МЕТАЛЛИ́ЧЕСКИЕ КОНСТРУ́КЦИИ

МЕТАЛЛИ́ЧЕСКИЕ КОНСТРУ́КЦИИ, кон­ст­рук­ции, вы­пол­нен­ные из ме­тал­лов и их спла­вов и при­ме­няе­мые в строи­тель­ст­ве и др. от­рас­лях ма­те­ри­аль­но­го про­из-ва. Под­раз­де­ля­ют­ся на сталь­ные кон­ст­рук­ции и кон­ст­рук­ции из лёг­ких спла­вов (алю­ми­ние­вых спла­вов и ти­та­но­вых спла­вов). По ха­рак­те­ру со­еди­не­ния эле­мен­тов ме­ж­ду со­бой раз­ли­ча­ют М. к. свар­ные, клё­па­ные и с бол­то­вы­ми со­еди­не­ния­ми (см. Со­еди­не­ния в строи­тель­ных кон­ст­рук­ци­ях).

Стальные конструкции (С. к.)

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

Гл. дос­то­ин­ст­ва – вы­со­кая проч­ность, экс­плуа­тац. на­дёж­ность и спо­соб­ность эф­фек­тив­но ра­бо­тать на сжа­тие, рас­тя­же­ние и из­гиб. Осн. не­дос­тат­ки: под­вер­жен­ность кор­ро­зии, что тре­бу­ет пе­рио­дич. на­не­се­ния спец. за­щит­ных по­кры­тий и по­вы­ша­ет за­тра­ты на со­дер­жа­ние; хлад­но­лом­кость, ог­ра­ни­чи­ваю­щая ис­поль­зо­ва­ние в рай­онах с низ­ки­ми от­рица­тель­ны­ми темп-ра­ми, где не­об­хо­ди­мо при­ме­нять до­ро­го­стоя­щие ле­ги­ро­ван­ные ста­ли.

С. к. ши­ро­ко при­ме­ня­ют в не­су­щих кар­ка­сах зда­ний разл. на­зна­че­ния (в т. ч. вы­сот­ных) как в гра­ж­дан­ском, так и в пром. 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 (гид­ро­тех­нич. за­тво­ры и во­ро­та, кон­ст­рук­ции стар­то­вых ком­плек­сов ра­кет и т. п.). В ог­ра­ж­даю­щих кон­ст­рук­ци­ях С. к. 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 С. к. 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 осн. 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 двух ма­рок ста­ли разл. 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 зна­чит. на­груз­ка­ми при­ме­ня­ют со­став­ные ре­шёт­ча­тые эле­мен­ты (ко­лон­ны и фер­мы), по­зво­ляю­щие ми­ни­ми­зи­ро­вать рас­ход ма­те­риа­ла. В тя­жё­лых кон­ст­рук­ци­ях ра­цио­наль­ны шпрен­гель­ные бал­ки или ком­би­ни­ров. 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 разл. на­зна­че­ния час­то ис­поль­зу­ют не­раз­рез­ные и кон­соль­ные бал­ки и фер­мы, ко­то­рые бо­лее эко­но­мич­ны и име­ют мень­шую вы­со­ту.

При про­лё­тах св. 100 м, в т. ч. при строи­тель­ст­ве мос­тов, осо­бен­но вы­год­ны ароч­ные и ви­ся­чие сис­те­мы. В по­кры­ти­ях спор­тив­ных и зре­лищ­ных со­ору­же­ний хо­ро­шо за­ре­ко­мен­до­ва­ли се­бя сталь­ные мем­бран­ные по­кры­тия [напр., 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.

При строи­тель­ст­ве до­мен­ных пе­чей, газ­голь­де­ров, бун­ке­ров и си­ло­сов, ды­мо­вых и вен­ти­ляц. труб и т. п., для ко­то­рых ха­рак­тер­но со­че­та­ние ди­на­мич. на­гру­зок, воз­дей­ст­вие аг­рес­сив­ных сред, вы­со­ких тем­пе­ра­тур и дав­ле­ний, при­ме­ня­ют в осн. лис­то­вые кон­ст­рук­ции.

Рис. 1. Телевизионная башня в Ташкенте (1985).

С. к. эф­фек­тив­ны при воз­веде­нии вы­сот­ных со­ору­же­ний. Напр., в 1985 в Таш­кен­те вве­де­на в экс­плуа­та­цию уни­каль­ная по кон­ст­рук­ции те­ле­ви­зи­он­ная баш­ня выс. 375 м, не­су­щий ствол ко­то­рой из­го­тов­лен из стерж­не­вых кон­ст­рук­ций, а опор­ная тре­но­га – из лис­то­вых (рис. 1).

Конструкции из лёгких сплавов

Гл. дос­то­ин­ст­ва М. к. 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 сер. 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 ко­эф. тем­пе­ра­тур­но­го рас­ши­ре­ния (вдвое боль­ше, чем у ста­ли).

По­ло­же­ние из­ме­ни­лось в 1966, 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 собств. вес при зна­чит. 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 ми­ним. 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 зна­чит. об­лег­че­нию фун­да­мен­тов и кар­ка­са.

В хи­мич., неф­тя­ной и др. от­рас­лях пром-сти из алю­ми­ние­вых спла­вов из­го­тав­ли­ва­ют ре­зер­вуа­ры и тру­бо­про­во­ды; для нужд с. х-ва 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.

Рис. 2. Алюминиевый мост через реку Сагеней (Канада, 1950).

За ру­бе­жом (пре­им. в США и Ка­на­де) алю­ми­ние­вые кон­ст­рук­ции с ус­пе­хом при­ме­ня­ют при строи­тель­ст­ве ав­то­до­рож­ных мос­тов (рис. 2) и осо­бен­но при их ре­кон­ст­рук­ции, где за­ме­на су­ще­ст­вую­ще­го сталь­но­го или жел.-бе­тон. про­лёт­но­го строе­ния на алю­ми­ние­вое по­зво­ля­ет уве­ли­чить ши­ри­ну мос­та за счёт сни­же­ния собств. 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 М. к. из лёг­ких спла­вов, вы­со­ки­ми жа­ро­проч­но­стью и из­но­со­стой­ко­стью, что при при­ме­не­нии в ря­де об­лас­тей тех­ни­ки ком­пен­си­ру­ет их боль­шую стои­мость. М. к. из ти­та­но­вых спла­вов ши­ро­ко ис­поль­зу­ют в авиа­ции (в т. ч. в кон­ст­рук­ци­ях ре­ак­тив­ных дви­га­те­лей), в су­до­строе­нии (для об­шив­ки кор­пу­сов и при из­го­тов­ле­нии греб­ных вин­тов), в хи­мич. пром-сти, в цвет­ной ме­тал­лур­гии, ма­ши­но­строе­нии, элек­тро­ни­ке, ядер­ной и крио­ген­ной тех­ни­ке. Ти­та­но­вый про­кат при­ме­ня­ют так­же в строи­тель­ст­ве для из­го­тов­ле­ния на­руж­ных об­ши­вок, де­ко­ра­тив­ной об­ли­цов­ки, внутр. от­дел­ки зда­ний. Из ти­та­но­вых спла­вов вы­пол­не­ны, напр., об­шив­ки мо­ну­мен­та «По­ко­ри­те­лям кос­мо­са» и па­мят­ни­ка Ю. А. Га­га­ри­ну в Мо­ск­ве.

Историческая справка

Рис. 3. Мост через реку Северн (Великобритания, 1779).

Как стро­ит. ма­те­ри­ал ме­талл при­ме­нял­ся из­древ­ле. Напр., уже в Древ­нем Ки­тае и, по ря­ду ис­точ­ни­ков, в Ин­дии строи­ли при­ми­тив­ные ви­ся­чие мос­ты с це­пя­ми из отд. же­лез­ных звень­ев. С 14 в. для стро­ит. 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 М. к. 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 че­рез р. Се­верн (рис. 3, см. Айронбридж). К нач. 19 в. бы­ло по­строе­но зна­чит. ко­ли­че­ст­во чу­гун­ных мос­тов и по­кры­тий ароч­но­го ти­па в гражд. и пром. зда­ни­ях. Од­на­ко раз­ви­тие М. к. сдер­жи­ва­лось не­дос­тат­ка­ми чу­гу­на: низ­кой проч­но­стью при рас­тя­же­нии и ди­на­мич. воз­дей­ст­ви­ях, а так­же воз­мож­но­стью со­еди­не­ния чу­гун­ных эле­мен­тов толь­ко при по­мо­щи бол­тов. Изо­бре­те­ние в 1820 спо­со­ба со­еди­не­ний ме­тал­лич. 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 ме­ха­нич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми. В кон. 19 в. воз­ве­дён ряд круп­ных объ­ек­тов из ста­ли: мост че­рез Вол­гу вбли­зи Сыз­ра­ни (Н. А. Бе­ле­люб­ский, 1880), Брук­лин­ский мост в Нью-Йор­ке (Дж. Рёб­линг, 1883), Эй­фе­ле­ва баш­ня в Па­ри­же (А. Г. Эй­фель, 1889), ви­ся­чие по­кры­тия Ни­же­го­род­ской яр­мар­ки (В. Г. Шу­хов, 1896). Изо­бре­те­ние элек­тро­свар­ки Н. Н. Бе­нар­до­сом (1882) и Н. Г. Сла­вя­но­вым (1888) от­кры­ло но­вый этап в раз­ви­тии и со­вер­шен­ст­во­ва­нии ме­тал­лич. кон­ст­рук­ций.

Рис. 4. Зал ускорителя элементарных частиц (Протвино, 1964). Фото Н. В. Шарыкиной

Пер­вая стро­ит. кон­ст­рук­ция из лёг­ких спла­вов – кар­низ зда­ния стра­хо­во­го об­ще­ст­ва в Мон­реа­ле – из­го­тов­ле­на в 1896 из алю­ми­ния, а с кон. 1920-х гг. на­ча­лось его ши­ро­кое при­ме­не­ние в строи­тель­ст­ве. Стро­пиль­ные фер­мы из алю­ми­ние­вых спла­вов впер­вые при­ме­не­ны в 1946 (Бит­тер­фельд, Гер­ма­ния, про­лёт 32 м), впо­след­ст­вии в ми­ре воз­ве­дён це­лый ряд зда­ний и со­ору­же­ний с не­су­щи­ми алю­ми­ние­вы­ми кон­ст­рук­ция­ми. В 1964 в Про­тви­но по­строе­но зда­ние экс­пе­рим. за­ла ус­ко­ри­те­ля эле­мен­тар­ных ча­стиц с не­су­щи­ми ар­ка­ми про­лё­том 90 м (рис. 4). Осн. вклад в ста­нов­ле­ние отеч. шко­лы про­ек­ти­ро­ва­ния и рас­чё­та М. к. 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.