Маслов - Основы металлических конструкций

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).

     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).

    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.

 

                               

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

      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

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

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

 

1.1.         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.

 

 

 

1.2.         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.      

...