Металлический каркас здания: виды, особенности конструкции и монтажа

Металлический каркас здания отвечает всем современным требованиям к постройке: он легок, прочен, быстро монтируется и надежен в эксплуатации. Данная технология широко применяется при монтаже быстровозводимых зданий складского и производственного назначения. Впрочем, жилые помещения также могут быть построены по этой технологии.

Есть у металлических каркасов свои особенности и недостатки, которые необходимо учитывать, отдавая предпочтение такому строительству. В нашей статье мы расскажем о том, почему эта конструкция настолько популярна, какие имеет достоинства и недостатки, а также поговорим о ее монтаже и защите.

Принцип работы металлического каркаса здания

Пространственная жесткость зданий обеспечивается за счет несущего каркаса с соответствующей системой связей и узлами жесткости. Благодаря современным технологиям можно полностью выполнить пространственный расчет каркаса, оценив функционирование его конструктивных элементов.

Предварительные расчеты возможно сделать, воспользовавшись упрощенной схемой, по отдельности рассчитывая элементы металлического каркаса здания в поперечном и продольном направлениях.

Выполнив предварительный расчет поперечного элемента, можно определиться с основными сечениями конструкции и типами узлов соединения. Для обеспечения жесткости поперечной рамы используется жесткость узлов, поскольку большинство поперечных рам не предусматривает наличия системы связей. В основном, поперечные рамы возводятся путем жесткого крепления колонн к фундаменту и шарнирного крепления ригелей к колоннам. В ряде случае ригели жестко крепятся к колоннам, в таком случае такие поперечные балки имеют меньшее сечение, в то время как колонны – большее. Подобную схему используют при возведении невысоких колонн или при использовании мостовых кранов.

За счет предварительного расчета продольного элемента металлического каркаса здания определяют систему продольных связей, принимающих на себя ветровую нагрузку, рассчитывают прогоны покрытия, стеновые прогоны, подкрановые балки и подстропильные фермы.

В процессе расчета поперечных элементов необходимо учитывать световые и аэрационные фонари, поскольку они оказывают влияние на определение схемы снеговой нагрузки, а также на передачу нагрузок на ригель. Функция фонарей заключается в обеспечении естественного освещения и вентиляции, что актуально при возведении высотных зданий с большими пролетами.

Основное усилие мостовых кранов приходится на подкрановые конструкции, выполняемые в виде дополнительных ветвей колонн. Если предполагается невысокая грузоподъемность, возможно их совмещение с основными колоннами. В таком случае подкрановые балки или фермы опираются на консоли, которые приваривают к основным несущим конструкциям здания.

Если колонны имеют большой шаг, при котором используемые панели или прогоны не в состоянии полностью перекрыть пролет, то требуются дополнительные подстропильные фермы. При этом прогоны или перекрытия укладывают на стропильные фермы, размещенные на подстропильных.

Вдоль и по покрытию возводимого здания устанавливают систему связей. Дополнительная жесткость создается за счет стеновых и кровельных панелей, однако они обычно не учитываются при расчетах. В ряде случаев предусмотрены дополнительные монтажные связи, устанавливаемые на время сборки.

Фахверк подвержен ветровой и стеновой нагрузкам, передаваемым затем на существующий каркас и фундаменты здания.

В узлах элементы соединяют болтами, сваркой или заклепками (если предполагаются большие динамические нагрузки).

Плюсы и минусы металлических каркасов

1. Достоинства металлических каркасов

• Невысокая стоимость металлических каркасов возводимых строений и сооружений, на которую влияют такие параметры, как:
• используемые материалы;
• способ крепежа;
• стоимость монтажных работ.
• Для изготовления металлических каркасов зданий используют сталь. Поэтому конструкции носят название ЛСТК – легкие стальные тонкостенные конструкции.

• Металлические каркасы характеризуются также прочностью и легкостью. Несмотря на меньший вес, они способны выдерживать высокие и тяжелые строения.
• Металлические каркасы одноэтажных и не только зданий производят на заводе по предварительно составленному проекту, содержащему значения всех элементов конструкции. В последних возможно расположение скрытой проводки. Благодаря материалу изготовления (стали) они отличаются высокой огнеупорностью, а также коррозионной устойчивостью.
• При использовании металлокаркасов в процессе возведения легких домов отсутствует высокое давление на почву, соответственно, не происходит усадки зданий. Конструкция металлических каркасов зданий не подвергается деформации, благодаря чему сохраняются внешняя и внутренняя отделка.
• За счет использования при строительстве домов металлических каркасов сводится к минимуму вероятность развития гнилостных процессов, так как металл препятствует размножению бактерий, вызывающих гниение.

• Высокая износостойкость – еще одно достоинство металлических каркасов зданий. Длительная эксплуатация не окажет отрицательного влияния на характеристики используемых материалов.
• Возможность изготовления различных вариантов конструкций и, как следствие, вероятность быстрого воплощения в жизнь многообразных архитектурных решений – следующее достоинство металлокаркасов.
• Совместимость конструкций с любыми материалами.
• Высокая пожароустойчивость.

2. Недостатки каркасов

• Оцинкованная сталь характеризуется повышенной теплопроводностью, результатом которой являются большие теплопотери. Для компенсации данного минуса достаточно использовать качественный утеплитель нужной толщины.
• Подверженность металлов коррозии. Однако использование специальных защитных покрытий успешно справляется с этим недостатком.
• Промышленно изготавливаемые металлические каркасы зданий стоят в два раза дороже аналогичных конструкций из дерева. Но при этом будут отсутствовать отходы, не потребуется подпиливания балок и стоек.
• Монтаж металлоконструкций, в отличие от возведения деревянных срубов, под силу исключительно профессионалам, на работе которых экономить не следует.
• Гулкость. Но этот недостаток устраняется путем использования гипсокартонных оснований и утеплителя.
• Самостоятельно изготовить металлический каркас здания невозможно, однако для реализации подобных проектов существуют специализированные конструкторские бюро, в штате которых состоят профессиональные проектировщики, инженеры и архитекторы.

Виды металлических каркасов здания

В различных направлениях строительства используются разные виды металлических каркасов зданий, на которых остановимся более подробно.

1. Металлокаркасы для быстровозводимых конструкций.

   Быстровозводимые строения (склады, ангары, торговые павильоны и т. п.) строят с использованием металлических каркасов. В большинстве случаев остовы поставляют как набор стандартных элементов, размеры которых позволяют их без проблем транспортировать и складировать. Возведение металлического каркаса зданий из таких деталей занимает немного времени и отличается простотой.

   В зависимости от способа монтажа сборные металлические каркасы могут быть стационарными и мобильными.

2. Несущие металлокаркасы зданий

   Каркас является несущей основой любого строения. В настоящее время в большинстве случаев используют металлические остовы, конструктивно представляющие собой вертикальные стойки и горизонтальные перекладины – ригели. Элементы конструкции соединяются друг с другом посредством сварки или болтами, образуя поперечные рамы с прикрепленными к ним растяжками, которые придают зданию прочность.

   Каркас устанавливают на фундаменте. После монтажа основы конструкции ее дополняют кровельными и стеновыми прогонами. Готовые остовы облицовывают кирпичом, железобетоном или другими материалами. Качество установленного каркаса прямо влияет на прочность, надежность и долговечность возводимого здания или строения.

3. Арматурные металлокаркасы

   В основе любых железобетонных изделий лежит каркас из арматуры, усиливающий несущую способность элементов здания, повышающий прочность и устойчивость к различным воздействиям. Арматура в основном изготавливается из металла. Качество остова влияет на долговечность здания.

Существуют сварные, линейные и объемные арматурные металлокаркасы:

• Сварные. При производстве этого типа каркасов продольные и поперечные стержни арматуры соединяются при помощи сварки, а получившуюся жесткую конструкцию заливают бетоном.
• Линейные. Такими каркасами армируют стены, потолки, стяжки пола, при этом армируемые поверхности могут быть изогнутыми, цилиндрическими и т. п., с небольшой площадью поперечного сечения.
• Объемные, т. е. трехразмерные конструкции, изготавливаемые из металлических решеток.

2 типа металлического каркаса для быстровозводимых зданий

1. Металлокаркасные быстровозводимые здания из легких стальных конструкций (ЛСТК)

Широкий спрос на подобные металлические каркасы зданий обусловлен их следующими достоинствами:

• прочностью конструкции;
• длительным сроком службы;
• энергоэффективностью;
• внешней привлекательностью;
• быстротой монтажа металлического каркаса зданий.

Каркасы изготавливают из металлического профиля, отличающегося высокой прочностью при небольшой стоимости. Металлокаркасы пришли на смену деревянным конструкциям и в настоящее время с их помощью строят:

• небольшие отели;
• кемпинги;
• складские помещения и ангары;
• коттеджи.

Достоинством каркасов зданий из ЛСТК является возможность строительства независимо от времени года. Для цоколя и фасадов используют:

• кирпич;
• сайдинг;
• плитку из керамогранита.

Здания из ЛСТК легко демонтируются, в процессе возведения требуют минимального использования сварки. Утепляют объекты термопанелями.

2. Быстровозводимые металлокаркасные здания из легких металлоконструкций (ЛМК)

Строения с большими пролетами требуют использования металлических поперечных и вертикальных креплений.

Благодаря подобным каркасам:

• существенно снижается расход материалов (металла требуется в два раза меньше);
• уменьшается вес строения (в 3,5 раза);
• сокращаются трудозатраты.

По прочности строения из ЛМК соответствуют классическим конструкциям.

Для производства ЛМК используются:

• Горячекатаные профили (они нуждаются в проведении антикоррозийной обработки, сварных работ, обладают большим весом).
• Сварные конструкции. Балки толщиной 4-5 мм могут иметь любое сечение.

Для гибки профилей из стальных полос толщиной 0,7–4,2 мм используют холодный метод. Поверхность металлических конструкций на заводе покрывается горячим цинком.

Элементы соединяются друг с другом болтами. Несущие компоненты изготавливают на заводах. Стандартизация позволяет избежать зазоров и деформаций при сборке каркасов. Благодаря этому возрастает прочность конструкции. Возведение строений из ЛМК требует в два раза меньше времени и на треть меньше денежных средств.

Требования к металлическому каркасу здания

Для металлического каркаса здания важны такие характеристики, как надежность, долговечность и экономичность.

1. Эксплуатационные нормы, требования надежности и долговечности

Для промышленных строений и сооружений конструктивная схема каркаса имеет особое значение, поскольку она в значительной степени зависит от габаритов и размещения внутри здания оборудования, используемого внутрицехового транспорта, путей перемещения деталей и готовой продукции. Для производства различных товаров используются разнообразные технологии, однако эксплуатационные требования отличаются конкретикой и спецификой определенного производства.

Впрочем, ряд предъявляемых нормативов одинаков для всех возводимых металлических каркасов производственных зданий:

• Производственное оборудование требует удобства обслуживания и при необходимости выполнения ремонтных работ, что должно учитываться при расположении колонн, подкрановых путей, связей и прочих элементов каркасных строений.
• Возможность свободной эксплуатации, осмотра и ремонта кранового оборудования, других подъемных механизмов.
• Соблюдение условий аэрации и освещенности зданий.
• Длительный срок эксплуатации каркаса, зависящий от степени агрессивности среды внутри цеха.
• Соблюдение требований пожарной и взрывной безопасности.

Функционирование каркасов в значительной степени зависит от кранов. Динамические, многократно повторяющиеся, существенные по величине крановые воздействия могут привести к быстрому износу и повреждению конструктивных элементов металлического каркаса. Наиболее подвержены воздействию подкрановые балки. Соответственно, в процессе проектирования следует учитывать функционирование мостовых кранов, зависящее от назначения возводимого здания и планируемых производственных процессов.

Проектируя металлический каркас промышленного здания, необходимо учесть режим работы кранов и тип подвеса груза. Если на производстве будут использоваться краны наиболее тяжелого режима работы, продольная и поперечная жесткости каркаса, надежность и выносливость подкрановых балок должны быть увеличены.

Следовательно, до начала проектирования заказчик должен предоставить исчерпывающую информацию относительно транспортного оборудования, количества циклов нагружения конструкций за нормативный срок их эксплуатации (под циклом нагружения понимается изменение напряжения от нуля до нуля через максимальное значение). Количество циклов для подкрановых конструкций равно количеству подъемов груза за нормативный срок службы.

Функционирование и долговечность металлических конструктивных элементов каркаса здания зависит от внутрицеховой среды. Для определения степени агрессивного воздействия среды на стальные конструкции используют скорость коррозионного поражения незащищенной металлической поверхности, мм/год. Существует четыре степени агрессивности среды для металлоконструкций, каждая зависит от концентрации агрессивных газов и относительной влажности внутри помещения. Среда может быть:

• неагрессивной (металл подвержен коррозии со скоростью до 0,01 мм/год);
• слабой (до 0,1– 0,05 мм/год);
• средней (до 0,1 мм/год);
• сильной (свыше 0,1 мм/год).

2. Экономические факторы

Они включают в себя затраты на возведение здания, в том числе стоимость:

• используемых материалов;
• способа изготовления, перевозки и монтажа металлического каркаса здания.

Следует помнить о том, что расходы будут меньше при меньших временных затратах на строительство, а также при раннем начале изготовления продукции. Также подлежат учету затраты, необходимые для поддержания строения в состоянии, которое обеспечивает его нормальную эксплуатацию на протяжении всего срока службы.

Типизацию конструкций используют как в отношении конструктивных схем здания в целом, так и его отдельных элементов.

В процессе типизации в первую очередь определяют минимальный обоснованный размер основных параметров здания (включая пролеты, шаги колонны, высоты). Для этого используют унифицированные габаритные схемы строений. Далее следует разработка проекта типовых элементов конструкции (колонн, стропильных и подстропильных ферм, подкрановых балок, связей, вспомогательных конструкций). Последний этап типизации заключается в разработке рабочих чертежей сортамента типовых конструктивных элементов, из которых изготавливают металлический каркас здания.

Важное значение имеет принцип модульности, который представляет собой соизмеримость габаритов элементов, кратности их определенной величине, называемой модулем. Благодаря этому принципу:

• уменьшается количество монтажных элементов;
• максимально снижается объем укрупнительной сборки на стройплощадке, так как используются более крупные отправочные элементы;
• повышается транспортабельность элементов каркаса здания;
• упрощаются монтажные соединения деталей;
• обеспечивается требуемая жесткость конструкции в процессе транспортировки и монтажа металлического каркаса;
• сокращается время, затрачиваемое на проектирование.

Благодаря унификации объемно-планировочных и конструктивных решений значительно сокращается количество типоразмеров конструктивных элементов каркаса, что позволяет разрабатывать типовые конструкции, подходящие для многократного применения.

В настоящее время производственные здания общего назначения возводятся на основании типовых чертежей колонн, ферм, подкрановых балок, фонарей, вспомогательных конструкций.

Для снижения стоимости монтажа металлокаркасных зданий используют конвейерную сборку, суть которой заключается в том, что отдельные детали каркаса на специальной площадке собирают в жесткие пространственные блоки, которые в дальнейшем целиком устанавливаются в положение, предусмотренное проектом.

Такой способ монтажа наиболее оправдан при возведении зданий и строений большой площади. Следовательно, при их проектировании следует учитывать возможность использования блочного способа сборки. При этом в монтируемые конструкции вносятся определенные изменения.

Нюансы монтажа металлического каркаса здания

• Монтаж колонн рядовых рам

Для крепления каркаса здания к фундаменту используются анкерные болты.

Чтобы фиксировать монтируемые конструкции, необходимо заранее подготовить временные связи, расчалки в количестве, определяемом монтажно-строительной организацией.

Ответственность за временные связи при возведении здания лежит на строительно-монтажной компании.

В первую очередь подготавливается фундамент, затем на него устанавливают и закрепляют колонны рядовых поперечников. Первоначальный этап монтажа колонн заключается в создании связевых секций. В процессе сборки важно поддержание колонны в вертикальном положении до того, как необходимо будет ее раскрепить временными связями. В роли последних чаще всего выступают текстильные канаты или другие материалы, которые не деформируют конструкции. Колонна должна удерживаться на месте до крепления к фундаменту и фиксации при помощи временных связей.

После установки оставшихся колонн связевой секции они крепятся к фундаменту, устойчивое положение обеспечивается временными связями.

Далее устанавливаются прогоны, распорки и связи по колоннам связевой секции. Важно следить, чтобы наружная плоскость полок стеновых прогонов была заподлицо с плоскостью наружных полок колонны. Устанавливая гибкие связи, необходимо определить очередность натяжения, чтобы не возникла неравномерная деформация каркаса и его элементов. Усилие натяжения гибких связей – 0,3 тонны (т. с). Контроль натяжения связей выполняется после закручивания с занесением результатов измерения в специальный журнал. В процессе установки важно контролировать проектное расстояние по осям здания.

После того как установлены колонны связевой секции, к ним последовательно присоединяют колонны рядовых рам, скрепляемых друг с другом при помощи распорок и прогонов. Последующие колонны запрещено монтировать до того, как будут установлены все прогоны и распорки между ранее возведенными колоннами. Сборку выполняют до тех пор, пока не будет собран последний связевый блок или крайняя рядовая рама.

• Монтаж ферм рядовых рам

Собирать фермы покрытия здания начинают с установки связевого пролета. Первая ферма связевого блока монтируется при помощи траверсов и текстильных строп. Строповка несущей конструкции выполняется в двух местах – в каждой трети длины ее габарита. В процессе строповки запрещено использовать стальные или цепные стропы из-за возможности повреждения тонкостенных металлических элементов металлического каркаса здания или сооружения.

Ферма должна удерживаться в поднятом вертикальном положении до закрепления на колоннах с помощью временных связей. В роли последних выступают текстильные канаты или другие материалы, которые исключают вероятность деформации элементов металлического каркаса.

Установка второй фермы выполняется аналогичным образом при помощи траверсов и текстильных строп. Эта несущая конструкция удерживается на месте, кровельные прогоны крепятся в ее краях и в четвертях пролета, распор устанавливается по нижнему поясу фермы.

Оставшиеся кровельные прогоны связевого блока монтируются согласно монтажным чертежам. Наружная плоскость полок кровельных прогонов должна быть расположена заподлицо с плоскостью наружных полок верхнего пояса фермы.

Затем устанавливаются вертикальные и горизонтальные связи по покрытию (по фермам). Гибкие связи натягиваются на проектное усилие 0,3 тонны (т. с.). Проконтролировать натяжения связей необходимо по моменту закручивания с занесением результатов измерения в специальный журнал.

Далее необходимо проверить прямоугольность и вертикальность раскрепленного связями пролета. Для проверки используется теодолит.

После сборки связевого блока к нему следует последовательно присоединить рядовые фермы, скрепив их друг с другом при помощи кровельных прогонов и распоров. Фермы монтируются способом, аналогичным описанному выше. Последующие несущие конструкции нельзя монтировать до того, как будут установлены все кровельные прогоны и распоры между ранее собранными элементами каркаса. Сборку следует выполнять до последнего связевого блока или крайней рядовой рамы.

Временные связи, расчалки, распорки удаляются после того, как будет выполнен окончательный монтаж ограждающих конструкций.

• Монтаж каркаса торцевых стен

На подготовленный фундамент в соответствии с монтажными схемами устанавливаются предварительно собранные элементы торцевой стены.

Собранная торцевая балка устанавливается на опоры стоек.

Кровельные прогоны монтируются в соответствии с монтажными схемами.

Распорки распределяются по стойкам, устанавливаются прогоны стен и гибкие вертикальные связи. Гибкие связи натягиваются на проектное усилие.

Вертикальность и горизонтальность собранных стоек проверяется при помощи теодолита.

Затем в соответствии с проектной документацией монтируются конструкции, обрамляющие дверные, оконные проемы, проемы ворот.

Защитные покрытия металлического каркаса здания

И в промышленности, и в быту поверхность металлического каркаса зданий и сооружений покрывается специальным пленочным слоем.

1. Нанесение дополнительного металла

Используемый в качестве защитного покрытия металл должен обладать высокими собственными антикоррозийными свойствами. Для этих целей подходят цинк, олово, хром, никель. В зависимости от выбранного материала используется тот или иной технологический процесс.

Чаще всего применяется цинкование. Нанесение анодных пленок служит электрохимической защитой металлических поверхностей, катодных – только механической. Повреждение катодного слоя повышает подверженность металла коррозии.

Нанесение на металлические элементы каркаса защитного слоя выполняется путем:

• погружения в горячий металл;
• осаждения на деталях солей из электролита;
• газотермическим способом (посредством напыления плазменной струей);
• плакирования, т. е. одновременной горячей прокатки обоих металлов, за счет которой они прочно соединяются друг с другом, образуя особый материал – биметалл.

СНиП требует обязательной антикоррозионной защиты металлических каркасов зданий за счет горячего цинкования и плазменного напыления для сварных соединений, болтов и заклепок, а также отдельных монтажных деталей.

2. Неметаллические покрытия

Способ заключается в нанесении на металлические поверхности органических покрытий (лакокрасочных составов, смол, полимерных материалов), защищающих металлы от агрессивного воздействия внешней среды.

В основе используемых для антикоррозийного покрытия красящих составов лежат взвешенные красящие частицы в органическом связующем, а лаков – смолы с растворителем.

Для лакокрасочных материалов (ЛКМ) характерна отличная заполняемость отверстий, однородность, пластичность, высокие адгезивные свойства. Правильно нанесенные покрытия обеспечивают эффективную защиту металлических каркасов зданий в течение 5 лет.

Согласно требованиям СНиП, до нанесения защитного покрытия металлические конструкции очищаются (степень 1). Нормирование уровня очистки алюминиевых поверхностей не предусмотрено.

Добавление в красящие составы или лак определенного количества металлической пыли улучшает свойства покрытия, придавая ему эффект протектора.

Допускается использование неорганических покрытий (оксидов металлов, соединений хрома, эмалей).

Хромируют конструкции при помощи диффузионного метода, эмалируют за счет высокотемпературного воздействия в заводских условиях. Основным недостатком эмалированных покрытий является их хрупкость, возможность повреждения при механических воздействиях.

Хорошая защита обеспечивается путем нанесения прочной оксидированной пленки, получаемой после обработки металла растворами кислот.

Недостаток такого покрытия заключается в невысокой устойчивости к воздействию влаги и воды. Для большей прочности оксидную пленку пропитывают маслами.

В соответствии с требованиями СНиП после химического оксидирования алюминиевых деталей их необходимо окрашивать.

Коррозия – это самопроизвольный процесс, приводящий к негативным последствиям. Профилактические процедуры следует проводить заблаговременно, до того, как появятся первые видимые признаки ржавчины.

Перечисленные способы противодействия возникновению коррозии широко распространены, однако в большинстве случаев их можно использовать исключительно в заводских условиях. В бытовых целях приходится ограничиваться покрытием металлических поверхностей красками или лаками.