Введение

Тип стали, используемой в строительстве

Конструкционная сталь – это категория стали, применяемая для изготовления строительных материалов различных форм. Многие элементы конструкционной стали имеют вид удлиненных балок с определенным профилем поперечного сечения. Формы, размеры, химический состав, механические свойства, такие как прочность, условия хранения и прочее, регулируются стандартами в большинстве индустриально развитых стран. Большинство элементов конструкционной стали, например балки, обладают высоким моментом инерции сечения, что означает их высокую жесткость по отношению к площади поперечного сечения и, следовательно, способность выдерживать большие нагрузки без чрезмерного прогиба.

Углеродистые стали

A36 – конструктивные формы и листы. A53 – конструкционные трубы и трубопроводы. A500 – конструкционные трубы и трубопроводы. A501 – конструкционные трубы и трубопроводы. A529 – конструктивные формы и листы. A1085 – конструкционные трубы и трубопроводы.

Противокоррозионные высокопрочные низколегированные стали

A243 – конструкционные профили и листы. A588 – конструкционные профили и листы.

Слитые стали, затушенные и закаленные

A514 – конструкционные профили и листы. A517 – котлы и сосуды, работающие под давлением. Сталь Эглин – недорогие изделия для аэрокосмической отрасли и вооружений.

Выбор идеального конструкционного материала

В большинстве строительных проектов требуется использование сотен различных материалов. Они варьируются от бетона различных марок, конструкционной стали, глины, раствора, керамики, древесины и так далее. С точки зрения несущего каркаса, материалы обычно состоят из конструкционной стали, бетона, каменной кладки и/или древесины, используя подходящую комбинацию для создания эффективной конструкции. Большинство коммерческих и промышленных зданий в основном строятся из конструкционной стали или железобетона. При проектировании конструкции инженер должен определить, какой материал или их комбинация наиболее подходит для данной задачи. При выборе строительного материала учитывается множество факторов. Стоимость обычно является определяющим, но также принимаются во внимание вес, прочность, технологичность, доступность (с учетом географического положения и рыночной конъюнктуры), экологичность и огнестойкость.

Стоимость. Стоимость этих строительных материалов полностью зависит от географического расположения объекта и наличия материалов. Как и цена на бензин, цены на цемент, щебень, сталь и т.д. подвержены колебаниям. Примерно половина стоимости строительства железобетона приходится на опалубку – деревянные или металлические конструкции, необходимые для создания формы, в которую заливается бетон и удерживается до затвердевания. Высокая стоимость опалубки делает предварительно напряженный бетон привлекательным вариантом для проектировщиков благодаря снижению затрат и сроков строительства. Поскольку сталь продается по весу, конструктор должен выбирать элементы минимального веса, обеспечивая при этом надежность конструкции. Использование большого количества одинаковых стальных элементов вместо уникальных по размеру или форме также снижает стоимость.

Соотношение прочности к весу. Строительные материалы обычно классифицируются по соотношению прочности к весу, или удельной прочности, которая определяется как прочность материала, деленная на его плотность. Эти показатели характеризуют эффективность использования материала с учетом его веса, что влияет на стоимость и простоту строительства. Бетон обычно в десять раз прочнее при сжатии, чем при растяжении, что обеспечивает более высокое соотношение прочности к весу при сжатии.

Экологичность. В основном из-за имиджа и государственных стимулов многие строительные компании и поставщики материалов уделяют все больше внимания экологической безопасности. Экологичность стала важным фактором при выборе материалов, которые будут использоваться в окружающей среде на протяжении многих поколений. Экологичный материал оказывает минимальное воздействие на окружающую среду на этапах установки и в течение всего жизненного цикла. Железобетон и конструкционная сталь могут быть экологичными при правильном использовании. Более 80% конструкционных стальных элементов изготавливаются из переработанного металла, стали марки A992. Этот материал дешевле и имеет более высокое соотношение прочности к весу, чем сталь, использовавшаяся ранее (марка A36). Компоненты бетона – природные материалы, не наносящие вреда окружающей среде. Кроме того, бетон может быть изготовлен водопроницаемым, позволяя воде просачиваться через покрытие и снижая потребность в дренажной инфраструктуре. Бетон также можно измельчать и использовать в качестве заполнителя при производстве нового бетона, избегая захоронения отходов.

Огнестойкость. Одной из самых серьезных опасностей для здания является пожар. Это особенно актуально в сухом, ветреном климате и для конструкций из дерева. При работе с конструкционной сталью необходимо учитывать специальные меры предосторожности, чтобы избежать опасной пожарной ситуации. Железобетон, как правило, не представляет угрозы при пожаре и даже препятствует распространению огня и изменению температуры. Это делает бетон отличным теплоизолятором, повышая экологичность здания за счет снижения энергозатрат на поддержание климата.

Технологичность. Конструкционная сталь может быть изготовлена практически любой формы и соединяться болтами или сваркой. Монтаж конструкционной стали возможен сразу после доставки на строительную площадку, в то время как бетону требуется не менее 1–2 недель для затвердевания, прежде чем можно будет продолжить строительство, что делает сталь удобным материалом с точки зрения графика работ. Самые высокие здания в мире (так называемые небоскребы) обычно строятся из конструкционной стали благодаря ее технологичности и высокому соотношению прочности к весу. В то же время бетон, хотя и менее плотный, чем сталь, имеет значительно более низкое соотношение прочности к весу. Это связано с тем, что для поддержки той же нагрузки требуется больший объем бетонного элемента. Сталь, хотя и более плотная, требует меньшего количества материала для выдерживания нагрузки. Однако это преимущество становится незначительным для малоэтажных зданий, состоящих из нескольких этажей или меньше. Малоэтажные здания испытывают значительно меньшие нагрузки, чем высотные, что делает бетон экономически выгодным выбором. Это особенно верно для простых конструкций, таких как парковки или здания простой прямоугольной формы.

Конструкционная сталь и железобетон не всегда выбираются исключительно из-за их идеальных характеристик для конкретной конструкции. Компании, как и проектировщики, стремятся получить прибыль от любого строительного проекта. Цена сырья (сталь, цемент, крупный и мелкий заполнитель, древесина для опалубки и т.д.) постоянно меняется. Если конструкция может быть построена из любого из этих материалов, то выбор, скорее всего, будет сделан в пользу более дешевого варианта. Важным фактором является также местоположение объекта. Ближайший завод по изготовлению стальных конструкций может находиться значительно дальше от строительной площадки, чем ближайший поставщик бетона. Высокая стоимость энергии и транспортировки также будет влиять на выбор материала. Все эти факторы будут учтены перед началом концептуального проектирования строительного объекта.

Огнестойкость

Сталь теряет прочность при достаточном нагреве. Критическая температура стального элемента – это температура, при которой он не может безопасно выдерживать свою нагрузку. Строительные нормы и общепринятая практика в области строительного проектирования определяют различные критические температуры в зависимости от типа, конфигурации, ориентации и характеристик нагрузки конструктивного элемента. Критической температурой часто считается температура, при которой предел текучести снижается до 60% от предела текучести при комнатной температуре. Для определения предела огнестойкости стального элемента можно использовать общепринятые расчетные методы или провести огневое испытание, критическая температура в котором устанавливается стандартом, принятым уполномоченным органом, например, строительным кодексом. В Японии это ниже 400 °C. В Китае, Европе и Северной Америке (например, ASTM E 119) это примерно 1000–1300 °F (530–810 °C). Время, необходимое для достижения стальным элементом, подвергаемым испытанию, температуры, установленной в стандарте испытаний, определяет продолжительность огнестойкости. Передачу тепла стали можно замедлить с помощью огнезащитных материалов, тем самым ограничивая температуру стали. Распространенные методы огнезащиты стальных конструкций включают интумесцентные, эндотермические и гипсовые покрытия, а также гипсокартон, облицовку из кальциевого силиката и минераловатные теплоизоляционные маты. Бетонные конструкции зданий часто соответствуют требованиям к огнестойкости, поскольку толщина бетона над стальной арматурой обеспечивает достаточную огнестойкость. Однако бетон может растрескиваться, особенно при повышенном содержании влаги. Хотя дополнительная огнезащита не часто применяется к бетонным конструкциям зданий, она иногда используется в транспортных туннелях и в местах, где более вероятны пожары, связанные с углеводородным топливом, поскольку пожары горючих жидкостей выделяют больше тепла конструктивному элементу по сравнению с пожарами, связанными с обычными горючими материалами, в течение одного и того же периода времени. Материалы для огнезащиты стальных конструкций включают интумесцентные, эндотермические и гипсовые покрытия, а также гипсокартон, облицовку из кальциевого силиката и минеральную или высокотемпературную теплоизоляционную вату. Особое внимание уделяется соединениям, поскольку термическое расширение конструктивных элементов может снизить огнестойкость конструкций.

Производство

Обычно заготовки отрезают по длине на ленточной пиле. Стрелочная сверлильная линия (сверлильная линия) давно зарекомендовала себя как незаменимый способ сверления отверстий и фрезерования пазов в балках, швеллерах и профилях HSS. Сверлильные линии с ЧПУ обычно оснащаются подающими конвейерами и датчиками положения для перемещения элемента в позицию для сверления, а также функцией зондирования для определения точного места, где необходимо сделать отверстие или прорезь. Для вырезания неправильной формы отверстий или неровных торцов на объемных (не листовых) элементах обычно используется резательная горелка. Окситопливные горелки – наиболее распространенная технология, варьирующаяся от простых ручных горелок до автоматических станков с ЧПУ, которые перемещают головку горелки вокруг металлоконструкции в соответствии с инструкциями по резке, запрограммированными в станок. Изготовление плоских листов производится на комплексе обработки листов, где лист укладывается на стационарный "стол", а различные режущие головки перемещаются по листу с помощью портальной системы или "моста". Режущие головки могут включать в себя пробойник, сверло или горелку.