Чугун и кованое железо

Чугун впервые был использован британским инженером-строителем Джоном Смитоном в середине XVIII века. Чугун - это, по сути, чистое железо, которое добывается из руды путем нагревания слоя руды с горючим в печи. Первый чугунный мост Коулбрукдейл (Англия) состоял из полукруглых арок и был построен в 1779 году.

Сообщается, что первым зданием с чугунным каркасом была льнопрядильная фабрика Дитерингтона, построенная в Шрусбери, Англия, в 1796 году. Тремя годами ранее чугунные колонны были заменены на обычные деревянные на ситцевой фабрике в соседнем Дерби. Оба этих эксперимента были вызваны разрушительными пожарами, которые часто происходили на лесозаводах.

Чугунные элементы сохраняли высокое содержание углерода, что придавало им высокую прочность на сжатие, но также и хрупкость. Чугун хорошо зарекомендовал себя при изготовлении колонн и арок, но не при изготовлении изгибаемых элементов, таких как балочные перемычки, которые оказались ненадежными и часто подвергались усталостным и хрупким повреждениям. Некоторые чугунные балки, особенно перемычки над каменными проемами, сохранились до наших дней, и их иногда можно встретить в зданиях девятнадцатого века.

Дальнейшее усовершенствование конструкций из чугуна произошло в середине девятнадцатого века, когда появились ковкий чугун и кованые изделия из чугуна. Оба эти материала не содержали никаких добавок, кроме шлаковых волокон, и были довольно пластичными, но их нельзя было упрочнить закалкой. Ковкий чугун был более надежным, чем чугунное литье, и широко использовался с 1841 года.

Первые железные фермы начали появляться в середине девятнадцатого века в Соединенных Штатах и Европе. Конструкции из ковкого чугуна держались лучше, чем их чугунные собратья, но ковкий чугун все еще был недостаточно надежен для широкого использования в конструкциях изгибаемых элементов.

Термин "кованое железо" отражает способ его изготовления: многократное расплющивание куска железа паровым молотом и складывание его для дальнейшей обработки. Целью этой процедуры была очистка железа от шлака, окислов и других примесей. В то время повторная штамповка была единственным известным методом удаления шлака из металла, поскольку технологии расплавления стали до жидкого состояния, когда шлак просто всплывал бы на поверхность, еще не существовало.

При ударе молотком шлак выдавился не весь, и его большая часть осталась в металле. Эти шлаковые включения, как правило, разделяют железо на слои с низкой прочностью между слоями, почти как у фанеры. По этой причине сварка с существующим кованым железом — и с чугуном, если на то пошло, — проблематична.

Производство первых кованых железных балок было ограничено возможностями парового молота, но патент Генри Филдера 1847 года открыл путь к изготовлению сборных (клепаных) элементов из пластин и уголков. Кованые элементы, часто имеющие форму рельсовых секций, использовались в качестве опор или световых балок примерно с 1850 по 1885 год. В некоторых промышленных зданиях кованые балки поддерживались чугунными колоннами. Как ковкий чугун, так и кованое железо были вытеснены конструкционной сталью в высотных зданиях примерно после 1885 года, но сохранялись в небольших сооружениях еще несколько десятилетий.

Как показано в таблице 3.1, максимально допустимые напряжения при изгибе в кованых балках в период с 1900 по 1923 год обычно принимались равными 12 000 фунтов на квадратный дюйм. Некоторые инженеры при оценке существующих конструкций того периода используют допустимое напряжение изгиба в 14 500 фунтов на квадратный дюйм. В своей книге 1891 года Биркмайр утверждает, что предел упругости кованого железа должен составлять не менее 25 000 фунтов на квадратный дюйм.

Таблица 3.1. Типичные расчетные значения изгибаемых элементов, используемых в зданиях, 1900-1923 гг.

В таблице 3.1 также приведены допустимые значения напряжения при изгибе для чугуна и раннего проката. Однако современные стандарты допускают, что чугунные элементы должны выдерживать только сжатие, а не изгиб. Нижняя граница прочности по умолчанию (не допустимое напряжение) для чугуна, произведенного до 1900 года, может быть принята равной 18 000 фунтов на квадратный дюйм.