Сравнение эффективности строительных стальных и алюминиевых сплавов при различных условиях эксплуатации

В России применение металлических конструкций в строительстве в качестве несущих и самонесущих конструкций имеет довольно широкое распространение.

В первую очередь это конструкции, выполненные из прокатных и сварных профилей различных марок конструкционных углеродистых сталей, появление которых в нашей стране можно отнести к 40-м годам XIX века.

Первые же конструкции из алюминиевых сплавов, не смотря на дороговизну, были применены в начале XX века. Решающее значение применению данных сплавов в строительных конструкциях дали исследования профессора В. И. Трофимова, проводимые с 1957 года. Именно с середины 60-х годов XX века в СССР появилась проблема эффективности применения стальных и алюминиевых сплавов [1].

Металлоконструкции из алюминиевых сплавов имеют как преимущества, так и недостатки. Для дальнейшего сравнения приняты характеристики алюминиевого термически упрочняемого сплава АД31Т1 и стали конструкционной углеродистой Ст3сп, как наиболее распространенные в строительной отрасли, сравнительная таблица приведена в приложении 1.

Главным преимуществом алюминиевых сплавов можно назвать малый собственный вес (в 2,9 раз меньше чем у стали), относительно прочностных характеристик (отличающихся примерно в 2 раза). Для характеристики прочности строительных материалов с учетом собственного веса принято отношение предела прочности R к удельному весу γ [2]. Это отношение измеряется высотой столба постоянного сечения (C), в основании которого напряжения от собственного веса равны пределу прочности при сжатии:

(1)

Хотя алюминиевые сплавы по сравнению со сталью имеют высоту столба постоянного сечения в 1,5 раза большую, чем у сталей, для эквивалентного сравнения эксплуатационных качеств необходимо учитывать увеличенный расход материала для алюминиевых конструкций, чтобы обеспечить местную и общую устойчивость сжатых стержней. Изгибаемые элементы должны удовлетворять, в том числе и условиям жесткости, что требует высоких показателей по модулю упругости E материалов. Данная характеристика у стали в 3 раза выше, в сравнении с алюминиевыми сплавами.

Вышеприведенные показатели означают, что стальные конструкции эффективнее алюминиевых, кроме случаев, когда собственная масса конструкции составляет большую часть нагрузки.

Важным фактором, влияющим на несущую способность конструкций при динамическом воздействии на них, можно назвать логарифмический декремент затухания колебаний. Данный параметр у алюминиевых сплавов в 2,5 раза выше, чем у сталей, что позволяет рационально использовать его в конструкциях подверженных сейсмическим воздействиям.

Алюминиевые сплавы также имеют высокую стойкость против коррозии, за счет образования тонкой пленки окисла алюминия, в отличие от стали. Это свойство алюминиевых сплавов позволяет не только применять их в условиях воздействия химически агрессивных сред без устройства специального защитного покрытия, но и широко применять замкнутые в сечении профили. Применение же конструкций из стали замкнутого сечения довольно ограниченно в связи с тем, что необходимо обеспечивать герметизацию самой конструкции [3].

На работу конструкций в условиях низких отрицательных температур оказывает свойство материалов изменяться в объеме в связи с изменением температуры. Коэффициент линейного температурного расширения стали в 2 раза меньше алюминиевых сплавов, что позволяет выполнять из стальных конструкций более крупные температурные блоки. Однако, у стали в условиях низких и крайне низких температур значительно быстрее по отношению к алюминиевым сплавам снижается пластичность, предел прочности и ударная вязкость, что затрудняет эксплуатацию стальных конструкций и элементов при температурах ниже -40°C.

В последнее время все больше уделяется внимания пожарной безопасности [4]. Несмотря на высокую температуру плавления стали, превышающую аналогичный показатель у сплавов из алюминия на 800°, опыт обследования и испытания конструкций показал лучшую способность алюминиевых конструкций сохранять несущую способность и целостность конструкции [5]. Данные факты объясняются удельной теплоемкостью данных материалов, отличающихся в 2 раза.

Твердость алюминиевых сплавов в 1,6 раз меньше, чем стали, что значительно упрощает обработку материала, а также, учитывая малую массу, позволяет снизить энергоемкость на стадии изготовления, транспортировки и монтажа конструкций.

Вывод: несмотря на то, что стоимость алюминиевых сплавов за единицу массы в 5-8 раз превышает стоимость сплавов из стали, сплавы из алюминия являются конкурентоспособными, при использовании в несущих и самонесущих конструкциях зданий и сооружений, эксплуатируемых в условиях крайнего севера, в условиях сейсмической активности или при воздействии других динамических нагрузок, с высокими требованиями к коррозионной защите, огнестойкости, огнеупорности или долговечности, а также для конструкций с большими пролетами.