Бирюлев - Металлические конструкции (вопрос-ответ)
Раздел I.
ОСНОВЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ
1.1. Понятие о металлических конструкциях
В. Какой смысл вкладывается в слова «металлические конструкции»?
От. В области строительства под термином металлические конструкции подразумевают несущие (силовые) конструкции, из которых создают каркасы зданий и различных инженерных сооружений. Сечения элементов несущих конструкций определяются, как правило, в результате расчетов, учитывающих действие различных усилий — изгибающих моментов, продольных и поперечных сил, крутящих моментов или их сочетаний. Кроме несущих, имеются ограждающие металлические конструкции, которые выполняют одновременно функции несущих и ограждающих. Строительные МК имеют сходные черты с каркасом самолетов, судов и некоторых других систем.
В. Что изучает наука о МК?
От. Наука о МК — это прежде всего теория о конструктивной форме МК. Под конструктивной формой понимается взаимосвязанная совокупность схемы конструкции с обоснованно выбранными генеральными размерами, типами сечений отдельных стержней, решениями сопряжений и видом соединения с технологическими приемами и особенностями изготовления, монтажа и эксплуатации. Это действительно совокупность всех сторон самой конструкции и ее «жизни» на четырех этапах — на чертеже (в проектном институте), на заводе, на монтажной площадке и в период эксплуатации.
В теории о конструктивной форме изучаются закономерности построения схемы, компоновки, решения узлов, металлоемкости, трудоемкости и другие. Для расчетов МК используют такие разделы механики, как сопротивление материалов, строительная механика, теории упругости, пластичности, ползучести, механики разрушения.
Кроме того, по мнению акад. Н. П. Мельникова, существует самостоятельная дисциплина — теория сооружений. Применительно к МК в эту дисциплину входят: методы расчета по предельным состояниям; методы расчета на статическую и динамическую прочность, в том числе с учетом физической и геометрической нелинейности; методы расчета на усталость, в том числе малоцикловую; методы расчета на хрупкую прочность, в том числе при наличии трещин (линейная и нелинейная механика разрушений); методы расчета надежности конструкций и ее долговечности; методы оптимизации конструкций, основанные на использовании математического программирования; методы экспериментальных исследований.
В. Как связаны МК с другими строительными конструкциями?
От. В современном строительстве применяются следующие другие строительные конструкции: железобетонные (композитный материал), каменные (естественный камень и искусственный камень — кирпич, бетон), деревянные, пластмассовые.
Кроме того, используются комбинированные конструкции — сталежелезобетонные, деревометаллические, сталеалюминиевые и другие. Строительные конструкции имеют свою предпочтительную область применения с учетом их возможностей и особенностей. Но есть очень много областей, в которых различные строительные конструкции соперничают между собой и выбор той или иной из них представляет ответственную техническую и экономическую задачу.
Что же касается теории конструктивной формы и теории сооружений, то они одинаковы по своему существу для всех строительных конструкций, хотя и есть свои особенности у каждой из них.
1.2. Требования, предъявляемые к МК
В. Какие основные требования предъявляются к МК?
От. Прежде всего большинство требований, предъявляемых к МК, в равной степени предъявляются и к другим строительным конструкциям. Все требования можно разделить на несколько групп: по назначению; технические; технологические; эксплуатационные; экономические; эстетические.
Все требования важны. Большинство из них должны быть, безусловно выполнены, прежде всего по назначению и технические.
В. В чем суть этих требований?
От. Конструкция должна наилучшим образом отвечать своему назначению, т. е. обслуживанию того технологического процесса, который должен протекать в проектируемом здании или сооружении. Например, если это цирк, то нужно учитывать, что подвешивается определенное оборудование, нужно иметь определенную высоту и т. д,, и так в каждом объекте. Технические требования — безусловно обеспечить прочность, устойчивость (формы и положения, а также местную устойчивость), жесткость. Эти требования определяются СНиП на проектирование МК. Сюда же относится и требование надежности, или, иными словами, конструкция должна безотказно работать в течение заранее заданного расчетного периода эксплуатации.
По существу весь этот период должны обеспечиваться прочность, устойчивость и жесткость с учетом накапливаемых дефектов — погибей, коррозии и т. п.
В. Что же относится к технологическим требованиям?
От. Конструкция должна быть технологична, т. е. малотрудоемка при переделе (изготовлении), перевозке, монтаже. Нужно думать и об удобстве производства работ, особенно на монтаже. Ведь конструкцию приходится монтировать и в жару, и в сильный мороз. А удобство часто зависит от вида соединения, узлового сопряжения габаритов и других.
В. В чем заключается суть остальных требований?
От. Следует заботиться о технологичности эксплуатации. Ведь за конструкцией нужно «ухаживать», не допускать повреждений, коррозии. Сюда же входит и такое требование, как ремонтопригодность. Уже на стадии проектирования необходимо думать, как в свое время конструкцию можно будет реконструировать, а в некоторых случаях и усиливать. Нужно иметь в виду, что физическая долговечность (фактический срок ее «жизни»), в 3...7 раза длиннее моральной долговечности, т. е. периода действия первоначально заданного технологического процесса. Далее он меняется, в связи с чем необходима реконструкция, . .
Экономические требования комплексны — необходимо прежде всего экономить металл, экономить затраты труда на всех этапах, экономить затраты энергии.
Отсюда важно анализировать такие показатели, как металлоемкость, энергоемкость, трудоемкость. Комплексные показатели стоимости «в деле» и приведенные затраты при рыночной экономике не должны включать прибыль. Тогда они отражают экономическую эффективность конкретных конструктивных форм. Нельзя забывать и о требовании охраны природы при изготовлении и монтаже. Наконец, необходимо заботиться об эстетике конструкции, ее красоте, гармоничности. Следует отметить, что рационально запроектированные конструкции, как правило, радуют глаз своей легкостью, красотой.
1.3. Достоинства и недостатки М.К
В. Какими достоинствами обладают МК?
От. Достоинства следующие.
1. Наибольшая прочность и одинаковая прочность при растяжении, сжатии и изгибе. Высокая прочность и при сдвиге (до 607о). Для сравнения с другими материалами представлена табл. 1.1.
2. Высокая надежность благодаря сравнительно однородной структуре. Особо следует отметить замечательное свойство стали — пластичность, предотвращающую хрупкое разрушение.
3. Относительная легкость (табл. 1.1).
4. Высокая индустриальность. МК изготавливаются в основном на заводах или развитых мастерских. На площадке осуществляется только монтаж.
5. Непроницаемость, что важно при хранении жидкостей и газов.
6. Транспортабельность.
7. Лучшая приспособленность для тяжелых условий работы (высокие температуры до +200°С, динамические и циклические нагружения, большие нагрузки).
8. Меньшая подверженность механическим повреждениям в процессе перевозки, монтажа и эксплуатации.
9. Хорошая приспособленность для реконструкции, усиления, крепления различных коммуникаций.
10. Меньшая зависимость себестоимости от серийности, благодаря сравнительно малой стоимости вспомогательных приспособлений при изготовлении и монтаже. Возможность быстро переналаживать изготовление, высокие эстетические свойства, возможность создания самых различных форм.
В. Каковы недостатки МК?
От. 1. Сравнительно слабая коррозийная стойкость стали особенно в агрессивных условиях. Значительно выше коррозийная стойкость у алюминиевых и титановых сплавов, применяемых в строительстве.
2. Малая огнестойкость, так как сталь при температуре 600°С, а алюминиевые сплавы уже при 300°С полностью теряют прочность, конструкции деформируются.
3. Постоянный дефицит металлов. Это не недостаток конструкции, а недостаточная развитость производства.
В. Как сопоставлять между собой различные конструкционные материалы?
От. В табл. 1.1 представлены основные характеристики для различных конструкционных материалов. Среди них две относительные характеристики: удельная легкость 1/м и удельная жесткость (E/R — безразмерная). Данные таблицы подтверждают преимущества МК.
1.4. Область применения МК
В. Каков примерный годовой объем применения стали в строительстве?
От. В государствах, входивших в СССР, в 1988— 1989 годах применено арматуры в железобетонных конструкциях 13...14 млн. т, труб 10...II млн. т, строительных МК 7...8 млн. т, итого 30...33 млн. т — более четверти всего производимого проката. Мировой объем строительных металлоконструкций приблизительно 20... 25 млн. т в год.
В. В каких вновь строящихся объектах применяются строительные МК?
От. Объекты разделяются на следующие группы (в скобках доля общего расхода металла) каркасы производственных зданий, в том числе легкие и средние (до 35%); тяжелые при пролетах до 42...
каркасы многоэтажных зданий (до 1%); в мировой практике есть примеры многоэтажных зданий до 150 этажей, высотой более
каркасы зданий с большими пролетами: крупные сборочные корпуса, ангары, спортивные залы, дворцы культуры и т. п. (до 1%); имеются покрытия с пролетами до
листовые конструкции — резервуары, бункера, доменные печи, трубопроводы больших диаметров и другие);
мосты — автодорожные, железнодорожные, переходы и другие (до 2%); рекордный пролет моста
подъемно-транспортные конструкции; мостовые и башенные краны, краны-перегружатели и другие специальные или, скорее, технологические конструкции — затворы и ворота гидротехнических сооружений, радиотелескопы и другие объекты космической связи, морские стационарные платформы для добычи нефти и газа (глубиной до
высотные сооружения — башни, мачты, опоры ЛЭП; другие виды;
ограждающие конструкции, лестницы и площадки (до 14%).
В. Сколько приблизительно строительных МК находится в эксплуатации?
От. В бывшем СССР около 125...130 млн. т. Значительная часть из этого количества подлежит полной замене, часть будет реконструирована.
В. Как будут развиваться МК в будущем?
От. В ближайшие 10...20 лет будет идти развитие всех групп конструкций, более быстрыми темпами легкие МК комплектной поставки, специальные конструкции в связи с развитием различных отраслей науки и техники. Будут увеличиваться пролеты, высоты, объемы и другие параметры зданий и инженерных сооружений. В то же время МК будут распространяться в зоне малых пролетов 12...18 м.
1.5. Краткая история развития МК
В. В какое время началось применение металла в строительных конструкциях?
От. В древние века безраздельно господствовали каменные конструкции, включая кирпичные, а также деревянные. К первым железным конструкциям принадлежит колонна в Дели (Индия), относящаяся к III веку до н. э., высотой
В России железные затяжки в куполах соборов применялись, начиная с XII века (Успенский собор в г. Владимире). В XVIII веке начинается разработка проектов мостов из чугуна. Первый мост построен в Англии через р. Северн с пролетом
В. Когда началось сравнительно массовое применение МК?
От. Это произошло в XIX веке в связи с массовым производством чугуна, а затем стали. Важную роль играл вид соединения. В это время использовались болты, а затем заклепки. Об успехах МК свидетельствует строительство знаменитой Эйфелевой башни в Париже в
В. Какую роль сыграли МК в период после первой мировой войны?
От. в СССР эта роль была связана с индустриализацией страны, повсеместным строительством производственных зданий для тяжелой промышленности, новых мостов и других сооружений.
В зарубежной практике — это строительство многоэтажных зданий (рекорд в те годы —небоскреб- Эмпайр-Стэйт Билдинг в Нью-Йорке, построенный в
В. Какое значение имела сварка для МК?
От. Сварка металлов электродугой угольного электрода, изобретенная русским инженером Николаем Николаевичем Бенардосом A882 г.), а затем Николаем Гавриловичем Славяновым A888 г.), усовершенствованная многими учеными и инженерами, имела колоссальное значение для развития МК. Особая роль принадлежит автоматической сварке, вклад в развитие которой в нашей стране внес академик АН Украины Евгений Оскарович Патон.
Сварка позволила сократить расход стали, повысить производительность труда при изготовлении, создать новые конструктивные формы.
В. Как развивались МК в последующие годы до наших дней?
От. Создана целая отрасль строительной индустрии — отрасль металлостроительства. В области проектирования были созданы проектные и научно-исследовательские институты — ЦНИИпроектстальконструкция имени акад. Н. П. Мельникова, ЦНИИ строительных конструкций, УкрНИИпроектстальконстструкция, Ленпроектстальконструнция, Сибпроектстальконструкция и другие.
Изготовление осуществляется более чем на 60-ти специализированных заводах МК, в том числе легких МК. Монтаж осуществляется специализированными монтажными организациями. Трудно перечислить отрасли народного хозяйства, в развитии которых не сыграли роль МК, начиная от мощных металлургических цехов, атомных электростанций, трубопроводов больших диаметров, объектов космической техники н многих других.
В. Кто из отечественных ученых внес особый вклад в развитие МК?
От. История развития МК в России навсегда связана с именами почетного академика Владимира Григорьевича Шухова, но проектам которого построены уникальные для своего времени сооружения, профессоров Станислава Валериановича Кербедза, Дмитрия Ивановича Журавского, Николая Аполлоновича Белелюбского, Лавра Дмитриевича Проскурякова, внесших колоссальный вклад в отечественное мостостроение.
В советское время большой вклад в развитие МК внесли чл.-кор. АН Николай Станиславович Стрелецкий — один из авторов теории расчета МК по предельным состояниям и теории конструктивных форм, академик Николай Прокофьевич Мельников — крупный организатор в области металлостроительства и применения МК в космической технике и атомной промышленности, проф. Евгений Иванович Беленя — один из пионеров в области предварительного напряжения МК, проф. Александр Григорьевич Соколов — крупный специалист в области высотных инженерных сооружений, инженер Глеб Дмитриевич Попов — автор многих уникальных мостов и многие другие. В подготовку инженеров-металлостроителей и в развитие науки существенный вклад внесли кафедры металлических конструкций МИСИ, С.-Пб. ИСИ, НИСИ, КИСИ, ДИСИ, МакИСИ, УПИ, ЧПИ и других вузов.
Неоценимый вклад в развитие металлических конструкций (.прежде всего мостов) и теории их расчета внесли зарубежные ученые и инженеры Ф. Блейх, А. Велер, Э. Винклер, Г. Гербер, А. Дюло, Т. Карман, К. Клеппель, Е. Мелан, О. Мор, Г. Мюллер-Бреслау, Л. Навье, А. Полонсо, Е. Хвалла, А. Феппль, И. Шведлер, А. Эйфель, Ф. Энгессер и другие.
...