Статья представляет сравнительный анализ использования стальных и алюминиевых каркасов в строительстве. Проводится исследование, сравнивая основные характеристики, преимущества и недостатки обоих материалов. Значительное внимание уделяется прочности, устойчивости к коррозии, массе и стоимости каждого типа каркаса.
Ключевые слова: сталь, алюминий, каркас, материалы, конструкции.
The article presents a comparative analysis of the use of steel and aluminum frames in construction. A study is being conducted comparing the main characteristics, advantages and disadvantages of both materials. Considerable attention is paid to the strength, corrosion resistance, weight and cost of each type of frame.
Keywords: steel, aluminum, frame, materials, structures.
Введение
В современном мире, в условиях развития строительных технологий строится всё больше высотных зданий. Металлический каркас здания отвечает всем современным требованиям к постройке: он легок, прочен, быстро монтируется и надежен в эксплуатации. Данная технология широко применяется при монтаже быстровозводимых зданий складского и производственного назначения. Впрочем, жилые помещения также могут быть построены по этой технологии.
Долговечность и сохранение работоспособности металлических конструкций при условии их правильного расчета и конструирования, высококачественного изготовления и возведения, надежной защиты от воздействия коррозии, может исчисляться сотнями лет [7].
Целью статьи является изучение особенностей материалов металлических каркасов.
Физические свойства стальных и алюминиевых каркасов
Стальные каркасы имеют несколько преимуществ по сравнению с железобетонными. Они легче и позволяют уменьшить нагрузку на конструкционные элементы, что приводит к снижению массы и стоимости фундамента. Кроме того, стальные каркасы обеспечивают удобство крепления ограждающих конструкций и инженерных коммуникаций, а также позволяют размещать вертикальные и горизонтальные коммуникации внутри здания. Они также позволяют создавать более пролетные перекрытия, не увеличивая материалоемкость и гибко планировать внутреннее пространство.
Основная проблема применения стальных каркасов — малая огнестойкость и подверженность коррозии стали — обуславливает необходимость дополнительных затрат на защиту конструкций. Применение огнезащитных покрытий, использование спринклерных установок может несколько снизить эти затраты.
Защита стальных элементов от огня обычно выполняется:
— напылением (окраской) или оштукатуриванием специальными красками, пастами, растворами с толщиной слоя от нескольких долей миллиметра до 2–3 см;
— облицовкой плитами из гипса, асбестоцемента, вермикулита, кремневермикулита, базальтовой минеральной ваты и т. п.
Огнезащитные покрытия, выполненные современными штукатурными растворами, способны повысить огнестойкость конструкций до 3 часов (R180). К достоинствам таких покрытий относится их способность в обычных («непожарных») условиях выполнять роль тепло- и звукоизоляции.
В исключительных случаях применяется способ повышения огнестойкости, при котором полости стальных колонн трубчатого (коробчатого) сечения заполняются водой, начинающей автоматически циркулировать при пожаре. Способ позволяет повысить предел огнестойкости стальных конструкций до 1,5 часов без применения дополнительных мероприятий по огнезащите.
Коррозионный износ стальных каркасов многоэтажных зданий незначителен и не оказывает существенного влияния на прочность и долговечность. Стальные элементы конструкций преимущественно имеют достаточно мощные сечения из толстой стали, находятся внутри здания в неагрессивной среде и требуют лишь грунтовки. Кроме того, противопожарный защитный слой, нанесенный на поверхность элементов, обеспечивает одновременно и их защиту от коррозии.
Стальные элементы зданий, которые по нормам не требуют специальной огнезащиты, необходимо защищать от коррозии.
Алюминиевые конструкции получили широкое распространение во многих сферах деятельности благодаря своим преимуществам: долговечности, надежности, легкости, простоте монтажа и демонтажа. Иногда ограничения в строительстве могут потребовать использования алюминиевых металлоконструкций, особенно если необходимо создать прочное здание с небольшим весом или сложной архитектурой.
Алюминиевые металлоконструкции широко применяются в различных областях строительства, включая создание кровельных панелей для зданий с большими пролетами, оконных переплетов, витражей и других архитектурных элементов. Они также пользуются популярностью там, где требуется изготовление сложных по форме изделий или когда важна стойкость к коррозии.
Перечисленные выше свойства алюминия, а также его устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды стали причиной повышения спроса на металлоконструкции из этого материала. Такую высокую устойчивость металла к внешнему воздействию можно достигнуть за счет оксидирования, когда на поверхность наносится специальное защитное покрытие.
Несомненным достоинством алюминиевых металлоконструкций является их стойкость к температурным воздействиям, особенно низким температурам.
Не стоит забывать и о недостатках алюминиевых металлоконструкций. Прежде всего, это высокая стоимость, если сравнивать со стальными аналогами. Также по сравнению со сталью модуль упругости алюминиевых сплавов почти в три раза меньше. Вследствие этого, стальные балки и фермы дают меньший прогиб, их критическая сила для сжатия элементов больше, а коэффициент линейного расширения в два раза меньше, чем у алюминия (a=23 × 10 –6 и 12 × 10 –6 K-1) [6].
Эти свойства алюминия являются причиной необходимости устройства температурных швов. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что место стыка алюминиевого сплава и другого материала может быть подвержено электрохимической коррозии.
При контакте с воздухом на поверхности алюминиевого сплава самопроизвольно образуется защитная оксидная пленка, предотвращающая появление коррозии. Это уникальное свойство позволяет использовать алюминиевые металлоконструкции в районах с умеренным загрязнением без дополнительной защиты.
Испытание стальной и алюминиевой балки
Были нагружены несколько балок типа 14Б1 из различных сплавов (рис.1). На балки действует сила в 5000 N. Сплав АМГ5пМ прогнулся на 46 мм. Стальные балки на 15 мм. Алюминиевая балка прошла по запасу прочности, но не прошла по погибу.
На балки действует сила в 15000 N (рис.2). Сплав АМГ5пМ прогнулся на 178 мм. Запас прочности составил 0,98. Алюминиевые сплавы не выдерживают больших нагрузок, но легки и прочны.
Рис. 1. Перемещения балок 14Б1 (АМГ5пМ, Ст 3, 09Г2С)
Рис. 2. Запас прочности балок 14Б1 (АМГ5пМ, Ст 3, 09Г2С)
Таблица 1
Сравнение характеристик сплавов
|
Марка сплава |
Предел прочности при растяжении R, МПа |
Удельный вес γ, кг/м3 |
Модуль упругости E, МПа |
Теплопроводность, Вт/(м*К) |
Коэффициент линейного температурного расширения, 1/°C |
Удельная теплоемкость, Дж/(кг*°K) |
Температура плавления, °C |
|
Ст3сп |
380 |
7870 |
2,1*10 5 |
54,4 |
11,9*10– 6 |
462 |
1460 |
|
АМГ5пМ |
196 |
2700 |
0,7*10 5 |
188 |
23*10– 6 |
930 |
658 |
Заключение
В выборе стального или алюминиевого каркаса следует учитывать несколько факторов.
Прочность: Стальные каркасы обладают более высокой прочностью, чем алюминиевые. Это может быть важным фактором при возведении зданий или других конструкций, которые нуждаются в долговечности и стабильности. Однако, алюминий также является достаточно прочным материалом и может быть использован в большинстве случаев.
Вес: Алюминиевые каркасы легче и имеют более низкую плотность по сравнению со стальными. Это может быть преимуществом, особенно при строительстве больших конструкций, когда вес стального каркаса может создавать дополнительную нагрузку на фундамент или требовать более сложных мер безопасности при установке.
Коррозионная стойкость: Алюминий обладает высокой устойчивостью к окислению и коррозии, в то время как сталь может подвергаться ржавчине при воздействии влаги и кислот. Поэтому алюминиевые каркасы часто применяются в условиях повышенной влажности или вблизи моря.
Стоимость: Стоимость стального и алюминиевого каркаса может варьироваться. В целом, сталь является более дешевым материалом, но при этом уступает алюминию по весу и коррозионной стойкости. Поэтому выбор зависит от конкретных требований проекта и бюджета.
Эстетика: Некоторые люди предпочитают внешний вид стальных каркасов, с их решетчатым шаблоном и индустриальным стилем, в то время как алюминиевые каркасы могут иметь более современный и легкий вид.
В итоге, выбор между стальными и алюминиевыми каркасами зависит от различных факторов, таких как цель использования, бюджет, требования по прочности, коррозионной стойкости и эстетике. Необходимо также учитывать возможные ограничения и рекомендации проектировщиков и инженеров.
Литература:
- Доркин, В. В. Металлические конструкции: учебник / В. В. Доркин, М. П. Рябцева. — Москва: ИНФРА-М, 2023. — 457 с. — (Среднее профессиональное образование). — ISBN 978–5-16–003631–1. — Текст: электронный. — URL: https://znanium.com/catalog/product/2007879 (дата обращения: 14.12.2023). — Режим доступа: по подписке.
- Мунчак, Л. А. Конструкции малоэтажных зданий: учебное пособие / Л. А. Мунчак. — Москва: КУРС: ИНФРА-М, 2023. — 464 с. — ISBN 978–5-906818–84–3. — Текст: электронный. — URL: https://znanium.com/catalog/product/1899832 (дата обращения: 14.12.2023). — Режим доступа: по подписке.
- Титенок, А. В. Стальные строительные конструкции. Расчёт, проектирование, термостойкость: учебное пособие / А. В. Титенок. — Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2022. — 216 с. — ISBN 978–5-9729–1054–0. — Текст: электронный. — URL: https://znanium.com/catalog/product/1903447 (дата обращения: 14.12.2023). — Режим доступа: по подписке.
- Парлашкевич, В. С. Проектирование и расчет металлических конструкций рабочих площадок: Учебное пособие / Парлашкевич В. С., Василькин А. А., Булатов О. Е., — 5-е изд., (эл.) — Москва:МИСИ-МГСУ, 2017. — 240 с.: ISBN 978–5-7264–1585–7. — Текст: электронный. — URL: https://znanium.com/catalog/product/968819 (дата обращения: 08.02.2024). — Режим доступа: по подписке.
- Жуков, А. Н. Проблемы и перспективы развития металлических конструкций в промышленных зданиях / А. Н. Жуков, В. О. Булавенко, Д. Х. Саидов. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2011. — № 3 (26). — Т. 1. — С. 44–47. — URL: https://moluch.ru/archive/26/2830/ (дата обращения: 01.02.2024)
- Пригожкин, М. Д. Сравнение эффективности строительных стальных и алюминиевых сплавов при различных условиях эксплуатации / М. Д. Пригожкин. — Текст: электронный // NovaInfo, 2014. — № 24 — URL: https://novainfo.ru/article/2121 (дата обращения: 01.02.2024).
- Эксплуатация металлических конструкций [Электронный ресурс] URL: http://domremstroy.ru/da/zdanie27.html (дата обращения 01.02.2024.
