Стальной каркас — это строительная техника с « скелетным каркасом» из вертикальных стальных колонн и горизонтальных двутавровых балок , сконструированных в прямоугольную сетку для поддержки этажей, крыши и стен здания, которые все прикреплены к каркасу. Развитие этой техники сделало возможным строительство небоскреба . [1] Стальной каркас вытеснил своего предшественника, железный каркас , в начале 20-го века. [2]
Прокатный стальной «профиль» или поперечное сечение стальных колонн имеет форму буквы «Ɪ». Две широкие полки колонны толще и шире, чем полки балки , чтобы лучше выдерживать сжимающее напряжение в конструкции. Также могут использоваться квадратные и круглые трубчатые секции стали, часто заполненные бетоном. Стальные балки соединяются с колоннами болтами и резьбовыми крепежами, а исторически соединялись заклепками . Центральная «стенка» стальной двутавровой балки часто шире, чем стенка колонны, чтобы противостоять более высоким изгибающим моментам, которые возникают в балках.
Широкие листы стального настила могут использоваться для покрытия верхней части стального каркаса в качестве «формы» или гофрированной формы под толстым слоем бетона и стальных арматурных стержней . Другой популярной альтернативой является пол из сборных бетонных блоков с некоторой формой бетонного покрытия. Часто в офисных зданиях окончательная поверхность пола обеспечивается некоторой формой системы приподнятого пола с пустотой между поверхностью для ходьбы и структурным полом, используемой для кабелей и воздуховодов.
Каркас необходимо защищать от огня, поскольку сталь размягчается при высокой температуре, и это может привести к частичному обрушению здания. В случае колонн это обычно делается путем заключения его в какую-либо огнестойкую конструкцию, такую как кладка, бетон или гипсокартон. Балки могут быть заключены в бетон, гипсокартон или покрыты напылением с покрытием, чтобы изолировать их от жара огня, или они могут быть защищены огнестойкой потолочной конструкцией. Асбест был популярным материалом для огнестойкости стальных конструкций вплоть до начала 1970-х годов, до того, как риски для здоровья от асбестовых волокон были полностью изучены.
Внешняя «кожа» здания крепится к каркасу с использованием различных строительных технологий и в соответствии с огромным разнообразием архитектурных стилей . Для покрытия каркаса с целью защиты стали от непогоды использовались кирпич , камень , железобетон , архитектурное стекло , листовой металл и просто краска . [3]
Холодногнутые стальные рамы также известны как легкие стальные каркасы (LSF).
Тонкие листы оцинкованной стали могут быть подвергнуты холодной формовке в стальные стойки для использования в качестве структурного или неструктурного строительного материала для внешних и перегородочных стен в жилых, коммерческих и промышленных строительных проектах (на фото). Размеры комнаты устанавливаются с помощью горизонтальной направляющей, которая крепится к полу и потолку, чтобы очертить каждую комнату. Вертикальные стойки располагаются в направляющих, обычно на расстоянии 16 дюймов (410 мм) друг от друга, и крепятся сверху и снизу.
Типичные профили, используемые в жилищном строительстве, — это С-образная стойка и U-образная направляющая, а также ряд других профилей. Элементы каркаса обычно производятся толщиной от 12 до 25 калибра . Тяжелые калибры, такие как 12 и 14 калибр, обычно используются, когда осевые нагрузки (параллельные длине элемента) высоки, например, в несущих конструкциях. Средне-тяжелые калибры, такие как 16 и 18 калибр, обычно используются, когда нет осевых нагрузок, но есть большие боковые нагрузки (перпендикулярные элементу), например, внешние стеновые стойки, которые должны выдерживать ветровые нагрузки ураганной силы вдоль побережья. Легкие калибры, такие как 25 калибр, обычно используются, когда нет осевых нагрузок и есть очень легкие боковые нагрузки, например, во внутреннем строительстве, где элементы служат каркасом для раздвижных стен между комнатами. Отделка стены крепится к двум фланцевым сторонам стойки, которая варьируется от 1+Толщина от 1 ⁄ 4 до 3 дюймов (от 32 до 76 мм), а ширина полотна колеблется от 1+5 ⁄ 8 до 14 дюймов (41 до 356 мм). Прямоугольные секции удаляются из полотна, чтобы обеспечить доступ для электропроводки.
Сталелитейные заводы производят оцинкованную листовую сталь, базовый материал для производства холодногнутых стальных профилей. Затем листовая сталь прокатывается в готовые профили, используемые для каркаса. Листы покрываются цинком (оцинковываются) для повышения защиты от окисления и коррозии . Стальной каркас обеспечивает превосходную гибкость конструкции благодаря высокому соотношению прочности к весу стали, что позволяет ему перекрывать большие расстояния, а также выдерживать ветровые и сейсмические нагрузки.
Стены со стальным каркасом могут быть спроектированы так, чтобы обеспечивать превосходные тепловые и акустические свойства – одним из особых соображений при строительстве с использованием холодногнутой стали является то, что через стеновую систему может возникнуть тепловой мост между внешней средой и внутренним кондиционируемым пространством. Тепловой мост можно защитить, установив слой внешней изоляции вдоль стального каркаса – обычно называемый «термическим разрывом».
Расстояние между стойками обычно составляет 16 дюймов по центру для внешних и внутренних стен дома в зависимости от проектных требований к нагрузке. В офисных помещениях расстояние составляет 24 дюйма (610 мм) по центру для всех стен, за исключением лифтовых и лестничных колодцев.
Горячеформованные рамы, также известные как горячекатаные стальные рамы, изготавливаются из стали, которая проходит сложный производственный процесс, известный как горячая прокатка. Во время этой процедуры стальные элементы нагреваются до температур выше температуры рекристаллизации стали (1700˚F). Этот процесс служит для улучшения структуры зерна стали и выравнивания ее кристаллической решетки. Затем она проходит через прецизионные ролики для достижения желаемых профилей рамы. [4]
Отличительной особенностью горячекатаных рам является их значительная толщина балки и большие размеры, что делает их более прочными по сравнению с их холоднокатаными аналогами. Эта внутренняя прочность делает их особенно подходящими для применения в более крупных конструкциях, поскольку они демонстрируют минимальную деформацию при воздействии значительных нагрузок.
Хотя верно, что горячекатаные стальные элементы часто имеют более высокую начальную стоимость за компонент по сравнению с холоднокатаной сталью, их экономическая эффективность становится все более очевидной при использовании в строительстве более крупных конструкций. Это связано с тем, что горячекатаные стальные каркасы требуют меньше компонентов для покрытия эквивалентных расстояний, что приводит к экономическим преимуществам в более крупных проектах.
Использование стали вместо железа для структурных целей изначально было медленным. Первое здание с железным каркасом, Ditherington Flax Mill , было построено в 1797 году, но только с развитием бессемеровского процесса в 1855 году производство стали стало достаточно эффективным, чтобы сталь стала широко используемым материалом. Дешевые стали, которые имели высокую прочность на растяжение и сжатие и хорошую пластичность, были доступны примерно с 1870 года, но кованый и литой чугун продолжали удовлетворять большую часть спроса на строительные изделия на основе железа, в основном из-за проблем производства стали из щелочных руд. Эти проблемы, вызванные главным образом присутствием фосфора, были решены Сиднеем Гилкристом Томасом в 1879 году.
Только в 1880 году началась эра строительства на основе надежной мягкой стали. К этому времени качество производимых сталей стало достаточно стабильным. [5]
Здание Home Insurance , завершенное в 1885 году, было первым, в котором использовалась каркасная конструкция, полностью устранив несущую функцию каменной облицовки. В этом случае железные колонны просто встроены в стены, и их несущая способность, по-видимому, вторична по отношению к способности каменной кладки, особенно при ветровых нагрузках. В Соединенных Штатах первым зданием со стальным каркасом было здание Rand McNally в Чикаго, возведенное в 1890 году.
Здание Королевской страховой компании в Ливерпуле, спроектированное Джеймсом Фрэнсисом Дойлом в 1895 году (возведено в 1896–1903 годах), стало первым зданием в Соединенном Королевстве, в котором использовался стальной каркас. [6]
