Стальные конструкции. Исторический обзор развития стальных конструкций. (Лекция 1)

1.

2. ТГАСУ Кафедра «металлические и деревянные конструкции». Курс – «Стальные конструкции». Лекция № 1. «Исторический обзор развития

стальных конструкций».
Лектор - Ст. преподаватель кафедры «МиДК»
Крайнов Андрей Викторович
Сот. 597841, 8-913-829-78-41, [email protected]

3. Цели и задачи курса «Стальные конструкции» 1 часть.

1. Ознакомится со строительным материалом «Сталь».
2. Знать достоинства и недостатки материала.
3. Знать историю происхождения и способы изготовления стальных
конструкций.
4. Знать основные принципы расчёта стальных конструкций.
5. Знать основные виды стальных элементов, их достоинства и
недостатки.
6. Уметь проводить расчёт и проектирование центрально сжатых,
центрально растянутых, изгибаемых и сжатоизгибаемых элементов, а
также проводить расчёт на общую и местную устойчивость элементов,
срез, смятие и т.д.
7. Знать и уметь проводить расчёт сварных и болтовых соединений.

4. Цели и задачи курса «Стальные конструкции» 1 ч.

1. Количество лекций – 12 лекций.
2. Практических занятий – 12 занятий.
3. Курсовая работа «балочная площадка». Объем работы: пояснительная записка
около 30-40 листов расчёта, 4 листа графической части формата А3.
4. Зачёт.
«Если строитель построил человеку дом и свою работу сделал непрочно, а
дом, который он построил, рухнул и убил хозяина, то этот строитель должен
быть казнён». Закон № 229 царя Хаммурапи (1810-1750 г. до н.э.)
«Лица, виновные в нарушении законодательства о градостроительной
деятельности, несут дисциплинарную, имущественную, административную,
уголовную ответственность в соответствии с законодательством Российской
Федерации». Ст. 58 Градостроительный кодекс РФ.

5. В различных исторических источниках упоминается, что 4 тысячелетия назад использовали различные материалы: бронза, золото,

медь. В 25-15 веке до н.э.
встречается более прочный материал метеоритное железо. В дальнейшем часто
встречается железо из минералов.
Первая попытка обработать железо было в
открытом пламени костра. Пламя древесного
костра позволяло разогревать до 1300˚ С. Но
температура размягчения железа 1250 - 1400˚ С,
а температура плавления -1520˚С. Повысить
температуру (ещё на 50-100˚ С) можно было
путём вдувания свежего воздуха в пламя
(дополнительное поступление кислорода).

6.

Такой способ вдувания сырого воздуха в
горн или костёр получил название
«сыродутное производство». Этот
способ применялся во многих странах
вплоть до конца 20 века
Разогрев до 1400 ˚С позволял руде переходить в
мягкое состояние и выделять примеси – шлак.
Полученный раскалённый лом называли крица. В
дальнейшем механической обработкой «выбивались»
оставшиеся примеси. Такой способ обработки
назывался «Кричное производство»

7.

Такое производство, конечно, было очень
трудоёмким и дорогим. Для примера можно
привести описание дорогих царских подарков
– железные мечи, награда на олимпийских
играх – железная медаль и кутубская колонна
в Индии высотой 7,5 м и диаметром 40 см.

8.

В дальнейшем до 12-14 века н.э. применение железа в конструкциях и
частично для бытового назначения, сдерживался по ряду факторов:
1) При плавлении руды в железе повышалось кол-во углерода (до 2-3%),
что приводило к получению хрупкого и нековкого материала.
2) Материал для розжига оставался древесный уголь (температура
горения до 1400 гр. – близкая к плавлению железа, но не плавит его).
3) Горны не позволяли изготавливать элементы более 1 м. в длину.
4) Добыча руды была трудоёмкой;
5) Материал был достаточно тяжёлый (объёмный вес железа 7850 кг/м3).
Для сравнения:
бетон – 2500 кг/м3, дерево – 500 кг/м3, кирпич 1800 кг/м3.

9. «Нулевой» период развития железных конструкций 20-30 веков до н.э. – 12-14 век н.э.

Основные достижения первого периода:
1) Человек научился добывать и обрабатывать железо из руды;
2) Основной способ обработки – разогрев до температуры размягчения
руды и механическая обработка изделия;
3) Применение древесного угля с надувом воздуха (сыродутное
производство) позволило плавить руду с выделением инородных
включений (шлака).
4) Дальнейшая механическая обработка (кузнечное производство)
позволяло «выбивать» из материала шлак из тугоплавких включений.
5) Железо как материал из за прочностных свойств стал привлекать к
себе строителей, военных и т.д.

10.

Увеличение численности населения в средние века, строительство
крупных поселений, возрастающее расслоение населения по достатку и
возрастающая роль религии в жизни общества, приводит к необходимости
строительства крупных сооружений: дворцов, религиозных сооружений,
зданий с массовым пребыванием людей.
Основной конструкцией крупного здания в средние века является арочные
или купольные сооружения для которых серьёзной проблемой является
распор. И в это время появляются первые железные конструкции,
работающие как затяжки или сжимающие кольца на куполах.
Начиная с 12 века н.э. начинается новый этап развития применения
железа, как строительного материала. Исторических документах примерно
в этот период возникают упоминания о применения железа в развитых
станах: Европа, средняя Азия, Китай.

11. Первая затяжка (упоминаемая в летописи) выполнена в Успенском соборе во Владимире в 1158 г. Поддержка и затяжка в Покровском

соборе (храм
Василия Блаженного) 1560 г.

12. Изучение строительного материала «железо» выявило зависимости качество работы от способа обработки руды: при повышении

температуры обработки до плавления и интенсивной механической
обработки материал лучше работает на растяжение и изгиб. Было
отмечено, что полученный сплав представляет собой смесь из атомов
железа (до 97-98%), атомов углерода (до 2%) и других химических
элементов. Отмечено, что при содержании в материале углерода более
2% повышается прочность, но и увеличивается хрупкость. При таком
содержании углерода полученный материал получил название Чугун.
Наличие примесей других элементов в железе часто приводило к отказу
работы элемента на растяжение или изгиб. Работа элементов из железа
на сжатие меньше всего приводил к отказам и поэтому чаще всего
конструкции выполнялись в виде арок (основные стержни работают на
сжатие).

13. Наибольшее распространение применения железа было в строительстве мостов и каркасов крупных зданий.

Мост пролётом 31 м через реку
Северен, построенный в 1779 г.
Кровля Троицко-Сергиевского
монастыря в Загорске 1696 г.

14. В дальнейшем, в европейской части, было предложено в качестве горючего вещества использовать каменный уголь, который позволял

проводить нагрев до температуры плавления. Но в добываемой руде
каменного угля было много серы и часто отмечались случаи отравления.
Ко всему сера в средние века считалась негативом с точки зрения религии и
пока в Англии не научились выделять серу из руды, применение каменного
угля было приостановлено.
До начала 18 века технология производства элементов из железа (чугуна)
оставалось таким же, как и тысячи лет назад. Небольшие
усовершенствования (поддувка из горячего воздуха, создание утепления
печи для устранения потерь тепла и т.д.) позволяли плавить железную руду
или лом.
Возрастающая потребность в строительстве в железных элементах привело к
попытке создания форм для литья и получения одинаковых элементов.

15. Фактически в середине 18 века произошла попытка первой типизации и унификации элементов. Это позволило начать строить

сооружения с
достаточной точностью и изготавливать элементы в разных кузницах.
К таким сооружениям можно
отнести мост в Санкт –
Петербурге в 1784 г. (копия
английского моста) и купол
Исаакиевского собора (окончание
в середине 19 века).
В это же время осваивается способ
соединения элементов на замках,
отмечаются первые попытки
создать соединения на нагелях.

16. В 1784 г. английский металлург Генри Корт предложил конструкцию печи в которой происходит плавление руды без контакта с

топливом.
Плавление осуществилось от подогрева и тёплого воздуха при горении
кокса (каменный уголь без серы). В расплавленной массе на поверхности
выделялся шлак, который собирали специальной штангой. В результате
получалось малоуглеродистое железо с малым количеством примесей и
высокой пластичностью и свариваемостью. Такой метод получил
название Пудлингование (англ. Pudding).
Такой метод просуществовал в
СССР до 1930 года. Этот метод
можно увидеть в первых фильмах
СССР, когда рабочий в печи
большой кочергой накручивает на
неё шлак….

17. В начале 18 века изготовление железных изделий для строительства было очень дорого и применять новый материал старались в

исключительных
случаях.
Например, перекрытия Зимнего дворца
в Санкт – Петербурге было деревянным,
но после пожара в 17 декабря 1837 г.
было рекомендовано строить крыши
больших зданий и мосты из железа.
Открытие больших запасов железной
руды на Урале, месторождений
каменного угля и приобретении
металлургических печей сделало
большой прорыв в строительстве
железных конструкций.

18. Почти через сто лет англичанин Генри Бессемер в 1856 г. предложил новый вид печи, в которой через расплавленный чугун

пропускается воздух, который
окисляет примеси оставляя их на
поверхности. В конце плавки
образовавшеюся «пенку» из шлаков
сливали, а полученную сталь разливали по
формам. Печь изготавливалась из
железных листов с огнеупором внутри.
Новый метод достаточно хорошо окислял
и удалял многие химические элементы в
чугуне, но самые вредные Сера и Фосфор
оставались.
Сохранились несколько видов печей.

19. А.В. Куприн. Бессемеровский цех.

Вариант Бессемеровского цеха,
получившего распространение в
США.

20. Для выплавки Бессемеровской стали старались использовать руду с низким содержанием фосфора и серы, что значительно удорожало

изделия. Усовершенствовать печь
Бессемера в 1878 г. предложил
Англичанин Томас путём
увеличения размеров и обкладки
внутренней поверхности
доломитом. Далее, при выплавке,
добавляли известь, которая, вступая
в реакцию с фосфором, превращала
его в шлак. Таким образом, можно
было использовать любую руду и
полученная сталь была дешевле.

21. В след за Бессемером в 1864 г. француз Мартен предлагает свой вариант печи. Печь выкладывается из огнеупорного камня, в составе

которого присутствует
оксиды кальция и магния. Во
внутренний поддон (подина)
загружался лом. Основное место в печи
занимал низкий сводчатый потолок,
который отражал жар вниз. По
специальным каналам в печь вдувался
горючий газ и воздух. Температура
могла подниматься до 1900 С.

22. Печь, предложенная Мартеном оказалась самая популярная на территории Российской империи и после революции в 1917 г. на

территории Советского союза. Из недостатков можно отметить, что
после нескольких выплавок начинались разрушаться кирпичные стены и
приходилось их ремонтировать.
Практически до конца 20 века мартеновские печи продолжали работать.
Во время Великой Отечественной войны
мартеновская сталь была самая востребованная…
«Дни и ночи у мартеновских печей
Не смыкала наша Родина очей»
Песня «День Победы»

23. Появление возможности резко увеличить производства стальных изделий с одной стороны и возрастающая потребность населения в этих

изделий с
другой, привели к спросу на конструкции. Но для строительства крупных
сооружений работа одной печи с одними формами была не достаточна и
возникла необходимость производить изделия одного размера на всех
предприятиях. Многие крупные производители, уже в первой половине 19
века стали договариваться об изготовлении изделий с заданными
размерами. В это же время сталь стала вытеснять чугун, появляются
новые конструктивные формы конструкций (арки, фермы и т.д.). Европа
стала переживать настоящий бум в строительстве.
Зная размеры деталей в проектах уже предусматриваются узлы
скрепления деталей между собой. Появляются первые соединения на
заклёпках.

24. Во второй половине 19 века несколько европейских инженеров предложили сформировать несколько сечений из проката (двутавр,

швеллер, уголок, лист,
квадрат) и систематизировать их размеры. Так появился первый в Европе сборник
видов стальных сечений с заданными размерами, который стали называть
«Сортамент прокатной стали». В последствии из за ряда несогласий между
ведущими металлургами Европы сортамент разделился по странам: Немецкий,
Английский, Французский и т.д.
В России в 1900 г. Профессором Белюбским Н.А. был предложен Русский
сортамент прокатной стали, который и стал основным сборником размеров
выпускаемой продукции металлургии, как в дореволюционной России, так и
перешедший потом в Советский союз с республиками.
В последствии сортамент незначительно корректировался несколько раз, но
основные позиции были сохранены.

25. Во второй половине 19 в. происходит прорыв в строительстве. Появляются мосты, перекрывающие большие пролёты, новые многоэтажные

здания.
Эйфелева башня. Высота
300 м. 1889 г. построена
как входная арка на
всемирной выставке в
Париже.
Здание
Метрополитен-оперы
построено 1893 г.
снесено 1967 г.
Мост ферт бридж,
построен 1890 г.

26. Развитие конструкций подразумевает соединение элементов в единый ансамбль. Появляется необходимость каким то образом соединять

элементы в узлах. Самым популярным способом был замок. Затем
научились пробивать отверстия и соединять на заклёпках.
В 1802 г. Российский инженер В.В. Петров предложил разогревать место
соединения элементов электрической дугой. Но воплотить эту идею было
очень трудно и только в 1893 г. Н.Г. Славянов продемонстрировал сварку
электрической дугой электродом. В месте сварки температура достигала
7000 С.
Масштабное применение автоматической и ручной сварки началось только
в 30 годы 20 века.
В это же время при относительно достаточном снабжении электричеством
появляется возможность проводить выплавку стали, разогревая смесь
электрическим током.

27. Электрическая плавильная печь использует тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов. Первая плавка состоялась в

1899 г. французом
Эру, но распространение получила во второй половине 20 века.
Печь позволяет разогревать руду или лом до температуры при которой из
сплава выплавляется все примеси. Далее в чистое железо добавляется
необходимые химические элементы, придающие стали нужные свойства.

28. На сегодняшний день в большинстве стран основным методом плавки остаётся электрическая печь. В высокоразвитых странах (Россия,

Европа,
США и т.д.) переходят на индукционный метод плавки стали (разогрев в
магнитном поле). Как правило печи имеют не большие размеры.
Из серьёзных недостатков
можно отметить большое
электрическое поле, большой
шум, высокое потребление
электроэнергии. Но этот метод
на сегодня остаётся одним из
самых дешёвых и
качественных.

29. Для изучения дисциплины «стальные конструкции» рекомендуется следующая литература:

• Металлические конструкции. Н. С. Москалев, Я. А. Пронозин. Учебник
/М: Издательство Ассоциации строительных вызов, 2010. -344 с.
• Металлические конструкции. 1и 2 том. Учебное пособие. / Под
редакцией В. В. Горева. М, Высшая школа, 1997 г. -527 с.
• СП 16.13330.2011. "Стальные конструкции. Актуализированная редакция
СНиП II-23-81*". Свод правил. Москва, 2011 г., -172 с.
• СП 20.13330.2011. "Нагрузки и воздействия. Актуализированная
редакция СНиП 2.01.07-85*". Свод правил. Москва, 2011 г. 80 с.
• И другие учебники, справочники, методички и т.д.

30. Спасибо за внимание!!!