Металлоконструкции

УДК 624.014(075.8)
ББК 30.4
В19

Р е ц е н з е н т ы:

доцент Е.И. Лихачева, кандидат технических наук С.В. Синаторов

Васильева, Т.В.
Металлоконструкции : учебное пособие / Т.В. Васильева. – М. : АльфаМ : ИНФРАМ, 2011. – 336 с. : ил.

ISBN 9785982812261 («АльфаМ»)
ISBN 978516036267 («ИНФРАМ»)

Приводятся основные понятия металлических конструкций. Рассматриваются их основные элементы, конструкции одноэтажных производственных зданий, большепролетных и многоэтажных каркасных зданий. Излагаются основы экономики металлоконструкций.
Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальностям «Изготовление металлических конструкций» и «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».

УДК 624.014(075.8)
ББК 30.4

© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2011

В19

ISBN 9785982812261 («АльфаМ»)
ISBN 9785160036267 («ИНФРАМ»)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное развитие строительства требует
применения экономичных, легких, долговечных, эстетически
выразительных, надежных строительных конструкций. В определенной степени этому отвечают металлические конструкции. Они изготовляются из относительно легкого, прочного,
плотного материала – стали. Причем для различных видов
конструкций или их наиболее нагруженных элементов могут
применяться стали с высоким расчетным сопротивлением.
Металлические конструкции благодаря своим высоким
техникоэкономическим качествам применяются во всех отраслях народного хозяйства. Широкое использование в строительстве металлических конструкций позволяет проектировать сборные элементы зданий и сооружений сравнительно
малой массы, организовывать поточное производство конструкций на заводах и поточноблочный монтаж их на строительной площадке, ускорять ввод объектов в эксплуатацию.
Проектирование экономически эффективных металлических конструкций основывается на знании особенностей их
работы под нагрузкой, правильном выборе конструктивных
форм, использовании типовых и унифицированных решений
и соответствующем расчете.
Работы отечественных и зарубежных ученых, а также опыт
технически развитых стран указывают на значительные возможности повышения техникоэкономических показателей металлических конструкций более широким внедрением в строительство конструкций из низколегированных и высокопрочных сталей с применением эффективных профилей проката.
Содержание настоящего учебного пособия полностью соответствует государственному образовательному стандарту
среднего профессионального образования по специальностям
270108 «Изготовление металлических конструкций» и 270103
«Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».
Каждая глава снабжена вопросами для самопроверки.
В конце книги приведен словарь терминов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ

§ 1.1. История развития металлических
конструкций

Металлические конструкции характеризуются
высокой несущей способностью, обеспечивающей восприятие
значительных нагрузок при сравнительно небольшой собственной массе, надежностью работы при различных видах напряженного состояния и агрессивных эксплуатационных средах, значительной универсальностью с точки зрения создания
различных конструктивных форм плоских и пространственных систем.
Металл – один из самых старых и распространенных искусственных строительных материалов. Уже в V в. до н.э. были известны простейшие сооружения из железа. Однако применение металла в строительных конструкциях началось сравнительно недавно – после получения в 1784 г. Г. Кортом (Англия)
малоуглеродистого пудлингового железа. За короткий период
были разработаны основные способы промышленного производства литой стали: бессемеровский (1855), мартеновский
(1867), томасовский (1878). С их внедрением начало развиваться прокатное производство стальных профилей – угловых, тавровых, зетовых и двутавровых.
В начале 1790х гг. в Англии появились первые многоэтажные здания фабрик с внутренними чугунными колоннами, на
которые опирались балки перекрытий. Это был важный шаг к
формированию принципиально новой конструкции здания –
каркасной. Наружные стены обычно возводились из кирпича,
хотя оконные проемы нередко перекрывали металлическими
балкамиперемычками. Междуэтажные перекрытия, опиравшиеся на наружные кирпичные стены и внутренние чугунные

колонны, сначала делали из деревянных балок, но уже с конца
1790х гг. стали применять и металлические балки.
Металлические конструкции не только повышали прочность, долговечность и огнестойкость фабричных зданий. Они
позволяли более рационально использовать их внутренний
объем, так как тонкие чугунные колонны занимали гораздо
меньше места, чем кирпичные столбы, и позволяли легко монтировать к ним технологическое оборудование.
В первые десятилетия XIX в. фабричные здания с внутренним металлическим каркасом получили в Англии повсеместное
распространение. Конструкции такого типа начали применять
и русские зодчие. Так, новаторская каркасная конструкция была применена в здании льнопрядильни Александровской мануфактуры (по проекту инженера А.Я. Вильсона), послужив образцом для целого ряда фабричных зданий, возведенных в Петербурге в 1830х гг.
В 1840–1850е гг. в Петербурге появилось уже несколько
десятков фабричных зданий каркасностеновой конструкции.
Каркасностеновая конструкция применялась в середине XIX в.
в двух вариантах. В одних случаях на чугунные колонны опирались деревянные балки, в других – более прочные и надежные,
но зато и более дорогие металлические балки. Пролеты между
металлическими балками перекрывали либо деревянным настилом, либо сводиками из кирпича. Конструкция многоэтажного здания с внутренним каркасом из чугунных колонн, железных балок и заполняющих пространство между ними кирпичных сводиков была наиболее надежной и долговечной.
Немало зданий такого типа, построенных в середине XIX в.,
продолжает функционировать и в наши дни.
Начиная с 1830х гг. пролеты одноэтажных корпусов промышленных зданий стали перекрывать не только деревянными,
но и железными стропильными фермами, более долговечными
и надежными в противопожарном отношении. Железные покрытия были особенно распространены на сталелитейных, металлообрабатывающих и механических заводах, где они нередко выполнялись силами самих предприятий.
Среди производственных зданий с металлическими покрытиями, возведенных во второй трети XIX в., следует особо отметить большой судостроительный эллинг Нового адмирал§ 1.1. История развития металлических конструкций
7

тейства, построенный в 1833–1838 гг. у самого берега Невы.
Его стены были сложены из кирпича, а пролет между ними,
равный 26 м, был перекрыт железными решетчатыми арками.
Это здание открыло новый этап в развитии конструкций промышленных зданий с большими пролетами. Сооружение, отличавшееся высоким для своего времени техническим совершенством, исправно прослужило почти 120 лет и было разобрано только в 1950 г.
Бурное развитие сварных металлических конструкций и возрастающие объемы строительства позволили уже в 1930е гг.
разработать типовые балки и фермы с унифицированным трехметровым модулем. Широкое применение в истории Первой и
Второй мировых войн и последующие годы нашли металлические заграждения из колючей проволоки. Вообще колючая проволока как элемент периметра германских фортов была использована в качестве заграждений примерно в 1870 г.
В послевоенный период металлические конструкции применялись главным образом при возведении резервуаров, газгольдеров, доменных печей, мачт линий электропередачи, радиомачт, телевизионных башен, телескопов, проволочных заграждений, в которых применение других материалов было
практически невозможно или экономически нецелесообразно.
В течение 1950–1960х гг. мировая практика накопила огромный опыт в развитии современных металлических конструкций. Были разработаны конструкции в виде традиционных
балок, ферм и колонн для одноэтажных и малоэтажных промышленных и гражданских зданий, а также новые виды эффективных конструкций – предварительно напряженные фермы и балки, перекрестностержневые конструкции, вантовые
и мембранные конструкции, сетчатые купола, своды и проч.
Областью строительной деятельности, в которой переход к
применению металлических конструкций сыграл исключительно важную роль, были проектирование и строительство
промышленных зданий. Наибольшее применение в промышленных и гражданских зданиях и сооружениях находят стержневые системы с жесткими элементами, хорошо работающими
на растяжение, сжатие и изгиб. Более половины всей стали,
применяемой в строительстве, используется в одноэтажных
промышленных зданиях, состоящих из одноили многопро8
Глава 1. Основные понятия металлических конструкций

летных поперечных рам, в зданиях, строящихся в районах с
расчетной сейсмичностью 8–9 баллов или испытывающих
большие динамические нагрузки на технологическое оборудование, в зданиях, возводимых в труднодоступных районах.
Применение стержневых металлических конструкций экономически выгодно в большепролетных зальных покрытиях
преимущественно для зданий общественного назначения. Металлические каркасы применяются в высотных гражданских
зданиях с числом этажей не менее 20, а также в промышленных
зданиях.
Алюминиевые конструкции наравне со стальными применяются практически во всех областях строительства в виде несущих сварных конструкций – ферм, колонн, прогонов покрытий, висячих конструкций, сборноразборных каркасов
зданий и проч. Однако ввиду высокой стоимости, меньшей,
чем у стали, жесткости и низкой огнестойкости их применение
в современном строительстве ограниченно.

§ 1.2. Область применения и номенклатура
металлических конструкций

Сегодня металлические конструкции широко
применяются в зданиях и инженерных сооружениях, имеющих
значительные пролеты, высоту и нагрузку. Потребность в металлических конструкциях постоянно растет, что диктует необходимость в увеличении объемов производства стали в стране, строительства заводов по производству металлоконструкций, создания специализированных монтажных организаций,
оснащения их современной техникой, организации специализированных проектных и исследовательских институтов.
Металлические конструкции подразделяются в зависимости
от их конструктивной формы и назначения на восемь видов.
1. Промышленные здания. Одноэтажные промышленные здания
имеют конструкцию в виде цельнометаллических и смешанных каркасов. В них устанавливают металлоконструкции покрытия здания и подкрановые пути. В зданиях с большими
пролетами и высотой, оборудованных мостовыми кранами

§ 1.2. Область применения и номенклатура конструкций
9

большой грузоподъемности, применяются в основном цельнометаллические каркасы, представляющие собой сложные и
металлоемкие конструктивные комплексы.
2. Большепролетные покрытия зданий. Большие пролеты (100–
150 м) характерны для зданий общественного назначения
(рынки, спортивные сооружения, выставочные павильоны,
театры), отвечающих высоким эстетическим требованиям, и
отдельных производственных зданий (лаборатории, авиасборочные цеха, ангары). Для их перекрытия наиболее целесообразно использовать металлические конструкции. Большепролетные покрытия имеют разнообразные конструктивные
формы (рамные, балочные, арочные, висячие), а также комбинированные плоские и пространственные конструктивные
системы.
3. Мосты, эстакады. При больших и средних пролетах на автомобильных и железнодорожных магистралях применяют мостовые металлоконструкции. Мосты, так же как и большепролетные покрытия, имеют разнообразные системы – висячую, балочную, арочную, комбинированную.
4. Листовые конструкции представляют собой тонкостенные оболочки различных форм и выполняются в виде газгольдеров,
резервуаров, бункеров, различных сооружений химического
производства, нефтепереработки. Данные конструкции должны быть прочными и плотными (непроницаемыми). Их часто
применяют в условиях низких и высоких температур. Этим условиям хорошо удовлетворяют сталь и алюминиевые сплавы.
5. Башни и мачты применяют в геодезии, для радио и телевидения, в опорах линий электропередачи, надшахтных копрах,
дымовых и вентиляционных трубах, нефтяных вышках и промышленных этажерках. Выполнение этих конструкций из стали придает им необходимую легкость, обеспечивает удобство
транспортирования и быстроту монтажа.
6. Каркасы многоэтажных зданий из металла применяют в основном в гражданском строительстве при плотной застройке
больших городов, а также для некоторых типов промышленных зданий.
7. Крановые и другие подвижные конструкции мостовых, козловых,
башенных и крановперегружателей, конструкции крупных
экскаваторов и различных строительных машин, ворота и за10
Глава 1. Основные понятия металлических конструкций