Конструкция каркасных зданий с применением монолитного пенобетона

В настоящее время уже есть понимание, что скорейшее решение проблемы строительства доступного и комфортного жилья возможно только за счет малоэтажного строительства. Однако в ряде регионов нет достаточного объема производства кирпичей, блоков и других строительных материалов, отсутствуют строительные организации и квалифицированные кадры. Организация новых и расширение старых производств стройматериалов требует времени и больших материальных затрат.

Поэтому должна быть выработана такая концепция строительства, которая в наибольшей степени могла быть применима в таких неблагоприятных условиях, обеспечивая при этом строительство долговечного, капитального, комфортного жилья с соблюдением соответствующих норм теплозащиты для всех регионов страны и укладываясь, при этом, в установленные нормы стоимости.

В настоящее время в России все более популярным становится новая конструкция зданий, широко распространенная в странах Европы и США и представляющая собой сочетание тонкостенного стального оцинкованного каркаса и пенобетона.

Обзор литературы

Основным несущим элементом описываемой системы является тонкостенный профиль. Тонкостенные конструкции как легкий и универсальный строительный материал были изобретены еще в начале ХХ века и на сегодняшний день имеют богатую историю и сформировавшую теоретическую базу для их расчета.

Основы теории расчета тонкостенных конструкций были заложены В.З. Власовым и С.П. Тимошенко. Их труды впоследствии развивали Биргер И.А., Болотин В.В., Вайнберг Д.В., Вольмир А.С., Гольденвейзер А.Л., Григолюк Э.И., Колтунов М.А., Корнишин М.С., Коренев Б.Г., Каменских И.В., Астахов И.В. и другие.

Исследования методов расчета тонкостенных конструкций продолжаются и по сей день. В частности, А.Р. Туснин [1-3] разработал особый вид конечного элемента – тонкостенный конечный элемент (ТКЭ), в каждом узле которого учитываются как три линейных и три угловых степеней свободы, так и депланация сечения – седьмая степень свободы узла. Также А.Р. Туснин исследовал совокупное действие изгибающего и крутящего моментов на двутавровые профили с учетом развития пластических деформаций [56].

О.А. Туснина [57,58] исследовала поведение Z-образных прогонов, раскрепленных из плоскости с помощью сэндвич-панелей.

А.В. Перельмутер и В.И. Сливкер [4] предлагают «бистержневую модель тонкостенного стержня» как способ моделирования тонкостенных элементов, позволяющий обойти затруднения, вызванные стандартными расчетными программными комплексами, не учитывающими депланационную составляющую узлового перемещения.

Г.И. Белым [6] предложен приближенный аналитический метод расчета тонкостенных стержней по деформированной схеме.

Б.В. Шафер [27,28] исследует используемые конечноэлементные модели и выполняет их параметрические исследования, а также приводит результаты аналитических и экспериментальных исследований крутящего момента стальных холодногнутых стержней и выдвигает метод определения крутящего момента.

• А. Кодуганти [29] исследовал зависимость геометрических параметров тонкостенных стержней от критической нагрузки.

К.Д.Р. Расмуссен провел серию испытаний элементов сверхлегких стальных конструкций на крутильно-изгибную потерю устойчивости [30], представил экспериментальные данные и последующий КЭ расчет работы тонкостенных стальных балок из нержавеющей стали [35,36].

• М. Тсарей [31] проанализировал поведение новой конструкция перекрытия, представляющей собой соединение холодногнутой стали и бетонной плиты, через метод конечных элементов.

• Ч.    Ю [32] предложил способ расчета, основанный на методе приведенной ширины, для определения устойчивости формы поперечного сечения типичных холодногнутых С- и Z-образных профилей, подверженных изгибу.

Хайдарали М. и Незеркот Д. [33] рассматривают два вида конечноэлементных моделей для исследования устойчивости раскрепленных из плоскости тонкостенных холодногнутых балок с учетом свойств материала и геометрических нелинейностей.

Д. Камотим [34] представил результаты исследований поведения C- и Z- образных холодногнутых стальных прогонов, раскрепленных стальной листовой обшивкой.

И. Янсен [52-55] представил различные методы анализа динамической устойчивости композитных цилиндрических оболочек.

М. Прокич [59] выполнил расчет тонкостенных стержней открытого профиля на кручение в современных вычислительных комплексах, а также провел анализ сходимости численных результатов с теоретическими в зависимости от сетки разбиения модели на конечные элементы.

А.Р.Туснин и М.Прокич [61] рассмотрели совместное действие изгибающего момента и бимомента на двутавровые профили, дали рекомендации по проверке их несущей способности с учетом развития пластических деформаций.

В статье [62] представлен КЭ анализ устойчивости холодногнутых стальных элементов с круглыми отверстиями, усиленными ребрами жесткости.

О.Туснина [60] производит расчет прогона покрытия С-образного профиля, выполняет физически и геометрически нелинейный численный расчет, определяет составляющие напряженно-деформированного состояния прогона, проводит оценку влияния искривления контура поперечного сечения на величину угла закручивания прогона относительно продольно оси, выполняет расчет общей устойчивости плоско формы изгиба по СНиП.

С недавнего времени важное место в исследовании ЛСТК занимает СПбПУ, учеными которого из года в год публикуются результаты научных исследований тонкостенных профилей. Большое внимание уделяется исследованию термопрофилей, которые представляет собой тонкостенные конструкции, отличающиеся от традиционных наличием продольных просечек, благодаря чему приобретают особые свойства.

Н.И. Ватин и Е.Н. Попова в работе [7] описывают историческое развитие тонкостенных стержней, приводят их преимущества и недостатки, а также рассматривают области их применения и основные особенности расчета.

М.Р. Гарифуллин и Н.И. Ватин [24] представили обзор наиболее актуальных публикаций по теме ЛСТК за последние годы, а также выделили основные методы исследования тонкостенных конструкций в России и за рубежом.

В.А. Рыбаков [5,22], основываясь на полусдвиговой теории В.И. Сливкера, выдвигает метод расчета тонкостенных конструкций, подходящий как для открытого, так и замкнутого профилей, проводит анализ по методу конечных элементов общей устойчивости холодногнутых C-образных стержней с ребром жесткости, а также устойчивости при изгибе.

В.В. Лалин и В.А. Рыбаков [14,15,63] разработали численный метод расчета тонкостенных стержней по бессдивогой теории В.И. Сливкера и полусдвиговой теории В.З. Власова, а также привели аналитические решения для основных силовых факторов и деформаций для четырех наиболее часто встречаемых в инженерной практике расчетных схем.

Д.Н. Смазнов [8-10] исследует устойчивость составных колонн из высокопрочной стали, обозначает оптимальные параметры их моделирования, дает рекомендации для построения новых типов поперечных сечений.

А.С. Синельников [11,65] провел испытания прочности и устойчивости просечно-растяжного профиля, а также выполнил его моделирование методом конечных элементов. В статье [18] он представил результаты проведенных исследований устойчивости тонкостенных стержней и стоечных профилей при сжатии.

Т.В. Назмеева проводит численные и экспериментальные исследования несущей способности стоек из холодногнутого С-профиля сплошного и перфорированного сечения [12], проводит теоретический и экспериментальный анализ прохождения тепла через термопрофиль при помощи испытательного стенда [19], приводит сравнительный анализ различных видов соединений узлов в тонкостенных конструкциях [25].

Д.С. Шатов [13] рассматривает деформации и формы потери устойчивости тонкостенных стоек открытого сечения с перфорацией, вычисленные методом конечных элементов.

А.О. Гордеева [17] разработала методику построения конечно-элементных расчетных моделей тонкостенных профилей с продольной перфорацией основной полки в SCAD office.

Вопросы общей и местной устойчивости холодногнутых стальных стержней рассмотрены в работах М.Р. Гарифуллина и Д.А. Трубиной [16,20,21,64].

А.В. Орловой [23] были определены параметры энергетической эффективности домов из ЛСТК в соответствии со СНиП 23-02-2003 на примере типового коттеджа.

М.В. Ананина и Н.А. Береснева [26] исследовали вопросы коррозии стали в тонкостенных конструкциях, а также подробно описали наиболее приемлемые пути их защиты.

В последнее время ЛСТК начали применять в составе нового типа ограждающих конструкций – термопанелей [44]. Основой термопанели являются термопрофиль (легкий оцинкованной стальной профиль толщиной от 0,7 до 2,0 мм) и минераловатный утеплитель. Особая эффективность термопанели обуславливается термопрофилем, в котором благодаря наличию продольных просечек исключается возможность образования «мостиков холода» [43]. Это позволяет уменьшить теплопроводность профиля и всей панели в целом. Кроме того, просечки обеспечивают хорошие виброакустические свойства термопанели и способствует удалению влаги из минераловатного утеплителя.

Применение пенобетона в качестве утеплителя позволило получить качественно новый тип ограждающей панели, обладающий целым рядом достоинств. Пенобетон благодаря своим многочисленным полезным свойствам находит широкое применение в монолитном домостроении, а также при теплоизоляции крыш, трубопроводов и других строительных конструкций.

А.Н. Иванов [38] рассматривает методику, позволяющую получить пенобетон определенной средней плотности с необходимыми физико-механическими свойствами.

Д.В. Немова [39] подробно описывает возможность предотвращения наледей на крышах чердачных помещений в низкотемпературные временные периоды с использованием пенобетона.

А.И. Савенко и П.С. Горбач [40] описали идею использования комплексных многокомпонентных добавок получения наиболее пригодного пенобетона, рассмотрели влияние некоторых из них на свойства неавтоклавного ячеистого бетона.

С.А. Зубехин [41], преследуя цель нахождения пути получения пенобетона промышленным способом, рассмотрел новые методы в технологии неавтоклавного пенобетона без наполнителей и заполнителей, а также изделий на его основе.

Активно проблемой монолитного пенобетона занимался И.А. Лундышев. В [46] он рассматривает несущие и самонесущие каркасные системы, применяемые при строительстве из монолитного пенобетона. В [42] он предлагает технологию применения монолитного сверхлегкого пенобетона для теплоизоляции трубопроводов, а также выдвигает комплексный подход при строительстве жилых зданий, трубопроводов и автодорог на основе пенобетона [45].

Почему – ЛСТК?

Основным достоинством каркасов из ЛСТК является индустриальность. Каркасы зданий поставляются на строительную площадку в виде готовых к монтажу наборов промаркированных деталей, снабженных монтажными схемами и инструкциями. Вся сборка каркаса осуществляется только на болтах. Легкость монтажа таких конструкций, позволяет возвести полностью готовую «коробку» здания не более чем за месяц. Использование ЛСТК изначально исключает «мокрые процессы», поэтому монтажные работы можно производить в любое время года. Что не менее важно, малый вес материалов позволяет обходиться без грузоподъемной техники, что значительно экономит средства.

Конструкции из тонкостенных каркасов имеют небольшой вес, что позволяет использовать фундаменты мелкого заложения. Удельный вес готового здания составляет 150-200 кг/м2. Это существенно расширяет возможность строительства на пучинистых и зыбких грунтах.

Стоит также отметить, что дом, построенный из ЛСТК, практически не имеет строительных отходов. При строительстве используются гипоалергенные материалы, которые безопасны для здоровья человека и окружающей среды.

По сравнению с кирпичным домом, строительство из стального тонкостенного профиля обходится дешевле, а по прочности и надежности не уступает, в некоторых случаях, даже превосходит кирпичные строения.

Все эти достоинства открывают широкие перспективы использования тонкостенных конструкций в качестве каркаса для малоэтажных жилых домов.

Почему – пенобетон?

Современные взгляды на строительство, предполагают ответственность строителя не только за прочность здания, но и за экономию энергии на отопление или охлаждение здания. К этому приводит как постоянный рост стоимости на энергоносители, так и постоянный рост объемов строительства.

В условиях постоянного истощения природных ресурсов очень важным критерием при постройке зданий и выборе строительных материалов является степень обеспечиваемой ими теплоизоляции, т.к. потеря тепла в большом количестве осуществляется через ограждающие конструкции зданий – стены, окна, чердачные и цокольные перекрытия.

Стоит отметить, что в современном строительстве применяется широкий спектр теплоизоляционных материалов, уже нашедших применение в строительстве. Это, прежде всего, минераловатные утеплители, пенополистирол, пенополиуретан. Однако, многие из них, в сравнении в пенобетоном, имеют существенные недостатки. К примеру, минераловатные утеплители дают осадку, намокают, что с одной стороны уменьшает теплозащиту, а с другой – увеличивает нагрузку при их применении в утеплении кровель [37]. Пенополистирол типа ПСБ-С не только дает осадку, намокает и разрушается, а так же выделяет отравляющие вещества, поэтому является весьма непригодным для строительных работ [37, 45].

Новая конструкция с применением пенобетона в качестве утеплителя обладает рядом преимуществ, представляя, тем не менее, основу для дальнейших совершенствований ее свойств. Пенобетон является единственным теплоизоляционным материалом, который возможно производить на стройплощадке, что исключает необходимость транспортировки и снижает цену на материалы. Немаловажной представляется и возможность получения пенобетона при любых погодных условиях, до минус 25^оС [37].

Преимущества новой конструкции

Данная конструкция представляют собой сочетание стального оцинкованного каркаса и пенобетона, причем каждый из материалов применяется там, где максимально реализуются его преимущества. Технические характеристики рассматриваемой системы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики [47]

Этажность	1-6 этажей
Пролеты межэтажных перекрытий	до 8,5 м
Снеговая нагрузка	I-V снеговой район
Ветровая нагрузка	I-IV ветровой район
Сейсмическая нагрузка	до 9 баллов включительно
Температура	от -50 до +50 0 С
Огнестойкость: несущие стены междуэтажные перекрытия	REI120 REI 90

Преимущества конструкции в сравнении с традиционными аналогами (кирпич, монолит):

Комплексная экономия материальных, трудовых и энергоресурсов

Контролируемость затрат

Сокращение сроков строительства в 1.5-2 раза

Всесезонность строительства (независимость от погодного фактора)

Легкие фундаменты: экономия на нулевом цикле

Универсальность конструкций

Возможность индивидуальных архитектурных, планировочных и отделочных решений

Высокая прочность, сейсмостойкость и огнестойкость

Возможность экономичного строительства в сложных климатических зонах (Крайний Север, сейсмоопасные районы)

Долговечность и надежность

Энергоэффективность, снижение эксплуатационных расходов на отопление и кондиционирование

Экологичность (возможность рецикла)

Элементы зданий и их соединений унифицированы, что позволяет в короткие сроки выполнить проектирование, изготовление и монтаж конструкций здания. При этом сохраняются возможности широкого использования архитектурных и конструктивных решений.

Детальное сравнение системы «ЛСТК + пенобетон» с наиболее распространенными конструкциями зданий приведено в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные экономические характеристики металлокаркасного строительства с применением пенобетона и традиционных конструкций зданий [47]

Характеристика	Металлокаркас + пенобетон	Кирпичное строительство	Монолитное строительство	Панельное строительство
Средний срок строительства 6-этажного дома, мес.	4-6	10-12	8-10	6-8
Среднее соотношение стоимости строительства	1	2	1,5	1,2
Среднее соотношение стоимости отделочных работ	1	1,5	1,5	1,5
Среднее соотношение приведенных трудозатрат	1	2	1,5	1,2
Среднее соотношение энергозатрат на отопление	1	1,5	1,3	1,3
Возможность легкого фундамента	да	нет	нет	нет
Возможность круглогодичного строительства	да (при заливке в термооболочку)	нет	нет	нет
Возможность бюджетного строительства в сложных климатических условиях	да	нет	нет	нет

Конструктивные особенностиКаркас

Каркас жилых зданий представляет собой конструкцию, выполненную из холодногнутых С-образных стальных оцинкованных тонкостенных профилей и монолитных сталебетонных перекрытий (рисунок 1). Использование холодногнутых профилей заводского изготовления позволяет обеспечить высокую скорость сборки, точность размеров, снижение объемов «мокрых» процессов и контроль затрат при строительстве.

Рисунок 1. Каркас здания [47]

Устойчивость каркаса обеспечивается внутренними продольными и поперечными стенами, в том числе и стенами лестничных клеток и горизонтальными междуэтажными перекрытиями, связывающими стены и расчленяющими их по высоте на ярусы.

Перекрытия

Несущие конструкции межэтажных перекрытий выполняются в виде ферм (рисунок 2) или балок из оцинкованного С-профиля соответствующего сечения. На стенках профиля выполняются технологические отверстия для прокладки коммуникаций и вентиляции (рисунок 3).

Рисунок 2. Ферма перекрытия [47]

Рисунок 3. Междуэтажное перекрытие [47]

Такая конструкция сталебетонного перекрытия представляет собой оптимальное сочетание высоких прочностных характеристик и жесткости стального каркаса с высокой огнестойкостью, превосходными тепло- и звукоизолирующими свойствами пенобетона, заполняющего пространство между балками и над ними.

Эта конструкция перекрытия имеет достоинства, которых были лишены более ранние аналоги, а именно:

• -    обеспечивает достаточно высокие прочность и жесткость, позволяющие использовать такие сталебетонные перекрытия не только в одноэтажном строительстве, но и для домов средней

этажности;

• -    обеспечивает технологичность и, как следствие, низкую себестоимость изготовления благодаря оптимальной геометрической конфигурации стальных деталей;

• -    обеспечивает высокую пожаростойкость, звуко- и теплоизоляционные свойства получаемых панелей благодаря отсутствию открытых металлических конструкций;

• -    оптимизирует расход металла и уменьшает массу перекрытий.

Стены

Стеновые панели представляют собой конструкцию из стального оцинкованного профиля, залитого пенобетонной смесью по несъемной опалубке из влагостойкого плитного материала (рисунок 4). Панели имеют диагональные элементы, обеспечивающие как жесткость самой панели, так и образование системы пространственных связей здания в трех перпендикулярных плоскостях.

Обшивка крепится к каркасу панели при помощи самонарезающих винтов. Для того чтобы металлические конструкции со всех сторон были закрыты пенобетоном, между опалубкой и каркасом монтируется дистанционирующий профиль, создающий зазор.

Рисунок 4. Стена c облицовкой из кирпича [47]

Пенобетон обеспечивает огнезащиту, звукоизоляцию и теплоизоляцию здания. Решение совмещает преимущества панелей из конструкционного бетона с существенно меньшей массой, чем у традиционных бетонных панелей, и возможностью изготовления непосредственно на месте возведения строений.

Сочетание прочности, легкости, высокой огнестойкости и простоты изготовления панелей, позволяет эффективно использовать их в гражданском строительстве.

Кровля

Кровля может быть запроектирована двускатная, многоскатная или плоская. Несущие конструкции кровли представляют собой фермы (рисунок 5) и (или) балки из холодногнутого оцинкованного профиля.

Рисунок 5. Кровельная ферма [47]

Рисунок 6. Плоская кровля [47]

В качестве наружного покрытия могут использоваться различные кровельные материалы по выбору заказчика (рисунок 6).

Преимущества монтажа

Линейные стальные детали могут собираться в каркасы панелей и ферм перекрытий (покрытий) как на заводе-изготовителе, так и на строительной площадке, непосредственно перед установкой в проектное положение. Возможен вариант изготовления деталей каркаса непосредственно на строительной площадке (ввиду мобильного исполнения оборудования).

Данный способ монтажа не только исключает сварочные операции, но и существенно сокращает количество болтовых соединений, повышая скорость и снижая стоимость монтажных операций. Конструкции поставляются в виде конечных деталей высокой заводской готовности. Каждая деталь выполнена таким образом, что имеет единственно возможное место в сборочной единице, что исключает возможность ошибок при монтаже. Для обеспечения точности и скорости сборки все элементы выполняются со специальными позиционирующими отверстиями и наглядной маркировкой, позволяющими отказаться от дорогостоящей и трудоемкой стапельной сборки.

Панели стен, перекрытий и кровельных ферм монтируются из линейных деталей. Монтаж может осуществляться как на стапельной площадке, так и на заводе-изготовителе. Каждая деталь выполнена в необходимый размер и имеет все отверстия и вырезы, предназначенные как для установки ее в панель без измерительных процедур (маркировки и позиционирующие элементы), так и для ее крепления к другим деталям панели (крепежные отверстия).

Рисунок 7. Монтаж каркаса стены [47]

Сборка каркаса здания осуществляется путем установки панелей в проектное положение согласно чертежам и последующего крепления к другим панелям каркаса (рисунок 7). Сборка панелей осуществляется при помощи самонарезающих винтов, соединение панелей между собой – при помощи самонарезающих винтов или болтов нормальной прочности.

Основные компании, применяющие данную конструкцию

Каркасное строительство – одна из наиболее эффективных и динамично развивающихся в мире строительных отраслей. В экономически развитых странах, таких как США и Великобритания, где уровень требований потребителя к безопасности и комфорту жилья очень высок, 70% жилых зданий возводится на металлических каркасах, несмотря на то, что уровень цен металла в этих странах превышает российский. В нашей стране каркасное строительство занимает пока небольшую нишу - всего около 3% от общего объема возводимого жилья, что объясняется как инерционностью потребителей, так и консерватизмом самих строителей и органов, регулирующих их деятельность. Но в последние годы и на нашем рынке наблюдается рост интереса к металлокаркасному строительству и увеличение числа объектов, строящихся с применением ЛСТК.

На сегодняшний день в России более 100 компаний предлагают услуги по проектированию и строительству жилых домов с применением ЛСТК каркаса. Лишь немногие из них применяют монолитный неавтоклавный пенобетон в качестве основного теплоизоляционного материала. Среди них стоит отметить такие, как ООО «Андромета» [47], Холдинг «СОВБИ» [48], ООО "Донстрой Технологии" [49], ООО "Генезис-Рус" [50], ООО "Арсенал СТ" [51].

Заключение

Строительство домов из ЛСТК – это, возможно, новый этап в развитии строительства многоквартирных домов. Высокие энергосберегающие свойства, низкая теплопроводность, высокая энергоемкость, комфортная внутренняя, экологически чистая среда и низкая эксплуатационная стоимость позволяют предложить потенциальным покупателям более высокий уровень жизни при значительной экономии бюджета. Кроме того, точная геометрия стен, потолка и пола не требует дополнительных затрат на чистовую отделку.

Однако благодаря целому ряду достоинств область применения новой конструкции не ограничивается лишь малоэтажным жилым строительством. Она может быть вполне конкурентоспособной и при строительстве детских садов и школ, объектов административного назначения, общежитий, гостиниц, а также объектов здравоохранения.