25 Февраля 2011

Легкие стальные тонкостенные конструкции и технология сооружения облегченных зданий (Часть 2)

О технологии строительства на основе ЛСТК рассказывает
доцент ГОУ ВПО МГСУ, кандидат технических наук А. Д. Жуков.

Внутренние стены

Внутренние стены (внутриквартирные и стены между двумя разными квартирами) могут выполнять несущую функцию; кроме того, к ним предъявляются требования по звукоизоляции и пожарной безопасности. Внутренние стены возводят с помощью каркаса из легких стальных профилей с зашивкой гипсовыми листами. Центральное расстояние между стойками внутренних стен составляет 450, 600 и 900 мм и подгоняется под ширину гипсовых листов (900 или 1200 мм). Профили внутренних стен доставляют на стройплощадку готовыми и требуемого размера.

Внутренние стены между комнатами, как правило, не являются несущими. Профильные стойки и горизонтальные направляющие из тонколистовой оцинкованной стали производят шириной 45, 70, 95, 120, 145 и 160 мм. Стойки могут иметь предварительно вырезанные отверстия для прокладки коммуникаций. Звукоизоляция (от структурного шума) обеспечивается приклеиванием профиля из ПДМ-резины или трубчатого полого жгута. Звукоизоляция (от воздушного шума) достигается плотной подгонкой профиля к стенам и полу и заполнением полостей в конструкции стены утеплителем.

Внутренние стены между квартирами конструируют по тем же принципам, что и стены между комнатами. Различия обусловлены более жесткими требованиями по пожарной безопасности и звукоизоляции. Стены между квартирами могут выполняться с двойным каркасом, с чередующимися стойками, с каркасом из тонких стальных «акустических» стоек со складчатой и перфорированной поверхностью. Двойной каркас (наиболее распространенное решение) формируется из двух рам, разделенных расстоянием как минимум 10 мм. Двойной каркас дает хорошую звукоизоляцию и возможность размещения между стойками вертикальных связей рамного каркаса (профильных связей и ферм). Стены с чередующимися стойками несколько тоньше, чем стены с двойным каркасом. Каркас формируется из стоек, вставленных в направляющий профиль шириной 225 мм. Стойки чередуются: первая стойка находится у одной стороны направляющей, а следующая – с противоположной стороны.

Несущие внутренние стены выполняются с использованием усиленных профилей стоек. Толщина материала стоек варьируется между 1,0 и 1,5 мм. Поставщики профилей в обязательном порядке должны предоставлять информацию об их номинальной нагрузке. Использование стоек толщиной 1,0 мм предпочтительнее, так как в них легче закручиваются самосверлящие винты.

В случае крепления на стену любого очень тяжелого объекта (особенно когда крепежи подвергаются динамическим нагрузкам) необходима установка усиления на стены. Для усиления используют стальные пластины или листы фанеры. Стальные пластины прикрепляют к стойкам при помощи как минимум двух винтов – саморезов на каждую стойку. После того, как гипсовые листы уже установлены, для крепления усиления используют самосверлящие винты. Усиливающие пластины поставляются толщиной 1 и 2 мм и по ширине, подогнанной к расстоянию между центрами стоек. Усиление из фанеры крепится к двойным профилям, состоящим из направляющих и стоек. Усиление должно подниматься от пола по крайней мере на 400 мм выше желаемой высоты крепления. Гипсовые листы крепятся к усилению с шагом между винтами 100-150 мм. Для сливных бачков и туалетов имеются специальные стандартные подвесные крепежи.

Стены между квартирами, не несущие нагрузку, должны отвечать категории огнестойкости EI60. В общем случае для достижения такой категории огнестойкости требуется 2 слоя 13 мм стандартного листа ГКЛ, или 15 мм слой огнеупорного гипсового листа ГКЛО с каждой стороны. Минераловолокнистые плиты должны иметь припуск 5…10 мм для того, чтобы они оставались на месте при выгорании гипсового покрытия. Несущие стены между квартирами должны отвечать категории REI60 (R – функция сохранения несущих свойств). Стена между квартирами, удовлетворяющая требованиям по пожарной безопасности для несущей и разделительной функций, конструируется из двух 15 мм огнеупорных гипсовых листов ГКЛО. Гипсовые листы начинают обрушаться после 60 минут огневого воздействия, поэтому стойки должны быть рассчитаны на вертикальную нагрузку от перекрытия с учетом работы без раскрепления листами ГКЛ, по крайней мере, с одной стороны.

Рамы дверей могут быть смонтированы разными способами в зависимости от проекта и собственной конструкции. Вертикальный профиль стены в этом случае устанавливают таким образом, чтобы внешний гипсовый лист можно было закрепить в участке над дверью несколько выше, во избежании образования трещин в поверхностном слое. Для монтажа дверей применяют вертикальные стойки усиления различной толщины, в зависимости от веса двери. Рекомендуется выбирать толщину стойки усиления до 1,2 мм, что позволяет применять самосверлящие винты.

Стальные или деревянные рамы монтируют, руководствуясь типом исходного материала. При стандартной нагрузке могут быть использованы стандартные (неусиленные) вертикальные стойки. Узел же крепления, при этом, усиливается со всех сторон деревянными стойками рамы двери. При больших нагрузках применяют усиливающие стойки. Скользящие двери могут встраиваться в одинарные или двойные стены. В таком случае требуется полость минимум 100 мм. На обеих кромках двери, как внутри стены, так и непосредственно в проеме, должны использоваться усиливающие стойки.

Если требуется высокий уровень безопасности, то стены могут быть усилены противовзломными листами различных размеров. Используемый материал не должен снижать устойчивость стен против влаги и тепла. В стенах, относящихся к пожарозащитным, этот материал также должен быть негорюч или отвечать тем же требованиям пожарной безопасности, что и гипсовые листы, прикрепленные к стальному каркасу. Противовзломный лист устанавливается (приклеивается или привинчивается) сверху первого гипсового листа (ГКЛ/ГВЛ), привинченного к каркасу. Второй и третий гипсовые листы также приклеиваются или привинчиваются к противовзломной пластине. Противовзломные листы устанавливаются внахлест на 50 мм как минимум и прикрепляют друг к другу на расстоянии 100 мм между точками и присоединяются к стойкам.

Перекрытия, полы и потолки

Перекрытия (полы) изготавливают из легких стальных С- или Z-образных профилей толщиной 2-3 мм и высотой 150, 200, 250, 300 мм. Для обрамления блоков перекрытий по периметру стен применяют U- и C-образные профили соответствующей высоты. По верхнему поясу стальных профилей закрепляются профилированные стальные листы (высотой 25 или 40 мм). Опалубка из профлиста распределяет вертикальные нагрузки, а также создает жесткий диск перекрытия, обеспечивающий устойчивость всего здания. Верхняя отделка состоит из листов ГВЛ или тонкого слоя ангидрита (безводного гипса).

Чаще всего для покрытия пола применяют 13 мм стандартные листы ГВЛ и 15 мм половые панели. Нижние листы ГВЛ прикрепляют к опалубке из профлиста, а верхние листы ГВЛ приклеивают к нижним листам. Возможно первый лист приклеивать к профлисту, а верхний лист затягивать винтами. Перекрытия с С-образными 200/2.0 – балками могут иметь максимальный пролет до 4,2 м. С балками больших размеров (соответственно большей жесткости) возможно обеспечение пролетов более чем в 8 м.

Подвесные потолки состоят из двух слоев листов ГВЛ. Стык потолочных (нижних) листов ГВЛ с С-образными прогонами выполняется на «гибком» подвесе в целях обеспечения звукоизоляции перекрытия. «Гибкость» подвески обеспечивается применением либо специальных акустических скоб, либо акустического потолочного профиля. Акустические профили дают для листов ГВЛ пружинящее – мягкое подвешивание и, в результате, хорошую звукоизоляцию. Профили подвесного потолка прикрепляются к несущим балкам с шагом 400 мм, но не более 300 мм от стен. Акустические скобы крепят к нижнему поясу балок с шагом 1200 мм вдоль профиля подвесного потолка и через 800 мм вдоль С-образного несущего профиля. Элементы крепления потолков присоединяют к профилю подвесного потолка. Более тяжелые предметы прикрепляют самостоятельно напрямую к С-образным несущим балкам после установки потолочных листов ГВЛ. Подвижная гибкая подвеска потолка в сочетанием со слоем утеплителя 300…360 мм (укладываемым в полость между балками и профилями подвесного потолка) дают звукоизоляцию Rw 57…60 дБ и при шаговом шуме Ln,w 54-55 дБ.

Распространенный вариант перекрытия имеет следующее конструктивное решение: С-образные балки высотой 300 мм и толщиной профиля 3,0 мм; 45 мм опалубки из профлиста; два слоя ГВЛ (по 13 мм) для пола сверху; подвесной потолок из 13 мм стандартного листа ГКЛ и 15 мм огнестойкой плиты ГКЛВ, прикрепленной к нижней опалубке из профлиста (высотой 45 мм), закрепленного к нижнему поясу балки. Полость перекрытия заполняется с уплотнением слоем минераловолокнистых плит толщиной 360 мм. Узлы стыка между полом и внешней стеной должны быть спроектированы так, чтобы не допускать вертикальной передачи звука и проникновения влаги извне в конструкцию перекрытия. Отверстия для инженерных коммуникаций должны быть проделаны в несущих профилях перед сборкой конструкций.

Категория огнестойкости конструкции пола оценивается путем тестирования. Полы между квартирами (для зданий от двух этажей) должны соответствовать противопожарным требованиям EI60. Если конструкция пола удовлетворяет требованиям по несущей нагрузке, то она, в общем случае, отвечает требованиям и по разделительной функции. Снизу конструкция пола защищена от огневого воздействия потолком, который может быть либо прикреплен непосредственно к балкам перекрытия, либо подвешен. Если подвесной потолок категории EI60 защищает несущую стальную конструкцию, то требование противопожарной безопасности по REI60 также выполняется для несущих балок конструкции перекрытия. Противопожарная защита может быть выполнена путем облицовки потолка двумя слоями 15 мм огнеупорного гипсового листа ГВЛО. Пол защищают аналогично с помощью гипсовых листов пола.

Кровельные конструкции

Кровельными конструкциями, изготавливаемыми из тонкостенной оцинкованной стали являются: кровельные стропильные фермы; чердачные балки с подпоркой (дополнительными стойками); кровельные балки с опиранием на внутренние и наружные несущие стены; кровельные несущие теплые панели-«сэндвич». Небольшой собственный вес кровельных ЛСТК позволяет широко их использовать как в новом строительстве, так и при реконструкции существующих зданий. Предпочтительно, чтобы кровельные ЛСТК изготавливались заводским способом.

Кровельные стальные фермы, изготовленные из ЛСТК, имеют С-, U-, или Z-образное сечение. Альтернативно, профили могут быть использованы для верха или низа рамы по той же конструкции, что и для каркасной стены. Поставляемые элементы ферм имеют нужную длину рабочей стороны, либо той, к которой должны крепиться кровельные стропила. Профили, образующие пояса и раскосы стропильных ферм, обрезаются диагонально у краев крыши. Благодаря высокой несущей способности стали возможно изготовление конструкций мансардного типа, что увеличивает чердачное пространство. Кровельные стропильные фермы предпочтительнее изготавливать в заводских условиях либо на земле, перед подъемом на место. Балка с подпорками на чердачную конструкцию эффективна с точки зрения стоимости, но предполагает передачу нагрузки с каркаса кровли на пол чердака, что делает необходимым усиление чердачного перекрытия.

Опирание стропильных ферм (балок) должно всегда производиться на вертикальные стойки стен с тем, чтобы стойки были центрально нагружены. Если оси стропильных ферм (балок) не совпадают, то для распределения нагрузки под стропилами располагают балку (усиленную перемычку). Распределение нагрузки под кровельными стропилами может быть сделано, например, при помощи жестких пластин, образованных стуком вертикальных перфорированных профилей и стального листа.

Для мансардных этажей рекомендуется выбирать легкие конструкции и материалы из легкого металлического профиля. В системе RANNILA, например, несущим элементом мансарды (одно- или двухэтажной) является двухпролетная поперечная рама с элементами из спаренных тонкостенных сигма-профилей. Сигма-профиль представляет собой легкий оцинкованный профиль, напоминающий греческую букву ?, изготовленный из стали толщиной до 3 и высотой 400 мм. Соединение профилей в узлах рамы – на болтах. Шаг рам в зависимости от поперечных стен составляет 2,6-3,2 м. По контуру рам вдоль мансарды с шагом 600 мм кладут прогоны швеллерного сечения с перфорированной стенкой (термопрофиль). Термопрофиль передает нагрузку от кровли к каркасу и исключает промерзание, что позволяет не применять деревянные изделия. По прогону устраивается вентилируемая обрешетка из идущих по скату гнутых Z-профилей и расположенных по ним шляпных профилей, служащих для опоры и крепления кровельных листов из металлочерепицы или профилированного настила. Устраивается теплоизоляция и монтируется внутренняя облицовка ограждения мансарды.

Система устойчивости зданий

Выбор системы устойчивости зданий зависит от таких параметров, как дизайн здания, расположение и количество этажей. В частности, система устойчивости здания должна обеспечивать безопасную передачу горизонтальных нагрузок (ветер, сейсмические волны и т.п.) на фундамент. Система устойчивости здания базируется на трех конструктивных элементах. Во-первых, гипсовые листы выполняют как функцию ограждающих элементов, служат противопожарной (и весьма эффективной) защитой металлических конструкций, так и используются одновременно в качестве элементов устойчивости. В этом случае прочность стен против сдвига определяется способом крепления листов (гипсовых, фанеры, ЦСП) к стальному несущему каркасу. Во-вторых, обеспечению устойчивости здания служат фермы и их соединения со стеновыми панелями. В третьих, устойчивость может также обеспечиваться жесткими узлами соединений элементов тяжелого каркаса. Этот способ не требует других дополнительных приемов обеспечения устойчивости здания, но предполагает значительное количество болтовых (в т.ч. высокопрочных) соединений. Колонны и балки при этом должны быть также более тяжелыми и поэтому данная система не является широко распространенной.

Сохранение устойчивости многоквартирных домов при действии внеплоскостных сил ветра в том числе обусловлено эффектом напряжения панелей, а также балочным эффектом перекрытий между этажами, кровлей и стенами. В этом случае ветровые нагрузки передаются со стен, на которые действует ветер, через жесткие диски перекрытия на элементы жесткости и далее на фундамент. Сдвигающие нагрузки панелей стены зачастую комбинируются с вертикальными нагрузками на такие элементы устойчивости, как стальные фермы, каркасы, готовые сборные шахты лифтов и лестничные пролеты, отлитые на месте шахты лифтов и лестничные пролеты.

Исходя из условий устойчивости многоэтажных зданий на основе ЛСТК (при применении для стабилизации эффекта напряжения панелей), был проведен расчет их этажности. Исследования проводились на двух различных типах строений (табл. 2.): на строениях, условно называемых, «гибкими» (с немногочисленными стабилизирующими стенами и с фасадом, в большей части состоящим из окон и дверей) и на «негибких» строениях с большим числом стабилизирующих стен.

Таблица 2.
Тип стабилизирующей системы и этажность здания
Таблица 2. Тип стабилизирующей системы и этажность здания

Таблица 2. Тип стабилизирующей системы и этажность здания

В «гибких» строениях нагрузки передаются с этажа на этаж через краевые балки. При использовании гипсовых листов число этажей ограничивается двумя. При использовании панелей из других материалов или с поперечными ветровыми балками можно строить выше. Однако потеря устойчивости балок перекрытия (краевых балок) ограничивает сооружение тремя этажами. В «негибких» строениях предельным являются четыре этажа как при использовании гипсовых листов в качестве раскрепления стен, так и других материалов. В случае применения панелей с обшивкой из более прочных материалов (фанеры, например), этажность ограничивается из-за потери устойчивости стенки краевых балок. В случае усиления стенок краевых балок становится возможным строительство сооружений большей этажности.

Наибольшая этажность определяется степенью усиления и типами используемых конструкций перекрытий и стен. Каркас из колонн и балок, изготовленный из прокатных или сварных профилей в комбинации с самонесущими тонкостенными конструкциями, делает возможным строительство более высоких зданий. Выбор каркаса здания определяется, в первую очередь, типом здания и принятым методом строительства. При выборе типа каркасной системы экономическое обоснование должно проводиться для каждого конкретного случая. Здания высотой более трех этажей сегодня экономически выгоднее строить с использованием ЛСТК в сочетании с более тяжелыми стальными профилями из балок и колонн.

Системы жизнеобеспечения

Выбор систем жизнеобеспечения здания (электрика, сантехника, тепло- и водоснабжение и пр.) определяется в основном запросами будущих пользователей данного здания. Расходы же на внутренние коммуникации составляют 20-40 % контрактной стоимости здания, а доля монтажа этих коммуникаций составляет 20-45 % их стоимости. Арматура для электропитания, телефона, компьютерной сети и TV может размещаться внутри трубопроводов в стенах и полах; в коробах вне стен и полов; в каналах (коробах, трубах) внутри стен и полов. Рекомендуется по возможности избегать размещения проводки по внешним стенам, в полостях сдвоенных рам в межквартирных стенах. В случае заводского изготовления стен и половых панелей возможна и фабричная установка в них вспомогательной арматуры. В случае строительства на месте рекомендуется использование внешних коробов. Стояки труб для водопровода и канализации размещают в вертикальных колодцах для каждой квартиры, например рядом с лестничными блоками. Кухни и ванные комнаты рекомендуется располагать рядом для использования единой вентиляционной шахты. В некоторых случаях является предпочтительным заводское изготовление блоков санузлов с готовой внутренней начинкой. Для отопления могут использоваться подогреваемые полы и потолки, тепловентиция, но традиционным и основным – система водяного отопления с радиаторами. Трубопроводы отопления прокладываются вертикально в открытом виде в углах или вблизи окон. Горизонтальные соединения проводят вдоль стен к радиаторам. При производстве стеновых секций на заводе к ним часто монтируются радиаторы. Подсоединение к линиям теплоснабжения в полах осуществляется при сборке секций на строительной площадке.

Высокая точность размеров, высокий процент использования изготовленных заранее готовых элементов и быстрый монтаж делают строительство из легких стальных конструкций и в том числе на основе легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) выгодной альтернативой традиционным методам строительства.

Малый вес конструкции из ЛСТК снижает требования к фундаменту и его стоимость. В большинстве случаев подойдет фундамент мелкого заложения (монолитная плита), ленточный фундамент или фундамент на буронабивных сваях. Также благодаря малому весу эта технология подходит для реконструкции и реновации существующих зданий.

Благодаря легкости каждого элемента, точному размеру, маркировке и сборочным чертежам монтаж каркаса на строительной площадке напоминает сборку детского конструктора. Бригада из 3-4 человек может собрать полностью каркас дома площадью 150-200 м2 за 2-3 недели, под чистую отделку. Для сборки всех элементов стальных перекрытий здания необходимо иметь только простейшие электроинструменты (электродрель, шуруповерт), т.к. все стальные перекрытия соединяются при помощи самосверлящих шурупов (самонарезающих винтов), что позволяет увеличить темпы строительства в 1,5-3 раза, сократить транспортные расходы в 2-3 раза.

Отсутствие кранов или каких-либо грузоподъемных механизмов на всем этапе установки каркасов стен, кровли, перегородок особенно актуально, если место строительства удалено от дорог, или при экстремальной ситуации нужно быстро и качественно собрать «коробку» в минимальные сроки.

Монтаж конструкций не требует традиционной сварки, весь каркас ЛСТК крепится саморезами, заклепками, болтами. Так как технология на основе ЛСТК является «сухим» способом строительства, монтаж можно вести круглый год. Это особенно важно для инвестора и при строительстве экономичного жилья, когда возврат вложенных средств является определяющим фактором.

Металлические конструкции из ЛСТК отличаются высокой надежностью и долговечностью, воплощая в строительстве лучшие качества металла. Антикоррозийная защита на основе цинкового покрытия гарантирует вам отсутствие коррозии десятки и даже сотни лет.

Сталь и термопрофиль ЛСТК – экологически чистый материал, не выделяющий запахов и вредных веществ в атмосферу. При правильной эксплуатации стальные конструкции безопасны для здоровья и окружающей среды. В составе дома из ЛСТК в качестве обшивки обычно применяются гипсокартонные и гипсоволокнистые листы, а в качестве утеплителя каменная вата. Производство ЛСТК позволяет изготовить пожаростойкие конструкции. Пожаростойкость обеспечивается плитным материалом обшивки, количество слоев которой может быть подобрано оптимальным образом под конкретные противопожарные требования.

Применение эффективного утеплителя в каркасах из перфорированных термопрофилей позволяет получать значения коэффициента сопротивления теплопередачи до 5,6 без учета возможных вариантов утепления по фасаду. Это свойство позволяет значительно снизить издержки при эксплуатации зданий и уменьшить нагрузки на городские сети. Высокие теплосберегающие показатели позволяют применять ЛСТК в малоэтажном строительстве (и не только) для экономичного строительства даже в условиях Крайнего Севера.

Здания, построенные с применением технологии ЛСТК, имеют стабильные размеры, хорошо защищены от влияния биологических и температурно-влажностных процессоров, долговечны, энергоэкономичны, а при окончании срока службы или при необходимости капитального ремонта не столь затратны, как строения из классических материалов.

Технология ЛСТК и продуманность монтажа помогают обеспечить порядок и чистоту стройплощадки, т.к. минимальное количество материалов идет в неперерабатываемые отходы и сохраняется возможность разборки компонентов здания для повторного использования.

Фотоматериалы предоставлены ООО «ПрофСтальПрокат» и ГК «Росиндустрия-ГЕНЕЗИС»