Металлоконструкции

УДК 624.014(075.8)
ББК 30.4
В19
Р е ц е н з е н т ы:
доцент Е.И. Лихачева, кандидат технических наук С.В. Синаторов
В19
Васильева, Т.В.
Металлоконструкции : учебное пособие / Т.В. Ва
сильева. – М. : АльфаМ : ИНФРАМ, 2011. – 336 с. : ил.
ISBN 9785982812261 («АльфаМ»)
ISBN 978516036267 («ИНФРАМ»)
Приводятся основные понятия металлических конструкций. Рассмат
риваются их основные элементы, конструкции одноэтажных производст
венных зданий, большепролетных и многоэтажных каркасных зданий. Из
лагаются основы экономики металлоконструкций.
Для студентов образовательных учреждений среднего профессиональ
ного образования, обучающихся по специальностям «Изготовление метал
лических конструкций» и «Строительство и эксплуатация зданий и соору
жений».
УДК 624.014(075.8)
ББК 30.4
© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2011
ISBN 9785982812261 («АльфаМ»)
ISBN 9785160036267 («ИНФРАМ»)

ПРЕДИСЛОВИЕ
Современное развитие строительства требует
применения экономичных, легких, долговечных, эстетически
выразительных, надежных строительных конструкций. В оп
ределенной степени этому отвечают металлические конструк
ции. Они изготовляются из относительно легкого, прочного,
плотного материала – стали. Причем для различных видов
конструкций или их наиболее нагруженных элементов могут
применяться стали с высоким расчетным сопротивлением.
Металлические конструкции благодаря своим высоким
техникоэкономическим качествам применяются во всех от
раслях народного хозяйства. Широкое использование в строи
тельстве металлических конструкций позволяет проектиро
вать сборные элементы зданий и сооружений сравнительно
малой массы, организовывать поточное производство конст
рукций на заводах и поточноблочный монтаж их на строи
тельной площадке, ускорять ввод объектов в эксплуатацию.
Проектирование экономически эффективных металличе
ских конструкций основывается на знании особенностей их
работы под нагрузкой, правильном выборе конструктивных
форм, использовании типовых и унифицированных решений
и соответствующем расчете.
Работы отечественных и зарубежных ученых, а также опыт
технически развитых стран указывают на значительные возмож
ности повышения техникоэкономических показателей метал
лических конструкций более широким внедрением в строитель
ство конструкций из низколегированных и высокопрочных ста
лей с применением эффективных профилей проката.
Содержание настоящего учебного пособия полностью со
ответствует государственному образовательному стандарту
среднего профессионального образования по специальностям
270108 «Изготовление металлических конструкций» и 270103
«Строительство и эксплуатация зданий и сооружений».
Каждая глава снабжена вопросами для самопроверки.
В конце книги приведен словарь терминов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОНСТРУКЦИЙ
§ 1.1. История развития металлических
конструкций
Металлические конструкции характеризуются
высокой несущей способностью, обеспечивающей восприятие
значительных нагрузок при сравнительно небольшой собст
венной массе, надежностью работы при различных видах на
пряженного состояния и агрессивных эксплуатационных сре
дах, значительной универсальностью с точки зрения создания
различных конструктивных форм плоских и пространствен
ных систем.
Металл – один из самых старых и распространенных искус
ственных строительных материалов. Уже в V в. до н.э. были из
вестны простейшие сооружения из железа. Однако примене
ние металла в строительных конструкциях началось сравни
тельно недавно – после получения в 1784 г. Г. Кортом (Англия)
малоуглеродистого пудлингового железа. За короткий период
были разработаны основные способы промышленного произ
водства литой стали: бессемеровский (1855), мартеновский
(1867), томасовский (1878). С их внедрением начало развивать
ся прокатное производство стальных профилей – угловых, тав
ровых, зетовых и двутавровых.
В начале 1790х гг. в Англии появились первые многоэтаж
ные здания фабрик с внутренними чугунными колоннами, на
которые опирались балки перекрытий. Это был важный шаг к
формированию принципиально новой конструкции здания –
каркасной. Наружные стены обычно возводились из кирпича,
хотя оконные проемы нередко перекрывали металлическими
балкамиперемычками. Междуэтажные перекрытия, опирав
шиеся на наружные кирпичные стены и внутренние чугунные

§ 1.1. История развития металлических конструкций
7
колонны, сначала делали из деревянных балок, но уже с конца
1790х гг. стали применять и металлические балки.
Металлические конструкции не только повышали проч
ность, долговечность и огнестойкость фабричных зданий. Они
позволяли более рационально использовать их внутренний
объем, так как тонкие чугунные колонны занимали гораздо
меньше места, чем кирпичные столбы, и позволяли легко мон
тировать к ним технологическое оборудование.
В первые десятилетия XIX в. фабричные здания с внутрен
ним металлическим каркасом получили в Англии повсеместное
распространение. Конструкции такого типа начали применять
и русские зодчие. Так, новаторская каркасная конструкция бы
ла применена в здании льнопрядильни Александровской ману
фактуры (по проекту инженера А.Я. Вильсона), послужив об
разцом для целого ряда фабричных зданий, возведенных в Пе
тербурге в 1830х гг.
В 1840–1850е гг. в Петербурге появилось уже несколько
десятков фабричных зданий каркасностеновой конструкции.
Каркасностеновая конструкция применялась в середине XIX в.
в двух вариантах. В одних случаях на чугунные колонны опира
лись деревянные балки, в других – более прочные и надежные,
но зато и более дорогие металлические балки. Пролеты между
металлическими балками перекрывали либо деревянным на
стилом, либо сводиками из кирпича. Конструкция многоэтаж
ного здания с внутренним каркасом из чугунных колонн, же
лезных балок и заполняющих пространство между ними кир
пичных сводиков была наиболее надежной и долговечной.
Немало зданий такого типа, построенных в середине XIX в.,
продолжает функционировать и в наши дни.
Начиная с 1830х гг. пролеты одноэтажных корпусов про
мышленных зданий стали перекрывать не только деревянными,
но и железными стропильными фермами, более долговечными
и надежными в противопожарном отношении. Железные по
крытия были особенно распространены на сталелитейных, ме
таллообрабатывающих и механических заводах, где они неред
ко выполнялись силами самих предприятий.
Среди производственных зданий с металлическими покры
тиями, возведенных во второй трети XIX в., следует особо от
метить большой судостроительный эллинг Нового адмирал

Глава 1. Основные понятия металлических конструкций
тейства, построенный в 1833–1838 гг. у самого берега Невы.
Его стены были сложены из кирпича, а пролет между ними,
равный 26 м, был перекрыт железными решетчатыми арками.
Это здание открыло новый этап в развитии конструкций про
мышленных зданий с большими пролетами. Сооружение, от
личавшееся высоким для своего времени техническим совер
шенством, исправно прослужило почти 120 лет и было разо
брано только в 1950 г.
Бурное развитие сварных металлических конструкций и воз
растающие объемы строительства позволили уже в 1930е гг.
разработать типовые балки и фермы с унифицированным трех
метровым модулем. Широкое применение в истории Первой и
Второй мировых войн и последующие годы нашли металличе
ские заграждения из колючей проволоки. Вообще колючая про
волока как элемент периметра германских фортов была исполь
зована в качестве заграждений примерно в 1870 г.
В послевоенный период металлические конструкции при
менялись главным образом при возведении резервуаров, газ
гольдеров, доменных печей, мачт линий электропередачи, ра
диомачт, телевизионных башен, телескопов, проволочных за
граждений, в которых применение других материалов было
практически невозможно или экономически нецелесообразно.
В течение 1950–1960х гг. мировая практика накопила ог
ромный опыт в развитии современных металлических конст
рукций. Были разработаны конструкции в виде традиционных
балок, ферм и колонн для одноэтажных и малоэтажных про
мышленных и гражданских зданий, а также новые виды эф
фективных конструкций – предварительно напряженные фер
мы и балки, перекрестностержневые конструкции, вантовые
и мембранные конструкции, сетчатые купола, своды и проч.
Областью строительной деятельности, в которой переход к
применению металлических конструкций сыграл исключи
тельно важную роль, были проектирование и строительство
промышленных зданий. Наибольшее применение в промыш
ленных и гражданских зданиях и сооружениях находят стерж
невые системы с жесткими элементами, хорошо работающими
на растяжение, сжатие и изгиб. Более половины всей стали,
применяемой в строительстве, используется в одноэтажных
промышленных зданиях, состоящих из одно или многопро

§ 1.2. Область применения и номенклатура конструкций
9
летных поперечных рам, в зданиях, строящихся в районах с
расчетной сейсмичностью 8–9 баллов или испытывающих
большие динамические нагрузки на технологическое оборудо
вание, в зданиях, возводимых в труднодоступных районах.
Применение стержневых металлических конструкций эко
номически выгодно в большепролетных зальных покрытиях
преимущественно для зданий общественного назначения. Ме
таллические каркасы применяются в высотных гражданских
зданиях с числом этажей не менее 20, а также в промышленных
зданиях.
Алюминиевые конструкции наравне со стальными приме
няются практически во всех областях строительства в виде не
сущих сварных конструкций – ферм, колонн, прогонов по
крытий, висячих конструкций, сборноразборных каркасов
зданий и проч. Однако ввиду высокой стоимости, меньшей,
чем у стали, жесткости и низкой огнестойкости их применение
в современном строительстве ограниченно.
§ 1.2. Область применения и номенклатура
металлических конструкций
Сегодня металлические конструкции широко
применяются в зданиях и инженерных сооружениях, имеющих
значительные пролеты, высоту и нагрузку. Потребность в ме
таллических конструкциях постоянно растет, что диктует не
обходимость в увеличении объемов производства стали в стра
не, строительства заводов по производству металлоконструк
ций, создания специализированных монтажных организаций,
оснащения их современной техникой, организации специали
зированных проектных и исследовательских институтов.
Металлические конструкции подразделяются в зависимости
от их конструктивной формы и назначения на восемь видов.
1. Промышленные здания. Одноэтажные промышленные здания
имеют конструкцию в виде цельнометаллических и смешан
ных каркасов. В них устанавливают металлоконструкции по
крытия здания и подкрановые пути. В зданиях с большими
пролетами и высотой, оборудованных мостовыми кранами

Глава 1. Основные понятия металлических конструкций
большой грузоподъемности, применяются в основном цель
нометаллические каркасы, представляющие собой сложные и
металлоемкие конструктивные комплексы.
2. Большепролетные покрытия зданий. Большие пролеты (100–
150 м) характерны для зданий общественного назначения
(рынки, спортивные сооружения, выставочные павильоны,
театры), отвечающих высоким эстетическим требованиям, и
отдельных производственных зданий (лаборатории, авиасбо
рочные цеха, ангары). Для их перекрытия наиболее целесо
образно использовать металлические конструкции. Больше
пролетные покрытия имеют разнообразные конструктивные
формы (рамные, балочные, арочные, висячие), а также комби
нированные плоские и пространственные конструктивные
системы.
3. Мосты, эстакады. При больших и средних пролетах на автомо
бильных и железнодорожных магистралях применяют мосто
вые металлоконструкции. Мосты, так же как и большепролет
ные покрытия, имеют разнообразные системы – висячую, ба
лочную, арочную, комбинированную.
4. Листовые конструкции представляют собой тонкостенные обо
лочки различных форм и выполняются в виде газгольдеров,
резервуаров, бункеров, различных сооружений химического
производства, нефтепереработки. Данные конструкции долж
ны быть прочными и плотными (непроницаемыми). Их часто
применяют в условиях низких и высоких температур. Этим ус
ловиям хорошо удовлетворяют сталь и алюминиевые сплавы.
5. Башни и мачты применяют в геодезии, для радио и телевиде
ния, в опорах линий электропередачи, надшахтных копрах,
дымовых и вентиляционных трубах, нефтяных вышках и про
мышленных этажерках. Выполнение этих конструкций из ста
ли придает им необходимую легкость, обеспечивает удобство
транспортирования и быстроту монтажа.
6. Каркасы многоэтажных зданий из металла применяют в основ
ном в гражданском строительстве при плотной застройке
больших городов, а также для некоторых типов промышлен
ных зданий.
7. Крановые и другие подвижные конструкции мостовых, козловых,
башенных и крановперегружателей, конструкции крупных
экскаваторов и различных строительных машин, ворота и за