Переход на новые типы перекрытий в конце XIX и начале XX-го веков связан у нас с именами Ф.С. Ясинского, В.Г. Шухова и И.П. Прокофьева.

Профессор Ф.С. Ясинский (1856 - 1899 гг.) известен как исследователь продольного изгиба; кроме того, он известен также как инженер-строитель, существенно улучшивший в середине 90-х годов XIX в. конструктивную форму перекрытий производственных зданий, в то время, как правило, еще не имевших кранового оборудования. Профессор Ф.С. Ясинский был создателем большепролетных покрытий. Он один из первых перешел к трехпролетным цехам, разделенным двумя рядами металлических колонн (по контуру здания сохранялись кирпичные стены); покрытие этих цехов состояло из одно-консольных ферм, по концам которых (в среднем пролете) располагался продольный фонарь. Ф.С. Ясинский первым начал применять складчатые конструкции.

Особенно многообразна инженерная деятельность почетного академика В.Г. Шухова (1853 - 1939 гг.).

В области покрытий В.Г. Шухов развивал идеи пространственных систем, причем разработанные им конструкции отличаются исключительным многообразием и оригинальностью. Для покрытий производственных зданий он первым применил оболочки двоякой кривизны, утвердив тем самым приоритет нашей страны в этой области. В.Г. Шухов широко применял висячие решетчатые покрытия, расчет и конструкция которых основаны на использовании свойств линейчатых поверхностей; такие покрытия позволяют оригинально проектировать интерьеры зданий

Академик В.Г. Шухов много сделал и для улучшения обычных конструкций перекрытий производственных зданий; он увеличил шаг колонн и ввел подстропильные фермы, а также применил легкие стропильные фермы с затяжками. В гражданском строительстве он ввел металлические конструкции в каркас зданий (здание Центрального универмага в Москве); он также является автором арочного перекрытия Брянского (ныне Киевского) вокзала в Москве.

Особенно велик вклад В.Г. Шухова в теорию и практику строительства резервуаров и других листовых конструкций. Можно сказать, что все конструкции наших резервуаров, их оснований, методика расчета и их технико-экономические обоснования базируются на работах В.Г. Шухова.

Наконец, В.Г. Шуховым были созданы гиперболоидные решетчатые водонапорные башни, башни для маяков и другие высотные сооружения; эти конструкции, крайне легкие и простые в изготовлении, появились впервые в нашей стране.

Профессор И.П. Прокофьев развил идеи проф. Ф.С. Ясинского в ряде большепролетных покрытий (Муромские и Перовские мастерские Московско-Казанской железной дороги) и провел большую работу по объединению опыта изготовления и монтажа стальных конструкций. Его книга «Железные мосты. Обработка, сборка и установка» (1911 г.) была первым руководством в этой области в нашей стране.

Им спроектировано оставшееся, к сожалению, неосуществленным перекрытие путей Казанского вокзала в Москве пролетом 56 м.

В СССР стальные конструкции получили существенное развитие, главным образом, в области промышленного строительства. Большое значение для этого развития имело то обстоятельство, что конструкторы и проектировщики были объединены в крупные проектно-производственные коллективы; это в корне изменило методику проектирования и возведения сооружений, резко стимулировало обмен опытом, ускорило прогресс и усовершенствование конструктивных решений.

Перед советскими строителями в области стальных конструкций промышленных зданий возникли новые задачи, на основе разрешения которых выросла советская школа проектирования. В создании советской конструкторской школы большую роль сыграли коллективы конструкторских трестов «Промстрой-проект» и «Проектстальконструкция», Всесоюзного института сооружений, в дальнейшем реорганизованного в Институт промышленных сооружений (ЦНИИПС), а затем в Институт строительных конструкций (ЦНИИСК); Академии архитектуры и строительства. Тесный контакт проектной и научно-исследовательской работы был отличительной особенностью этого этапа развития советской конструкторской школы.

Огромный вклад в развитие теории металлических конструкций в нашей стране и за рубежом внес Стрелецкий Николай Станиславович. Еще в начале 20-х годов XX-го века Н.С. Стрелецкий занялся углубленным исследованием ряда вопросов, касающихся норм расчета металлических мостов и конструкций. Здесь следует указать на опубликованные им работы: «Новые нормы нагрузок и напряжений» (1921 г.), «К вопросу о нормах продольного изгиба» (1924 г.), а также на написанный им раздел расчета металлических конструкций в «Единых нормах строительного проектирования» (1930 г.). Н.С. Стрелецкий всегда уделял очень большое внимание разработке норм и технических условий проектирования металлических конструкций, справедливо считая их документами исключительной важности, определяющими техническую политику в данной области.

Особое внимание уделял Н.С. Стрелецкий вопросу долговечности металлических конструкций. По его инициативе при кафедре металлических конструкций МИСИ в 1961 г. организована лаборатория стойкости металлических конструкций против поражения коррозией, давшая ряд интересных работ. Именно поэтому её исследования оказали решающее влияние на создание наиболее экономичных по затрате стали и удачных с точки зрения своей эксплуатации промышленных конструкций.

Следует отметить огромный вклад Н.С. Стрелецкого в решение проблем металлического мостостроения. Под непосредственным руководством или при участии Н.С. Стрелецкого были разработаны проекты многих инженерных сооружений, главным образом мостов. К ним относятся проекты моста через Оку и подземного туннеля под Волгой в Нижнем Новгороде (1913 - 1915гг.); моста через Волгу в Саратове (1917 г.); Крымского и Краснохолмского висячих мостов в Москве (1921 г.); моста-трансбордера через Волгу в Саратове (1922 г.); крупных арочных мостов через Старый и Новый Днепр в Запорожье (1927 - 1928 гг.); вантового моста через Магану в Сванетии (1929 г.); мостового перегружателя для Магнитогорского металлургического комбината (1932 г); однопролетного сварного моста через Москву-реку в Москве (1932 г.); металлических мостов через канал имени Москвы (1933 - 1938 гг.); мостовых перегружателей Союзпроммеханизации (1933 - 1937 гг.); моста метро в Москве (1935 г.); Б. Каменного, Б. Устинского и Б. Краснохолмского мостов в Москве (1936 - 1938 гг.); трубобетонного арочного моста через Исеть (1938 г.); балочного моста для восстановления железнодорожных пролетных строений (1943 - 1944 гг.); типового многопролетного висячего моста (1944 г.); типовых элементов для восстановления промышленных зданий (1941 г.); радиомачт, радиобашен, телевизионных опор и др.

По теоретическим проблемам, возникшим при строительстве стальных мостов, он опубликовал свыше 30 работ. Среди них особого внимания заслуживает монография «Законы изменения веса металлических пролетных строений мостов» (1926 г.), в которой автор, используя аналитический метод и введя предложенный им новый показатель - так называемую характеристику веса, дал общую формулу веса пролетного строения, отличающуюся большой четкостью и раскрывающую целый ряд важных закономерностей, связывающих этот вес с подвижной нагрузкой, материалом и пролетом. Не ограничиваясь лишь общим решением поставленной задачи, Н.С. Стрелецкий провел очень большую, кропотливую работу по определению значений предложенных им характеристик веса для самых различных по типу и по соотношениям основных размеров мостовых ферм. Это позволило ему осветить важный вопрос о выборе оптимальных с весовой точки зрения схем ферм и соотношений размеров.

Особого внимания заслуживают теоретические исследования Н.С. Стрелецкого о процессах разрушения статически неопределимых систем, причем в этих работах он опирался на свой оригинальный, интересный анализ процесса разрушения сжатого стержня, подтвердивший возможность применить в данном случае диаграмму Прандтля. Этим самым Н.С. Стрелецкий продвинул далеко вперед теорию разрушения ферм, впервые разработанную Грюнингом (1927 г.). Продолжением этих работ явилось изучение процесса разрушения статически неопределимых систем под циклической нагрузкой, показавшее области разрушаемости и неразрушаемости этих систем (1946 и 1953 гг.).

Обращаясь к послевоенной научной деятельности Николая Станиславовича Стрелецкого, нужно указать на его ценные и важные исследования, связанные с разработкой и внедрением метода расчета сооружений по предельным состояниям. Будучи инициатором постановки и непосредственным руководителем разработки этой крупной, практически очень важной и сложной проблемы, он, развивая свои предыдущие многочисленные исследования по коэффициенту запаса и методам расчета конструкций, в целом ряде своих научных работ и монографий, по существу, заложил основы нового метода расчёта.

Возвращаясь к периоду конца ХIХ и начала ХХ века следует заметить, что Россия в то время ещё не имела сложившихся требований в проектировании стальных конструкций. Поэтому в начале 20-х годов коллективам инженеров пришлось обратиться к наиболее распространенным в то время приемам конструкторской школы Германии. Но эти приемы не соответствовали требованиям бурно развивающегося строительства в России как в отношении простоты и быстроты изготовления и возведения конструкций, так и в отношении условий эксплуатации, и поэтому уже в 1930 г. они были заменены новыми. Основы нового подхода были заимствованы у американской конструкторской школы. Однако, сохранив основное конструктивное решение промышленного здания, характерное для американской школы, - защемленные рамы, советские проектировщики существенно улучшили его, установили правильное соотношение размеров элементов, основанное на обширных аналитических исследованиях по изысканию оптимальной по весу конструктивной формы. С переходом на сварку (1932 - 1935 гг.) резко снизилась трудоемкость конструкций, и еще более уменьшился их вес. Таким образом, результатом умелого проектирования и совершенствования конструктивных форм было постоянное снижение веса конструкций и, следовательно, экономия металла.

В середине 30-х годов XX в. стальные конструкции получили широкое распространение в многочисленных цехах машиностроительной промышленности. Большая повторяемость конструктивных решений привела к развитию типового проектирования, в результате которого трестом «Промстройпроект» были разработаны в 1939 г. типовые секции промышленных зданий массового применения, а также и типовые стальные конструкции для этих секций, что оказало положительное влияние на дальнейшее развитие стальных конструкций. Типовые конструкции для этих секций разрабатывались другими проектными организациями. В дальнейшем типовым проектированием были охвачены и уникальные промышленные сооружения, например, мартеновские цехи. Стальные каркасы того времени имели защемленные рамы в фундаментах, с преимущественно сплошностенчатыми колоннами и сквозными или сплошными ригелями, расположенные обычно через 6м; кровля, как правило, устраивалась из железобетонных плит по прогонам.

Широкое применение стальных конструкций позволило обобщить основные принципы конструирования: одинаковое внимание к проблемам экономии стали, экономии труда при изготовлении конструкций и скоростном монтаже. Эти принципы были положены в основу советской конструкторской школы, которая и оформилась в этот период.

Разворот строительства в послевоенный период по-новому поставил вопросы дальнейшего развития стальных конструкций, повышения их качества, прочности и надежности как ведущие задачи современного строительства. Эти задачи была положена в основу «Строительных норм и правил», введенных в действие с 01.01.1955 г.

До этого времени в качестве критерия принималось допускаемое напряжение материала конструкций, определяемое как частное от деления предельного напряжения материала на коэффициент запаса, величина которого устанавливалась весьма осредненной. При этом не гарантировалась одинаковая прочность и надежность для разных элементов конструкций.

По новому расчетному методу, принятому в СССР, за критерий прочности конструкций принимается не напряжение элементов конструкции, а предельное состояние всей конструкции - критерий весьма гибкий, непосредственно связанный с конкретной работой конструкции, определяемый несколькими коэффициентами, характеризующими возможные изменения величины нагрузки, качества и условий работы конструкций. При расчете по новому методу достигается более высокая надежность в эксплуатации зданий и сооружений.

Определение коэффициентов по этому методу на основании непосредственных наблюдений за работой конструкций связывает их с действительной работой; это делает указанный подход значительно более совершенным. В разработке метода предельных состояний приоритет принадлежит советской школе проектирования (Н.С. Стрелецкий, А.А. Гвоздев, В.М. Келдыш, И.И. Гольденблат, Л.И. Онищик, В.А. Балдин и др.).

Металлические конструкции, как уже было отмечено, имеют очень широкое распространение. Даже если ограничить понятие металлических конструкций только конструкциями, состоящими из балок, ферм, арок, стоек (колонн), оболочек и т.п., объединенными одним технологическим процессом изготовления, и не учитывать конструкций машиностроительной промышленности, остается очень большая область применения металлических конструкций, охватывающая следующие виды сооружений:

- Промышленные здания. Стальные каркасы промышленных зданий в течение многих лет были наиболее распространены среди прочих видов сооружений, выполняемых из стали. Современные производственные здания оборудованы кранами, конструкция и грузоподъемность которых выбираются в соответствии с требованиями технологического процесса. Наиболее широкое распространение получили одноэтажные производственные здания, оборудованные мостовыми электрическими кранами. Перемещаясь по подкрановым балкам на требуемой высоте, такие краны могут обслуживать практически всю площадь цеха, что весьма удобно для самых разнообразных производственных процессов.

Однако такие производственные здания имеют большие пролеты и высоту. Часто они оборудуются очень мощными кранами, вследствие чего в несущих конструкциях здания возникают весьма большие усилия.

Комплекс несущих конструкций, воспринимающих нагрузки от веса ограждающих конструкций здания (кровля, стеновые панели, переплеты остекления и т.п.), атмосферные нагрузки (снег, ветер), нагрузки от кранов, а в некоторых случаях и от другого технологического оборудования, называется каркасом здания.

Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко защемленных в фундаменте, и ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн в поперечном направлении здания называется пролетом, расстояние между рамами называется шагом рам. В продольном направлении на рамы опираются подкрановые балки, несущие элементы покрытия, светоаэрационные или аэрационные фонари.

В настоящее время полные стальные каркасы применяются только в промышленных зданиях тяжелого типа, оборудованных кранами большой грузоподъемности и имеющих большую высоту. В соответствии с «Техническими правилами по экономному расходованию металла, леса и цемента в строительстве» применение стальных конструкций ограничено и допускается при пролетах более 24 м, высотах более 15 м и при кранах большой грузоподъемности (более 50 т). Наиболее сложными конструкциями для выполнения в железобетоне являются подкрановые балки под тяжелые краны, а также большепролетные стропильные фермы; колонны из железобетона получаются достаточно высокого качества. Поэтому в практике современного промышленного строительства широко применяются смешанные каркасы в виде железобетонных колонн, поддерживающих стальные стропильные фермы и подкрановые балки. В результате широкого распространения сборного железобетона в настоящее время каркасы зданий машиностроительной промышленности часто проектируются железобетонными или смешанными, даже в тех случаях, когда пролеты и высоты превышают указанные в Технических правилах. Стальные каркасы сохраняются преимущественно в основных зданиях металлургической промышленности, так как бетон мало приспособлен к эксплуатационным условиям этих зданий, а также в тяжелых цехах машиностроения.

Жесткость и устойчивость каркаса и его отдельных элементов обеспечивается системой связей: вертикальными связями по колоннам, воспринимающими продольные усилия от действия ветра на торец здания и сил продольного торможения кранов, горизонтальными и вертикальными связями по шатру здания, обеспечивающими устойчивость конструкций покрытия.

Исходя из требований эксплуатации, конструктивная схема каркаса должна обеспечивать: