Чугунная арка, пролетом 30м применена в перекрытии Александринского театра в Петербурге (1827-1832 гг.).

В 50-е годы ХIХ века в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, это самый крупный чугунный мост мира.

С 30-х г. ХIХ века до 20-х г. ХХ века – идет быстрый технический прогресс в металлургии и металлообработке, появляются заклепочные соединения, в 40-х г. ХIХ века освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун. Все стальные конструкции в течение ста последующих лет выполнялись клепанными.

Чугунные конструкции во второй половине ХIХ века применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т. п., то есть, где сопротивляемость чугуна сжатию лучше стали.

До конца ХIХ века в России промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия использовались треугольные металлические фермы (рис.3). Сначала в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода.

Рис.3. Стропильная ферма (70-е годы ХIХ в.)

Во второй половине ХIХ века значительное развитие получило металлическое мостостроение, где стали применять решетчатые фермы с треугольной шпренгельной решеткой, появляется металлический сортамент прокатных профилей.

В начале ХХ века промышленные здания стали строить с металлическим каркасом, который поддерживал как ограждающие конструкции, так и пути мостовых кранов. Несущим элементом каркаса стала поперечная рама, состоящая из колонн и ригелей (стропильные фермы). Все стальные конструкции изготавливались в основном клепанными. Сталь стала вытеснять чугун. К концу века совершенствуется форма ферм, появляются раскосы, узловые соединения вместо болтовых на проушинах, стали выполнять заклепочными с помощью фасонок.

В конце ХIХ столетия стали применять решетчатые рамно-арочные конструкции для перекрытий зданий значительных пролетов, например, Киевский вокзал в Москве по проекту В.Г.Шухова 1913 – 1914 гг. (рис..4). Развивается металлическое мостостроение (например, мост с решетчатыми фермами через реку Лугу, 1853 г.). Профессор Л.Д.Проскурянов ввел в мостовые фермы треугольную и шпренгельную решетки (мост через реку Енисей).

Дальнейшее развитие металлургии, машиностроения и других отраслей промышленности потребовало оборудования зданий мостовыми кранами. Сначала их устанавливали на эстакадах, но с увеличением грузоподъемности стало целесообразно строить здания с металлическим каркасом,

Рис.4. Перекрытие Киевского вокзала в Москве

поддерживающим пути мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис.5).

Рис.5. Каркас промышленного здания (начало ХХ в.)

Профессор Ф.С.Ясинский первый запроектировал многопролетное промышленное здание. Академик В.Г.Шухов первый в мире разработал и построил пространственные и решетчатые конструкции покрытий и башен различного назначения (телебашня, рис.6).

В построенных им сооружениях реализованы идеи предварительного напряжения конструкций и возведения покрытий в виде висячих систем. Тем самым он предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций. Значительна его работа также в области резервуаростроения, он разработал новые формы резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных параметров (рис.7).

К концу 40-х годов ХХ века клепаные конструкции почти полностью заменили сварными, более экономичными. Появляются низколегированные и высокопрочные стали. Кроме стали, начали использовать алюминиевые сплавы, плотность которых почти втрое меньше.

Расширилась номенклатура металлических конструкций. Большие и многообразные задачи по развитию металлических конструкций решались усилиями проектных, научных и производственных коллективов – Проектстальконструкций, Промстройпроекта и ЦНИПС, переименованного в дальнейшем в ЦНИИСК, а также вузовскими коллективами.

Проектировщики взяли за основу схему конструирования поперечной рамы с жестким сопряжением колонны с фундаментами и ригелем. С развитием металлических конструкций, большим объемом и связанная с ним повторяемость конструкций создали предпосылки для разработки типовых систем и конструктивных решений промышленных зданий. В связи с этим впервые введен трехметровый модуль пролетов, который в 50-е годы был заменен шестиметровым. Типизация распространялась также на пролетные строения мостов, резервуары, газгольдеры, радиобашни, радиомачты. Типизация, унификация и стандартизация – одно из главных направлений

Рис.6. Башня В. Г. Шухова в Москве

Рис.7. Листовые конструкции:

а) капле видный резервуар; б) газгольдер мокрый

развития металлических конструкций.Это снижало трудоемкость изготовления и монтажа конструкций, уменьшало расход стали. Из общественных сооружений можно выделить павильон Космоса на ВВЦ (Москва), перекрытие Дворца спорта в Лужниках, уникальные большепролетные сооружения с металлическими несущими конструкциями, построенными в Москве к Олимпиаде-80.

Наряду с совершенствованием конструкций развивались формы и методы расчета. До 1950 г. расчет велся по методу допустимых напряжений. Такой расчет недостаточно полно отражал действительную работу конструкции под нагрузкой, приводил к перерасходу металла, поэтому был разработан метод предельного состояния. Появляются ЭВМ, что позволяет проектировщику найти быстро конструктивные оптимальные решения.

Успехами в развитии металлических конструкций мы обязаны профессору Н.С.Стрелецкому, который 50 лет возглавлял школу металлостроения. Он явился одним из инициаторов перехода от расчета по допускаемым напряжениям к расчету по предельным состояниям. В области электросварки большой вклад внес профессор Е.О.Патон.

Параллельно с развитием металлостроения в России, расширяется его использование и в западных странах. Первый чугунный мост был построен в Англии через реку Северн в 1776-1779 гг., пролетом 30,6 м. Мост через Менейский пролив в Англии построен в 1818-1826 гг., пролетом 176,5 м. В 1832-1840 гг. построен мост во Фрейбурге в Швейцарии, пролетом 273 м, а в 1889 г. строится Эйфелева башня в Париже, высотой 300 м и многие другие сооружения.

Основные понятия и термины

А – площадь сечения брутто;

А_bn – площадь сечения болта нетто;

А_f – площадь сечения пояса (полки) балки;

А_w – площадь сечения стенки;

А_n – площадь сечения нетто;

А_wf – площадь сечения по металлу углового шва;

А_wz – площадь сечения по металлу границы сплавления;

Е – модуль упругости;

F – сила;

G – модуль сдвига;

I_x, I_y – моменты инерции сечения брутто относительно осей, соответственно (х – х) и (у – у) проходящих через центр тяжести сечения;

I_xn, Y_yn – то же, сечения нетто;

М – изгибающий момент;

М_х, М_у – моменты относительно осей соответственно (х – х), (у – у);

N – продольная сила;

Q – поперечная сила;

R_bp – расчетное сопротивление смятию одноболтового соединения;

R_bs – расчетное сопротивление срезу одноболтового соединения;

R_bt – расчетное сопротивление растяжению одноболтового соединения;

R_P – расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки);

R_u – расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлению;

R_un – временное нормативное сопротивление стали разрыву;

R_y – расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести;

R_yn – предел текучести стали, принимаемый равным значению предела текучести – по государственным стандартам и техническим условием на сталь;

R_wf – расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва;

R_wz – расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу границы сплавления;

R_wy – расчетное сопротивление стыковых, сварных соединений сжатию, растяжению, изгибу по пределу текучести;

S – статический момент сдвигаемой части сечения;

W_x,W_y – моменты сопротивления сечения брутто относительно осей, соответственно (х – х), (у – у);

b – ширина;

b_ef – расчетная ширина;

b_f – ширина полки (пояса) балки;

b_h – ширина выступающей части ребра за стенку;

с_х,с_у – коэффициенты для расчета на прочность с учетом развития пластических деформаций при изгибе относительно осей, соответственно (х – х), (у – у);

е – эксцентриситет приложения силы относительно центра тяжести сечения;

h – высота;

h_ef – расчетная высота стенки;

h_w – высота стенки;

i_x,i_y – радиусы инерции сечения относительно осей, соответственно (х – х),(у-у);

k_f – катет углового шва;

l – длина;

l_ef – расчетная длина;

l_w – длина сварного шва;

l_x,l_y – расчетные длины элемента в плоскостях, соответственно (х – х), (у – у);

m = (eA/W) – относительный эксцентриситет;

m_ef = mη – приведенный относительный эксцентриситет;

t – толщина;

t_w – толщина стенки;

t_f – толщина полки (пояса);

β_f,β_z – коэффициенты для расчета углового шва, соответственно по металлу шва и металлу границы сплавления;

γ_b – коэффициент условий работы болтового соединения;

γ_с – коэффициент условий работы всей конструкции;

γ_n – коэффициент надежности по назначению конструкции;

γ_m – коэффициент надежности по материалу;

η – коэффициент влияния формы сечения;

λ – гибкость;

- условная гибкость (λ = λ);

λ_еf – приведенная гибкость стержня сквозного сечения;

_ef – условная приведенная гибкость стержня сквозного сечения;

λ_f – условная гибкость поясного листа;

_w – (h_w / t_w) ( ) – условная гибкость стенки;

λ_х, λ_у – расчетные гибкости элемента в плоскостях (х – х), (у – у);

υ – коэффициент поперечной деформации стали (Пуассона);

σ_loc – местное напряжение;

σ_х, σ_у – нормальные напряжения, параллельные осям, соответственно (х–х)(у-у);

τ_ху – касательные напряжения;

f_х,_у – коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии;

φ_b – коэффициент устойчивости при изгибе;

φ_е – коэффициент устойчивости при сжатии с изгибом;

φ_еху – коэффициент устойчивости при сжатии с изгибом в двух плоскостях