг., здание  Большого  Кремлевского Дворца в Москве  (1640 г.),  каркас  купола  колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола  Казанского  Собора   в   Петербурге,  пролетом  15 м (1805 г.)  и др.

      С начала XVIII стали осваивать процесс литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты. Соединения чугунных элементов осуществляются  на  замках   и  болтах.

      Первой  чугунной  конструкцией  в  России  считается  покрытие  крыльца  Невьянской  башни   на  Урале  (1725 г.).  В  1784 г.  в  Петербурге  построен  первый    чугунный  мост. Уникальной  чугунной конструкцией 40-х г. ХIХ века  является  купол  Исаакиевского  собора,  собранного  из  отдельных косяков  в виде  сплошной  оболочки  (рис.2).

Рис.2. Купол Исаакиевского  собора 
 

      Чугунная    арка,    пролетом    30м    применена         в       перекрытии

Александринского      театра      в Петербурге    (1827-1832 гг.).

      В 50-е годы ХIХ века в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, это самый крупный чугунный мост  мира.

      С 30-х г. ХIХ века до 20-х г. ХХ века – идет быстрый технический прогресс в металлургии и металлообработке, появляются заклепочные соединения, в 40-х г. ХIХ века освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун.  Все стальные конструкции в течение ста последующих лет выполнялись клепанными.

      Чугунные конструкции во второй  половине ХIХ века применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т. п., то  есть,  где  сопротивляемость  чугуна  сжатию  лучше  стали.

      До конца ХIХ века в России промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия использовались треугольные металлические фермы (рис.3). Сначала в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода.

Рис.3. Стропильная ферма (70-е  годы ХIХ в.) 

      Во второй половине ХIХ века значительное развитие получило металлическое мостостроение, где стали применять решетчатые фермы с треугольной шпренгельной решеткой, появляется металлический сортамент прокатных  профилей.

  В  начале ХХ века промышленные  здания стали строить с металлическим каркасом, который поддерживал как ограждающие конструкции, так и пути мостовых кранов. Несущим элементом каркаса стала поперечная рама, состоящая из колонн и ригелей (стропильные фермы). Все стальные конструкции изготавливались в основном клепанными. Сталь стала вытеснять чугун. К концу века совершенствуется форма ферм, появляются раскосы, узловые соединения вместо болтовых на проушинах, стали выполнять заклепочными  с  помощью  фасонок.

      В конце ХIХ столетия стали применять решетчатые рамно-арочные конструкции для перекрытий зданий значительных пролетов, например, Киевский вокзал в Москве по проекту В.Г.Шухова 1913 – 1914 гг. (рис..4). Развивается металлическое мостостроение (например, мост с решетчатыми фермами через реку Лугу, 1853 г.). Профессор Л.Д.Проскурянов ввел в мостовые фермы треугольную и шпренгельную решетки (мост через реку Енисей).

      Дальнейшее развитие металлургии,  машиностроения и других отраслей  промышленности потребовало оборудования  зданий мостовыми кранами. Сначала  их  устанавливали на эстакадах, но с увеличением грузоподъемности стало целесообразно строить здания с металлическим каркасом,  

                                Рис.4. Перекрытие  Киевского вокзала  в Москве 
 

поддерживающим  пути мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса  стала  поперечная  рама  (рис.5). 

Рис.5. Каркас промышленного  здания (начало ХХ в.) 
 

      Профессор Ф.С.Ясинский первый  запроектировал многопролетное  промышленное здание. Академик В.Г.Шухов  первый в мире разработал и  построил пространственные и решетчатые конструкции покрытий и башен различного  назначения  (телебашня, рис.6).

      В  построенных им сооружениях  реализованы идеи предварительного  напряжения конструкций и возведения  покрытий в виде висячих систем. Тем самым он предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций. Значительна его работа также в области резервуаростроения, он разработал новые формы резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных   параметров  (рис.7).

      К концу 40-х годов ХХ века клепаные конструкции почти полностью заменили сварными, более экономичными. Появляются низколегированные и высокопрочные стали. Кроме стали, начали использовать алюминиевые сплавы, плотность которых почти втрое меньше.

      Расширилась номенклатура металлических конструкций. Большие и многообразные  задачи  по   развитию   металлических   конструкций решались

усилиями  проектных, научных и производственных коллективов – Проектстальконструкций, Промстройпроекта и ЦНИПС, переименованного в дальнейшем  в  ЦНИИСК,  а  также  вузовскими  коллективами.

      Проектировщики взяли за основу  схему конструирования поперечной  рамы с жестким сопряжением  колонны с фундаментами и ригелем.  С развитием металлических   конструкций,   большим   объемом   и   связанная   с            ним

Рис.6. Башня В. Г. Шухова в Москве

повторяемость конструкций создали предпосылки  для разработки типовых систем  и  конструктивных  решений  промышленных  зданий.  В  связи  с  этим

впервые введен трехметровый  модуль пролетов, который в 50-е годы был заменен  шестиметровым.  Типизация  распространялась  также  на    пролетные

строения  мостов, резервуары, газгольдеры, радиобашни, радиомачты. Типизация, унификация и стандартизация – одно из главных направлений 
 

Рис.7. Листовые конструкции:

                                                             а) капле видный  резервуар;

б) газгольдер мокрый 

развития  металлических конструкций. Это снижало трудоемкость изготовления и монтажа конструкций, уменьшало расход стали. Из общественных сооружений можно выделить павильон Космоса на ВВЦ (Москва), перекрытие Дворца спорта в Лужниках, уникальные большепролетные сооружения с металлическими несущими конструкциями, построенными  в  Москве  к  Олимпиаде-80.

      Наряду с совершенствованием  конструкций развивались формы  и методы расчета. До 1950 г. расчет  велся по методу допустимых  напряжений. Такой расчет недостаточно  полно отражал действительную  работу конструкции под нагрузкой,  приводил к перерасходу   металла, поэтому был разработан метод предельного состояния. Появляются ЭВМ, что позволяет проектировщику найти  быстро  конструктивные  оптимальные  решения.

      Успехами в развитии металлических  конструкций мы обязаны профессору Н.С.Стрелецкому, который 50 лет возглавлял школу металлостроения. Он явился одним из инициаторов перехода от расчета по допускаемым напряжениям к расчету по предельным состояниям. В области электросварки большой  вклад  внес  профессор  Е.О.Патон.

     Параллельно с развитием металлостроения в России, расширяется его использование и в западных странах. Первый чугунный мост был построен в Англии через реку Северн в 1776-1779 гг., пролетом 30,6 м. Мост через Менейский пролив в Англии построен в 1818-1826 гг., пролетом 176,5 м. В 1832-1840 гг. построен мост во Фрейбурге в Швейцарии, пролетом 273 м, а в 1889 г. строится Эйфелева башня в Париже, высотой 300 м и многие другие сооружения. 
 

     РАЗДЕЛ 1.  ЭЛЕМЕНТЫ  МЕТАЛЛИЧЕСКИХ  КОНСТРУКЦИЙ 

1. Номенклатура  и область применения металлических

конструкций 

      Металлические конструкции применяются  во всех инженерных сооружениях  значительных пролетов, высоты и  нагрузок. В зависимости от конструктивной  формы и назначения металлические  конструкции можно разделить   на  восемь  видов:

1. Промышленные здания – цельнометаллические или со смешанным каркасом  (колонны железобетонные). Цельнометаллические в зданиях с                  большим пролетом,  высотой и грузоподъемностью.
2. Большепролетные покрытия зданий – спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры, ангары и др. (пролеты до 100-150 м).
3. Мосты, эстакады – мосты на железнодорожных и автомобильных магистралях.
4. Листовые конструкции – резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы   большого  диаметра  и др.
5. Башни и мачты – радио и телевидения в геодезической службе, опоры                  линии электропередачи,  нефтяные  вышки и др.
6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в многоэтажных зданиях,  в   условиях  плотной застройки больших городов.
7. Крановые и другие подвижные конструкции – мостовые, башенные,                          козловые  краны,  конструкции экскаваторов  и др.
8. Прочие конструкции по использованию атомной энергии в мирных  целях, разнообразные конструкции радиотелескопов для космической и радиосвязи,  платформы  для  разведки и добычи нефти и газа в море и др.                                  

     Металлические  конструкции   обладают  следующими  достоинствами: 

1. Надежность. Материал (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой однородностью  структуры.
2. Легкость. Металлические конструкции самые легкие.
3. Индустриальность. Изготовление и монтаж металлических конструкций производится специализированными организациями с использованием высокопроизводительной  техники.
4. Непроницаемость. Обладают высокой прочностью и плотностью, непроницаемостью  для газов и жидкостей. 

     Металлические  конструкции   имеют  недостатки:

1. Коррозия. Незащищенность от влажной среды, атмосферы,  загрязненной агрессивными газами, сталь коррозирует  (окисляется) и разрушается. Поэтому в сталь включают специальные легирующие элементы,  покрывают  защитными  пленками  (лаки,  краски  и  т.д.).
2. Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200˚С уменьшается модуль упругости, а при температуре 600˚С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние при 300˚С. Поэтому металлические конструкции защищают огнестойкими  облицовками  (бетон,  керамика,  специальные  покрытия

и  т.д.).

     При проектировании металлических  конструкций должны учитываться следующие  требования:

      1. Условия  эксплуатации.

2. Экономия   металла    (высокая стоимость).

3. Транспортабельность (перевозка по частям или целиком с применением соответствующих транспортных  средств).
4. Технологичность – использование современных технологических приемов,  обеспечивающих  снижение  трудоемкости.
5. Скоростной монтаж. Сборка  в  наименьшие  сроки.
6. Долговечность – определяется сроками физического и морального износа.
7. Эстетичность. Конструкция должна  обладать  гармоничными формами.

      Основным принципом  проектирования является  достижение трех  главных показателей:  экономии стали,  повышение производительности  труда при изготовлении, снижение трудоемкости  и сроков монтажа,  которые  определяют  стоимость  конструкции.

      Достигается это путем использования  низколегированных и высокопрочных  сталей, экономичных прокатных и  гнутых профилей, внедрения в  строительство пространственных, предварительно  напряженных, висячих, трубчатых  и т. п. конструкций, совершенствованием методов расчета и изысканием  конструктивных оптимальных решений с использованием ЭВМ. Кроме того, разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов - колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных проемов, радиомачт, башен, опор  линии электропередачи, резервуаров  т.п.  
 
 

2. Свойства  и работа строительных сталей и 

алюминиевых сплавов 

      Для строительных металлических  конструкций используются, в основном, стали  и  алюминиевые   сплавы.

      Наиболее важными для работы являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность  к   старению и  технологичность.

      Прочность - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым  воздействиям  без  разрушения.

      Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму   после снятия  внешних нагрузок.

      Пластичность – свойство материала сохранять деформативное состояние после снятия  нагрузки,  т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

      Хрупкость – склонность  разрушаться при малых деформациях.

      Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без  увеличения  нагрузки.

      Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из  более твердого  материала.

      Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства  определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением Ơ и относительным удлинением  ε.

     Диаграммы  растяжения различных металлов показаны на рис.1.1,б.  
 

1.3. Классификация сталей 

       По прочностным  свойствам стали условно делятся на три группы: обычной   (Ơ _у  = 29 кН/см), повышенной (Ơ _у = 29-40 кН/см)  и высокой прочности (Ơ _у >  >40 кН/см).

       Повышение прочности стали, достигается легированием и термической обработкой.

       По химическому  составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные.

       Углеродистые стали  состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или  алюминия)  и  марганца.

Рис.1.1. К определению  механических характеристик  металла:

                        а – образец для испытания на растяжение; б – к определению

                                 предела  пропорциональности  и предела упругости 
 
 

       Углерод (У)  повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У <   0,22%).

      Легированные стали помимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее,  поэтому в строительстве  используют низколегированные  стали  с  содержанием  добавки  не  более   5%.

      Основными легирующими добавками  являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).

      Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную  стойкость.

      Марганец повышает прочность, снижает вредное влияние серы. При содержании  марганца   >  1,5%  сталь  становится  хрупкой.

      Медь повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии. Содержание  меди    >  0,7%   способствует  старению  и хрупкости стали.

      Хром и никель повышают прочность стали, без  снижения  пластичности

и  улучшают  ее  коррозионную  стойкость. 

      Алюминий раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает  ударную вязкость.

      Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.

     Азот в несвязном состоянии способствует старению стали, делает ее хрупкой,  поэтому его должно  быть  не  более 0,009%.

Фосфор относится к вредным примесям так как, повышает хрупкость стали.                                                      В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и

термообработанные  (закалка в воде  и высокотемпературный отпуск).

      По степени раскисления стали  могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.

      Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Полуспокойная сталь – промежуточная между кипящей и спокойной. 
 

                    1.4. Выбор сталей для строительных конструкций. 

      Выбор стали ведется на основе  вариантного проектирования и  технико-экономического анализа  с учетом рекомендаций норм. Поэтому  следует стремиться к большей  унификации конструкций, сокращению  числа профилей и сталей. Выбор стали, зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

     температуры среды;

     характера нагружения;

     вида  напряженного состояния;

     способа соединения элементов;

     толщины проката.

      В зависимости от условий работы  материала все виды конструкций разделены  на  четыре  группы:

      К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях, поэтому возможно хрупкое и усталостное разрушение, К свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.                      

     Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т. д.), а также конструкции первой группы при отсутствии  сварных  соединений.

      Общим для конструкций этой  группы является повышенная опасность  хрупкого разрушения. Вероятность  усталостного разрушения меньше, чем для первой  группы.

      К третьей группе  относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном  воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и др.), а также конструкции второй группы при  отсутствии  сварных  соединений.

      В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т. п.),  а также конструкции третьей группы  при отсутствии  сварных соединений.

      Если для конструкций третьей  и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям  и хрупкому  разрушению.

      В материалах для сварных конструкций  обязательно следует оценить свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений,  могут  быть  снижены.

      В пределах каждой группы конструкций,  в зависимости от температуры  эксплуатации, к сталям предъявляют  требования по ударной вязкости при различных  температурах.

      В нормах содержится перечень  сталей в зависимости от группы  конструкций  и  климатического  района  строительства. 
 

1.5. Влияние различных  факторов на свойства  стали 

      Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется, располагается между зернами феррита и группируется у различных дефектов кристаллической  решетки.

      Старению способствуют – механические воздействия, особенно пластические деформации (механическое старение), температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов (температурное старение). При температуре 150-200ºС  старение резко возрастает.

      Наклеп.  Повторные загружения в пределах упругих деформаций (до предела упругости) не изменяют вида диаграммы работы стали, нагружение и разгрузка будут происходить по одной линии (рис.1.2.а).

Рис.1.2. Диаграммы деформирования стали при повторном нагружении:

а – в пределах упругих  деформаций;  б  – с перерывом (после  «отдыха»);

в – без перерыва 

     Если образец загрузить  до пластического состояния и  затем снять нагрузку, то появятся остаточные деформации  ε_ост. При повторном нагружении образца после некоторого «отдыха» материал работает упруго до уровня предыдущего загружения. Повышение упругой работы материала в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом.      При наклепе искажается атомная решетка и увеличивается плотность дислокаций. Пластичность стали снижается, повышается опасность хрупкого разрушения, что неблагоприятно сказывается на работе строительных конструкций.