Алюминиевые конструкции ─ металлоконструкции из алюминия

Алюминий занимает второе место среди всех металлов по объемам производства и потребления. На первом давно и, судя по всему, надолго закрепилось железо. Несмотря на достаточно большие затраты электроэнергии, расходуемой на получение одной тонны первичного алюминия, его отгрузки увеличиваются год от года.

Основные потребители алюминия – авиа-, авто- и судостроение, электротехническая промышленность. Значительная часть алюминия используется в строительстве, в т. ч. в виде металлоконструкций. В современной России именно потребности строительства в решающей степени влияют на объемы внутреннего потребления продукции алюминиевой отрасли.

Слово «металлоконструкции» давно вошло не только в специальную, но и в общеупотребительную лексику. Его составная часть «конструкция» импортирована из латинского языка (лат. constructio), где обозначает «составление», «построение». У русского слова «конструкция» примерно такое же значение - строение, устройство, взаимное расположение частей чего-либо.

Хотя термин «металлоконструкции» употребляют не только в контексте строительных технологий, так сложилось, что, если дополнительных разъяснений нет, существительное металлоконструкции «по умолчанию» истолковывается как относящееся к строительной сфере.

Металлоконструкции в строительстве. Чугун и…

Первые строительные металлоконструкции были из чугуна. Используя их, архитекторам и строителям удалось сделать немало больших и малых шагов вперед, а порой совершать настоящие прорывы. Так, в 1851 году в лондонском Гайд-парке к первой всемирной выставке промышленной продукции был построен т. н. «Хрустальный дворец» – огромное здание из металлоконструкций, предвосхитившее тенденции развития архитектуры на много десятилетий вперед. Более 80 тысяч квадратных метров стеклянных стен и потолков опирались на три с лишним тысячи пустотелых чугунных колонн и более чем две тысячи чугунных и деревянных несущих балок. После окончания выставки был осуществлен демонтаж металлоконструкций, их перевезли на новое место, где Хрустальный дворец собрали заново. Но в середине XX столетия здание, изначально сугубо утилитарное, а затем признанное архитектурным шедевром, уничтожил пожар.

Хрустальный дворец

…сталь

На смену чугунным пришли стальные металлоконструкции. Начало их широкого применения в строительстве приходится на 80-е гг. XIX столетия, когда промышленные масштабы приобрел мартеновский способ производства стали. В это время появились знаковые, остающиеся актуальными до сих пор, инженерные сооружения, выполненные из стальных конструкций, – Бруклинский мост в Нью-Йорке и Эйфелева башня в Париже.

Бруклинский мост Эйфелева башня

Используя способность стального каркаса передавать фундаменту нагрузку от десятков этажей, строители смогли возвести первые небоскребы. И сегодня несущие каркасы высотных зданий очень часто выполняют из металлических конструкций (альтернативой им являются каркасы из железобетона).

На протяжении XX столетия производство металлоконструкций строительного назначения увеличивалось, а их повсеместное применение стало одной из примет времени. Особенно широкое распространение они получили в промышленном строительстве: в каркасах промышленных сооружений, доменных печах, различных резервуарах, опорах линий электропередач и т. д.

Металлоконструкции сделали возможным появление большепролетных покрытий зданий, а значит, наполненных воздухом и светом выставочных павильонов, вмещающих тысячи зрителей дворцов спорта и концертных комплексов.

Кроме того, металлоконструкции ─ это ангары любых размеров, радио- и телевизионные вышки, башни маяков, затворы гидротехнических сооружений, ворота шлюзов и еще многое другое. Без металлических конструкций было бы невозможным создание современной транспортной инфраструктуры ─ железнодорожных и автодорожных мостов, эстакад, путепроводов.

Поскольку монтаж металлоконструкций производится достаточно быстро, их использование позволяет существенно сократить сроки строительства. А быстровозводимые здания из металлоконструкций стали настоящим вызовом для привычно неторопливого строительства из «традиционных» материалов: кирпича, камня, бетонных блоков и дерева.

Алюминиевые строительные конструкции

Вслед за стальными строители начали применять алюминиевые строительные конструкции. Уже в начале XX века отдельные городские здания украсились алюминиевыми фасадами.

Алюминиевый фасад

А спустя некоторое время были построены первые алюминиевые мосты. Отдельные случаи использования алюминия постепенно переросли в тенденцию, поддержанную в т. ч. и российскими строителями. Уже в 1950-е годы XX века они использовали конструкции из алюминиевого профиля при строительстве высотных зданий в Москве. Из алюминиевых сплавов были выполнены несущие конструкции главного павильона страны на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г.

Павильон СССР на Всемирной выставке в Брюсселе 1958

Изготовление алюминиевых конструкций ─ динамичное, прогрессивное направление технологий. Благодаря достижениям научно-технического прогресса более производительным стало оборудование для производства алюминиевых конструкций, повысилось качество алюминиевых профилей, постоянно совершенствуются процессы механической обработки, резки и сварки алюминия, технологичнее становится сборка алюминиевых конструкций.

Магистральное направление развития этого сегмента алюминиевой отрасли ─ увеличение ассортимента. Разнообразие продукции, которое может предложить современный завод алюминиевых конструкций, ─ одна из предпосылок того важного места, которое занимает сегодня алюминий в строительных технологиях.

Алюминиевые строительные конструкции ─ одна из примет времени. Особую популярность завоевали фасадные алюминиевые конструкции, придающие современным городам внешний вид в стиле «модерн». Ярким отличительным признаком современной архитектуры стали светопрозрачные алюминиевые конструкции.

Виды алюминиевых конструкций

Согласно «СП 128.13330.2012 Свод правил. Алюминиевые конструкции» (это актуализированная редакция «СНиП 2.03.06-85 Алюминиевые конструкции») в зависимости от назначения зданий и сооружений алюминиевые строительные конструкции разделяют на несколько групп:

  • ограждающие конструкции и заполнение проемов;
  • конструкции, совмещающие несущие и ограждающие функции;
  • несущие сварные конструкции;
  • несущие конструкции, не имеющие сварных соединений.

В первую группу входят витрины, витражи, окна, двери, ворота, подвесные потолки, перегородки, кровли.

Алюминиевые оконные конструкции отличаются прочностью, надежностью и геометрической стабильностью (в отличие от окон, изготовленных из ПВХ). Сегодня алюминиевые окна превратились в полноценного конкурента не только пластиковых, но и деревянных окон.

Алюминиевые окна – теплые окна. Их можно использовать в помещениях с повышенными требованиями к теплоизоляции. Для жилых помещений крайне важно, что они являются абсолютно безупречными в гигиеническом отношении.

Конструкция алюминиевых окон позволяет встраивать их непосредственно в проем или в фасадные алюминиевые конструкции.

Витражное остекление одновременно решает две задачи – декоративную и функциональную. Конструкция алюминиевых витражей в первую очередь уместна для оформления зданий, в которых размещаются магазины, торгово-развлекательные комплексы, предприятия общественного питания.

В интерьерах промышленных и жилых зданий используют легкие и прочные алюминиевые перегородки. При их создании могут применяться раздвижные алюминиевые конструкции. Еще одно место в доме, где они могут быть востребованы, ─ балконы ─ алюминиевые конструкции используют для их остекления.

К числу конструкций, совмещающих несущие и ограждающие функции, относятся кровельные и стеновые панели общественных и промышленных зданий.

Класс несущих алюминиевых конструкций, при изготовлении которых используется сварка, включает фермы, колонны, прогоны покрытий, пространственные решетчатые конструкции покрытий промышленных большепролетных зданий, сборно-разборные конструкции каркасов зданий и сооружений, блоки покрытия и др.

О преимуществах металлоконструкций вообще…

А еще, заслуженный авторитет, которым пользуются у строителей алюминиевые конструкции, во многом опирается на свойства, общие для всех металлоконструкций. (Хотя слово «всех» объединяет не так уж много материалов ─ в строительстве, как известно, главным образом применяются металлоконструкции из стали и алюминия). И те, и другие ─ это высокая несущая способность, надежность, легкость и транспортабельность, сплошность основного материала и соединений, индустриальность.

Высокая несущая способность металлоконструкций обусловлена их прочностью, позволяющей воспринимать значительные усилия даже при относительно небольших сечениях.

Высокая надежность помимо прочего следует из однородности структуры и упругих свойств металла, что дает возможность выполнить точный расчет металлоконструкций на прочность, устойчивость и колебания. До 1955 г. он производился по допускаемым напряжениям. С 1955-го выполняется по предельным состояниям с учетом коэффициентов надежности и условий работы. Кроме ситуаций, когда коэффициенты перегрузки конструкций установить невозможно.

Расчет алюминиевых конструкций производится согласно СП 128.13330.2012.

Легкость и транспортабельность металлоконструкций не нуждаются в комментариях. Они еще более очевидны, если сравнить металлоконструкции со строительными конструкциями из железобетона или камня.

Благодаря наличию сплошности изготавливаются водо- и газонепроницаемые конструкции (прежде всего, из листовых материалов).

Индустриальность металлоконструкций проявляется в возможности их серийного производства в заводских условиях. Очевидно, что, когда изготовление металлоконструкций происходит в цеху предприятия, а не на продуваемой всеми ветрами стройплощадке, это напрямую способствует росту качества, снижению издержек, высокой степени заводской готовности. А значит дает возможность осуществлять быстрый высокомеханизированный монтаж металлоконструкций на месте строительства. Тем более, если производителем является оснащенный современным оборудованием и укомплектованный квалифицированными специалистами завод металлоконструкций.

…и алюминиевых в частности

Благодаря уникальным свойствам алюминия и его сплавов многие общие для металлоконструкций преимущества, в алюминиевых металлоконструкциях акцентированы в еще большей степени. Ведь алюминиевые сплавы — это высокая механическая прочность при малой плотности, стойкость к коррозии, долговечность, высокая технологичность ─ хорошая обрабатываемость давлением и резанием, пластичность (значит, возможность гибки), способность переносить низкие температуры, возможность вторичной переработки с незначительными энергозатратами и проч.

Проведения параллелей между алюминиевыми и стальными металлоконструкциями избежать трудно, поскольку оба металла находятся в состоянии технологической конкуренции.

Конечно, стоимость металлоконструкций из стали ниже. Они прочнее ─ значение модуля упругости у алюминиевых сплавов в три раза меньше. Зато алюминиевые конструкции значительно легче и оказываются вне конкуренции, если необходимо снизить массу зданий и сооружений. Алюминиевые конструкции лучше справляются с повышенными архитектурными требованиями.

Весомый аргумент в их пользу ─ отсутствие у алюминия магнитных свойств и искрения при ударе. Кроме того, алюминий ─ гигиенически безопасный материал.

Безусловное достоинство алюминиевых конструкций ─ высокая коррозионная стойкость. Ее дополнительно усиливают (анодированием, оксидированием, эмалированием, покраской металлоконструкций), параллельно улучшая и без того привлекательный внешний вид алюминия. Производители алюминиевых конструкций ─ одни из главных потребителей окрашенных и анодированных профилей.

Долговечность конструкций из алюминиевого профиля особенно наглядно проявляется в условиях агрессивной окружающей среды. В крупных мегаполисах, в насыщенном влагой воздухе морских побережий, в наполненной агрессивными химическими веществами атмосфере промышленных предприятий.

Недостатком металлических конструкций является их невысокая огнестойкость ─ до 400° C у стальных и 200° C у изготовленных из алюминиевых сплавов. При более высоких температурах падают значения предела текучести и отмечаются существенные пластические деформации при постоянной нагрузке.

Зато алюминиевые сплавы хорошо работают при значительном «минусе» и отличаются малой склонностью к переходу в хрупкое состояние при пониженных температурах.

Алюминиевые профили ─ элементы алюминиевых конструкций

Алюминиевые конструкции собирают из алюминиевых полуфабрикатов, которые изготавливают прокаткой, прессованием, гнутьем.

Прокаткой получают листы, полосы и ленты.

Профили различного очертания изготавливают горячим прессованием. Они могут быть стандартными (угловые, зетовые, тавровые, двутавровые, швеллерные и т. д.) и нестандартными. Чтобы увеличить критическое отношение ширины свободного свеса полок к их толщине, уголковые профили изготавливают с т. н. «бульбами» на концах полок. Нестандартные профили имеют рациональные размеры и форму, соответствующие требованиям конкретной конструкции.

Гнутые профили производят преимущественно из листов и лент толщиной до 4 мм.

Профили, используемые в алюминиевых конструкциях, изготавливают из алюминия АД1, а также термически неупрочняемых сплавов алюминия с марганцем ─ АМц; магнием ─ АМг2, АМг3; магнием и кремнием ─ АД31, АД33, АВ, 6060, 6063; цинком и магнием ─ 1915, 1925; цинком, магнием и медью ─ В95, 1950.

Как соединяют элементы металлических конструкций

По способу соединения элементов между собой различают металлоконструкции ─ сварные, клепаные, с болтовыми соединениями.

Сварные металлоконструкции за счет более полного использования сечения имеют меньшие вес и стоимость.

Клепаные конструкции надежнее в условиях низких температур и более устойчивы к циклическим нагрузкам. Заклепочные соединения ─ альтернатива сварке при использовании разупрочняющихся под воздействием высоких температур высокопрочных термически упрочненных алюминиевых сплавов. В то же время приходится учитывать, что монтаж алюминиевых конструкций с помощью клепки в условиях строительной площадки достаточно трудоемок.

Заклепки ставят в холодном состоянии, чтобы исключить термическое воздействие на основной металл.

В алюминиевых конструкциях также могут применять болты. Как изготовленные из алюминиевых сплавов, так и высокопрочные стальные. Во втором случае приходится предупреждать приводящий к интенсивной электрохимической коррозии непосредственный контакт стали и алюминия (алюминиевых сплавов). Чтобы исключить его стальные болты целиком или частично покрывают кадмием или цинком, обматывают изоляционной лентой, используют кадмированные или оцинкованные шайбы.

Сегодня производство алюминиевых конструкций ─ важный сегмент алюминиевой отрасли, одно из наиболее перспективных направлений обрабатывающей промышленности. Их огромный потенциал до конца не раскрыт, и ни у кого нет сомнений в том, что роль алюминиевых конструкций в строительстве, как, впрочем, и в других областях, будет становиться все более ощутимой.