Конструкции металлических сооружений

СТАТЬЯ

 

КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

§ 1. НОМЕНКЛАТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Номенклатура металлических строительных конструкций в настоящее время достаточно обширна. Сюда относятся следующие конструкции:

1) Металлические конструкции промышленных зданий (фиг. 4) (цехов); основой их являются рамы, состоящие из металлических колонн, связанных поверху в поперечном направлении ригелем или стропильной фермой, а в продольном направлении — конструкцией фахверка (стен) и связей, и несущие обычно подкрановые пути (фиг. 4 и 5).

2)    Металлические конструкции гражданских каркасных зданий (фнг. 6), состоящие из поддерживающих колонн, конструкций перекрытий, связей и стен (фахверка).

 

3)    Конструкции специальных большепролетных зданий (фиг. 7): рынки, вокзалы, эллинги для стоянки дирижаблей, судоверфи, ангары для самолетов (фиг. 8).

4)    Конструкции металлических мостов и кранов (фиг. 9, 10).

5)    Башенные конструкции, как-то: конструкции оборудования линий электропередач (фиг. 11) и связи, как опоры линий передач, радиомачты и башнн — водонапорные башни, маяки, вышки для бурения, для шахтных копров (фиг. 12) и т. д.

6)    Конструкции резервуаров (фиг. 13), газгольдеров, цистерн, трубопроводов, дымовых труб, доменного хозяйства, объединенные под названием листовых конструкций.

Кроме того металлические конструкции широко применяются в качестве элементов зданий н сооружений, возводимых из других материалов, особенно в виде прогонов, балок н стропильных ферм, устанавливаемых на стены или колонны из железобетона, камня или кирпича.

Все этн конструкции имеют ту общность, что изготовляются прн помощи одинакового оборудования, следовательно на одних и тех же заво-

дах или -мастерских. Кроме этой производственной общности они имеют и конструктивную общность в том смысле, что могут быть разделены на одинаковые конструктивные элементы, каковыми являются: а) оплошной элемент, работающий на изгиб,— балка; б) сквозной (решетчатый) элемент — ферма; в) элемент, работающий на сжатие или на сжатие с изгибом,—-стойка или колонна, арка н рама; г) элемент, работающий «а растяжение,-—подвеска или тяга и наконец д) тонкий сплошной элемент — пластина или лист, работающий преимущественно на осевые силы в двух направлениях своей поверхности.

 

 

Это основные элементы, из которых компонуется сооружение, и составляют предмет изучения первой части книги.

§ 2. ЭЛЕМЕНТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Металлические конструкции различного назначения состоят из следующих элементов, находящихся между -собой в органической связи.

1. Конструкции промышленных зданий

Конструкции промышленных зданий состоят из металлического остова или каркаса, несущего наружную оболочку здания (стены и крыша).

Основой металлического каркаса являются главные колонны, закрепляемые в фундаментах и располагаемые в продольных рядах на известном расстоянии — «ш аге» колонн Друг от друга (фиг. 14).

Шаги колонн устанавливаются с определенной градацией, зависящей от назначения сооружения; величина, определяющая наименьшее расстояние между поперечными конструкциями, называется продольным модулем здания. Все шагн колонн, которые могут быть различны в разных рядах, должны быть кратны модулю (фиг. 15), который таким образом является основным фактором типизации продольных конструкций, а также поперечных, поскольку нагрузка на них зависит от продольного модуля. В настоящее время выясняется, что для большинства производств можно назначить продольный модуль в 6 м н иметь градацию шагов колонн в б, 12, 18, 24, 30 м — в зависимости от назначения цеха и размещения оборудования.

Расстояние между осями колонн (их верхних частей) в поперечном направлении представляет пролет цеха. Пролет цеха определяется поперечной планировкой цеха; рационально его устанавливать в целых метрах.

В соответствии с пролетом цеха устанавливается пролет кранового мостя, который должен быть выбран в соответствии с ОСТ 6769. Крайне целесообразно и для большинства производств возможно установить пролет цеха также кратным модулю в 12, 18, 24 т и т. д., что увеличивает возможность стандартизации и типизации конструкций.

Прямоугольник, определяемый наибольшим шагом колонн, называется «ячейкой» цеха (фиг. 14 и 15). Продольные ряды главных колонн несут подкрановые балки, по которым в пролетах цеха ходят крановые мосты. Поверху в продольном направлении главные колонны связываются подстропильными фермами, поддерживающими поперечные стропильные фермы (фиг. 14 н 15). Крайние колонны связываются еще продольным членением наружного каркаса стен. Если расстояние между колоннами велико, ригели наружного каркаса поддерживаются кроме того промежуточными вертикальными стойками, делящими шаг колонн на равные промежутки.

Стропильные фермы располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Это расстояние, называемое шагом стропил, берется в простом отношении к шагу основных колонн н принимается обычно равным модулю, т. е. 6 м. Стропильные фермы, расположенные в плоскостях главных колонн, связываются с колоннами и образуют вместе с ннмн поперечную раму цеха (фиг. 14—16). Прочие стропильные фермы укрепляются в подстропильных фермах, располагаемых обычно в плоскостях колонн

3 Зан. 5809. — Курс металл, конструкций.    33 в продольном направлении (фиг. 14). Стропильные фермы соединяются между собой горизонтальными или продольными (-ветровыми) связями, помещаемыми в первых панелях верхнего или нижнего пояса ферм

вдоль колонн и на торцах блока у температурных швов (фиг. 16). Связи эти являются основными. На этн связи опираются верхние концы промежуточных стоек каркаса (фиг. 17). Когда этн связи расположены в плоскости

нижнего пояса стропильных ферм, они образуют с подстропильными фермами жесткий двугранный угол (фиг. 14). Кроме того конструкции соединяются связями, расположенными в плоскости верхнего

пояса стропильных ферм н связывающими две стропильные фермы. Они помещаются обычно у торцов ячейки, работают на ветровую нагрузку, действующую на торец здания, и имеют монтажное значение, сообщая устойчивость в горизонтальной плоскости соседним стропильным фермам, соединенным с крайними помощью ‘прогонов (фиг. 16). Третью категорию связей составляют вертикальные связи, расположенные в плоскостях некоторых стоек ферм и связывающие две соседние фермы в пространственный блок. Иногда этот блок стягивается связями и в плоскости ннжнего пояса соседних стропильных ферм. Однако это не является обязательным.

Стропильные фермы несут прогоны, которые поддерживают кровлю. Кроме того на стропильных фермах укрепляется конструкция фонарей. Иногда кровля и прогоны помещаются на специальной поддерживающей конструкции, укрепляемой на стропилах.

При большой длине цех делится температурными сквозными швамн на температурные блоки (фиг. 16). В каждом температурном блоке должна быть продольная конструкция, обычно в виде вертикальных связей, для передачи опорам воздействий от продольных сил, возникающих вследствие температурных деформаций цеха н торможения крановых мостов на подкрановых балках. Обычно эта конструкция помещается в середине температурного блока нли у его краев (фиг. 16).

Конструкции цеха работают на воздействия: атмосферных сил, каковы снег н ветер, веса конструкции, крановой нагрузки н инерционных сил крановых мостов, перемещающихся по подкрановым балкам.

Атмосферные силы действуют на внешнее ограждение здания; давление снега н ветра, действующее на кровлю н фонари, передается прогонам, затем стропильным фермам и далее через подстропильные фермы илн непосредственно — колоннам; точно так же передается собственный вес кровли, прогонов и стропил, образующих конструкцию шатра. Давление, действующее на боковые стены, передается при помощи ригелей каркаса на колонны н прн помощи стоек — на горизонтальную продольную ферму, соединяющую стропильные фермы, и оттуда-—на колонны. Давление ветра с торцевой стороны передается при помощи торцевых связей на колонны и оттуда вертикальными связями — на фундамент. Вертикальная нагрузкакрановых мостов передается через подкрановые балки колоннам; инерционные усилия крановой нагрузки от торможения передаются через специальные тормозные фермы, расположенные в плоскости верхнего пояса подкрановых балок (от поперечного торможения), и на вертикальные связи, располагаемые в каждом температурном блоке (фиг. 16 и 17) (от продольного торможения).

 

Конструкцн и балочных клеток, площадок, перекрытий состоят из продольных н поперечных балок, опирающихся на колонны н поддерживающих настил (фнг. 18).

Основой конструкции являются главные балки, располагаемые в плоскостях основных колонн; расстояние между колоннами в ряду определяет пролет главной балкн. Если расстояние между главными балками настолько велико, что его не может перекрыть настнл, то между ними размещаются поперечные, или вспомогательные, балкн, поддерживаемые главными; иногда на поперечных балках укладываются еще вспомогательные продольные балкн (фиг. 18) или прогоны н т. д. до тех пор, пока ячейка между балками не окажется настолько малой, что может быть перекрыта настилом.

Между рядами главных балок размещаются в случае необходимости поперечные связи, связывающие главные балки.

Горнзонтальных связей обычно между балками не делают, так как конструкция настила достаточно жестка для восприятия горизонтальных сил.

Площадки нли перекрытия при большой длине разделяются на участки температурными швамн; в каждом участке должна быть конструкция обычно в виде вертикальных связей или контрфорсов (подкосов) в .плоскости колонн для восприятия горизонтальных сил н передачи их опорам (фиг. 18), так что колонны -в таких конструкциях обычно не работают на изгиб, а воспринимают только вертикальную нагрузку.

2. Конструкции гражданских зданий

Конструкция гражданских каркасных зданий представляет собой ряд перекрытий (этажей), состоящих из балочной клетки, аналогичной выше описанной, и опирающихся на проходящие сквозь .перекрытия колонны. Колонны и здесь обычно воспринимают только вертикальную нагрузку; это очень упрощает сопряжение колонн с балками перекрытий. Что же касается ветровых нагрузок, весьма существенных в высоких зданиях, то они воспринимаются специальными связями (фнг. 19), располо-женнымн таким образом, чтобы здание было устойчивым прн любом направлении ветра. Размещение колонн н связей прежде всего определяется размещением н назначением помещений здания. Здесь крайне целесообразно организовать план путем принятия определенного модуля плана при разбивке колонн. Такая разбивка может привести к резкому сокращению сроков изготовления н монтажа конструкций.

3. Конструкции специальных зданий больших пролетов

Конструкции эллингов, ангаров, гаражей, складов, вокзальных перекрытий имеют такие же членения и элементы, как н конструкции промышленных зданий, но не несут обычно крановой нагрузки. Благодаря последнему обстоятельству колонны н стропила в этих зданиях имеют примерно одинаковую мощность и представляется удобным соединить их вместе в виде общей поддерживающей поперечной конструкции (арочной или рамной) (фнг. 20).

Большие пролеты требуют при этом в силу принципа концентрации материала сравнительно редкого размещения несущей конструкции и больших шагов. Последнее приводит к укрупнению несущей конструкции, которая часто делается спаренной, являющейся устойчивой, независимо от прочих элементов здания, что очень удобно при монтаже. Иногда при очень больших пролетах несущие конструкции выносятся в виде специального сооружения — арочного, рамного или висячего моста, к которому подвешены все прочие конструкции. Редкое расположение несущих конструкций усложняет промежуточную конструкцию, перекрывающую пространство между плоскостями несущих ферм, и придает ей структуру балочной клетки из сплошных или сквозных балок, смотря по принятому типу (сплошному нли сквозному), в зависимости от величины пролетов, требований производства и т. д. (фиг. 7, 8, 20).

Рассматриваемые конструкции работают на атмосферные нагрузки н собственный вес.

4. Башенные конструкции

Башенные конструкции могут быть разбиты на конструкции мачт н башен, вышек н т. д.; к первым относятся мачты электропередач, радио мачт и ко вторым — башни, маяки, «вышки для бурения, для ветровых двигателей, шахтных подъемников и пр.

 

Мачты -и башни (фиг. 11, 12 иа21) работают на атмосферную нагрузку (ветер и снег), полезные нагрузки (вес проводов, нх натяжение у мачт,вес резервуаров (фиг. 22) и оборудования у башен и т. д.) и собственный вес конструкции. Особенностью этих конструкций является сравнительно значительная величина горизонтальных нагрузок, часто определяющих форму сооружения, например уширение конструкции книзу (фиг. 47 и 73).

 

Это уширение сильно удорожает конструкцию; оно может быть заменено ветровыми оттяжками, укрепляющими стержень мачты в один или несколько ярусов (фиг. 23). Иногда оттяжки делаются жесткими.

Конструкции всех этих сооружений ввиду различия нагрузок, места приложения их и большого относительного значения горизонтальных нагрузок весьма разнообразны. Все же в большинстве случаев они представляют пространственные сквозные брусья, которые могут быть разбиты на плоские фермы (за исключением некоторых частных случаев, например ги-

перболических башен Шухова), укрепленные -в целях устойчивости и неизменяемости поперечными связями и диафрагмами. За последнее время и здесь, хотя в меньшей степени, появляются сплошные системы.

5. Конструкции пролетных строений мостов и кранов

Эти конструкции (фиг. 24, 25, 10) состоят: 1) из главных ферм, работающих на основную вертикальную постоянную и временную нагрузку и передающих ее опорам; 2) проезжей части (фиг. 25), непосредственно воспринимающей воздействие этих нагрузок и передающей их главным фермам; 3) связей, работающих на горизонтальные нагрузки и связывающих главные фермы в один устойчивый пространственный брус. Конструкция проезжей части представляет собой обычно балочную клетку из продольных и поперечных балок, опирающихся на главные фермы. Конструкция главных ферм осуществляется в виде сплошных или сквозных балочных, арочных или висячих систем; конструкции связей представляют собой обычно сквозные балочные фермы. Сюда же по конструктивному оформлению могут быть отнесены подвижные мосты-перегружатели (фиг. 26) или неподвижные эстакады для перемещения грузов, скиповые мосты доменных подъемников и т. д.

Все эти конструкции работают на вертикальную временную и постоянную нагрузки, воспринимаемые проезжей частью и главными фермами, и на инерционные усилия при перемещении временной нагрузки, которые воспринимаются проезжей частью и главными фермами, когда они направлены вертикально, проезжей частью и связями, когда направлены горизонтально.

6. Листовые конструкции

К этим конструкциям относятся резервуары, трубы, газгольдеры, домны, кауперы, скруберы и пр. Они представляют собой листовую оболочку, укрепляемую в случае ее недостаточной устойчивости дополнительным каркасом или остовом (фиг. 13, 27 и 28).

Оболочка состоит из листов, раскроенных и выгнутых согласно ее очертанию и склепанных или .сваренных друг с другом; остов —из верти-

кальных стоек и горизонтальных .ригелей и ребер перекрытий в (виде сквозных или сплошных ферм.

Листовые конструкции работают на атмосферные нагрузки, вес конструкций и воздействие заключенных в них жидкостей и газов.

§ 3. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Металлические конструкции являются конструкциями недавнего ‘происхождения, несмотря на .все свое разнообразие. Это объясняется преимущественно тем, что широкое развитие металлургии железа и стали относится ко второй половине XIX в. 1

1. Начальный период (до середины XIX в.)

Идея применения металла в конструкциях возникла (в том числе у нас па Урале) уже в первую половину XVIII в. М. Однако лишь со второй половины XVIII в. металлические конструкции получили распространение в странах и районах, непосредственно связанных с добычей металла. Это в первую очередь относится к юго-западу Англин, где в 70-х годах XV111 в. появились металлические мосты н конструкции перекрытий мастерских.

Конструкции были чугунные, литые, сболченные нз косяков или кузнечные, с соединениями на замках или посредством горновой сварки. Примерами таких конструкций могут служить большой арочный мост через р. Северн (Severn), первый металлический мост, ^построенный в 1776 г. (фнг. 29), н перекрытие цеха, изображенное на фнг. 30- Одной из первых металлических конструкций является знаменитый Эдн-

стонскнй маяк, сооруженный в 1755 г. нз чугунных косяков Смитсоном (Sniitson), одним из главных поборников применения металла.

Уже « ту эпоху Урал был металлургической базой международного значения. На Урале весьма рано появились металлические конструкции; первые нз них относятся

даже к началу XVIII в. (перекрытие крыльца башни Невьннского завода пролетом 12.«) (1725 г.)]; затем металлические конструкции получили широкое распространение на Уральских заводах, Тульском и др. 14.

Значительно более ’Высокое качество чугуна и железа но сравнению с деревом заставляло прибегать к металлу в наиболее ответственных конструкциях при больших пролетах, потребность в которых быстро росла. Поэтому чугунные конструкции распространились очень быстро н -в других странах. Наиболее -передовой страной оказалась в этом отношении Франция благодаря своим большим потребностям промышленности н высокому развитию теоретической -мысли. В качестве ответственной французской конструкции этой эпохи можно указать на стропила здания Театра французской комедии (фиг. 31), представляющие разрешение достаточно сложной инженерной задачи. Следует отмстить, чго аналогичная конструкция была осуществлена у нас в тот период на Тульском заводе. В конце XVIII в. чугунные конструкции начали появляться в Германии.

В эту эпоху главенствовали чугунные -конструкции, поскольку металлургия сварочного железа была еще очень примитивна (кричный процесс) и не могла удовлетворить потребности в больших изделиях. В самом конце XVIII в. (1784 г.) в Англии появилось пудлингование И; однако оно получило промышленное значение лишь с 1010 г. Одной нз первых крупных конструкций, -выполненной из сварочного железа, был мост Des beaux Arts в Париже (1803 г.) с арочными -фермами пролетами около 20 .« нз выковаи-

ных железных полос брускового сечения, связанных хомутами, и с снадарочны-м пролетным строением (фнг. 32). В том же году такая же конструкция была предложена для -первого купола над складским помещением .в Париже пролетом в 30 м М. Однако он был осуществлен нз чугуна-. Отсутствие проката, -который появился в самых примитивных формах только в 1819 г. в Лотарингии М, ставило развитию железных конструкций большие трудности, почему распространялись преимущественно чугунные конструкции, осуществлявшиеся в литье н являвшиеся значительно более удобными. Чугун по своим свойствам приспособлен к восприятию сжимающих сил и к сплошным конструкциям; поэтому свод, -колонны, купол н балка являлись основными типами металлических конструкций. «Ферма осталась вне области металлических конструкций, продолжая в эту эпоху (начало XIX -в.) резко прогрессировать в дереве, что подготовляло почву для -будущего быстрого развития Металлических ферм на базе хорошо разработанных деревянных.

Оплошные конструкции наиболее просты по игре сил н поэтому первые подверглись теоретическому анализу. Здесь должны быть в -первую очередь отмечены работы Навье <5> (1826—1936 гг.), выявившие рациональность тина двутавровой балки симметричного н несимметричного сеченнн; этн работы были немедленно использованы в чугунных конструкциях, ,в которых был легко освоен тип несимметричной чугунной балки прямолинейного и криволинейного -очертания как сплошной, так н с проемами. Затем следует отметить работы Ронделэ И, Дюло М (1’820 г.), позднее Годкин-сонаМ (1-840 г.) по устойчивости колонн, установившие рациональность полых сеченнй, также весьма удобных для чугунного литья. Пролеты таких чугунных балок в гражданском строительстве достигали достаточно больших величин —19 ч (перекрытие в Вене Diana-Bad) (1820 г.) М.

Сочетание чугунных колонн с чугунными балками перекрытий дало рациональный тип каркасного металлического здания, широко применнвшийсн для многоэтажных складских и фабричных зданий и переживший XIX в. (фиг. 33). Большинство фабричных зданий московских и подмосковных мануфактур, сооруженных в 50—90-х годах прошлого столетия, построены но этому типу и до сих пор эксшгоатируются. Во всех этих конструкциях чугун показал себя как прекрасный строительный материал. Даже

в железнодорожных мостах, следовательно в самых для себя неблагоприятных условиях, чугунные балки проработали на английских железных дорогах около 60 лет, и только в 90-х годах‘XIX в- началась нх генеральная смена I10! вследствие возросшей нагрузки и появления трещин старения.

Столь же удачной оказалась работа чугуна на сжатие в арках и сводах. Кроме целого ряда прекрасных чугунных мостов, бывших вначале в середине XIX в. главенствующим типом арочных мостовых конструкций (фиг. 34), здесь можно отметить ряд чугунных куполов, начиная с первого металлического купола пролетом 33 м, сооруженного в 1811 г. в Париже (Halle du bid) (фиг.’ 66). В Ленинграде из чугуна был осуществлен купол б. Исаакневского собора (ныне Центральный антирелигиозный музей) пролетом 24 м (фиг. 36), представляющий собой мощное сплошное чугунное перекрытие, поддерживающее наружную оболочку кровли н внутренний плафон.

Гражданские металлические конструкции этого первого периода получили свое завершение в «Хрустальном дворце», первом каркасном металлическом зданнн — павильоне, сооруженном для Всемирной лондонской выставки 1654 г. со специальной целью демонстрации достижений металлических ашнструкций (фиг. 37).

Малая экономичность работы чугуна на растяжение повысила, хотя далеко не сразу, конкурентоспособность железных ‘конструкций. Здесь прежде всего следует отметить применение смешанных железо-чугунных конструкций в виде сплошных

 

коробчатых балок с чугунным верхним поясом н железны-м нижним (40-е годы XIX в.), железо-деревянных стропильных ферм, в которых растянутые элементы заменены железными тягами, а сжатые выполнены из дерева, а затем чугун и о-железиых ферм, в которых дерево было заменено чугуном. Созданная Полонсо (IS39 г.)!11»1*] удобная для смешанных материалов ферма (фиг. 38) дала большое преимущество этой системе перекрытий и обеспечила их развитие вплоть до конца XIX в. Большим преимуществом этой системы являлось наличие в ней болтовых соединений с проушинами, благодаря чему она базировалась на кузнечной работе я не требовала сортовых прокатных профилей. Одни нз первых ферм Полонсо были применены на перекрытии Парижского вокзала St. Lazare и в Лнлле пролетом 38 и 21 *113.141. Этот тип перекрытий на чугунных колоннах широко применялся и давал весьма приемлемые с эстетической точки зрения решения (фиг. 39). Однако нужно отметить, что первая чугуножелезная ферма, но в более примитивной форме, была применена еще в 1815 г. (перекрытие рынка Madelaine в Париже М пролетом 12 д). Этот же тип железо-чугунных ферм по чугунным колоннам широко применялся н в других сооружениях (например библиотека св. Женевьевы в Париже).

Металлические фермы начали применять для перекрытия больших пролетов там, где применение дерева было нерентабельно и не отвечало ответственности сооружения; онн появились до разработки теории ферм, данной Риттером н Кульманом только в конце 50-х годов; при нх первоначальном развитии пользовались традицией деревянных ферм. Деревянные фермы представляли собой простые треугольные фермы небольших пролетов, поэтому первой мыс1ью при переходе на большие пролеты было сочетание таких треугольных ферм.

Весьма удачным сочетанием является ферма Полонсо (фиг. 38); менее удачными оказались появившиеся в тот же период американские фермы Фннка и Больмаиа (фиг. 40), являющиеся по существу миогошпренгетьяымн системами, укрепленными тягами, весьма удобными ирн отсутствии проката н заклепочных соединений. Однако в это же время (начало (40-х годов) появились и более простые фермы с треугольной решеткой.

Создание хорошего узлового соединения в такой ферме было главной трудностью, усугублявшейся отсутствием в то время развитого клепального ‘Процесса; в первых вариантах ферм эта задача осталась неразрешенной (фермы Невнлля, 1845 г.) (фнг. 41) М.

 

 



В дальнейшем фермы с треугольной решеткой сталн развиваться но линии применения болтовых узлов. Перенесенные -в Америку вти идеи положили начало особенностям американского конструирования (фиг. 42).

2. Вторая половина XIX в. Клепаные конструкции

Появление клепального ‘Процесса и развитие проката фасонных профилей послужили стимулом к дальнейшему развитию металлических ■конструкций. И то и другое произошло в 30-х годах (прошлого столетня. Заклепка была исконным средством соединения металлических частей, хорошо освоенным в кузнечном деле, однако трудоемкость образования отверстий делали ее применение в качестве рядового соединения нерентабельным. Введение дыропробивного пресса устранило это затруднение н привело к крайне быстрому развитию клепального процесса. Одна из первых клепаных конструкций находится в Ленинграде (.перекрытие верфи на Галерном острове) и относится к началу 30-х годов прошлого столетия1. Прежде всего клепальный процесс был обращен на конструкции, несовершенство которых чувствовалось наиболее ярко. Это были балки. Поэтому немедленно (появились железо-чугунные балки, о .которых было указано выше, а в конце 40-х н 50-х годов — составные железные клепаные балки и прежде всего для больших пролетов, для которых чугунные балки были невозможны. В 1347 г. был спроектирован знаменитым Робертом Стефенсоном, а в 1850 г. сооружен огромный трубчатый мост «Британия» с пролетами .по 140 м (фнг. 43).

 

Французский инженер Фляша (Flachat) разделил трубу на две фермы, придав им хорошо изученную теоретически двутавровую форму; нм спроектирован и построен Лангонский мост через р. Гаронну (L855 г-) пролетами по 73 л. В 1858 г. Колиньоном был сооружен мост через Неман в Ковно с сплошными фермами пролетами по 70 л. Все эти мосты были -построены на базе клепального процесса, проката листов и первого фасонного профиля — уголков. От этих .мостов началась эволюция ферм, приведшая к наши Vi современным типам (фиг. 24), путем замены сплошной стенки решеткой. Сначала

густая н сложная (фиг. 44) решетка становится более н более редкой, материал концентрируется в меньшем числе стержней, которые делаются более мощными, компонуются нз жестких профилей, и наконец ферма опять приходит к треугольной решетке, той самой, которую на заре развития ферм показал Невнлль (фиг. 41). Эта эволюция принадлежала тяжелым фермам. Легкие фермы-, главным образом стропильные, получив весьма удобную для гражданских зданий форму тре,угольной фермы Полонсо нли родственных ей и крайне удобное конструктивное оформление в виде железо-чугунной •фермы с болтовыми узлами, удовлетворяли своему назначению и застыли в своей форме. Только в последней четверти XIX в. дешевизна развитого проката привела к замене сжатых чугунных элементов фермы клепаными без изменения их конструктивной формы.

Развитие проката привело также к замене чугунных колонн клепаными нз специально для колонн прокатываемого квадрантного железа (фиг. 45) М. Таким образом круглая конструктивная форма колонны осталась без изменения, но улучшилось соединение колонн с клепаными стропильными фермами благодаря возможности пропуска фасоиок между квадрантами -колонн (фиг. 45). Такая конструкция была типовой для навесов, одноэтажных складов, промышленных зданий и других зданий «утилитарного значения», когда ставились металлические колонны, что делалось далеко не часто; отсутствие верхнего транспорта, суженность производства делали обычное каменное здание, перекрытое стропильными фермами, более типовым решением. Такими являются между прочим все наши уральские металлургические цехи. В конструкциях, требовавших архитектурного оформления, например в вокзальных перекрытиях, ставились обычно чугунные колонны, более легко поддающиеся архитектурной обработке (фиг. 39).

Таким образом в эту эпоху (вторая половина XIX в.) промышленные металлические конструкции не были ведущими, скорее таковыми были металлические конструкции больших общественных зданий, в первую очередь выставочных павильонов. На

каждой всемирной выставке — в Париже (фнг. 46), Лондоне, Вене, Лионе — и на выставках меньшего значения всегда сооружались большие метатлические павильоны, демонстрировавшие богатые возможности, имеющиеся у металлических конструкций.

1ибкость я архитектурность оформления и в то же время их рентабельность и дешевизну. Венцом этой пропаганды металлических конструкции была знаменитая Эйфелева башня (фиг. 47), построенная как аттракцион для Всемирной парижской выставки 1R>9 г. ыеталлозаводчн-кпм н конструктором Эйфелем. Все эти со-йруження, рекордные но размерам и прекрасные по выполнению (фиг. 48), разви-ва ли преимущественно скяозные конструкции с клепаными чзлами, допбсмее легкие и в то время наиболее дешевое    В    соответ

ствии с этим сквозные арочные фермы появи-лиеь на ряде крупных вокзальных перекры-п|и, также составивших эпоху в металлическом •• ‘Струнровании; из nix наиболее известными яв 1яются перекрытия в Глазго IS45 г.

<ь0 v) над берлинскими юкзаламн (18«0 г.), во Франкфурте – па -Майне,

Дрездене. Лейпциге н Милане (фиг. 4У) I®. ПГ Последние два перекрытия принадлежат уже XX в. Сквозные арочные фермы стали применяться и в сооружениях более утилитарного чара» Da, как например рынки и бойни.

Широкое применение металлических конструкций, преимущественно в большепролетных перекрытиях общественных зданий, лрнието к некоторым новым типам кон

 

струкций, -как свод Феппля и купол Шведлера, интересным как первые попытки про-^•явственного решения металлических конструкций Построенные на чисто теоретнче-хГ;ой базе н достаточно сложные в изготовлении н монтаже, эти конструкции ие полу-

чили широкого распространения н <в последующую эпоху отпали и мало отразились на металлических большепролетных куполах, для которых применились обычные ребристые

решения, более легко -поддающиеся обработке. Здесь должны быть указаны купол над Ротондой в Вене, пролетом 104 л (1873 г.), куполы выставочных павильонов Париж

ских и Лионской всемирных выставок пролетом 110 м I3. в> н во Франкфурте пролетом 108 м, где уже заметен переход на более массивные сплошные -конструкции (фиг. 50) М.

3. Выделение промышленных конструкций

Промышленные конструкции выделились нэ прочих металлических конструкций после того, как в связи с развитием электрификации в цехах появился верхний транспорт и на конструкции были помещены подкрановые пути (фиг. 4 и 5), что произошло в последнее десятилетие прошлого века. Это резко повысило мощность металлических промышленных конструкций н тем отделило их от конструкций навесов- и складов

(фиг. 51). Наибольшие видоизменения получили колонны. Появление мощных колонн (вызванное появлением подкрановых путей), могущих свободно нести перекрытие, уничтожило необходимость в каменных стенах как в несущих конструкциях и сделало несущую конструкцию цеха исключительно металлической. Усиление мощности колонн и работа их на поперечные нагрузки — тормозные и ветровые—сделали невозможными

прежние типы колонн из квадрантного железа н привели к увеличению ширины колонн, что поставило вопрос об их заполнении, о овязн между расширенными стойками колонны, нз которых одна поддерживала подкрановую балку, а другая — шатер (фиг. 52). Разработанная к этому времени сквозная решетчатая форма для арочных ферм наиболее отвечала условиям производства -и была принята повсеместно Р» “1. Таким образом первые колонны промышленных цехов с крановыми нагрузками стали

изготовляться сквозными (фиг. 52). Имелись также !попыткИ’ взять н арочную форму разработанной конструкции граждански к зданий (фнг. 53). Однако наличие кранового момента, делающего работу верхней и нижней частей колонн резко различной, неблагоприятные габариты очертания арок н худшие условия монтажа делали эту

конструкцию неконкурентоспособной, и она очень быстро отпала. Цех получил свою своеобразную форму защемленных внизу ступенчатых колонн, связанных со стропильной фермой (фиг. 54). Эта эпоха—-конец XIX и начало XX в. — может быть названа эпохой образования современной конструкции цеха. Она совпала с периодом

ситьного развитии теоретических знаний в области строительной механики, вследствие чего на конструктивном мышлении сказалось значительное воздействие теоретического подхода. Конструирование схем, наиболее отвечающих теоретическому подходу, «статически ясных», как тогда говорили, считалось основным -правилом. Такими схемами в первую очередь признавались расчлененные статически определимые схемы;

в соответствии с этим конструкции рам промышленных цехов получили сложную расчлененную форму, шарнирное соединение с ригелем (фиг. 65; и фундаментом, а иногда даже форму рамы с качающейся стойкой (фнг. 56). Эти решения, идущие в разрез с условиями эксидоатации цеха, сейчас оставлены. Фермы перекрытий сохраняли преимущественно треугольную форму; эта форма отвечает, вообще говоря, темной кровле. Для освещения или отвода газов оставляли небольшой фонарь; в случае необходимости _для большего освещения между фермами оставлялись поперечные фонари (фнг. 05). Неудобства поперечного освещения, увеличение пролетов, требующее увеличения высоты фермы, появившаяся возможность устройства кровли более пологой вследствие улучшения кровельных материалов привели к ферме тр ап ецон дальне го очертания с размещением’ светового проема по наклонному поясу первой панели фермы и с фонарем на коньке. Этот тип фермы в сочетании с колоннами, защемленными в опорах, составлял обычное решение рамы промышленного цеха перед мировой войной (фиг. 57) [17].

4. Особенности американского конструирования

Американское конструирование развивалось параллельно с европейским, отличаясь некоторыми особенностями, вызывавшимися спецификой американских условий. Такими в первую очередь были значительно больший спрос на металлические конструкции, отвечавшие ‘по срокам изготовления), -монтажа н конструктивным возможностям темпам н размаху промышленной деятельности США, затем сравнительно высокая стоимость рабочей силы н достаточное количество свободного металла. В соответствии с этим во всех стадиях — чугунных, железо-чугунных и железных конструкций, которые американские конструкции -прошли наравне с европейскими, можно отметить значительно большие размеры конструкций, особенную заботу о простоте соединений для ускорения сборки и большую грузность и примитивность конструкций, дающие меныиую трудоемкость. Это особенно ярко отразилось на двух наиболее характерных представителях американских конструкций: мостовых (фиг. 58), в которых в целях упрощения сборки развивались болтовые узлы, несмотря иа эксплоатационные недостатки, и на конструкциях небоскребов (фиг. 6), которые все построены на простейших сочетаниях вертикальны^ и горизонтальных элементов.

Весьма характерны для американских конструкций н более ускоренные темпы развития. Американские металлические конструкции появились позже европейских, н в первую половину XIX ,в. их применение было очень невелико, что в первую1 очередь было связано с обилием леса прекрасного качества. Поэтому чугунные конструкции в США были развиты слабо, и они сооружались как уникумы (например мост через р. Потомак в Вашингтоне); типовыми металлическими конструкциями начального периода были чугуно-железные фермы ‘(Финка и Больмана) (фиг. 40) американской системы, постепенно заменяющие желез о-деревянные и деревянные фермы 118С Как и в Европе, но еще в большей степени в США оказало влияние на развитие металлических конструкций усиленное строительство железных дорог как вследствие возросшего спроса иа конструкции (мосты), так н вследствие расширения металлургических производств и

 

 

 

 

 

проката, т. е. таких производств, которые требуют для себя металлических конструкций. Особенно эта тенденция усилилась, точно так же как н в Европе, после введения про-пессов Бессемера н Мартена — производств, получивших в США весьма раннее н широкое развитие. Вследствие этих причин и того, что в Америке не укоренилась традиция каменного фабричного строительства, фабричные цехи раньше эмансипировались н получили крупные размеры, особенно требующие    металлической кон

структивной формы. Последняя получилась той же, что и в Европе,    в виде системы ко

лонн, связанных с перекрытием.

Однако стремление к уменьшению трудоемкости и большие нагрузки привели здесь к раннему    появлению сплош

ных конструкций. В то же время американские инженеры, мало связанные -расчетными требованиями,    -всецело учитывая опыт

эксплоатации, не стремились к «ста-‘тически ясным» схемам, а делали нх возможно более жесткими (фиг. 59).

Увеличение жесткости рам прн треугольных    фермах достигалось    по

мощью подкосов (фиг. 59); затем в силу условий, указанных выше, треугольные фермы были заменены трапецеидальными, с тем различием, что американцы сохранили жесткое соединение колонн с ригелем (фиг. 61)[1В].

Развитие производств вызвало необходимость в перекрытии больших площадей цехов и потребовало особых забот об аэрации и освещении. Вследствие этого были разработаны самые разнообразные типы фо-парей. Американские инженеры в от-[лнчие от европейских стремились к унификации конструкции и рассматривали фонари как -надстройки, что привело в конечном счете к стандартному типу сквозной фермы с параллельными поясами (фиг. 60). Вся эта эволюция конструкций промышленного цеха закончилась к первому десятилетию текущего столетия !3°1.

Строительство небоскребов развилось в более позднюю- эпоху американского строительства, начиная с 80-х годов прошлого столетия, в период наиболее ярко выраженной •конкуренции н (роста стоимости застройки. Наибольшее свое развитие •но получило во втором десятилетии текущего столетня. Полная идентичность конструкций, простые сопряжения н стыки, наибольшая -концентрация трудоемких элементов (связи), широко развитая строительная индустрия приводили к рекордным скоростям строительства- Так, здание в 28 этажей на 101 улице в Нью-Йорке было сооружено с полной отделкой в 4,5 месяца !30!. Самое высокое здание в -мире Empire State Building (фиг. 62) (высота 382 м) было сооружено в 15 месяцев’ и т. п. 1£11. Такие рекордные сроки возведения возможны только за счет специально приспособленной конструкции и широкого развития параллельных работ.

Из других крупных гражданских американских сооружений этой эпохи дот-жны быть отмечены конструкции выставочных павильонов на Котумбийской выставке в Чикаго 1893 г. пролетом 312 v (фиг. 63), принадлежащие до сих пор к самым -большим по пролету и высоте перекрытий, центральный вокзал Пенсильванской ж. д. в Нью-Йорке н др. (фиг. 64).

5. Послевоенный период развития конструкций

Послевоенный период в связи с мировым кризисом отличался не столько новыми творческими достижениями, сколько рационализацией существовавшей конструктивной формы. Здесь прежде всего должно быть оi мечено введение сварки, явившейся новым

фактором в развитии металлических конструкций и сразу завоевавшим себе прочное место в заводском производстве ввиду общего сокращения продукции и незагруженное™ заводов. Наиболее соответствующая сплошным конструкциям сварка содействовала внедрению сплошных конструкций взамен господствовавшего ранее типа сквозных систем. Развитие конструкций после ослабления кризиса сохранило те же тенденции, расширилась только область их применения. Здесь прежде всего должно быть от-

 

мечено появление металлических складчатых конструкций (фиг. 65), жестких пространственных ‘перекрытий, оказавшихся весьма целесообразными для большепролетных сооружений (ангаров) l—J и башенных конструкций в связи с развитием радиосвязи (фиг! 21), а также развитие металлических конструкций в мелком жилищном строительстве (фиг. 66) и общественных зданиях I-3.211. Промышленные конструкции, напротив, получили весьма малое развитие.

6. Особенности советского конструирования

В дореволюционной России метал тические конструкции в гражданском строите 1ьстве применялись в кезначите 1ьном количестве, почти исключительно в виде стропильных ферм. Кроме стропильных ферм б- Александрийского театра в Ленинграде интересны кованые из брускового жетеза стропила Кремлевского дворца в Москве, сооруженные ч 40-х годах прошлого столетия, пролетом около 60 футов.

В середине 60-х годов появились железо-чугунные, а затем железные стропильные фермы треугольной системы с болтовыми узлами, которые в скором времени стали главенствующей, можно сказать, даже единственной, конструкцией металлических перекрытий. В самом конце XIX в. появились изящные арочные стропила академика Шухова, -представ тяющие собой тонкую арку с радиальными затяжками (перекрытия ‘пассажа Московских рядов, ныне здание Гума), но они .не .получили распространения за неимением соответствующих строительных объектов. Каркасных промышленных зданий почти не существовало; преимущественным типом фабричного здания было каменное с металлическими перекрытиями, в больших цехах часто трехпролетное с двумя Ридами чугунных, круглых железных или сквозных колонн, с консольными фермами и треугольным фонарем’ (фиг. 67). Лишь ® первом десятилетии текущего века стали появляться более совершенные ‘промышленные здания, главным образом иа металлургических заводах и заводах машиностроения столиц и юга )заводы Гужона, франко-русский, «ыке «Красный Октябрь» в Сталинграде, и др-). В конструкциях этих заводов «.опасно западноевропейским образцам, указанным на фиг. 52—56, развивалась исключите тьно сквозная форма (фиг. 67), вполне отвечавшая основной установке русской

школы конструкторов, воспитанных на хорошо развитом мостовом строительстве именно экономии металла.

Арочные перекрытии общественных зданий в дореволюционной Россия также были представлены весьма бедно; кроме -небольших рынков, Сенного в Ленинграде и Киевского, «можно отметить перекрытия вокзалов Октябрьской ж. д. с небольшими пролетами— 22 jk, и только в последнем сооружении дореволюционной России, перекрытии Киевского вокзала в Москве (фиг. 68), пролет достиг 46 jk, что приближается к размерам основных западноевропейских вокзалов.

Таким образом, когда после Октябрьсхой революции социалистическое строительство «предъявило в совершенно новых масштабах запросы к -металлическим конструкциям промышленных, а потом гражданских зданий, русские инженеры оказались к ним, о отличие от мостового конструирования, мало подготовленными, ие нмеи ни традиций, ни опыта. Поэтому неизбежно пришлось обратиться к заграничному опыту.

Вначале в основу были положены немецкие образцы как более знакомые, и конструирование s 20-х годах «прошло под этим влиянием (фиг. 69)- Но упомянутые конструкции не могли отвечать темпам нашего строительства, вследствие чего с началом первой «пятилетки был взят курс иа американские методы проектировании. Надлежит иметь в виду, что созданная за эти годы советская конструкторская школа не копирует американской, а дает сочетание американских приемов е высоким теоретическим уровнем советской науки. Приняв от американцев положение о первейшем значении понижения трудоемкости конструкций н ускорения монтажа и как следствие положение об упрощении соединений, советская школа сохранила аналитический подход к сооружению, выразившийся в изучении производствеинных и весовых показателей конструкции «и в детальном выявлении оптимальных по -весу, но не трудоемких схем. В соответствии с этим изменились и типы конструкций; -появился очень сильный акцепт на сплошные конструкции, особенно в области колонн и балок (фиг. 70); получили сильное развитие связи и компоновка цеха в виде жестко связанной в продольном и поперечном направлениях пространственной коробки-—блока; уменьшились и упростились габариты и очертания конструкций в целях их большей транспортабельности и обрабатываемости; упростились стыки. О развитии наших конструкций за последние 10—12 лет можно судить по фиг. 71, на которой для сравнения показано изменение конструкций н размеров наших мартеновских и прессовых цехов. Вся эта эволюция резко снизила трудоемкость конструкций, увеличила жесткость и в то же время ие подняла их весовых характеристик, показав, что при умелом подходе и детальном анализе схем оба процесса могут развиваться параллельно. Диаграмма на фиг. 72 иллюстрирует прогресс нашей советской школы; иа диаграмме показана сравнительная характеристика.

 

 

рактеристика наших тяжелых мартеновских цехов., запроектированных в последнее время основными проектными организациями  Промсгройпроектом и Стальконструкцией (фиг. 72)

Вторым отличием последней эпохи конструирования является введение электросварки. Электросварка — русское изобретение; ее основатели Славянов и Бенардос «были русскими инженерами, однако в дореволюционной России сварка в течение 36 лет своего существования ие имела никакого применения; лишь после того, как она была освоена за границей в послевоенную эпоху, она перешла к нам и, ‘получив широкое

 

применение, также повлияла ета изменение конструктивной формы. В условиях нашего ‘быстро развивающегося строительства нам прежде всего пришлось использовать сварку

как метод, упрощающий изготовление конструкций и расширяющий нашу производственную базу; поэтому в первую очередь сварка была обращена на стропильные фермы, колонны и малые балки, изготовляемые при помощи простейшего сварочного процесса — ручной сваркой и валиковыми швами. Значительно позже, по мере развития сварочных щехов заводов, у нас получает распространение более совершенная сварка стыковыми швами; наиболее приспособленная к сплошным конструкциям, особенно при применении автоматов, она усиливает позиции сплошных -конструкций. Сварка стальных конструкций «а автоматах сейчас осваивается трестом «Сталькон-струкция». Нужно отметить, что усиление клепального оборудования наших заводов также стимулирует переход к сплошным ковструкциям, вследствие чего эта тенденция является очень заметной.

Третьим отличием современной эпохи является значительное расширение номенклатуры осуществляемых конструкций. Кроме промышленных конструкций в узком смысле этого слова, занимающих доминирующее положение, мы имеем широкое развитие башенных конструкций радиосвязи (фиг. 73) и линий электропередач, зданий специального назначения, связанных с воздухоплаванием, эллингов и ангаров, судоверфей, широкое развитие резервуариог* дела, трубопроводов, резервуаров, газгольдеров (фиг. 74), домеи и других листовых конструкций (фиг. 75). Несущие конструкция величайшего сооружения современ Дворца Счетов осуществляются из металла (фиг. 76), что способствует , нейшему развитию металлических конструкций.

Если нашли ошибку то выделите 2-3 слова и нажмите Ctrl+Enter

Отправить ответ

avatar

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: