Металл — один из старейших материалов, используемых на протяжении нескольких столетий для строительства зданий и сооружений различного назначения, в том числе вошедших в сокровищницу мировой архитектуры, объемно-планировочных и конструктивных решений. Уникальные свойства металлических конструкций, в первую очередь стальных, сочетающих высокую прочность и жесткость с легкостью и экономичностью, способствуют все более широкому их применению в отечественной строительной практике.
Специалисты УП “Институт БелНИИС” по заданию Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь провели в 1998–2001 гг. комплекс экспериментально-теоретических и опытно-конструкторских работ, итогом которых явилась универсальная конструктивная система нового поколения — легкий сталебетонный каркас на основе гнуто-сварных профилей, газобетонных плит перекрытия и монолитного бетона (патент Республики Беларусь № 5673). Все компоненты каркаса выпускаются предприятиями белорусской строительной отрасли. В частности, стальные конструкции — Молодечненским заводом легких металлоконструкций, газобетонные плиты — заводом строительных конструкций ОАО “Забудова”, что является существенным фактором минимизации стоимости конечной строительной продукции.
Особенность конструкции каркаса (рис. 1) состоит в обеспечении совместной работы всех элементов. На стадии статического расчета учитываются такие уже известные факторы, как объемное напряженное состояние бетона, продольный и поперечный распор в перекрытиях, реальные деформационно-прочностные характеристики материалов. К преимуществам новой системы следует также отнести возможность произвольного расположения плит в пределах этажа и в смежных ячейках сетки колонн независимо от их расположения на остальных этажах. Подавляющее большинство соединений каркаса — болтовые, с минимальным количеством сварных соединений, выполняемых в построечных условиях. Требуемую жесткость узлов обеспечивает монолитный бетон и сталь в виде прокатных профилей и стержневой арматуры (при необходимости). Новый каркас относится к типу связевых, сопротивление которого действию горизонтальных нагрузок достигается связями и диафрагмами жесткости.
Колонны каркаса, имеющие по торцам монтажные фланцы, изготавливают из гнуто-сварных профилей квадратного или прямоугольного профиля. При нагрузках высокого уровня для повышения несущей способности и жесткости колонн без развития их поперечного сечения и увеличения расхода стали внутреннее пространство профилей заполняют монолитным бетоном, эффективно работающим в условиях объемного напряженного состояния. В этом случае несущая способность колонн увеличивается до 75%.
Их соединение по высоте выполняют посредством специального стыкового элемента (рис. 2), имеющего несколько меньшее сечение и обеспечивающего возможность прямого опирания ригелей на фланцы колонн. Равнопрочность стыка колонн в уровне перекрытия с самими колоннами достигается подбором сечения стыкового элемента и включением в работу на сжатие бетона замоноличивания.
Сталебетонные ригели, опираемые на торцовые фланцы колонн, состоят из составного стального профиля двутаврового несимметричного сечения и монолитного бетона. Сечение профиля скомпоновано таким образом, чтобы при минимальной металлоемкости воспринимать нагрузку от плит перекрытия, опираемых на нижнюю полку (рис. 3). Верхняя полка сечения ригелей служит для восприятия части усилия, действующего в сжатой зоне поперечного сечения. Оптимальное сечение стальной части ригеля подбирают в соответствии с проектными нагрузками.
Монолитный бетон ригелей, укладываемый в пространство между плитами, создает по периметру ячейки перекрытия замкнутый контур и в сочетании с замоноличенными межплитными швами обеспечивает работу диска перекрытия в условиях двухосного распора и перераспределения усилий. Равнодействующие усилий распора, приложенные в нижней части толщины плит (приблизительно в уровне растянутой арматуры), повышают несущую способность, трещиностойкость и жесткость перекрытия до 70%.
Ригели каркаса подразделяют на несущие и связевые. Нижние полки несущих ригелей воспринимают нагрузку от плит перекрытия на стадии монтажа, а после замоноличивания и набора бетоном проектной прочности происходит перераспределение усилий между несущими и связевыми ригелями. Доля нагрузки, воспринимаемая ригелями разных направлений, зависит от отношения сторон ячейки диска перекрытия.
Учет продольного и поперечного распора, возникающего в ячейках диска перекрытия, является одним из основных резервов сокращения материалоемкости каркаса и открывает возможность применения плит из такого относительно малопрочного материала, как газобетон. Газобетонные плиты изготавливают по резательной технологии, которая позволяет получать изделия практически любой длины (до 6 м включительно) в соответствии с сеткой колонн, а также со скошенными в плане торцами. Это дает возможность проектировать здания практически любых очертаний при минимальном объеме монолитного бетона.
Технология монтажа каркаса предельно проста и не требует каких-либо особых приемов, оснастки и оборудования. Выверку колонн на монтаже и их фиксацию в проектном положении осуществляют с помощью четырех болтов, расположенных в углах фланцев. При необходимости внутреннее пространство стыковых элементов колонн заполняют бетоном. По окончании монтажа колонн на захватке выполняют монтаж стальной части ригелей, фиксируя их проектное положение также с помощью болтов. Жесткость стальной части ригелей на стадии монтажа плит перекрытия может быть обеспечена двумя способами: либо временными опорами, либо монтажными шпренгельными элементами, закрепляемыми на нижних полках ригелей и демонтируемыми после набора монолитным бетоном необходимой прочности. Плиты перекрытия опирают на нижние полки ригелей через выравнивающий слой цементно-песчаного раствора. По окончании монтажа плит швы, образуемые профилями продольных граней, тщательно заделывают плотным цементно-песчаным раствором или подвижным бетоном, после чего замоноличивают несущие и связевые ригели. Связи и диафрагмы, обеспечивающие пространственную жесткость каркаса, монтируют по мере его возведения. Связи могут располагаться как во внутреннем пространстве перегородок, так и открыто, будучи декоративно оформленными в интерьере помещений. Диафрагмы устраивают монолитными, армированными по расчету каркаса на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Монтаж каркаса может выполняться как по захваткам, так и на всей площади этажа.
Конструктивное решение каркаса и используемые для его возведения изделия и материалы позволяют применять сетку колонн до 9 х 6 м любого размера и формы в плане. Следует особо отметить, что за счет конструкции ригелей изменение шага сетки колонн осуществляется без увеличения толщины междуэтажных перекрытий.
В каркасах на основе стальных элементов и конструкций особое значение имеет их противопожарная защита. Как известно, металл обладает высокой теплоемкостью и достаточно быстро прогревается до критических температур, при которых начинается текучесть. Для обеспечения требуемого предела огнестойкости элементов каркаса применяют теплоизоляционные оболочки из базальтовой ваты (Paroc), а также различные обмазки, вспучивающиеся при высокотемпературном нагреве и за счет этого снижающие свои теплопроводные свойства. Огнезащита колонн и ригелей не ухудшает эстетические качества интерьера помещений, поскольку располагается в пределах толщины стен и перекрытий. В частности, материалы для огнезащиты ригелей устраивают в пространстве подшивного или подвесного потолка.
Технико-экономические показатели каркаса на 1 м2, полученные по результатам экспериментального проектирования 13-этажного односекционного дома, в сравнении с наиболее распространенными конструктивными системами для строительства жилых зданий представлены в таблице.
Как видно, сталебетонный каркас по расходу железобетона и монолитного бетона выгодно выделяется из всех рассмотренных вариантов конструктивных систем зданий. Что касается расхода железобетона (газобетон приведен к тяжелому бетону по классу по прочности на сжатие), то данный каркас имеет абсолютно лучший показатель, а по удельному расходу монолитного бетона успешно конкурирует как с лучшими каркасными аналогами, так и со стеновыми системами из крупноразмерных панелей и каменных материалов. Удельный расход стали несколько выше, чем у остальных систем, однако сопоставим с показателями монолитного каркаса. Тем не менее сталебетонный каркас имеет значительно меньшую удельную массу — 0,5 т/м2, что в два раза легче лучших представителей каркасных систем — монолитного и серии Б1.020.1-7. Это обстоятельство позволяет применять его для многоэтажной надстройки реконструируемых зданий, где использование железобетонных каркасов вследствие их большой удельной массы невозможно.
Для монолитного каркаса расход металла указан при применении арматурной стали класса S400 (A-III).
Наружные стены сталебетонного каркаса выполняют кладкой из газобетонных блоков на тонкослойном или легком растворе. По расходу материалов для устройства наружных стен и перегородок новый каркас имеет одинаковые показатели со всеми известными каркасными системами с поэтажно опертыми стенами.
Технико-экономические показатели конструктивных систем
* Расход металла при полном учете распорных усилий, действующих в дисках перекрытий.
** В зависимости от сетки колонн.
Конструктивные особенности сталебетонного каркаса обеспечивают возможность реализации самых разнообразных объемно-планировочных и компоновочных решений как при строительстве новых зданий, так и при реконструкции — путем надстройки этажей (рис. 4), обстройки их по периметру (рис. 5) или сочетания обоих приемов (рис. 6). Два последних варианта становятся возможными за счет меньших дополнительных нагрузок на основания, что значительно снижает риск повреждения конструкций реконструируемого здания.
Подводя итог, следует выделить следующие основные преимущества новой конструктивной системы с широким использованием легких конструкций в условиях Республики Беларусь:
— снижение себестоимости за счет максимально возможного ресурсосбережения на стадиях возведения и эксплуатации здания при обеспечении его функциональных свойств;
— возможность создания гибких объемно-планировочных решений, допускающих свободную планировку и трансформацию помещений; повышение комфортности помещений и снижение эксплуатационных расходов при минимальных дополнительных затратах;
— максимальное использование местной сырьевой и производственной базы, что существенно снижает транспортные и заготовительно-складские затраты, уменьшает зависимость от внешних поставщиков сырья;
— высокий темп возведения, всепогодность строительства, минимальные дополнительные затраты на строительство при отрицательных температурах воздуха, что обеспечивается эффективной технологией строительства, технологичностью изделий и конструкций, оснастки, применением современных химических добавок для бетонов;
— сочетание преимуществ стали и железобетона, соблюдение условий максимального и наиболее эффективного использования физико-механических свойств основных конструкционных материалов (прочности, деформативности, теплопроводности и т.п.), что приводит к оптимальной конструктивной системе по большинству параметров;
— низкий расход стали по сравнению с другими конструктивными системами благодаря применению ячеистобетонных плит перекрытий, высокой несущей способности стального сечения и отсутствию закладных деталей в колоннах, учету пластических свойств металла, а также действию распорных усилий в перекрытии в обоих направлениях.
Новая конструктивная система, кроме уже указанных областей применения, может быть использована для сооружения быстровозводимых жилых и общественных зданий в местах, отдаленных от производственной базы строительства, например в районах нефте- и газодобычи, географических регионах с непродолжительным теплым периодом года, сложными условиями строительства.
По результатам выполненных исследований разработаны “Рекомендации по расчету и конструированию каркаса с применением легких металлоконструкций, ячеистобетонных плит и быстротвердеющего монолитного бетона”. В них изложены принципы его компоновки, указания по расчету на вертикальные и горизонтальные нагрузки, методика расчета сталебетонных колонн, узлов их сопряжения, сборно-монолитных перекрытий, указания по конструированию. Рекомендации одобрены НИИСК ( г. Киев, Украина) и кафедрой металлических и деревянных конструкций БНТУ.