В предлагаемом справочнике рассмотрены основополагающие принципы выбора рациональной конструктивной формы зданий и сооружений из металла, приведены рекомендации и основные указания, необходимые для профессионально грамотного выполнения расчетов, разработки проектной документации и реализации проекта на заводе и строительной площадке. Материалы справочника в сжатом и систематизированном виде знакомят с передовым отечественным и зарубежным опыгом проектирования металлических конструкций различного назначения, содержат последние сведения об особенностях применяемых материалов, профилей проката, видов соединений, дают представление о современных идеях, технических приемах и методах повышения эффективности использования металлических конструкций зданий и сооружений.
В развитии конструктивных форм металлических конструкций в нашей стране обычно отмечают три характерных этапа. Первый этап - дореволюционный, когда создание конструктивной формы было подчинено требованию экономии металла и основывалось на успехах практических достижений строительной механики конца XIX - начала XX веков, обеспечивающих возможность получения теоретически оптимальных схем.
На втором послереволюционном этапе конструктивная форма, принимаемая на основе минимума веса, стала испьггывать постепенно усиливающееся влияние перехода от кустарных способов изготовления и монтажа к механизированным индустриальным методам выполнения этих видов работ. Одновременно с этим несоизмеримые по сравнению с предьщущим этапом масштабы строительства делали все более острой проблему существенного увеличения производства металлоконструкций и снижения трудоемкости их изготовления. Под влиянием изложенных объективных факторов к конструктивной форме стали предъявляться наряду с экономией металла требования снижения трудозатрат при производстве и возведении, а также обеспечение необходимой долговечности при существенно ужесточающихся условиях и режимах эксплуатации.
Заметным событием этого периода, оказавшим большое влияние на последующее развитие металлических конструкций, было внедрение электродуговой сварки. Переход на сварку вместо клепки привел к необходимости пересмотра не только принципов формообразования конструкции, но и способов их изготовления и монтажа.
На третьем послевоенном этапе, вплоть до начала 90-х годов, конструктивная форма металлических конструкций испытывала возрастающее влияние трех главных воздействий:
• постоянного неутоленного спроса народного хозяйства на строительные металлические конструкции;
• конкурирующего с металлом бурного развития индустрии сборных железобетонных конструкций;
• ужесточения требований к металлическим конструкциям как естественного следствия развития науки и техники, сопровождающегося значительных ростом мощности единичных технологических агрегатов и форсированием режимов их работы, а также возникновением многих новых производств и технологий, созданием ранее неизвестных и совершенствованием традиционных эффективных материалов.
За истекшие пять десятилетий отечествеппая паука о металлических конструкциях прошла огромный путь и заняла достойное место в мировой строительной технике. Крупнейшим достижением ученых, строителей и исследователей является переход от расчета по допускаемым напряжениям па расчет строительных конструкций по предельным состояниям. Метод расчета по предельным состояниям поставил обеспечение прочности и надежности конструкции па научную основу и впоследствии получил распространение в зарубежной практике.
Фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования были выполнены по уточнению расчета традиционных стержневых и оболочечпых конструкций. Разработаны и внедрены в практику методы расчета конструкций па сопротивление хрупкому и усталостному разрушению. Проведены многочисленные исследования, обосновывающие возможность учета нелинейной работы материала в упругопластической стадии. Изучен механизм прострапствеппого перераспределения усилий, использование работы некоторых элементов в закритической стадии.
Исследована рациональность применения стержней с весьма гибкими стенками при работе па поперечный изгиб, подтверждена рациональность использования Байтовых, висячих и мембранных систем, разработана теория их расчета и принципы формообразования с учетом изменчивости всех параметров, их физической и геометрической пелипейпости. Заметный эффект был достигнут благодаря повышению расчетных сопротивлений стали в результате разработки теоретической модели связи между количеством отказов конструкции и уровнем расчетного сопротивления материала.
На основании анализа зданий и сооружений по степени экономической и социальной ответственности ЦНИИСКом были разработаны предложения по дифференциации коэффициента надежности по назначению; включение в нормы этих коэффициентов, равных 0,95 и менее, для большинства рядовых зданий и сооружений позволило снизить расход стали пе менее чем па 3 %.
Послевоенный период также ознаменовался широкой модернизацией технологии заводского изготовления металлических конструкций и интенсивным строительством новых предприятий по производству стальных и алюминиевых конструкций с использованием современного оборудования, поточных и автоматизированных технологических линий.
С позиций существенной экономии металла и расширения целесообразной области применения металлических конструкций особого акцепта заслуживает широкомасштабная совместная работа строителей и металлургов страны по созданию, всестороннему исследований и промышленному внедрению сталей и сплавов с высокими прочностными характеристиками, а также по совершенствованию и разработке новых эффективных горячекатаных и холодпоформоваппых профилей. Эта работа вооружила проектировщиков богатейшим арсеналом средств для решения насущных задач капитального строительства.
Разработаны и широко используются низколегированные стали повышенной и высокой прочности, термоупрочпеппые с прокатного нагрева углеродистые стали, атмосферостойкие стали, хладостойкие стали для северного исполнения, стали повышенной пластичности с гарантированным относительным сужением в направлении толщины проката, специальные стали для изотермических резервуаров и др. Для нужд строительства налажено производство широкополочпых двутавров и тавров, а также швеллеров и двутавров с топкими стенками, поставляются тонкостенные открытые и замкнутые гпутосварпые профили, обладающие рациональным распределением материала по сечению. Среди видов прокатных изделий особого внимания заслуживает сортамент стальных оцинкованных профилированных листов для ограждающих конструкций степ и кровель.
Благодаря применению легких ограждающих конструкций снизился расход стали на несущие конструкции, и одновременно были созданы условия для организации принципиально нового конвейерного способа сборки и монтажа крупными блоками покрытий зданий. При такой организации работ на монтаже отпадает необходимость в трудоемких и опасных операциях на высоте, появляется возможность совмещенного во времени производства работ по прокладке надземных коммуникаций, устройству полов, фундаментов под оборудование и т.п., существенно растет эффективность использования монтажных кранов, благодаря специализации рабочих на конвейере возрастает производительность и качество труда, представляется возможность непрерывного, вне зависимости от погодных условий, ведения отделочных работ.
Кровли на основе оцинкованного стального профилированного листа и эффективного утеплителя положили начало целой серии новых складывающихся мобильных каркасов покрыгий зданий. И, наконец, на базе этого нового типа ограждающих конструкций стен и кровель возникла целая отрасль так называемых легких металлических конструкций одноэтажных зданий, комплектно поставляемых на стройки со множеством специализированных заводов-изготовителей.
Целям повышения степени индустриальности, сокращению сроков проектирования и строительства, снижению их стоимости и повышению качества возводимых зданий и сооружений способствовала проведенная в послевоенный период масштабная работа по типизации проектных решений на базе унификации объем-попланировочных, конструктивных и технологических решений конструкций и изделий.
Теоретические положения и методология типизации в строительстве получили развитие благодаря трудам ученых Е.И. Белени, Н.С. Стрелецкого, К.К. Муханова, В.В. Захарова и многих других. Изыскание способов наиболее целесообразного с точки зрения всего народного хозяйства уменьшения количества различающихся элементов сопровождалось созданием методики технико-экономических исследований эффективности унификации схем и размеров, а также принципов типизации конструкций и содействовало успешному развитию типового проектирования и, в ТОМ числе, в металлостроигельстве. На описанной выше основе была осуществлена разработка типовых стальных конструкций одноэтажных промышленных зданий, градирен, транспортерных галерей, кранов-перегружателей, мачт и башен объектов связи, опор ЛЭП и др. Массовое использование типовых конструкций и типовых проектов продемонстрировало большое значение этих работ для сокращения времени проектирования объектов, а также на подготовку к строительству и размещению заказов на изготовление.
В соответствии с традициями отечественной школы проектирования металлических конструкций, берущей свое начало от таких корифеев как В.Г.Шухов и Н .С. Стрелецкий, в проектах стальных конструкций последних перед перестройкой лет начинают широко применяться новые инженерные решения, существенно повышающие эффективность капитальных вложений, сберегающие металл и труд. Распространенным приемом является использование развитых пространственных систем в виде жесткого связевого диска в уровне покрыгия или перекрыгия, опертого на неподатливые связевые системы торцов здания, вертикальные диафрагмы, подкосы или встроенные жесткие этажерки.
Оптимальным сочетанием жестких и шарнирных узлов соединений ригелей с колоннами, а также некоторым усовершенствованием расчетных схем нередко удается исключить или сократить количество продольных и поперечных температурных швов в многопролетных протяженных зданиях и благодаря этому снизить расход металлопроката.
