Брауде З.И. и др. - Конструкции из алюминиевых сплавов

Рецензент — институт «Проектстальконструкция»
Книга содержит указания по выбору сплава для несущих и ограждающих строительных конструкций различного назначения, по проектированию профилей, методам огнезащиты и защиты конструкций от коррозии. Освещены вопросы- экономики применения алюминиевых сплавов, а также целесообразность применения их в конструкциях зданий и сооружений. Приводятся широкий сортамент применяемых в конструкциях профилей, рекомендации по выбору их, а также указания на освоенные заводами профили. Даются методы расчета конструкций из алюминиевых сплавов, необходимые для расчета постоянные величины, указания по проверке устойчивости элементов конструкций, а также методика расчета сварных, болтовых и клепаных соединений.
Книга является пособием для инженеров-строителей, проектировщиков и научных работников, а также для студентов старших курсов институтов и техникумов строительных специальностей.
I. Область применения алюминиевых сплавов для строительных конструкций
Алюминий является одним из самых распространенных в природе элементов. В земной коре содержится 7,5% алюминия и таким образом он по распространению уступает лишь кислороду и кремнию, но алюминий самый распространенный металл; в земной коре его содержится почти в 2 раза больше, чем железа, и в несколько раз больше, чем других металлов.
Впервые металлический алюминий был получен датским ученым X. Эрстедом в 1825 г. До начала промышленного производства алюминий был очень дорог. Так, алюминиевый молоток, сделанный для Наполеона III, стоил 25 000 франков; в США за последние 50 лет цена алюминия упала с 545 долларов до 20 центов за фунт.
В 1865 г. русский химик Н. Н. Бекетов установил, что алюминий может быть вытеснен магнием из раскаленного креолига; этот способ нашел промышленное применение в Германии и во Франции в конце XIX в. Исследуя вытеснение одних элементов другими, Н. Н. Бекетов открыл алюминотермию, т. е. восстановление алюминием окислов других металлов. Таким образом, Н. Н. Бекетову принадлежит приоритет этого важного для современной металлургии открытия. В 1886 г. П. Эру во Франции и Холлом в США был изобретен способ электролиза кризолитоглиноземных роскислов, а в России в 1887 г. К. И.
Бойером разработан новый способ получения глинозема. Все эти открытия создали в конце 80-х годов прошлого века благоприятные условия для широкой организации промышленной производства алюминия. Добыча алюминия быстро растет. В 1957 г. мировое производство алюминия (без СССР) превысило 3,5 млн. т. В настоящее время алюминиевые сплавы являются после стали самыми распространенными металлами.
Интересно отметить, что на выставке продукции из алюминиевых сплавов, организованной в Париже в 1963 г. в связи со столетием со дня рождения П. Эру, один из крупнейших разделов назывался «Алюминий — строительный металл».
Действительно, в мировой строительной практике алюминий и различные его сплавы благодаря ряду их достоинств становятся одним из основных строительных металлов. К числу наиболее существенных достоинств алюминиевых сплавов относятся:
1) высокая относительная прочность (отношение расчетного сопротивления к объемному весу), что в значительной степени определяет исключительный интерес конструкторов и строителей к этому материалу, позволяющему проектировать конструкции в 2—2,5 раза легче стальных;
2) стойкость алюминия и его сплавов против коррозии. Чистый алюминий в атмосферных условиях практически не поддается разрушению коррозией благодаря тому, что на его поверхности образуется тонкая коррозийностойкая пленка окиси алюминия, защищающая металл от влияния окружающего воздуха.
Например, в 1897 г. в Риме было уложено кровельное покрытие из алюминиевых листов толщиной 1,3 мм. После 52 лет эксплуатации кровля износилась очень незначительно. Кровельное покрытие, возведенное в 1912 г. в Дюссельдорфе, просуществовало до 1943 г. (оно было сорвано во время бомбардировки города). Листы кровли отлично прослужили 31 год в районе, где воздух отличается резко агрессивными свойствами, так как поблизости находятся многочисленные предприятия химической, бумажной и машиностроительной промышленности.
Применение чистого алюминия для ограждающих конструкций и декоративных элементов исключает расходы на покраску в течение всего срока эксплуатации сооружения.
Алюминиевые сплавы обладают меньшей коррозийной стойкостью. Однако большинство, сплавов, не содержащих меди, в нормальных атмосферных условиях обычно не требуют никакой окраски. Сообразно с марками, условиями эксплуатации и конструктивной формой алюминиевые сплавы могут применяться как без защитных покрытий, так и с различными устойчивыми защитными покрытиями, наносимыми либо в период изготовления полуфабриката (плакирование), либо в процессе изготовления конструкции (анодирование, лакокрасочные покрытия). Стойкость алюминиевых сплавов против коррозии позволяет применять даже в постоянных конструкциях элементы малой толщины (иногда несущие конструкции 'имеют толщину 2 мм, ограждающие—0,4 мм). Высокая стойкость алюминиевых сплавов против коррозии имеет решающее значение при эксплуатации конструкций в агрессивных средах, например при наличии сернистых нефти и газа;
3) механические свойства алюминиевых сплавов при отрицательных температурах не ухудшаются, а наоборот, вследствие усиления процесса старения некоторые прочностные характеристики их повышаются. Это свойство алюминиевых сплавов весьма существенно. Оно открывает перспективу широкого применения их в строительстве на Севере нашей страны;
4) соприкосновение алюминиевых сплавов с твердыми предметами не вызывает искры, что неизбежно при стальных или железобетонных конструкциях. Следовательно, конструкции из алюминиевых сплавов наиболее пригодны для взрывоопасных производств;
5) процесс изготовления полуфабрикатов из алюминиевых сплавов значительно проще. Помимо способов, применяемых для стали, широко практикуется прессование профилей из алюминиевых сплавов продавливанием подогретой заготовки через матрицу с отверстием заданного профиля. Простое образование профилей (в том числе и замкнутых) из алюминиевых сплавов позволяет применять наиболее экономичные и рациональные для данной конструкции профили;
6) ограждающие и несущие конструкции из алюминиевых сплавов в большинстве случаев имеют более приятный внешний вид, чем аналогичные конструкции из стали или других материалов.
Наряду с большими преимуществами алюминиевых сплавов они, по сравнению со сталью, имеют и некоторые недостатки.
Основными следует считать:
1) модуль упругости алюминиевых сплавов примерно в 3 раза меньше, чем у стали и так же, как у стали, почти не изменяется в зависимости от марки сплава. Чтобы обеспечить об щую и местную устойчивость, а также необходимую для эксплуатации сооружения жесткость в связи с малым модулем упругости, часто бывает необходимо изыскивать специальные соотношения размеров и форм сечений элементов, повышающих общую и местную устойчивость, а также выбирать статическую схему сооружения, обладающую повышенной жесткостью;
2) коэффициент температурного расширения алюминия и его сплавов примерно в 2 раза больше, чем у стали. Однако применение алюминиевых сплавов для конструкций не всегда потребует увеличения числа температурных швов.
Если температурные швы назначаются для уменьшения геометрических деформаций (в витражах, переплетах, панелях и т. п.), число швов следует увеличить, если швы назначаются для уменьшения температурных напряжений (в каркасах зданий, мостов и т. п.) — число их может оказаться не больше чем в стальных, та« как повышенный коэффициент линейного расширения с лихвой компенсируется уменьшением модуля упругости;
3) пока и у нас, и за рубежом алюминиевые сплавы очень дороги. Стоимость их в среднем более чем в 10 раз превышает стоимость стали. И сварные, и клепаные соединения алюминиевых сплавов обхьдятся также значительно дороже стальных.
Таким образом, алюминиевые сплавы как материал для строительных конструкций обладают целым рядом характерных особенностей, поэтому проектирование из алюминиевых сплавов должно вестись с максимально полным учетом всех положительных и отрицательных свойств этого (пока нового для строительства) материала.
Многие характерные свойства алюминиевых сплавов не позволяют механически переносить большой опыт проектирования, изготовления и монтажа стальных конструкций на конструкции из алюминиевых сплавов.
Для каждого материала постепенно вырабатывается своя оптимальная конструктивная форма, наиболее полно учитывающая все его особенности. Большой опыт проектирования Стальных конструкций может быть только частично использован так же, как и опыт применения алюминиевых сплавов в авиации и судостроении.
Учитывая физические и механические свойства алюминиевых сплавов, их стоимость, а также отечественный и зарубежный опыт применения алюминиевых сплавов в строительстве, можно сделать некоторые рекомендации рационального их применения.
Приятный внешний вид изделий из алюминиевых сплавов и высокая стойкость их против коррозии обеспечивают этому материалу широкое использование в качестве всякого рода ограждающих конструкций и деталей (стеновые панели, витражи, переплеты, перегородки, двери, различные декоративные архитектурные детали и т. п.); по объему у нас .и за рубежом алюминиевые сплавы уже нашли наибольшее применение именно в этих конструкциях.
В разделе «Алюминий — строительный металл» парижской выставки в 1963 г. были показаны главным образом элементы кровельных покрытий, навесные стеновые панели, оконные и дверные переплеты, витражи, элементы облицовки фасадов и т. п. изделия.
Интересно отметить, что по данным французских и бельгийских фирм срок службы стальных переплетов определяется примерно в 20 лет, причем требуется ежегодная покраска их. Переплеты из алюминиевых сплавов в покраске не нуждаются и могут служить значительно дольше. Таким образом, несмотря на высокую стоимость алюминиевых сплавов, применение их для ограждающих конструкций экономически оправдывается Объем применения алюминиевых сплавов для несущих конструкций пока невелик. Кроме экспериментальных сооружений или сооружений, где применение алюминиевых сплавов вызвано эстетическими соображениями, алюминиевые сплавы применяются в конструкциях, где их собственный вес играет существенную роль в процессе эксплуатации, например разводные пролеты мостов, мосты для кранов, ворота ангаров, портальные краны, стрелы различных подъемных машин, перевозимые, предназначенные для многократного временного использования, конструкции—сборно-разборные каркасы зданий, мосты, вышки для бурения, инвентарные конструкции — различные типы лесов, площадки, люльки и т. п.
Следует также отметить эффективность применения алюминиевых сплавов при реконструкциях, связанных с усилением существующих конструкций. Так, например, если необходимо заменить холодную кровлю на теплую, можно сделать это без усиления существующих строительных конструкций, применив щиты из алюминиевых сплавов.
При необходимости увеличить грузоподъемность мостовых кранов в существующем здании (что весьма часто бывает) можно сделать это, заменив стальные мосты кранов на алюминиевые, не увеличивая давления на катки, что исключает усиление существующих конструкций здания (подкрановых балок, колонн, фундаментов).
При реконструкции старых стальных мостов, несущая способность которых оказалась недостаточной, в ряде случаев необходимое увеличение несущей способности достигалось заменой стальной проезжей части на алюминиевую, без какого-либо существенного изменения несущей конструкции.
В 1938 г. впервые так был реконструирован мост в Питсбурге (США), а в последующие годы несколько мостов во Франции.
Усиление существующих конструкций настолько сложная и дорогая операция, что в ряде случаев применение дорогих алюминиевых сплавов, исключающих эту операцию, окажется экономически выгодным.
...