Металлические конструкции в современном строительстве

Область применения металла в архитектурно-строительной практике непрерывно расширяется. Металл все шире используется в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений. Это обусловлено многими достоинствами металла как конструкционного строительного материала.

Металлические конструкции - наиболее легкие по сравнению с другими несущими конструкциями, которые применяются в массовом строительстве (железобетонными, деревянными, каменными). Легкость конструкций из материала, который втрое тяжелее гранита и бетона и более чем в 10 раз тяжелее дерева, определяется, прежде всего, высокой прочностью металла. Удельная, т.е. отнесенная к объемной массе материала, прочность даже обычной углеродистой стали примерно равна удельной прочности дерева и значительно выше удельной прочности бетона. В то же время благодаря жесткости металла сечения элементов металлоконструкций могут иметь минимально необходимые по расчету размеры.

Методы расчета конструкций обычно основаны на однородности (изотропности) материала. Металлы имеют однородную структуру и высокий модуль упругости, вследствие чего действительная работа металлических конструкций близка к расчетной, что в сочетании с высокой прочностью металлов делает такие конструкции наиболее надежными.

Металлические конструкции по самому своему характеру являются сборными. В основной массе они изготавливаются в заводских условиях. При унификации и типизации металлоконструкций их производство может быть поточным крупносерийным. А современная технология соединения металлических элементов позволяет механизировать монтаж и возводить сооружения в короткие сроки. Все это определяет высокую степень индустриальности металлических конструкций.

Вместе с тем металлическим конструкциям присущи и определенные недостатки.

Основной недостаток металлоконструкций - подверженность коррозии. Под воздействием находящихся в окружающей среде влаги, солей и газов металл превращается в окислы, что ведет к частичной или полной потере прочности конструкций.

Металлические конструкции характеризуются малой огнестойкостью. При температуре около 400°С для стали и около 200°С для алюминия начинается ползучесть металла, т.е. существенное и необратимое развитие пластических деформаций. При температуре выше 500-600°С даже сталь становится практически неработоспособной.

Конструкции из стали применяются в промышленном строительстве, в особенности для каркасов зданий тяжёлого типа, оборудованных кранами большой грузоподъемности (в частности, основных цехов металлургических предприятий), для покрытий многопролетных одноэтажных зданий (например, предприятия автомобильной промышленности) и большепролетных производственных помещений (авиасборочные, судостроительные и другие предприятия, ангары, эллинги и т.п.);

- в гражданском строительстве в качестве каркасов зданий повышенной этажности и большепролетных покрытий выставочных залов, залов собраний, крытых стадионов и т.д.;

- в железнодорожных и автомобильных мостах и путепроводах;

- в открытых спортивных и других сооружениях, как, например, трамплины, башни и мачты радиосвязи и телевидения, водонапорные башни, радиотелескопы и др.;

- в различных сооружениях специального назначения (нефтяные и буровые вышки, крекинг-установки, емкости - хранилища жидкостей и газов, доменные конструкции, напорные и транспортные трубопроводы);

- в подвижных сооружениях (крановые мосты, башенные краны, краны-перегружатели, дорожные и горные подвижные мосты) и др.

Алюминиевые конструкции могут быть применены практически во всех областях строительства наряду со стальными, за исключением тяжело нагруженных каркасов промышленных зданий. Однако более высокая стоимость алюминиевых сплавов и некоторые их особенности (меньшая жесткость, высокий коэффициент линейного расширения, низкая огнестойкость) делают применение алюминиевых конструкций эффективным там, где проявляются их положительные отличительные свойства: сравнительная легкость, простота монтажа, большая прочность при низких температурах, отсутствие искрообразования при ударе и ферромагнитных свойств. Сюда входят большепролетные покрытия, где собственный вес конструкций составляет значительную часть нагрузки; стеновые ограждения гражданских зданий, к которым предъявляются повышенные эстетические требования; конструкции зданий и сооружений, находящихся в особых условиях эксплуатации (низкие температуры, агрессивная среда, взрывоопасность, недопустимость магнитных свойств, солнечный перегрев ограждений), а также в отдаленных и труднодоступных районах; складные, сборно-разборные и мобильные сооружения.

Широкая номенклатура стальных и алюминиевых конструкций и изделий в настоящее время освоена отечественными заводами. Особое значение в условиях заводского изготовления металлоконструкций приобретают унификация и стандартизация конструкций и их элементов, приведение их к определенному единообразию при сокращении общего количества типоразмеров и форм.

Наибольшее распространение получила типизация узлов конструкций, которая необходима для типизации зданий и сооружений и вместе с тем позволяет унифицировать элементы конструкций многочисленных сооружений с индивидуальными пространственными параметрами, типизация которых малоэффективна.

Разработаны и применяются типовые проекты главных зданий мартеновских и кислородно-конверторных цехов, доменных печей, радиобашен, радиомачт, пролетных строений мостов, резервуаров и газгольдеров, опор линий электропередач, унифицированных секций промышленных зданий. Заводы металлоконструкций изготавливают типовые конструкции стальных колонн для одноэтажных промышленных зданий различной высоты без кранов и с кранами грузоподъемностью до 50 т, фермы пролетом 18, 24 30 и 36 м, стальные стойки фахверков, подкрановые балки, пути подвесного транспорта, открытые крановые эстакады, транспортные галереи различного назначения, стальные оконные панели и переплеты, стеновые панели и перегородки, ворота, лестницы, площадки и ограждения. Изготавливаются также типовые легкие стальные конструкции одноэтажных производственных зданий.

Строительство зданий и сооружений с использованием металлических конструкций представляет собой индустриальный процесс сборки (монтажа) конструкций, изготавливаемых, как правило, на заводах.

Основным техническим документом, на основании которого осуществляется изготовление и монтаж конструкций, является проект металлоконструкций, который входит составной частью в рабочий проект здания (сооружения) и состоит из двух частей (стадий): КМ и КМД.

Чертежи стадии КМ (конструкции металлические) разрабатываются специализированной проектной организацией на основе проектного задания или технического проекта и содержат данные о нагрузках, расчетных усилиях и расчетных сечениях элементов конструкций, схемы взаимного расположения элементов по каждой группе конструкций (колонны, перекрытия, покрытия, подкрановые балки и т. д.), габаритные и привязочные размеры, узлы сопряжения элементов.

Чертежи стадии КМД (конструкции металлические, деталировка) разрабатываются на основании чертежей КМ конструкторскими отделами заводов-изготовителей или, в отдельных случаях, по заказу этих отделов специализированными проектными организациями.

В состав чертежей КМД входят деталировочные чертежи всех изготавливаемых на заводе изделий и монтажные схемы элементов, предназначенные для монтажа конструкций на стройплощадке.

Металл, выпускаемый в соответствии с сортаментами, поступает на заводы металлоконструкций в виде погонажа стандартной длины, определяемой условиями производства и транспортировки. Погонажный металл разрезается на отдельные заготовки, соединяя которые получают заданную проектом форму.

Резка металлов осуществляется механическим (с помощью ножниц и пил) и огневым (физическим и химическим) методами. Физический способ огневой резки состоит в проплавлении металла теплом электрической дуги или газового пламени. Химический способ резки представляет собой сжигание металла в струе кислорода, перемещаемой по заранее намеченному контуру. Огневая резка позволяет обрабатывать металл большой толщины без изменения структуры в месте реза и является единственно возможной при кривых линиях реза, но может применяться только для низко- и среднеуглеродистых и некоторых сортов легированных сталей. К алюминию, меди и их сплавам, а также к чугуну и большинству легированных сталей химический способ резки неприменим.

Для соединения металлических элементов применяют болты, заклепки, сварку, пайку и склеивание.

Болтовые и заклепочные соединения металлов осуществляются постановкой металлических стержней - болтов или заклепок - в совмещенные отверстия соединяемых элементов. Соединение происходит за счет обжатия соединяемых элементов между головкой болта и плотно навинченной гайкой (шайбой), либо между двумя головками заклепки. Для алюминиевых конструкций применяют также специальные болты с обжимными кольцами (лок-болты).

Заклепочные соединения обеспечивают надежность совместной работы соединяемых элементов как при статических, так и при динамических нагрузках, но трудоемки и не поддаются автоматизации. В настоящее время заклепочные соединения применяются только в особых случаях для очень нагруженных конструкций, работающих в тяжелых режимах (например, подкрановые балки для кранов большой грузоподъемности), и для соединения плохо свариваемых металлов (некоторые алюминиевые сплавы и отдельные марки легированных сталей). Болтовые соединения менее плотны, чем заклепочные, но проще в работе. Поэтому болтовые соединения особенно широко применяются при монтаже металлоконструкций на стройплощадке. В последние годы получают распространение термически обработанные высокопрочные болты из легированных сталей.

Сварка, пайка и склеивание представляют собой физико-химические процессы неразъемного соединения элементов.

Сущность сварного соединения заключена в молекулярном проникновении (диффузии) расплавленного металла соединяемых элементов и плавящегося электрода (или прутка) с последующей совместной кристаллизацией при охлаждении. Расплавление металла осуществляется с помощью химических источников тепла (газовая сварка) или электрической дуги (электросварка).

Различают ручную, автоматическую и полуавтоматическую электросварку.

Автоматическая сварка, осуществляемая под слоем флюса - высокопроизводительный процесс, обеспечивающий глубокое проплавление металла, однородность и прочность шва. Но в стесненных условиях или при необходимости наложения большого числа коротких швов автоматическая сварка затруднена. В этих случаях обычно применяется полуавтоматическая или ручная сварка.

Определенными достоинствами обладает сварка в защитной среде, образуемой струей углекислого газа или инертных газов (аргона, гелия), которая применяется для соединения легированных, термически упрочненных сталей и алюминиевых сплавов.

Электросварка - основная форма соединения металлоконструкций в современном строительстве. До 95% промышленных конструкций выполняются сварными. По сравнению с клепаными соединениями сварка дает большую (до 10-15%) экономию металла, снижает трудоемкость, позволяет соединять элементы без вспомогательных деталей, обеспечивает надежность соединений при различных нагрузках и режимах работы конструкций.

Сущность пайки заключается в соединений металлических элементов, находящихся в холодном состоянии, расплавленным металлом (припоем), который имеет более низкую температуру плавления. Соединение происходит за счет растворения металла соединяемых элементов в жидком припое и диффузии в него припоя. Соединения с помощью пайки менее прочны, чем сварные, но не требуют большого нагрева изделий. Поэтому при пайке полностью сохраняются структура и свойства основного металла.

Склеивание металлов, т. е. соединение поверхностей двух элементов с помощью тонкого слоя вещества, обладающего адгезией к этим поверхностям и имеющего достаточную механическую прочности - относительно новая технология, получившая развитие после появления синтетических клеев. Менее прочные по сравнению со сваркой и пайкой, особенно при динамических нагрузках, клеевые соединения отличаются рядом преимуществ: равномерным распределением напряжений в месте соединения, гладкими поверхностями, быстрым и недорогим выполнением соединения. Кроме того, склеивать можно разнородные материалы - металл и пластмассу, металл и дерево и др., что удобно для производства смешанных конструкций. Клеевые соединения могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании со сварными и болтовыми соединениями.

Изготовление металлоконструкций на современном предприятии включает в себя четыре группы операций, осуществляемых в основных производственных цехах: подготовка металла, разметка и изготовление шаблонов, изготовление сборочных деталей, сборка, покраска и отгрузка конструкций на стройплощадку.

Монтаж металлоконструкций в общем виде состоит из следующих основных этапов: подготовительные работы; приемка и складирование конструкций, изготовляемых на заводе; укрупнение конструкций в монтажные блоки; собственно монтаж, т. е. установка конструктивных элементов (монтажных блоков) в проектное положение. Методы и способы монтажа весьма разнообразны и определяются монтажными машинами и механизмами, характером и конфигурацией сооружений, размерами и формами монтажных блоков.

Одной из наиболее серьезных проблем является защита металлов от коррозии - разрушения поверхности металла в результате окисления его кислородом воздуха, а также в результате других химических и электрохимических процессов, происходящих под воздействием атмосферы и растворов солей, кислот и щелочей. Наиболее стойки против коррозии чугун и чистый алюминий, наименее - обычные углеродистые стали и некоторые алюминиевые сплавы. Из-за коррозии металлоконструкции с течением времени теряют свою прочность, а ежегодные потери стали в результате коррозии доходят до 10% ее выплавки.

Защита конструкций от коррозии заключена, прежде всего, в выборе металла, который мог бы в наибольшей степени противостоять воздействию агрессивных свойств той или иной среды. Наряду с таким выбором и в дополнение к нему осуществляются технологические, конструкционные и эксплуатационные антикоррозионные мероприятия.

Технологические мероприятия включают в себя механические, физические или химические воздействия на структуру металла и поверхность металлических полуфабрикатов и изделий.

Коррозиестойкость стали повышается при термической обработке и при введении в нее специальных добавок, в частности хрома, никеля, меди, В архитектурно-строительной практике наибольшее распространение получили хромоникелевые нержавеющие стали. В отдельных случаях осуществляется хромирование или никелирование поверхности стальных изделий.

Высокая коррозионная стойкость чистого алюминия объясняется тем, что в обычных атмосферных условиях он мгновенно окисляется. Образующаяся при этом тончайшая окисная пленка препятствует дальнейшему прониканию в металл кислорода. Технологические меры защиты от коррозии алюминиевых сплавов, которые не обладают способностью создавать естественную защитную пленку, сводятся к образованию такой пленки искусственным путем - плакированием или оксидированием.

Плакирование производится горячей прокаткой листов из алюминиевых сплавов совместно с тонкими слоями чистого алюминия, расположенными по обеим поверхностям листа. Благодаря алюминиевому слою толщиной 2-5% толщины основного проката сердцевина проката становится недоступной для внешних воздействий.

При анодировании и химическом оксидировании алюминиевый сплав защищается искусственной пленкой твердой окиси алюминия. Анодная пленка обладает высокой прочностью и твердостью, превышающей твердость инструментальной стали. Применяя в процессе анодирования соответствующие красители, можно получить элементы и детали красного, синего, зеленого, черного цвета.

При химическом оксидировании окисная пленка получается более тонкой и с меньшими защитными свойствами, чем при анодировании. Химическое оксидирование применяется для защиты сплавов, не содержащих меди и не подверженных активному воздействию агрессивной среды.

Стойкость против коррозии увеличивается также полированием и глянцеванием поверхности металла, которые производятся механическим или электрохимическим способом.

Конструкционные защитные мероприятия сводятся к выбору таких форм отдельных элементов конструкций, сечений элементов, узлов и сопряжений, которые меньше подвержены коррозии.

Корродируют прежде всего те места конструкций, где возможны скопления пыли и влаги. Поэтому предпочтительна гладкая наружная поверхность конструкций, хорошо обдуваемая со всех сторон, с минимальным количеством щелей, пазух и т.п. Наибольшей стойкостью против коррозии обладают элементы трубчатого сечения. Внутренняя поверхность труб должна быть защищена от попадания пыли и влаги. Сварные конструкции более стойки против коррозии, чем клепаные. Элементы с вертикальными плоскостями корродируют слабее, чем такие же элементы, но с горизонтальным расположением плоскостей.

При проектировании и монтаже алюминиевых конструкций особую роль играет защита их от электрохимической коррозии с помощью изолирующих прокладок и специальных защитных покрытий, предотвращающих контакты алюминиевых сплавов с другими строительными материалами.

К эксплуатационным антикоррозионным мероприятиям относятся покраска металлоконструкций, соблюдение температурно-влажностного режима эксплуатации, уход за конструкциями (очистка от пыли и влаги) и их периодический ремонт. Покраска металлоконструкций - наиболее распространенный способ их защиты, что обусловлено его относительной простотой и возможностью получения различной цветовой гаммы как декоративной, так и условно-опознавательной.

Способы повышения стойкости металла против коррозии существенно влияют на внешний облик конструкций и изделий. Нередко же обработка поверхности металла, в особенности анодирование, полировка, окраска лаками, применяются специально для обогащения Цвета и фактуры поверхности, расширяя тем самым эстетические возможности металла в архитектуре.

Огнезащита стальных конструкций осуществляется их бетонированием, оштукатуриванием, облицовкой огнестойкими материалами. Широко распространен метод экранирования. Включения металлических конструкций в ограждающие части зданий, защищающие металл от огня. Так, стальные балки междуэтажных перекрытий могут быть ограждены от воздействия огня огнеупорными плитами пола и подвесного потолка.

Плотные огнестойкие покрытия и экраны в значительной мере снижают композиционную роль металла в интерьере и внешнем облике сооружений. Поэтому с архитектурной точки зрения более логичны огнезащитные изоляционные покрытия в виде окраски или пленки, при которых металлические конструкции сохраняют форму и фактуру материала.

металлический конструкция строительство

Поиск по сайту: