Изготовление нестандартных металлоконструкций: этапы работ, тонкости проектирования, используемые материалы

Нестандартные металлоконструкции — это особый вид инженерных конструкций, которые отличаются от типовых решений и спроектированы под индивидуальные требования и задачи. В этой статье рассмотрим технологии и процесс их изготовления.

Проектирование и выбор материалов

Проектирование и выбор материалов для нестандартных металлоконструкций представляют собой составные этапы, включающие анализ технических требований, разработку оптимальных конструкций и выбор подходящих материалов , которые помогут обеспечить надежность и долговечность конструкции.

Проектирование. Производится сбор и анализ исходных данных — техническое задание, чертежи, спецификации и требования к конструкции. Анализируются условия эксплуатации — предполагаемые нагрузки, окружающая среда и необходимый срок службы. Далее создаются концептуальный дизайн и 3D-модель проекта с целью получить общее представление о внешнем виде постройки и провести инженерные расчеты.

На этапе инженерного анализа проводится детальное изучение конструкции, определение возможных нагрузок, проработка факторов безопасности и требований к прочности и устойчивости. Осуществляются необходимые инженерные расчеты сил и напряжений, чтобы убедиться, что конструкция соответствует требованиям безопасности и прочности. Итогом работы становится полный комплект рабочих чертежей, спецификаций и технической документации.

В этих документах указываются размеры, формы, материалы, стандарты, требования к сварке и сборке, инструкции по изготовлению и монтажу конструкции.

Материалы. Производится анализ требований проекта и функциональных характеристик конструкции. Как правило, если металлоконструкция требует повышенного уровня прочности и жесткости, в качестве материала выбирается марочная сталь. Если важны антикоррозионные свойства — нержавеющая сталь или алюминий.

При изготовлении нестандартных металлоконструкций сталь, нержавеющая сталь и алюминий используются чаще всего, потому что относятся к наиболее распространенным и доступным на рынке металлическим материалам:

Марочная сталь. Один из самых распространенных и популярных материалов для металлоконструкций, который отличается высокой прочностью и жесткостью, благодаря чему стоек к большим нагрузкам. Имеет относительно низкую стоимость, а ее хорошая свариваемость упрощает процесс изготовления.

Нержавеющая сталь. Отличается своей устойчивостью к коррозии и окислению. Считается отличным выбором для конструкций, которые разрабатываются для участков с высоким уровнем влажности, возможным контактом с химическими веществами или агрессивными средами. Нержавейка часто используется в архитектуре и дизайне из-за своей блестящей поверхности и возможности различных отделок. Однако стоит нержавеющая сталь дороже, чем обычная сталь и алюминий.

Алюминий. Широко применяется при изготовлении металлоконструкций, особенно в случаях, когда важна низкая плотность. Поэтому алюминий идеален для использования в ограниченных по весу конструкциях: лестницах, перилах или мостах.

Однако для изготовления нестандартных металлоконструкций используются и другие сплавы — титановые, медные и бронза.

• Титановые сплавы активно применяются в авиационной и космической отраслях для изготовления легких и прочных конструкций: воздушных шасси и крыльев самолетов. 
• Медные сплавы востребованы в электротехнической промышленности, а также для изготовления музыкальных инструментов: труб, кларнетов и флейт. 
• Бронза (включая алюминиевую бронзу и фосфорную бронзу) используется для изготовления деталей и механизмов, работающих в условиях повышенного трения или при высоких температурах: валов, подшипников и двигателей.

Технологии производства и проверка качества

На основе разработанного проекта производится раскрой металлических листов или профильных труб для создания отдельных элементов конструкции. Современные станки с ЧПУ и роботизированные системы дают возможность изготавливать более сложные и точные контуры, повышают качество реза и сварных швов, уменьшают риск ошибок и травм при выполнении работ.

Дополнительная обработка. В отдельных случаях полученные элементы металлоконструкции нуждаются в дополнительной обработке. На этом этапе осуществляется сверление отверстий, калибровка, фрезерование, токарная обработка или шлифовка. Цель — придать конструкции необходимую форму, размеры и детализацию для предусмотренной функциональности.

Крыша в стиле футуризм — пример нестандартной металлической конструкции в архитектурном проекте. Такая крыша подвергается фрезерованию для реализации необычных геометрических форм и структуры. Отверстия для крепежа служат местом крепления световых элементов или декоративных деталей.

Поверхностная обработка помогает увеличить срок эксплуатации нестандартных металлоконструкций. Гарантирует надежную защиту от пагубного воздействия окружающей среды. Поверхностная обработка подразумевает нанесение специальных покрытий,  антикоррозийных составов, порошковой покраски или шлифовку металла.

Качественная проверка нестандартных металлоконструкций состоит из различных контрольных мероприятий — визуальный осмотр, использование специальных приборов для измерения геометрических параметров, испытания на прочность. Цель — подтвердить правильную сборку всех элементов, соблюдение проектных характеристик, надежность соединений и отсутствие дефектов или повреждений. 

Монтаж и установка нестандартных конструкций

Сложная форма и особая геометрия — одна из главных особенностей нестандартных металлоконструкций, которая связана с проектированием под уникальные условия будущей эксплуатации и индивидуальные требования заказчика. Поэтому монтаж и установка таких конструкций требует специализированных методов: точного измерения и выравнивания, использования кранов и подъемных механизмов, специальных крепежных систем.

Подготовительный этап. Перед началом монтажа нестандартных металлоконструкций необходимо провести тщательную подготовку — изучить проектную документацию, проверить наличие материалов и инструментов и обезопасить рабочую зону.

Опоры. Установка начинается с опорных элементов, которые выдерживают основную конструктивную нагрузку. Опорные элементы выравниваются при помощи лазерного нивелира или уровня, а затем закрепляются.

Соединение элементов. После установки опор монтируются основные элементы металлоконструкции – сварным швом, болтовым соединением, заклепками или клеем.

• Сварка. Наиболее распространенный и прочный способ соединения металлических элементов. Сварка осуществляется как на производстве, так и непосредственно на месте установки. Выполняется различными методами: дуговым, газовым или инертным газовым.

• Болтовое соединение. Способ обеспечивает высокую прочность соединения и легкость демонтажа. Чаще всего используется при сборке крупных стальных конструкций — мосты, ангары и нефтяные вышки.

• Заклепочное соединение. Отличается высокой устойчивостью к вибрации и разрушающим нагрузкам.

• Клеевое соединение. Эффективно в случаях, когда требуется невидимое соединение или защитная антикоррозийная пленка между металлическими поверхностями от проникновения влаги и агрессивных химических веществ.

Защита от вибраций. Вибрации вызывают деградацию материала, ухудшение прочностных характеристик конструкции и возникновение разрушительных дефектов —  трещин и разрывов. Вибрации могут возникать как в процессе монтажа и сборки конструкции, так и во время ее эксплуатации. Для защиты от вибраций используются амортизационные материалы, специальные демпферные устройства, эластичное крепление конструкции или дополнительные крепежные элементы.

Проверка готовности к эксплуатации. После завершения монтажа необходимо убедиться, что все соединения и элементы металлоконструкции надежно закреплены и готовы к эксплуатации. В контроль качества входит проверка геометрических размеров и формы металлоконструкции, материалов и сварных соединений, правильности установки, испытания на нагрузку и прочность. При обнаружении недостатков или несоответствий проводятся исправительные мероприятия или доработки.