RU
RU

История возникновения и развития технологии стальных тонкостенных каркасов ( light gauge steel framing ) ЛСТК в США

01.12.2020

Несмотря на то, что многие считают ЛСТК новым продуктом в мире конструкций, на самом деле он уже использовался в северной Америке более 100 лет назад. Использование холоднокатаной стали в конструкциях зданий началось одновременно в США и Англии в 1850-е года. Использование было по большей части экспериментальным, и только иногда в немногих базовых конструкциях. Во время Золотой Лихорадки, которая началась в 1849, кровельщик из Нью-Йорка изобрел транспортабельные железные дома.

 

Реклама в те времена гласила, что все части такого дома собираются как конструктор. Согласно рекламе, “Дома размером 6*4.5 (метра) могут быть собраны меньше чем за день, дешевле, чем деревянные, огнеупорные и более комфортабельные, чем палатки. Изобретатель занимался металлическими крышами, именно поэтому много компонентов этого «железного дома» была как раз холоднокатаная сталь. В 1920-е и 30-е использование ЛСТК как конструкционного материала было все еще ограничено, поскольку не существовало адекватных стандартов дизайна и информации о нормах использования ЛСТК в строительстве.

photo3

В 1933 в Чикаго на всемирной выставке «Столетие прогресса» представили «Дом будущего», который полностью состоял из стали. Ответственным за разработку этого дома стал Ховард Т. Фишер, основой, для которой стали его эксперименты со сталью для вагонов и остальных промышленных отраслей.

Согласно апрельскому выпуску 1933 года американского журнала «Fortune Magazine», Фишер привлек компанию Пульман и сказал, “Вы имеете больше всего опыта со сборными металлическими зданиями, чем кто-либо. Помогите нам узнать, как строить дома без колёс ”. Он сделал также и с остальными компаниями, которые занимались строительными конструкциями. В середине 1932 он разработал план и основал General House, Inc. Журнал New York Times сказал “Так же как Генри Форд открыл неизведанный рынок для продажи автомобилей, General Houses надеются открыть неизведанный рынок домов, который предлагает первоклассное жильё в рассрочку за 30$ в месяц. Такие дома будет возможно менять на новые улучшенные модели. Их можно будет ставить или демонтировать за 4 дня”. Согласно каталогу 1936 года General Homes заявили, “Наш стенд на выставке «Столетие прогресса» в 1933 году посетили около двух миллионов людей на протяжении пяти месяцев”. К сожалению, каталог давал только несколько деталей о конструкционных системах, которые были использованы. Несмотря на низкие цены, хорошие условия сделки и популярность на Чикагской выставке, компания закрылась во время начала Второй мировой войны.

Также во время Чикагской мировой выставки, Armco Steel Corporation представили первую металлическую кровельную панель со стоячим фальцем. Во время и после Второй мировой войны индустрия металлических зданий и катки стали начала дифференцироваться, распространяться и развиваться. В то время как обрамление нашло применение в сборных домах, металлические здания использовали кровлю, сайдинг и листовой прокат для строительства складских зданий, Quonset huts, бараков, ангаров и остальных зданий которые требуют сжатые сроки возведения, легкий вес и прочную конструкцию.

В 1940-х, Lustron Homes построили и продали почти 2500 домов из ЛСТК, где из стали были сделаны не только конструкции, а и отделка, кабинеты и мебель. Изобретатель панельных домов, Карл Страндлунд, изначально планировал изготавливать керамогранитные эмалевые панели, покрытые холоднокатаной сталью для внешней облицовки на сервисных станциях. В 1945, все еще были ограничения на использование стали в связи с прошедшей войной, поэтому Страндлунд поехал в Вашингтон с просьбой получить снятие ограничений. Он не добился того, зачем приехал, но увидел, что власти заинтересованы в предоставлении привлекательного, постоянного и доступного жилья для солдат, которые возвращались с Второй мировой войны. Страндлунд планировал строить такие дома на конвейере, используя стальные панели для обрамления, облицовки и даже черепицы. Он разработал собственный бизнес-план и начал принимать заказы уже в 1946. В 1947 он запросил и получил федеральные займы на сумму, превышающую 33 миллиона долларов. Он взял в аренду самолетный ангар у армии США в Коламбусе и начал производить сборные дома. Не смотря на то, что было принято более 20 000 заказов между 1946 и 1948, только 2 498 домов были доставлены и собраны, и компания, в конце концов, объявила себя банкротом.

Несмотря на то, что вся эта работа велась на рынке жилых домов, предпринимались попытки коммерческого и промышленного применения холоднокатаного стального каркаса, хотя уже без такого маркетинга. Одним из примеров является баптистский госпиталь в городе Линчберг, штат Виргиния. Несущие стены были возведены из каменной кладки, но каркас пола был выполнен из двойных стыковочных каналов с выступами из холоднокатаной стали. Балки на рисунках обозначались символом «][», на 19 дюймов по центру и перекрытие металлической дорожкой, поддерживающей цементную заливку. Каждый канал был изготовлен из 0.073-дюймовой прочной стали, 8 дюймов в глубину, 2.25 в ширину и 0.5-дюймовой кромкой жесткости. По словам Чака Грина, балки должны выдерживать нагрузку пролета и выдерживать стандартные нагрузки, основанных на актуальных в то время методах анализа. Грин разработал реставрацию конструкций в 2006 и сказал, что на то время большая часть конструкций все ещё работает хорошо и имеет продолжительный срок службы. Исследование, которое проводилось в то время подтвердило, балки которым 80 лет все еще выдерживают все нагрузки.

   Хотя требования и нормы к горячекатаной стали были установлены к 1930-м годам, положений относительно холоднокатаной стали там еще не было. Ключевые различия между горячекатаной и холоднокатаной сталью делают нецелесообразным применение горячекатаных изделий к холодногнутым. Во-первых, холодная формовка материала позволила получить формы, которые значительно отличались от традиционных двутавровых балок и незакрепленных каналов: холодногнутые стальные профили имеют одну толщину в поперечном разрезе, отсутствие конических фланцев и внутренний и внешний радиус изгиба по углам. Во-вторых, структурные свойства элементов имеют большие отличия. Из-за тонкой формы стальные элементы, которые были подвергнуты холодной штамповке, в некоторых конфигурациях вызывают локальное коробление с небольшой нагрузкой. Но после этого начального продольного изгиба элементы могут продолжать принимать все больше и больше нагрузки, прежде чем они выйдут из строя.

Американский институт стали и сплавов (AISI), который был основан в 1855 как Американская ассоциация сплавов, увидели потребность в установлении стандартов холоднокатаной стали в проектировании. В феврале 1939 комитет по строительным нормам AISI проспонсировали исследовательский проект в Корнельском университете, что бы с помощью изученной информации установить стандарты использования холодногнутой стали. Джордж Уинтер, часто называемый «Отцом холоднокатаной стали», возглавил исследование в Корнеле и продолжил изучать холодногнутую сталь аж до выхода на пенсию в 1975. Первые 4 исследования для AISI, опубликованные Уинтером в 1940, 1943, 1944 и 1946 годах были основой для первого издания стандартов AISI о спецификациях для проектирования легких стальных конструктивных элементов.

Первая спецификация состояла из шести частей: общие положения, методика расчетов, допустимые расчетные напряжения, соединения, конструкция опорных стоек и испытания. Применимость ограничивалась «стальным листом или полосой толщиной менее 3/16 дюйма». Предел текучести стали находился в диапазоне от 25 ksi до 33 ksi, а основной материал, разрешенный для формирования профилей, ограничивался продуктами, указанными в спецификациях ASTM A245 и A246. В сравнении с сегодняшними спецификациями информации было недостаточно, но начало было положено. Дизайнеры и проектанты сейчас имеют стандарты, по которым возможно определять подходящий материал, а изготовитель разработать таблицы материалов и свойств по стандартным методам. Однако индустрии предстояло пройти долгий путь: информация касательно соединений ограничивалась сварными швами, а данные о конструкционных частях с отверстием в стене или фланце отсутствовали. Базовая расчетная нагрузка была основана на коэффициенте 1.85, относительно высоким по сравнению с коэффициентом 1.65, опубликованным американским институтом стальных конструкций в ту же эпоху. В версии 1960 года стандартов AISI коэффициент стрессоустойчивости был понижен от 1.85 до 1.65, что бы соответствовать остальным стандартам.

Одновременно с тем как холоднокатаная сталь набирала популярность как конструкционный материал, гипсокартон использовали все больше и больше. Запатентованный в 1894 году Огастином Сакеттом оригинальный гипсокартон был хрупким, грубым, горючим и не имел гладкого слоя для отделки. Однако, за следующие 50 лет была проделана большая работа: шерстяную фетровую бумагу заменили на обычную бумагу, добавление воздушных пор, что бы облегчить продукт и сделать его менее хрупким, а также была разработана технология «type X» которая обеспечивает огнеупорность. С 1955 года половина новых домов в США была построена с использованием гипсокартона, а остальная половина на реечной основе гипсокартона и штукатурки. Смотря на коммерческий рынок в те времена, гипсовая ассоциация и ее компании-участники провели ряд тестов и опубликовали в 1931 году руководство по огнестойкости. Было изложено желание разрабатывать негорючие системы, что бы избежать катастроф в многоэтажных зданиях, таких как пожар в отеле «Уинеркофф» в 1946 году, где погибло 119 человек. В те времена использовались несущие перегородки из кирпичной кладки, но их возведение требовало большое количество труда и воды, а строительный раствор оставлял повсюду грязные следы. Поскольку кирпичную кладку можно было оштукатурить напрямую, это существенно снижало спрос на гипсокартон. Гипсовые компании были озадачены разработкой негорючей основы, которая могла бы повысить продажи их продукта, и стальной каркас оказался подходящим решением. Некоторые из первых стенок были сделаны из незакрепленных каналов с металлическими планками, привязанными проволокой к фланцам. Однако не было простого способа прикрепить гипсокартон к стойкам.

Американская компания разработала nailable system «Trussteel». Она рекламировалась как “Оригинальные открытые конструкции для возведения пустотелых огнестойких перегородок… изготовленные из холоднотянутой проволоки. Стальные катанки с пределом прочности на растяжение – допустимая прочность составляет 90 000 фунтов на квадратный дюйм. Выше, чем у горячекатаных листов, из которых изготовлены штампованные металлические и прилегающие стойки”.

Первоначальная конструкция заключалась в установке гвоздей между двойными проволоками, образующими «пояс» Trussteel. Однако монтажникам было сложно установить гвозди в нужном месте так, что бы они попали между проводами, и было принято решение установить двойные стойки на стыках панелей. В конечном итоге вместо гвоздей стали использовать зажимы для облицовочной штукатурки, но при отделке гипсокартона мешали фланцы зажимов.

Гипсовые и стальные были способны найти “серебряную пулю” для огнестойких перегородок – саморез. Он был сделан из закаленной стали, конец имел прокалывающую форму, такие можно было использовать для тонких стальных элементов, а для более толстых элементов применяли свёрла. Параллельная разработка саморезов и инструментов для их закручивания в 1950-х годах открыла широкие возможности для стальных каркасов на коммерческом рынке. Компании по производству стальных конструкций начали открываться по всей Северной Америке.

В течении 1960-х годов область применения перегородок была расширена до новых систем, таких как внешнее обрамление из кирпичного шпона и конструкций которые были специально разработаны для огнестойких гипсовых перегородок в конфигурации которая может быть построена с одной стороны.

Это позволяло возводить стены вокруг лестничных башен и лифтовых шахт без строительных лесов и использования растворов. Первая такая система, запатентованная компанией USG, была впервые реализована во Всемирном торговом центре в Нью-Йорке.

По мере набирания оборотов рынка, для архитекторов и инженеров стало сложнее классифицировать стандартный продукт. Большинство компаний предлагали элементы каркаса, которые имели аналогичные свойства и были сделаны по одинаковым стандартам ASTM. Но небольшие различности в конфигурациях привели к различиям в прочности и жесткости, что создало неразбериху на рынке. В течении 1990-х годов возникло 2 организации которые пытались обеспечить более высокий уровень стандартизации. На Восточном побережье Национальная ассоциация производителей архитектурного металла (NAAMM) создала Ассоциацию металлических реек и стальных конструкций. На Западном побережье под руководством Нила Питерсона была основана Ассоциация производителей металлических стоек (MSMA). MSMA разработала единый каталог с таблицами нагрузки и диапазона, который соответствовал всем членам ассоциации.

 

Это облегчило работу проектантам и дизайнерам. В 2000 году эти две организации объединились в Ассоциацию производителей стальных стоек (SSMA). С 2001 года SSMA выпускает таблицы нагрузок, основанные на стандартной номенклатуре продуктов и стандартизированной толщиной и размерами. Также в середине 90-х некоторые производители Западного побережья осознали, что много инженеров не понимают тонкостей или методик проектирования AISI. Что бы помочь предоставить руководство по проектированию, технической информации в доступном для инженеров формате, в 1994 была создана Ассоциация инженеров легкой стали (LGSEA) которая располагалась в области залива Сан-Франциско. На старте в нее входило 14 участников, но за 10 лет организация выросла до более 800 участников. В 2005 организация стала частью Альянса стальных конструкций, и в октябре 2006 года было анонсировано новое имя: Институт инженеров холодногнутой стали (CFSEI). Эта группа все еще исполняет начальную миссию LGSEA: донести информацию инженерам и проектантам для безопасного и эффективного проекта с конструкциями из холодногнутой стали.

Разработка стандартов AISI не останавливается до сих пор. С 1946 года по 2006было выпущено девять новых версий с обновленной и добавленной информацией. В конце 1990-х AISI осознали, что, хотя спецификация была очень исчерпывающей и охватывала проектную информацию для всех типов холодногнутых стальных конструкций, необходимы специальные положения для более узких требований производства стальных каркасов. В 1998 году AISI сформировала новый комитет, Комитет по стандартам на каркасные конструкции (COFS) для разработки стандартов, специфичных для стальных каркасов, используемых при строительстве легких каркасов. За 8 лет COFS успешно разработали шесть стандартов, которые были приняты в строительные нормы и правила.

Будущее стальных каркасов выглядит многообещающим. COFS работают что бы разработать стандарты непосредственно для Северной Америки, с применимостью в США, Канаде и Мексике. Разработаны таблицы информации о продуктах с нагрузками, что бы помочь инженерам продолжить определять стандартные продукты. В то же время, разрабатываются новые продукты: системы каркасов и стенных панелей, мобильные профилировочные машины, системы балок и стоек с усиленными отверстиями, штампованные элементы, энергоэффективные стойки и коробочные секции. CFSEI разработали инструкции по разработке для каждого из стандартов COFS, деталей CAD, технические заметки и онлайн-курсы по проектированию каркасов. Программисты разработали программы, которые используют положения и стандарты, что бы предоставлять быстрое и точное информационное моделирование всего строения, включающее стальные элементы каркаса и проектирование системы. Новые технологии, стандарты и возможности для обучения делают проектирование из стали проще, чем когда-либо.

 

Вверх