Металлические конструкции

Металлы и сплавы – это конструкционные материалы, наиболее полно отвечающие требованиям прочности, надежности, долговечности. Благодаря высокой надежности их применяют для возведения наиболее ответственных сооружений. Наибольшее применение в строительстве нашли конструкции из железоуглеродистых и алюминиевых сплавов, отличающиеся рядом преимуществ. Например, известно, что стальные конструкции имеют в 5 раз меньшую массу по сравнению с железобетонными, более транспортабельны, более технологичны при сборке, легко поддаются усилению в случае роста нагрузок. Недостатки стальных конструкций состоят в сравнительно низкой огнестойкости, в подверженности коррозии и, вследствие этого, повышенных затратах на эксплуатацию. К числу достоинств конструкций из алюминиевых сплавов относят низкую среднюю плотность, стойкость к коррозии, архитектурную выразительность, отсутствие порога хладноломкости. Недостатки – низкий модуль упругости и более высокий коэффициент температурного расширения.

В XVII…XVIII веках чугунные конструкции стали применять в виде балок, колонн, лестниц, ферм. Из истории возведения металлических сооружений известно, что первый чугунный мост был построен через р. Северн в Англии в 1779 г. Он имел пролет 30,3 м. Первый чугунный мост в России был возведен в Петербурге в 1784 г. Эти конструкции по форме повторяли очертания каменных сооружений.

Большое значение для распространения металлических строительных конструкций имело производство эффективных прокатных профилей, наиболее полно соответствующих работе металла в сооружениях. Вальцовка прокатных профилей началась в 1769 г. Угловые, тавровые и зетовые профили начали прокатывать 1820 г. в Англии. Рельс впервые изготовлен в США в 1832 г. Прокат двутавровых профилей впервые осуществлен во Франции в 1848 г.

В США оценили преимущества металлических конструкций, и развитие строительной отрасли в Штатах базировалось на металлических конструкциях. В 1883 г. был возведен Бруклинский мост висячей конструкции пролетом 500 м с проволочными тросами.

Первый каркас небоскреба был сооружен в 1885 г., а в 1932 г. возведен каркас знаменитого небоскреба Эмпайр Стейт Билдинг высотой 425 м. В 30-е годы ХХ века в Сан-Фрациско возведен вантовый мост через пролив Золотые Ворота с пролетом около 1280 м. Кабели, поддерживающие проезжую часть, имели массу 9500 тонн каждый, были изготовлены из 61 пряди, каждая из которых была свита из 452 проволок толщиной по 5 мм.

Во Франции в 1889 г. по случаю проведения Всемирной выставки в рекламных целях Густавом Эйфелем была сооружена башня высотой 300 м. Благодаря большому количеству желающих забраться на башню и полюбоваться на Париж с птичьего полета грандиозное строительство Эйфелевой башни очень скоро окупилось. В дальнейшем ее также стали использовать как радио- и телебашню. Сейчас подъем на нее осуществляют скоростные лифты.

Большой вклад в развитие технологии металлов и технологии металлоконструкций внесли русские инженеры. Первым описал процесс кристаллизации стали из жидкой фазы инженер Д. К. Чернов (1839…1921 г.) Он установил зависимость строения стали от условий отливки, ковки, термической обработки. Русский инженер В.Г. Шухов в 1896 г. предложил проект башни в виде гиперболоида вращения. Им же разработаны пространственные системы в виде растянутых поверхностей и сетчатых сводов. На всемирной выставке в Париже в 1900 г. особо отмечены труды обоих выдающихся русских ученых – Дмитрия Константиновича Чернова и Владимира Григорьевича Шухова. В 20-х годах ХХ века в России, в Москве, в период разрухи и гражданской войны башня по проекту В.Г. Шухова была возведена. Сегодня эта башня высотой около 150 м известна всем как Шаболовская. Впервые применил кислород для интенсификации мартеновского процесса русский академик И. П. Бардин (1883 - 1960 гг.). Он был одним из руководителей строительства Кузнецкого металлургичес­кого комбината. И.П. Бардин создал первые установки для непрерывной разливки стали. Лицензия на непрерывную разливку стали продана Японии и другим государствам.

Алюминий в строительстве впервые был применен в 1896 г. в Монреале для устройства карниза здания страхового общества. В начале ХХ-го века в Италии из алюминия возведены купола церквей. До сих пор они находятся в хорошем состоянии. Впервые цельноалюминиевое здание фирмы «Валло» построено в 1937 г. во Франции. Колонны, ригели и кровля выполнены из алюминиевых профилей. В США, в Питтсбурге, в здании вычислительного центра фирмы «Вестингауз» колонны, стропильные фермы и ограждающие конструкции смонтированы из алюминиевых сплавов.

В жилищном строительстве алюминиевые сплавы сегодня используют для ограждающих конструкций покрытий и стен, для изготовления жалюзи, переплетов, навесов, карнизов, архитектурных деталей. С середины ХХ-го века в строительстве применяются металлические решетчатые пространственные конструкции для покрытия зданий с пролетом свыше 100 м – однопоясные (в сводах, сферических куполах, гиперболических оболочках) и двухпоясные (в призматических конструкциях, работающих как решетчатые плиты покрытий).

В результате научно-технического прогресса в последние годы значительно изменились классические методы производства металлических изделий и конструкций, внедряются принципиально новые технологии. Все это способствует расширению технических возможностей металла, применяемого в строительстве, позволяет создавать новые архитектурные формы зданий, решать задачи конструирования уникальных строительных объектов. В настоящее время большое внимание уделяется выпуску перспективных видов металлопродукции: листовому прокату, прокатным профилям, широкополочным гнутым прокатным профилям из алюминиевых сплавов. Самые высокие сооружения в мире сегодня возводятся на основе стальных конструкций.

При изготовлении стальных строительных конструкций сталь употребляется в виде прокатных изделий, получаемых с металлургических заводов и имеющих различную форму поперечного сечения (профиль). Различают листовую и профильную (фасонную) сталь. В результате многолетнего опыта применения различных по своей форме профилей отсортировались наиболее конструктивно удобные и экономически выгодные профили. Такими профилями являются, например, уголковый, тавровый, двутавровый, швел­лерный ( рис.10).

Большое количество строительных изделий и конструкций получают холодным профили­рованием. Гнутые профили проката относятся к эффективным видам металлопродукции. Они отличаются высоким качеством поверхности, одинаковой толщиной по всему сечению профиля.

Процесс профилирования прокаткой на профилегибочных агрегатах заключается в постепенном изменении формы сечения плоской заготовки до требуемого профиля при последовательном прохождении ее через несколько пар вращающихся фигурных валков. Происходит только последовательная гибка полосы или ленты в поперечном направлении, а площадь поперечного сечения и толщина исходной полосы или ленты практически не изменяется. На основе гнутых профилей проката изготавливают профнастил, металлочерепицу, металлосайдинг.

Рис. 10. Основные профили сортового проката:

сталь: 1- круглая; 2- квадратная; 3 – полосовая; 4 – полосовая с закруглением; профили: 5, 6 – уголковый; 7 – зетовый; 8, 9 – тавровый;

10 – двутавровый; 11- колонный; 12 - корытообразный; 13 - оконный;