Легкие стальные тонкостенные конструкции и технология сооружения облегченных зданий (Часть 1)

Темпы современного строительства требуют применения новых строительных материалов и конструкций. Все большей популярностью среди специалистов и частных застройщиков пользуется каркасная технология возведения зданий
с использованием ЛСТК.

Одним из ведущих направлений эффективного металлостроительства является применение легких металлических конструкций (ЛМК) в зданиях промышленного, сельскохозяйственного, гражданского и иного назначения. Строительство на основе ЛМК характеризуется малой металлоемкостью, возможностью типизации и унификации, стабильностью номенклатуры, высокой технологичностью изготовления и монтажа, высокой степенью заводской готовности и возможностью поставки целых зданий-модулей и их несущих конструкций, благоприятными экспортными возможностями.

Снижение металлоемкости зданий из ЛМК достигается за счет новых конструктивных форм, профилей (трубчатых, широкополочных тавровых, тонкостенных, гнутых и гнутосварных, перфорированных, гофрированных и др.), тонколистового проката, эффективных материалов для несущих и ограждающих конструкций (высокопрочных сталей, алюминиевых сплавов, профилированного настила, утеплителя). Строительство же зданий полностью из структурных стальных каркасов стало возможным и экономически оправданным только после изобретения и внедрения способа строительства при помощи легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК).

Рис. 1. Применение ЛСТК

Концепция строительства на основе ЛСТК может применяться самостоятельно или в сочетании с другими строительными конструкциями: ЛСТК и полы из легких стальных профилей в многоквартирных домах; тяжелый стальной каркас и перекрытия из гнутых профилей в сочетании с внешними и внутренними стенами из ЛСТК; только внутренние стены в многоквартирных домах, офисах, общественных зданиях; только перегородки и самонесущие наружные стены в домах, офисах, школах. ЛСТК могут применяться как для многоквартирных зданий, так и для коттеджей на одну семью. Имея небольшой вес (около 50 кг на м² поверхности пола) они могут применяться для реконструкции (в т.ч. мансардной надстройки) домов без усиления фундамента.

Строительство на основе ЛСТК практикуется во многих странах: в Швеции, США, Австралии, Финляндии, Дании, Голландии, Великобритании, Франции, Японии, Корее, Канаде. В начале нового тысячелетия эта технология пришла и в Россию. Со второй половины 90-х годов ЛСТК начали применяться уже и в России, а в настоящее время идет бурный рост использования в строительстве этой технологии. Преимущества применения ЛСТК в малоэтажном жилищном строительстве способствуют эффективному выполнению задач проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России» – надежные дома высокого качества. Технология ЛСТК позволяет строить жилые, общественные и производственные здания высотой до 4 этажей, в т.ч. и в сейсмически активных зонах.

Рис. 2. Профили, используемые в ЛСТК: А – гнутый профиль; Б – термопрофиль

Надежность и эластичность ЛСТК позволяют создавать безопасные конструкции. Высота этажа в зданиях может достигать 4 м. Несущие конструкции покрытий пролетом до 18 м выполняют в виде ферм или стропил. Возможность размещать коммуникации внутри каркасных стен и перекрытий позволяют архитекторам максимально использовать внутреннее пространство, создавать оригинальные планировки.

Интерес к данным технологиям обусловлен тем, что они позволяют приближать одну из основных целей строительства: получать наилучшее качество при радикальном снижении затрат, в основном за счет сокращения сроков ведения работ. Существует широкий выбор программного обеспечения для проектного планирования: от изображения с использованием программ 2D CAD до моделирования, основанного на 3D, 4D CAD инструментах. Выбор инструмента для проектирования зависит от типа и размеров проектируемой конструкции, а также от доступности соответствующих ресурсов. Графические программы CAD наиболее часто используются для проектного планирования в строительстве с применением ЛСТК. Одновременно развивается и дает хорошие результаты моделирование на основе 3D программ.


Элементы систем ЛСТК

Основными элементами ЛСТК являются тонкие стальные оцинкованные профили, утеплитель (минераловолокнистые плиты или пенопласты) и гипсокартонные, гипсоволокнистые или цементно-стружечные листы. В том числе данные технологии предполагают использование сборных блоков заводского изготовления («Термоблок»), что также ведет к сокращению сроков строительства и снижению издержек на строительной площадке. Крепление ЛСТК осуществляется с помощью резьбовых соединений, закладной клепки, штамповочной клепки, сварки, склейки, петлевых соединений, костыльных (дюбельных) пистолетов. Стальные профили производят с очень жесткими допусками, листы ГКЛ/ГВЛ и утеплителя – по точным размерам. Рамы из стальных стоек встраиваются в стены и полы, чем достигается, без применения дополнительных мер, существенный уровень пожарной безопасности. Отсутствие в конструкциях пола и стен горючих материалов не способствует распространению по ним огня. В ЛСТК гипсовые плиты (ГКЛ/ГВЛ или ГКЛВ/ГВЛВ), в зависимости от их толщины, могут выдерживать огневую нагрузку до 120 минут. Выбор изоляционного материала, например, на основе негорючего базальтового минерального волокна, также важен для пожарной безопасности конструкций.

Изготовление элементов жилых зданий осуществляется в соответствии с тремя методами: производством на месте, полевым производством, стационарным производством. Выбор метода может зависеть от типа контракта, количества строящихся зданий и их типов, места строительства, эксклюзивности строительства и капиталовложений. Производство на месте является самым традиционным методом строительства. Элементы – комплектующие, в этом случае доставляются в точных размерах, предназначенных именно для этого объекта, и с проделанными отверстиями для коммуникаций. Стальные элементы имеют кодовую маркировку и сопровождаются сборочными чертежами. Соединение элементов осуществляется непосредственно на строительной площадке, при этом, как правило, используются саморезы.

Таблица 1
Типы профилей


Стеновые элементы, элементы полов и обрешетка крыши изготавливают в условиях «полевого» производства: во временных помещениях или в отдельной зоне на строительной площадке. Степень готовности конструкций может варьироваться от изготовленного заранее каркаса до законченной или почти законченной панели с окнами, дверями и фасадными материалами. «Полевая» фабрика делает возможным использование унифицированных индустриальных технологий крепежа (например, составных заклепок и т.п.), обеспечение более строгого контроля за выполнением узлов.

В условиях заводского производства могут выпускаться в виде готовых секций элементы стен и полов, обрешетка крыш, а также завершенные объемные модули и специальные узлы (панели и блоки для ванных комнат, стены для служебных помещений здания, лифтовые шахты). Стационарное производство требует больших капитальных вложений, но обладает рядом преимуществ: высокой степенью точности и высоким качеством выполнения конструкций, высокой производительностью, малым количеством отходов. В условиях же реального строительства преобладают различные сочетания этих методов.


Строительство с применением ЛСТК

Многоквартирные здания из ЛСТК возводятся по двум основным системам. Система «термоблок» предполагает использование комбинаций каркаса из ЛСТК и гипсовых стеновых листов, что формирует в результате большую несущую способность и сравнительно высокую жесткость относительно веса конструкций. Более жесткая система основана на применении колонн, балок и связей из более тяжелых стальных профилей (квадратные трубы, двухтавровые балки, Z – образные профили) в комбинации со стенами их термопрофилей. «Талдом-Профиль», «Росиндустрия-ГЕНЕЗИС» прелагает технологию малоэтажного строительства с применением «термоблоков» заводского изготовления. В данном случае «термоблок» – это конструктивный элемент, состоящий из металлического перфорированного оцинкованного профиля, эффективного утеплителя, пароизоляционных пленок, гипсокартонных или гипсоволокнистых, элементов крепежа. «ПрофСтальПрокат» разработаны системы реконструкции вторичного жилищного фонда, ветхого жилья, мансардного строительства.


Конструкции фундаментов в каркасном домостроении

В каркасном домостроении с применением ЛСТК рационально применять мелкозаглубленные фундаменты. При относительно небольшой массе каркаса здания или сооружения, применение массивных фундаментов приведет к увеличению капиталовложений и росту трудозатрат.

При выборе варианта исполнения фундамента под будущее здание или сооружение необходимо учесть следующие факторы:
а) геологические и гидрологические условия строительной площадки (вид грунтов, их физико-механические показатели, уровень грунтовых вод);
б) глубинно-зимнего промерзания грунтов;
в) величину и характер действующих на фундамент нагрузок и необходимость обеспечения равномерной передачи их основанию во избежание неравномерных осадок и образования трещин.

Ленточные фундаменты относятся к наиболее распространенному типу устройства фундаментов. Бывают такие фундаменты из сборных бетонных и железобетонных элементов, сборно-монолитные и монолитные. Этого типа фундаменты могут возводиться непосредственно под несущие стены здания. Благодаря простоте технологии возведения ленточного фундамента он широко применяется в индивидуальном строительстве.

Рис. 3. Схемы устройства стен: А – с минераловатным утеплением (термопанель); Б – с утеплением легким бетоном: 1 – экструзионный пенополистирол; 2 – пароизоляционная пленка; 3 – минераловатная плита ROCKWOOL плотностью 60-70 кг/м³; 4 – профиль ТС 150х1,5; 5 – гипсоволокнистый лист (12 мм); 6 – гипсокартонный лист (2х12,5 мм); 7 – пенобетон плотностью 300 кг/м³; 8 – вентиляционный зазор; 9 – элемент крепления; 10 – штукатурка; 11 – фасадная краска; 12 – фасадные плиты из фибробетона; 13 – облицовочный кирпич

Устройство монолитного ленточного фундамента применяют и при строительстве домов с фундаментами мелкого заложения, где не предусмотрено строительство подвала.

Процесс построения ленточного монолитного фундамента начинается с разработки грунта (устройства траншей или котлована), устройства противопучинистой подушки, устройства опалубочных панелей, закладки арматуры, затем промежуток между стенками опалубки заливается бетоном. После достижения бетоном необходимой прочности опалубку демонтируют и производят гидроизоляцию фундамента.

Ленточные фундаменты сборного вида строятся из готовых бетонных или железобетонных фундаментных блоков.

Рис. 4. Фундаменты под коттедж с ЛСТК: А – монолитный ленточный железобетонный фундамент; Б – монолитая железобетонная фундаментная плита; В – свайный фундамент; 1 – грунт основания; 2 – гидроизолирующий слой; 3 – хризотилцементная вентиляционная труба; 4 – монолитный бетон; 5 – бетонная подготовка; 6 – арматурный каркас; 7 – утрамбованная песчаная подушка

К достоинствам ленточных фундаментов можно отнести высокую прочность, надежность, в случае монолитного исполнения – возможность подвода под здания различных форм, при использовании же сборных фундаментов отмечаются малые сроки построения и простота работы. Недостатками же ленточных фундаментов является большой объем земляных работ и работ по заливке опалубки и, как следствие, увеличение сроков строительства, также эти фундаменты массивны, сравнительно дорогостоящи и требуют значительных трудозатрат. При использовании стандартных железобетонных блоков фундаменты к тому же в местах соединений водопроницаемы, и менее практичны по этой причине, а также трудно применимы для домов сложной архитектурной формы.

Рис. 5. Каркас общественного здания

Сплошные плитные фундаменты являются разновидностью мелкозаглубленных фундаментов. Такой фундамент представляет собой сплошную плиту, которая устраивается под всей площадью здания.

Плитные фундаменты наиболее подходят для просадочных и пучинистых грунтов.

Рассматриваемый тип фундаментов сооружают для зданий, оказывающих высокую нагрузку на фундамент, в случаях непрочного основания грунта или при высоком уровне грунтовых вод, в силу своей способности компенсировать смещения грунта как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

Рис. 6. Каркас и готовое здание

Процесс построения монолитной фундаментной плиты начинается с разработки грунта в котловане, устройства песчаной подготовки, устройства опалубочных панелей, закладки арматурных каркасов и плоских сеток, бетонирования фундамента с последующим уплотнением и выравниванием. После достижения бетоном необходимой прочности, опалубку демонтируют и производят гидроизоляцию фундамента.

Плитные фундаменты эффективны при возведении малоэтажных зданий, небольшой площади и простой формы основания.

Рис. 7. Каркас и торговый комплекс

Из достоинств фундаментов плитного типа можно отметить относительную простоту их постройки и хорошую устойчивость на подвижных, просадочных и пучинистых грунтах. Недостатком же является относительная дороговизна из-за большой ресурсоемкости.

Свайным фундаментом считают группу свай, объединенных сверху специальной конструкцией в виде плит или балок, называемых ростверками, которые предназначены для передачи и равномерного распределения нагрузки на сваи. Ростверки, являясь несущими конструкциями, служат для опирания надземных конструкций зданий на сваи. Различают свайные фундаменты с низким ростверком, промежуточным и высоким.

Для постройки рассматриваемого типа фундамента используются сваи, изготовленные из различных материалов, к примеру, из бетона и железобетона, из дерева, стали, используются и комбинированные сваи. Сваи могут устанавливаться в грунт уже готовыми, в этом случае речь идет о забивных сваях, либо же сваи создаются в пробуренных каналах в грунте – набивные.

Рис. 8. Здание до реконструкции и здания с надстроенной мансардой

В условиях современного строительства свайные фундаменты используют очень широко. Большинство жилых и общественных зданий возводят на свайных фундаментах. Это объясняется повышенной несущей способностью свайных фундаментов по сравнению с фундаментами, возводимыми в открытых котлованах, а также сравнительно меньшей трудоемкостью земляных работ.


Возведение наружных стен

Для возведения наружных стен используют ЛСТК просечного профиля с ребрами жесткости (центральными и торцевыми) и фланцами. Прорези (перфорация) стенки профилей значительно снижают массу конструкции и сокращают потери тепла через стены из-за удлинения пути холодного потока и особенности краевых свойств прорезей. Толщина материала профиля также влияет на снижение потерь, которые могут быть меньше, чем теплопотери для строений с каркасом из цельного дерева. Такие перфорированные профили, а также профили для перекрытий и покрытий производятся из стали с расчетным сопротивлением R? 350 МПа. Перфорированные стальные профили изготавливаются высотой сечения 100, 120, 145, 150, 170, 195, 200 мм. Профили изготавливают из полос тонколистовой горячеоцинкованной стали. Вес цинкового покрытия составляет не менее 275 г/м², что соответствует толщине слоя цинка 20 мкм с обеих сторон. После проделывания отверстий в таких профилях нет необходимости в какой-либо дополнительной их обработке, так как слой цинка обладает «залечивающим эффектом», т.е. он переходит на незащищенные поверхности.

Существуют системы, где несущая способность комбинированных стен определяется взаимодействием между легкими стальными профилями и утепляющим наполнителем: пенополистиролом или пенополиуретаном, заливаемым между стальными профилями. Ограничением для применения различных видов утеплителей является условие пожарной безопасности конструкции.

Защита наружной стены от атмосферных факторов (внешняя отделка) может выполняться практически из любых материалов: кирпича, сайдинга, деревянных панелей, стекла, стальных кассет. Для того, чтобы внешняя влага или конденсат изнутри не повредили стены, рекомендуется применять систему «вентилируемого фасада». В этом случае между наружной отделкой и каркасом ЛСТК создается вентилируемое пространство. По этому воздушному зазору любая влага удаляется от стен. Приток воздуха осуществляется через специальные продухи, расположенные у окон, дверей, в парапетах и у цоколя наружных стен.

Рис. 9. Каркас и готовый коттедж

Ветрозащита наружной стены формируется из внешних влагостойких гипсовых листов (ГКЛВ/ГВЛВ) толщиной 9 мм, или из специальных ветрозащитных пленок. Наиболее важной функцией ветрозащиты является обеспечение сохранения тепла за счет предохранения теплоизоляции от воздействия потока воздуха, циркулирующего в вентилируемом зазоре (относительного ветра). Качество ветрозащиты зависит от того, насколько герметичны материалы сами по себе и от того, насколько герметичны соединения.

Герметичность здания по отношению к ветру, к воздуху и к миграции пара через конструкцию существенно влияет на энергопотребление, функционирование вентиляции и внутренний комфорт помещений. Чрезмерное увлажнение конструкции является одной из основных причин коррозии. Потоки воздуха через пароизоляцию могут создавать дискомфорт в здании в виде сквозняков. Возможное увлажнение утеплителя (при конденсации паров воды) увеличивает его теплопроводность и энергопотребление на обогрев помещений. Климатические барьеры, стены, полы между квартирами должны также быть хорошо изолированы против утечек воздуха в целях снижения возможного загрязнения (пыль, энзимы и т.п.) и уменьшения распространяемости воздушного шума.

Рис. 10. Перекрытия и фасады

Пароизоляционный барьер наружной стены, как правило, состоит из устойчивой к старению влагозащитной полиэтиленовой пленки толщиной 0,1-0,2 мм. Паробарьер необходимо располагать как можно ближе к теплой стороне стены. Если внутренняя часть наружной стены состоит из двух слоев гипсовых листов (ГВЛ/ГКЛ), то пленку рекомендуется располагать между этими листами. Если применяется только один слой гипсовых листов, то паронепроницаемый барьер монтируют между стальным каркасом и гипсовым листом. Для готовых блоков и модулей наружных стен пароизоляционный барьер устанавливают на заводе-изготовителе.

Сохранение герметичности наружных стен в процессе эксплуатации обеспечивается надежным прикреплением к конструкциям пластикового покрытия или его герметической сваркой. Соединение двух пленок должно иметь перехлест как минимум 200 мм. Склеивание краев пленки клейкой лентой не рекомендуется, так как ее устойчивость к старению невозможно предсказать, а также клеящий слой может разрушать некоторые виды пленок. Для минимизации количества соединений рекомендуется использование большеформатной пленки. По возможности рекомендуется избегать проделывания отверстий в полиэтиленовой пленке для подведения коммуникаций через наружные стены. Максимальная утечка воздуха не должна превышать 0,8 л/см² при 50 МПа отрицательного и положительного давления.

Рис. 11. Межэтажные перекрытия

Теплоизолирующая эффективность конструкции наружной стены зависит от минимизации «мостиков холода», от типа изоляционного материала и способа его укладки, наличия хорошей ветрозащиты и паронепроницаемого барьера. В основном, в качестве утеплителя применяют минераловолокнистые плиты (МВП). Является важным полное заполнение утеплителем всех полостей в стенах, особенно вблизи от стальных профилей. Для этого при заполнении МВП их размеры должны быть больше (обычно на 5 мм) по длине и по ширине, чем размеры между стойками стеновых панелей. Толщина МПВ должна соответствовать ширине конструкций панели. Для снижения теплопередачи вертикальные и горизонтальные стальные профили имеют специальную перфорацию по стенке, отверстия (просечки); применяется оправданно тонкая сталь и устанавливается минимально допустимое по расчету число профилей.

Гипсовые листы наружных стен должны быть разрезаны в месте присоединения стены между квартирами; но в этом же месте влагозащитный барьер наружной стены должен продолжаться без разреза. Стойки с трубчатыми профилями плотно прижимаются к гипсовым листам. Для обеспечения звукоизоляции рекомендуется применение стоек с дополнительными акустическими профилями с установкой перекрывающих под углом гипсовых листов. Первый гипсовый лист прикручивается плотнее к стойке так, чтобы трубчатые полосы сжимались с 10 мм до 2-3 мм, и таким образом достигается полная герметизация стыка.

Для обеспечения пожарной безопасности наружных стен материалы фасадной отделки должны быть трудновоспламеняемыми; следует избегать крепления различного оборудования на внутреннюю сторону наружных стен. Для зданий с тремя и более этажами наружные стены должны быть сконструированы так, чтобы обеспечивать те же разделительные функции, как и внутренние стены; ограничивать распространение огня внутри стен; ограничивать риск распределения огня через окна; обеспечивать устойчивость конструкций. Наружные стены должны отвечать категории огнестойкости от EI30 (E – cохранение функции непроницаемости, I – cохранение функции изоляции, 30 – нормативное время сохранения показателя, мин) и до EI60.