Металлические каркасы

Металлический каркас — это несущая конструкция здания или сооружения, выполненная из стальных или алюминиевых профилей (балок, колонн, ферм, связей), которая воспринимает все нагрузки (вес, ветер, снег, сейсмические воздействия) и передаёт их на фундамент. Металлические каркасы являются основой каркасного типа зданий, обеспечивая их прочность, жёсткость и устойчивость. Они широко применяются в промышленном, гражданском и специальном строительстве, а также в машиностроении и создании временных сооружений.

История

Применение металла в строительстве началось с промышленной революции XVIII—XIX веков. Первые металлические конструкции изготавливались из чугуна, который обладал высокой прочностью на сжатие, но был хрупким на растяжение. Знаковым сооружением стал Железный мост (Англия, 1779 год) — первый в мире чугунный мост. В XIX веке с развитием технологии производства стали (бессемеровский и мартеновский процессы) началось массовое внедрение стальных каркасов. В 1889 году для Всемирной выставки в Париже была построена Эйфелева башня — ажурный металлический каркас высотой 300 метров, ставший символом новой эпохи.

В России первые металлические каркасы появились в конце XIX века при строительстве промышленных цехов и вокзалов. Например, здание ГУМа (Москва, 1893 год) имеет металлический каркас с арочными фермами. В XX веке, с развитием высотного строительства, стальные каркасы стали основой небоскрёбов (например, «Уиллис-тауэр» в Чикаго, 1973 год). В СССР металлические каркасы активно применялись при строительстве заводов, электростанций и уникальных сооружений, таких как Останкинская телебашня (1967 год) — её ствол выполнен из предварительно напряжённого железобетона, но металлические элементы используются в антенной части и конструкциях.

Классификация металлических каркасов

Металлические каркасы классифицируются по нескольким признакам.

По материалу

• Стальные каркасы — наиболее распространённые. Используются углеродистые и низколегированные стали (например, С235, С345, С390). Обладают высокой прочностью, пластичностью и свариваемостью.
• Алюминиевые каркасы — применяются в случаях, когда требуется лёгкость и коррозионная стойкость (например, в авиастроении, выставочных павильонах, временных сооружениях). Менее прочны, чем стальные, но не подвержены ржавчине.

По конструктивной схеме

• Рамные каркасы — состоят из колонн и ригелей (балок), соединённых жёсткими узлами. Обеспечивают большую жёсткость и устойчивость. Используются в многоэтажных зданиях.
• Связевые каркасы — имеют шарнирные соединения между колоннами и балками, а устойчивость обеспечивается вертикальными связями (раскосами, диафрагмами). Применяются в одноэтажных промышленных зданиях.
• Рамно-связевые каркасы — комбинированный тип, где часть узлов жёсткая, а часть — шарнирная. Позволяет оптимизировать расход металла.

По типу несущих элементов

• Каркасы из прокатных профилей — двутавры, швеллеры, уголки, трубы. Наиболее распространённый тип.
• Каркасы из гнутых профилей — изготавливаются из тонколистовой стали методом холодной гибки. Применяются в лёгких конструкциях (например, в каркасах быстровозводимых зданий).
• Каркасы из ферм — несущие элементы выполнены в виде решётчатых конструкций (ферм). Позволяют перекрывать большие пролёты (до 100 м и более). Используются в спортивных аренах, ангарах, мостах.

Устройство и элементы каркаса

Металлический каркас состоит из следующих основных элементов:

• Колонны — вертикальные несущие элементы, воспринимающие нагрузку от перекрытий и покрытий. Могут быть сплошными (двутавровыми, трубчатыми) или решётчатыми.
• Балки (ригели) — горизонтальные элементы, соединяющие колонны и воспринимающие нагрузку от перекрытий. Бывают двутавровыми, швеллерными или коробчатыми.
• Фермы — решётчатые конструкции, состоящие из верхнего и нижнего поясов и раскосов. Позволяют перекрывать большие пролёты с минимальным расходом металла.
• Связи — элементы, обеспечивающие пространственную жёсткость каркаса. Вертикальные связи (раскосы) устанавливаются между колоннами, горизонтальные — в плоскости перекрытий.
• Фундаментные башмаки — опорные плиты, распределяющие нагрузку от колонн на фундамент.

Соединение элементов осуществляется сваркой, болтами или заклёпками. В современном строительстве преобладает сварка и высокопрочные болты.

Применение

Металлические каркасы используются в самых разных областях строительства и промышленности:

• Промышленные здания — цеха, склады, ангары, заводские корпуса. Металлический каркас позволяет создавать большие пролёты (до 30–50 м) и выдерживать крановые нагрузки.
• Гражданские здания — высотные офисные центры, торговые комплексы, спортивные арены, стадионы. Примеры: «Лахта-центр» (Санкт-Петербург, 462 м) — его стальной каркас является одним из самых высоких в Европе.
• Мосты и путепроводы — металлические фермы и балки используются для перекрытия рек, ущелий и автомобильных дорог.
• Временные и быстровозводимые сооружения — выставочные павильоны, павильоны торговых ярмарок, строительные леса. Алюминиевые каркасы особенно популярны для сборно-разборных конструкций.
• Машиностроение — металлические каркасы применяются в качестве несущих конструкций станков, кранов, экскаваторов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая прочность и лёгкость — сталь обладает высокой удельной прочностью, что позволяет создавать лёгкие и несущие конструкции.
• Индустриальность — элементы каркаса изготавливаются на заводе, что сокращает сроки строительства и повышает качество.
• Большие пролёты — металлические фермы и балки позволяют перекрывать пространства без промежуточных опор.
• Сейсмостойкость — стальные каркасы хорошо работают при землетрясениях благодаря пластичности и способности к деформации.
• Возможность реконструкции — металлические каркасы легко демонтируются, усиливаются и модернизируются.

Недостатки

• Коррозия — сталь подвержена ржавчине, что требует защиты (окраска, оцинковка, использование нержавеющих сталей).
• Пожароопасность — при высоких температурах (выше 500 °C) сталь теряет прочность, что требует огнезащиты (облицовка, вспучивающиеся краски).
• Высокая стоимость — металл дороже железобетона, хотя затраты могут окупаться за счёт скорости строительства.
• Звукопроводность — металлические каркасы хорошо проводят звук, что требует дополнительной звукоизоляции.

Интересные факты

• Самое высокое здание с металлическим каркасом — Бурдж-Халифа (Дубай, 828 м). Его стальной каркас весит около 39 000 тонн.
• В России один из крупнейших металлических каркасов имеет Олимпийский стадион «Фишт» в Сочи (2014 год) — его купол выполнен из стальных ферм пролётом 200 м.
• Металлические каркасы используются не только в строительстве, но и в авиации: например, фюзеляж самолёта — это, по сути, металлический каркас, обшитый листами дюралюминия.
• В 2018 году в Москве был построен Московский международный деловой центр «Москва-Сити» — комплекс небоскрёбов, большинство из которых имеют стальные каркасы.

Источники

• СНиП 2.03.06-88 «Алюминиевые конструкции». Госстрой СССР.
• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции». Актуализированная редакция СНиП II-23-81*.
• ГОСТ 27751-2014 «Надёжность строительных конструкций и оснований».
• «Металлические конструкции» / под ред. В.В. Горева. — М.: Высшая школа, 2004.
• «История развития металлических конструкций» / В.И. Трофимов. — М.: Стройиздат, 1985.
• «Энциклопедия строительства» / под ред. А.Н. Асаула. — СПб.: Питер, 2010.