Цветные металлы и их сплавы

Цветные металлы и их сплавы применяются широко в строительной промышленности, в частности для изготовления проката в виде профилей: уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечений. 

Для получения строительных изделий высоких технических свойств все шире стали применять металлические сплавы цветных металлов. Цветные сплавы на основе меди и благородных металлов — золота и серебра — в своем прошлом находили довольно широкое применение в отделочной технике. Использование же их в технических целях ограничивалось стоимостью.

За последние годы в строительстве широко применяют новые металлические материалы — алюминиевые, титановые и магниевые сплавы, высокопрочные стали с пределом прочности до 3000 МПа. Применяемые в строительстве алюминиевые сплавы, приближаясь по прочности к основным маркам строительных сталей, имеют небольшую плотность (2,7; 2,9 т/м³) и высокую стойкость против коррозии.

Читай также изделия из алюминия

Алюминиевые сплавы широко используют для изготовления проката в виде профилей: уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечений. Большое количество алюминиевых сплавов расходуется на изготовление заклепок, болтов. Изделия из алюминиевых сплавов отличаются простотой технологии изготовления, хорошим внешним видом, сейсмостойкостью, хладостойкостью, огнестойкостью, антимагнитностью и долговечностью, что позволяет им успешно конкурировать со сталью и другими строительными материалами.

Алюминий в «чистом» виде обладает многими высокими техническими свойствами: хорошей сопротивляемостью коррозионным воздействиям среды, высокой электропроводностью, пластичен, что позволяет легко изготовлять из него детали самого разнообразного и весьма сложного профиля. Недостатком алюминия является незначительная прочность — всего 70… 100 МПа, что не позволяет его использовать для несущих строительных конструкций. Однако алюминий резко повышает свои механические показатели при добавке к нему других металлов—меди,марганца, магния (табл. 1).

Таблица-1.Механические свойства алюминиевых сплавов, применяемых в строительных конструкциях

В настоящее время расширяется сфера применения алюминиевых конструкций и полуфабрикатов путем создания новых конструктивно-облицовочных материалов с разнообразными защитно-декоративными полимерными, лакокрасочными, эмалевыми и электротехническими покрытиями. Алюминиевые конструкции широко внедряются в гражданское, промышленное и сельскохозяйственное строительство.

Читай далее общие сведения о металлах и сплавах

В многоэтажных общественных, административных и промышленных зданиях с высотой этажа до 5 м и шагом колонн каркаса 6 м применяют стеновые панели П-1А размером 1880×162×4125 мм. Каркас панели состоит из двух рам, соединенных болтами через текстолитовые прокладки. Рама заполняется двумя слоями асбестоцементных листов с внутренним утепляющим слоем.

На одной стороне наклеен алюминиевый лист (пароизоляция). Наружную декоративную вставку изготовляют из шпунтовых профилей или штампованного листа. Остекление панели производят стеклопакетами. Панель П-1А имеет массу 400 кг.
Для устройства внутренних перегородок, отвечающих повышенным архитектурно-строительным требованиям, применяют предварительно напряженную панель ПП-1 алюминиевых сплавов с декоративным покрытием из павинола (рис. 1).

Рисунок-1. Предварительно напряженная панель ПП-1 из алюминиевых сплавов с декоративным покрытием из павинола для внутренних перегородок

В основу конструкции положено использование в качестве обшивок тонких алюминиевых листов толщиной 0,5…0,8 мм, жесткость и устойчивость которых обеспечиваются за счет предварительного натяжения. Панель включает продольно-поперечный каркас из прессованных швеллеров и уголков, соединеных аргонодуговой сваркой, к которому заклепками крепятся натянутые листы. Между листами располагают звукоизолирующий слой минеральной ваты.

Рисунок-2. Панель покрытия с предварительно напряженными обшивками из рулонных алюминиевых листов

На лицевую поверхность обшивки наносят декоративное покрытие из павинола или других пленочных материалов самых различных свойств, рисунка и текстуры. Панели производят размером 3500 × 750 × 62 мм, массой 35 кг. Для покрытий отапливаемых производственных общественных и гражданских зданий применяют панели покрытия с предварительно напряженными обшивками из рулонных алюминиевых листов.

Панель (рис. 2) состоит из двух ферм, соединенных между собой по верхнему и нижнему поясам поперечинами, по которым располагаются обшивки. Нижний напрягаемый лист включается в работу растянутого пояса и одновременно выполняет функции подвесного потолка, а верхняя обшивка работает совместно с верхним сжатым поясом, являясь одновременно гидроизолирующим слоем.

Предварительное натяжение обшивок позволяет резко увеличить жесткость панели, снизить расход алюминия и повысить надежность конструкции. Панель позволяет перекрывать пролеты до 30 м и более непосредственно «от стены до стены» здания без устройства несущих элементов шатра. Панели выпускают размером 30 000 × 3000 ×  1750 мм, массой 2000 кг, расход алюминиевых сплавов на 1 м² панели составляет 12 кг.

Сплавы металлов

 

Сплавы на основе меди. В чистом виде медь практически не находит применения в строительстве, используют ее в виде латуни и бронзы. Латунь — это сплав меди с цинком (до 40%), а бронза — сплав меди с оловом или каким-либо другим металлом, кроме цинка. Наиболее распространены оловянистые бронзы, содержащие 10…20% олова; применяют также алюминиевые, марганцовистые, свинцовистые и другие виды бронз.

Латуни и бронзы обладают многими очень важными для техники свойствами — достаточно прочны (до 300…600 МПа), могут быть получены высокой твердости (НВ 200…250), обладают хорошими антифрикционными свойствами, благодаря чему они широко используются в подшипниках, имеют высокую коррозионную стойкость. Однако по экономическим причинам сплавы на основе меди в строительстве применяют лишь для изготовления санитарно-технической аппаратуры (кранов, вентилей), в отдельных случаях — для отделочных и декоративных целей. Основное же использование латунь и бронза находят в машино- и приборостроении.

Сплавы на основе олова и свинца с добавкой меди, сурьмы называют баббитами и широко применяют для подшипников. Баббиты сравнительно дороги, и по этой причине их стремятся заменять другими, более дешевыми антифрикционными материалами: серыми чугунами, сплавами на основе алюминия, металлокерамическими сплавами. Последние получают путем сплавления сильно спрессованных тонко измельченных минеральных порошков (графита, кремнезема) с порошком металла (медью, железом, висмутом, молибденом).

Цинк и свинец значительно шире применяют в строительстве. Цинк в основном используют для кровельных покрытий, карнизов и водосточных труб, свинец — для футеровки кислотостойких устройств химических аппаратов, для особых видов гидроизоляции, для зачеканки швов и стыков элементов строительных конструкций, например швов между тюбингами в туннелях метрополитена.

Магний, титан и их сплавы благодаря их низкой плотности и высоким механическим свойствам применяют в основном в самолетостроении и для специальных целей. Так, при плотности магниевых сплавов около 2000 кг/м³ (это самый легкий материал) твердость сплава достигает НВ 60…70, а прочность на разрыв — 250…300 МПа. Магниевые сплавы получают, добавляя к магнию алюминий, марганец, цинк. Титанистые сплавы обладают очень высокой жаростойкостью, твердостью до 350 и прочностью до 1500 МПа. Эти сплавы получают путем добавки к титану хрома, алюминия, ванадия.

 

Технико-экономическое обоснование применения металлических конструкций

 

В отличие от многих строительных материалов, применяемых исключительно в строительстве, металлы используют практически во всех отраслях народного хозяйства. Это выдвигает на первое место вопросы оценки экономической эффективности их первоочередного использования. С развитием сборного железобетона в СССР большая часть конструкций, выполнявшихся ранее из металла, изготовляется из железобетона. Это позволяет добиться экономии металла в строительстве.

Институтом экономики строительства Госстроя СССР с участием ЦНИИпромзданий, НИИЖБа и других выявлены области первоочередного применения стальных конструкций в зданиях и сооружениях в перспективе.
Для определения эффективности каркасов рассматривались здания размером: 144×144м с подвесными кран-балкамигрузоподъемностью 3 т, бесфонарные с сеткой колонн 12×18 м,высотой до низа ферм 7,2 м; 144×144 м с кранами 20 т, бесфонарные с сеткой колонн 12X24 м, высотой до низа ферм 12,6 м; 150× 144 м с кранами 50 т, бесфонарные, с сеткой колонн 12×30 м, высотой до низа ферм 16,2 м.

При сопоставлении учитывался комплекс конструкций, включающий колонны, фермы, подкрановые балки, фонари, связи, конструкции покрытий (без кровли), крановые рельсы и крепления. В результате анализа выявилось, что стоимость зданий со стальными каркасами и железобетонными плитами покрытий на 10… 12% ниже стоимости зданий с железобетонными каркасами. При этом сроки возведения стальных каркасов в 1,5…2 раза меньше, чем железобетонных, а расход стали выше, чем у железобетонных каркасов, на 30…40% (при применении в стальных каркасах стали марок СтЗ и 15ГС).

Масса конструкций в зданиях с железобетонными каркасами и плитами покрытий больше, чем при применении стальных каркасов и легких ограждающих конструкций. По сумме приведенных затрат стальные конструкции каркасов на 8… 10% эффективнее железобетонных.
Сборные железобетонные колонны в большинстве случаев экономичнее стальных как по расходу стали (в 2,5…5,5 раза), так и по стоимости и приведенным затратам (до 30%).

Однако в крупных зданиях с покрытиями по стальным фермам при шаге железобетонных колонн 12 м применение последних экономически менее эффективно, чем стальных, так как требует устройства дополнительных поперечных и продольных температурных швов, установки дополнительных колонн, ферм и связей. Расстояние между температурными швами при железобетонных колоннах не превышает 72…144 м, а при стальных колоннах здания размером до 240×240 м и могут быть без температурных швов.

Применение стальных ферм наиболее эффективно при шаге ферм 6м и пролете 24…36 м. При шаге ферм 12 м, пролете 18…30 м и нагрузке 4500…5500 Па железобетонные цельные фермы покрытий со скатной кровлей экономичнее стальных по приведенным затратам на 3…11%. Таким образом, степень экономической эффективности ферм всецело зависит от величины пролета и нагрузки.

Весьма целесообразно применение стальных подкрановых балок. При кранах грузоподъемностью 10…30т и пролетах 6… 12 м железобетонные подкрановые балки дороже стальных в 1,2…2,5 раза, а приведенные затраты выше в 1,3…2,8 раза. Стальные опоры и эстакады под трубопроводы в 1,3…2,2 раза дешевле железобетонных. Железобетонные резервуары емкостью 5…10 тыс. м3 целесообразно применять для мазута и агрессивной нефти, а стальные — для малоагрессивной нефти и бензина.

Напорные водоводы из стальных труб в настоящее время дешевле, чем железобетонные и чугунные. Стоимость сталежелезобетонных пролетных строений мостов с пролетами более 33 мм и на 20…30% ниже, чем сборных железобетонных.Применение сборных железобетонных опор линий электропередач напряжением 35…330 кВ вместо стальных позволяет в 1,5…2 раза снизить расход стали и на 15…20% приведенные затраты.

В различных конструкциях в зависимости от местных условий, фактора цен и т. д. эффективность взаимозаменяемых материалов проявляется по-разному.Расчеты показывают, что в тех случаях, когда строительство ведется в труднодоступных районах, стальные конструкции оказываются, как правило, эффективнее железобетонных. При наличии сред агрессивных и повышенной влажности во многих случаях более целесообразно использовать железобетон. Экономичность металлических конструкций определяется их конструктивной формой, индустриальностью, степенью совершенствования монтажа зданий и сооружений.

Отечественная и зарубежная практика строительства свидетельствует об экономической целесообразности более широкого использования легких алюминиевых сплавов в различных строительных конструкциях. Интересно, что около 1/5 всего вырабатываемого в мире алюминия сегодня используется для нужд строительства. За последние годы объем применения алюминия и его сплавов в строительстве значительно возрос.

Алюминиевые сплавы желательно использовать в ряде несущих и ограждающих конструкций, для заполнения оконных проемов и устройства витражей, при сооружении мостов, емкостей для хранения различных материалов и продуктов, для отражательной теплоизоляции. Эффективность применения алюминиевых сплавов в строительстве также зависит от района его использования.