В книге даны сведения о физико-механических и технологических свойствах, способах упрочнения алюминия, технологии изготовления полуфабрикатов и строительных алюминиевых конструкций. Приведены рекомендации по компоновке общих схем конструкций, конструированию их элементов (профилей) и расчету как тонкостенных стержней, работающих в упругой области и области малых упругопластических деформаций. Представлены основные положения нормативных документов по применению и проектированию алюминиевых конструкций. Книга предназначена для проектировщиков, строителей и научных работников.

Предисловие
Введение

Глава I. Упрочненный алюминий — материал для строительства
§ 1. Структура и способы упрочнения алюминия. Легирование, термическая обработка, нагартовка
§ 2. Общая характеристика двойных и многокомпонентных сплавов. Физические, механические и технологические свойства
§ 3. Работа упрочненного алюминия под нагрузкой при растяжении и сжатии
§ 4. Поперечный изгиб балочных конструкций
§ 5. Продольный изгиб алюминиевых стержней
§ 6. Выносливость упрочненного алюминия при переменных нагрузках. Влияние температуры на его свойства
§ 7. Коррозия упрочненного алюминия

Глава II. Алюминиевые конструкции, архитектурно-строительные детали и их элементы
§ 8. Особенности применения алюминиевых конструкций в отечественном строительстве
§ 9. Об основах архитектурно-конструктивного проектирования сооружений из упрочненного алюминия
§ 10. Классификация алюминиевых конструкций и архитектурно-строительных деталей
§ 11. Классификация элементов алюминиевых конструкций
§ 12. Соединения элементов алюминиевых конструкций и их особенности

Глава III. Изготовление и монтаж алюминиевых конструкций и архитектурно-строительных деталей
§ 13. Особенности изготовления алюминиевых конструкций
§ 14. Технологические рекомендации и требования при конструировании гнутых профилей и деталей
§ 15. Технологические рекомендации по применению и конструированию штампованных листовых деталей
§ 16. Технологические рекомендации и требования при конструировании прессованных профилей и деталей
§ 17. Обработка полуфабрикатов и заготовок
§ 18. Сварка алюминия и его сплавов
§ 19. Клепка алюминиевых конструкций
§ 20. Допуски на отклонения размеров при изготовлении алюминиевых конструкций
§ 21. Защита алюминиевых конструкций от коррозии
§ 22. Перевозка и монтаж алюминиевых конструкций и деталей

Глава IV. Расчет алюминиевых конструкций
§ 23. Общие положения. Нагрузки общестроительных и мостовых конструкций
§ 24. Материалы и расчетные сопротивления для строительных и мостовых конструкций
§ 25. Расчет централно-сжатых и центрально-растянутых элементов
§ 26. Расчет изогнутых и сжато-изогнутых элементов
§ 27. Расчет элементов конструкций на выносливость. Проверка прочности конструкций из разных материалов при изменении температуры
§ 28. Расчет соединений алюминиевых конструкций    

Глава V. Листовые конструкции покрытий и ёмкостей
§ 29. Рельефно-монококовые листовые конструкции
§ 30. Листовые гладкие конструкции

Глава VI. Панельно-каркасные конструкции
§ 31. Общая характеристика панельно-каркасных конструкций и их основные узлы
§ 32. Покрытия и цельноалюминиевые здания
§ 33. Мостовые конструкции

Глава VII. Фермы, каркасы и другие стержневые конструкции
§ 34. Общая характеристика каркасов и других стержневых алюминиевых конструкций
§ 35. Типы профилей и основы их проектирования
§ 36. Работа алюминиевых профилей как тонкостенных стержней в упругой области деформаций
§ 37. Основы теории расчета алюминиевых стержней в области малых упругопластических деформаций
§ 38. Способ подсчета геометрических, статических и секториальных характеристик профилей, работающих при упругих деформациях
§ 39. Способ вычисления геометрических, статических и секториальных характеристик профилей как тонкостенных стержней, работающих в области малых упругопластических деформаций. Определение напряжений от нагрузок
§ 40. Проверка местной устойчивости стенок и полок стержней из прессованных профилей

Глава VIII. Конструкции ограждения, архитектурные и строительные детали зданий и сооружений
§ 41. Ограждающие конструкции зданий и сооружений. Архитектурно-строительные детали. Общая характеристика
§ 42. Стеновое и кровельное ограждение. Потолки
§ 43. Витражи, окна, двери, перегородки
§ 44. Ограждающие конструкции строительных сооружений

Глава IX. Эффективность применения алюминия в строительстве
§ 45. Факторы, определяющие эффективность применения алюминия в строительстве
§ 46. Экономическая оценка эффективности применения алюминия при проектировании, строительстве и эксплуатации объекта

Приложения
Список литературы

Введение

Несмотря на то, что алюминий является одним из самых новых строительных материалов, он нашел широкое применение в отечественном и зарубежном строительстве благодаря своим специфическим физическим, механическим и технологическим свойствам: высокой прочности, стабильности и даже повышению некоторых механических свойств при температурах эксплуатации ниже нуля; отсутствию порога хладноломкости; малой плотности, из-за чего алюминиевые конструкции и архитектурно- строительные детали имеют небольшую массу; высокой пластичности, обеспечивающей сравнительно легкую обработку металла давлением; хорошей стойкости против коррозии; отсутствию ценообразования при ударе; антимагнитности; высокой сейсмостойкости; хорошему поглощению нейтронного излучения; бактерицидности; хорошему внешнему виду.

Области применения алюминия следующие:

каркасы и покрытия общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий и сооружений, включая фермы, ригели, опоры, колонны, фонари;
листовые конструкции резервуаров, силосов для хранения зерна, жидкостей, газов и трубопроводы для их транспортировки;
пролетные строения автодорожных, пешеходных и железнодорожных мостов, алюминиевые конструкции разводных пролетов;
подвижные конструкции мостовых, стреловых, портальных и других кранов, дождевальных установок;
кровельные и стеновые панели ограждения промышленных, общественных и жилых зданий;
строительные и архитектурные детали фасадов и интерьеров, каркасы витражей, оконные переплеты, двери, жалюзи, садовые и балконные решетки, парапеты, карнизы и другие детали;
сборно-разборные конструкции домов, складов, подмостей, опалубки, монтажные приспособления, инвентарное оборудование и т. п.;
энергоактивные конструкции зданий, совмещающие функции теплоносителей и ограждения.

Из алюминия возможно получение в заводских условиях большого многообразия конструктивных и архитектурных форм полуфабрикатов, которые изготавливаются: прокатом на прокатных станах (листы и ленты); прессованием (профилей); холодной гибкой из листов и лент (профили); холодной штамповкой с вытяжкой конструктивного или архитектурного рельефа на поверхности листа (листовые детали панельного типа).

Благодаря такому многообразию технологии получения алюминиевых полуфабрикатов обеспечивается индустриальное изготовление конструкций и деталей с оптимальными в функциональном отношении формами.

Началом применения алюминия в строительстве можно считать установку алюминиевого карниза в 1896 г. на здании Life Building в Монреале и алюминиевой кровли на двух культовых зданиях в Риме в 1897 и 1903 гг. По данным на 1964—1969 гг., кровля зданий находилась в хорошем состоянии. Одним из первых интересных опытов применения силовых алюминиевых конструкций является реконструкция (в 1933 и 1967 гг.) проезжей части городского моста в Питтсбурге (США). В связи с увеличением транспортных нагрузок стальные элементы были заменены на более легкие, алюминиевые. Балки из швеллеров и лист проезжей части после реконструкции в 1933 г. эксплуатировались 34 года. В 1967 г. они были заменены ортотропными плитами в связи с коррозией алюминия под воздействием противообледенительных солевых составов, особенно разрушавших его в местах опирания швеллеров проезжей части на стальные балки. При этом перила, выполненные в 1933 г., находились в отличном состоянии и не заменялись.

Первые цельноалюминиевые конструкции, построенные в 40-е годы, как правило, проектировались в виде плоских ферм, рам, балок и тому подобных систем, аналогичных стальным конструкциям, что приводило к снижению массы алюминиевого сооружения в 1,7—2 раза по сравнению с массой стального варианта. Из-за низкого модуля упругости такие плоские системы проектировались с большой высотой конструкций и большими размерами сечений элементов. При этом наблюдалось неполное использование высокой прочности алюминиевых сплавов, так как сечения элементов часто подбирались из условий устойчивости, а все сооружение — из условий жёсткости, а не по прочности. Требовалась частая развязка элементов связями.

В связи со сравнительно высокой стоимостью алюминия при проектировании алюминиевых конструкций вначале стремились получить алюминиевые конструкции легче стальных во столько раз, во сколько плотность стали больше плотности алюминия, т. е. примерно в 2,8 раза. В дальнейшем выявление больших технологических возможностей пластического формообразования нестандартных профилей прессованием и листовых фигурных деталей холодной гибкой и штамповкой показало необходимость поиска новых эффективных в экономическом отношении форм, соответствующих свойствам легкого металла.

Показательным сооружением в этом отношении был выставочный павильон, построенный в 1951 г. в Лондоне. Здание павильона покрыто пологим алюминиевым куполом диаметром 109 м. Пространственная система каркаса купола создана трёхпоясными арочными фермами, расположенными по трем направлениям так, что они образовали сетку с треугольными ячейками. В этом сооружении проявилась характерная тенденция проектирования конструкций из алюминия: в основу пространственной регулярной системы была заложена элементарная ячейка — треугольник, являющийся первичной неизменяемой системой. В связи с этим в трехпоясных арочных фермах для поясов лондонского купола были применены неортогональные корытные профили. Распределение материала по полкам, стенкам, ребрам, бульбам профилей было задано так, что обеспечивалось бесфасоночное соединение раскосов с поясами на заклепках. Таким образом, с помощью прессованных профилей была достигнута простота сопряжения в узлах трехпоясных пространственных ферм. Однако в конфигурации самих профилей отсутствовала оптимальность формы центрально-сжатого стержня, которым в идеале должен быть каждый стержень этих ферм.

Поиски оптимальной по расходу металла формы алюминиевого покрытия выразились в создании серии куполов оригинальной конструкции, которые нашли впоследствии применение в объектах самого разнообразного назначения. Например, куполом диаметром 61 м покрыт Дворец спорта в Париже. Конструктивной новинкой такого купольного покрытия явилась его пространственная многогранная поверхность, которая была образована гнутыми из листа панелями ограждения. При этом отсутствовал привычный и обязательный для того времени поддерживающий ограждение стержневой каркас. Неизменяемость каждой панели обеспечивает легкая, но жесткая трубчатая распорка, соединяющая два противоположных угла панели и расположенная перпендикулярно сгибу. В результате совокупности гнутой панели с распоркой образовался жесткий элемент, имеющий в основе треугольник, благодаря чему была обеспечена неизменяемость и всего покрытия, а использование в работе ограждения дало необходимую в эксплуатации сооружения жесткость. Масса такого купола примерно в 19 раз меньше стального каркасного.

В процессе развития отечественных алюминиевых строительных конструкций следует отметить три периода. Первый период, начало которого можно отнести к довоенному времени и первым послевоенным годам, характеризуется применением отдельных, в основном сборных, легких конструкций, используемых для различных научных исследований. К ним следует отнести радиооборудование, мачты и жилые домики для станций «Северный полюс», каркас небольшого здания для альпинистов на Кавказе, пространственное покрытие лаборатории, мосты специального назначения. К этому периоду относятся первые исследования советских ученых в области алюминиевых мостов, кранов, различных строительных конструкций.

Для второго периода, с 1957 по 1969 гг., характерны интенсивное проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ, проектирование и строительство алюминиевых конструкций. Эти работы велись по координационному плану Госстроя СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР Героя Социалистического Труда Н.С. Стрелецкого. В данный период были подготовлены и изданы первые нормативные документы по проектированию и изготовлению алюминиевых конструкций. В 1960 г. Госстроем СССР утверждены рекомендации по применению алюминия в строительстве «Технические условия проектирования конструкций из алюминиевых сплавов. СН 113—60», подготовленные учеными ЦНИИСК С.В. Тарановским, A.X. Хахариным, Б.М. Броуде, Г.М. Чувикиным под руководством В.А. Балдина, а также сотрудниками ГПИ Проектстальконструкция М.Д. Гурари и Е.Э. Локшиным. После существенной переработки в 1964 г. вместо СН 113—60 подготовлены СНиП II-B.5—64 «Алюминиевые конструкции. Нормы проектирования». В 1968 г. выпущены первые Технические указания на проектирование алюминиевых конструкций временных железнодорожных мостов. ВСН 76—68 и Технические указания на изготовление алюминиевых мостовых конструкций. ВСН 152—68 (НИИ мостов, ЦНИИС, МИИТ).

К этому времени относится строительство многих уникальных сооружений из алюминия и с его применением. В 1959 г. построены алюминиевые сварные резервуары на Волгодонском комбинате синтетических жирозаменителей. Здесь были внедрены научные работы по технологии сварки алюминия, проводимые в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР с 1953 г. В 1963 г. построен клепаный автодорожный мост через р. Озерну (под Москвой) пролетом 32,4 м, запроектированный в ГПИ Гипроавтотранс. В это же время были созданы большепролетное покрытие экспериментального зала из трехпоясных арок пролетом 90 м с предварительно напряженными панелями и портальный кран грузоподъемностью 50 т, запроектированные в ГПИ Проектстальконструкция.

В порядке экспериментального проектирования в 1963 г. разработано алюминиевое панельно-каркасное рамное покрытие для прямоугольного в плане здания пролетом 72 м. Основным принципом, заложенным в конструкцию, было использование настила ограждения в качестве наружного пояса пространственной треугольной в сечении рамы. Экспериментальное проектирование показало преимущество конструкций с включенным в работу каркаса ограждением перед плоскими рамами, так как расход металла у пространственного варианта оказался значительно меньше, чем в случае обычных плоских конструкций.

Одновременно с этими разработками во Всесоюзном институте легких сплавов (ВИЛС) были запроектированы и испытаны аналогичные балочные конструкции пролетом 6 м, а в 1966 г. при строительстве спортивного зала в Москве в качестве покрытия впервые применены такие же сварные балочные фермы пролетом 18 м. Верхним поясом балочных ферм были трехслойная и двухслойная складчатые панели, обладающие необходимой прочностью и устойчивостью. В такой конструкции пояса предусматривалось включение в работу не только алюминия, но и утеплителя из пенополистирола. Обследование панельно-каркасных ферм после нескольких лет эксплуатации показало их вполне удовлетворительные прочностные и теплозащитные качества.

В 1960—1964 гг. институтом Энергосетьпроект и ЦНИИСК им. Кучеренко проведены разработки и экспериментально-теоретические исследования профилей, узлов и каркасов опор линий электропередачи. Результатом этих работ было проектирование и строительство опор ЛЭП. В это же время в институте Проектстальконструкция было разработано несколько проектов алюминиевых сооружений для реального строительства. В их числе — проект панели с двусторонней, заранее напряженной листовой облицовкой, благодаря чему лист ограждения включался в работу подкрепляющих его каркасов. Идея включения листа в работу силовых элементов путем его предварительного напряжения нашла широкое развитие в дальнейших работах ВИЛСа и ЦНИИСКа при постройке зданий, у которых покрытие выполнено как панельно-каркасная балочная конструкция с заранее напряженным ограждением.

С 1954 по 1966 гг. в ЛИСИ проведены научные работы по исследованию материалов, соединений, технологии сварки и разработке формы профилей и конструкций в связи с перспективами применения сварки в алюминиевых строительных и крановых конструкциях. В результате этих работ в 1968 г. в Ленинграде был сооружен первый в СССР опытный сварной городской мост в виде пространственной двухшарнирной арки. Роль пешеходной части моста выполнил верхний пояс арки из листа шириной 2,75 м.

В 70-е годы в Советском Союзе построены здания, у которых покрытие и стеновое ограждение выполнены из лент и рулонного листа. К этому времени следует отнести строительство покрытий цеха и некоторых производственных зданий в Куйбышеве, театра в Сочи и др.

Следует отметить, что в начальные периоды развития алюминиевых конструкций все конструкции были индивидуальной проектировки, опытными и изготовлялись на неспециализированных заводах, в мастерских или цехах заводов авиационной и судостроительной промышленности. В конструкциях применялись специальные профили, проектирование которых было затруднено, так как отсутствовала методика их формообразования и расчета. Все это приводило к значительному завышению стоимости сооружений из алюминия и сыграло некоторую негативную роль в дальнейшем их распространении.

Однако опыт внедрения этих конструкций показал исключительно высокие эксплуатационные качества алюминия. Все конструкции, как правило, до сих пор эксплуатируются. За редким исключением они не требуют ни окраски, ни ремонта, а большие затраты на их строительство уже окупились.

Начало третьего периода развития алюминиевых конструкций в СССР, т. е. создания и освоения отечественной индустрией алюминиевых конструкций, относится к 1969—1970 гг., когда вышло постановление правительства о строительстве заводов строительных алюминиевых конструкций. При Минмонтажспецстрое СССР был организован проектно-конструкторский и технологический институт Гипроспецлегконструкция, в котором началась разработка проектной документации типовых профилей, деталей и конструкций, изготовляемых на заводах алюминиевых конструкций. В 1975—1980 гг. выпущены каталоги изделий для ограждающих конструкций общественных, жилых и промышленных зданий. В КиевЗНИИЭПе ведется работа по стандартизации элементов и деталей.

В настоящее время ведущие проектные и научно-исследовательские институты широко применяют алюминий как в уникальных сооружениях, так и в типовых объектах гражданского и промышленного строительства.