История развития металлических конструкций реферат

Обновлено: 30.06.2024

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного

хозяйства, а с другой - возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники.

Исходя из этих положений в истории развития металлических конструкций можно условно выделить пять периодов.

Первый период (XII - XVII вв.) - Применение металла в уникальных сооружениях в основном в виде затяжек.

Второй период (начало XVII - начало XVIII в.) - Связан с применением металлических стропил и пространственных купольных конструкций.

Третий период (начало ХVIII - середина XIX в.) - Применение конструкций из чугунного литья, треугольных зализочавунних стропильных ферм с соединениями на болтах.

Четвертый период (30-е годы XIX в. - 20-е годы ХХ в.) Связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники. Появились заклепочные соединения, научились производить профильный металл. Сталь вытеснила чугунные конструкции. Появились рамно-арочные системы, строится много стальных мостов. Запроектирована первый многопролетные здания.

Пятый период начинается с конца 20-х годов. Характерно широкое применение сварных соединений вместо клепаных (начало 40-х годов). Применяются низколегированные стали и алюминиевые сплавы. Широкое применение находят листовые конструкции.

Значительные заслуги в области металлических конструкций принадлежат известным отечественным ученым М.А. Белелюбский, Л.Д. Проскуряков, Ф.С. Ясинскому, В.Г. Шухову, М.С. Стрелецкая, Е.А. Патону и многим другим.

Дальнейшее развитие металлических конструкций основывается на комплексном учете лучших принципов отечественной и зарубежной школ проектирования, на методе оптимизации конструкций, применении прогрессивных конструктивных форм, использовании эффективных материалов, профилей, заводских и монтажных соединений. Важное значение имеет совершенствование методов конструирования и расчета, изготовления и монтажа конструкций, увеличения срока коррозионного и физического износа, улучшение культуры эксплуатации металлических конструкций.

Ныне мировая практика накопила огромный опыт в развитии современных металлических конструкций. Разработаны конструкции массового применения в виде традиционных балок, ферм и колонн для одноэтажных и многоэтажных производственных и общественных зданий, а также такие эффективные конструкции как предварительно напряженные фермы и балки, перекрестно-стержньови конструкции, вантовые и мембранные конструкции, сетчатые купола, своды.

Металлоконструкции нашли широкое развитие как в нашей стране так и за рубежом. Успешно применяются низколегированные высокопрочные стали и алюминиевые сплавы, предварительно напряженные, цельносварные легкие и структурные конструкции. Построено много уникальных сооружений - телевизионные и радиорелейные башни высотой 200 . 300 м и более, вантовые большепролетные мосты, покрытия спортивных и выставочных помещений, каркасы высотных домов.

В своем реферате я хочу раскрыть темы, как история развития металлов и металлических конструкций, классификацию, используемые сырьевые материалы при их изготовлении, технологические процессы, свойства продукции, ТЭП при производстве.

Содержание работы

Введение 3
1. Историческая справка 4
2. Классификация 7
3. Сырьевые материалы 9
4. Основные технологические процессы и оборудование 10
5. Основные свойства продукции 14
6. Технико-экономические показатели 19
Заключение 21
Список использованной литературы 22

Файлы: 1 файл

реферат Гульшат.doc

Министерство образования и науки РФ

Казанский государственный архитектурно – строительный университет

Кафедра строительных материалов

МЕТАЛЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Выполнил: студент гр № 11-404

Проверил: к.т.н. доцент

Введение

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

В технологии металлов изучаются свойства металлов, а также практика и теория их получения и обработки. Составными частями технологии металлов являются: металлургия, металлография, термическая обработка металлов, химико-термическая обработка, литейное производство, обработка металлов давлением, сварочное производство, обработка металлов резанием и электрическая обработка металлов.

В процессе развития перечисленных отраслей производства, в результате накопившихся опыта, знаний и их обобщения, а также развития смежных наук (физики, химии и др.), каждая из этих отраслей явилась предметом специальной науки под тем же названием.

Так, например, металлургия — наука, изучающая способы получения металлов и сплавов. Термическая обработка — наука об изменении механических и физических свойств вследствие нагревания и охлаждения сплавов и т. д.

Самостоятельной наукой является металлография, изучающая структуру (строение) металлов и зависимость их свойств от структуры.

1. Историческая справка

История развития металлических конструкций в России

Понятие "металлические конструкции" включает в себя их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, а с другой — возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.

Первый период (с XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых конструкций такого типа являются затяжки Успенского собора во Владимире. По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок и пол чердака над коридором между притворами Покровского собора — храма Василия Блаженного. Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Затяжки, поддерживающие пол и потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами.

Поражает, что уже в те времена конструктор знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Второй период (с начала XVII до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций ("корзинок") глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом посаде, перекрытие старого здания Большого Кремлевского дворца в Москве, каркас купола колокольни Ивана Великого, каркас купола Казанского собора в Петербурге пролетом 15 м и др.

Третий период (с начала XVIII до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале. В 1784 г. в Петербурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструкции в России достигли в середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией 40-х годов XIX в. является купол Исаакиевского собора, собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки.

Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александрийского театра в Петербурге. В 50-е годы XIX в. в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира. В этот же период наслонные стропила постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы.

Сначала в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматр иваемого периода. Сжатые стержни ферм часто выполняли из чугуна, а растянутые — из железа. В узлах элементы соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничивало конструктивную форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были оценены, и стержни уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой нагретых полос.

Четвертый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени и, в частности, в металлургии и металлообработке. В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным — пудлингованием, а в конце 80-х годов — выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конвертерных печах.

Наряду с уральской базой была создана в России южная база металлургической промышленности. В 30-х годах XIX в. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение дыропробивного пресса; в 40-х годах был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. В течение ста последующих лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными.

Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун, будучи материалом более совершенным по своим свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше поддающимся контролю и механической обработке.

В России до конца XIX в. промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы. Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлением раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными с помощью фасонок.

В конце прошлого столетия применялись решетчатые каркасы рамно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов. Примерами являются покрытия Сенного рынка в Петербурге пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м, покрытие Гатчинского вокзала и др.

Пятый период (послереволюционный) начинается с 20-х годов, с первой пятилетки, когда государство приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны. К концу 40-х годов клепаные конструкции были почти полностью заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Развитие металлургии уже в 30-е годы позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь (сталь кремнистую для железнодорожного моста через р. Ципу в Закавказье и сталь ДС для Дворца Советов и москворецких мостов).

В начале 30-х годов стала оформляться советская школа проектирования металлических конструкций. В связи с развитием металлургии и машиностроения строилось много промышленных зданий с металлическим каркасом.

Стальные каркасы промышленных зданий оказались ведущей конструктивной формой металлических конструкций, определяющей общее направление их развития. Советская школа постепенно отходила от европейских схем компоновки поперечных рам каркаса, для которых характерны стремление приблизить конструктивную схему к расчетным предпосылкам и введение большого числа шарниров, что усложняло монтаж и изготовление конструкций. Такие схемы не отвечали требованиям эксплуатации в отношении поперечной жесткости зданий в связи с увеличением размеров пролетов, высоты и, главное, грузоподъемности и интенсивности движения мостовых кранов.

Требованиям эксплуатации и высоких темпов строительства в большей степени отвечали сложившиеся к тому времени схемы конструирования поперечных рам с жестким сопряжением колонн с фундаментами и ригелями. Советские проектировщики взяли за основу эти схемы и улучшили их путем аналитического определения оптимальных геометрических соотношений элементов, схемы решеток и т.п.

В годы Великой Отечественной войны 1941—1945 гг. несмотря на временную потерю южной металлургической базы и большой расход металла на нужды войны в промышленном строительстве и мостостроении на Урале и в Сибири широко использовались металлические конструкции, лучше других отвечавшие основной задаче военного времени — скоростному строительству.

В 50—70-е годы строительство металлических конструкций развивалось с соблюдением основных принципов советской школы проектирования, установленных еще в довоенный период: экономия стали, упрощение изготовления, ускорение монтажа. Для этих лет характерно широкое применение стали в промышленных сооружениях больших размеров с тяжелыми технологическими нагрузками. Построены такие уникальные промышленные здания, как сборочный цех пролетом 120 м с кранами грузоподъемностью 30 т, подвешенными к стропильным фермам на отметке 57 м, и двухпролетное здание с кранами грузоподъемностью 1200 и 600 т.[1]

2. Классификация

Классификация металлов может быть основана на различных признаках: по объему и частоте использования, физико-химическим свойствам и др.

По объему и частоте использования металлов в технике их можно разделить на металлы технические и редкие. Технические металлы — это наиболее часто применяемые; к ним относятся железо Fe, медь Си, алюминий А1, магний Mg, никель Ni, титан Ti, свинец РЬ, цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы — редкие (ртуть Hg, натрий Na, серебро Ag, золото Аи, платина Pt, кобальт Со, хром Сг, молибден Мо, тантал Та, вольфрам W и др.).

Железо в чистом виде используется чрезвычайно редко. Обычно используют железоуглеродистые (Fe-C) сплавы — стали и чугуны, которые образуют группу черных металлов. Все остальные представляют группу цветных металлов. На долю черных металлов приходится ~85 % всех производимых металлов, а на долю цветных -15 %.

По физико-химическим свойствам металлы можно разделить на шесть основных групп.

Магнитные — Fe, Co, Ni обладают ферромагнитными свойствами. Сплавы на основе Fe (стали и чугуны) являются главными конструкционными материалами; сплавы на основе Fe, Co и Ni являются основными магнитными материалами (ферромагнетиками).

Тугоплавкие — металлы, у которых температура плавления выше, чем у Fe (1539 °С); это W (3380 °С), Та (2970 °С), Мо (2620 °С), Сг (1900 °С), Pt (1770 °С), Ti (1670 °С) и др. Применяют их как самостоятельно, так и в виде добавок в стали, работающие, в частности, при высокой температуре.

Легкоплавкие — имеют 7^ ниже 500 °С; к ним относятся: Zn (419 °С), РЬ (327 °С), кадмий Cd (321 °С), таллий Т1 (303 °С), висмут Bi (271 °С), олово Sn (232 °С), индий In (156 °С), Na (98 °С), Hg (—39 °С) и др. Назначение их самое различное: антикоррозионные покрытия, антифрикционные сплавы, проводниковые материалы.

Из тугоплавких и легкоплавких металлов перечислены наиболее распространенные, хотя известны и такие тугоплавкие металлы, как, например, рений Re (3180 °С), осмий Os (3000 °С), ниобий Nb (2470 °С), а из легкоплавких — литий Li (180 °С), калий К (68 °С), рубидий Rb (39 °С), цезий Cs (28 °С).

Легкие металлы имеют плотность не более 2,75 Мг/м3; к ним относится А1, плотность — 2,7, Cs — 1,90, бериллий Be — 1,84, Mg —1,74, Rb — 1,53; Na — 0,97, Li — 0,53 Мг/м3 и др. Эти металлы 337 применяют для производства сплавов, используемых в конструкциях с ограничениями в массе.

Благородные — в электротехнике применяют Аи, Ag, Pt, палладий Pd, а также металлы платиновой группы: иридий 1г, родий Rh, осмий Os, рутений Ru. Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Их используют в производстве ответственных контактов, выводов интегральных микросхем и других полупроводниковых приборов, термометров сопротивления и термопар, нагревательных элементов, работающих в особых условиях.

Редкоземельные — лантаноиды; их применяют как присадки в различных сплавах. Сплавы (RM) металлов группы железа (М) с редкоземельными элементами (R) являются весьма перспективными магнитотвердыми материалами.

Классифицируются металлы и по другим признакам, например в электротехнике по значению электропроводности: хорошо и плохо проводящие электрический ток; к первым относится большинство металлов, они хорошо проводят электрический ток и пластичные. Ко вторым — элементы V группы периодической системы Д.И. Менделеева — это висмут Bi, сурьма Sb, мышьяк As, они плохо проводят ток и хрупкие, их иногда называют полуметаллами.[2]

Металл — один из самых распространенных строительных материалов — был известен уже в V в. до н. э. в виде простейших сооружений.

Инженерные конструкции из металла стали применять еще в XII в. при возведении уникальных сооружений того времени —дворцов, церквей и др. Конкретно применение металла в строительных конструкциях началось с 1784 г. после получения малоуглеродистой стали англичанином Г. Картом. Затем за короткий срок разработаны способы промышленного производства литой стали (с 1855 по 1878 гг.): бессемеровский, мартеновский, томасовский. Тогда же началось производство прокатных профилей (угловые, тавровые, двутавровые, зетовые).

В XVII-XVIII вв. нашли применение наслонные металлические конструкции стропил и пространственные купольные конструкции глав церквей. Стержни конструкций выполняли из кованых брусков и соединяли на замках и скрепах горновой сваркой. В XVIII в. начинают использовать чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Чугунные элементы соединяли болтами или на замках.

Профессор Н.С. Стрелецкий сформулировал три основных принципа проектирования металлических конструкций: максимальная экономия стали, наименьшая трудоемкость изготовления, скоростной монтаж. При этом все здание должно отвечать эксплуатационным требованиям.

В XX в. в России была создана мощная металлургическая промышленность. Стали широко применять сварные металлические конструкции.

В настоящее время имеются специализированные предприятия для производства металлоконструкций с использованием принципов унификации и стандартизации их элементов.

Металлические конструкции делятся на стержневые (балки, колонны, фермы) и листовые (сплошные, оболочки).

Стержневые конструкции из металла применяются в производственных зданиях и сооружениях, мостах, высотных зданиях, сооружениях специального назначения (ангары, эллинги, авиасборочные цехи), водонапорных башнях (стволы), затворах гидротехнических сооружений и пр.

Листовые конструкции применяются в резервуарах для хранения жидкостей, газгольдерах — для хранения и распределения газов, бункерах — для хранения и перегрузки сыпучих материалов, дюкерах, водонапорных башнях, затворах гидротехнических сооружений и др.

Металлы, применяемые для изготовления металлических конструкций, обладают определенными положительными и отрицательными свойствами. Сведения об их достоинствах и недостатках приведены в таблице ниже.

Достоинства и недостатки металлоконструкций

1. Высокая прочность, способность воспринимать большие усилия

1. Подверженность коррозии

2. Малая огнестойкость (при t = 500 °С сталь теряет несущую способность)

3. Сравнительно высокая стоимость

4. Надежность работы конструкций

5. Высокая сборность, индустриальность изготовления

1. Малая плотность р = 2,7 кн/м 3

1. Повышенная деформированность

2. Простота прессования профилей

2. Более высокий коэффициент линейного расширения (в 2 раза больше стальных)

История развития металлических конструкций разделена на пять периодов.

Первый период (до начала 17 века)

Первый период характеризуется применением металла в затяжках и скрепах в каменной кладке. Затяжки выковывали из кричного железа и соединяли на штырях. Конструкций из металла было очень мало, не развита была технология металла, поэтому этот период характеризуется очень незначительным использованием в строительстве металлических конструкций.

Второй период (от 17 века до 18 века)

Этот период связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных куполов глав церквей. Стержни куполов выполнены из металлических брусков и соединены горновой сваркой. Примерами такого использования служат перекрытия в трапезной Троице-Сергиевского монастыря в Загорске, каркас колокольни Ивана Великого, каркас купола Казанского собора в Санкт-Петербурге и др.

Третий период (от начала 18 века до середины 19 века)

Третий период связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий промышленных и гражданских зданий. Соединения осуществляются на болтах. Примером служит чугунная арка Александринского театра в Петербурге (1832 год). Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла сильно ограничивало конструктивную форму металлических конструкций. Однако, ученые и конструкторы того времени узнали о большом преимуществе профильного проката и на строительных площадках того времени получали уголок и швеллер путем гнутья и ковкой в нагретом состоянии.

Четвертый период (с 30-х годов 19 века до 20-х годов 20 века)

Связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени и в частности в металлообработке и металлургии.

В начале 19 века полностью ушел из производства железа пудлинговый способ получения металла и был полностью заменен на мартеновский и конвертерный способ получения стали. Создавалась новая крупная промышленность на Урале, одновременно с этим шла модернизация старых производств. Создавалась металлургическая промышленность на Юге России. В 30 годах 19 века появились заклепочные соединения и станки, которые получали отверстия и способны были делать заклепочные соединения. В 40-х годах был освоен способ получения профильного проката и сортового листа. В последующие 100 лет все конструкции выполнялись клепаными. Другого способа промышленность на тот период не имела. Сталь полностью вытеснила чугун и чистое железо из конструкций.

Во второй половине 19 века большое развитие получило металлическое мостостроение в связи с ростом сети железных дорог. На строительстве мостов развивалась конструктивная форма конструкций больших пролетов, совершенствовалась теория расчетов, технология изготовления конструкций. Основателями русской школы мостостроения являются инженеры и профессора С.В. Кербедз, Н.А. Белелюбский, Л.Д. Проскуряков. Все они создали выдающиеся конструкции для своего времени. Заложили прочный фундамент теоретических расчетов, совершенствовали технологию производства.

Сызранский (Александровский) мост.

Большой вклад в развитие металлостроения внес В.Г. Шухов. Знаменитая радиовышка Шухова до сих пор радует своей технологичностью жителей Москвы. Особенно значительна его теоретическая и практическая работа в области резервуаростроения и листовых конструкций. Шухов разработал новые конструктивные формы металлических конструкций. Придумал использовать силу предварительного натяжения металла для возведения сетчатых покрытий. Этими проектами он намного опередил своих современников и предугадал будущее направление развития металлостроения.

Радиовышка Шухова, вид изнутри.

Радиовышка Шухова, вид с улицы В.Г. Шухова.

Пятый период (послереволюционный, с конца 20-х годов 20 века)

Начинается с первой пятилетки, когда молодое советское государство приступило к большое программе по индустриализации страны. К концу 40-х годов клепаные конструкции были почти полностью вытеснены сварными, более легкими и экономичными в производстве. Стали использовать в конструкциях низко легированную сталь. В мощную отрасль выросла производственная база металлических конструкций. Советские инженера в полной мере увидели преимущество металлических конструкций для строительства зданий и сооружений. Создавались новые конструктивные формы зданий с применением металлических конструкций, перекрывались большие пролеты, о которых раньше не могли мечтать строители прошлых веков. Начали создаваться специализированные проектные институты: Главстальконструкция, трест Проектстальконструкция, Монтажстальспецстрой. Начиная с 1925 года, когда индустрия только набирала обороты и использование металлических конструкций начиналось от нескольких десятков тысяч тонн в год, к 85-му году в строительной индустрии применение металлических конструкций достигло приблизительно 6 миллионов тонн в год и с каждым годом использование металла в строительстве продолжает увеличиваться.

Металлические конструкции обладают большим преимуществом перед другими видами конструкций. Они отвечают высоким требованиям по прочности и надежности. При соответствующем обосновании, полностью в некоторых видах зданий вытеснили бетонные и железобетонные конструкции. Пожалуй, нет ни одной отрасли народного хозяйства, где не используется металл. Он нашел свое применение в промышленном и гражданском строительстве, строительстве специальных зданий и сооружений. Большие пролеты невозможно перекрыть другими конструкциями, кроме как металлическими. Каркасы многоэтажных зданий стали делать из металлических конструкций, где ранее преобладал бетон, железобетон и кирпичная кладка. Здания из металла обладают серьезными аргументами против классических материалов: это быстрота возведения конструкций, прочность конструкций, сочетающая в себе высокую надежность и экономичные формы конструкций, позволяющие сэкономить много народных средств при строительстве зданий. Все эти аргументы прочно поставили индустрию металлических конструкций в важную отрасль страны. Без использования металлических конструкций сейчас не обходится ни одна стройка, а с годами мы видим только постоянное увеличение использования металла в строительстве. Металлические конструкции никогда не покинут строительную отрасль.

Читайте также: