5.3 Характеристика и области применения инженерных конструкций из различных материалов
Тип и материал строительных конструкций, применяемых в современном строительстве, выбирают на основе сравнения технико-экономических показателей различных вариантов проектных решений.
При проектировании конструкции зданий и сооружений следует стремиться к снижению материалоемкости, трудоемкости и сметной стоимости строительства; снижению массы конструкций; наиболее полному использованию несущей способности материалов, а также прочностных и деформационных свойств грунтов оснований.
Металлические конструкции применяют, как правило, в зданиях и сооружениях различных типов с большими нагрузками, пролетами и значительной высотой.
Металлические каркасы с пролетами ферм покрытий более 30 м, с мостовыми кранами грузоподъемностью более 30 т и высотой колонн более 16 м применяются в тяжелом машиностроении и металлургии. Конструкции из металла применяются и при строительстве высоконапорных трубопроводов для нефти и газа, резервуаров, бункеров, ангаров, опор высоковольтных сетей, мачтовых сооружений и мостов.
В зданиях общественного назначения металлические конструкции используют при возведении спортивных сооружений, выставочных помещений, театров, каркасов уникальных высотных зданий, рынков и т. п.
Большое распространение получили типовые легкие структурные несущие и ограждающие конструкции, изготавливаемые из прокатных профилей или трубчатых элементов.
Очень перспективно применение легких алюминиевых сплавов, позволяющих получать конструкции на 40 – 50 % легче аналогичных конструкций из стали. Однако стоимость алюминия еще достаточно высока, поэтому применение конструкций из него ограничено. Их используют в основном для ограждающих конструкций (кровельные и стеновые панели), для обвязок оконных и дверных проемов, а также в сборно-разборных (инвентарных) и передвижных зданиях, применяемых иногда в сельскохозяйственном строительстве.
В строительной практике последнего времени наибольший экономический эффект дает применение висячих и предварительно напряженных металлических конструкций.
Среди сооружений, возведенных в России из металлических конструкций, следует отметить крытый стадион на 45 тыс. зрителей спортивного комплекса “Олимпийский” в Москве. Покрытие стадиона выполнено из висячей растянутой оболочки в виде стального листа толщиной 5 мм (рис. 5.1).
В сельскохозяйственном строительстве применяют комплекты стальных полносборных конструкций производственных зданий.
Железобетонные конструкции из сборного и монолитного железобетона с ненапрягаемой и предварительно напряженной арматурой являются основными в современном строительстве.
Заводы сборного железобетона выпускают широкую номенклатуру различных конструкций из тяжелых и легких бетонов: стеновые блоки и панели, колонны, плиты перекрытий и покрытий, фермы, рамы, балки и арки, фундаментные блоки, элементы пространственных покрытий (оболочки).
а
– общий вид стадиона; б – поперечный
разрез; 1 – мембрана из стального листа;
2 – центральное кольцо; 3 – радиальные
висячие фермы; 4 – железобетонное опорное
кольцо; 5 – стойки с шагом 20 м по периметру
здания
Рисунок 5.1 – Крытый стадион в Москве
Сборные конструкции наиболее целесообразны в массовом жилищном и гражданском строительстве, а также при возведении зданий и сооружений промышленного и сельскохозяйственного назначения.
Сборные конструкции рекомендуется применять в зданиях с пролетами до 24 м и шагом колонн до 12 м включительно, при высоте зданий до низа стропильных конструкций от 14 до 18 м, а сборно-монолитные оболочки покрытий при сетках колонн 18X24 и 18X30 м.
Монолитный и сборно-монолитный железобетон получил распространение в сейсмических районах, при строительстве в районах с теплым климатом, на грунтах, подверженных просадке и территориях, подрабатываемых горными выработками, в фундаментах и искусственных основаниях зданий, подземных сооружениях, элеваторах, башнях различного назначения и др.
В практике отечественного и зарубежного строительства успешно строят здания большой этажности в передвижной, катучей и переставной опалубке или методом подъема этажей домкратами на проектные отметки после бетонирования перекрытий на земле. Для ускорения твердения бетона применяют быстротвердеющие цементы, специальные добавки и особые методы бетонирования.
Использование предварительно напряженного железобетона позволяет снижать расход арматуры, что дает возможность экономить сталь — дорогой и дефицитный материал.
Широкое внедрение получили тонкостенные армоцементные конструкции, изготовленные из мелкозернистого бетона и армированные стальными сетками с мелкими ячейками в сочетании со стержневой арматурой. Широко применяются ненапряженные и предварительно напряженные конструкции из легких и ячеистых бетонов, позволяющие существенно снижать стоимость сооружений.
Примером использования железобетонных конструкций служит построенный в Москве универсальный, спортивный зал “Дружба”. Покрытием зала служит пологая сборно-монолитная железобетонная оболочка размером 48X48 м, поддерживаемая боковыми складчатыми оболочками (рис. 5.2).
Рисунок 5.2 – Универсальный спортивный зал “Дружба” на Центральном стадионе им. В.И. Ленина
В плане сооружение представляет собой овал с размерами по осям 88 и 96 м. Другим примером использования железобетонных конструкций является здание сборного элеватора (рис. 5.3) для хранения зерна и представляющего собой систему ячеек из силосов размерами 3X3 м каждая.
Деревянные конструкции успешно используют для строительства жилых и сельскохозяйственных зданий, а также инвентарных передвижных и сборно-разборных зданий в районах, где древесина является местным материалом.
Наиболее перспективны клееные деревянные конструкции (рис. 5.4), поскольку они индустриальны, долговечны, имеют достаточную надежность при пожаре и значительную химическую стойкость в сухих условиях (по сравнению с железобетоном и сталью).
Рисунок 5.3 – Здание элеватора
Из деревянных конструкций возводят сельскохозяйственные производственные и складские здания для хранения минеральных удобрений, ядохимикатов и других агрессивных материалов.
а – Дворец спорта в Архангельске; б – складское здание сельскохозяйственного назначения
Рисунок 5.4 – Арочные клееные деревянные конструкции
Конструкции из пластмасс начали применять лишь несколько десятилетий тому назад в связи с развитием химической промышленности. Целесообразность их применения обусловливается их небольшой массой и значительной химической стойкостью. Пластмассы часто используют в сочетании с другими материалами — алюминием, асбестоцементом, клееной древесиной (легкие трехслойные панели стен и покрытий).
Прогрессивны пневматические конструкции из пластмасс, состоящие из воздухонепроницаемых оболочек из прорезиненной ткани или армированной пленки, внутри которых поддерживается постоянное избыточное давление воздуха (0,5 – 1,5 кПа). Их используют при возведении гаражей, выставочных павильонов, спортивных сооружений и складских помещений.
Каменные и армокаменные конструкции получили распространение в основном в гражданском и сельскохозяйственном строительстве. В несущих каркасах многоэтажных зданий кирпич используют для стенового заполнения. Применение каменных конструкций эффективно при высоте жилых зданий до 16 этажей. В некоторых случаях для улучшения тепло- и звукоизоляции применяют облегченную кладку с утеплителями из пустотелых керамических или бетонных блоков, а также сплошных блоков из легких или ячеистых бетонов.
В промышленном и сельскохозяйственном строительстве из каменной кладки возводят здания небольшой высоты и ширины.
При значительных нагрузках для повышения несущей способности каменную кладку армируют, получая армокаменные конструкции.
Перед началом проектирования выполняют изыскательские работы, уточняющие геологические, гидрологические, климатические, геодезические и другие данные о строительной площадке. Исходным документом для проектирования служит задание на проектирование, в котором указывают местоположение и назначение объекта, объем, состав и габариты помещений, сроки строительства, стадийность разработки проектно-сметной документации, мероприятия по защите окружающей среды и др.
В зависимости от сложности возводимых зданий и сооружений, сроков строительства и других факторов проектирование можно осуществлять в две стадии — проект (П) и рабочая документация (РД) или в одну стадию — рабочий проект (РП).
На основании утвержденного проекта разрабатывают рабочую документацию, в которую входят рабочие чертежи, где проектные решения детализируют таким образом, чтобы стало возможным выполнение строительно-монтажных работ. Деталировочные чертежи металлических конструкций (КМД) выполняет завод-изготовитель с учетом технических особенностей завода.
Для типовых, технически несложных объектов проектирование выполняют, как правило, в одну стадию.
Для часто применяемых однотипных зданий и сооружений используют типовые проекты, которые разрабатывают наиболее компетентные проектные организации. Применение типовых проектов значительно повышает качество строительства и снижает его стоимость.
Проектирование ведут на основании утвержденных в установленном порядке и действующих строительных норм и правил (СНиП), государственных общесоюзных стандартов (ГОСТ), технических условий (ТУ), каталогов и другой документации, составляющей техническую и юридическую основу проектных работ.
Правильная организация проектных работ осуществляется с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ), привлечения оптимизационных методов, моделирования и др. Использование ЭВМ дает возможность не только повысить производительность труда проектировщиков, но и более качественно провести анализ различных вариантов проектных решений и выбрать оптимальный, а также сделать расчеты, выполнить которые вручную невозможно. В последнее время начали применять системы автоматизированного проектирования (САПР), предусматривающие автоматическое выполнение проектных работ с вычерчиванием чертежей специальным устройством ЭВМ, называемым графопостроителем.
5.4 Краткий исторический обзор развития металлических конструкций и примеры применения их в строительстве
Металл — один из самых старых и распространенных искусственных строительных материалов. Уже в V веке до новой эры были известны простейшие сооружения из железа. Однако применение металла в инженерных конструкциях началось сравнительно недавно — после получения в 1784 году англичанином Г. Кортом малоуглеродистого пудлингового железа, положившего начало промышленному производству стали. За короткий период были разработаны основные способы промышленного производства литой стали: бессемеровский (1855 год); мартеновский (1867 год); томасовский (1878 год). С их внедрением начало развиваться прокатное производство стальных профилей — уголковых, тавровых, зетовых и двутавровых. К этому же периоду относится создание науки “Строительная механика”, занимающейся определением усилий в элементах сложных строительных конструкций. Большой вклад в развитие науки о металлических конструкциях, в частности металлических мостов, внесли видные русские ученые и инженеры — Д. И. Журавский (1822 – 1891 годы), Ф.С. Ясинский(1856 – 1899 годы), Η. Λ. Белелюбский (1845 – 1922 годы),·Л.Д. Проскуряков (1858 – 1926 годы), Ε. О. Патон (1870—1953 годы), И. П. Прокофьев (1877—1958 годы), Н. С. Стрелецкий (1885—1967 годы) и другие.
Железо, являющееся базой для изготовления металлических конструкций, производилось в России до XVII века в небольших количествах кустарным способом. В 1698 году указом Петра I был основан первый государственный металлургический завод в Невьянске, положивший начало промышленной металлургии. К началу первой мировой войны в России выплавлялось 4,2 млн. тонн стали в год. За годы Советской власти в России производство стали, интенсивно возрастало и в 1977 году достигло 144 млн. тонн.
Первые железные элементы для строительных конструкций в виде скреп-затяжек для восприятия распора каменных сводов начали применяться в XII—XIV веках (Успенский собор во Владимире, XII век).
В XVII веке появляются первые несущие железные конструкции в виде каркасов куполов (колокольня Ивана Великого в Москве, 1600 год) и железных стропил (перекрытие Архангельского собора в Москве, наслонные стропила Кремлевского дворца, перекрытие над трапезной Троице-Сергиевского монастыря в Загорске).
В XVIII веке был освоен процесс литья чугуна, для строительных целей и стали внедряться чугунные несущие конструкции. Первый чугунный мост в России был построен в 1784 году в парке Царского Села под Петербургом, через 5 лет после сооружения первого в мире чугунного моста через р. Северн в Англии.
В XIX веке мостовые конструкции становятся ведущими среди других металлических конструкций. Развитие мостостроения в России связано с именами знаменитых инженеров и ученых, создавших металлические мосты оригинальной конструкции, значительно развивших теорию их расчета и оказавших большое влияние на дальнейшее развитие металлических конструкций.
Инж. С. В. Кербедз (1810—1899 годы) построил первый в России железный мост через р. Лугу с пролетными строениями из сквозных ферм, мост через р. Неман со сплошными клепаными балками высотой 7 м, арочный железный мост в Москве.
Инж. Д. И. Журавский (1821 — 1891 годы) возглавлял отдел проектирования мостов Петербурго-Московской железной дороги, разработал теорию расчета раскосных ферм и теорию скалывающих напряжений при изгибе.
Проф. Ф. С. Ясинский (1856—1899 годы) внес большой вклад в развитие инженерных методов расчета на устойчивость металлических стержней, что в большой степени расширило дальнейшее применение металлических конструкций.
Проф. Н. А Белелюбский (1845—1922 годы) создал метрический сортамент стали, развил работы по испытанию строительных сталей, составил первый курс строительной механики, улучшил конструктивную форму мостовых ферм, применив в них раскосную решетку. По его проектам построено много мостов, наиболее крупными из которых являются Сызранский мост через Волгу, состоящий из 13 пролетов длиной по 107 м, и мосты Сибирской магистрали.
Проф. Л. Д. Проскуряков (1858—1926 годы) ввел современную треугольную решетку ферм, развил теорию о наивыгоднейшей конфигурации поясов.
В начале XIX века в металлических конструкциях начинает применяться сварочное железо, а после появления конверторного и мартеновского производства — строительные стали.
В 40-х годы XIX века появился прокат в виде фасонного железа, двутавровых балок и листа, и постепенно металлические конструкции начинают приобретать современные формы. Для соединения элементов применяются заклепки.
В фабрично-заводском строительстве XIX века металлические конструкции широко применяются для покрытий. В конце прошлого столетия появились мостовые краны, которые повлияли на конструктивную форму производственных зданий.
Первая мировая и гражданская войны приостановили развитие металлических конструкций. После установления советской власти в стране создалась мощная металлургическая промышленность, обеспечившая возможность широкого применения стальных конструкций в промышленном строительстве.
В апреле 1929 года был принят первый пятилетний план развития народного хозяйства, которым намечались невиданные масштабы строительства. Бурное развитие сварных металлических конструкций наряду с возрастающими объемами строительства позволили уже в 30-е годы разработать типовые балки и фермы с унифицированным трехметровым модулем, который, способствовал созданию индустриального изготовления конструкций на базе максимального использования передовой технологии.
Крупное строительство с применением различных металлических конструкций велось во все увеличивающихся объемах до начала Отечественной войны 1941 —1945 годов. За это время сформировались основные принципы отечественной школы металлостроителей: создание экономичных по расходу стали конструктивных решений при одновременном снижении трудоемкости изготовления конструкций, а также упрощении и ускорении их монтажа.
В начале 30-х годов для соединений металлических конструкций начала применяться сварка, которая к 40-м годам получила широкое распространение. Сварка резко продвинула развитие металлических конструкций: конструкции стали легче, снизилась трудоемкость изготовления, упростились соединения и конструктивная форма.
Большую роль металлические конструкции сыграли в Великую Отечественную войну, когда требовалось в кратчайший срок возводить сооружения в отдаленных районах при острой нехватке рабочей силы. Достоинства металлических конструкций проявились и в восстановительный период: выведенные из строя металлические конструкции ремонтировались наиболее легко и с наименьшими затратами; требовалось только 15—20% нового металла от массы восстанавливаемых конструкций.
В послевоенный период металлические конструкции применялись главным образом при возведении резервуаров, газгольдеров, доменных печей, мачт линий электропередач, радиомачт, телевизионных башен, конструкций телескопов и тому подобных сооружений, в которых применение других материалов было практически невозможно или экономически нецелесообразно.
В течение 50—60-х годов мировая практика накопила огромный опыт в развитии современных металлических конструкций. Были разработаны конструкции массового применения в виде традиционных балок, ферм и колонн для одноэтажных и многоэтажных промышленных и гражданских зданий, а также новые типы эффективных конструкций — предварительно напряженные фермы и балки, перекрестно-стержневые конструкции, вантовые и мембранные конструкции, сетчатые купола, своды и др.
В промышленных зданиях утверждается унифицированный шаг несущих конструкций, разрабатываются типовые проекты отдельных элементов конструкций и целых сооружений. Развивается теория металлических конструкций в области их расчета, оптимального конструирования, особенностей действительной работы. Большой вклад в развитие этой теории внесли отечественные ученые и инженеры: почетный академик В. Г. Шухов (1853—1939 годы), создавший ряд оригинальных конструкций и руководивший первой специализированной организацией по проектированию металлических конструкций, проф. И. П. Прокофьев (1877—1958 годы), акад. Е. О. Патон (1870—1953 годы). Особая роль принадлежит проф. Н. С. Стрелецкому (1885—1967 годы), выдвинувшему и разработавшему ряд фундаментальных идей по предельному состоянию конструкций, основам их расчета и проектирования. Проф. Н. С. Стрелецкий являлся создателем и руководителем советской школы проектирования металлических конструкций.
Важную роль в развитии строительных металлических конструкций в стране сыграло принятое в мае 1972 г. постановление Правительства об организации производства и комплектной поставки легких металлических конструкций промышленных зданий. Оно наметило грандиозную программу, предусматривающую создание единого комплексного процесса проектирования, специализированного заводского изготовления, комплектной поставки и высокопроизводительного монтажа легких металлических несущих и ограждающих конструкций промышленных зданий из экономичных видов проката черных металлов и алюминия.
Для выполнения этой задачи в стране были созданы современные специализированные предприятия по производству легких металлических конструкций для промышленных зданий с производительностью 8 млн. м2 в год.
За эти годы выросли высококвалифицированные проектные и научно-исследовательские организации: ЦНИИПроектстальконструкция, ЦНИИ строительных конструкций имени В. А. Кучеренко, ЦНИИпромзданий, Гипромез, Промстройпроект, Гидростальпроект, ЦНИИ электросварки имени акад. Е. О. Патона, кафедры металлических конструкций строительных вузов и другие.
Основными направлениями развития народного хозяйства в стране на 1976—1980 годы, было предусмотрено расширить практику полносборного строительства и монтажа зданий и сооружений из прогрессивных конструкций, увеличить заводское изготовление стальных строительных конструкций в 1,4— 1,5 раза, шире применять изделия из алюминиевых сплавов.
Общая стоимость металлических конструкций складывается из следующих составляющих: стоимости проектирования, стоимости металла, стоимости транспортировки металла с металлургического завода на завод — изготовитель конструкций и готовой конструкции на строительную площадку, стоимости изготовления и монтажа конструкций. Учитывая, что стоимость металла составляет около 70 % общей стоимости, при разработке новых конструкций особое внимание обращается на их создание с наименьшей массой.
В отличие от зарубежных школ, отечественная конструкторская школа проектирования металлических конструкций, созданная коллективами ЦНИИпроектстальконструкции, Промстройпроекта, Гипромеза, МИСИ им. В. В. Куйбышева, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, НИИ электросварки им. Е. О. Патона и других, базировалась не только на законах веса, которым придавалось решающее значение при разработке оптимальных конструктивных форм, но и на учете трудоемкости и стоимости изготовления и монтажа конструкций, влияющих на повышение производительности труда в металлостроении и сокращение сроков возведения зданий и сооружений. Это направление положило начало индустриальному изготовлению металлических конструкций с широким использованием принципов унификации и стандартизации их элементов.
В последние годы металл применяют в большепролетных зданиях общественного назначения и в производственных зданиях. Все более широкое применение получают стали повышенной и высокой прочности, а также новые рациональные профили проката.
Увеличение и ускорение темпов строительства потребует в дальнейшем значительной реконструкции заводов металлоконструкций — введения автоматизированного производства, что, несомненно, отразится на развитии конструктивных форм металлических сооружений.
В 1977 г. в нашей стране было выплавлено 144 млн. тонн стали. Из этого количества стали на строительные металлические конструкции использовано около 7 млн. тонн. В строительстве преимущественно изготовляются конструкции из обычной углеродистой стали, из низколегированных сталей повышенной прочности и из алюминиевых сплавов.
Наиболее широко применяются металлические конструкции для:
1) производственных зданий. Современные производственные здания часто оборудуются очень тяжелыми мостовыми кранами, имеют большие пролеты, высоты и являются сложными инженерными сооружениями (рис. 5.5). В настоящее время на несущие элементы каркаса промышленных зданий (колонны, фермы, подкрановые балки) расходуется свыше 50% строительных металлоконструкций;
Рисунок 5.5 – Строительство конверторного цеха
2) листовых конструкций, представляющих собой различные емкости, оболочки, кожухи, трубопроводы. Металл в таких конструкциях является одним из эффективнейших материалов, так как удовлетворяет требованию герметизации, предъявляемому к этим сооружениям. Листовые конструкции весьма металлоемки, и на них расходуется около 20% строительных металлоконструкций.
Листовые конструкции применяются в резервуарах для хранения жидкостей, в газгольдерах для хранения и распределения газов, в бункерах для хранения и перегрузки сыпучих материалов, в конструкциях доменных цехов (рис. 5.6)—кожухи печей, воздухонагреватели, пылеуловители и другие сооружения; в конструкциях предприятий химической и нефтяной промышленности — ректификационные колонны, крекинг-установки, различные сосуды и аппараты, сварные трубопроводы большого диаметра;
3) специальных конструкций гражданского и промышленного назначения. Эта группа конструкций характерна большим разнообразием сооружений, в которых эффективно используются те или иные достоинства металла:
а) пролетные строения железнодорожных и автодорожных мостов, путепроводы и эстакады;
б) несущие каркасы высотных зданий;
в) большепролетные покрытия зданий общественного назначения (выставочные павильоны, спортивные и зрелищные сооружения) и здания специального назначения (ангары, эллинги, авиасборочные цехи);
г) сооружения башенного и мачтового типа: башни и мачты для радиосвязи и телевидения, опоры линий электропередачи высокого напряжения, башни для маяков и освещения, буровые и нефтяные вышки и так далее;
д) подвижные конструкции: несущие конструкции больших подъемно-транспортных машин и экскаваторов (порталы, стрелы, башни), затворы гидротехнических сооружений, ворота шлюзов и т. д.
Конструкции из алюминиевых сплавов вследствие дефицитности алюминия применяются недостаточно. Стоимость 1 тонны готовых конструкций из алюминиевых сплавов примерно в 5—8 раз выше стоимости конструкций из стали. Однако легкость, прочность и коррозионная стойкость сплавов позволяет эффективно использовать их. Из алюминиевых сплавов изготовляют кровельные и ограждающие панели зданий, витражи остекления, листовые конструкции и трубопроводы для агрессивных жидкостей, большепролетные перекрытия и подвижные конструкции, для которых большое значение имеет снижение собственного веса, а также конструкции, возводимые в труднодоступных районах.