Использование конструкционной стали в строительстве

Конструкционная углеродистая сталь начала использоваться с изобретением конвертера Бессемера в 1856 году и последующим внедрением мартеновского процесса Сименса-Мартина. Эти две разработки положили начало современной эпохе сталелитейного строительства, сделав возможным крупномасштабное экономичное производство конструкционной стали. Эта технология, наконец, позволила расплавить сталь, а шлак всплыл на поверхность, где его можно было удалить.

Углеродистая сталь является практически идеальным строительным материалом. (По определению, она содержит менее 1 процента углерода по весу плюс небольшое количество других элементов). Углеродистая сталь очень прочна, обладает высоким модулем упругости (показателем жесткости) и изотропна (обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях). Для достижения максимальной эффективности ей можно придавать различные формы, и она негорючая.

Сталь обладает высокой пластичностью; она сохраняет упругость более чем на половину своего предела прочности, а после этого при постоянном напряжении дает деформацию в 1,5-2 процента. Стальной элемент при изгибе может растягиваться примерно на 20%, прежде чем окончательно выйдет из строя, — это очень важная характеристика, позволяющая своевременно обнаружить перегрузку и произвести эвакуацию.

К недостаткам стали относится ее склонность к окислению (ржавлению), поэтому стальные конструкции необходимо защищать от коррозии. Еще одной проблемой стали является снижение ее прочности при повышенных температурах, что требует принятия противопожарных мер.

Конструкционная сталь быстро завоевала популярность. В 1884 году появились первые стальные двутавровые балки. Также в 1884 году был изготовлен первый каркас из конструкционной стали для здания Страховой компании в Чикаго. Первоначально это здание было спроектировано с использованием кованых двутавровых балок, но в процессе строительства они были заменены на стальные из-за цены и доступности.

После реализации этого проекта кованые балки быстро исчезли из высотных зданий. В 1889 году здание Рэнда Макнелли в Чикаго стало первым небоскребом, построенным с использованием цельнометаллического каркаса.

Как и в случае с любой новой технологией, поначалу царил хаос, поскольку каждый сталелитейный завод производил свой собственный сортамент стальных профилей. Первые попытки внедрения стандартизации были предприняты в 1896 году недавно созданной Ассоциацией американских производителей стали, позже - Американским институтом стальных конструкций (AISC).

Первыми профилями из конструкционной стали были двутавровые балки, уголки, швеллеры и тройники; балки с широкими фланцами появились только в начале 1900-х годов. Непрерывно совершенствуя технологию прокатки, к 1884 году промышленность была способна производить детали диаметром 15 дюймов, к 1900 году - 24 дюйма, а к 1927 году - 36 дюймов.

Первая спецификация AISC объемом менее 20 страниц была опубликована в июне 1923 года. Сегодня спецификация и прилагаемое к ней Руководство по стальным конструкциям охватывают все аспекты проектирования стальных конструкций и занимают сотни страниц.