Сборный металлический каркас

Сборный металлический каркас — это тип несущей строительной конструкции, состоящий из отдельных унифицированных элементов (колонн, балок, ферм, связей), изготовленных из стали или алюминия, которые соединяются между собой на строительной площадке с помощью болтовых, сварных или комбинированных узлов. Относится к классу каркасных систем, обеспечивающих пространственную жёсткость и устойчивость здания или сооружения. Основные характеристики: высокая заводская готовность элементов, модульность, возможность быстрого монтажа, относительно небольшой вес по сравнению с железобетонными аналогами и пригодность для многократного использования (демонтажа и повторной сборки). Сборные металлические каркасы широко применяются в промышленном, гражданском, складском и сельскохозяйственном строительстве, а также при возведении временных и быстровозводимых сооружений.

История

Идея использования металлических элементов в качестве несущего остова зданий восходит к концу XVIII — началу XIX века, когда в Великобритании и Франции начали применять чугунные колонны и балки в текстильных фабриках и мостах. Однако по-настоящему сборные металлические каркасы в современном понимании появились во второй половине XIX века с развитием прокатного производства стали. Первым крупным зданием с полностью стальным каркасом считается Чикагский дом страхования (Home Insurance Building, 1885 год, архитектор Уильям Ле Барон Дженни), где несущую функцию выполняли стальные колонны и балки, соединённые заклёпками.

В XX веке, особенно после Второй мировой войны, технологии сборных металлических каркасов получили массовое распространение в связи с необходимостью быстрого восстановления промышленности и жилья. В СССР в 1950–1960-х годах была разработана серия унифицированных типовых секций (например, серии КМ и КМК) для заводов, ангаров и сельскохозяйственных объектов. Ключевым этапом стало внедрение высокопрочных болтов в 1960-х годах, что позволило отказаться от трудоёмкой клёпки и сварки на монтаже. В конце XX — начале XXI века развитие компьютерного моделирования (BIM-технологии) и появление лёгких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) расширили сферу применения сборных металлических каркасов на малоэтажное жильё и быстровозводимые здания.

Классификация

Сборные металлические каркасы классифицируются по нескольким признакам.

По материалу

• Стальные каркасы — наиболее распространённый тип. Используются горячекатаные профили (двутавры, швеллеры, уголки), гнутые профили, а также трубы круглого и прямоугольного сечения. Стальные каркасы обеспечивают высокую несущую способность.
• Алюминиевые каркасы — применяются в случаях, когда критичен вес конструкции (например, в авиационных ангарах, временных павильонах, выставочных стендах). Обладают меньшей прочностью и жёсткостью, чем стальные, но не подвержены коррозии без специальной защиты.

По типу соединений

• Болтовые каркасы — элементы соединяются на высокопрочных болтах. Обеспечивают высокую скорость монтажа и возможность демонтажа. Наиболее распространены в современном строительстве.
• Сварные каркасы — часть соединений выполняется сваркой на монтаже. Обеспечивают монолитность узлов, но требуют квалифицированных сварщиков и контроля качества швов.
• Комбинированные — сочетают болтовые и сварные соединения в зависимости от конструктивных требований.

По конструктивной схеме

• Рамные каркасы — колонны и ригели (балки) образуют жёсткие рамы, воспринимающие горизонтальные нагрузки (ветер, сейсмику). Применяются в одноэтажных промышленных зданиях и многоэтажных каркасах.
• Связевые каркасы — горизонтальные нагрузки воспринимаются системой вертикальных связей (крестовых, портальных) и жёсткими дисками перекрытий. Колонны работают преимущественно на сжатие. Характерны для многоэтажных зданий.
• Рамно-связевые — комбинированная схема, где часть рам жёсткая, а часть — шарнирная с добавлением связей.

По степени заводской готовности

• Полносборные — все элементы (колонны, балки, фермы) изготавливаются на заводе и поставляются на площадку в готовом виде. Требуют только сборки.
• Частично сборные — на заводе изготавливаются отдельные детали (например, отправочные марки), которые затем свариваются или собираются на площадке в более крупные блоки.

Устройство и основные элементы

Сборный металлический каркас состоит из следующих основных компонентов:

• Колонны — вертикальные несущие элементы, передающие нагрузку от перекрытий и покрытий на фундамент. Изготавливаются из двутавров, труб или составных сечений. Могут быть постоянного или переменного сечения.
• Балки (ригели) — горизонтальные элементы, опирающиеся на колонны и воспринимающие нагрузку от перекрытий. Подразделяются на главные (опираются на колонны) и второстепенные (опираются на главные).
• Фермы — решётчатые конструкции, применяемые для перекрытия больших пролётов (более 12–18 м) в промышленных зданиях, ангарах, спортивных сооружениях. Состоят из верхнего и нижнего поясов и решётки (раскосов и стоек).
• Связи — элементы, обеспечивающие пространственную жёсткость каркаса. Вертикальные связи устанавливаются между колоннами, горизонтальные — в плоскости покрытия или перекрытия. Выполняются из уголков, швеллеров или круглых стержней.
• Прогоны — балки, укладываемые по фермам или балкам покрытия для опирания кровельного настила.
• Фундаменты — обычно железобетонные (столбчатые, ленточные, свайные), к которым крепятся базы колонн с помощью анкерных болтов.

Технология монтажа

Монтаж сборного металлического каркаса включает несколько этапов:

1. Подготовительные работы — устройство фундаментов, разбивка осей, доставка элементов на площадку.
2. Сборка колонн — установка колонн в проектное положение с выверкой по вертикали и закреплением на фундаменте (анкерными болтами или сваркой).
3. Монтаж балок и связей — последовательная установка главных и второстепенных балок, крестовых или портальных связей. Используются краны (автомобильные, гусеничные, башенные) и такелажная оснастка.
4. Установка ферм — для большепролётных зданий фермы собираются на земле (в горизонтальном положении) и поднимаются краном, либо монтируются поэлементно.
5. Соединение узлов — затяжка высокопрочных болтов с контролем усилия натяжения (динамометрическими ключами), либо выполнение сварных швов.
6. Контроль качества — проверка геометрии каркаса (отклонения от проектных размеров), качества сварных швов (неразрушающий контроль) и болтовых соединений.
7. Огнезащита и антикоррозионная защита — нанесение огнезащитных составов (краски, штукатурки, облицовки) и лакокрасочных покрытий.

Применение

Сборные металлические каркасы находят применение в различных типах зданий и сооружений:

• Промышленные здания — цеха, заводы, склады, ангары. Обеспечивают большие пролёты (до 30–50 м и более) и возможность установки мостовых кранов.
• Гражданские здания — многоэтажные офисные и жилые здания (в том числе с использованием стального каркаса с монолитным перекрытием). В России такие решения применяются, например, в высотных комплексах «Москва-Сити».
• Сельскохозяйственные объекты — зернохранилища, коровники, птичники, теплицы. Используются лёгкие стальные каркасы из ЛСТК.
• Торговые и спортивные сооружения — торговые центры, выставочные павильоны, стадионы, ледовые арены. Характерны большепролётные фермы и пространственные конструкции (например, купола).
• Временные и быстровозводимые здания — строительные бытовки, полевые госпитали, казармы, модульные жилые комплексы. Каркасы собираются за несколько дней.
• Реконструкция и надстройка — металлические каркасы часто используются для усиления существующих зданий или надстройки дополнительных этажей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая скорость возведения — сборка каркаса занимает в 2–3 раза меньше времени, чем монолитный железобетон.
• Лёгкость — сталь в 3–4 раза легче железобетона при равной несущей способности, что снижает нагрузку на фундаменты.
• Заводская точность — элементы изготавливаются с высокой точностью (допуски до 1–2 мм), что упрощает монтаж.
• Возможность демонтажа и повторного использования — болтовые соединения позволяют разобрать каркас и перенести на другое место.
• Большие пролёты — стальные фермы и балки перекрывают пролёты до 60–100 м без промежуточных опор.
• Стойкость к сейсмическим нагрузкам — сталь обладает высокой пластичностью, что делает каркасы пригодными для сейсмоопасных районов.

Недостатки

• Высокая стоимость — сталь дороже бетона, особенно при использовании высокопрочных марок.
• Коррозия — требуется регулярная антикоррозионная обработка, особенно в агрессивных средах.
• Низкая огнестойкость — сталь теряет несущую способность при температуре 500–600 °C, поэтому необходима огнезащита (облицовка, краска, штукатурка), что увеличивает стоимость и массу.
• Чувствительность к динамическим нагрузкам — возможны вибрации, особенно в многоэтажных зданиях.
• Теплопроводность — сталь является мостиком холода, требуется дополнительная теплоизоляция узлов примыкания.

Интересные факты

• Первый в мире небоскрёб со стальным каркасом — Home Insurance Building в Чикаго (10 этажей, 42 м) — был построен в 1885 году. Его каркас весил всего 2/3 от веса кирпичных стен аналогичного здания.
• В России одним из первых зданий с металлическим каркасом стало здание ГУМа в Москве (1893 год, архитектор А. Н. Померанцев), где использованы стальные фермы и колонны.
• Современные сборные каркасы из ЛСТК (лёгких стальных тонкостенных конструкций) позволяют возводить малоэтажные дома (до 3 этажей) без использования кранов — элементы собираются вручную.
• Самое высокое здание в мире — Бурдж-Халифа (828 м, Дубай) — имеет стальной каркас в верхней части (выше 600 м), где бетонные конструкции были бы слишком тяжёлыми.
• В 2020-х годах в России активно развивается технология стальных каркасов с использованием высокопрочных болтовых соединений на фланцах, что сокращает время монтажа на 30–40 % по сравнению со сваркой.

Источники

• СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» (актуализированная редакция).
• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23-81*).
• «Металлические конструкции» / под ред. Ю. И. Кудишина. — М.: Издательский центр «Академия», 2010.
• «Проектирование стальных конструкций» / В. В. Катюшин, А. В. Перельмутер. — М.: АСВ, 2015.
• «Лёгкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) в строительстве» / А. А. Астахов. — СПб.: Политехника, 2018.
• «История строительной техники» / В. И. Захаров. — М.: Стройиздат, 2005.