Беленя - Металлические конструкции

Глава I

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

В РОССИИ и СССР

Понятие «металлические конструкции» объединяет в себе их  конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного 1озяйства, а с другой —  возможностями технической базы: развитием металлургии,  металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений  история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.

Первый период (от XII до начала XVII в.) характеризуется  применением металла в уникальных по тому-времени сооружениях (дворцах, церквах и т. п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на  штырях. Одной из первых таких конструкций являются затяжки  Успенского собора во Владимире A158 г.).

Второй период (от начала XVII до конца XVIII в.) связан с  применением наслонных металлических стропил и пространственных  купольных конструкций («корзинок») глав церквей (рис. 1.1). Стержни  конструкции выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытие пролетом 18 м над  трапезной Троице-Сергиевого монастыря в Загорске A696—1698 гг.),  перекрытие старого Кремлевского дворца в Москве A640 г.), каркас купола колокольни Ивана Великого A603 г.), каркас купола  Казанского собора в Ленинграде пролетом 15 м A805 г.) и др. По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок над коридором между притворами храма Василия Блаженного A560 г.)* (рис. 1.2). Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней,  работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Затяжки, поддерживающие потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Поражает, что уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, а подкосы,  работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Третий период (от начала XVIII до середины XIX в.) связан с  освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся  чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается  перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале A725 г.). В 1784 г. в Петер-бурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные  конструкции достигли в России к середине XIX столетия. Уникальной  чугунной конструкцией 1840-х гг. является купол Исаакиевского собора (рис. 1.3), собранный из отдельных косяков 8 виде сплошной оболочки. Конструкция купола состоит из верхней конической части, поддерживающей каменный барабан, венчающий собор, и нижней более пологой части. Наружная оболочка купола при помощи легкого железного  каркаса опирается на чугунную конструкцию.

Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии  Александрийского театра в Петербурге A827—1832 гг.). в 1850-х гг. в Петербурге был построен Николаевский мосте восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным  чугунным мостом мира. В этот же период наслонные стропила постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы (рис. 1.4). залом В фермах сначала не было раскосов (рис 1.4, а), они появились в конце рассматриваемого периода (рис. 1.4, б). Сжатые стержни ферм часто выполняли из чугуна, а растянутые — из железа. В узлах  элементы соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничивало конструктивную  форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были поняты и стержни  уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой  нагретых полос.

Четвертый период (с 30-х гг. XIX в. до 20-х гг. XX в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех* областях техники того  времени и, в частности, в металлургии и металлообработке. В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным — пудлингованием, а в конце 80-х гг. — выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конверторных печах. Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышленности. В 1840-х гг. был освоен процесс получения  профильного металла и прокатного листа, в 1830-х гг. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса. В течение ста последних лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными. Сталь почти полиостью вытеснила из строительных  конструкций чугун, будучи материалом более совершенным по своим  свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше  поддающимся контролю и механической обработке. Чугунные конструкции после середины XIX г. применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных  дебаркадеров и т. п., где могла быть полностью использована хорошая  сопротивляемость чугуна сжатию.

В России до конца XIX в. промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы (рис. J.5). Конструктивная форма этих ферм постепенно  совершенствовалась; решетка получила завершение с появлением раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными при помощи фасонок. В конце прошлого столетия применялись решетчатые каркасы рамно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов. Примерами являются покрытия Сенного рынка в Петербурге A884 г.) пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м A891 г.), покрытие Гатчинского вокзала A890 г.) и др. Наибольшего совершенства рамно-арочная конструкция достигла в покрытии дебаркадера Киевского вокзала (рис. 1.6), построенного по проекту В. Г. Шухова A913—1914 гг.).

В конструкциях этих сооружений хорошо проработаны компоновочная схема, опорные закрепления и узловые заклепочные соединения. Во второй половине XIX в. значительное развитие в нашей стране получило металлическое мостостроение в связи с ростом сети железных дорог. На строительстве мостов развивалась конструктивная форма металлических конструкций совершенствовалась теория компоновки и расчета, технология изготовления и монтажа. Принципы  проектирования, разработанные в мостостроении, были перенесены затем на  промышленные и гражданские объекты. Основателями русской школы мостостроения являются известные инженеры и профессора: С. В. Кербедз, Н. А. Белелюбский, Л. Д. Проскуряков. С. В. Кербедз A810—1899 гг.), инженер-строитель, построил первый в России железный мост с решетчатыми фермами через р. Лугу A853 г.). Он же является автором самого крупного чугунного моста в Петербурге. Проф. Н. А. Белелюбский A845—1922 гг.), мостостроитель и  ученый, впервые применил раскосную решетку для мостовых ферм (рис. 1.7), разработал первый в России метрический сортамент  прокатных профилей, усовершенствовал методику испытаний строительных материалов написал первый систематизированный курс по  строительной механике. проф. Л. Д. Проскуряков A858—1926 гг.) ввел в мостовые фермы треугольную и шпренгельную решетки и разработал теорию о  наивыгоднейшем очертании фермы. За проект Енисейского моста на  Парижской Выставке A900 г.) Л. Д. Проскуряков был удостоен золотой  медали.

Большой вклад с дальнейшее развитие металлического  строительства в конце XIX и в начале XX в. и распространение опыта,  накопленного в мостостроении, на металлические конструкции гражданских и промышленных зданий внесли Ф. С. Ясинский, В. Г. Шухов и И. П. Прокофьев. В этот период развитие металлургии,  машиностроения и других отраслей тяжелой промышленности внесло качественное изменение в технологию производства и потребовало оборудования  зданий мостовыми кранами. Первое время их устанавливали на эстакадах (рис. 1.8), однако это загромождало помещение. С увеличением  грузоподъемности мостовых кранов и насыщенности ими производства, а также с увеличением высоты и ширины пролётов помещений стало целесообразным строить здания с металлическим каркасом,  поддерживающим как ограждающие конструкции, так и пути для мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис. 1.9), включающая в себя колонны и ригели (стропильные фермы)- Проф. Ф. С. Ясинский A858—1899 гг.) первым запроектировал  многопролетное промышленное здание с металлическими колоннами между пролетами и разработал большепролетные складчатые и консольные конструкции покрытий. Он же внес значительный вклад в расчет  сжатых стержней на продольный изгиб, работающих в упругопластической зоне деформирования стали.

Исключительно плодотворной и разносторонней была деятельность почетного академика В. Г. Шухова A853—1939 гг.). Он первым в  мировой практике разработал и строил пространственные решетчатые конструкции покрытий и башен различного назначения («башня  Шухова»), использовав для них линейчатые поверхности (рис. 1.10). В  построенных им сооружениях реализованы идеи предварительного  напряжения конструкций и возведения покрытий в виде висячих систем с эффективным использованием работы металла на растяжение (рис. 1.11). Этими проектами В. Г. Шухов намного опередил своих современников и предугадал будущие направления в развитии  металлических конструкций, закрепив тем самым приоритет нашей страны.

Особенно значительна его теоретическая и практическая работа в области резервуаростроения и других листовых конструкций. В. Г.  Шухов разработал новые конструктивные формы резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных параметров.

Проф. И. П. Прокофьев A877—1958 гг.), используя накопленный опыт, опубликовал первую монографию по изготовлению и монтажу  металлических мостов и запроектировал ряд уникальных по тому времени большепролетных покрытий (Мурманские и Перовские мастерские Московско-Казанской ж. д., Московский почтамт, дебаркадер  Казанского вокзала в Москве).

Пятый период (послереволюционный) развития металлических  конструкций в нашей стране начинается с первой пятилетки (конец20-х гг.), когда молодое  социалистическое государство приступило к  осуществлению широкой  программы индустриализации страны. К концу 40-х гг.  клепаные конструкции  почти полностью были  заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными.

Развитие металлургии уже в 30-х гг. позволило применять в  металлических конструкциях  вместо обычной малоуглеродистой стали более  прочную низколегированную сталь [сталь кремнистую для ж.-д. моста через р. Ципу (Закавказье) и сталь ДС для Дворца Советов и москворецких мостов], а в середине столетия номенклатура применяемых в строительстве низколегированных и высокопрочных  сталей значительно расширилась, что позволило существенно облегчить массу конструкций и создать сооружения больших размеров. Кроме  стали й металлических конструкциях начали использовать алюминиевые сплавы, объемная масса которых почти втрое меньше.

В мощную отрасль индустрии выросла производственная база  металлических конструкций. Заводы и специализированные монтажные организации, оснащенные современным высокопроизводительным  оборудованием, объединены в одну систему (Главстальконструкция),  выполняющую основной объем строительства металлических конструкций. Объем металлических конструкций за этот период A930—1970 гг.)  увеличился более чем в 20 раз (рис. 1.12). Чрезвычайно расширились  номенклатура металлических конструкций и разнообразие их  конструктивных форм. Этот резкий количественный и качественный подъем металлических конструкций был вызван развитием всех ведущих  отраслей народного хозяйства, грандиозным размахом промышленного и гражданского строительства.

В условиях социалистического государства большие и  многообразные задачи по развитию металлических конструкций решались  усилиями проектных, научных и производственных коллективов. Особенно велика роль проектных трестов — Проектстальконструкция (ЦНИИпроектстальконструкция) и Промстройпроект, научных институтов — Всесоюзного института сооружений, реорганизованного в Центральный институт строительных конструкций (ЦНИИСК), а также вузовских коллективов.

Принцип совместной работы проектных и научных коллективов был закреплен преобразованием Проектстальконструкции в ЦНИИпроектстальконструкцию — ведущую организацию по проектированию и  научным исследованиям в области металлических конструкций. В начале 30-х гг. стала оформляться .советская школа  проектирования металлических конструкций. В связи с развитием металлургии и машиностроения строилось много промышленных зданий с  металлическим каркасом. Стальные каркасы промышленных зданий оказались ведущей конструктивной формой металлических конструкций,  определяющей общее направление их развития. Советская школа постепенно отходила от европейских схем' компоновки поперечных рам каркаса, характерных стремлением приблизить конструктивную схему к  расчетным предпосылкам, введением большого числа шарниров, что  усложняло монтаж и изготовление конструкций (рис. 1.13). Такие схемы не отвечали требованиям эксплуатации в отношении поперечной жесткости зданий в связи с увеличением размеров пролетов, высоты, и главное грузоподъемности и интенсивности движения мостовых кранов. Требованиям эксплуатации и высоких темпов строительства в  лучшей степени отвечали сложившиеся к тому времени схемы  конструирования поперечных рам с жестким сопряжением колонн с фундаментами и ригелями. Советские проектировщики взяли за основу эти схемы и улучшили их аналитическим определением оптимальных геометрических соотношений элементов рамы, схемы решеток и т. п. (рис. 1.14).

Аналитические изыскания оптимальных компоновочных схем и  геометрических размеров элементов сечений стали характерной чертой  развития всех видов металлических конструкций в Советском Союзе. Такой подход позволил совместно решать задачи снижения трудоемкости  изготовления конструкций с экономичной затратой стали и скоростным монтажом. Принцип комплексного решения задач при изыскании  оптимальной конструктивной формы металлических конструкций стал  основным для советской школы проектирования. Другой характерной чертой развития металлических конструкций, способствующей решению поставленных задач, стала типизация  конструктивных схем и элементов. Большой объем строительства и  связанная с ним повторяемость конструкций создали предпосылки для  разработки типовых схем и конструктивных решений каркасов  промышленных зданий.

В 1939 г. Промстройпроектом были разработаны типовые секции одноэтажных промышленных зданий со стальным каркасом (рис. 1.15). Типовые секции включали объемно-планировочные решения для  различных пролетов, типовые конструктивные схемы компоновки каркаса и типовые решения конструктивных элементов (ферм, колонн,  подкрановых балок и т. п.). Впервые был введен трехметровый модуль  пролетов, который затем (в 50-х гг.) был заменен шестиметровым. Эти  типовые секции стимулировали дальнейшее развитие типизации. Были типизированы здания отдельных видов производств (мартеновские цехи, прокатные и т. п.); типизация распространилась на пролетные строения мостов, резервуары, газгольдеры, радиобашни, радиомачты.

Типизация, а затем унификация и стандартизация стали одним из  главных направлении развития металлических конструкций; это снижало трудоемкость конструкции и благодаря упорядочению проектирования уменьшало расход стали. 

В годы Великой Отечественной войны 1941—1945 rt., несмотря на временную потерю южной металлургической базы и большой расход металла на нужды войны, в промышленном строительстве и  мостостроении па Урале и в Сибири широко использовались металлические  конструкции. Они лучше других конструкций отвечали основной задаче военного времени — скоростному строительству. В соответствии с этим требованием упрощалась конструктивная форма благодаря более широкому применению сплошных конструкций из крупных прокатных профилей.

Этот же подход к проектированию сохранился и в период  восстановления разрушенных во время войны объектов промышленности,  транспорта и других первоочередных сооружений. В 50-х и 60-х гг. строительство металлических конструкций  развивалось с соблюдением основных принципов советской школы  проектирования, установленных еще в довоенный период: экономия стали, упрощение изготовления, ускорение монтажа. Для этих лет  характерным является применение стали в сооружениях больших размеров с тяжелыми технологическими нагрузками.

Большое развитие получили листовые конструкции (в связи с  развитием нефтяной, газовой, химической и металлургической промышленности), высотные сооружения связи (рис. 1.16), электропередачи, а также конструкции общественных зданий (рис. 1.17). Наряду с  основной задачей экономии материала успешно решались проблемы  индустриализации строительства.

Практически все конструкции стали сварными. Изготовление  листовых конструкций стало преимущественно заводским. Габаритные  листовые конструкции изготовляют полностью в специализированных  заводских цехах, а негабаритные сваривают на заводах в крупные полотнища и в рулонах перевозят; на строительстве рулоны разворачивают и  компонуют в сооружения с минимальным числом монтажных швов. Из общественных сооружений выделяются павильоны Советского Союза на международных выставках в Брюсселе (рис. 1.20) A958 г.) и Монреале A967 г.) (рис. 1.18), павильон «Космос» на ВДНХ в Москве (рис. 1.17), перекрытие Дворца спорта в Лужниках (рис. XVII.3, а) и др.