Металли́ческие констру́кции, конструкции, выполненные из металлов и их сплавов и применяемые в строительстве и других отраслях материального производства. Подразделяются на стальные конструкции и конструкции из лёгких сплавов (алюминиевых сплавов и титановых сплавов). По характеру соединения элементов между собой различают металлические конструкции сварные, клёпаные и с болтовыми соединениями (см. Соединения в строительных конструкциях).

Стальные конструкции

Исходным материалом всех стальных конструкций являются прокатные и гнутые профили, трубы и листы, изготовленные из строительных сталей. С конца 20 в. в металлических конструкциях из стали широко используют регулирование усилий за счёт предварительного напряжения, рационального размещения шарнирных узлов и т. п.

Главные достоинства – высокая прочность, эксплуатационная надёжность и способность эффективно работать на сжатие, растяжение и изгиб. Основные недостатки: подверженность коррозии, что требует периодического нанесения специальных защитных покрытий и повышает затраты на содержание; хладноломкость, ограничивающая использование в районах с низкими отрицательными температурами, где необходимо применять дорогостоящие легированные стали.

Стальная конструкция заводского здания.Стальная конструкция заводского здания.

Стальные конструкции широко применяют в несущих каркасах зданий различного назначения (в том числе высотных) как в гражданском, так и в промышленном строительстве, в сооружениях связи и энергетики (антенны, мачты, опоры ЛЭП), в резервуарах, трубопроводах и т. п., при строительстве мостов и эстакад, буровых платформ (стационарных и плавучих), а также крановых и подвижных конструкций (гидротехнические затворы и ворота, конструкции стартовых комплексов ракет и т. п.). В ограждающих конструкциях стальные конструкции используют в виде профилированных настилов (как самостоятельно, так и в составе кровельных и стеновых панелей) и в несущих конструкциях витражей и навесных фасадов. Разработаны типовые решения наиболее часто применяемых конструктивных элементов зданий и сооружений.

Конструктивные формы стальных конструкций отличаются большим разнообразием. Они могут быть как плоскостными (балки, фермы, рамы, арки, ванты), так и пространственными (стержневые, висячие с гибкими или жёсткими нитями и листовые). При сравнительно небольших пролётах и нагрузках применяют в основном балки и колонны сплошного сечения, изготовленные из прокатных профилей или сварные из листов. Они просты в изготовлении, но менее выгодны по затратам материала. Балки могут быть выполнены бистальными (т. е. из 2 марок стали различной прочности, где сталь повышенной прочности применяется только в наиболее напряжённых участках поясов), предварительно напряжёнными, с перфорированной либо гофрированной стенкой. Это позволяет достичь существенной экономии стали, но повышает трудоёмкость изготовления. В зданиях с большими пролётами и значительными нагрузками применяют составные решётчатые элементы (колонны и фермы), позволяющие минимизировать расход материала. В тяжёлых конструкциях рациональны шпренгельные балки или комбинированные системы, где балка подкреплена гибкой затяжкой или решёткой. Наиболее распространены однопролётные балки и фермы, простые в изготовлении и монтаже. В индивидуальных проектах зданий, а также в мостах различного назначения часто используют неразрезные и консольные балки и фермы, которые более экономичны и имеют меньшую высоту.

При пролётах свыше 100 м, в том числе при строительстве мостов, особенно выгодны арочные и висячие системы. В покрытиях спортивных и зрелищных сооружений хорошо зарекомендовали себя стальные мембранные покрытия [например, велотрек в Крылатском в Москве размером 138 × 168 м с седловидными мембранами (1979), висячее мембранное покрытие Олимпийского стадиона в Москве 224 × 183 м (1980)], а также пространственные сетчатые системы регулярного строения – т. н. структурные конструкции. К недостаткам последних относятся повышенная трудоёмкость изготовления и сложность монтажа.

Телевизионная башня в Ташкенте.Телевизионная башня в Ташкенте.При строительстве доменных печей, газгольдеров, бункеров и силосов, дымовых и вентиляционных труб и т. п., для которых характерно сочетание динамических нагрузок, воздействие агрессивных сред, высоких температур и давлений, применяют в основном листовые конструкции.

Стальные конструкции эффективны при возведении высотных сооружений. Например, в 1985 г. в Ташкенте введена в эксплуатацию уникальная по конструкции телевизионная башня высотой 375 м, несущий ствол которой изготовлен из стержневых конструкций, а опорная тренога – из листовых.

Конструкции из лёгких сплавов

Главные достоинства металлических конструкций из лёгких сплавов – малый вес, долговечность, высокая сопротивляемость коррозии (благодаря чему они, как правило, не нуждаются в защитных покрытиях). Наибольшее распространение получили алюминиевые конструкции. Технологичность и декоративные качества алюминиевых сплавов способствуют широкому использованию конструкций из них в ограждающих элементах и отделочных деталях зданий. В то же время в связи с высокой стоимостью алюминия его применение в несущих конструкциях до середины 20 в. было ограниченным, т. к. прямое копирование характерных для стали конструктивных схем оказывалось неэффективным. Также отрицательно сказывались низкий модуль упругости алюминия (в 3 раза меньше, чем у стали) и его высокий коэффициент температурного расширения (вдвое больше, чем у стали).

Алюминиевый мост.Алюминиевый мост.

Положение изменилось в 1966 г., когда в СССР была предложена качественно новая конструкция из алюминия, совмещающая несущие и ограждающие функции, – пространственный блок покрытия, включающий 2 продольные фермы и прикреплённые к ним кровельную и потолочную обшивки из рулонного листа. Применение таких блоков даёт существенную экономию в стоимости строительства. Малый собственный вес при значительных размерах в плане и лёгкость обработки алюминия позволяют изготавливать блоки на стройплощадке, минуя предприятия стройиндустрии, проводить скоростной монтаж покрытия без применения тяжёлых грузоподъёмных механизмов, а высокая стойкость к коррозии делает возможным использование в конструкциях рулонных листов минимальной толщины. По этой технологии построены Ледовый дворец «Крылья Советов» (Москва, 1980, пролёт 60 м), покрытие концертного зала «Юбилейный» (Ялта, 1983, раскрывающаяся кровля) и др. Кроме того, применение алюминия в несущих конструкциях зданий приводит к значительному облегчению фундаментов и каркаса.

В химической, нефтяной и других отраслях промышленности из алюминиевых сплавов изготавливают резервуары и трубопроводы; для нужд сельского хозяйства в РФ часто применяются ангарные теплицы с алюминиевым каркасом пролётом до 36 м и алюминиевые зернохранилища спирально-навивного типа, которые существенно менее трудоёмки в изготовлении, чем стальные.

За рубежом (преимущественно в США и Канаде) алюминиевые конструкции с успехом применяют при строительстве автодорожных мостов и особенно при их реконструкции, где замена существующего стального или железобетонного пролётного строения на алюминиевое позволяет увеличить ширину моста за счёт снижения собственного веса проезжей части. Благодаря малому весу эффективно использование алюминия в подвижных (сборно-разборных) конструкциях и быстровозводимых зданиях, раздвижных кровлях, разводных мостах, а также при реконструкции зданий.

Титановые конструкции характеризуются, кроме качеств, общих для всех металлических конструкций из лёгких сплавов, высокими жаропрочностью и износостойкостью, что при применении в ряде областей техники компенсирует их большую стоимость. Металлические конструкции из титановых сплавов широко используют в авиации (в том числе в конструкциях реактивных двигателей), в судостроении (для обшивки корпусов и при изготовлении гребных винтов), в химической промышленности, в цветной металлургии, машиностроении, электронике, ядерной и криогенной технике. Титановый прокат применяют также в строительстве для изготовления наружных обшивок, декоративной облицовки, внутренней отделки зданий. Из титановых сплавов выполнены, например, обшивки монумента «Покорителям космоса» и памятника Ю. А. Гагарину в Москве.

Историческая справка

Как строительный материал металл применялся издревле. Например, уже в Древнем Китае и, по ряду источников, в Индии строили примитивные висячие мосты с цепями из отдельных железных звеньев. С 14 в. для строительства конструкций использовалось сварочное железо в виде кованых брусков или полос с коваными замковыми соединениями. В 16–17 вв. в конструкциях покрытий зданий появились фермы и купола из сварочного железа пролётом 15–18 м. С 18 в. в качестве материала для металлических конструкций широко применялся чугун, хорошо работающий на сжатие. В домах, построенных в 18–19 вв., использовались элементы из чугуна: колонны, балки, фермы, лестницы. Одним из первых крупных сооружений из чугуна был мост, возведённый в Великобритании в 1779 г. через реку Северн (см. Айронбридж). К началу 19 в. было построено значительное количество чугунных мостов и покрытий арочного типа в гражданских и промышленных зданиях. Однако развитие металлических конструкций сдерживалось недостатками чугуна: низкой прочностью при растяжении и динамических воздействиях, а также возможностью соединения чугунных элементов только при помощи болтов. Изобретение в 1820 г. способа соединений металлических деталей посредством заклёпок способствовало росту количества конструкций из сварочного железа – в первую очередь мостов с многопролётными решётчатыми фермами пролётами до 100 м. С 1880-х гг. благодаря освоению мартеновского, бессемеровского и томасовского процессов на смену чугуну и сварочному железу пришла сталь, обладающая более высокими механическими характеристиками. В конце 19 в. возведён ряд крупных объектов из стали: мост через Волгу вблизи Сызрани (инженер Н. А. Белелюбский, 1880), Бруклинский мост в Нью-Йорке (инженер Дж. Рёблинг, 1883), Эйфелева башня в Париже (инженер Г. Эйфель, 1889), висячие покрытия Нижегородской ярмарки (инженер В. Г. Шухов, 1896). Изобретение электросварки Н. Н. Бенардосом (1882) и Н. Г. Славяновым (1888) открыло новый этап в развитии и совершенствовании металлических конструкций.

Первая строительная конструкция из лёгких сплавов – карниз здания страхового общества в Монреале – изготовлена в 1896 г. из алюминия, а с конца 1920-х гг. началось его широкое применение в строительстве. Стропильные фермы из алюминиевых сплавов впервые применены в 1946 г. (Биттерфельд, Германия, пролёт 32 м), впоследствии в мире возведён целый ряд зданий и сооружений с несущими алюминиевыми конструкциями. В 1964 г. в Протвино построено здание экспериментального зала ускорителя элементарных частиц с несущими арками пролётом 90 м. Основной вклад в становление отечественной школы проектирования и расчёта металлических конструкций внесли В. Г. Шухов, Н. С. Стрелецкий, Е. О. Патон, С. А. Ильясевич, Н. П. Мельников, А. Ф. Белов, Г. Д. Попов, Е. И. Беленя, С. В. Тарановский, В. И. Трофимов и др.