История металлоконструкций. Часть II

Развитие металлургии

Начало XIX столетия ознаменовалось стремительным техническим прогрессом во всех областях техники и, в частности, в металлургии и металлообработке. С этого времени начинается четвертый период развития металлоконструкций, который продлится вплоть до 20-х годов XX века. Что изменилось? Во-первых, кричный процесс получения железа был заменен более совершенным – пудлингованием, а в конце 80-х годов железо выплавляли из чугуна в мартеновских и конверторных печах. В 40-е годы XIX века был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа, чуть раньше появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса. Так что в течение прошлого века все стальные конструкции изготовлялись клепаными. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун. Это и неудивительно, ведь она более совершенна по своим свойствам (особенно при работе на растяжение) и лучше поддается контролю и механической обработке. Чугунные конструкции применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров (крытой платформе железнодорожных станций), так как у чугуна хорошая сопротивляемость сжатию. Промышленные и гражданские здания строились в большинстве своем с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы (рис. 1.5). Конструкции этих ферм постепенно совершенствовались; решетка же получила завершение с появлением раскосов. Узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными при помощи фасонок (детали в виде небольшой пластинки из листового металла, служащие для крепления различных металлических конструкций). Для перекрытия зданий значительных пролетов широко использовались решетчатые каркасы рамно-арочной конструкции. Их применяли при строительстве Сенного рынка в Петербурге в 1884 году с пролетом 25 метров. Мастерство зодчих в создании рамно-арочная конструкций достигло своего апогея в покрытии дебаркадера Киевского вокзала (рис. 1.6), построенного по проекту В. Г. Шухова (1913 – 1914 гг.). Поражает проработанность компоновочной схемы, опорных закреплений и узловых заклепочных соединений.


Металлическое мостростроение

В связи с ростом сети железных дорог во второй половине XIX века стало широко развиваться также металлическое мостостроение в России. За счет этого улучшалась конструктивная форма металлических конструкций: совершенствовалась теория компоновки и расчета, технологии изготовления и монтажа. Эти принципы проектирования затем с успехом были использованы в строительстве промышленных и гражданских объектов. Как не вспомнить добрыми словами тех, кто внес большой вклад в русскую школу мостостроения? Это известные инженеры и профессора: С.В. Кербедз, Н.А. Белелюбский, Л.Д. Проскуряков.
С.В. Кербедз (1810 – 1899 гг.) – инженер-строитель, известен тем, что построил первый в России железный мост с решетчатыми фермами через реку Лугу в 1853 году; также является автор самого крупного чугунного моста в Санкт-Петербурге.
Профессор Н.А. Белелюбский (1845 – 1922 гг.) – мостостроитель и ученый, впервые применил раскосную решетку для мостовых ферм (рис. 1.7). Он же разработал первый в России метрический сортамент прокатных профилей, усовершенствовал методику испытаний строительных материалов, написал первый систематизированный курс по строительной механике. А профессор Л.Д. Проскуряков (1858 – 1926 гг.) ввел в мостовые фермы треугольную и шпренгельную решетки и разработал теорию о наилучшем очертании фермы. За проект Енисейского моста на Парижской Выставке в 1900 году он был удостоен золотой медали. Ф.С. Ясинский, В.Г. Шухов, И.П. Прокофьев успешно продолжили их дело в совершенствовании металлического строительства. В конце XIX и в начале XX века развитие металлургии и машиностроения внесло качественные изменения в методику производства и обусловило необходимость оборудование зданий мостовыми кранами. Сначала их устанавливали на эстакадах (рис. 1.8), однако это загромождало помещение. Приходилось увеличивать грузоподъемность мостовых кранов, увеличивать высоту и ширину пролетов зданий. Тогда-то и возникла идея строить здания с металлическим каркасом, поддерживающим как ограждающие конструкции, так и пути для мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис. 1.9), включающая в себя колонны и ригели (стропильные фермы).
Именно профессор Ф.С. Ясинский (1858 – 1899 гг.) первым создал проект многопролетного промышленного здания с металлическими колоннами между пролетами и разработал большепролетные складчатые и консольные конструкции покрытий. Он же внес значительный вклад в расчет сжатых стержней на продольный изгиб, работающих в упругопластической зоне деформирования стали.
Академик В.Г. Шухов первым в мировой практике разработал и строил пространственные решетчатые конструкции покрытий и башен различного назначения («башня Шухова»), используя для них линейчатые поверхности (рис. 1.10).
Этими проектами В.Г. Шухов намного опередил своих современников и предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций, ведь в его сооружениях реализованы идеи предварительного напряжения конструкций и возведения покрытий в виде висячих систем с эффективным использованием работы металла на растяжение (рис. 1.11). Славу академику принесла теоретическая и практическая работа в разработке новых конструктивных форм резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных параметров. Профессору И.П. Прокофьеву принадлежит первая монография по изготовлению и монтажу металлических мостов. Ученый запроектировал ряд уникальных по тому времени большепролетных покрытий (Мурманские и Перовские мастерские Московско-Казанской железной дороги, Московский почтамт, дебаркадер Казанского вокзала в Москве).

Советская школа проектирования

Советская школа проектирования После Октябрьской революции 1917 года для металлического конструирования начинается пятый период (послереволюционный) и ознаменуется он первой пятилеткой с ее широкой программой индустриализации страны. К концу 40-х годов клепаные изделия почти полностью были заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Развитие металлургии в 30-е годы позволило проектировщикам применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную (например, сталь для Дворца Советов и москворецких мостов). Это значительно облегчило массу изделий и дало возможность создавать сооружения больших размеров. А в середине XX столетия кроме стали в таких установках начали использовать и алюминиевые сплавы, объемная масса которых почти втрое меньше. Теперь это была мощная производственная база металлических конструкций. Заводы и специализированные монтажные организации, оснащенные современным высокопроизводительным оборудованием, были объединены в одну систему (Главстальконструкция), выполняющую основной заказ строительства металлических установок. Их объем к 1970-м годам увеличился более чем в 20 раз. Этому способствовала и слаженная работа проектных и научных коллективов в стране. ЦНИИпроектстальконструкция был ведущей организацией по проектированию и научным исследованиям в области металлических конструкций. В начале 1930-х годов стала оформляться советская школа проектирования металлических конструкций. Ее отличие от европейской заключалось в том, что она постепенно отходила от принятых западноевропейских схем компоновки поперечных рам каркаса. Для них было характерно приближение схемы конструкции к расчетным предпосылкам, введение многочисленных шарниров, что значительно усложняло монтаж и изготовление конструкций (рис. 1.13). Такие чертежи не отвечали требованиям эксплуатации в отношении поперечной жесткости зданий в связи с увеличением размеров пролетов, высоты, но главное – грузоподъемности и интенсивности движения мостовых кранов. В лучшей степени этому соответствовали сложившиеся к тому времени схемы конструирования поперечных рам с жестким сопряжением колонн с фундаментами и ригелями. Вот их-то и взяли за основу советские проектировщики, добавив к этому аналитические расчеты оптимальных геометрических соотношений элементов рамы, схемы решеток (рис. 1.14).
Принцип комплексного решения задач при изыскании наилучшей конструктивной формы металлических конструкций стал определяющим для советской школы проектирования. Другой характерной чертой развития металлических конструкций стала стандартизация конструктивных схем и элементов. Это было связано с большим объемом строительства и повторяемости конструкций. В итоге стали производиться разработки типовых схем и конструктивных решений каркасов промышленных зданий.
Так в 1939 году Промстройпроектом были разработаны типовые секции одноэтажных промышленных зданий со стальным каркасом (рис. 1.15). Что примечательно: в этих секциях были выполнены как объемно-планировочные решения для различных пролетов, так и типовые конструктивные схемы компоновки каркаса и конструктивных элементов (ферм, колонн, подкрановых балок). Впервые был введен трехметровый модуль пролетов, который в 50-х годах был заменен шестиметровым. Безусловно, производство таких секций стало стимулом для развития типизации строительства. Были типизированы здания отдельных видов производств (мартеновские цехи, прокатные и т. п.), пролетные строения мостов, резервуары, газгольдеры, радиобашни, радиомачты. Типизация строительства снизила трудоемкость возведения металлических конструкций и значительно уменьшила расход стали на их изготовление.
В годы Великой Отечественной войны, несмотря на временную потерю южной металлургической базы и большой расход металла на нужды фронта, в промышленном строительстве и мостостроении на Урале и в Сибири широко использовались металлические конструкции. Этот выбор был оправдан тем, что они могли быстро возводиться. Конечно, из-за нехватки времени упрощалась их форма. Это были сплошные конструкции из крупных прокатных профилей.
Такой подход к проектированию сохранился и в период восстановления разрушенных во время войны объектов промышленности, транспорта и других первоочередных сооружений.

Листовые конструкции

В 50 и 60-е годы строительство металлических конструкций развивалось с соблюдением основных принципов советской школы проектирования: экономия стали, упрощение изготовления, ускорение монтажа. Листовые конструкции стали широко использоваться в связи с развитием нефтяной, газовой, химической и металлургической промышленности. Они применялись при возведении высотных сооружений связи, электропередачи, а также конструкций общественных зданий. Наряду с основной задачей экономии материала успешно решались проблемы индустриализации строительства. Примечательно было и то, что теперь практически все конструкции стали сварными. Их изготовление стало преимущественно заводским. Так, габаритные листовые конструкции изготовлялись полностью в специализированных заводских цехах, а негабаритные сваривались на заводах в крупные полотнища и рулоны. Затем их перевозили на строительные объекты, где рулоны разворачивались и компоновались в сооружения с минимальным числом монтажных швов. Из наиболее известных металлических конструкций, получивших высокую оценку на международных выставках в Брюсселе (1958 г.) и Монреале (1967 г.) выделяются павильоны «Космос» на ВДНХ в Москве (рис. 1.17), перекрытие Дворца спорта в Лужниках.
Помимо усовершенствования конструктивной формы улучшались и технологии ее расчета. Если до 1950 года специалисты вели расчеты по методу допускаемых напряжений, который недостаточно полно отражал действительную работу конструкции под нагрузкой и приводил к перерасходу материала, то взамен его был разработан метод расчета конструкций по предельным состояниям. Основные положения этого нового способа были изложены в государственном документе СНиП II-А.10-71.
Расцвет металлоконструирования в нашей стране во многом обязан творческим изысканиям проектных и научных организаций, возглавляемых ведущими профессорами и инженерами, внесшими весомый вклад в их развитие. Особо хочется отметить Героя Социалистического Труда, члена-корреспондента АН СССР, профессора Н.С. Стрелецкого, возглавлявшего полвека советскую конструкторскую школу металлостроительства. Он первым применил статистические методы в расчете конструкций, провел теоретические исследования и обобщил их данные в области развития конструктивной формы, применил метод расчета конструкций по предельным состояниям.
P.S.
– Да, получилась целая лекция по истории металлических конструкций, – со смехом говорит мой приятель, глядя на меня. – Горд за наших проектировщиков и строителей. Да и сейчас какие чудеса техники они возводят! Эти знания мне пригодятся, когда я поднимусь на Эйфелеву башню и внимательно изучу ее конструкцию.
– Там действительно есть на что посмотреть, не зря же Эйфелеву башню называют символом торжества металла XIX столетия. Но это уже другая история…

 

Закрыть