Применение лёгких стальных конструкций в строительстве

Диброва М.Ю., Масягин А.В. Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана.

Легкие стальные конструкции (ЛСТК) имеют малый удельный вес, и поэтому не создают значительной нагрузки на фундамент. Этот эффект позволяет строить дома и сооружения на "слабых" грунтах. Каждый элемент имеет небольшой вес, точный размер и посадочные места, идентификационную маркировку, а конструкция вцелом снабжена несложными и корректными сборочными чертежи. Поэтому на строительной площадке здание собирается сравнительно просто - подобно сборке конструктора.

Преимущества ЛСТК:
- высокая степень надежности: стальные профили имеют стабильные размеры и не подвержены разрушениям из-за действия биологических процессов или под влиянием влаги и температуры. Долговечность такой металлоконструкции - порядка 100 лет;
- неограниченные архитектурные возможности и широкий диапазон применения;
- низкий удельный вес конструкций;
- эффективное энергосбережение;
- экологичность;
- стойкость к любым динамическим нагрузкам;
- пожароустойчивость;
- быстрый эффективный монтаж;
- всесезонная технология сборки;
- низкая эксплуатационная стоимость.

Благодаря своим очевидным достоинствам ЛСТК получают всё большее распространение для изготовления несущих и ограждающих конструкций, в частности, в малоэтажном строительстве различного назначения. Для производства несущих конструкций каркасов зданий применяют гнутые профили, высота поперечного сечения которых находится в диапазоне от 100 до 400 мм. Используют три типа профилей: швеллерные, С-образные и Z-образные. Для увеличения жесткости профилей, которая должна выдержать местную нагрузку и кручение, стенку профиля делают ступенчатой S-образной формы. Профили прокатывают из рулонной оцинкованной стали с толщиной листа от 0,8 до 4 мм. Металл должен при этом иметь предел текучести от 250 до 350 МПа и относительное удлинение не менее 16%. Чтобы снизить теплопроводность, в процессе прокатки на стенке профилей в виде продольных просечек выполняют перфорацию. Отсюда такие профили получили название - термопрофили. При изготовлении и монтаже легких конструкций, соединения гнутых профилей выполняются, как правило, с помощью самонарезающих винтов или вытяжных заклепок.

Причиной сдерживания развития производства легких стальных конструкций является отсутствие в России нормативов для расчета и проектирования ЛСТК. В частности, СНиП 23.II-23-81 "Стальные конструкции" нельзя применять для расчета конструкций из гнутых профилей толщиной менее 4 мм, т.к. здесь не учитываются некоторые существенные особенности их работы.
В частности, отличительной особенностью профилей является редуцирование сечения, т.е. снижение рабочей площади, обусловленное возможностью потери местной устойчивости продольно сжатыми участками профиля при напряжениях меньших предела текучести стали. Для увеличения рабочей площади продольного сжатого или сжато-изогнутого профиля без увеличения его толщины на плоских гранях в процессе прокатки выполняют продольные промежуточные ребра, а на отвесах - отгибы. После прокатки на полках и стенках могут оставаться поперечные волны. Такое несовершенство формы также снижает расчётное рабочее сечение профиля, что необходимо учитывать при расчётах на сжатие и изгиб.

Другая отличительная особенность - изменение механических характеристик стали по сечению, обусловленное тонкостенностью профилей. Предел текучести рулонной оцинкованной стали толщиной до 4 мм увеличивается на 15-23% с уменьшением ее толщины. В местах сгиба гнутого профиля в процессе прокатки предел текучести стали возрастает относительно его значения на плоских участках. Повышенное значение предела текучести необходимо учитывать при расчете профиля на центральное растяжение-сжатие.

Также существуют некоторые особенности при расчёте и общей местной устойчивости: здесь необходимо учитывать влияние настила, прикрепленного к тонкостенным балкам и прогонам. В плоскости закрепления на опорах, профилированный настил имеет конечную жёсткость на сдвиг, которая зависит от деформированности поперечного сечения гофров и податливости соединения настила между профилями на опорах, что обуславливает необходимость расчёта соединения сжатого пояса прогона с настилом на фактическую и действующую в горизонтальной плоскости условную поперечную силу. Общая устойчивость и несущая способность гнутых профилей при поперечном изгибе зависят от жёсткости их раскрепления на плоскости. Местную устойчивость стенок профилей проверяют в местах опирания изогнутых балок и прогонов, а также в местах приложения сосредоточенных поперечных нагрузок в пролете.

Еще одной особенностью холодногнутых профилей является методика оценки пространственной устойчивости профилей, которая проводится с применением теории расчета деформированных упругих тонкостенных стержней В.З. Власова. Исследования влияния формы поперечного сечения профиля на его пространственную устойчивость при продольном сжатии изгибом относительно главных плоскостей с учетом бимомента показали, что несущая способность С-образного профиля высотой 300 мм гораздо выше, чем у П-образного профиля той же высоты.

Анализ особенностей расчета тонкостенных холодногнутых профилей, показывает, что разработанные и внедренные конструктивные решения пространственных схем и соответствующие им индустриальные методы возведения не всегда отвечают требованиям, обеспечивающим их надежность, экономичность, транспортабельность, технологичность изготовления металлических конструкций и их монтаж. В связи с этим создаются новые конструктивные формы пространственных схем для различных сооружений, исследуются законы и процессы их формообразования.
Дальнейшее совершенствование и развитие данной отрасли видится в расширении сортамента применяемых в этих конструкциях профилей, расширение диапазона архитектурных решений зданий, увеличение высотности возводимых сооружений, повышение их надежности и долговечности.