Портальная конструкция

Портальная конструкция — это тип несущей строительной системы, образованной двумя или более вертикальными опорами (стойками, колоннами) и соединяющей их горизонтальной балкой (ригелем, прогоном), образующими жёсткую раму. В отличие от балочных или арочных систем, портальные конструкции отличаются повышенной жёсткостью и способностью воспринимать значительные вертикальные и горизонтальные нагрузки, включая ветровые и сейсмические воздействия. Основное назначение — создание проёмов, перекрытий и несущих каркасов в зданиях и сооружениях различного назначения.

История

Прообразы портальных конструкций известны с древности. В архитектуре Древнего Египта и Древней Греции использовались каменные порталы — конструкции из двух вертикальных столбов (антов) и перекрывающей их архитрава. Однако классическая портальная рама как инженерное решение с жёсткими узлами сопряжения стоек и ригеля получила развитие в XIX веке с началом промышленной революции. В 1840-х годах британский инженер Исамбард Кингдом Брюнель применил металлические портальные рамы при строительстве мостов и виадуков. В России первые портальные конструкции из чугуна и стали использовались при возведении крытых рынков, вокзалов и фабричных цехов во второй половине XIX века.

Широкое распространение портальные системы получили в XX веке с развитием монолитного железобетона и стальных каркасов. В 1930-х годах в СССР портальные рамы применялись при строительстве первых крупных ангаров и промышленных цехов. В послевоенный период, с 1950-х годов, портальные конструкции стали основой для типовых проектов сельскохозяйственных и складских зданий.

Классификация

Портальные конструкции классифицируются по нескольким признакам:

По материалу

• Стальные портальные рамы — наиболее распространённый тип в промышленном и гражданском строительстве. Изготавливаются из прокатных профилей (двутавры, швеллеры) или сварных балок. Отличаются высокой прочностью, относительно малым весом и технологичностью монтажа.
• Железобетонные портальные рамы — монолитные или сборные. Обладают высокой огнестойкостью и долговечностью, но большей массой. Применяются в зданиях с повышенными требованиями к пожарной безопасности и в сейсмоопасных районах.
• Деревянные портальные рамы — используются в малоэтажном строительстве, в частности в каркасных домах, а также в спортивных и культурных сооружениях (например, в большепролётных деревянных арках). Требуют дополнительной защиты от влаги и биоповреждений.
• Комбинированные — сочетают элементы из разных материалов, например, стальные балки и железобетонные колонны.

По конструктивной схеме

• Однопролётные — простейшая система с одной портальной рамой, образующей один проём. Используется для навесов, гаражей, небольших складов.
• Многопролётные — система из нескольких параллельных портальных рам, соединённых между собой. Применяется для создания больших бесколонных пространств (цеха, ангары, выставочные павильоны).
• Рамно-связевые — комбинация портальных рам с вертикальными связями (фермами, диафрагмами жёсткости) для повышения устойчивости к горизонтальным нагрузкам.

По способу соединения узлов

• С жёсткими узлами — соединение стоек и ригеля выполняется сваркой или на высокопрочных болтах, обеспечивая передачу изгибающих моментов. Наиболее распространённый тип.
• С шарнирными узлами — соединение допускает поворот элементов. Используется в шпренгельных системах или в конструкциях, где требуется компенсация температурных деформаций.
• С упругими узлами — промежуточный вариант, где соединение обладает определённой податливостью.

Устройство и характеристики

Портальная конструкция состоит из следующих основных элементов:

• Стойки (колонны) — вертикальные опоры, воспринимающие нагрузку от ригеля и передающие её на фундамент. Могут быть сплошными или решётчатыми.
• Ригель (прогон) — горизонтальная балка, соединяющая стойки. В зависимости от пролёта может быть выполнен из сплошного двутавра, фермы или коробчатого сечения.
• Узлы сопряжения — места соединения стоек с ригелем. В жёстких узлах используются фасонки, накладки и болтовые или сварные соединения.
• Фундаменты — обычно столбчатые или свайные, воспринимающие нагрузку от стоек.

Ключевые характеристики портальных конструкций:

• Пролёт — расстояние между опорами. В промышленных зданиях может достигать 30–50 метров, в специальных сооружениях (ангары, стадионы) — до 100 метров и более.
• Высота — от 3–4 метров в малоэтажных зданиях до 20–30 метров в высотных цехах.
• Несущая способность — определяется материалом, сечением элементов и конструктивной схемой. Стальные рамы способны нести нагрузки до нескольких тысяч тонн.
• Жёсткость — способность сопротивляться деформациям под нагрузкой. Обеспечивается жёсткими узлами и связями.

Применение

Портальные конструкции широко используются в различных отраслях строительства и промышленности:

Промышленное строительство

• Цеха и заводы — портальные рамы являются основой каркасов одноэтажных промышленных зданий. Они позволяют создавать большие пролёты без промежуточных опор, что необходимо для размещения крупногабаритного оборудования (прокатные станы, прессы, конвейеры).
• Склады и ангары — типовые портальные конструкции применяются для строительства складских комплексов, логистических центров, авиационных ангаров. В России такие здания строятся по типовым сериям (например, серия 1.420-1).
• Мосты и путепроводы — портальные рамы используются в качестве опорных конструкций для мостов, особенно в условиях ограниченного пространства (например, при пересечении железных дорог или автомобильных магистралей).

Гражданское строительство

• Торговые и выставочные центры — портальные рамы позволяют создавать большие безопорные пространства для торговых залов, выставочных павильонов, атриумов.
• Спортивные сооружения — крытые стадионы, ледовые арены, бассейны. Например, в России портальные конструкции использованы при строительстве крытых катков в Москве и Санкт-Петербурге.
• Сельскохозяйственные здания — коровники, птичники, теплицы. В СССР и России для этих целей разработаны типовые проекты с портальными рамами из железобетона или металла.

Специальные сооружения

• Крановые эстакады — портальные конструкции служат опорами для мостовых кранов, перемещающих грузы по цеху.
• Рекламные конструкции — портальные рамы используются для установки крупноформатных рекламных щитов (билбордов) и баннеров.
• Входные группы — порталы в зданиях, арки, навесы над входами.

Примеры

• Московский международный деловой центр «Москва-Сити» — в конструкции башен «Федерация» и «Евразия» использованы стальные портальные рамы для обеспечения жёсткости высотных зданий.
• Ангар для самолётов Ил-76 на аэродроме «Раменское» (Московская область) — портальная конструкция пролётом 60 метров, выполненная из стальных ферм.
• Типовые сельскохозяйственные здания в России — портальные рамы из железобетона по серии 1.820-1, используемые для коровников и свинарников.

Интересные факты

• В 1960-х годах в СССР была разработана серия типовых портальных конструкций для строительства зернохранилищ, которые позволили значительно ускорить возведение элеваторов в регионах освоения целины.
• Портальные рамы из клеёной древесины используются в строительстве спортивных сооружений в Скандинавии и России (например, в лыжных трамплинах и крытых катках).
• В современной архитектуре портальные конструкции иногда применяются в декоративных целях, создавая выразительные фасады и входные группы.

Критика

Основные недостатки портальных конструкций связаны с их металлоёмкостью и сложностью изготовления жёстких узлов. В стальных рамах требуется тщательный контроль качества сварных швов, что увеличивает стоимость. В железобетонных конструкциях — высокая масса и сложность монтажа. Кроме того, портальные системы менее экономичны при малых пролётах (до 12 метров), где более эффективны балочные или ферменные конструкции. В сейсмоопасных районах требуется дополнительное усиление узлов и установка демпферов.

Источники

• СНиП 2.09.03-85 «Сооружения промышленных предприятий»
• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»
• СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции»
• «Металлические конструкции» под ред. Н. С. Стрелецкого, 1961
• «Железобетонные конструкции» под ред. В. Н. Байкова, 1991
• Типовые серии промышленных зданий (1.420-1, 1.820-1)