Алюминиевые конструкции

Алюминий-самый  распространненый металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7.45 % (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюминий как элемент открыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к  этому послужила разработка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, растворенного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного промышленного извлечения алюминия из глинозема во всех странах мира.

 По  внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый  белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой

матовой пленкой Al O . Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.

 Алюминий  достаточно легко разрушается растворами едких щелочей, соляной и серной кислот. В концетрированной азотной кислоте и органических кислотах он обладает высокой стойкостью.

 Наиболее  характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная  плотность, равная 2.7, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность. При 0 C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 37 1 ом.

 Коррозионная  стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем  меньше в нем примесей.

 Температура плавления алюминия невысокая, она  равна приблизительно 660 C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая-около 100 кал г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход тепла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у  которой температура плавления 1083 C, скрытая теплота плавления 43 кал г.

 Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая  прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость  НВ25, =80% и =35%.

 Кристаллическая решетка алюминия представляет собой  гранецентрированный куб, имеющий при 20 Cпараметр (размер стороны) 4.04 . Аллотропических превращений алюминий не имеет.

 В природе  аллюминий находится в виде алюминиевых  руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.

 Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно  проводимых этапов-сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него получают алюминий.

 Известные в  настоящее время методы получения  глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили щелочные методы.

 В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al O  + Na CO  = Al O Na O + CO  .

 Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит  в раствор.

 В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

 В обоих случаях  образование водного раствора алюмината  натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

 В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию-CaSiO уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Al O Na O + 3H O + CO  = 2Al(OH)  + Na CO  .

 Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:

2Al(OH)  = Al O  + 3H O .

 Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%.

 Получение металлического алюминия из глинозема заключается  в его электролитическом разложении на составные части-на алюминий и  кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF  3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C.

 Схема ээлектролиза глинозема достаточно проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии.

 В поду ванны  с хорошей теплоизоляцией  и  угольной набивкой  заложены катодные шины , соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине  присоединены электроды . Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электроды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя расплавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при 950-1000 C.

 Под действием  электрического тока глинозем разлагается  алюминий и кислород. Жидкий алюминий 6 скапливается на угольной подине (дно угольной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Глинозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш 8.

При электролизе  на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема,

0.6 т угольных  электродов, служащих анодами, 0.1 т  криолита и от

17000 до 18000 квт  ч электроэнергии.

 Полученный  при электролизе глинозема алюминий-сырец  содержит металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоянии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэтому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования  получают торговые сорта алюминия.

 Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации  алюминия.

 Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не растворяется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения FeAl  и Fe Al . С кремнием алюминий образует эвтектическую механическую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном количестве он образует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное химическое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность. 
 

Началом

истории применения алюминия в строительстве 

Началом истории  применения алюминия в строительстве можно считать установку алюминиевого карниза в 1896году на здании life Building и алюминиевой кровли на двух культовых храмах в Риме в 1897 и 1903гг. По данным на 1964-1969гг. кровля зданий находилась в хорошем состоянии.

Одним из первых интересных опытов применения силовых алюминиевых конструкций является опыт двух реконструкций(в 1933 и 1967гг.)проезжей части городского моста в Питтсбурге(США). Балки из швеллеров и лист проезжей части после реконструкции в 1933г. Эксплуатировались 34 г8ода. В 1967г. Они были заменены ортотропными плитами. Замена была предпринята в связи коррозией алюминия под воздействием противообледенительных солевых составов,особенно разрушивших его в местах опирания швеллеров проезжей части на стальные балки. Перила, выполненные в 1933г.,в 1967г. Находились в отличном состоянии и не заменялись.

В 50-е годы двадцатого столетия начали применять в строительстве сварку алюминия. Наибольшее распространение сварка получила при изготовлении листовых конструкций, резервуаров и цистерн для хранения сернистой нефти и других жидкостей и газов. Большой вклад в развитие сварных алюминиевых конструкций сделан Институтом электросварки им. Акад. Е. О. Патона АН УССР, в котором в 1953г. Разработана сварка алюминия и его сплавов по слою флюса полупогруженной дугой. Развита и усовершенствована предложенная в конце прошлого века русским ученым Н. Н. Бенардосом сварка в струе инертных газов и другие способы. В 1959г. Построены первые сварные резервуары на Волго-Донском комбинате синтетических жирозаменителей.

Первые цельноалюминиевые  конструкции,построенные в 40-е годы,как  правило, проектировались в виде плоских ферм, рам, балок и т.п. 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  для обеспечения жесткости и  устойчивости. При этом наблюдалось  неполное использование высокой прочности алюминиевых сплавов, так как сечения элементов часто подбирались по гибкости, а не по усилиям, действующим в стержнях.Требовалась частая развязка сжатых элементов связями.

Наличие больших  запасов алюминия в странах Европы и Амер ки,оставшихся не использованными на военные нужды второй мировой войны,послужило бурному строительству сооружений с алюминиевыми конструкциями и применению архитектурно- строительных деталей в послевоенные годы,развитию этой новой области в последующие десятилетия. Этому также способствовали коррозионная стойкость алюминия, возможность применения неокрашиваемых металлических конструкций, имеющих светлый тон со своеобразным блеском,создающим соответствующий эстетический эффект,простота и легкость монтажа благодаря малой массе конструкций.

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 алюминиевых нестандарных профилей и листовых фигурных деталей при небольших трудозатратах и на относительно несложных установках показало необходимость поиска новых, более эффективных в экономическом отношении конструктивных форм, соответствующих свойствам легкого металла.

Показательным сооружением в этом отношении  был выставочный павильон,построенный  в 1951г. В лондоне. Здание павильона покрыто пологим алюминиевым куполом диаметром 109 м. Пространственный каркас купола создан системой трехпоясных арочных ферм, расположенных в плане по трем направлениям так,что они образовали сетку с треугольными ячейками. В этом сооружении появилась 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 неортогогальные корытные профили. Для двух верхних поясов они имели несемметричное сечение,а для нижнего – моносимметричное. Распределение материала по полкам, стенкам, ребрам, бульбам профилей было задано так,что обеспечивалось бескосычное соединение раскосов с поясами на заклепках. Таким образом, с помощью прессованных профилей была достигнута простота сопряжения стержней в узлах трехпоясных пространственных ферм. Однако в конфигурации самих профилей отсутствовала оптимальность формы центрально сжатого стержня,которым, в идеале, должен бы быть каждый стержень этих ферм.

Первое сооружение, в котором покрытие было выполнено  в виде пространственной листовой конструкции,запроектировано  и построено в Советском Союзе  в 1951 – 1954гг. Оно представляет собой три прямоугольных в плане,отдельно стоящих параллельно друг другу здания пролетом 9,3 и 7,6 м. Каждое из них покрыто цилиндрическим складчатым сводом. Между собою здания соединены коридорами, которые также покрыты свокодами. Складчатая алюминиевая поверхность покрытия утеплена пенопластом,покрыта гидроизоляцией и окрашена. Алюминиевые своды изготавливались из листовых,вальцованных по радиусу профилей, которые соединялись междк собой заклепками, поставленными в холодном состоянии. Применением такой листовой рельефной конструкции достигалась чрезвычайная легкость.

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 61м покрыт Дворец спорта в Париже. Конструктивной новостью 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. Элементарной конструктивной ячейкой купола явилась ромбическая панель, согнутая по большой диагонали. Неизменяемость 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.

Однако несмотря на популярность и массовое применение этих куполов в их конструкции имеется недостаток. Речь идет о стыках панели между собой. Каждая панель купола по периметру присоединяется под углом на заклепках или болтах к соседней отбортованными внутрь покрытия ребрами. Как правило, материалами для плоскостных элементов таких куполов служат высокопластичные, хорошо поддающиеся гибке и штамповке, но малопрочные сплавы типа АМц, АМr2, ABM и т.п. В связи с большим коэффициентом линейного расширения алюминия в элементах складчатого купола с повышением температуры окружающей среды и от нагрева солнечными лучами возникают значительные температурные деформации. Вначале небольшие, с каждым циклом нагрева и охлаждения увеличивающиеся,эти деформации способствуют раскрытию стыков,образованию щелей в покрытии и нарушению эксплуатационного режима.

В порядке экспирементального проектирования в 1963г. Было разработано  алюминиевое  панельно- каркасное  рамное покрытие для прямоугольного в плане промышленного здания пролетом 72м. 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 были запроектированы  и испытаны аналогичные балочные конструкции пролетом 6 м,а в 1966г.при строительстве спортивного зала в качестве покрытия впервые были 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 1960-1964гг.институтом «Энергосетьпроект» и ЦНИИСКом им.Кучеренко  были проведены разработки и экспериментально- теоритические исследования профилей, узлов и каркасов опор линий электропередач. Результатом этих работ было проектирование и строительство ЛЭП. Кроме того, ЦНИИСК АСиА СССР и Теплопроект МЭС СССР выпустили в 1961г. «Инструкцию по расчету и проектированию опор ЛЭП из алюминиевых сплавов».

В это же время  в институте «Проектстальконструкция» было разработано несколько проектов алюминиевых сооружений для реального строительства. В числе их был 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 подражание и 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 1954-1966г. в Ленинградском  инженерно-строительном институте  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 1968г. в Ленинграде был сооружен первый в СССР опатный сварной городской пешеходный мост в виде пространственной двухшарнирной арки. Роль пешеходной части моста выполнил верхний пояс арки из листа шириной 2,75 м.

За последние  годы в Советском Союзе построены  здания, у которых покрытия и стеновое ограждение выполнены из лент рулонного  листа. Эффективность применения листа  в этих сооружениях, получаемая за счет малой массы конструкций и  повышения производительности труда при изготовлении и монтаже, снижается необходимостью устройства жесткого тяжелого контура, особенно в висячих листовых покрытиях, и большими, бьющими резко в глаза, не члененными ничем  плоскостями листовых ограждений из блестящего металла.

Начало семидесятых  годов ХХ столетия ознаменовалось строительством в СССР ряда алюминиевых покрытий. К их числу следует отнести  перекрытие большепролетного цеха в  Ленинграде,покрытия цеха некоторых  зданий в Куйбышеве, театра в Сочи и др.   
 

Классификация алюминиевых конструкций и архитектурно строительных деталей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                        Применение.

Несмотря на то что алюминий является одним из молодых строительных материалов,он нашел широкое и разнообразное применение в отечественном и зарубежном строительстве благодаря своим многогранным свойствам, а именно: высокой прочности;стабильности и даже повышению некоторых механических свойств при температурах эксплуатации ниже нуля; отсутствию порога хладноломкости; малой плотности, благодаря которой алюминиевые конструкции и архитектурно-строительные детали имеют небольшую массу; высокой пластичности, обеспечивающей сравнительно легкую обработку металла давлением, особенно в холодном состоянии; хорошей стойкости против коррозии; отсутствию искрообразования при ударе; антимагнитности; высокой сейсмостойкости; хорошему поглощению нейтронного излучения; бактерицидности.

Области применения алюминия следующие:

Пролетные строения автодорожнх, пешеходных,железнодорожных мостов, алюминиевые конструкции,разводных пролетов;

Покрытия общественных и промышленных зданий;

Каркасы общественных,промышленных зданий и сооружений,включая фермы,ригели,опоры,колонны;

Листовые конструкции  резервуаров для хранения жидкостей,газов и трубопроводы для их транспорта;

Подвижные конструкции  мостовых,стреловых,портальных и других кранов;дождевальных установок;кровельные и стеновые панели ограждение промышленных,общественных и жилых зданий;

Строительные  и архитектурные детали,каркасы  витражей,оконные переплеты,двери,жалюзи,садовые  и балконные решетки,парапеты,карнизы  и другие детали;

Сборно-разборные  конструкции домов,подмостей,опалубки,монтажные  приспособления,инвентарные оборудования и т.п.

Из алюминия возможно получение в заводских  условиях большего многообразия конструктивных и архитектурных форм полуфабрикатов,которые  изготовляются:

Прокатом на прокатных станах(листы);

Прессованием(профили);

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 отправочных марок с оптимальными в функциональном отношении формами конструкции или деталей.

           Алюминиевые витражи.

Алюминиевые витражи – это светопрозрачные  конструкции, выполненные из системных  алюминиевых профилей различных  конфигураций, а в качестве заполнения в них используется стекло или стеклопакеты. Конструктивные особенности профильных систем позволяют выполнить повороты витража – как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

Алюминий  применяется в ограждающих строительных конструкциях более 50 лет. Но у этого замечательного материала есть один большой недостаток: алюминий обладает довольно высокой теплопроводностью. В результате конструкции из него промерзают насквозь. На мировом рынке появилась новинка - профиль, состоящий из трех частей: двух алюминиевых профилей, между которыми располагается термоизолирующая вставка. Ее назначение - прерывать поток тепла, идущий по "сплошному" профилю изнутри помещения на улицу. Эта вставка называется терморазрывом или термомостом. Она словно разрывает алюминиевый профиль на две части - "теплую", обращенную в сторону помещения, и "холодную", обращенную в сторону улицы, но в то же время сохраняет всю конструкцию как единое целое. Это "целое" называют "теплым" профилем, поскольку коэффициент термического сопротивления у него намного выше. Для России с ее продолжительной зимой и низкими температурами при изготовлении многих видов светопрозрачных конструкций именно "теплые" профили подходят как нельзя лучше.

Поскольку "теплый" профиль состоит из трех частей (две алюминиевые + термомост), каждая из них изготавливается отдельно, а затем они объединяются. Алюминиевый профиль прессуют на мощных гидравлических прессах. Профиль для термовставки тоже прессуется. Для его изготовления, как правило, используется полиамид (или политермид), для повышения прочности армированный стекловолокном. Во-первых, у него такой же коэффициент линейного расширения, как у алюминия. Во-вторых, этот материал выдерживает высокие температуры (сушка окрашенных профилей происходит при температуре около 200°С). В-третьих, он прочен и долговечен.

Ширина термоизолирующей вставки колеблется от 18 до 100 мм, в зависимости от изготовителя и класса теплосбережения, к которому принадлежит профиль.

Готовые алюминиевые  и полиамидные части соединяются  по системе "паз - гребень" (пазы в алюминиевом профиле, гребни - в полиамидном). Затем эти соединения "закатываются" на специальном оборудовании (алюминий "обжимает" полиамид). 
 

Алюминиевые окна 

Основу конструкции  окон европейского качества составляет профиль из алюминиевого сплава. Благодаря современным технологиям, алюминиевые окна изготавливают практически любых форм и размеров, а возможность окраски рам и створок алюминиевых окон в неограниченное количество цветов, даёт возможность воплотить самые смелые дизайнерские решения. 

При производстве алюминиевых окон используется профиль  как российских, так и зарубежных производителей, определяющим является исключительно критерий качества. 

ЧТО ТАКОЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ  ОКНА 

Алюминиевые окна изготавливаются следующим образом. В их основе лежит алюминиевый профиль. Благодаря его использованию, имеется возможность изготавливать оконные конструкции практически любых форм и размеров. В комбинации с алюминиевым профилем применяются различные виды пластика. Используя различный алюминиевый профиль и многослойные стеклопакеты, можно создавать удобные и красивые окна, которые не только защищают помещение от пыли и грязи, но и позволяют снизить потерю тепла. 

Специальные технологии позволяют создавать алюминиевые  окна с дополнительными свойствами, например, противопожарные окна, которые позволяют блокировать распространение пожара и тем самым дать возможность эвакуироваться людям, а также спасти материальные ценности. Это достигается благодаря применению закаленного огнестойкого стекла и термостойких составов. 

КОНСТРУКЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ  ОКОН. 

Как уже говорилось выше, в основе алюминиевого окна лежит  алюминиевый профиль. Можно сказать, что он представляет собой своего рода «скелет» окна. Алюминиевый профиль  может быть «холодным» и «теплым». «Холодный» профиль — это обычный профиль, который не обладает дополнительными термоизолирующими свойствами. Такой профиль обычно используется, чтобы производить алюминиевые конструкции, которые не граничат непосредственно с окружающей средой, а также в тех случаях, когда по каким-либо причинам потеря тепла в помещении из-за использования «холодного» профиля не является принципиальной. «Теплый» алюминиевый профиль, наоборот, используется в тех случаях, когда изготовленные из него конструкции непосредственно соприкасаются с окружающей средой. Такой профиль комбинируется с различными веществами, обладающими термоизолирующими свойствами. Назначение «теплого» профиля — снижение потерь тепла, воспрепятствование утечке тепла из помещения.