Основные особенности металлических конструкций и предъявляемые к ним требования.

Металлические конструкции, характеризующиеся большим разнообразием систем и конструктив­ных форм, объединены двумя основными факторами, позволяющими изучать их как единый вид.

Во-первых, исходным материалом для всех конструкций является прокатный металл, выпускае­мый по единому стандарту (сортаменту): лист, уголок, швеллер, двутавр, труба и т.п. Из этого ма­териала компонуются разнообразные конструктивные формы.

Во-вторых, все конструкции объединены одним технологическим процессом их изготовления, в ос­нове которого лежат холодная обработка металла (резка, гибка, образование отверстий и т.п.) и соединение деталей в конструктивные элементы и комплексы (сборочно-сварочные операции).

Металлические конструкции обладают следующими достоинствами, позволяющими применять их в разнообразных сооружениях.

Надежность металлических конструкций обеспечивается близким совпадением их действитель­ной работы (распределение напряжений и деформаций) с расчетными предположениями. Мате­риал металлических конструкций (сталь, алюминиевые сплавы) обладают большой однород­ностью структуры и достаточно близко соответствует расчетным предпосылкам об упругой или упругопластичной работе материала.

Легкость. Из всех изготовляемых в настоящее время несущих конструкций (железобетонные, ка­менные, деревянные) металлические конструкции являются самыми легкими.

Индустриальность. Металлические конструкции в основном изготовляются на заводах, оснащен­ных современным оборудованием, что обеспечивает высокую степень индустриальности их изготовления. Монтаж металлических конструкций также производится индустриальными метода­ми — специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники.

Непроницаемость. Металлы обладают не только значительной прочностью, но и высокой плот­ностью — непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность металла и его соединений, осу­ществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления газгольде­ров, резервуаров и т.п.

Металлические конструкции имеют и недостатки, ограничивающие их применение. Для устране­ния этих недостатков необходимо принимать специальные меры.

Коррозия. Незащищенная от действия влажной среды, а иногда (что еще хуже) атмосферы, за­грязненной агрессивными газами, сталь коррозирует (окисляется), что постепенно приводит к ее полному разрушению. При неблагоприятных условиях это может произойти через два-три года. Хотя алюминиевые сплавы обладают значительно большей стойкостью против коррозии, при неблагоприятных условиях они также коррозируют. Хорошо сопротивляется коррозии чугун.

Повышение коррозионной стойкости металлических конструкций достигается включением в сталь специальных легирующих элементов, периодическим покрытием конструкций защитными пленка­ми (лаки, краски и т.п.), а также выбором рациональной конструктивной формы элементов (без щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль), удобной для очистки и защиты.

Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200°С начинает уменьшаться модуль уп­ругости, а при t = 600°С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние ужу при t = 300°С. Поэтому металлические конструк­ции зданий, опасные в пожарном отношении (склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами, жилые и общественные здания), должны быть защищены огнестойкими облицовка­ми (бетон, керамика, специальные покрытия и т.п.).

При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие основные требо­вания.

Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием для проектировщика. Оно в основном определяет систему, кон­структивную форму сооружения и выбор материала для него.

Экономия материала. Требование экономии металла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности (машиностроение, транспорт и т.д.) и относительно высокой стоимостью.

Требовательность. В связи с изготовлением металлических конструкций, как правило, на заво­дах с последующей перевозкой на место строительства в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком или по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.

Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изго­товления и монтажа с ориентацией на наиболее современные и производительные технологичес­кие приемы, обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости.

Скоростной монтаж. Конструкция должна соответствовать возможностям сборки ее в наимень­шие сроки с учетом имеющегося монтажного оборудования.

Долговечность конструкции определяется сроками ее физического и морального износа. Физи­ческий износ металлических конструкций связан главным образом с процессами коррозии. Мо­ральный износ связан с изменением условий эксплуатации.

Эстетичность. Конструкции независимо от их назначения должны обладать гармоничными фор­мами. Особенно существенно это требование для общественных зданий и сооружений.

Все эти требования удовлетворяются конструкторами на основе выработанных наукой и практи­кой принципов отечественной школы проектирования и основных направлений ее развития.

Основным принципом отечественной школы проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышения производительности труда при изготовлении, снижения трудоемкости и сроков монтажа, которые и определяют стоимость конструкции. Несмотря на то, что эти показатели часто при реализации вступают в противоречие один с другим (так, например, наиболее трудоемкой в изготовлении и монтаже), опыт развития металлических конструкций подтверждает возможность реализации этого принципа.

Экономия металла в металлических конструкциях достигается реализацией следующих основных направлений: применения в строительных конструкциях низколегированных и высокопрочных сталей, использования наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей, изыскания и внедре­ния в строительство современных эффективных конструктивных форм и систем (пространствен­ных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т.п.), совершенствования методов расче­та и изыскания оптимальных конструктивных решений с использованием электронно-вычислитель­ной техники.

По всем этим направлениям в нашей стране ведется большая исследовательская работа, что по­зволяет систематически уменьшать удельные затраты металла (на 1 м² площади здания, на еди­ницу выпускаемой продукции и т.п.).

Эффективно и комплексно производственные требования удовлетворяются на основе типизации конструктивных элементов и целых сооружений.

Типизация металлических конструкций получила у нас весьма широкое развитие. Разработаны ти­повые решения часто повторяющихся конструктивных элементов — колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных переплетов. В этих типовых решениях унифицированы размеры эле­ментов и сопряжений. Для некоторых элементов разработаны стандарты.

Разработаны типовые решения таких сооружений, как радиомачты, башни, опоры линий электро­передачи, резервуары, газгольдеры, пролетные строения мостов, некоторые виды промышленных зданий и сооружений и даже целые «модули» — производственные здания из легких металличес­ких конструкций комплексной поставки, включающей несущие и ограждающие конструкции, и т.п.

Типовые решения разработаны на основе применения оптимальных с точки зрения затрат мате­риала размеров элементов, технологии их изготовления и возможностей транспортирования.

Типизация и проводимая на ее основе унификация и стандартизация обеспечивают большую пов­торяемость, серийность изготовления конструктивных элементов и их деталей на заводах и, следовательно, способствуют повышению производительности труда, сокращению сроков изготов­ления на основе эффективного использования более совершенного оборудования и специальных технологических приспособлений (кондукторов, копиров, кантователей и т.п.). Типизация, унифика­ция и стандартизация создают благоприятные условия для разработки и внедрения особенно эффективного поточного метода изготовления и монтажа металлических конструкций.

Типовые проекты обеспечивают экономию металла, упорядочивают проектирование, повышают его качество и сокращают сроки строительства.

Ведущим принципом скоростного монтажа является сборка конструкций в крупные блоки на зем­ле с последующим подъемом их в проектное положение с минимальным объемом монтажных работ наверху. Типизация создает предпосылки для сокращения сроков монтажа и снижения его трудоемкости, так как повторяющиеся виды конструкций и их сопряжений позволяют лучше ис­пользовать монтажное оборудование и совершенствовать процесс монтажа.