Здания и сооружения с каскадами из рамных сплошностенчатых конструкций
|
История развития металлических строительных конструкций в строительстве насчитывает несколько веков и достаточно подробно изложена в различных источниках. Первоначально металлические конструкции выполнялись из отдельных стержней, объединенных в плоские или пространственные решетчатые конструкции (фермы, арки, купола и т.д.) и были во многом аналогичны давно известным конструкциям из дерева. Элементы таких конструкций работали, в основном, на осевые нагрузки. При этом пояса ферм или арок воспринимали усилия от изгибающего момента, а решетка — от перерезывающей силы. Широкое распространение решетчатых конструкций было обусловлено массовым производством кованных и прокатных профилей, удобством соединения этих элементов при помощи заклепок и болтов в единую конструкцию, достаточно простыми методами расчета этих конструкций. He случайно, наибольшее развитие в XIX веке получили методы строительной механики, связанные с расчетом именно стержневых конструкций, включая статические расчеты, расчеты на устойчивость и т.д. Сплошностенчатые конструкции, сечения которых составлялось из отдельных плоских листов, начали применяться несколько позже и в гораздо меньших объемах, чем решетчатые. Очевидно, одним из первых примеров использования сплошностенчатых конструкций, является железнодорожный мост «Британия», построенный Стефенсоном в 40-х годах IX века в Англии (рис. 1 а). Сечение моста выполнено в виде прямоугольный трубы, полки и стенки которой были выполнены из листовой стали и воспринимали изгибающие моменты и перерезывающие силы. В качестве другого примера, можно привести конструкции балок перекрытия Зимнего дворца, разработанные архитектором В.П. Стасовым и инженером М.Е. Кларком Балки имеют пролет от 3,4 до 15,4 м при высоте сечения 0,53—0,62 м. Стенки балок выполнены из двух листов толщиной всего 0,8 мм и объединены в эллиптическое сечение при помощи поясов и стяжных винтов, установленных в средней части балок, (рис. 1 б). В конструкциях балок Зимнего дворца, уже в то время, использовалось изменение сечение по длине балки и задание строительного подъема на величину 0,018 пролета.  Использование сплошностенчатых конструкций первоначально сдерживалось технологической сложностью и высокой трудоемкостью объединения отдельных листов в единое сечение при помощи большого числа заклепок и дополнительных уголков, а также отсутствием достаточно разработанных методов расчета таких элементов. Однако, ряд положительных качеств сплошностенчатых конструкций, а именно: малые габариты, высокая жесткость, возможность сопряжения элементов друг с другом в любом месте и так далее, постепенно расширяли область их применения. В качестве примера можно привести многоэтажные здания котельных, построенные в 1920—1930 годы в Германии (рис. 2). Здания выполнены из многоярусных П-образных рам, выполненных из клепаных двутавров и поставленных одна на другую. Пролет рам равен 32 м, а общая высота здания 48,85 м. Высота сечения элементов рам при этом составляла от 1,5 до 1,86 м.  Широкое применение сплошностенчатых конструкций, в основном двутаврового сечения, началось после внедрения электросварки, особенно автоматизированной. Сварные двутавры начали использоваться в качестве подкрановых балок, элементов каркаса здании, в пролетных строениях мостов и т.д. Сплошностенчатые сварные конструкции из листовой стали позволили отказаться от большого количества мелких конструктивных и соединительных элементов, присущих решетчатым конструкциям. Соединение элементов сечения из листовой стали непосредственно друг к другу и встык обеспечило высокую статическую и вибрационную прочность этих конструкций. Сплошностенчатые конструкции позволили в наибольшей степени механизировать и автоматизировать процессы обработки, сборки и сварки. Как отмечалось ранее, многие металлические конструкции, традиционно выполняемые в виде решетчатых, стали с успехом осуществляться в сплошностенчатых. При этом некоторое увеличение массы их основного сечения зачастую с избытком компенсируется исключением массы соединительных элементов, возможностью использования стенки для восприятия одновременно продольной и поперечной сил и уменьшением общей высоты сечения, а следовательно и строительного объема здания. Широкое применение начинают находить каркасы зданий в виде сплошностенчатых рам постоянного или переменного сечения. Наибольших успехов в этом достигла фирма BUTLER (США), разработавшая в 1940-х годах систему стандартизированных зданий, основным элементом каркаса в которых являлись сварные рамы переменного сечения из двутавров. К настоящему времени сплошностенчатые рамные конструкции постоянного и переменного сечения нашли самое широкое применение в мировой практике строительства одноэтажных зданий. К числу ведущих зарубежных фирм относятся такие фирмы, как BUTLER, ARMCO STEEL Corporation, Robertson System, CONDOR, POLINORM, SPACE и др. В России широкое применение сплошностенчатых рамных конструкций началось сравнительно поздно, по сути дела с начала 1980-х годов, когда на Канском заводе легких металлических конструкций было налажено производство одно- и многопролетных рам серии «Канск». В настоящее время рамные конструкции переменного сечения по индивидуальным проектам выпускаются многими заводами металлических конструкций. Одним из основных разработчиков зданий с каркасами из рамных конструкций переменного сечения является научно-исследовательская и проектностроительная фирма УНИКОН (центр находится в городе Кемерово), по проектам и разработками которой было спроектировано и построено более 1 млн. кв. м зданий различных размеров и назначения — от небольших объектов до ангаров для тяжелых самолетов. Исследования, проведенные специалистами фирмы УНИКОН или с их участием, позволили разработать достаточно эффективные и надежные методики расчета и проектирования элементов и узлов зданий с каркасами из рамных конструкций переменного сечения и др. Основными предприятиями в России, специализирующимися на выпуске зданий с рамами переменного сечения являются завод BEHTАЛЛ (Калужская область), выпускающий около 0,3 млн. м2 зданий в год и Канский ЗЛМК «МАЯК». Здания, поставляемые этими заводами, полностью комплектуются несущими и ограждающими конструкциями, включая ворота, окна, метизы и т. д. Наличие современных автоматизированных систем проектирования, производства и комплектации после намеченной модернизации позволят заводу BEHTAJIJI в ближайшее время увеличить выпуск зданий до 2 млн. м2. |
