Металлоконструкции

Металлоконструкции — это изделия или совокупность элементов из металла (преимущественно стали, алюминия, реже титана и других сплавов), соединённых между собой сваркой, болтами, заклёпками или другими способами, образующие несущий или ограждающий каркас зданий, сооружений, машин и механизмов. Металлоконструкции являются основой современного промышленного и гражданского строительства, мостостроения, машиностроения и многих других отраслей.

Классификация

Металлоконструкции классифицируют по нескольким основным признакам.

По назначению

• Строительные металлоконструкции — несущие каркасы зданий (колонны, балки, фермы, связи), ограждающие конструкции (стеновые панели, кровельные покрытия), элементы промышленных цехов, ангаров, складов, торговых центров.
• Мостовые металлоконструкции — пролётные строения, опоры, фермы мостов, путепроводов, эстакад.
• Машиностроительные металлоконструкции — рамы, корпуса, кузова, стрелы кранов, платформы, шасси, каркасы станков и оборудования.
• Специальные металлоконструкции — опоры линий электропередачи (ЛЭП), мачты связи, радиобашни, вышки, резервуары, трубопроводы, элементы гидротехнических сооружений (шлюзы, затворы), ограждения, лестницы, площадки обслуживания.

По способу изготовления

• Сварные — наиболее распространённый тип, соединение элементов выполняется электродуговой, контактной или газовой сваркой. Обеспечивают герметичность и высокую прочность.
• Болтовые — соединение на высокопрочных болтах, используется при монтаже крупных конструкций (мосты, большепролётные здания), где важна разборность и возможность замены элементов.
• Клёпаные — исторически первый тип, соединение заклёпками. В настоящее время применяется редко, в основном в авиастроении и для реставрации исторических объектов.
• Комбинированные — сочетание сварки и болтовых соединений.

По типу сечения элементов

• Прокатные — изготавливаются из стандартного металлопроката: двутавров, швеллеров, уголков, труб, листов.
• Гнутые — из листового металла, профилированного на гибочных станках (профнастил, гнутые швеллеры).
• Составные — сварные или клёпаные балки, колонны, фермы, собираемые из нескольких прокатных или листовых элементов.

История

Металлоконструкции начали активно применяться с середины XIX века, после промышленного освоения производства чугуна и стали. Первыми крупными металлическими сооружениями стали мосты: в 1779 году в Англии был построен чугунный мост через реку Северн (Iron Bridge). В 1851 году для Всемирной выставки в Лондоне был возведён Хрустальный дворец — каркас из чугуна и стекла.

В России первые металлические мосты появились в 1820-х годах. Значительный вклад в развитие металлоконструкций внесли инженеры В. Г. Шухов (гиперболоидные башни, сетчатые оболочки), Н. А. Белелюбский (мостовые конструкции), И. П. Кулибин (проект одноарочного моста через Неву). В XX веке, с развитием электросварки и появлением высокопрочных сталей, металлоконструкции стали основным типом несущих каркасов высотных зданий, небоскрёбов, промышленных предприятий, мостов и уникальных сооружений (Останкинская телебашня, Эйфелева башня, Сиднейский оперный театр).

Материалы

Основным материалом для металлоконструкций является сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14%) и легирующими элементами. В зависимости от требований к прочности, пластичности, свариваемости и коррозионной стойкости применяются различные марки стали:

• Углеродистые стали обыкновенного качества (Ст3, Ст5) — для второстепенных и малонагруженных конструкций.
• Углеродистые качественные стали (сталь 20, сталь 45) — для деталей машин и механизмов.
• Низколегированные стали (09Г2С, 15ХСНД, 10ХСНД) — для ответственных строительных и мостовых конструкций, работающих при низких температурах.
• Высокопрочные легированные стали (30ХГСА, 40ХН) — для особо ответственных деталей (стрелы кранов, шасси).
• Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали — для конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах (химическая промышленность, пищевое оборудование, архитектурные элементы).

Алюминиевые сплавы (АМг, АД31, Д16) применяются для конструкций, где важна малая масса (авиация, космическая техника, спортивные сооружения, фасады зданий). Они обладают высокой коррозионной стойкостью, но меньшей прочностью и модулем упругости по сравнению со сталью.

Проектирование и расчёт

Проектирование металлоконструкций осуществляется в соответствии со строительными нормами и правилами (в РФ — СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»). Основные этапы:

1. Сбор нагрузок — постоянные (собственный вес, вес оборудования) и временные (снег, ветер, люди, транспорт, сейсмические воздействия).
2. Статический расчёт — определение усилий (изгибающих моментов, продольных и поперечных сил) в элементах с использованием методов строительной механики (метод сил, метод перемещений, конечно-элементный анализ).
3. Подбор сечений — по условиям прочности (напряжения не должны превышать расчётных сопротивлений), устойчивости (потеря устойчивости стержней, пластин, оболочек) и жёсткости (предельные прогибы, перемещения).
4. Конструирование узлов — расчёт сварных швов, болтовых соединений, опорных частей.
5. Разработка чертежей — КМ (конструкции металлические) — общие виды, схемы, спецификации; КМД (конструкции металлические деталировочные) — детальные чертежи каждого элемента с указанием размеров, марок стали, типов сварных швов.

Современное проектирование ведётся с использованием CAD/CAE-систем (AutoCAD, SolidWorks, Tekla Structures, SCAD Office, ЛИРА-САПР), позволяющих создавать трёхмерные модели, автоматизировать расчёты и выпуск документации.

Изготовление

Производство металлоконструкций включает следующие операции:

1. Приёмка и складирование металла — входной контроль качества (сертификаты, химический анализ, механические испытания).
2. Правка — устранение остаточных деформаций проката на правильных прессах или валках.
3. Разметка и раскрой — резка листового и профильного проката на заготовки требуемых размеров с помощью газовой, плазменной, лазерной резки или гильотинных ножниц.
4. Обработка кромок — снятие фасок, зачистка для обеспечения качества сварных швов.
5. Гибка и штамповка — придание заготовкам требуемой формы (гнутые профили, обечайки, днища).
6. Сборка — временное соединение деталей в узлы с помощью прихваток или кондукторов.
7. Сварка — выполнение проектных швов. Применяются ручная дуговая сварка покрытыми электродами (ММА), полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа (MAG), автоматическая сварка под флюсом (SAW), контактная сварка.
8. Контроль качества сварных соединений — визуальный, измерительный, ультразвуковой, радиографический, капиллярный, магнитопорошковый.
9. Антикоррозионная защита — грунтовка, окраска, горячее цинкование, напыление цинка или алюминия, нанесение полимерных покрытий.
10. Маркировка и упаковка — нанесение обозначений, комплектация отправочных марок.

Монтаж

Монтаж металлоконструкций на строительной площадке выполняется в следующей последовательности:

1. Подготовительные работы — устройство фундаментов, закладных деталей, выверка опорных поверхностей.
2. Строповка и подъём — с использованием кранов (автомобильных, гусеничных, башенных) или лебёдок.
3. Установка и временное закрепление — фиксация элементов с помощью монтажных болтов, клиньев, расчалок.
4. Выверка — контроль геометрических параметров (отклонения от проектных осей, отметок, вертикальность).
5. Окончательное закрепление — затяжка болтов проектных соединений, сварка монтажных швов.
6. Антикоррозионная защита монтажных соединений — зачистка, грунтовка, окраска.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая прочность и жёсткость при относительно малой массе (по сравнению с железобетоном).
• Возможность изготовления элементов любой конфигурации и длины.
• Высокая степень заводской готовности, сокращение сроков строительства.
• Возможность демонтажа и повторного использования (для болтовых конструкций).
• Устойчивость к сейсмическим воздействиям (при правильном проектировании).
• Долговечность (при надлежащей антикоррозионной защите — до 50–100 лет и более).

Недостатки:

• Подверженность коррозии, особенно в агрессивных средах и при нарушении защитного покрытия.
• Высокая теплопроводность (требуется дополнительная теплоизоляция в отапливаемых зданиях).
• Необходимость в квалифицированном проектировании, изготовлении и монтаже.
• Относительно высокая стоимость (по сравнению с железобетоном в ряде регионов).
• Потеря несущей способности при нагреве свыше 500–600 °C (требуется огнезащита).

Применение в России

В России металлоконструкции широко применяются в промышленном строительстве (нефтегазовый комплекс, энергетика, металлургия, машиностроение), транспортной инфраструктуре (мосты, вокзалы, аэропорты), спортивных сооружениях (стадионы, ледовые дворцы, бассейны), торговых и выставочных центрах, высотных зданиях. Крупнейшими производителями металлоконструкций в РФ являются компании «Северсталь», «Евраз», «Мечел», «Уральская сталь», «Курганстальмост», а также множество региональных заводов. Ежегодно в России производится около 5–7 миллионов тонн металлоконструкций.

Интересные факты

• Самая высокая металлическая конструкция в мире — башня «Бурдж-Халифа» (ОАЭ, 828 м), её несущий каркас выполнен из стали.
• Останкинская телебашня (Россия, 540 м) — стальная конструкция, её масса составляет около 55 000 тонн.
• Эйфелева башня (Франция, 330 м) — кованая стальная конструкция, собрана из 18 038 деталей, соединённых 2,5 миллионами заклёпок.
• Мост «Золотые Ворота» (США, 1937) — один из самых узнаваемых стальных висячих мостов, его длина 2737 м.
• В России действует ГОСТ 23118-2019 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия», регламентирующий требования к качеству и безопасности.

Источники

1. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*».
2. ГОСТ 23118-2019 «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия».
3. Металлические конструкции: учебник для вузов / под ред. Е. И. Беленя. — М.: Стройиздат, 1986.
4. Строительные конструкции: учебник / под ред. В. Н. Байкова. — М.: Издательство АСВ, 2012.
5. Материалы сайта Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ.