Металлы в строительстве

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

Снижение стоимости металлоконструкций

Огромные масштабы современного строительства выдвигают на одно из первых мест вопросы эффективности затрат материальных и трудовых ресурсов, вопросы экономики строительства.

Экономика использования металла в строительстве -многоплановое явление, которое, выражаясь в конечном итоге в снижении стоимости строительства и экономии самого металла, не может быть сведено ни к тому, ни к другому. Речь идет не об абсолютном сокращении металла в строительстве, а о повышении эффективности капиталовложений на каждую тонну строительного металла в. деле. На Международном симпозиуме по металлическим конструкциям были выделены три направления реализации экономии металла в строительных конструкциях: установление областей рационального применения металлических конструкций, т.е. выявление тех сооружений, в которых металл наиболее эффективно проявляет свои специфические свойства; снижение расхода металла в строительных конструкциях путем уменьшения его затрат на восприятие силовых воздействий; повышение долговечности металлических конструкций.

В каждом конкретном случае должны быть последовательно рассмотрены экономическая и эксплуатационно-технологическая эффективность использования металла в сравнении с другими строительными материалами и экономическая эффективность самих металлоконструкций, т.е. оптимальность решения поставленной задачи в данном материале.

При определении области рационального применения металлоконструкций и изделий индустриальным конкурентом металла является сборный и реже монолитный железобетон, в отдельных случаях кирпич и другие строительные материалы. Основными критериями выбора конструкционного материала могут считаться обеспечение прочности и надежности конструкций и снижение их общего веса, экономия металла, снижение трудоемкости изготовления и монтажа, сокращение сроков и общее снижение стоимости строительства.

Проведенные в нашей стране комплексные исследования эффективности применения стали и алюминия позволили установить нормативные регламентации для типовых и наиболее массовых конструкций промышленных и гражданских зданий.

Эффективность применения стали и алюминия для нетиповых конструкций должна быть подтверждена соответствующим архитектурным, функциональным и технико-экономическим обоснованием. В этих случаях, особенно при использовании металла как отделочного и декоративного материала, должны приниматься в расчет и его эстетические характеристики, трудно поддающиеся в настоящее время количественной оценке. Поэтому выбор материала должен определяться общим архитектурным решением с учетом социальной значимости объекта, его роли в застройке, условий и характера восприятия человеком внешнего облика и интерьера здания.

Экономическая эффективность металлоконструкций определяется экономией металла и снижением стоимости конструкций. Уменьшение расхода металла, снижение общей массы конструкций могут быть достигнуты:

- выбором оптимальных конструкций, обеспечивающих концентрацию материала и совмещение в отдельных элементах нескольких функций;

- внедрением большепролетных пространственных конструкций, стержневых и тросовых систем с работой металла на растяжение;

- заменой, при возможности, прокатных профилей гнутыми тонкостенными, применением в элементах конструкций рациональных профилей, обладающих наибольшей жесткостью при наименьшей площади сечения, в том числе тонкостенных труб;

- широким применением термически упрочненных углеродистых, высокопрочных и низколегированных сталей;

- применением комплексных конструкций из сталей повышенной прочности в более напряженных элементах и из обычных углеродистых в менее напряженных; биметаллических, например из стали и алюминия; из железобетона в сжатых элементах конструкций и стали в растянутых; сталебетонных, деревометаллических, металлопластовых и др.;

- совершенствованием методов расчета конструкций, выбором оптимальных расчетных схем, отражающих действительную работу материалов в конструкции;

- применением различных методов воздействия на работу конструкций, таких как предварительное напряжение, и др.;

- целесообразным решением узлов конструкций, уменьшающим массу металла и упрощающим работы по соединению элементов.

Стоимость металлоконструкций складывается из пяти основных составляющих: стоимости проектирования, стоимости самого металла, стоимости перевозок металла с металлургического завода на завод - изготовитель конструкций и с завода-изготовителя на монтажную площадку, стоимости изготовления конструкций и стоимости монтажа.

Основная часть стоимости металлоконструкций (70% и более) приходится на сам материал - сталь и еще в большей степени на алюминий. Поэтому общим направлением снижения стоимости металлоконструкций была и остается экономия металла, и в этом плане снижение стоимости металлоконструкций отвечает и общегосударственной задаче экономии металлов. Однако снижение стоимости металла не всегда пропорционально уменьшению его массы, так как эффективные марки и профили металла менее массивны в конструкциях, но нередко значительно дороже.

Снижение стоимости металлоконструкций может быть достигнуто также в результате удешевления их производства и монтажа, сокращения транспортных расходов и стоимости проектных работ. Последнее может быть достигнуто за счет развития типового проектирования, унификации конструктивных и расчетных схем зданий и сооружений массового строительства, типизации и унификации элементов узлов и конструкций, оснащения проектных организаций оргтехникой и т. п. В то же время вопросы экономии металла и снижения стоимости конструкций решаются именно на стадии проектной разработки. Доля же самих проектных разработок в общей стоимости конструкций очень мала (до 2-3%). Поэтому следовало бы говорить скорее не об абсолютном снижении стоимости проектирования, а о всемерном повышении его эффективности, возможно даже при некотором увеличении стоимости.

Оптимизация проектных решений и конструкторских разработок опирается на принцип вариантного выбора и поиска новых форм конструкций, позволяющих максимально использовать специфические свойства металла. Такой поиск был и остается основным направлением технического прогресса, в конечном итоге определяющим и саму экономику строительства.

Спустя несколько лет после строительства здания Национальной библиотеки, в которой металлический каркас отделился от наружной стены, в Нуазеле-на-Марне (Франция) сооружается здание шоколадной фабрики Менье (1871-1872 гг.). Его автор Ж. Сонье создал металлический каркас, который полностью принимал на себя массу всего сооружения и не только слился со стенами, но и «растворил» их в себе, превратив в фахверковое ограждение.

Металлические конструкции становятся формообразующим фактором архитектуры, особенно в таких новых типах зданий, как вокзалы и большие универсальные магазины. Характерным примером последних может служить универсальный магазин «Бон-Марше» в Париже, построенный в 1876 г. по проекту архит. Л.Ш. Буало и инж. Г. Эйфеля. Здесь конструкции из железа, чугуна и частично стали позволили создать сложный функциональный комплекс, состоящий из отдельных ячеек-залов, соединенных системой легких мостиков-переходов.

Таким образом, уже в сооружениях из чугуна и железа определились характерные конструктивные, композиционные и эстетические достоинства металла как нового строительного материала. Однако подлинное утверждение металла в строительстве связано с развитием стальных конструкций. Открытие промышленных способов получения стали, сохранивших значение до наших дней: бессемеровского (1855 г.), мартеновского (1865 г.), томасовского (1878 г.)* и позднее электрометаллургического (1900 г.) - резко изменило характер металлургии и способствовало быстрому распространению в строительстве металлоконструкций. Промышленная сталь, обладая большей прочностью, полностью вытесняет из строительства низкокачественное железо и чугун, который к концу. XIX в. применяется главным образом лишь в декоративных формах, а кузнечный способ соединения элементов конструкций заменяется клепкой.

Важную роль в процессе освоения строительной стали сыграли успехи строительной механики и развитие методов расчета конструкций. Большой вклад в строительную механику первой половины XIX в. внесли Л. Навье (теории изгиба балок и расчета висячих мостов), Г. Мозлей (первая теория расчета арочных мостов), С. Пуас-сон, Б. Сен-Венан; работавшие' в Петербурге Г. Ламе и Б. Клапейрон; Д. Максвелл, Л. Кремон, К. Кульман и другие ученые занимались графическими и графоаналитическими методами расчета конструкций и сооружений. Метод расчета пространственных покрытий в форме куполов предложил И. Шведлер. Благодаря введению Э. Винклером и Г. Мюллером-Бреслау понятия «инфлюэнтных линий» были значительно упрощены расчеты конструкций на подвижную нагрузку.

Список использованных источников

1. А.П. Мардер «Металл в архитектуре» М., Стройиздат 1980 г.

2. Б.П. Михайлов, П.П. Сербтнович, Б.Я. Орловский «Архитектура гражданских и промышленных зданий»

3. А.М. Поляк «Развитие сортамента чёрных металлов в СССР» Издательство "Металлургия" Москва, 1965.

4. Калинников Е.С. «Черная металлургия: реальность и тенденции» М., «Знание», 1975.

Размещено на Allbest.ru