Задавайте питання в Instagram Задавайте питання в Telegram Задавайте питання в Viber
UA
UA

Історія виникнення і розвитку технології сталевих тонкостінних каркасів ЛСТК (light gauge steel framing) в США

01.12.2020

Незважаючи на те, що багато хто вважає ЛСТК новим продуктом у світі конструкцій, насправді він використовувався в Північній Америці понад 100 років тому. Використання холоднокатаної сталі в конструкціях будівель почалося одночасно в США та Англії у 1850-ті роки. Використання було здебільшого експериментальним, і лише іноді у небагатьох базових конструкціях. Під час Золотої Лихоманки, що розпочалася у 1849, покрівельник із Нью-Йорка винайшов транспортабельні залізні будинки.

Реклама в ті часи говорила, що всі частини такого будинку збираються як конструктор. Згідно з рекламою, «Будинки розміром 6х4.5 (метри) можуть бути зібрані менше ніж за день, дешевше, ніж дерев'яні, вогнетривкі та комфортабельніші, ніж намети». Винахідник займався металевими дахами, саме тому багато компонентів цього «залізного будинку» були з холоднокатаної сталі. У 1920-ті і 30-ті використання ЛСТК як конструкційного матеріалу було все ще обмежене, оскільки не існувало адекватних стандартів дизайну та інформації про норми використання ЛСТК у будівництві.

photo3

У 1933 році в Чикаго на всесвітній виставці «Століття прогресу» представили «Будинок майбутнього», який повністю складався зі сталі. Відповідальним за розробку цього будинку став Ховард Т. Фішер, основою для якого стали його експерименти зі сталлю для вагонів та інших промислових галузей.

Згідно з квітневим випуском 1933 року американського журналу «Fortune Magazine», Фішер залучив компанію Пульман і сказав: «Ви маєте найбільший досвід зі збірними металевими будинками, ніж будь-хто. Допоможіть нам дізнатися, як будувати будинки без коліс». Він зробив також і з рештою компаній, які займалися будівельними конструкціями. У середині 1932 року він розробив план і заснував General House, Inc. Журнал New York Times сказав «Так само як Генрі Форд відкрив незвіданий ринок для продажу автомобілів, General Houses сподіваються відкрити незвіданий ринок будинків, який пропонує першокласне житло в розстрочку за $30 на місяць. Такі будинки можна буде змінювати на нові покращені моделі. Їх можна буде ставити чи демонтувати за 4 дні». Згідно з каталогом 1936 року General Homes заявили, «Наш стенд на виставці «Століття прогресу» в 1933 році відвідали близько двох мільйонів людей протягом п'яти місяців». На жаль, каталог давав лише кілька деталей щодо конструкційних систем, що були використані. Незважаючи на низькі ціни, хороші умови угоди та популярність на виставці Чикаго, компанія закрилася під час початку Другої світової війни.

Також під час світової виставки у Чикаго, Armco Steel Corporation представили першу металеву покрівельну панель зі стоячим фальцем.

Під час і після Другої світової війни індустрія металевих будівель і катки сталі почали диференціюватися, поширюватися і розвиватися. У той час як обрамлення знайшло застосування у збірних будинках, металеві будівлі використовували покрівлю, сайдинг та листовий прокат для будівництва складських будівель, Quonset huts, бараків, ангарів та інших будівель, що мають стислі терміни для зведення, легку вагу та міцну конструкцію.

У 1940-х, Lustron Homes збудували та продали майже 2500 будинків із ЛСТК, де зі сталі були зроблені не тільки конструкції, а й оздоблення, кабінети та меблі. Винахідник панельних будинків Карл Страндлунд спочатку планував виготовляти керамогранітні емалеві панелі, покриті холоднокатаною сталлю для зовнішнього облицювання на сервісних станціях. У 1945 році все ще були обмеження на використання сталі у зв'язку з минулою війною, тому Страндлунд поїхав до Вашингтона з проханням отримати зняття обмежень. Він не домігся того, навіщо приїхав, але побачив, що влада зацікавлена ​​у наданні привабливого, постійного та доступного житла для солдатів, які поверталися з Другої світової війни. Страндлунд планував будувати такі будинки на конвеєрі, використовуючи сталеві панелі для обрамлення, в якості облицювання та навіть черепиці. Він розробив власний бізнес-план і почав приймати замовлення вже в 1946 році. У 1947 році він запросив і отримав федеральні позики на суму, що перевищує 33 мільйони доларів. Він узяв в оренду літаковий ангар в армії США в Коламбусі і почав виготовляти збірні будинки. Незважаючи на те, що було прийнято більше 20 000 замовлень між 1946 і 1948, тільки 2498 будинків були доставлені і зібрані, і компанія, зрештою, оголосила себе банкрутом.

Незважаючи на те, що вся ця робота велася на ринку житлових будинків, робилися спроби комерційного та промислового застосування холоднокатаного сталевого каркасу, хоча вже без такого маркетингу. Одним із прикладів є баптистський госпіталь у місті Лінчберг, штат Віргінія. Несучі стіни були зведені з кам'яної кладки, але каркас підлоги був виконаний з подвійних каналів стикувань з виступами з холоднокатаної сталі. Балки на малюнках позначалися символом «][», на 19 дюймів по центру та перекриття металевою доріжкою, що підтримує цементну заливку. Кожен канал був виготовлений з 0.073-дюймової міцної сталі, 8 дюймів у глибину, 2.25 завширшки та 0.5-дюймової кромкою жорсткості. За словами Чака Гріна, балки повинні витримувати навантаження прольоту та витримувати стандартні навантаження, що ґрунтуються на актуальних на той час методах аналізу. Грін розробив реставрацію конструкцій у 2006 і сказав, що на той час більша частина конструкцій все ще працює добре та має тривалий термін служби. Дослідження, яке проводилося тоді підтвердило, балки яким 80 років все ще витримують усі навантаження.

Хоча вимоги та норми до гарячекатаної сталі були встановлені до 1930-х років, положень щодо холоднокатаної сталі там ще не було. Ключові відмінності між гарячекатаною та холоднокатаною сталлю роблять недоцільним застосування гарячекатаних виробів до холодногнутих. По-перше, холодне формування матеріалу дозволило отримати форми, які значно відрізнялися від традиційних двотаврових балок і незакріплених каналів: холодногнуті сталеві профілі мають одну товщину в поперечному розрізі, відсутність конічних фланців і внутрішній і зовнішній радіус вигину по кутах. По-друге, структурні властивості елементів мають великі відмінності. Через тонку форму сталеві елементи, які були піддані холодному штампуванню, в деяких конфігураціях викликають локальне викривлення з невеликим навантаженням. Але після цього початкового поздовжнього згинання елементи можуть продовжувати приймати все більше і більше навантаження, перш ніж вони вийдуть з ладу.

Американський інститут сталі та сплавів (AISI), який був заснований у 1855 році як Американська асоціація сплавів, побачили потребу у встановленні стандартів холоднокатаної сталі у проєтуванні. У лютому 1939 року комітет з будівельних норм AISI проспонсував дослідницький проєкт у Корнельському університеті, щоб за допомогою вивченої інформації встановити стандарти використання холодногнутої сталі. Джордж Уінтер, часто званий «батьком холоднокатаної сталі», очолив дослідження в Корнелі і продовжив вивчати холодногнуту сталь аж до виходу на пенсію в 1975 році. Перші чотири дослідження, для AISI, опубліковані Уінтером у 1940, 1943, 1944 та 1946 роках, були основою для першого видання стандартів AISI про специфікації для проєктування легких сталевих конструктивних елементів.

Перша специфікація складалася з шести частин: загальні положення, методика розрахунків, допустимі розрахункові напруги, з'єднання, конструкція опорних стійок та випробування. Застосовність обмежувалася «сталевим листом або смугою товщиною менше 3/16 дюйма». Межа плинності сталі знаходилася в діапазоні від 25 до 33 ksi, а основний матеріал, дозволений для формування профілів, обмежувався продуктами, зазначеними в специфікаціях ASTM A245 і A246. Порівняно з сьогоднішніми специфікаціями інформації було недостатньо, але початок був покладений. Дизайнери та проєктанти зараз мають стандарти, за якими можна визначати відповідний матеріал, а виробник розробити таблиці матеріалів та властивостей за стандартними методами. Однак індустрія мала пройти довгий шлях: інформація щодо з'єднань обмежувалася зварними швами, а дані про конструкційні частини з отвором у стіні або фланці були відсутні. Базова розрахункова схема навантаження була заснована на коефіцієнті 1.85, відносно високим, порівняно з коефіцієнтом 1.65, опублікованим американським інститутом сталевих конструкцій в ту ж епоху. У версії 1960 року стандартів AISI коефіцієнт стресостійкості був знижений від 1.85 до 1.65, щоб відповідати іншим стандартам.

Водночас холоднокатана сталь набирала популярності як конструкційний матеріал, гіпсокартон використовували все більше і більше. Запатентований у 1894 році Огастіном Сакеттом оригінальний гіпсокартон був крихким, грубим, пальним і не мав гладкого шару для обробки. Однак, за наступні 50 років була виконана велика робота: вовняний фетровий папір замінили на звичайний папір, додавання повітряних пір, щоб полегшити продукт і зробити його менш крихким, а також була розроблена технологія «type X» яка забезпечує вогнетривкість. З 1955 року половина нових будинків у США була побудована з використанням гіпсокартону, а решта половини на рейковій основі гіпсокартону та штукатурки. Дивлячись на комерційний ринок у ті часи, гіпсова асоціація та її компанії-учасники провели низку тестів та опублікували керівництво з вогнестійкості. Було викладено бажання розробляти негорючі системи, щоб уникнути катастроф у багатоповерхових будинках, таких як пожежа в готелі «Уінеркофф» у 1946 році, де загинуло 119 людей. У ті часи використовувалися перегородки з цегляної кладки, але їх зведення вимагало велику кількість праці та води, а будівельний розчин залишав всюди брудні сліди. Оскільки цегляну кладку можна було оштукатурити безпосередньо, це значно знижувало попит на гіпсокартон. Гіпсові компанії були спантеличені розробкою негорючої основи, яка могла б підвищити продаж їх продукту, і сталевий каркас виявився відповідним рішенням. Деякі з перших стінок були виготовлені з незакріплених каналів з металевими планками, прив'язаними дротом до фланців. Однак не було простого способу прикріпити гіпсокартон до стояків.

Американська компанія розробила nailable system «Trussteel». Вона рекламувалася як «Оригінальні відкриті конструкції для зведення порожнистих вогнестійких перегородок… виготовлені з холоднотягненого дроту. Сталеві катанки з межею міцності на розтяг - допустима міцність складає 90 000 фунтів на квадратний дюйм. Вище, ніж у гарячекатаних листів, з яких виготовлені штамповані металеві та прилеглі стійки».

Початкова конструкція полягала у встановленні цвяхів між подвійними дротиками, що утворюють «пояс» Trussteel. Однак монтажникам було складно встановити цвяхи в потрібному місці так, щоб вони потрапили між проводами, і було вирішено встановити подвійні стійки на стиках панелей. Зрештою замість цвяхів стали використовувати затискачі для облицювальної штукатурки, але при обробці гіпсокартону заважали фланці затискачів.

Гіпсові та сталеві компанії були здатні знайти «срібну кулю» для вогнестійких перегородок — саморіз. Він був зроблений із загартованої сталі, кінець мав форму, що проколює, такі саморізи можна було використовувати для тонких сталевих елементів, а для більш товстих елементів застосовували свердла. Паралельна розробка шурупів та інструментів для їх закручування у 1950-х роках відкрила широкі можливості для сталевих каркасів на комерційному ринку. Компанії з виробництва сталевих конструкцій почали відкриватись по всій Північній Америці.

Протягом 1960-х років область застосування перегородок була розширена до нових систем, таких як зовнішнє обрамлення з цегляного шпону та конструкцій, які були спеціально розроблені для вогнестійких гіпсових перегородок у конфігурації, яка може бути побудована з одного боку.

Це дозволяло зводити стіни навколо сходових веж та ліфтових шахт без будівельних риштувань та використання розчинів. Перша така система, запатентована USG, була вперше реалізована у Світовому торговому центрі в Нью-Йорку.

У міру набирання оборотів ринку для архітекторів та інженерів стало складніше класифікувати стандартний продукт. Більшість компаній пропонували елементи каркасу, які мали аналогічні властивості та були зроблені за однаковими стандартами ASTM. Але невеликі різниці в конфігураціях призвели до відмінностей у міцності і жорсткості, що створило плутанину на ринку. Протягом 1990-х років виникло 2 організації, які намагалися забезпечити більш високий рівень стандартизації. На Східному узбережжі Національна асоціація виробників архітектурного металу (NAAMM) створила Асоціацію металевих рейок та сталевих конструкцій. На Західному узбережжі під керівництвом Ніла Пітерсона було засновано Асоціацію виробників металевих стійок (MSMA). MSMA розробила єдиний каталог із таблицями навантаження та діапазону, який відповідав усім членам асоціації.

Це полегшило роботу проєктантам та дизайнерам. У 2000 році ці дві організації об'єдналися в Асоціацію виробників сталевих стояків (SSMA). З 2001 року SSMA випускає таблиці навантажень, засновані на стандартній номенклатурі продуктів та стандартизованій товщиною та розмірами. Також у середині 90-х деякі виробники Західного узбережжя усвідомили, що багато інженерів не розуміють тонкощів чи методик проєктування AISI. Щоб допомогти надати посібник з проєктування, технічної інформації в доступному для інженерів форматі, в 1994 була створена Асоціація інженерів легкої сталі (LGSEA), яка розташовувалася в області затоки Сан-Франциско. На старті до неї входило 14 учасників, але за 10 років організація зросла до понад 800 учасників. У 2005 році організація стала частиною Альянсу сталевих конструкцій, і в жовтні 2006 року було анонсовано нове ім'я: Інститут інженерів холодногнутої сталі (CFSEI). Ця група все ще виконує початкову місію LGSEA: донести інформацію інженерам та проєктантам для безпечного та ефективного проєкту з конструкціями із холодногнутої сталі.

Розробка стандартів AISI не зупиняється досі. З 1946 по 2006 було випущено дев'ять нових версій з оновленою та доданою інформацією. Наприкінці 1990-х AISI усвідомили, що хоча специфікація була дуже вичерпною і охоплювала проєктну інформацію для всіх типів холодногнутих сталевих конструкцій, необхідні спеціальні положення для більш вузьких вимог виробництва сталевих каркасів. У 1998 році AISI сформувала новий комітет, Комітет із стандартів на каркасні конструкції (COFS) для розробки стандартів, специфічних для сталевих каркасів, які використовуються для будівництва легких каркасів. За 8 років COFS успішно розробили шість стандартів, які були прийняті до будівельних норм та правил.

Майбутнє сталевих каркасів виглядає перспективним. COFS працюють щоб розробити стандарти безпосередньо для Північної Америки, із застосуванням в США, Канаді та Мексиці. Розроблено таблиці інформації про продукти з навантаженнями, щоб допомогти інженерам продовжити визначати стандартні продукти. У той же час, розробляються нові продукти: системи каркасів та стінних панелей, мобільні профільні машини, системи балок та стійок із посиленими отворами, штамповані елементи, енергоефективні стійки та коробкові секції. CFSEI розробили інструкції з розробки для кожного із стандартів COFS, деталей CAD, технічні нотатки та онлайн-курси з проєктування каркасів. Програмісти розробили програми, які використовують положення та стандарти, щоб надавати швидке та точне інформаційне моделювання всієї будови, що включає сталеві елементи каркасу та проєктування системи. Нові технології, стандарти та можливості для навчання роблять проєктування зі сталі простіше, ніж будь-коли.

Вгору