Производство металлических каркасов

Основа любого строительного объекта, которое возводится с применением металлоконструкций – его каркас. Каркас относится к группе несущих конструкций, отвечающих за прочность и жёсткость здания. Поэтому при проектировании каркаса учитываются физико-механические возможности металла, условия эксплуатации, стойкость от неблагоприятных внешних факторов.

Основным металлом каркасов зданий является сталь, профили и марки которой принимаются в зависимости от назначения здания. Стальные конструкции относятся к экологически чистым, поскольку легко утилизируются.  

Каркасы зданий неответственного назначения изготавливают из сталей обычного качества, которые производятся согласно техническим требованиям  ГОСТ 380. Они должны хорошо свариваться, а потому не содержат много углерода (не более 0,25%). По фактическим значениям предела прочности на растяжение и изгиб стали обычного качества достаточно пластичны и хорошо сопротивляются трещинообразованию. Такие каркасы рекомендуется изготавливать для металлоконструкций, не подвергающихся воздействию химически агрессивных сред.

При более высоких требованиях к стойкости (в частности, определённого уровня усталостной прочности и ползучести) преимущество получают низкоуглеродистые качественные конструкционные стали, выплавляемые согласно нормам ГОСТ 1050. Стандарт гарантирует химический состав этих сталей, и, в частности, содержание таких элементов как азот, сера и фосфор, снижающих качество металла.

Каркасы из нержавеющих сталей ГОСТ 5632 применяют для возведения металлоконструкций, которые в процессе своей эксплуатации постоянно подвергаются воздействию химически агрессивных сред, повышенной влажности окружающей среды, комбинированному влиянию высоких и низких температур. Такие каркасы обойдутся заметно дороже, поэтому их применение должно быть экономически оправданным. 

Каркасы из других металлов – титана и его сплавов, алюминия и его сплавов – пока используются ограниченно, что связано с высокой стоимостью производства продукции.

В производстве каркасов используют широкую номенклатуру прокатных и гнутых профилей, а также прутки и трубы. Выбор зависит от условий, в которых будет эксплуатироваться каркас:

1. Неравнобокие и равнобокие прокатные уголки (ГОСТ 8510 и ГОСТ 8509 соответственно). Чаще используются как угловые элементы каркаса. При этом неравнополочные уголки эффективнее для рам с большей длиной.  Если существенным является требование исключить концентраторы напряжений в каркасе, то вместо прокатных профилей используют гнутые (ГОСТ 19771). Такие уголки - более трудоёмкие в производстве.

2. Швеллеры  прокатные (ГОСТ 8240) и гнутые (ГОСТ 8278) применяются в качестве соединительных элементов каркаса. Так же могут быть равнополочными и неравнополочными. Выбор технологии производства - такой же, как и для уголков.

3. Прутки (ГОСТ 2590) используют в виде связей, преимущественно для локального повышения жёсткости каркаса. Чаще применяется пруток круглого поперечного сечения, значительно реже – квадратного и шестиугольного. Применение прутков увеличивает массу каркаса, но его прочность при этом практически не изменяется.

4. Трубы. В сварных каркасах удобнее использовать квадратные (ГОСТ 8639) и прямоугольные (ГОСТ 8645) трубы, как цельнотянутые, так и электросварные. Водогазопроводные трубы при изготовлении каркасов используют редко, поскольку они характеризуются повышенной толщиной стенок, что увеличивает массу рамы в сборе.

Основными вариантами соединения отдельных частей составного каркаса являются сварка, соединение болтами/шпильками и клёпка.

Сварка используется для изготовления неразъёмных каркасов сложной конфигурации. В зависимости от условий производства применяют газовую или электрическую сварку, автоматическую, полуавтоматическую или ручную. Выбор технологии зависит от объёмов производства: при единичном выпуске рам распространена ручная газовая или электрическая сварка; с ростом серийности производства доля автоматизированных сварочных операций растёт.

Из соображений  безопасности при производстве каркасов крайне редко применяют сварку плавлением, трением или кузнечную сварку, поскольку условия и структура металла в переходной зоне могут неблагоприятно изменяться в случае колебаний температуры и влажности окружающего воздуха.

Болтовые и клёпаные соединения относятся к разъёмным. Их применение позволяет повысить технологическую гибкость каркаса, но приводит к росту трудоёмкости монтажных переходов. Прочность клёпаного соединения намного выше, чем резьбового, при этом затяжку болтов/шпилек приходится периодически контролировать.