МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДА РСГВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ



МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ водного ТРАНСПОРТА



xix

УДК 627.21:656.615

     Румянцева И.А. Металлические конструкции, включая сварку. Учебное пособие. М.: Изд-во «Альтаир», МГАВТ, 2005., стр. 178.

     Учебное пособие включает общий курс по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку», читаемый студентам специальности 2904 «Гидротехническое строительство». Рассмотрены эволюция развития металлоконструкций, виды и характеристики, прокат, нагрузки, методы расчета, соединения, конструкции. Даны основы проектирования и расчета балочных конструкций, ферм, составных сжатых элементов. Кратко описаны конструкции гидротехнических сооружений: затворов.

Рецензенты:

Издается по решению Учебно-методического совета МГАВТ протокол № от

Протокол заседания кафедры «Водные пути и порты» №      от

Ответственность за оформление н содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедры, выпускающие учебно-методические материалы.

МГАВТ, 2005


Автор____, 2005


       Содержание

Содержание....................................................................3
Введение......................................................................6
Глаза 1. Основные этапы развит ия металлоконструкций..........................1 >
1.1.  Эволюция применения металла:........................................... 15
1.2.  Область применения металлических конструкций.................■.........19
1.3.  Достоинства металлоконструкций.........................................  25
1.4.  Недостатки.............................................................  26
1.5.  Требования, учитывающиеся при проектировании........................... 26
1.6.  Организация проектирования......................... ...................26
I 'j шва 2. Материалы для ме ; ил л и чсск и х коне трук пик..............   2S
2.1.  Классификация стали....................................................28
2.1.1.  По химическому составу............................................   28
2.1.2.  Но степени раскисления............................................   29
2.1.3.  По механическим свойствам........................................ —• 30
2.1.4.  По видам поставки....................................................31
2.1.5.  По груш гам поставки.................................................31
2.1.6.  По способу выплавки..................................................31
2.1.7.  Категории стальных конструкций.......................................31
2.2.  Обозначения стали......................................................32
2.2.1.  Классы...............................................................32
2.2.2.  Марки стали..........................................................33
Глава 3. Металлические конструкции и механическое оборудование в гидротехнических сооружениях..................................................................35
3.1.  Общие сведения о металлических конструкциях и оборудовании в гидротехнических сооружениях..................................................................35
3.2.  Классификация затворов.................................................Зо
3.3.  Выбор сталей для специальных металлических конструкций гидросооружений.39
3.4.  Нагрузки и воздействия на затворы..................................... 4!
3.5.  Нагрузки и воздействия на механизмы для маневрирования затворами.......42
Г лава 4. Свойства материалов металлических конструкций......................46
4.1.  Механические свойс: на.................................................46
4.2.  Влияние температуры на свойства стали..................................48
4.3.  Технологические свойства стали........................................ 49
4.4.  Эксплуатационные свойства стали....................................... 49
4.4.1.  Коррозия..........................................................   49
4.4.2.  Виды коррозии:...................................................... 50
4.4.3.  Способы защиты от коррозии...........................................50
Глава 5. Сортамент.........................................................  52
5.1.  Листовая сталь.......................................................  52
5.2.  Сталь профильная.......................................................53
5.2.1.  Сортовая сталь:..................................................... 53
5.2.2.  Фасонная:............................................................53
5.2.3.  Вторичные профили....................................................55
Глава 6. Нагрузки и воздействия............................................. 56
6.1. Классификация нагрузок и воздейст вий...................................56
' 6.2. Нормативные нагрузки................................................. 57
6.3. Коэффициент надёжности по нагрузке yf...................................59
■ 6.4. Расчетные нагрузки....................................................59
б 5. Коэффициент сочетания нагрузок у........................................59
6.6.  Коэффициент условия работы ус и коэффициент надёжности по ответственности уп .... 60
6.7.  Нормативные н расчётные сопротивления материалов.......................60

3

6.8.  Общие положения расчета и конструирования металлических конструкций гидросооружений................................................................61
<£дана ^3 Методы расчета...............................  -........-.........-..63
7.1.  Метод ргсчета по допускаемым напряжениям™................................63
7.2.  Метод расчета ко разрушающим нагрузкам...............................    64
7.3.  Расчет го предельным состояниям..........................................64
Глава 8. Расчет металлических конструкций..............................-.......66
8.1.  Центрально растянутые элементы.......... ..............................  66
8.1.1.  Порядск расчета центрально растянутых элементов......................  66
8.2.  Расчет виецентренно растянутых элементов...............................  67
8.3.  Ценгрально сжатые элементы.............................................  68
8.4.  Виецентренно сжатые элементы.............................................71
8.4.1.  Общая устойчивость в плоскости действия момента....................    72
8.5.  Изгибаемые элементы...................._.......-.........................73
8.5.1.  Расчет на прочность.-......................_........................-..73
8.5.2.  Расчет общей устойчивости........................................      75
S.6. Расчет го второй группе предельных состояний..............................76
Глава 9. Соединения металлических конструкций............................      77
9.1.  Сварные соединения........................   _...........................77
9.1.1.  Дефекты сварных швов....................................  -............77
9.1.3.  Методь контроля качества сварных соединений...-...........™........... 83
9.1.3.  Ручная элсктродуговая сварка.......................................    86
9.1.4.  Автоматическая сварка................................................. 87
9.1.5.  Пилуастематическая сварка под флюсом.....>..........................   88
9.1.6.  Снарка в среде защитного газа.......................................   88
9.1.7.  Типы электродов................  >..............................      .88
9.1.8.  1 !одводная сварка.................  ..............................    89
9.1.9.  Типы сварных соединений................................................93
9.1.10.  Классификация сварных швов.........................................   94
9.1.11.  Работ 1 и расчет сварных соединений.............................      99
9.1.12.  Расчет стыковых сварных швов -.....................................>..99
9.1.13.  Работа угловых сварных швов...............-..............—>..........101
9.1.14.  Расче угловых сварных швов...........................    >.........  104
9.1.15.  Конструктивные требования к сварным соединениям....................  107
9.1.6.  Особенности сварки конструкций из алюминиевых сплавов.................109
9.2.  Заклепочные и болтовые соединения.....................................  -   109
9.2.1.  Обычн не боты........................................................ 109
9.2.2.  Самой;.резающие болты.........-............................. >___________ 111
9.2.3.  Заклспсп.........-..................................................  111
9.2.4.  Расчет болтовых соединений.............................................112
1.   Работа и ртечет 112 сдвиг при деис: вйи статической нагрузки.™.......™................. 112
9.2.5.  Расчет болтов на растяжение...........................................115
9.2.6.  Высокопрочные болты............................................       116
9    2.7. 1 Проверка прочности соединений на высокопрочных ботах.....>........118
9.2.8. Конструктивные требования к болтовым и так мелочным соединениям........118
Глава 10. Фе )мы..........................................................    120
10.1.  Классификация ферм.......................................  ™............   120
10.2.  Типы поперечных сечений легких ферм................................    121
103.   Связи между фермами.............................................       121
10.4.  I кжрытия зданий по стропильным фермам...............................  122
10   4.1. Покрытия с прогонами................................................123
10.4.  2. Беспрэгонш.1е покрытия..........................................    123
10.4.  3. Прогены кровли..................................................    124
10.5. Расчет ферм......................................................-......125

4

10.5.1. Конструирование и расчет узлов.........................................127
10.5.2. Заводской стык....-..........-..................................-......130
10.5.3. Монтажные стыки........................................................134
10.5.4. Опорные узлы.....................................................      135
Глава 11. Балочные конструкции.................................................139
11.1.  Классификация балок..............................................       139
П.2. Балочная клетка..................................................  -......141
11.3.  Сопряжение балок по высоте..............................................14!
11.4  Плоский стальной настил балочных клеток..................................142
11.4.1.  Расчет иастила при — -< 50............................................142
                        3
11.5.  Проектирование балок................................................    145
11.5.1. Прокатные балки........................................................145
11.5.2. Составные балки™.......................................................146
11.6.  Изменение сечения составной балки по длине............................  149
11.6.1. Первый способ изменения попсреч) юго сечения...........................150
11.6.2. Втором способ изменения поперечною сечения....................  -......150
11.6.3. Пример расчета..........................................-..............151
11.7.  Местная устойчивость элементов составных балок..........................154
11.7.1. Потеря местной устойчивости сжатой полки.............>.......-.........• >•;
11.7.2. Потеря местной устойчивости сгеики.....................................155
11.7.2.1. Потеря местной устойчивости стенки от действия касательных напряжений.....155
11.7.2.2. Потеря местной устойчивости стенки от действия нормальных сжимающих напряжениях........>............................................................... 156
11.7.3. Потеря местной устойчивости стенки от совместного действия нормальных и касательных напряжений.......................................................' S'⁷
11.8.  Конструкция ребер жесткости...........................>.......-.........158
11.9.  Соединение поясов со сi емкой...................................        159
11.10.  Опирание балок на колонну..............................................160
11.11.  Стыки балок..........................................................  16!
11.12.  Расчет балки с перфорированной стенкой....>............................162
Глава 12. Сжатые составные стержни.............................................164
12. 1. Область применении....................................................  164
12.2.  Колонны............>....................................................164
12.2.1  Классификация колоин ..................................................164
12.2.2  . Сплошные колонны................................>....................165
12.3.  Расчет цен грально сжатой колонны...................................    165
12.4.  Расчет внецентренно сжатой сплошной колонны.............................167
12.5.  Расчет сквозного центрально сжатого стержня.............................170
12.5.1. Расчет общей устойчивости..............................................170
12.5.2. Расчст устойчивости ветви............................................  172
12.5.3. Подбор сечения двукветвевого сквозного стержня.........................172
12.6.  Расчет и конструирование соединительной решетки.......................  173
Литература...................................................................  176

     Введение

     Применяемые в строительстве металлические материалы должны обладать высокой прочностью, пластичностью, хорошей свариваемостью, выносливостью, иметь способность улучшать прочностные свойства при термомсханических и химических воздействиях. Металлические материалы делятся на металлы и сплавы. Металлы состоят из одного основного элемента и некоторого количества примесей других элементов. Металлические сплавы получают фи сплавлении или спекании двух или более элементов. В основном в строительстве применяются сплавы.
     Сплавы железа с углеродом (сталь, чугун) называются черными металлами. Сплавы алюминия, меди, титана — цветными. Наиболее часто в металлоконструкциях применяются черные металлы из-за их меньшей стоимости Сырьем для черных металлов служит руды железа, марганца, хрома, цветных металлов - бокситы, сульфидные и карбонатные руды меди, никеля, цинка и т.д. Цветные металлы применяются при возведении уникальных сооружений.
     Впервые металлические материалы в строительных конструкциях применил инженер римской империи времен Траяна и Андриана уроженец Дамаска Аноллодор — строитель форума Трална, моста через Дунай, римского Пантеона и бронзовых стропил в его портике [1, 2]. Первой конструкцией из металла придется назвать уже упоминавшиеся бронзовые стропила в портике римского Пантеона, если исключить сразу же металлические скрепы, полосы древних Египта, Грузии и других стран. В романской и готической архитектуре, в сводах соборов Амьена и Реймса из железа выполнены затяжки. Во флорентийской архитектуре - железные затяжки снабжены еще и затяжными муфтами.
     Новый железный век начался в ХУ11—ХУШ вв., начался, правда, чугунными конструкциями. Чугун - это хрупкий нековкий сплав железа, углерода (свыше 2,14%) , серы, фосфора [3]. В зависимости от вида углерода (грасрит или цементит) в чугуне различают белый и серый чугун. Это связано с цветом чу у на. Путем длительного нагрева (отжига белого чугуна) получают ковкий, серый чугун. Белый чугун используют для передела в сталь. Серый чугун содержит углерод в ииде полностью или частично свободного графита. Он литейный и применяется для получения фасонных отливок.
     В России в 1696г. построено 18-метровое чугунное покрытие нал трапезной Троице-Сергиевой лавры (Загорск). В 1725 г.построено перекрытие из чугунных балок, усиленных понизу железными полосами в дозорной башне Невьянского завода на Урале. Тогда же выполнен 7-метровый мостик по чугунным фермам у доменного цеха Златоуста некого завода. В 1777— 1779гг. построен арочный 30-метровый чугунный мост через реку Северн в Англии (рис.1)[4].

Рис. 1. Чугунный мост через реку Северн (Англия)

     Мост держится на арке длиной 100 футов, высотой 52 фута, шириной 18 футов (фут - 0,3048м). Вес арки составляет 384 тонны. В 1779г. сооружен арочный 72-метровый мост через р. Уир около Вермута.
     Первые чугунные городские мосты в Петербурге из пустотелых клиньев, собирались на болтах в сплошные своды, что было просто, удобно и надежно. Постройкой в 1850г. чугунного Благовещенского (ныне лейтенанта П. П. Шмидта) моста через Неву в Петербурге по проекту С.В. Кербедза был закончен период чугунного мостостроения, представленный 47-ю мостами в различных странах мира.
     Среди других чугунных конструкций мира — на первом меси, уникальный купол Исаакиевского собора, собранный в 1840 1858гг. по проекту О. Монферрана. В 1831г. закончена установка последних трехъярусных стропильных конструкций пролетами 21, 22 и 30м из чугуна и железа над сценой и зрительным: залом Александрийского театра в Петербурге. Проект этого покрытия первоначально едва не был забракован, но осуществлен после испытания специальной комиссией исполненных конструкций на заводе. Каждый член комиссии обязан был выбить на конструкциях после их испытания личное специально изготовленное клеймо.
     Среди зарубежных сооружении нз чугуна и железа на первом месте Хрустальный дворец, построенный в 1851 г. в Лондоне к Всемирной выставке (рис. 2), купол Вашингтонского Капитолия. Хрустальный дворец - одно и-, первых зданий, имеющих металлический каркас.

6

7

Рис. 2. Хрустальный дворец (в 1936г. разрушался в результате пожара)

     На Руси получение железа выполнялось сыродутным способом - в непосредственном его восстановлении из руды в ямных горнах с последующим спеканием, свариванием частиц железа в ком (крицу), состоящую из зерен почти чистого железа и шлаков. При дальнейшей обработке крицы давлением и расковкой зерна железа сваривались, шлак выдавливался, а крица становилась сварочным железом.
     В 1 оследствии появились два способа двухстадийного изготовления железа из чугуна: кричный и доменный. По первому способу сварочное железо получали давлением крицы из чугуна в кричных горнах. По второму --выплавляли в начале в доменных печах чугун. Затем из него варили перемешиванием (пудлингованием) в пламенно-отражательных печах, сварочное железо с последующей прокаткой полученных кусков металла на плющильных машинах.
     Первые Городпщенские заводы кричного сварочного железа были пущены в 1637 г. на р. Тулица. В 1701 г. задуты домны Каменского и Невьянского заводов на Урале. В 1837 г. организовано пудлинговое производство на Воткинском заводе у притока р. Камы речушки Вотки, а потом на Бильском, Выксунском, Унженском, Усть-Катавском, Чермозском и других заводах. Уральское сварочное железо считалось во второй половине ХУ1П в. лучшим е Европе. Поэтому его вывозили на внешний рынок, в первую очередь в Англию.
     Впервые 1785г. во Франции применили сварочное (пудлинговое) железо в конструкции покрытия в виде шпренгельных ферм пролетом 6,5 м. Изобрете ше и использование в 1769г. первых станов для прокатки вначале круглого, квадратного и полосового железа, затем в 1819—1820 гг. таврового и зетового, в 1832 г. рельсового и, наконец, в 1849 г. двутаврового и швеллерного

железных профилей сразу облегчило и расширило применение сварочного железа в конструкциях различных типа и назначения.
     Первой русской, к тому же пространственной пролетной конструкцией из сварочного железа стал 17,7-метровый купол Казанского собора в Петербурге, выполненный в 1811г. из полос 70x15 и 120x15мм по проекту А. Н. Воронихина. Первый зарубежный купол в 13,7м из сварочного железа построен в Майнцском соборе в Германии. В арочиых фермах пролетом 34м над цехом Верхне-Салдинского завода на Урале применено уже уголковое железо, но позднее, в 1830г., построенные решетчатые арочные стропильные фермы эллннга Петербургского судостроительного завода выполнены опять только из полосового и квадратного железа, но зато впервые на заклепках.
     Стропильные железные фермы пролетом 21,3м над Георгиевским залом Зимнего дворца в Петербурге, выполненные в 1837—1838гг. по проекту В. П. Стасова и М. Е. Кларка, впервые были такой же конструкции, какая позднее была названа именем французского инженера Полонсо. Еще интереснее шпренгельные фермы, несущие подвесной потолок того же зала. Они состоят из приподнятого на 30см над горизонталью верхнего пояса, поддерживаемого аркой со стрелой подъема 1,7м и чуть приподнятого нижнего пояса. Между опорами верхнего и нижнего поясов пропущена цепь, в которую упираются стойки, также поддерживающие верхний пояс. Длину этих стоек можно изменять, натягивая цепь и подпирая верхний пояс фермы. Первая в мире пролетная конструкция с регулируемыми в ней усилиями благодаря предварительному либо последующему ее натяжению (рис. 3).


Рис. 3. Покрытие над Георгиевским залом Зимнего Дворца в Петербурге

      Среди более поздних конструкций из железа и стали нельзя не назвать шпиль Петропавловского собора в Петербурге, построенного в 1858г. во проекту Д. Н. Журавского; башню Г’. Эйфеля в Париже и Дворец машин М. Дютера и М. Котансэна там же, сооруженных к 1889г. на Всемирной выставке посвященной 100-летню Французской революции.

     К 1882 г., когда была опубликована первая работа Н.А. Белелюбского, посвященная замене сварочного железа литым, русские заводы выплавили около 410 тыс. т сварочного н 130 тыс. т литого железа, то есть в три раза меньше. Профессор Белелюбский Николай Апполонович (1845-1922) мостостроитель и ученый, заведующий Механической лабораторией Санкт-Петербург зкого института путей сообщения
     Литым железом в те годы называли сталь, которую получали конверторным (по Г. Бессемеру) или мартеновским (по П. Мартену) способом.
     По конверторному способу процесс передела жидкого чугуна в литую сталь ведут продувкой сквозь него в бессемеровском конверторе сжатого воздуха, окисляющего примеси, содержащиеся в чугуне. Мартеновским способом питую сталь получают плавкой шихты из чугуна (стального лома) и. флюсов в пламенных регенеративных (мартеновских) печах. Флюсы, вводимые: для образования шлака, образующаяся при окислении железа его окись, вступают з химическое взаимодействие с вредными примесями и переводят их во всплывающий шлак, а окись железа переходит в железо. После выплавки сталь подзергают пластическим деформациям при высокой температуре, т.е„ прокатке, ковке, штамповке, прессованию для улучшения ее структуры и механических свойств, для придания стальной заготовке требуемой формы изделия.
     Литое железо отличалось от сварочного не только способом передела чугуна, но и химическим составом, в частности более значительным (до 2%) содержанием углерода; более высокими: прочностью, вязкостью, твердостью, упругостью. Сталь — сплав железа с углеродом и основными добавками марганца -i кремния (их обозначают буквами Г и С).
     Возможность переработки чугуна различного состава, переплавки больших количеств скрапа (металлолома), лучшее качество мартеновской стали, определили ее предпочтение по сравнению с бессемеровской. Первые мартеновские печи в России были пущены в 187Сг. А.А. Износковым на Сормовском и в 1871г. В.Е. Холостовым на Воткинском заводах. Широкое применение бессемеровского способа началось в 1872г. на Обуховском сталелитейном заводе при участии выдающегося русского металлурга, профессора Петербургской артиллерийской академии академика Д.К. Чернова (1839— 1 ?21).
     В истории производств? русского конструкционного сварочного и литого (сталь) железа Н. А. Белеяюбскому принадлежит заметное место. Достоинства стали, в тэ время, нуждались в доказательствах как среди инженеров, тем более среди чиновников. Мосты, как весьма сложные и ответственные инженерные сооружения, стали основным доказательством в соревновании сварочного и литого железа. Институт путей сообщения, его механическая лаборатория, ее заведующий Н. А. Белелюбский были арбитрами нового соревнования. В 1882г. он опубликовал статью «Об употреблении литого железа взамен сварочного», в которой рассказал о работах комиссии, обсуждавшей такую замену, о производстве, испытаниях, свойствах литого железа и о технических условиях на него. В 1855г. вышла еще одна его работа «Литое железо. Опасаться ли его и

как должно с ним обращаться». Позднее он публикует еще пять статей, посвященных испытаниям железа и стали.
      Кроме того, комиссия в составе Н.А. Белелюбского, Н.П. Петрова и Д.Н. Чернова опираясь на исследования Механической лаборатории свойств стали разных заводов, изучения влияния на сталь способов обработки: приняла единые формы образцов для испытания свойств стали; перечень и условия испытаний; составила технические условия приемки стали для мостов. На основе этих условий были выполнены стальные элементы мостов на Псковско-Рижской, Ржевско-Вяземской и Закаспийской железных дорогах. С 1883г. по инициативе и благодаря обширным исследованиям Н.А. Белелюбского сталь навсегда вошла в практику русского мостостроения. Технические условия позволили позднее разработать условия приемки стали для строительства судов.
      Вместе с Ф.С. Ясинским Н.А. Белелюбский доказал необоснованность опасений ухудшения характеристик стали из-за старения и из-за ее усталости. Результатами проведенных исследований явилось сокращение производства сварочного железа к 1910г. до 80 тонн в год.
      За границей сталь не применяли до 1888г. В немецких технических условиях в рубрике для этого материала долго стояло слово «Осторожность!» В 1887г. по просьбе румынского правительства международная комиссия из известных инженеров рассматривала проект моста через Дунай в Черноводах. Среди представленных вариантов был вариант исполнения моста в литом железе, который был утвержден после консультации с Н.А. Белелюбским. К тому времени все мосты на четырех новых русских дорогах были уже стальными. В 1895г. был открыт для движения и стальной ЧерноводскнЙ мост, а Белелюбский награжден румынским орденом.
      Дальнейшее совершенствование технологии производства стали было направлено на увеличение ее выплавки и улучшение свойств: электроплавка (электросталь), непрерывный способ разливки стали, введение легирующих (от латинского li — связывать, соединять) элементов — хрома X, никеля Н, молибдена М, ванадия Ф, меди Д, титана Т и др. для улучшения механических, физических в химических свойств стали. Например, сталь марки 23X21 2Т.
      Следующим по объему применения материалом в металлоконструкциях является самый распространенный в составе земной коры элемент, являющийся после кислорода и кремния ее важнейшей составной частью,— алюминий. В чистом виде впервые его получил в 1827г. Велер. Предложенный в 1854г. Девиллем способ получения алюминия был столь дорог, что первоначально этот легкий серебристый металл служил для изготовления ювелирных украшений. Именно в таком качестве с этим «серебром из глины» знакомились посетители Всемирной выставки 1855г. в Париже. Первый промышленный способ производства алюминия разработал в 1865 г. Академик Н.Н. Бекетов — выдающийся русский (ризик-химик. По его способу стали работать первые алюминиевые заводы в Руане и Бремене. Затем следовали работы Ле-Шателье. Д.А. Пенякова, К.И. Байера и др. по получению алюминия химическими способами.

’0

11

     Первые русские заводы по производству алюминия начали работать в 1889 и 1892гг. в Петербурге и в Елабуге на р. Каме, а затем во Франции н других странах. Русский химик-технолог, профессор Петербургского политехнического института П.П. Федогьев, член-корр. АН СССР заложил в 1910г. начало теории электрометаллургии алюминия, превратил затем ее в науку, активно участвовал в организации первых заводов получению алюминия электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном в специальных ваннах-электролизерах криолите.
     Первый в СССР алюминиевый завод начал работать в 1922г. в Кольчугине, где выпускали сплав типа дуралюмина, названный кольчугал омином. Сегодня наша страна располагает самыми мощными в мире комбинатами по производству алюминия — самого энергоемкого материала из применяемых в строительстве. Его производство сопровождается наибольшим загрязнением окружающей среды и расходом воды. Но достоинства алюминия и его сплавов не имеют соперников: малая масса, высокая удельная прочность, коррозиесгонкость, нарядность и'т. п.
     На третьем месте по объему применения после стали и алюминия находится медь, которую в строительных целях применяют в виде латуни-(сплава с цинком) и бронзы-^сплава с оловом) или другими белыми металлами, кроме цит ка.
     Бронза дала название археологической эпохе — Бронзовому веку, начавшемуся в третьем тысячелетии до н. э. и закончившемуся 2тыс. лег спустя, уступив веку Железному. Еще при Ра.мзесе II (1317—1251гг. до н. э.) меднорудюе и медеплавильное производства достигли столь значительных масштабов, что за 400 лет были вырублены на древесный уголь леса акаций и фиников; плавильное производство пришлось остановить, наступил первый в истории человечества энергетический кризис.
     Но ч мо эпоху в развитии стальных конструкций, пролетных конструкций, открыли стальные ажурные башни и павильоны инженера Владимира Григорьевича Шухова [5] на Всероссийской торгово-промышленной выставке в Н. Новгороде в 1896 г. (рис. 3).
     Шухов В.Г. проектирует железнодорожные мосты, вокзалы, выставочные павильон л, промышленные здания, водонапорные башни, маяки, опоры линий электропередач н радиомачты. Его висячие покрытия, арочные конструкции, сетчатые оболочки и башнн в форме гиперболоида были решением нового типа. Эт-а конструкции явились завершающей и высшей точкой развития металлических конструкций Х1Хв., которые заложили основу для их дальнейшего развития.

        Рис. 4. Ротонда и прямоугольный выставочный павильон на Всероссийской торгово-промышленной выставке в Н. Новгороде в 1896г.

12

     Также Шухов В. Г. занимался вопросами определения оптимальных геометрических размеров барж для перевозки нефти в зависимости от ее грузоподъемности. К концу ХХв. не менее трех четвертей нефтеналивных судов, плавающих по Волге и Каспию, явлллись металлическими баржами Шухова (рис.5). Шухов В.Г. проектировал также землечерпалки, речные и морские пристани, морские шаланды, грузовые пароходы.


Рис. 5 Нефтеналивные баржи Шухова

     Для двадцатого века характерно широкое развитие металлоконструкций во многих странах. В этот период строятся большепролетные мосты, небоскребы, купольные покрытия, крупные производственные здания. Положено начало индустриализации строительства - заводскому изготовлению и с последующим монтажом с помощью механизмов на строительной площадке При возведении небоскребов устанавливаются рекордно короткие сроки строительства. Появляется новый вид соединения металлоконструкций -электросварка. Вместо решетчатых конструкций широко применяются сп.тош ностенчатые конструкции. Выдвигается задача экономки металла, снижения трудоемкости изготовления, повышение надежности.


    Глава 1. Основные этапы развития металлоконструкции

    Как уже было подчеркнуто во введении, основным материалом металлоконструкций являются черные металлы. Наиболее широко применяется сталь. Объем применения в металлоконструкциях стали составляет 95%. Объем применения алюминиевых сплавов¹ составляет примерно 4%, объем применения меди, титана и их сплавов - около 1%.
    Металл как конструкционный материал начал применяться с России с начала 12 века.


1.1. Эволюция применения металла:
         1.            С 12 по 17века металл применяется в виде скреп и затяжек для каменной кладки при возведении дворцов и церквей. Затяжки выполнялись из кричного железа и через проушины на штырях (рис. 6) [6].


     Рис. 6. Конструкция перекрытия коридора в Покровском соборе (Москва, {XVIb.)

      2.             С. 17 до 18в. из кованых брусков кричного железа выковывали стропила и пространственные купола называемые «корзинками» и применяли при строительстве церквей (рис. 7). Например, купол Казанского собора и покрытие трапезы в Троице-Сергиевского монастыря в Загорске.




¹ Если суммарное содержание легирующих элементов превышает 50%, то есть преобладает над основным металлом, то такой материал называется сплавом.

15

Рис. 7.Металлические конструкция XVIIIb а - наклонные стропила; б - каркас купола;     в - узел каркаса

               С начала 18 до середины 19в. осваивается процесс литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции пере срытий гражданских и промышленных зданий. Соединения выполняются на замках или болтах. Например: купол Исаакиевского собора (рис. 8), перекрытие в виде арки Александрийского театра, Николаевский мост с 8-ю арочными пролётами от 33 до 47метров, перекрытие Зимнего дворца выполнено в виде ферм (рис. 9), в которых ежа; ые стержни были из чугуна, а растянутые — железные, соединения в узлах выполнялись через проушины на болтах (рис. 10).

Рис. 9. Стропильная ферма

Рис. 10. Перекрытие Зи\ него дворца (1837г.)

Рис. 8. Исаакиевский собор

16

А. С середины 19века до 20-х годов 20 века совершенствуется процесс выплавки железа, получение стали и её выплавка, освоение профильного проката и прокатного листа, применение заклёпочного соединения, т.е. наблюдается широкое развитие металлургии и металлообработки. Сталь постепенно вытесняет чугун. Перекрытия выполняются из решетчатых каркасов рамно-арочной конструкции. Например, Киевский вокзал (рис. И).
5. С 2С-х годов 20 века и до настоящего времени. Появляется сварка, которая вытесняет клепаные конструкции. Создается новый вид стали -низколегированная сталь, алюминиевые сплавы. Происходит типизация конструктивных схем и элементов зданий, сооружений. А в последствии унификация и стандартизация. Это становится основным направлением в развитии металлоконструкций, которое ведет к экономии стали и

Рис. 11. Дебаркадер Киевского (Брянского) вокзала в Москве (1912-1917ГГ)

1.2. Область применения металлических конструкций
     Считается экономически целесообразно применять металлоконструкции при больших пролётах, высотах, нагрузках Металлоконструкции применяются:
     1.      В одноэтажных промышленных зданиях смешанной конструкции или цельнометаллических (рис. 12).
     2.      В малоэтажных легких зданиях, которые прежде строили из кирпича, камня, бетона, дерева, в настоящее время выполняются из стали или алюминиевых сплавов (рис. 13). Применение холодногнутых конструкций.


Рис. 12. Монтаж каркаса одноэтажного промышленного здания

19

Рис. 13. Малоэтажные здания магазинов из легких холодногнутых профилей
     3. Высотные здания с этажностью более 20, смешанной - вместе с железобетонными конструкциями или цельнометаллической конструкции (рис. 14).

6 Большепролётные покрытия зданий (с пролётом более 50 м). Рынки, спортивные сооружения, ангары и т.д. (рис. 15).

Рис. 14. Самое высокое здание высотой 452м (Малайзия)
20

Рис. 15. Монтаж покрытия стадиона в Сеуле
     %. Мосты, эстакады (пролётом более 1 км) и при пролетах 30м в отдаленных районах и при малых сроках строительства по причине удобства монтажа (рис. 16)

Рис. 16. Монтаж пролета мост а с помощью вертолета