Наиболее типичной конструкцией является каркас производственных зданий. Каркасы особо крупных промышленных зданий имеют длину около 450 м, ширину — 100 м, высоту — около 50 м. Примером сложных металлоконструкций являются в Москве здания Университета на Воробьевых горах, «Гидропроекта» на Соколе, ЦСУ на Благуше и т. п., а также опоры антенных конструкций и воздушных линий электропередач, надшахтные копры и т.д.
Металлическими конструкциями перекрывают здания с большими пролетами без внутренних колонн, что вызвано условиями эксплуатации. Это ангары, эллинги, троллейбусные парки, другие здания специального назначения.
Большую архитектурную выразительность имеют современные большепролетные здания общественного назначения — театры, рынки, крытые стадионы и т. п. Изготовление таких конструкций связано с освоением промышленностью тонкостенных сварных профилей, рулонного листового проката из сталей повышенной и высокой прочности. Яркое воплощение новые формы нашли в сооружениях Олимпиады-80 в г. Москве, причем особенно эффективны в качестве покрытий мембранные оболочки в уникальном инженерном сооружении — стационарном покрытии Большой спортивной арены в Лужниках и др.
Большое хозяйственное значение имеют стальные листовые конструкции: резервуары для хранения нефтепродуктов, трубопроводы, в том числе больших диаметров для транспортировки нефти и газов и т. п. Особенность этих конструкций — работа материала после предварительной пластической деформации, имеющей место при изготовлении обечаек составных элементов листовых конструкций.
Строительные конструкции из сталей повышенной и высокой прочности успешно применяются в массовом строительстве объектов с небольшими пролетами. Прежде всего, это так называемые здания комплектной поставки, легко собираемые и разбираемые на строительных площадках. Такие легкие стальные конструкции успешно используются при строительстве бытовых помещений: магазинов, хозяйственных блоков, крытых стоянок автомобилей, спортивных и зрелищных залов, зданий сельскохозяйственного назначения, мастерских и т. п. В таких сооружениях эффективно применение профилей различной формы из проката небольшой толщины высокой прочности и пластичности.
Опасность разрушения конструкций зависит от характера нагрузки, напряженного состояния, степени нагруженности. Часто конструкции подразделяются по этим признакам.
Отсутствие сварных соединений понижает опасность разрушения. Например, согласно СНиП 11-23-81, при отсутствии сварных соединений конструкции первой группы приравнивают ко второй группе, второй группы — к третьей, третьей группы — к четвертой.
Для изготовления стальных строительных конструкций используют различные виды стального проката, объем применения основных из них приведен ниже, % к общему объему потребления:
- фасонный (угловые профили, двутавры, швеллеры и др.) и сортовой (квадратного и прямоугольного сечений) прокат
- листовой (толстолистовой, тонколистовой) прокат
- изделия из листового проката (гнутые профили), электросварные трубы круглого, квадратного и прямоугольного сечений
Часто листовой прокат составляет до 60% массы сооружения. Основные преимущества листового проката — неограниченная возможность создания конструкций любых сечений. Листовую сталь подразделяют на толстолистовую, толщиной более 4 мм, и тонколистовую — менее 4 мм. Ширина толстого горячекатаного листа стали может достигать 5000 мм, а толщина — 160 мм. Однако наиболее широко используют горячекатаные листы толщиной 4-20 мм и шириной до 2500 мм. Листы для строительных конструкций поставляют длиной 6 м, реже —12 м; листы тонкие холоднокатаные толщиной менее 3,5 мм, а толстые и горячекатаные более 3,5 мм длиной до 4 м и шириной 600-2000 мм. В строительстве применяют гнутые и штампованные профили, горячекатаные листы толщиной до 14 мм. Для изготовления листовых конструкций, сплошных стеновых тонкостенных элементов, мембранных покрытий и т. п. используют холоднокатаные рулонные полосы шириной 200-2300 мм.
Стальные конструкции обычно изготовляют на заводах металлических конструкций (ЗМК) в виде отдельных элементов или частей, из которых на монтажных площадках собирают каркасы зданий и сооружений. В зависимости от вида выпускаемой продукции ЗМК бывают специализированными и универсальными. Специализированные заводы выпускают конструкции ЛЭП, резервуаров и т. п. Универсальные заводы изготавливают элементы различных конструкций: колонны, подкрановые балки и т. п. В настоящее время в России имеются универсальные заводы с расчетной производительностью металлоконструкций до 180-190 тыс. т/год.
Прокат, поступающий на ЗМК, требует правки, поскольку в листовой стали наблюдаются такие дефекты как волнистость по длине, серповидность, пропеллерность и т. п., в фасонном прокате — общая кривизна, размалковка и т. д. Для устранения этих дефектов на ЗМК, как правило, выполняется холодная правка листовой стали — на листоправильных вальцах, фасонного проката — на правильно-гибочных прессах.
Далее по потоку расположены цехи обработки, где изготавливают детали для конструкций. Здесь производят разрезку проката на заготовки, холодную гибку заготовок, образуют в них отверстия и, наконец, получают детали с окончательными размерами путем строжки и фрезерования заготовок.
Резку проката производят механическим способом (на гильотинных ножницах, прессах и плитах), а при больших толщинах — газокислородной резкой на специальных машинах. Обработку кромок и торцов элементов конструкций производят строжкой и фрезерованием.
При изготовлении листовых конструкций и холодногнутых профилей широко применяют холодную гибку. В последние годы широкое применение находят роликогибочные машины, управляемые ЭВМ, для изготовления самых различных холодногнутых профилей.
До 30 % трудоемкости изготовления конструкций приходится на проводимые в специальных цехах сборку и сварку.
Металлические конструкции эксплуатируются как при различных температурах, так и в средах, загрязненных промышленными предприятиями, что оказывает влияние на их работоспособность. На территории России выделено четыре района со следующими характерными температурами: выше -30° С; ниже -30° С до -40° С включительно; ниже —40° С до -50° С включительно; ниже —50° С до —65° С включительно. С понижением температуры возрастает опасность хрупкого разрушения сооружений.
Металлические конструкции должны обеспечивать сокращение металлоемкости сооружений; снижение трудоемкости изготовления, стоимости и сроков строительства; повышение надежности и увеличение безремонтных сроков эксплуатации сооружений.
