Стальной каркас — это строительная техника с «каркасом» из вертикальных стальных колонн и горизонтальных двутавровых балок, построенных в виде прямоугольной сетки для поддержки полов, крыши и стен здания, которые все прикреплены к рама. Развитие этой техники сделало возможным строительство небоскреба. Стальная рама вытеснила своего предшественника, железную раму, в начале 20 века.
Концепция
Прокатный стальной «профиль» или поперечное сечение стальных колонн имеет форму буквы «I«. Две широкие полки колонны толще и шире, чем полки балки, чтобы лучше выдерживать сжимающие напряжения в конструкции. Также можно использовать квадратные и круглые стальные трубчатые секции, часто заполненные бетоном. Стальные балки соединены с колоннами болтами и резьбовыми креплениями и исторически соединены заклепками. Центральная «перепонка» стальной двутавровой балки часто шире, чем стенка колонны, чтобы противостоять более высоким изгибающим моментам, возникающим в балках.
Широкие листы стального настила можно использовать для покрытия верхней части стальной рамы в виде «формы» или гофрированной формы под толстым слоем бетона и стальных арматурных стержней. Другая популярная альтернатива — пол из сборных железобетонных перекрытий с бетонным покрытием той или иной формы. Часто в офисных зданиях конечная поверхность пола представляет собой какую-либо систему фальшпола, при этом пустота между поверхностью для ходьбы и конструкционным полом используется 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 для изоляции 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 техник 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.
Холодногнутые стальные рамы
Стальные рамы холодной штамповки также известны как легкие стальные рамы (LSF).
Тонкие листы оцинкованной стали можно холодным формовать в стальные стойки для использования в качестве конструкционного или ненесущего строительного материала как для наружных, так и для перегородок как в жилых, коммерческих, так и в промышленных строительных проектах (на фото). Размер комнаты определяется горизонтальной направляющей, прикрепленной к полу и потолку, чтобы очертить каждую комнату. Вертикальные стойки расположены на направляющих, обычно на расстоянии 16 дюймов (410 мм) друг от друга, и закрепляются сверху и снизу.
Типичными профилями, используемыми в жилищном строительстве, являются стойки C-образной формы и U-образные направляющие, а также множество других профилей. Элементы каркаса обычно производятся толщиной от 12 до 25 мм. Толстые калибры, такие как 12 и 14, обычно используются, когда осевые нагрузки (параллельные длине элемента) высоки, например, в несущих конструкциях. Средне-тяжелые калибры, такие как калибр 16 и 18, обычно используются, когда нет осевых нагрузок, но есть тяжелые боковые нагрузки (перпендикулярно элементу), такие как стойки наружных стен, которые должны противостоять ветровым нагрузкам ураганной силы вдоль побережья. Легкие калибры, такие как калибр 25, обычно используются там, где нет осевых нагрузок и очень легких боковых нагрузок, например, во внутреннем строительстве, где элементы служат каркасом для разрушения стен между комнатами. Отделка стены прикреплена к двум сторонам фланца стойки, что варьируется от
1+1⁄4 толщиной до 3 дюймов (от 32 до 76 мм), а ширина полотна варьируется от 1+ От 5⁄8 до 14 дюймов (от 41 до 356 мм). Прямоугольные участки удаляются из полотна, чтобы обеспечить доступ к электропроводке.
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 обеспечить превосходные тепловые и акустические свойства. Одним из особых соображений при строительстве с использованием холодногнутой стали является то, что в системе стен между внешней средой и внутренним кондиционируемым пространством могут возникать тепловые мосты. От образования тепловых мостов можно защититься путем установки слоя внешней изоляции вдоль стального каркаса, обычно называемого «тепловым разрывом».
Расстояние между стойками обычно составляет 16 дюймов по центру для наружных и внутренних стен дома, в зависимости от расчетных требований к нагрузке. В офисных помещениях расстояние составляет 24 дюйма (610 мм) по центру всех стен, за исключением лифтовых и лестничных проемов.
Стальные рамы горячей штамповки
Горячеформованные рамы, также известные как горячекатаные стальные рамы, изготавливаются из стали, прошедшей 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.
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 это правда, что горячекатаные стальные элементы часто имеют более высокую первоначальную стоимость компонента 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 рамы требуют меньшего количества компонентов для перекрытия эквивалентных расстояний, что приводит к экономическим преимуществам в более крупных проектах.
История
Использование стали вместо железа в конструкционных целях поначалу шло медленно. Первое здание с железным каркасом, Ditherington Flax Mill, было построено в 1797 году, но только после разработки 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 чугун продолжал удовлетворять большую часть спроса на строительную продукцию на основе железа, главным образом из-за проблем с производством стали из щелочных руд. Эти проблемы, вызванные главным образом присутствием фосфора, были решены Сиднеем Гилкристом Томасом в 1879 году.
Лишь в 1880 году началась эра строительства, основанного на надежной мягкой стали. К этому времени качество производимой стали стало достаточно стабильным.
Здание страхования жилья, построенное в 1885 году, было первым, в котором использовалась каркасная конструкция, полностью устранившая несущую функцию его каменной облицовки. В этом случае железные колонны просто встроены в стены, и их несущая способность оказывается второстепенной по сравнению с несущей способностью кладки, особенно по отношению к ветровым нагрузкам. В Соединенных Штатах первым зданием со стальным каркасом было здание Рэнда МакНелли в Чикаго, построенное в 1890 году.
Здание Королевского страхования в Ливерпуле, спроектированное Джеймсом Фрэнсисом Дойлом в 1895 году (построенное в 1896–1903 годах), было первым зданием в Соединенном Королевстве, в котором использовался стальной каркас.
