Металлы в строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Краткий обзор развития металлических конструкций

Конструктивные особенности строительства зданий и сооружений

Металлические конструкции в современном строительстве

Снижение стоимости металлоконструкций

Список использованных источников

Введение

Металлы занимают ведущее место среди современных материалов. Нет такой отрасли науки, техники, производства, которые не были бы связаны с металлом. Успехи металловедения и металлургии в значительной мере определяют развитие народного хозяйства.

Металлами называется группа химических элементов, строение атома которых отличается слабой связью внешних электронов с ядром. Образованные этими элементами вещества в обычных условиях обладают специфическими свойствами: хорошей электро- и теплопроводностью, пластичностью (ковкостью), непрозрачностью и характерным блеском. «Металлом называется светлое тело, которое ковать можно», - так в 1763 г. характеризовал эти вещества в «Первых основаниях металлургии, или рудных дел» М.В. Ломоносов.

В технике металлами называют не только простые вещества, но и многочисленные металлические сплавы - соединения нескольких металлов или металлов с неметаллами. Сплавы обладают большинством металлических свойств, и среди них зачастую есть и такие, которые отсутствуют у простых веществ, образованных теми же элементами.

Во времена М.В. Ломоносова было известно всего шесть металлов: золото, серебро, медь, олово, железо и свинец. В наше время число известных металлов достигает 80, они составляют почти четыре пятых всех элементов таблицы Менделеева. Количество же металлических сплавов трудно было бы назвать.

К достоинствам металлов как конструкционных и отделочных материалов, определяющим их роль в архитектурно-строительной практике, относятся:

хорошие показатели механических свойств - прочности, твердости, вязкости, пластичности, упругости - с широким диапазоном их в зависимости от состава сплава, методов его производства и обработки;

универсальность прочностных характеристик для всех видов напряженного состояния (сжатие, растяжение, изгиб), в то время как большинство других строительных материалов обладает прочностью преимущественно по отношению к какому-либо одному виду напряженного состояния;

технологичность, или способность поддаваться химической, физической, механической обработке;

газо- и водонепроницаемость, обусловленные большой плотностью;

природные эстетические свойства - блеск и цвет - и возможность получения декоративно-художественного эффекта изменением этих свойств;

способность сохранять прочностные характеристики и эстетические свойства в течение длительного времени (долговечность), а также при высоких и низких температурах.

Совокупность физических, химических и механических свойств, распространенность в природе, доступность и рентабельность добычи и промышленного производства обусловили распространение в строительстве черных металлов (сплавов на основе железа - чугуна и особенно стали), алюминиевых сплавов и сплавов меди. Их можно назвать основными строительными металлами.

Сталь и алюминий являются важнейшими конструкционными материалами современной архитектуры и применяются для несущих и ограждающих конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений, а также как отделочный и декоративный материал. Медь и ее сплавы в качестве конструкционного материала, как правило, не применяются, но, опираясь на давние традиции, современная архитектура широко использует эстетические богатства цветовой и фактурной гаммы медных сплавов в архитектурных деталях, осветительной арматуре, в произведениях монументального и декоративного искусства.

Кроме сплавов железа, алюминия и меди в архитектурно-строительной практике используются и другие металлы. Так, ванадий, вольфрам, марганец, молибден, ниобий, цирконий, цинк, олово, свинец и многие другие входят в состав конструкционных сплавов железа, алюминия и меди, придавая им специфические свойства. Хром, никель и цинк служат для защитного и декоративного покрытия поверхности изделий из металлов и других материалов. Окиси большинства металлов являются сырьем для производства пигментов, красок и т.д. Освоение промышленных методов добычи и производства новых металлов и сплавов непрерывно расширяет круг строительных металлов, обогащая арсенал материально-технических средств современной архитектуры.

Открытие во второй половине XIX в. промышленных способов производства и обработки чугуна и стали сделало металл одним из основных строительных материалов и оказало огромное влияние на развитие архитектуры. С изобретением и быстрым распространением в строительстве железобетона металл как составная часть этого нового искусственного материала на некоторое время уступил ему ведущую роль в архитектуре. Однако в последние десятилетия вновь все более усиливается интерес архитекторов и инженеров к металлу как материалу с большими архитектурными возможностями, во многом превосходящему железобетон, и по прочностным характеристикам, и по эстетическим свойствам, и с точки зрения индустриализации строительства.

Прочность и надежность металлических конструкций при относительно малой их массе, возможность изготовления элементов конструкций на заводах и сокращение благодаря этому сроков строительства, жесткие допуски в размерах и форме элементов, обеспечивающие точность монтажа, гибкость планировки зданий с металлическими конструкциями применительно к условиям эксплуатации, возможность демонтажа и повторного использования конструкций определяют рентабельность металла в несущих конструкциях зданий и в инженерных сооружениях. Благодаря металлу все активнее входят в промышленное и гражданское строительство большепролетные сооружения, успешно развивается высотное строительство, сборно-разборные сооружения способствуют освоению труднодоступных районов земли.

Расширение потребления металла в строительстве обеспечивается непрерывным ростом его производства. За период с 1913 по 1976 г. мировое производство чугуна возросло в 6,3 раза, а стали в 9 раз. В СССР с 1917 г. производство чугуна возросло в 35, а стали в 47 раз. Только за послевоенные годы производство стали в нашей стране увеличилось более чем в 6 раз и достигло в 1979г.149 млн.т.

На конец десятой пятилетки предусмотрено обеспечить в СССР производство стали в количестве 160-170 млн. т и в 1,5-2 раза увеличить выпуск эффективных видов продукции черной металлургии: холоднокатаного листового проката, гнутых профилей, проката с упрочняющей термической обработкой и др.. За пятилетие намечается в 1,2-1,3 раза увеличить производство алюминия, меди и никеля, в 1,4 раза титана, освоить производство новых экономичных профилей проката цветных металлов.

Для нужд строительства в нашей стране в больших масштабах изготавливаются индустриальные стальные и алюминиевые конструкции и изделия. Отвечая требованиям ускорения технического прогресса в области производства металлических конструкций, успешно решаются задачи «перехода к более современному типу производства- крупносерийному, специализированному, основанному на применении механизированных и автоматизированных поточных линий для всех операций производства».

Производство стальных и алюминиевых конструкций сосредоточивается на крупных специализированных предприятиях. Специализация заводов в сочетании с унификацией конструкций и изделий позволит перейти от индивидуального изготовления конструкции к крупносерийному, а в дальнейшем и к поточному производству. Это существенно повысит как эффективность производства, так и качество изготавливаемых конструкций. В то же время поточное производство массовых конструкций высвободит производственные мощности для изготовления на многопрофильных заводах с гибкой технологией индивидуальных конструкций отдельных зданий и сооружений и опытных образцов новых прогрессивных форм.

Исключительную роль в развитии строительных металлоконструкций в нашей стране сыграло принятое в мае 1972 г. ЦК КПСС и Советом Министров СССР постановление «Об организации производства и комплектной поставки легких металлических конструкций промышленных зданий». За успехи в создании этой новой отрасли промышленного производства группе советских ученых, инженеров, технологов в 1978 г. была присуждена Государственная премия СССР.

Значительные успехи достигнуты в научных исследованиях и опытно-конструкторских разработках в области использования металла в строительстве, которые ведут Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им, В. А. Кучеренко (ЦНИИСК), Центральный научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций (ЦНИИПроект-стальконструкция). Всесоюзный институт легких сплавов (ВИЛС), кафедры ведущих строительных институтов страны, научно-исследовательские институты системы Госстроя СССР и Госгражданстроя, Гипромез, Промстройниипроект, Теплоэлектропроект и многие другие научные, проектные и учебные организации.

Целенаправленное использование металла в строительстве активно способствует решению задачи, поставленной перед советскими архитекторами и строителями Л.И. Брежневым в докладе XXV съезду КПСС: «Строить быстро, экономично и на современной технической основе».

Металл с успехом заменяет другие материалы в традиционных конструкциях зданий и сооружений, становится важным формообразующим фактором в пространственных стержневых и висячих конструкциях, все полнее и многограннее выявляются его эстетические качества как отделочного и декоративно-художественного материала.

Речь идет не об очередном этапе «борьбы» металла с железобетоном за гегемонию в архитектуре, а о социальной и экономической эффективности использования этих двух основных строительных материалов. Альтернатива «железобетон или металл» отвергнута самой жизнью. И железобетон, и металл, каждый в той области строительства и в тех формах, которые позволяют наиболее полно раскрыть архитектурно-строительные возможности материала, - только так может ставиться вопрос современным ученым, конструктором, архитектором.

Важнейшую роль в этом выборе материала играли и продолжают играть требования к строгой экономии металла. Дефицит металла в строительстве связан не только с трудоемкостью его производства и обработки, но и со всевозрастающими потребностями в нем в тех отраслях народного хозяйства, где он не может быть заменен другими материалами. Поэтому в тех зданиях, сооружениях, конструкциях, где применение металла не дает сколько-нибудь существенного экономического, технического или социального эффекта, предпочтение должно быть отдано железобетону, кирпичу или другим материалам. Но если эффект этот потенциально возможен, задача архитектора и конструктора заключается в том, чтобы найти такие пространственные формы сооружений, в которых максимально используются конструкционные, формообразующие, эстетические качества металла.

Краткий обзор развития металлических конструкций

Металл - один из наиболее старых искусственных материалов. Самородные металлы - золото, серебро, медь - человек стал использовать уже за 6-7 тыс. лет до н.э. В V - IV тысячелетиях до н. э; началась выплавка меди, олова и свинца из руд, а примерно с 3 тысячелетия до н.э. применялась бронза. Ф. Энгельс отмечал, работающих как элементы свода. Таким образом, резкое увеличение пролета было достигнуто за счет воспроизведения в металле каменной конструкции.

Строительство арочных чугунных мостов быстро развивалось и в России. Арки пролетом 20-30 м обычно состояли из коробчатых элементов длиной до 3 м, скрепленных болтами. В 1848 - 1850 гг. по проекту русского инженера С.В. Кербедза был построен большой арочный мост через Неву, которые имел семь пролетов длиной от 33 до 47 м. В каждом пролете устанавливалось 13 Чугунных арок из соединенных болтами двутавровых элементов. Один пролет (21 м) был разводным.

Конструкции из чугуна начинают осваиваться в промышленном строительстве, получившем бурное развитие во второй половине XVIII в. в 1783 г. в здании мануфактуры близ Манчестера были использованы несущие чугунные стойки, а в 1801 г. в Сэлфорде (Англия) сооружено семиэтажное здание хлопчатобумажной фабрики шириной 14 и длиной около 42 м с внутренним каркасом из чугунных стоек и балок. Разработанный инженерами М. Бултоном и Д. Уаттом (изобретателем паровой машины), этот каркас впервые объединил в одну систему металлические стойки с металлическими балками. На протяжении всего XIX в. в промышленных зданиях широко применялся «сэлфордский» каркас с наружными кирпичными стенами.

Следующий шаг в развитии металлического каркаса был сделан Д. Богардусом, который ввел чугунные стойки и балки в наружное ограждение, частично заменив ими кирпичные несущие стены. В 1848 г. Богардус построил в Нью-Йорке первое трехэтажное здание фабрики с применением полного чугунного каркаса. За период с 1850 по 4880 г. Богардус, применяя стандартные чугунные элементы, построил в США большое количество торговых, складских и административных каркасных зданий. Самое известное из них - здание издательства фирмы «Харпер и братья», построенное в Нью-Йорке в 1854 г., фасадная стена которого благодаря каркасу превращена в почти сплошь застекленную поверхность. Здания с полным чугунным каркасом строились и в Англии, Сам Богардус писал о себе, что он «первым выдвинул идею соперничества с прекрасными античными произведениями архитектуры с помощью нового материала - чугуна».

До середины XIX в. чугун наравне с железом и в сочетании с ним применяется и в гражданском строительстве.

В 1786 г. В. Луи осуществляет перекрытие театра в Париже сложной системой арок с растяжками и подвешенных к ним рыбообразных балок из чугуна и железа.

В. 1827 г. по проекту архит. К. Росси и директора Александровского чугунолитейного завода инж. М.Е. Кларка зрительный зал и сцену Александрийского театра в Петербурге перекрыли конструкцией из чугунных отливок и железных поковок в виде трех независимых систем: арок пролетом 21 м, несущих пол чердака и подвешенный к ним потолок зрительного зала, ферм пролетом 22 м с треугольной решеткой, перекрывающих чердачное пространство, и сквозных арок пролетом 30 м с параллельными поясами и крестовой решеткой, поддерживающих кровлю здания.

Купол Исаакиевского собора в Петербурге (1818-1858 гг., архит. О. Монферран) образован 24 вертикальными чугунными ребрами. Вверху и посредине купола диаметром 24 м и высотой около 21 м расположены опорные кольца, На среднее опорное кольцо опираются дополнительные чугунные ребра, нижние концы которых, как и нижние концы основных ребер, покоятся на каменных стенах. Чугунные элементы соединены железными болтами. Медная золоченая кровля поддерживается 48 криволинейными железными ребрами, которые, соединяясь с конической частью посредством железных стержней, образуют с ней треугольные системы. Сложный расчет купола был выполнен известными французскими учеными Г. Ламе и Б. Клапейроном.

В 1821-1831 гг. при строительстве Орлеанской галереи в Пале-Рояле (Франция) П. Фонтен впервые соединил металл со стеклом. Этот новый прием широко распространился в Европе в строительстве оранжерей и был развит Д. Пэкстоном в сооружении Хрустального дворца на Всемирной выставке в Лондоне в 1851 г. Хрустальный дворец можно считать вершиной строительного искусства в области применения чугуна в гражданском строительстве. Все его колонны (свыше 3000 шт.) и балки выполнялись из чугуна. Для перекрытий применялись железные фермы с перекрестной решеткой. Колоссальное сооружение длиной 563 и шириной 124,5 м, занявшее площадь в 69 тыс м кв., наглядно продемонстрировало архитектурные; возможности металла. Небольшие площади сечений металлических элементов позволили создать сплошное остекление. Впервые была применена модульная система (модуль расстановки колонн в поперечном и продольном направлениях равнялся 7,33 м), на основе которой стандартизированы все элементы конструкций. Здание было сборно-разборным. Элементы конструкций привозились на площадку в готовом виде и здесь укрупнялись, благодаря чему здание было построено в рекордно короткий срок - 6 мес, а в 1853 г. демонтировано, перевезено в предместье Лондона и здесь вновь собрано.

Несколько позднее Хрустальный дворец продемонстрировал и основной недостаток металлических конструкций - слабую огнестойкость. В 1936 г. в результате пожара дворец обрушился и превратился в бесформенную груду расплавленного металла и стекла.

Первой строительной конструкцией, целиком выполненной из железа, было покрытие в виде шпренгельных ферм пролетом 6,5 м одного из домов в Булони (Франция) в 1785 г.

В Петербурге в 1801-1811 гг. по проекту архит. А.Н. Воронихина был сооружен купол Казанского собора диаметром 17,7 м, образованный двумя рядами железных ребер из полосового железа сечением 70X15 и 120X15 мм. 120 ребер наружного ряда и 32 внутреннего опираются внизу на общее опорное кольцо. Кверху ряды ребер расходятся и соединяются подкосами. Между ребрами размещены горизонтальные элементы из таких же полос, образующие в плане кольца. Соединения осуществлены на болтах или клиньях.

За рубежом первый купол из ковкого железа был сооружен в 1828 г. над хорами Майнцского собора в Германии. Его диаметр равнялся 13,75 м.

Русские строители использовали железо, выпускаемое в виде полос, прутков и брусков, для создания жестких и прочных конструкций по типу наклонных стропил и деревянных ферм.

Фермы пролетом 22 м были установлены над Зимним дворцом в 1839 г. Первые фермы Полонсо, созданные в том же году, имели пролет лишь 8,5 м и состояли из деревянных стропильных ног с проволочным шпренгелем. Полностью металлическая ферма такого типа была изготовлена в Париже только в 1862 г. и пролет ее составлял 12 м. В 1867 г., почти через 30 лет после перекрытия Зимнего дворца, ферма Полонсо пролетом 2S м демонстрировалась как новейшее достижение на Всемирной Парижской выставке.

В 1830 г. было выполнено арочное покрытие пролетом 26 м здания франко-русского судостроительного завода в Петербурге. Нижний пояс арок был склепан из нескольких полос, верхний состоял из прямолинейных квадратных брусков, а раскосы из круглого железа. Неоднократно применялись железные арки в комбинации со стропильными ногами.

При восстановлении после пожара 1837 г. Зимнего дворца в Петербурге архитекторы В.П. Стасов, А.И. Брюллов и инж. М.Е. Кларк для покрытия залов дворца применили принципиально новую схему стропильной фермы, соединив затяжкой центральные стойки двух перевернутых шпренгверков. Этими фермами нового типа были перекрыты пролеты 15 и 22 м, что для того времени было большим достижением. Впоследствии эта система получила название ферм Полонсо.

Одновременно с поисками средств увеличения выплавки железа велись поиски способов его обработки. В 1769 г. в Англии появились первые станы для проката тонкого листового, а затем круглого, квадратного и полосового железа. Значительно позже были созданы станы для проката уголкового, таврового и зетового железа (Англия, 1819-1820 гг.), рельсов (Англия, 1832 г.), двутавров и швеллеров (Франция, 1849 г.).

Основываясь на опыте восстановления Зимнего дворца, В.П. Стасов и М.Е. Кларк предложили увеличивать жесткость верхних поясов железных ферм фасонными профилями. В 1840 г. они представили образцы уголкового и таврового профиля размерами 76X76X12 мм, а в 1841 г. в Петербург были доставлены 16 800 пудов первых в России прокатных профилей, изготовленных на Гороблагодатском и Камско-Воткинском уральских заводах.

Распространение в строительстве металла стимулировало появление новых средств эстетической выразительности в архитектуре, связанных именно с этим материалом. Французский архитектор А. Лабруст смело ввел в интерьеры крупного общественного здания открытые металлические конструкции. В библиотеке Св. Женевьевы в Париже (1843-1850 гг.) он как бы противопоставил наружным тяжелым кирпичным стенам легкий внутренний каркас в виде чугунных колонн и решетчатых арок из кованого железа. Через 15 лет он построил здание Национальной библиотеки в Париже. Пространство ее читального зала формируется шестнадцатью стройными чугунными колоннами диаметром 30 см при почти десятиметровой высоте. Полуциркульные арки покрытия, соединяющие колонны, образуют девять легких прозрачных полов, настолько по современному целесообразна, что кажется, будто они построены в наши дни».

Спустя несколько лет после строительства здания Национальной библиотеки, в которой металлический каркас отделился от наружной стены, в Нуазеле-на-Марне (Франция) сооружается здание шоколадной фабрики Менье (1871-1872 гг.). Его автор Ж. Сонье создал металлический каркас, который полностью принимал на себя массу всего сооружения и не только слился со стенами, но и «растворил» их в себе, превратив в фахверковое ограждение.

Металлические конструкции становятся формообразующим фактором архитектуры, особенно в таких новых типах зданий, как вокзалы и большие универсальные магазины. Характерным примером последних может служить универсальный магазин «Бон-Марше» в Париже, построенный в 1876 г. по проекту архит. Л.Ш. Буало и инж. Г. Эйфеля. Здесь конструкции из железа, чугуна и частично стали позволили создать сложный функциональный комплекс, состоящий из отдельных ячеек-залов, соединенных системой легких мостиков-переходов.

Таким образом, уже в сооружениях из чугуна и железа определились характерные конструктивные, композиционные и эстетические достоинства металла как нового строительного материала. Однако подлинное утверждение металла в строительстве связано с развитием стальных конструкций. Открытие промышленных способов получения стали, сохранивших значение до наших дней: бессемеровского (1855 г.), мартеновского (1865 г.), томасовского (1878 г.) и позднее электрометаллургического (1900 г.) - резко изменило характер металлургии и способствовало быстрому распространению в строительстве металлоконструкций. Промышленная сталь, обладая большей прочностью, полностью вытесняет из строительства низкокачественное железо и чугун, который к концу. XIX в. применяется главным образом лишь в декоративных формах, а кузнечный способ соединения элементов конструкций заменяется клепкой.

Важную роль в процессе освоения строительной стали сыграли успехи строительной механики и развитие методов расчета конструкций. Большой вклад в строительную механику первой половины XIX в. внесли Л. Навье (теории изгиба балок и расчета висячих мостов), Г. Мозлей (первая теория расчета арочных мостов), С. Пуас-сон, Б. Сен-Венан; работавшие' в Петербурге Г. Ламе и Б. Клапейрон; Д. Максвелл, Л. Кремон, К. Кульман и другие ученые занимались графическими и графоаналитическими методами расчета конструкций и сооружений. Метод расчета пространственных покрытий в форме куполов предложил И. Шведлер. Благодаря введению Э. Винклером и Г. Мюллером-Бреслау понятия «инфлюэнтных линий» были значительно упрощены расчеты конструкций на подвижную нагрузку.

Развитие металлических конструкций и особенно мостостроения связано с именами замечательных русских инженеров и ученых С.В. Кербедза, Д.И. Журавского, Н.А. Белелюбского, Л.Л. Проскурякова, Ф.С. Ясинского и др., внесших огромный вклад в мировую науку и практику в области расчета и конструирования решетчатых стержневых систем.

В 1840 г. Д.И. Журавский предложил раскосную систему ферм с металлическими затяжками. Во второй половине XIX в. решетчатые металлические фермы - арочные, полигональные, с параллельными поясами - широко применяются в мостостроении. Использование такого высокопрочного материала, как сталь, и разработка научного метода расчета конструкций способствовали быстрому увеличению пролетов мостов. В 1868-1874 гг. в США был сооружен арочный мост пролетом 157,5 м. Многопролетный консольно-балочный Фортский мост (Англия) общей протяженностью около 2,5 км, построенный в 1882-1890 гг., имел наибольший пролет 521 м. С увеличением пролетов и уточнением рациональной геометрической формы решетчатых ферм увеличивается эстетическая выразительность металлических мостов.

Ярким примером сложного инженерного сооружения является стальной шпиль Петропавловского собора в Петербурге (1859 г.) высотой 56,43 м при общей высоте собора со шпилем 121,92 м. Шпиль был запроектирован Д.И. Журавским как ребристая стержневая восьмигранная усеченная пирамида с крестовыми связями в плоскостях граней и рассчитывался не только на вертикальную, но и на ветровую нагрузку как консольная балка.

Оригинальная стержневая конструкция в виде сомкнутого свойства из четырех полуарок была разработана и осуществлена в 1863- 1865 гг. русским инженером Г.Е. Паукером для купола высотой 20,33 м над церковью Екатерининского дворца в Царском Селе. Между полуарками, образующими в плане квадрат со стороной 11,13 м, были размещены фермы с параллельными поясами. Расположенные в горизонтальной и вертикальной плоскостях, эти фермы образовали решетчатую складчатую конструкцию.

Крупным шагом в развитии стержневых решетчатых высотных сооружений было строительство в 1889 г. Г. Эйфелем 300-м башни для Всемирной выставки в Париже. Известный своими ажурными арочными мостами (наиболее крупный из них Гарабитский виадук длиной 564 м имел средний арочный пролет 165 м и высоту 124 м), Г. Эйфель использовал для конструкции башни схему шатровой мостовой опоры. Четыре наклонных пилона, соединенных между собой решетками, вздымаются ввысь, асимптотически сближаясь к вершине. Рациональность формы башни определила эстетическую выразительность ее силуэта.

Во второй половине XIX в. появляются и новые архитектурные формы, отвечающие новым общественным потребностям и связанные в первую очередь с перекрытием больших пространств.

Одной из таких форм был решетчатый купол системы Шведлера, впервые сооруженный в Берлине в 1863 г. над газгольдером диаметром 30,91 м. Особенностью этого купола, образованного меридиональными ребрами, горизонтальными кольцами и диагональными связями между ними, была прямолинейность всех его элементов. Уменьшение площади стен, частично заменяемых поверхностью самого купола, снижение массы покрытия, простота и быстрота изготовления, четкая расчетная схема обусловили быстрое и широкое распространение новой конструкции для покрытия круглых зданий самого различного назначения: производственных цехов, паровозных депо, выставочных павильонов и др. Шведлеровский купол цирка Чинизелли в Петербурге (1876 г., архит. В.А. Кенель) уже имел в диаметре 48 м, а такой же купол над газгольдером в Вене (1874-1875 гг.) - 64, 52 м.

Конструктивные особенности строительства зданий и сооружений

Для покрытия прямоугольных в плане зданий начинают использоваться решетчатые стальные рамы и арки.

Одно из первых крупных выставочных сооружений с жесткими решетчатыми рамами - галерея машин на Парижской выставке 1878 г. Пролет рам составил здесь 35 м, а высота 28 м.

Выставочный зал Сельскохозяйственного музея в Петербурге (1879 г.) был перекрыт арочными фермами с затяжками пролетом 30, 48 м, поставленными с шагом 2,74 м и соединенными между собой пятью продольными решетчатыми балками. Пространственная жесткость покрытия обеспечивалась сплошным настилом из досок, которые крепились болтами к полкам уголков верхнего пояса арок. Однако жесткость эта оказалась недостаточной. Отсутствие необходимых связей привело к обрушению в 1918 г. части покрытия в результате продольного изгиба из плоскости арки под воздействием большой снеговой нагрузки (в два раза превысившей нормативную).

Системы радиальных плоских арок в последней четверти XIX и в начале XX в. применялись в Европе и Америке для покрытия круглых в плане зданий. Образованные таким образом ребристые купола перекрывали очень большие пространства, освобождая их от опор. Например, ротонда Дворца Всемирной выставки в Вене (1873 г.) имела диаметр 104,78 м и высоту 82 м.

К концу XIX в. промышленные, выставочные, транспортные и другие сооружения перекрываются большепролетными трехшарнирными арками. Главный зал Дворца машин на Всемирной Парижской выставке 1889 г. (инж. М. Контамен, архит. Ф. Дютер) был перекрыт 20 трехшарнирными арками с расстоянием между центрами опорных шарниров 110,6 м и высотой от пола до оси среднего шарнира 45 м. Решетчатые спаренные арки были расставлены с большим шагом - свыше 20 м. Пролет между арками перекрывался решетчатыми прогонами. Средняя часть здания отдела мануфактуры на Всемирной выставке в Чикаго 1893 г. была перекрыта трехшарнирными решетчатыми арками пролетом 112,6 м и шагом 15,24 м. Арки образовали огромный зал длиной 386,7м и высотой 62,3 м.

Шарниры, размещенные в пятах арок, вызвали к жизни совершенно новую форму опоры. Появилась невиданная ранее и разрушающая складывавшиеся веками эстетические представления опора, сужающаяся к основанию.

Крупные выставочные павильоны были не просто достижением строительной техники. Они определили коренной поворот в архитектурном освоении металла и общем понимании архитектурной формы. Огромные остекленные поверхности, единство внутреннего и внешнего пространства, впечатляющая выразительность открытых металлических конструкций знаменовали собой рождение новой архитектуры, для становления и признания которой понадобилось еще почти полвека.

В 1896 г. выдающийся русский инженер и ученый, впоследствии почетный академик АН СССР В. Г. Шухов получил привилегию на сетчатую конструкцию башни в виде однополостного гиперболоида вращения. Такая башня, жесткий пространственный каркас которой образован склепанными между собой прямыми стержнями, связанными по высоте башни- кольцами, была построена в том же году на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде. Башни Шухова быстро распространились в строительстве как водонапорные (Николаев, 1907 г.), морские маяки (Херсон, 1911 г.), опоры линий электропередач, наблюдательные вышки на американских (1904 г.) и позднее (1909 г.) русских военных кораблях.

На Нижегородской выставке В.Г. Шуховым впервые в строительной практике были сооружены сетчатый цилиндрический свод из гнутых полос и сетчатое большепролетное покрытие-прообраз и первенец современных висячих конструкций. Круглое здание диаметром 68 м и два смежных с ним прямоугольных здания строительного и инженерного отделов выставки были покрыты натянутой пространственной сеткой в форме шатра, по которой укладывалась кровля из листового железа. Здесь же В.Г. Шухов впервые осуществляет и стальное мембранное покрытие сферической формы диаметром 25 м. Несколько позднее, в 1898 г., В.Г. Шухов запроектировал и выполнил в натуре покрытие прокатного цеха Выксунского чугуноплавильного завода в виде сетчатого свода двоякой кривизны пролетом 40 м, опиравшегося на трехшарнирные арки. Для покрытия галерей торговых рядов в Москве (ныне здание ГУМа) В.Г. Шухов предложил оригинальную систему арочной фермы с лучевыми затяжками.

Постройки и принципиальные идеи В.Г. Шухова намного опередили свое время и в течение десятилетий, вплоть до наших дней, остаются источником новых интересных решений не только в металлических, но и железобетонных, и даже в деревянных конструкциях.

Во второй половине XIX в. значительные успехи были достигнуты в строительстве висячих мостов. Образцами для них, вероятно, послужили североамериканские мосты, подвешенные на пеньковых и кожаных канатах. В 1824 г. М. Сегюин при строительстве моста через Рону (Франция) впервые применил металлические канаты. Эта идея была развита в США Дж. Реблингом. После строительства нескольких висячих мостов им был создан крупнейший Бруклинский

Характерно, что автор альбома зданий и сооружений Нижегородской выставки В.Г. Барановский не включил в изданную им же позднее, энциклопедию мировой архитектуры постройки В. Г. Шухова на этой выставке. Видимо, роль их в развитии архитектуры не была в то время в должной мере оценена архитекторами.

Мост в Нью-Йорке пролетом 486,5 м с двухъярусной проезжей частью шириной 26,2 м. В 1909 г. в Нью-Йорке было закончено строительство Манхаттанского висячего моста. Мост этот имел несколько меньший пролет, чем Бруклинский (448 м), но его пилоны были выполнены из стали, что открывало новую страницу в строительстве висячих мостов.

Первая мировая война замедлила строительство в большинстве стран мира. Определенный спад в развитии металлоконструкций наблюдается в начале XX в. также в связи с освоением нового искусственного материала - железобетона. Однако уже в 1920-е годы начинается новый период развития металлоконструкций, характеризующийся становлением современных архитектурных форм.

Созданию новых большепролетных конструкций способствовало строительство эллингов для дирижаблей. Наиболее крупный из них построен в 1928-1930 гг. в Акроне (США). Эллинг, перекрытый трехшарнирными решетчатыми арками пролетом 99,4 м, приобрел известность благодаря новому типу ворот, решенных в виде конструкции двоякой кривизны. В конце 20-х - начале 30-х годов в зданиях автобусного гаража в Будапеште и павильона Лейпцигской выставки были применены двухшарнирные решетчатые рамы пролетом соответственно 70,4 и 97,8 м. Среди более поздних большепролетных сооружений - стадион в Сан-Франциско (1937-1938 гг.) размером в плане 91,5X122м, перекрытый решетчатой консольноарочной конструкцией, опирающейся на железобетонные трибуны.

В европейских странах и США активизируется - строительство многоэтажных жилых и конторских зданий со стальным каркасом. В Нью-Йорке и Чикаго появляются районы небоскребов. Металлический каркас обеспечивал не только необходимую прочность высотных зданий, но и максимальную типизацию элементов конструкций, индустриализацию и скоростные темпы строительства. Так, монтаж стального каркаса известного Эмпайр Стейт Билдинг высотой 102 этажа (407 м) занял всего 6 месяцев, а все строительство здания было завершено за 19 месяцев.

Октябрь 1917 года ознаменовался появлением на карте мира нового государства - Советской России. Символом дерзновенности архитектурных замыслов революционной России стала башня В. Татлина - проект памятника И! Интернационала. Мощная металлическая спираль, вздымаясь на 400-метровую высоту, должна была нести в себе четыре огромных зала, вращающихся с различной скоростью вокруг своей оси. В проекте можно видеть и зародыш так называемых мегаструктур сегодняшних проектов городов будущего, и стремление к образной и физической динамике архитектурной формы, и эстетику «чистой» конструкции.

Огромное влияние на развитие современной архитектуры оказал и проект Института библиотековедения имени В.И. Ленина, разработанный в 1927 г. архит. И. Леонидовым. В композицию из шарообразного объема аудитории на 4000 человек и вертикального параллелепипеда книгохранилища И. Леонидов включил открытые металлические конструкции, отличавшиеся новизной и оригинальностью. Опорой аудитории служит коническая пространственная решетка, шарнирно передающая все вертикальные нагрузки на одну точку. Горизонтальные нагрузки воспринимаются стабилизирующими систему вантовыми растяжками (по принципу мачтовых сооружений). По середине высоты книгохранилища его несущий каркас усиливается пространственными металлическими фермами, которые соединены растяжками с вершиной и основанием здания, образуя шпренгельную систему. Такое решение вертикального высотного каркаса было использовано, в частности, В. Дорингом в 1964 г. в проекте дома-этажерки с двухъярусными объемными блоками.

Создание в СССР мощной металлургической промышленности способствовало развитию строительных металлоконструкций. Основным их потребителем было промышленное строительство. Советскими инженерами и архитекторами уже к 1930-м годам были достигнуты значительные успехи в проектировании и монтаже металлоконструкций машиностроительных предприятий, мартеновских и прокатных цехов, доменных печей и резервуаров. В течение очень короткого времени в СССР практически сложилась новая строительная конструкторская школа, отличная от германской и американской. Характерной особенностью этой школы стала комплексность разработки теории расчета, формообразования, изготовления и монтажа конструкций.

Среди наиболее интересных гражданских сооружений 20-х - 30-х годов башня радиостанции им. Коминтерна в Москве, построенная по проекту и под руководством В.Г. Шухова (1920 г.). Башня в форме пространственного решетчатого гиперболоида вращения имела высоту 160 м при диаметре основания 42 м и состояла из шести ярусов. Каждый ярус монтировался на земле, внутри башни, телескопически выдвигался в проектное положение и закреплялся болтами на верхнем кольце ранее установленного яруса.

О значительных достижениях советской конструкторской школы свидетельствовали сооружения Всесоюзной сельскохозяйственной выставки в Москве (1937 г.), в особенности павильон механизации, перекрытый 40 металлическими решетчатыми двухшарнирными параболическими арками (архитекторы И.Г. Таранов, B.C. Андреев и Н.А. Быкова).

Оригинальная инженерная задача была решена при сооружении скульптурной группы павильона СССР на Международной выставке в Париже 1937 г. (архит. Б.М. Иофан, скульптор В.И. Мухина, бригада инженеров под рук. В.С. Николаева). Фигуры рабочего и колхозницы общей высотой 24,5 м, поднятые на высоту 31 м, были выполнены из нержавеющей стали толщиной 2-3 мм по стальному решетчатому каркасу сложной пространственной формы. После окончания выставки скульптурная группа была демонтирована и установлена на площади перед Выставкой достижений народного хозяйства СССР в Москве.

Весомый вклад в развитие металлических каркасов многоэтажных зданий внесли советские архитекторы и инженеры, принимавшие участие в проектировании и строительстве в 50-е годы высотных домов в Москве.

В середине XX в. заклепочные соединения металлоконстркций в строительстве начинают вытесняться электросваркой. Явление электрической дуги, лежащее в основе электросварки, было открыто русским электротехником В.В. Петровым еще в 1802 г. К 1868 г. американский физик Э. Томсон разработал принцип сварки металлов методом сопротивления. В 1882 г. русский инженер В.Н. Бенардос изобрел метод сварки металлов с помощью угольных электродов, а в 1888 г. инж. Н.Г. Славянов применил для электросварки металлический электрод. Но все эти изобретения не получили практического применения. Подлинной родиной электросварки стало молодое Советское государство. Неоценимая заслуга в развитии и совершенствовании электросварки принадлежит акад. Е.О. Патону. Созданный им в 1940 г. метод автоматической сварки под слоем флюса, впервые в широких масштабах внедренный в Советском Союзе, распространился во всем мире и стал основным способом соединения металлов в металлических конструкциях.

Наряду со сталью прочно вошел в число строительных материалов алюминий. Алюминиевые сплавы, примененные еще в 1896 г. в карнизе страхового общества в Монреале (Канада) и в 1897 г. в покрытии куполов церкви Сан-Джиоачино в Риме, в 30-е годы используются как конструкционный материал в мостах, покрытиях и несущих конструкциях зданий.

После второй мировой войны промышленные сооружения, большепролетные гражданские здания, многоэтажные жилые и административные здания все чаще возводятся с применением металлоконструкций.

В середине XX в. развиваются новые системы - конструкции с использованием гибких растянутых элементов. Еще в 1927 г. американский инженер и архитектор Б. Фуллер проектирует «Даймекшнхауз» - шестиугольный в плане индивидуальный жилой дом, подвешенный на стальных тросах к центральной 20-м мачте. А в 60-е- 70-е годы в США, Бельгии, Канаде и многих других странах уже были построены десятки многоэтажных зданий с подвесными перекрытиями.

В 1937 г. впервые после Нижегородской выставки было осуществлено висячее покрытие в виде усеченного стального конуса, подвешенного основанием к опорному кольцу диаметром 30 м (павильон Франции на выставке в Загребе, инженеры 3. и В. Лафай). В 1952 г. по проекту архит. М. Новицкого и инж. Ф. Северуда в США в г. Роули была сооружена арена, покрытая растянутой тросовой сеткой. Спустя полвека после сооружения В. Г. Шуховым висячих покрытий на Нижегородской ярмарке конструкции с растянутыми поверхностями привлекли внимание архитекторов и инженеров и стали одним из основных направлений формообразования в современной архитектуре.

Многогранное и интенсивное развитие в годы после второй мировой войны получают стержневые пространственные конструкции. Особая заслуга в их развитии принадлежит советскому ученому В.З. Власову, разработавшему теорию расчета упругих тонкостенных стержней, французскому инженеру Ле Риколе, исследовавшему закономерности образования конструктивных форм, американским инженерам Б. Фуллеру и К. Ваксманну, создавшим оригинальные конструкции типа решетчатых оболочек и плит, советскому ученому, архитектору и инженеру М.С. Туполеву, работавшему над структурой сетчатых куполов.

В 1958 г., символически выражая огромную роль металла в современной архитектуре, поднялся над Всемирной выставкой в Брюсселе «Атомиум» - гигантская модель молекулы железа. Сталь и алюминий были основными строительными материалами выставки, а в решении павильонов были использованы практически все известные в настоящее время формы и системы конструкций. Выставка как бы подводила итоги достижениям человечества в области использования металла в архитектуре.

Металлические конструкции в современном строительстве

Область применения металла в архитектурно-строительной практике непрерывно расширяется. Металл все шире используется в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений. Это обусловлено многими достоинствами металла как конструкционного строительного материала.

Металлические конструкции - наиболее легкие по сравнению с другими несущими конструкциями, которые применяются в массовом строительстве (железобетонными, деревянными, каменными). Легкость конструкций из материала, который втрое тяжелее гранита и бетона и более чем в 10 раз тяжелее дерева, определяется, прежде всего, высокой прочностью металла. Удельная, т.е. отнесенная к объемной массе материала, прочность даже обычной углеродистой стали примерно равна удельной прочности дерева и значительно выше удельной прочности бетона. В то же время благодаря жесткости металла сечения элементов металлоконструкций могут иметь минимально необходимые по расчету размеры.

Методы расчета конструкций обычно основаны на однородности (изотропности) материала. Металлы имеют однородную структуру и высокий модуль упругости, вследствие чего действительная работа металлических конструкций близка к расчетной, что в сочетании с высокой прочностью металлов делает такие конструкции наиболее надежными.

Металлические конструкции по самому своему характеру являются сборными. В основной массе они изготавливаются в заводских условиях. При унификации и типизации металлоконструкций их производство может быть поточным крупносерийным. А современная технология соединения металлических элементов позволяет механизировать монтаж и возводить сооружения в короткие сроки. Все это определяет высокую степень индустриальности металлических конструкций.

Вместе с тем металлическим конструкциям присущи и определенные недостатки.

Основной недостаток металлоконструкций - подверженность коррозии. Под воздействием находящихся в окружающей среде влаги, солей и газов металл превращается в окислы, что ведет к частичной или полной потере прочности конструкций.

Металлические конструкции характеризуются малой огнестойкостью. При температуре около 400°С для стали и около 200°С для алюминия начинается ползучесть металла, т.е. существенное и необратимое развитие пластических деформаций. При температуре выше 500-600°С даже сталь становится практически неработоспособной.

Конструкции из стали применяются в промышленном строительстве, в особенности для каркасов зданий тяжёлого типа, оборудованных кранами большой грузоподъемности (в частности, основных цехов металлургических предприятий), для покрытий многопролетных одноэтажных зданий (например, предприятия автомобильной промышленности) и большепролетных производственных помещений (авиасборочные, судостроительные и другие предприятия, ангары, эллинги и т.п.);

- в гражданском строительстве в качестве каркасов зданий повышенной этажности и большепролетных покрытий выставочных залов, залов собраний, крытых стадионов и т.д.;

- в железнодорожных и автомобильных мостах и путепроводах;

- в открытых спортивных и других сооружениях, как, например, трамплины, башни и мачты радиосвязи и телевидения, водонапорные башни, радиотелескопы и др.;

- в различных сооружениях специального назначения (нефтяные и буровые вышки, крекинг-установки, емкости - хранилища жидкостей и газов, доменные конструкции, напорные и транспортные трубопроводы);

- в подвижных сооружениях (крановые мосты, башенные краны, краны-перегружатели, дорожные и горные подвижные мосты) и др.

Алюминиевые конструкции могут быть применены практически во всех областях строительства наряду со стальными, за исключением тяжело нагруженных каркасов промышленных зданий. Однако более высокая стоимость алюминиевых сплавов и некоторые их особенности (меньшая жесткость, высокий коэффициент линейного расширения, низкая огнестойкость) делают применение алюминиевых конструкций эффективным там, где проявляются их положительные отличительные свойства: сравнительная легкость, простота монтажа, большая прочность при низких температурах, отсутствие искрообразования при ударе и ферромагнитных свойств. Сюда входят большепролетные покрытия, где собственный вес конструкций составляет значительную часть нагрузки; стеновые ограждения гражданских зданий, к которым предъявляются повышенные эстетические требования; конструкции зданий и сооружений, находящихся в особых условиях эксплуатации (низкие температуры, агрессивная среда, взрывоопасность, недопустимость магнитных свойств, солнечный перегрев ограждений), а также в отдаленных и труднодоступных районах; складные, сборно-разборные и мобильные сооружения.

Широкая номенклатура стальных и алюминиевых конструкций и изделий в настоящее время освоена отечественными заводами. Особое значение в условиях заводского изготовления металлоконструкций приобретают унификация и стандартизация конструкций и их элементов, приведение их к определенному единообразию при сокращении общего количества типоразмеров и форм.

Наибольшее распространение получила типизация узлов конструкций, которая необходима для типизации зданий и сооружений и вместе с тем позволяет унифицировать элементы конструкций многочисленных сооружений с индивидуальными пространственными параметрами, типизация которых малоэффективна.

Разработаны и применяются типовые проекты главных зданий мартеновских и кислородно-конверторных цехов, доменных печей, радиобашен, радиомачт, пролетных строений мостов, резервуаров и газгольдеров, опор линий электропередач, унифицированных секций промышленных зданий. Заводы металлоконструкций изготавливают типовые конструкции стальных колонн для одноэтажных промышленных зданий различной высоты без кранов и с кранами грузоподъемностью до 50 т, фермы пролетом 18, 24 30 и 36 м, стальные стойки фахверков, подкрановые балки, пути подвесного транспорта, открытые крановые эстакады, транспортные галереи различного назначения, стальные оконные панели и переплеты, стеновые панели и перегородки, ворота, лестницы, площадки и ограждения. Изготавливаются также типовые легкие стальные конструкции одноэтажных производственных зданий.

Строительство зданий и сооружений с использованием металлических конструкций представляет собой индустриальный процесс сборки (монтажа) конструкций, изготавливаемых, как правило, на заводах.

Основным техническим документом, на основании которого осуществляется изготовление и монтаж конструкций, является проект металлоконструкций, который входит составной частью в рабочий проект здания (сооружения) и состоит из двух частей (стадий): КМ и КМД.

Чертежи стадии КМ (конструкции металлические) разрабатываются специализированной проектной организацией на основе проектного задания или технического проекта и содержат данные о нагрузках, расчетных усилиях и расчетных сечениях элементов конструкций, схемы взаимного расположения элементов по каждой группе конструкций (колонны, перекрытия, покрытия, подкрановые балки и т. д.), габаритные и привязочные размеры, узлы сопряжения элементов.

Чертежи стадии КМД (конструкции металлические, деталировка) разрабатываются на основании чертежей КМ конструкторскими отделами заводов-изготовителей или, в отдельных случаях, по заказу этих отделов специализированными проектными организациями.

В состав чертежей КМД входят деталировочные чертежи всех изготавливаемых на заводе изделий и монтажные схемы элементов, предназначенные для монтажа конструкций на стройплощадке.

Металл, выпускаемый в соответствии с сортаментами, поступает на заводы металлоконструкций в виде погонажа стандартной длины, определяемой условиями производства и транспортировки. Погонажный металл разрезается на отдельные заготовки, соединяя которые получают заданную проектом форму.

Резка металлов осуществляется механическим (с помощью ножниц и пил) и огневым (физическим и химическим) методами. Физический способ огневой резки состоит в проплавлении металла теплом электрической дуги или газового пламени. Химический способ резки представляет собой сжигание металла в струе кислорода, перемещаемой по заранее намеченному контуру. Огневая резка позволяет обрабатывать металл большой толщины без изменения структуры в месте реза и является единственно возможной при кривых линиях реза, но может применяться только для низко- и среднеуглеродистых и некоторых сортов легированных сталей. К алюминию, меди и их сплавам, а также к чугуну и большинству легированных сталей химический способ резки неприменим.

Для соединения металлических элементов применяют болты, заклепки, сварку, пайку и склеивание.

Болтовые и заклепочные соединения металлов осуществляются постановкой металлических стержней - болтов или заклепок - в совмещенные отверстия соединяемых элементов. Соединение происходит за счет обжатия соединяемых элементов между головкой болта и плотно навинченной гайкой (шайбой), либо между двумя головками заклепки. Для алюминиевых конструкций применяют также специальные болты с обжимными кольцами (лок-болты).

Заклепочные соединения обеспечивают надежность совместной работы соединяемых элементов как при статических, так и при динамических нагрузках, но трудоемки и не поддаются автоматизации. В настоящее время заклепочные соединения применяются только в особых случаях для очень нагруженных конструкций, работающих в тяжелых режимах (например, подкрановые балки для кранов большой грузоподъемности), и для соединения плохо свариваемых металлов (некоторые алюминиевые сплавы и отдельные марки легированных сталей). Болтовые соединения менее плотны, чем заклепочные, но проще в работе. Поэтому болтовые соединения особенно широко применяются при монтаже металлоконструкций на стройплощадке. В последние годы получают распространение термически обработанные высокопрочные болты из легированных сталей.