Строительные решения / Быстровозводимые здания на основе металлического каркаса: особенности проектных решений.  

Технология
Технология производства быстровозводимых строений промышленного и общего назначения предусматривает несколько вариантов. Это здания на основе деревянного каркаса и деревянных панелей, конструкции с  облегченным каркасом, внутренним утеплителем и двусторонней обшивкой, сборка которых производится непосредственно на строительном объекте, блочномодульные строения с деревянным или металлическим каркасом и здания, основу которых составляет металлический каркас.

Использование нового подхода в строительстве позволяет не только значительно сократить сроки возведения различных сооружений, но и, сохраняя высокое качество, ощутимо снизить строительные издержки.

Получившие наиболее широкое распространение здания на основе прочного металлического каркаса способствуют практическому сокращению затрат не только в процессе эксплуатации, но и уже на стадии проектирования и сборки. Простота и невысокая себестоимость демонтажа таких зданий позволит, скажем, при необходимости перестроить дренажные системы на территории застройки с минимальными потерями.

Важно, что срок службы подобных конструкций не отличается от аналогичного показателя для строений из железобетона или кирпича. Безусловно, долговечность во многом зависит от того, насколько правильно выполнены все расчеты в процессе проведения инженерногеологических изысканий, а также от качества монтажа.

Несомненным преимуществом быстровозводимых зданий на основе каркаса из металла является их легкость, в результате чего давление на фундамент относительно невелико. Подобные сооружения можно устанавливать даже на территориях, допускающих очень низкую нагрузку на грунт. Правильно выполненные  геологические расчеты значительно расширяют сферу применения быстровозводимых зданий, позволяют избежать затрат на уплотнение грунтов или сложный дренаж.

Достоинства металлокаркасных зданий.
Первым фактором, определяющим высокий спрос на подобные сооружения, считается скорость монтажа. На стройплощадке здание монтируют из готовых заводских элементов. Строительство ведется «сухим» методом, что в силу технологических особенностей освобождает от сроков «выстаивания», «схватывания», «набора прочности» и т. п. Кроме того, «сухое» строительство дает возможность проводить работы практически круглый год, без увеличения энергозатрат в холодное время года.

Не менее важным является меньший вес металл оконструкций по сравнению с бетоном. Это снижает нагрузки на фундаменты и опоры, упрощает конструкцию промежуточных перекрытий, увеличивает возможные длины безопорных пролетов здания, существенно снижает транспортные затраты. Монтаж из элементов заводской готовности избавляет от необходимости аренды и затрат на эксплуатацию тяжелой строительной техники.

Металлический каркас.
Металлокаркасные быстровозводимые здания в зависимости от используемых материалов, из которых изготовлен каркас, подразделяют на два типа.

В первом несущие плоские или пространственные рамы изготавливают из сварных или прокатных двутавровых профилей различной формы и толщины. Во втором для основного каркаса используют тонкостенные холоднокатаные профили из оцинкованной стали.

Выбор типа каркаса зависит от предполагаемых нагрузок. Так, каркас из горячекатаных или сварных профилей предназначен для зданий с большими пролетами, шириной более 30 м, в которых могут быть встроенные межэтажные перекрытия. Наиболее прочным считается несущий каркас из горячекатаной низколегированной высокопрочной конструкционной стали с переменным сечением – он выдерживает максимальные нагрузки.

Новшества.
Из новинок следует особо отметить облегченные SINбалки. За счет гофрирования средней полки двутавра удалось многократно повысить ее устойчивость и уменьшить толщину до 2–3 мм при конструкционной высоте балки до 1,5 м. Такое усовершенствование позволило в среднем на 30 % понизить металлоемкость каркаса и достичь показателей 12–15 кг/м2. При этом цена за 1 т остается та же, что и у «тяжелых» балок.

Легкие профили используют для сооружения небольших зданий с пролетом до 12 м. Кроме того, холоднокатаные профили применяют для устройства стеновых и кровельных прогонов с каркасом из горячекатаных профилей. Это позволяет снизить собственный вес ограждающей конструкции до 15–16 кг/м2. А уменьшение металлоемкости здания соответственно снижает и затраты на него.

Виды сооружений.
В зависимости от предназначения сооружения из металлического каркаса можно разделить на:
промышленные (производство и складирование);
используемые в сфере услуг (ангары, станции обслуживания автомобилей и т. д.);
общественного пользования (торговые и выставочные залы, спортивные арены и т. д.).

На основе прочного металлического каркаса осуществляется строительство сооружений любой этажности и формы. Единственное, что необходимо учитывать при строительстве быстровозводимых сооружений со скатной кровлей, – ее площадь. Если она достаточно велика, то обязательно необходим водоотвод. Такая «мелочь»позволит продлить срок службы всей конструкции.

Современные технологии позволяют повысить огнестойкость металлических конструкций и надежно защитить их от коррозии. А возможности дизайна существенно расширяют диапазон применения быстровозводимых зданий на основе металлоконструкций.

Самую многочисленную группу сооружений из стальных конструкций составляют промышленные здания. Использование  металлического каркаса позволяет выполнить различные технологические требования к пролетам и к нагрузкам производственных и складских помещений, а также делает возможным приспосабливать конструкцию к смене технологии и отдельно использовать объект. Монтаж, как и демонтаж конструкции, производится довольно быстро и невызывает никаких трудностей.

При сооружении объектов общественного пользования, кроме функциональных требований, следует учитывать индивидуальные архитектурные требования, а также специфику реализации объектов в сочетании с имеющейся застройкой на ограниченном пространстве.

С точки зрения экономичности, инвестиции необходимо реализовывать быстро, поэтому элементы конструкции должны производиться промышленным способом, а их монтаж должен быть простой и быстрый.

В современных условиях большой конкуренции на строительном рынке объект следует проектировать, руководствуясь специальными архитектурными и потребительскими требованиями. Большинство существовавших ранее системных решений  не утратили актуальности, и сегодня могут использоваться в нетиповых проектах простой архитектуры, таких как производственные, торговые и складские помещения с пролетами до 36 м.

Конструктивные решения помещений с большими пролетами (спортивные залы, арены) и специального назначения (например, ангары для самолетов) должны разрабатываться индивидуально, в соответствии с функциональным назначением объекта и его архитектурной формой.

Основные схемы и конструкции сооружений.
В конструктивной схеме каждого сооружения можно выделить главную несущую конструкцию и опорные элементы, поддерживающие кровлю и стены. В производственных помещениях могут применяться дополнительные элементы, такие как балки для подвесных или мостовых кранов, и вспомогательные конструкции – антресоли, помосты и т. п. Главными несущими конструкциями считаются те, которые переносят на фундамент большую часть нагрузок сооружения. Ими являются:
* поперечные плоскостные конструкции;
* пространственные конструкции.

Поперечные плоскостные конструкции

Здания с плоскостными несущими конструкциями наиболее распространены в связи с простотой производства, легкостью транспортировки и монтажа. К ним относятся:
* сплошностенчатые рамные системы, жестко или шарнирно соединенные с фундаментами;
* сплошностенчатые системы рамнобалочного типа;
* решетчатые рамные системы.
Они применяются как в одно,так и в многоярусных сооружениях.


По форме конструктивных элементов сплошностенчатые рамы можно классифицировать следующим образом:
*сечения из сварных двутавров  (рис. 2а) ;
*сечения замкнутые гнутосварные с тонкими стенками, усиленными гофрами  (рис. 2б) ;
*сечения из развитых по высоте прокатных двутавров (рис. 2в).

Сечения из сварных двутавров могут быть скомпонованы из гладкой листовой стали, с использованием в полках гнутых профилей с гибкой или гофрированной стенкой. Развитые прокатные двутавры имеют сплошную либо перфорированную стенку.


В решетчатых рамах эффек тивно использование сечений из одиночных прокатных или гнутых уголков, гнутых швеллеров или Zобразных профилей  (рис. 3).  
По статической схеме однопролетные рамные системы бывают трехшарнирными, трехшарнирными с затяжкой, двухшарнирными, двухшарнирными с затяжкой и бесшарнирными  (рис. 3).


Трехшарнирные рамы  (рис. 4а) наиболее металлоемки и обладают повышенной деформативностью. Обычно их применяют при небольших пролетах, а также в том случае, когда пролет и высота здания позволяют полностью изготовить полураму в заводских условиях и транспортировать на строительную площадку в виде Гобразных отправочных элементов.

Бесшарнирные рамы (рис. 4д)  – самые экономичные по расходу материала, но такие рамы весьма чувствительны к неравномерной осадке опор и температурным воздействиям. Узлы сопряжения стоек с фундаментом более сложны по конструкции, а сами фундаменты более материалоемки, так как помимо вертикального давления и распора воспринимают опорные моменты.

Двухшарнирные рамы (рис. 4в) имеют наибольшее применение, так как в них достаточно полно проявляется эффект защемления  ригеля в стойках и они относительно мало (по сравнению с бесшарнирными) чувствительны к осадкам фундаментов. При такой схеме значительно снижается материалоемкость фундаментов.

Металлоемкость рамы можно понизить путем установки затяжки в уровне карнизных узлов  (рис. 4б, г) . Однако при этом повышается трудоемкость изготовления и монтажа, кроме того, применение затяжек затрудняет использование свободного объема помещения.


В многопролетных рамах статические схемы более разнообразны  (рис. 5). При выборе их предпочтение отдают таким схемам, когда внутренние стойки соединены с ригелями шарнирно, что значительно упрощает конструкцию узлов сопряжения.

Отметим, что при числе пролетов два и более выбор статической схемы зависит во многом от вида конструктивного оформления рамы (сплошностенчатая или решетчатая, постоянного сечения по периметру или переменного и др.).

Так, в двухпролетных зданиях из сплошностенчатых рам переменного сечения, а также из решетчатых рам принимают схему, представленную на  рис. 5а; для Гобразных рам переменного сечения рациональна схема по  рис. 5в;для трехпролетных рам постоянного сечения – по рис. 5б, а переменного сечения с меньшими пролетами по внешней стороне – по  рис. 5г. Определяющими факторами при выборе той или иной статической схемы являются снижение металлоемкости и повышение технологичности.

Перед составлением расчетной схемы необходимо определить конструктивное решение рамы и выполнить ее компоновку. Ориентировочно при компоновке сплошностенчатых рам по трехшарнирной схеме назначают высоту сечения карнизного узла в пределах h = (1/25–1/30)L, а в решетчатых рамах – h = (1/18–1/20)L, где L – пролет здания.

При двухшарнирной схеме эту высоту можно уменьшить соответственно до значений (1/30–1/33)L и (1/22–1/28)L. Еще меньшей высоты требует бесшарнирная схема – соответственно (1/35–1/45)L и (1/28–1/35)L. Соотношения моментов инерции ригеля Jr и стойки (колонны) Jk при предварительном статическом расчете можно принять Jr/Jk = 2–3.

Пространственные конструкции.
Это системы, которые шарнирно связаны с колоннами, жестко заделанными в фундамент. Рассматривать применение подобного рода несущих конструкций имеет смысл в случае локальных нагрузок по длине здания. При равномерных нагрузках и одинаковой жесткости отдельных поперечных систем все будут испытывать одинаковые нагрузки и одинаковые деформации, что позволяет трактовать их как отдельные системы.

Сооружения с шарнирными соединениями используются там, где можно ожидать неравномерного оседания конструкции. Соединения должны иметь несущую способность, достаточную для обеспечения статичности конструкции в стадии монтажа.

Выбор конструктивных решений.
Решающими факторами в выборе конструктивного решения должны быть наименьшие расходы по реализации и эксплуатации объекта, соответствующего техническим и потребительским требованиям.

Традиционным решением перекрытий в строительстве на основе стальных каркасов являются решетчатые конструкции, однако в странах с сильно развитой промышленностью они все чаще вытесняются полностенчатыми.

В отношении решетчатых рам можно сказать, что они отличаются меньшей высотой конструкции, малой трудоемкостью, а их защиту от коррозии и огнестойкость обеспечить легче.

Ограждающие конструкции.
Оптимальный вариант стеновых ограждений для металлокаркасных зданий, как с точки зрения скорости строительства, так и в ракурсе эксплуатационных характеристик, – сэндвичпанели заводской либо поэлементной сборки. В большинстве случаев целесообразно применять панели заводской сборки (изделия представляют собой слоеный «пирог»: между листами профилированного оцинкованного металла с полимерным покрытием находится слой утеплителя – минеральной, ваты, пенополиуретена, пенополистирола).

Это оправдано в плане сокращения сроков монтажа (высокая степень заводской готовности, технологичные способы крепления панелей и уплотнения стыков между ними), а также более высокое качество готового ограждения. Применение сэндвичпанелей также позволяет снизить нагрузки на несущие конструкции здания и соответственно удешевить их, а также уменьшить потребность в транспортных средствах, тяжелых кранах, монтажном оборудовании.

Монтаж и демонтаж этих изделий прост, а степень повторного использования «сэндвичей» практически 100процентная. Панели производят в широкой цветовой гамме, существует также возможность их соединения с конструкциями из других материалов – все это в совокупности позволяет реализовать неординарные архитектурные решения.

«Сэндвичи» поэлементной сборки монтируют из отдельных составляющих элементов и материалов: легкие металлические профили, облицовочный материал, профилированный лист, минераловатный или другой утеплитель, паро и гидроизоляционные пленки. Для соединения  элементов используются саморезы или предусматриваются специальные крепления.

Для устройства кровель широко применяют профилированный настил, металлочерепицу, могут использоваться и другие материалы в зависимости от проекта, например кровельные сэндвичпанели. Конструктивные решения кровель также обуславливаются проектом (функциональное назначение здания, нормативные требования, пожелания заказчика и т. п.).

Монтаж.
Корректный и качественный монтаж играет огромную роль в дальнейшей эксплуатации. Даже самые качественные материалы можно смонтировать неправильно, в итоге затраты на исправление ошибок могут быть довольно объемными. Поэтому во избежание проблем, связанных непосредственно с соблюдением технологий монтажа, лучше обращаться к п рофессионалам и не экономить на этом. Особое внимание следует уделять точности проработки всех узлов будущего здания еще на этапе разработки проектной документации.

Соединение элементов металлического каркаса подразделяют на сварное и болтовое. При этом в сварных соединениях могут присутствовать монтажные болты для временной фиксации или фиксации для правильности геометрического сочленения (с последующей обваркой).

При использовании того и другого видов соединения есть свои нюансы. Тип металлоконструкции на болтовом соединении считается более технологичным – удобным в монтаже, транспортировании. Но в некоторых случаях (при отсутствии динамических нагрузок, применении определенных марок стали) сварные конструкции могут быть экономичнее. Однако недостаток сварного соединения – вероятность появления микротрещин в металлических элементах с последующей коррозией.

Обеспечиваем долговечность.
Несмотря на то, что истоки технологии зданий на основе металлокаркасса уходят к временным сооружениям, сегодня эти объекты строят на десятилетия.
Поэтому и вопрос долговечности весьма актуален.

Показателем долговечности служит целостность всех элементов здания – несущих, ограждающих конструкций. Надежность и долговечность металлокаркасного сооружения в большой степени зависят от наличия и качества антикоррозийного покрытия металлических элементов и от зоны нахождения объекта (климатической, экологической).

В качестве антикоррозийных мер применяют грунтование металлических элементов с последующей покраской, а также оцинковку. Однако антикоррозийное покрытие с использованием специальных грунтовок и красок требует регулярного обновления. Более того, его качество напрямую зависит от качества используемых материалов – а они, естественно, стоят недешево.

На продолжительность службы антикоррозийного покрытия влияет также соблюдение технологии его нанесения, условия эксплуатации элементов здания, качество их сборки. Дешевые решения обернутся необходимостью обновлять покрытие уже через год. Качественные материалы и работы обеспечат хорошую работу покрытия на несколько лет.

Горячая оцинковка считается достаточно эффективным методом борьбы с коррозией. Для стальных элементов разной толщины используют различное количество цинка. Цинковое покрытие устойчиво к механическим воздействиям, в процессе эксплуатации оцинкованные элементы не требуют дополнительных антикоррозийных мероприятий.

Важная роль в обеспечении долговечности металлокаркасных сооружений отведена комплексному подходу при подборе материалов. Каждый элемент здания, начиная от каркаса, ограждающих конструкций и заканчивая системой водоотвода с кровли, должен целостно интегрироваться в здание, совмещаться с другими элементами.

Эксплуатация.
В целом особых рекомендаций по эксплуатации металлокаркасных зданий нет. Главное требование – соблюдать соответствие заложенных в проекте функциональных параметров реальным режимам эксплуатации объекта. Также комплектная поставка должна сопровождаться документацией, содержащей рекомендации по уходу за зданием: списком профилактических работ, указанием временного отрезка, через который их нужно проводить, и т. п.

Эксплуатационные затраты непосредственно на само сооружение минимальны, если изначально для строительства быстровозводимых металлокаркасных зданий были правильно подобраны и применены качественные материалы.

Онисиме Цоцхалашвили,
"Мастерская. Современное строительство"
www.masterskaya.by

Хорошая статья, немного бы еще про рамы переменного сечения , в Минске же сидят представители данной технологии. И еще не указан нюанс по пожарной безопасности, если речь идет про складское здание то в зависимости от категории толщина огнезащиты может быть кратно выше стоимости металла каркаса здания.

www.hanswell.ru   Там много информации

это реклама

⚠️РНТЦ: «Ценообразование в строительстве. Учитываем на практике нормы законодательства».
Темы видеосеминара: ЗП в сметах, стоимость пусконаладки, транспортные расходы, разработка индивидуальных нормативов расхода, проекты для многократного применения в строительстве .