Алюминиевые конструкции в современном строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Алюминиевые конструкции - один из привычных признаков современности. Житель крупного города ежедневно проходит мимо монументальных зданий, одетых в алюминиевые панели, бросает беглый взгляд на товары, выставленные за зеркальным стеклом алюминиевой витрины, торопливо распахивает алюминиевые двери метро или железнодорожного вокзала…

Цель работы - исследование алюминиевых конструкций и их применение в современном строительстве.

Задачи исследования:

1) история строительных алюминиевых сплавов;

2) свойства алюминиевых сплавов и соединений элементов сплавов, сортаменты, средства соединения;

3) принципы проектирования алюминиевых конструкций;

4) перспективы применения алюминия в строительстве;

Поиск информации осуществлен по библиотечным фондам СГАСУ и в интернет ресурсах. Глубина поиска - 44 года.

1 История применения алюминиевых конструкций в строительстве

Солидное место в архитектуре и строительстве алюминиевым конструкциям обеспечили изобретатели, бизнесмены и архитекторы. Так, американец Фрэнсис Плим, заметивший, как быстро гниют деревянные рамы магазинных витрин, на которых скапливается конденсат, наладил производство витрин в металлических рамах. К 1937 году 75% продукции его компании делалось из алюминия, не страдающего от коррозии.

После войны алюминиевые конструкции становятся все более привычными в архитектуре, не утрачивая, тем не менее, оттенка инновационности. Даже сейчас часовня Военно-воздушной академии США в Колорадо-Спрингс, спроектированная Уолтером Нетсчем и построенная в 1956-1960 годах, поражает смелостью линий.

В нашей стране алюминиевые конструкции стали широко использоваться при строительстве Дворца пионеров (архитекторы B. C. Егерев, B. C. Кубасов, Ф. А. Новиков, Б. В. Палуй, И. А. Покровский, М. А. Хажакян). Возведение масштабного здания, ставшего вехой в истории отечественной архитектуры, завершилось в 1962 году. А через пять лет на Ленинском проспекте было построено здание Государственного комитета по стандартам СССР по проекту Б. Белопольского, Е. В. Козлова и Ю. А. Тихонова -- в нем так же обильно представлены алюминиевые конструкции.

С каждым годом алюминиевые конструкции находят все более и более широкое применение в строительстве, и благодаря этому сегодня он окружает нас в полном смысле этих слов. [http://www.aluminiumleader.com/]

2 Алюминиевые сплавы строительного назначения. Общие сведения

Алюминиевые сплавы различают двух видов: литейные, которые применяются в виде отливок, в основном, в машиностроении, и так называемые деформируемые, из которых путем пластических деформаций изготовляются различные профили и листы, применяемые в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные и более сложные системы с различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами - его процентное содержание;

· АМц - алюминиево-марганцевый сплав.

· АМг - алюминиево-магниевый.

· АВ - алюминиево-кремниевый (авиаль).

· Д - дуралюмин.

· В - высокопрочный сплав.

В маркировке сплавов после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид механической или термической обработки металла. [http://www.aluminiumconstruction.ru/stroitelstvo]

2.1 Классификация

Современные алюминиевые сплавы - это популярные представители группы легированных металлов, создаваемые на основе алюминия. Алюминиевые сплавы по способу производства различных деталей подразделяются на деформируемые, которые обрабатываются путём механической деформации и литейные, которые применяются при фасонной отливке. Существует ещё особая подгруппа - антифрикционные алюминиевые сплавы, с помощью которых путём литья или механической прессовки изготавливаются детали повышенной прочности, работающие в условиях повышенного трения.

Основные компоненты, входящие в состав алюминиевых сплавов - это медь, марганец, железо, цинк, кремний, титан и магний. Определённое сочетание и количественный состав легирующих элементов по аналогии с нержавеющей сталью обеспечивает полученному металлу индивидуальные свойства, которые в свою очередь образуют область применения того или иного сплава, созданного на основе алюминия.

Для упрочнения алюминиевых сплавов используют термическую обработку и холодную деформацию, что в свою очередь подразумевает деление на упрочняемые и неупрочняемые термообработкой металлы.

Деформируемые сплавы, которые не подлежат термическому упрочнению, отличаются максимальной пластичностью и антикоррозийными свойствами. Заготовки из металлов этой группы применяются, в основном, для глубокой штамповки. Это сплавы, созданные парами AL-Mn (марка АМц) и AL-Mg (марка AMг). Включение магния в качестве легирующего элемента позволяет повысить сопротивляемость воздействию влаги и уменьшить удельный вес конечных изделий. Наличие кремния, железа и меди в таких алюминиевых сплавах минимально.

Алюминиевые сплавы, в состав которых входит алюминий, медь и магний называются дюралюминии (AL-Cu-Mg). Дюралюминий относится к деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой и включает в себя около 4% меди, 1% марганца, 1% магния. Кроме того, в состав дюралюминия входят железо и кремний, процентное соотношение которых к общему объёму незначительно.

Этот популярный металл отличается следующими свойствами:

· конструкционная прочность, обеспеченная термообработкой;

· лёгкость механической обработки, включая ковку и штамповку;

· слабая антикоррозийность.

Для повышения коррозийной стойкости дюралюминия используют технологию плакирования - нанесения на листы тонкого (4-5% от общей толщины) слоя чистого алюминия путём горячего проката дюралевой болванки, завёрнутой в лист из алюминия без примесей. Такой дюралюминий активно используется в виде листов и дюралевых плит для изготовления лёгких и прочных деталей, например фюзеляжей самолётов или антикоррозийных корпусов различных плавсредств.

Следующей группой алюминиевых сплавов являются металлы, созданные на основе алюминия и кремния. Наиболее популярным представителем этого класса является силумин, создаваемый парой Al-Si. Эти алюминиевые сплавы относят к категории литейных сплавов, из которых путём фасонного литья производятся различные детали. В свою очередь силуминовые сплавы также упрочняются путём термической обработки, однако температурные режимы в данном случае будут более интенсивными, нежели для деформированных алюминиевых сплавов.

Литейные алюминиевые сплавы, созданные на основе тройки Al-Mg-Si, называются авиаль и отличаются самыми высокими в своей подгруппе антикоррозийными и механическими свойствами.

Все литейные сплавы с включением кремния предлагают производителю следующие свойства:

· низкий удельный вес изготавливаемых изделий;

· износостойкость и конструкционная прочность соответствующих деталей;

· высокая текучесть в расплавленном состоянии;

· минимальная усадка в процессе отлива.

Литейные алюминиевые сплавы являются первоклассным сырьём для фасонной отливки корпусов механизмов и деталей сложных конфигураций.

[http://www.mpstar.ru/hbc/kaes.php]

2.2 Основные физико-механические свойства

Алюминия сплавы, отличаются малой плотностью (до 3,0 г/см3), хорошими технологическими свойствами, высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью. электрич. проводимостью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью при низких температурах, хорошей светоотражат. способностью. На изделия из сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия. Сплавы легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой, а некоторые и сваркой плавлением.

Разнообразие свойств сплавов алюминия обеспечивается введением присадок магния, меди, цинка, кремния, марганца, церия, хрома, лития, кадмия, циркония, образующих с алюминием твердые растворы и интерметаллиды. напр. Mg2Si, CuAl2, CuMgAl2, Al2LiMg, CuLiAl2, служащие упрочняющей фазой. До 1940 наиб. применение имели сплавы Al-Cu-Mg (дуралюмины), Al-Mg (магналии), Al-Si (силумины), Al-Mg-Si (авиали). Впоследствии быстрое развитие получили высокопрочные сплавы Al-Zn-Mg-Cu, криогенные и жаропрочные Al-Cu-Mn, жаропрочные Al-Се, сплавы пониж. плотности Al-Mg-Li, Al-Cu-Li, Al-Cu-Mg-Li, порошковые и гранульные.

Деформируемые сплавы. Эти сплавы алюминия могут быть подвергнуты упрочнению закалкой с последующим старением - естественным (при комнатной температуре) или искусственным (при повышенной температуре). В результате закалки образуется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии, из которого при старении выделяется избыток растворенных элементов в виде зон, метастабильных фаз и стабильных интерметаллидов. Некоторые сплавы алюминия, в частности содержащие хром, марганец, цирконий и железо, способны закаливаться из жидкого состояния; при этом концентрация элементов в пересыщенном твердом растворе может существенно превосходить максимальную равновесную для твердого состояния.

Дополнительное упрочнение деформируемых сплавов алюминия достигается применением нагартовки-холодной прокатки или растяжения полуфабрикатов. Эта операция используется для улучшения механических свойств термически неупрочняемых сплавов, при этом повышаются прочностные св-ва и особенно предел текучести, а пластичность снижается. Для термически упрочняемых сплавов алюминия нагартовка производится после закалки перед старением либо после старения; в результате повышаются прочностные свойства при сохранении прежней вязкости разрушения. Полуфабрикаты из деформируемых сплавов алюминия изготавливают из слитков, получаемых методом непрерывной отливки с непосредственным охлаждением водой.

Существенное повышение пластичности и вязкости разрушения термически упрочняемых сплавов алюминия достигается снижением содержания Fe до 0,12-0,15% и Si до 0,1% в сплавах повыш. чистоты и до сотых долей % в очень чистых сплавах ( таб. 1).

Таблица 1. Свойства деформируемых сплавов алюминия

Деформируемые сплавы алюминия по величине разделяют на сплавы низкой (менее 300 МПа), средней (300-480 МПа) и высокой (выше 480 МПа) прочности. К первым относят А1 - Мn, большинство магналиев, Al-Mg-Si. Из них изготавливают фольгу для консервных банок, пробок, молочных фляг, электропровода, оконные рамы, окантовки дверей и др. Сплавы средней прочности - дуралюмины, ковочные Al-Cu-Mg и Al-Cu-Mg-Si, жаропрочные ковочные Al-Cu-Mg-Fe-Ni, криогенные и жаропрочные свариваемые Al-Cu-Mn, сплавы пониженной плотности Al-Li-Mg. Эти сплавы используют для изготовления осн. элементов несущих конструкций (работающих при комнатной и повышенной температурах и в криогенной технике), элементов двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей и др. Высокопрочные сплавы Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu -- Mg-Li и Al-Cu-Li используют в сильно нагруженных конструкциях.

Порошковые и гранульные сплавы алюминия получают распылением жидкого Аl в воздухе или инертной атмосфере в специальных установках, обеспечивающих сверхвысокую скорость охлаждения (сотни тысяч - миллионы градусов в секунду). Размер частиц порошковых сплавов 5-500 мкм, гранульных - 1-2 мм.

Наибольшее применение имеют порошковые сплавы алюминия - САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). В САП упрочняющая фаза - мельчайшие частицы А12О3, образующегося при размоле в мельницах в окислительной атмосфере. Этот материал отличается высокой термической и коррозионной стойкостью. Он сохраняет прочность при температурах до 660°С (т-ра плавления А1) и даже несколько выше. САС содержит 25-30% Si и 5-7% Ni. Упрочняющая фаза - мельчайшие частицы интерметаллидов и А12О3. Этот сплав имеет более низкий температурный коэффициент линейного расширения [(11,5-13,5)*10-6 К-1], чем большинство остальных сплавов алюминия сплавы.

Благодаря тому, что скорость охлаждения при получении порошковых и гранульных сплавов очень велика, удается создать материалы, представляющие собой пересыщенные твердые растворы. К ним относятся высокопрочные сплавы Al-Zn-Mg-Cu, жаропрочные Al-Fe-Ce, сплавы пониженной плотности А1-Mg-Li, пластичные Al-Cr-Zr. Св-ва порошковых и гранульных сплавов, особенно пластичность, улучшаются после вакуумной дегазации. Заготовки из порошковых сплавов алюминия сплавы имеют форму брикетов, из которых обработкой давлением получают полуфабрикаты. Порошковые сплавы применяют для изготовления деталей и узлов малонагруженных конструкций, работающих в интервале 250-500°С, высоконагруженных конструкций, работающих при комнатной температуре, в приборостроении.

Высокомодульные деформируемые сплавы Al-Be-Mg -- двухфазные гетерогенные системы. Они превосходят по модулю упругости пром. легкие сплавы в 2-3 раза; их плотн. 2,0-2,4 г/см3, модуль упругости 45 000-220 000 МПа, относит. удлинение 15-10%. Такие сплавы обладают также повыш. теплоемкостью и теплопроводностью. более высокой усталостной прочностью (в т.ч. уникальной акустич. выносливостью), меньшей скоростью роста усталостных трещин. Применяют их преим. для изготовления тонких жестких элементов несущих конструкций, что позволяет уменьшить массу изделия до 40%.

При получении изделий из сплавов алюминия обработкой давлением возможно использование сверхпластичности этих сплавов, которая реализуется при размере зерна в структуре сплава менее 10 мк, причем эта структура должна изменяться при температуре, превышающей половинное значение температуры плавления. Большая группа сплавов алюминия сплавы обладает эффектом сверхпластичности и находит промышленное применение.

Литейные сплавы. В зависимости от природы основного легирующего компонента эти сплавы делят на пять групп: Al-Si; Al-Mg; Al-Cu; Al-Si-Cu; прочие, напр. Al-Si-Cu-Mg-Ni; Al-Cu-Si-Mg-Mn-Fe-Cr. Характеристика некоторых литейных сплавов алюминия приведена в таблице 2.

Таблица 2. Свойства литейных сплавов алюминия.

По свойствам различают три группы литейных сплавов: высокопрочные и средней прочности; жаропрочные (для работы до 200-400°С); коррозионностойкие (для работы в морской воде). Сплавы высокопрочные и средней прочности малопроницаемы для газов и жидкостей (могут выдерживать без утечки жидкости давление до 15-25 МПа); из них изготавливают отливки практически любых конфигураций и размеров всеми существующими методами литья. Для измельчения структуры и улучшения свойств силуминов в их расплав перед разливкой вводят небольшие кол-ва Na (в виде солей). Возникающая при этом пористость подавляется кристаллизацией под давлением в автоклавах.

Наибольшей жаропрочностью среди литейных сплавов обладают Al-Cu-Mg-Ni и Al-Cu-Ni-Mn; из них изготавливают литые поршни.

Коррозионностойкие литейные сплавы Al - Mg отличаются малой плотностью, легко обрабатываются резанием. Из них изготавливают изделия, эксплуатируемые в морской воде. [http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_145.html]

2.3 Сортамент

Единого сортамента алюминиевых профилей, применяемых в строительстве, не существует. Это объясняется, с одной стороны, большим разнообразием требуемых форм и размеров сечений элементов с точки зрения обеспечения местной устойчивости (введение различных утолщений, ребер жесткости и т. п.).

С другой стороны, технология изготовления алюминиевых профилей вполне допускает производство разнообразных сечений небольшими партиями.

Изготовление профилей из алюминиевых сплавов производится двумя способами: 1) прессованием, 2) гибкой из листа. Первый способ более распространен. Профили получаются путем продавливания (прессования) слитка, нагретого до 320-440° через отверстие заданного профиля в матрице диаметром 320 мм, в отдельных случаях 530 мм (фиг. 3). В недалеком будущем наши возможности в выпуске алюминиевых профилей расширятся, так как предполагается оборудовать пресс с матрицей диаметром 650 мм. Давление, которое должен будет развивать этот пресс, составит приблизительно 15000 тонн.

Прессованием могут быть получены любые профили, в том числе и замкнутые. В настоящее время применяются также разъемные матрицы, которые могут быть заменены в процессе прессования. Таким путем можно достичь изменения сечения по длине элемента. После прессования профилей производится их термическая обработка - отжиг, закаливание, старение.

Утолщения по краям полок делаются для увеличения местной устойчивости. Такие элементы называются бульбо-профилями, а утолщения - бульбами.

В настоящее время у нас выпускаются различные мелкие профили с размером сечения до 120 мм - уголки, бульбо-угольники, зетовые, тавровые, двутавровые профили, отбортованные швеллеры (ГОСТы 8110-56, 8113-56).

Технические условия проектирования строительных конструкций из алюминиевых сплавов рекомендуют пользоваться каталогом прессованных профилей МАП. (Оборонгиз, изд. 1957 г.), но также разрешается проектировать профили по договоренности с заводом-изготовителем.

Изменение или создание новых профилей можно считать экономически обоснованным, если экономия металла и снижение трудовых затрат благодаря применению новых профилей больше стоимости изготовления матриц при данном объеме выпуска элементов.

Известно, что при изготовлении большого количества одинаковых профилей матрицы истираются и их приходится возобновлять. Эта особенность технологии также способствует созданию разнообразных профилей применительно к определенным типам сооружений.

В приложении II приведен сортамент бульбопрофилей, составленный для учебного проектирования студентками ВИСИ М. Н. Карловой и Т. Ф. Морховой под руководством ассистента Д. С. Богоявленского.

Второй способ изготовления профилей - холодная штамповка на специальном листогибочном прессе (фиг. 4). Особенно это рационально при большом разнообразии форм и малой их повторяемости. Применение гнутых профилей развито в Чехословакии, Швейцарии, Бельгии.

Холодная гибка профилей из алюминиевых листов начала получать распространение и в Советском Союзе.

Другой частью сортамента является листовой металл. Выпускаются плакированные листы из дуралюмина и неплакированные из сплавов АМг, АМц, АВ. Толщина листов от 0,3 до 10 мм, ширина до 2000 мм, длина до 4000 мм. Изготовляются также горячекатанные плиты толщиной 11-80мм.

Другой способ получения профилей предложен советским ученым проф. А. В. Степановым. На поверхность ванны с расплавленным алюминием опускают шаблон заданного сечения, а затем его приподнимают. Снизу наращивается профиль, точно повторяющий размеры шаблона, имеющий идеально гладкие стенки и высококачественную структуру металла. Таким способом можно получать самые разнообразные профили и с любой толщиной стенок (до долей миллиметра). Скорость вытягивания стержня - 10-20 метров в час.

3 Средства соединения элементов алюминиевых конструкций

В настоящее время применяют такие типы соединений элементов из алюминиевых сплавов: сварные, заклепочные, болтовые и клеевые. Отыскание наилучшего типа простого, надежного, прочного и недорогого соединения элементов сейчас является одной из наиболее важных проблем , от решения которой зависит широкое внедрение алюминиевых сплавов, особенно для конструкций больших пролетов.[ Попов С. А. Алюминиевые строительные конструкции: учеб.пособ. для строит. спец.вузов:Высш.шк.,1969. - 319 с. :ил. - 77к]

3.1 Классификация

В принципе все алюминиевые сплавы поддаются сварке,поэтому разработка технологий сварки элементов из алюминиевых сплавов является одной из главных проблем применения алюминиевых сплавов в строительстве.

При сварке алюминия основная трудность заключается в том, чтобы надежно предохранить расплавленный металл от окисления, которое препятствует сплавлению алюминия гораздо в большей степени, чем окислы железа понижают качество сварки стали. Окислы алюминия, которые образуются при сварке, должны быть удалены шлакообразующими компонентами обмазок или флюсов.

3.1.1 Сварочные соединения

Электродуговая сварка электродами с обмазкой производится на постоянном токе с обратной полярностью. Перед самым наложением шва детали прогреваются газовой горелкой до 250-300° для того, чтобы компенсировать повышенную теплопроводность алюминия. Сила тока для сварки толщин 8-18 мм принимается 300-450 ампер, напряжение 40-45 вольт.

Электродная обмазка, которая служит для растворения окисла алюминия, приготовляется из галоидных солей щелочных металлов, замешивается на воде (а не на жидком стекле) и наносится на стержни металла той же марки, что и свариваемые детали, а затем электроды высушиваются.

При дуговой сварке алюминия происходит интенсивное разбрызгивание металла, вследствие чего расход электродов на погонный метр шва очень велик. Например, при толщине 18мм он составляет 0,916 кг, а вес наплавленного металла - 0,611 кг/м. Кроме этого, брызги портят поверхность элементов вблизи шва. Поэтому область, прилегающую к шву, покрывают глиняным тестом или закрывают другим способом, оставляя для сварки полосу шириной 20 мм.

Сварку больших толщин до 18 мм производят без разделки кромок с заваркой шва с двух сторон, тонкие листы (до трех миллиметров) перед сваркой отбортовывают (край листа отгибают).

Для обеспечения удовлетворительного качества сварки необходимо не допускать попадания случайных веществ в сварочную ванну, то есть детали перед сваркой должны быть зачищены до блеска, а электродные прутки перед изготовлением протравлены; приготовление обмазки следует производить в химически стойкой посуде. После сварки во избежание коррозии швы следует тщательно зачистить, промыть водой и протравить 5%-ным раствором азотной кислоты.

Ручная или электродуговая сварка благодаря несложности оборудования и разработке эффективных типов обмазок электродов применяется при изготовлении алюминиевых конструкций, особенно на укрупнительной сборке в условиях монтажной площадки.

В настоящее время институтом электросварки им. Е. О. Патона осваивается и внедряется в производство автоматическая сварка алюминиевых сплавов под слоем флюса с применением одного или двух электродов ("расщепленным" электродом). Последний способ обеспечивает более устойчивую дугу и лучшее качество шва. В установках используется постоянный ток с обратной полярностью электродов. Автоматическая сварка позволяет улучшить условия труда, увеличить его производительность в 2-3 раза, повысить качество шва.

Aргоно-дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в последнее время получила широкое распространение для сварки алюминиевых конструкций благодаря высокому качеству шва и наименьшему термическому воздействию на детали. Прочность шва при таком способе выше, чем при других способах сварки. Помимо этого, шов, сваренный аргоно-дуговой сваркой, имеет более гладкую поверхность по сравнению со швом, полученным с помощью предыдущего вида сварки, и не требуется производить специальную очистку шва. Стоимость работ при аргоно-дуговой сварке ниже, а производительность труда выше, чем при других способах сварки. Как изображено на фиг. 5, сварка производится в атмосфере аргона, который подается из баллона через редуктор и сопло специальной сварочной горелки. Аргон требуется чистый - I и II составов (процент примесей - 0,3%). Расход его 9 литров в минуту. Вольфрамовый электрод принимается обычно диаметром 3-4 мм. Присадочный пруток изготовляется, как правило, из того же сплава, что и основной металл деталей. Сила сварочного тока - до 180 ампер, напряжение - 12-15 вольт.

Сварка может производиться во всех трех положениях в пространстве - нижнем, вертикальном, потолочном. Аргоно-дуговая сварка практически пригодна при любых толщинах.

Газовая кислородно-ацетиленовая или пропано-бутановая кислородная сварка до последнего времени была наиболее распространена. Однако она малопроизводительна, дорога, и процессы сварки оказывают большое тепловое воздействие на основной металл. Применяется лишь в тех случаях, когда невозможно использовать электродуговую сварку (например, для сварки швов на монтаже). Присадочные прутки должны иметь специальную обмазку. Для усиления плавления при наложении шва сварка проводится двумя сварщиками одновременно.

Общим недостатком указанных способов сварки является понижение прочности околошовной зоны детали вследствие отжига и, как правило, образование трещин, особенно при сварке дуралюмина. Этим объясняется то, что данные способы соединения применяются для термически необрабатываемых сплавов АМг, АМц, а также для сплава АВ. Даже для этих сплавов прочность швов на срез понижается по сравнению с прочностью основного металла на 25-50% (см. табл. 1 и 4).

Дуралюмин и другие высокопрочные термически обрабатываемые сплавы в ответственных конструкциях сваривать не рекомендуется. Для того чтобы применить сварку в элементах из сплава AB-TI или из дуралюмина, нужно так сконструировать составное сечение, чтобы швы были вынесены в малонапряженные области. Для сварки тонких листов дуралюмина до 4 мм применяется электроконтактная точечная сварка.

Перспективным является способ холодной сварки алюминиевых сплавов под давлением. Этот способ основан на том, что при высоком давлении хрупкая пленка окисла разрушается и в разрывы устремляются атомы соединяемых элементов. Причем, атомы сближаются настолько, что между ними возникают силы междуатомного взаимодействия. Такой способ сварки уже нашел применение в электротехнике для соединения проводов, а также для точечной сварки листов давлением.

3.1.2 Заклепочные соединения

Постановка алюминиевых заклепок производится в холодном состоянии, что исключает термическое воздействие клепки на основной металл, как это наблюдается при наложении сварных швов. Поэтому заклепочные соединения являются основным видом соединения для высокопрочных термически упрочненных алюминиевых сплавов.

Ограничением применения обычных заклепок может служить то, что при больших диаметрах для образования полукруглых головок требуется значительное давление скобы. Например, при диаметре заклепки 20 мм требуется давление 85 тонн. (Обычно скобы, имеющиеся на наших заводах, могут развивать давление до 60 тонн).

Для уменьшения требуемого давления прибегают к изменению формы головки заклепки (фиг. 6).

Другим недостатком холодной клепки является необходимость применять клепальные скобы, что не всегда удается осуществить, например, на монтаже.

В отличие от стальных заклепок, которые ставятся в горячем состоянии, здесь при изготовлении требуется соблюдать меньшие зазоры между стержнем непоставленной заклепки и стенкой отверстия - от 0,1 до 0,4 мм для обеспечения хорошего заполнения отверстия.

Алюминиевые заклепки имеют малую прочность на отрыв головок, поэтому следует конструировать соединения так, чтобы заклепки не воспринимали растяжение. Если этого нельзя избежать, то рациональнее применить стальные болты. При конструировании необходимо учитывать, что связующие заклепки, расстанавливаемые исходя из требований местной устойчивости, размещаются несколько чаще, чем заклепки в стальных конструкциях, а именно: на расстоянии 7 диаметров заклепок или 12 толщин листа. Минимальные расстояния между заклепками и расстояния от края листа принимаются такими же, как в стальных конструкциях.

3.1.3 Болтовые соединения

Алюминиевые черные (не точеные) болты из-за низкой прочности не нашли применения.

Из алюминия выполняются лишь чистые (точеные) болты, которые имеют почти такие же расчетные характеристики, как заклепки.

Для передачи растягивающих усилий в соединении, а также для монтажных целей применяются стальные оцинкованные болты (черные).

Рифленые алюминиевые болтозаклепки особого типа были использованы на монтаже купола национальной выставки США в Сокольниках3. При постановке такого болта стержень захватывался специальным пневматическим инструментом и натягивался.

Заклепочная шайба с усилием насаживалась на рифленый стержень, обжимала листы и, сминаясь, образовывала замыкающую головку. Хвостовая часть болта отрывалась по ослабленному сечению - по кольцевой выточке.

алюминиевая конструкция строительство соединение

3.1.4 Клеевые соединения

В последнее время уделяется большое внимание применению клея для соединения алюминиевых элементов. Этот вид соединений вполне зарекомендовал себя с положительной стороны в практике авиастроения. Особенно рационально применять клей для дуралюминовых сплавов, которые невыгодно сваривать. Склеивание в зависимости от вида клеевых смол производится двумя способами: горячим и холодным.

По первому способу смолу, подогретую до 100- 150°, смешивают с веществом, ускоряющим химический процесс отвердения, подогревают до определенной температуры очищенные склеиваемые поверхности и наносят на них клеящую массу. Слегка сдавленный узел выдерживают 3 минуты при t=280°, затем двое суток при t=110°. Замечено, что чем выше температура выдержки, тем прочнее соединение.

Для второго способа используют другие виды смол и отвердителей. Весь процесс склеивания производится при нормальной температуре в том же порядке. Прочность соединения, изготовленного холодным способом, ниже прочности горячего оклеивания, однако сопротивление срезу не должно быть меньше 600 кг/см2.

Склеивание имеет следующие преимущества:

· При изготовлении соединения не происходит отжига деталей.

· Не создается внутренних и местных напряжений, а так-же деформаций коробления.

Недостатки:

· Трудность контроля качества при изготовлении соединения и впоследствии, при изменении свойств шва.

· Низкая теплостойкость и уязвимость в пожарном отношении.

· Старение клея с течением времени (значительное уменьшение прочности - в 2-3 раза).

· Недостаточная устойчивость соединения против химических реагентов.

Клеевые соединения находят опытное применение при изготовлении алюминиевых, стальных и смешанных конструкций (металл, бетон, дерево, стекло), а также в ремонтном деле, например, для постановки заплат на трубопроводы, резервуары и т. п. [http://www.aluminiumconstruction.ru/stroitelstvo]

4 Алюминиевые конструкции в современном строительстве

Алюминиевые конструкции сегодня один из востребованных видов металлических конструкций в строительстве. А все благодаря своим механическим характеристикам: небольшому весу, высокой стойкости против ржавчины, устойчивости при низких температурах, антимагнитности, отсутствию искрообразования, долговечности и эстетичному виду. Особенно алюминиевые конструкции незаменимы в труднодоступных зонах, в местах с повышенной сейсмической опасностью, на Крайнем Севере. Выгодно алюминий использовать в установках, в которых сочетаются ограждающие и несущие функции. Это панели перекрытия стен, листовые перекрытия больших пролетов арками, куполами, складками.

Незаменимы алюминиевые сплавы и при строительстве башен и мачт, затворах плотин, резервуарах.

Широко алюминий используются и в переплетах, и в витражах и во внутренней и внешней отделке помещений. Производство алюминиевых конструкций - это новое веяние времени.

[http://topengineer.ru/typography/2011-03-12-17-01-21/-i]

4.1 Проектирование алюминиевых конструкций. Общие указания

1. При проектировании алюминиевых конструкций необходимо:

а) предусматривать связи, обеспечивающие в процессе монтажа и эксплуатации устойчивость и пространственную неизменяемость сооружения в целом и его элементов, назначая их в зависимости от основных параметров и режима эксплуатации сооружения (конструктивной схемы пролетов, температурных воздействий и т. д.) ;

б) учитывать производственные возможности предприятий--изготовителей металлоконструкций и мощность подъемно-транспортного оборудования монтажных организаций;

в) компоновать элементы конструкций из наименьшего числа деталей

г) использовать металл с наименьшими отходами и потерями путем соответствующего размещения стыков в конструкции;

д) предусматривать конструктивные решения и производить разбивку конструкций на отправочные элементы с учетом рационального и экономичного транспортирования их на строительство:

е) предусматривать возможность укрупнения отправочных элементов конструкций на строительной площадке для монтажа их крупными блоками и обеспечения устойчивости отдельных элементов и блоков сооружения в процессе монтажа;

ж) предусматривать монтажные крепления элементов. обеспечивающие возможность их легкой сборки и удобного выполнения соединений на монтаже (устройство монтажных столиков и т. п.), а также быстроту выверки конструкций;

з) предусматривать монтажные соединения элементов болтовыми; сварные и клепаные монтажные соединения допускать лишь в тех случаях, когда применение болтов нерационально или не разрешается нормативными документами.

2. Прогибы изгибаемых элементов следует определять от нормативной нагрузки без учета коэффициентов динамичности и ослабления сечений отверстиями для заклепок и болтов.

3. Температурные климатические воздействия на алюминиевые конструкции одноэтажных зданий и сооружений следует учитывать путем соблюдения наибольших расстояний между температурными швами в соответствии с табл. 43, а также применением конструктивных мер при проектировании ограждающих конструкций, их стыков и нащельников.

4. Ограждающие конструкции зданий (стены и покрытия, отдельные панели, настилы и их стыки), а также детали крепления ограждений к каркасу здания следует проектировать с учетом изменения температуры в течение года, обеспечивая при этом свободу температурных деформаций при сохранении теплотехнических свойств и герметичности ограждений.

5. При расчете ограждающих конструкций значения изменений температуры наружных поверхностей следует определять исходя из расчетных значений температуры наружного воздуха в летнее и в зимнее время года в соответствии со СНиП 2.01.01-82. При этом в летнее время должно быть учтено воздействие солнечной радиации.

6. Расчетные перепады температуры между наружными и внутренними поверхностями ограждающих конструкций следует принимать с учетом внутреннего температурного режима эксплуатации здания.

7. Выбор материала для утеплителя, клея и герметиков при проектировании ограждающих конструкций следует производить с учетом величин расчетных перепадов температуры между наружными и внутренними поверхностями ограждающих конструкций.

8. При технико-экономическим обосновании в конструкциях допускается применять алюминий в сочетании с другими строительными материалами (алюминий и дерево в оконных и дверных конструкциях, алюминий и полимеры в стеновых и кровельных конструкциях и др.). При этом необходимо учитывать различие в величинах модулей упругости и коэффициентов линейного расширения материалов, а также предусматривать мероприятия по защите алюминия от контактной коррозии.

9. В конструкциях сборно-разборных зданий алюминий следует применять в виде:

· ограждающих полносборных элементов для стен, кровли, перегородок, дверных и оконных проемов и др.;

· несущих элементов полной заводской готовности с монтажными соединениями на болтах и др.

10. При проектировании элементов ограждающих и несущих конструкций сборно-разборных зданий следует предусматривать их взаимозаменяемость. Монтажные узлы и стыки необходимо располагать в местах, исключающих скопление грязи, пыли, влаги и др.

11. При транспортировании следует предусматривать сохранность элементов сборно-разборных зданий и сооружений путем их пакетирования и перевозки в контейнерах.

12. Для защитно-декоративной отделки алюминиевых конструкций и изделий архитектурного назначения надлежит применять материалы, предусмотренные государственными стандартами и типовыми чертежами конструкций соответствующего вида.

13. Ограждающие конструкции следует проектировать совместно с разработкой необходимых приборов открывания, фиксации, а также других изделий и материалов.

14. При проектировании ограждающих алюминиевых конструкций необходимо обеспечить возможность легкой замены элементов, подверженных ускоренному старению, износу или ремонту (например, уплотнительных прокладок, стекла и др.).

15. Применение алюминия в ограждающих и несущих конструкциях зданий и сооружений допускается при специальном обосновании и на основании указаний ТП 101-81*.

16. Коррозионную стойкость алюминиевых конструкций производственных и сельскохозяйственных зданий и сооружений, подвергающихся воздействию агрессивных сред, следует обеспечивать путем выбора марки и состояния алюминия, назначения рациональных конструктивных форм и минимальных толщин в соответствии со СНиП 2.03.11-85. [СНиП 2.03.06-85]

4.2 Современные алюминиевые конструкции

Алюминиевые конструкции, как и любые металлоконструкции, появились достаточно давно. Но, тогда они отличались в основном сложностью в сборке, тяжестью, невысокой эстетической красотой и т.д. Сейчас от старых параметров производители ушли уже значительно далеко.

Современные алюминиевые конструкции обладают прекрасными характеристиками. Они легки, презентабельны и просты в применении, а главное доступны.

В настоящее время конструкции из алюминия используются достаточно часто и в большинстве сфер строительства. Но особенной популярности их применение достигло в такой области, как фасадное остекление.

4.2.1 Алюминиевые светопрозрачные конструкции

Алюминиевые светопрозрачные конструкции употребляются для изготовления алюминиевых окон и дверей, которые пользуются с каждым днем большим спросом у горожан, так и представителей фирм.

4.2.2 Алюминиевые двери

Трудно представить себе жилище без деревянных дверей. Однако им на смену пришли современные конструкции - алюминиевые двери. Одним из весомых их достоинств является их эстетический вид. Они смогут волшебно преобразить всякое помещение: красивые, стильные, которые удачно могут вписаться в любой интерьер. Если вы не хотите ставить алюминиевую дверь на входе в офис, то можно выполнить остекление входа. Алюминиевые двери очень популярны на Западе. Входные группы из алюминия могут прослужить вам до 80 лет. Это больше, чем может простоять обычная деревянная дверь. К тому же их производство проходит с применением экологически чистых материалов. Но самое главное - она не воспламеняется, легко может переносить переносить любые катаклизмы в природе, к тому же проста в уходе. Плюс, при поломке она легко чинится, ведь ее не нужно снимать даже с петель.

4.2.3 Алюминиевые окна

Как и алюминиевые двери, алюминиевые окна имеют массу преимуществ. Во-первых, у них большой срок эксплуатации, они прочны благодаря использованию в их производстве сплава алюминия, магния и кремния.



Во-вторых, такое остекление позволяет изолировать дом от внешних шумовых раздражителей и сделать его более теплым за счет теплого профиля. В-третьих, они экологичны, не выделяют токсины и не содержат в своем составе тяжелых металлов. алюминиевые раздвижные окна без проблем выдерживают температуру от -80 до +100 °C. Единственный минус - для их установки потребуется больше финансовых средств, но они, несомненно, со временем окупятся. Алюминиевые раздвижные конструкции используются для создания межкомнатных перегородок, что весьма жизненно необходимо как в офисе, так и дома.

4.2.4 Алюминиевые перегородки

Алюминиевые офисные перегородки - решение вечной проблемы нехватки свободного места. Они позволяют быстро из одного большого пространства произвести несколько. Поставить их можно быстро, даже в том случае, если нужно переоборудовать значительную площадь помещения для многих кабинетов.

4.2.5 Витражные конструкции

В современном строительстве очень часто используют витражи из алюминиевого профиля для декорирования. Витраж - это картина или узор из цветного стекла в окнах и дверях.

Обычно витражи выполняются как по индивидуальному заказу клиента, так и по готовым макетам. Дизайнеры воплощают в жизнь любое представление заказчика о том, как должно смотреться витражное остекление здания, либо дверного и оконного проема.

Архитектурный ансамбль любого города мира трудно представить себе без алюминиевых витражей и фасадов.

А витражное остекление в качестве декора украшает не только фасады в кафе, магазинов и ресторанов, но и фасады частных домов и загородных коттеджей.

Потому производство алюминиевых витражей сегодня набирает все большие обороты. Производство витражей включает в себя несколько фаз: разработка проекта, изготовление элементов декора и его установка.

4.2.6 Алюминиевый профиль: балконы и лоджии

Лучший способ увеличить площадь своего жилища, воспользоваться установкой алюминиевых конструкций. Например, остеклить балкон алюминием. Польза от этого немалая: балкон станет теплее, просторнее, светлее, а значит и уютней.

Остекление алюминием балкона производят не так давно. Однако эта услуга стала очень популярной. Ведь после остекления балкон или лоджию легко можно сделать соединить с соседней комнатой.

Такое остекление надежно защитит балкон от непогоды, причем, на долгие годы, ведь при его установке используется долговечный профиль povedal, который широко известен для строителей. К тому же установка безопасна, экологична и надежна.

4.2.7 Фасадные алюминиевые конструкции

Все чаще при возведении общественных зданий предпочтения отдаются фасадному остеклению. Факторов тому множество. Во-первых, это современный вид домов, во-вторых, вероятность воплощения дерзких архитектурных замыслов, в-третьих, большая скорость монтажа фасадов, и конечно, высокие теплофизические и шумоизоляционные характеристики.



Из установок при фасадном остеклении используются фасадная стоечно-ригельная система КП50. Она необходима при производстве продольных фасадов из алюминиевых изделий, полученных прокаткой, с термическим разрывом шириной 18 и 26 миллиметров.

Ширина лицевой части превосходно подчеркивает воздушность и прозрачность витражных конструкций. Комплект профильных стоек по длине в поперечнике конструкций колеблется от 48 до 172 миллиметров, что позволяет подбирать стойки с учетом ветра.

Сочетание декоративных крышек высотой разрешает разнообразить оформление фасада. Для заполнения светопрозрачных частей применяется прозрачное, тонированное стекло, триплекс, стеклопакеты однокамерные и двухкамерные. Непрозрачное заполнение выполняется из конструкций, состоящих из двух стальных листов, промежуток между которыми заполнен утеплителем длиной в поперечнике до 32 миллиметров. При возведении фасадов можно получить разнообразное комбинирование фасадных, дверных и оконных алюминиевых систем с целью достичь наибольшего комфорта.

Несомненным преимуществом алюминиевых фасадов является то, что они долговечны, прочны, не нуждаются в особом уходе. Сочетание современных профильных материалов, стекла разных оттенков, декоративных элементов позволяет превратить фасады зданий в настоящие архитектурные шедевры.

4.2.8 Мосты

Наиболее эффективные объекты использования АМК в мостостроении:

- Реконструкция мостов с железобетонным полотном, опирающимся на стальные балки (сталебетонные мосты), где при отсутствии возможности увеличения собственного веса перекрытия («мертвой» нагрузки) за счет использования алюминиевого полотна решается задача увеличения грузоподъемности моста и расширения его проезжей части.

- Сооружение или реконструкция мостов в труднодоступных районах, где ограничены возможности доставки материалов, конструкций и оборудования по весу или по срокам (ограничение сезона работ).

- Реконструкция мостов на загруженных трассах, где отсутствует возможность длительного ограничения или прерывания движения.

- Реконструкция исторических мостов, где необходимо увеличение грузоподъемности при сохранении внешнего вида.

- Сооружение мостов в местах исторической застройки, где необходимы наименьшие размеры, минимальное физическое и эстетическое воздействие на среду.

- Сооружение и реконструкция мостов во всех остальных случаях, где величина «мертвой» нагрузки является критичной. а) Разводные мосты из алюминиевых сплавов имеют то достоинство, что уменьшение веса их позволяет упростить и облегчить механическую часть, уменьшить противовесы, предложить принципиально новые схемы моста.

Особенностью конструктивной схемы алюминиевых разводных мостов является устройство сквозных главных ферм с целью обеспечения необходимой жесткости консолей.

В Саутгемптонской гавани построен выдвижной телескопический мост (фиг. 11). Появление такой оригинальной системы моста можно объяснить использованием легких сплавов как основного конструктивного материала моста.

Обоснованным является применение алюминиевых сплавов для пешеходных мостов небольших пролетов, где вертикальная жесткость может быть увеличена путем развития высоты фермы и за счет включения перил в расчетную схему в качестве верхнего пояса фермы (мост в Женеве - фиг. 13). В этом мосту удачно использованы две опоры для получения пятипролетной неразрезной фермы.

4.3 Преимущества современных алюминиевых конструкций

Преимущества алюминиевых конструкций от других металлических в том, что они имеют небольшой вес, что позволяет использовать их в зданиях любого типа. А их точные размеры позволяют употреблять их в любых помещениях, сочетая с различным интерьером. Что важно: современные алюминиевые конструкции отличаются высоким уровнем пожаробезопасности, что очень важно при эксплуатации здания. Добавим к этому прекрасный уровень звуко- и шумоизоляции, позволяющие устанавливать алюминиевые установк в различных типах зданий и помещений. Плюс, алюминий обладает высокой степенью пластичности, поэтому алюминиевые установки могут быть сложной формы и необычной конфигурации.

Выводы

В ходе данной работы были изучены отдельные виды современных алюминиевых конструкций.

Изучение данной темы послужило приобретению знаний в области развития и современных технологий в алюминиевых конструкциях. Тема, выбранная мной довольно многогранна, существуют аспекты не затронутые в исследовании, так как объять всю информацию о данных конструкциях довольно сложно. В данной работе рассмотрены основные сведения об алюминиевых конструкциях и о возможностях их дальнейшего развития.

Так же изучены свойства и особенности алюминиевых сплавов. Данная тема довольно емкая так технологии не стоят на месте, появляются новые конструкции и формы, а потому до совершенного развития алюминиевым конструкциям пока ещё далеко.

Список литературы

1. Локшин М.З.Горючесть алюминиевых конструкций: миф и реальность.СтройПРОФИль.-2006.-№7.-с.36-38

2. Строительные нормы и правила.СНиП 2.03.06-85: Алюминиевые конструкции

3. Попов С. А. Алюминиевые строительные конструкции: учеб.пособ. для строит. спец.вузов:Высш.шк.,1969. - 319 с. :ил. - 77к

4. http://www.aluminiumleader.com/, История применения алюминия в строительстве

5. http://vuz.exponenta.ru/PDF/book/alum/alumvs.html, Применение алюминиевых сплавов в строительстве

6. Артемьева И. Н.

Алюминиевые конструкции. Москва,Стройиздат-1967

7. http://www.aluminiumleader.com/, Алюминий в строительстве

8. http://topengineer.ru/typography/2011-03-12-17-01-21/-i, Алюминиевые конструкции, часть 1

Размещено на Allbest.ru