Металлический каркас здания: типы, конструктивные особенности и монтаж

Популярность зданий на металлических каркасах объясняется множеством преимуществ перед традиционными строительными материалами. Благодаря заводскому изготовлению и доставке на стройплощадку в готовом виде, их монтаж занимает гораздо меньше времени по сравнению с кирпичными или бетонными стенами. Сталь обладает высокой прочностью и устойчивостью к природным катаклизмам, землетрясениям и ураганам, что делает такие здания долговечными и надежными.

Легкость металлических конструкций уменьшает нагрузку на фундамент, снижая затраты на его устройство. Использование металлокаркасов позволяет проектировать более сложные формы и конфигурации в архитектуре.

Несмотря на более высокую начальную стоимость, здания на металлическом каркасе в долгосрочной перспективе оказываются экономичными за счет сокращения сроков строительства, оптимизации расходов на фундамент и эксплуатационных затрат. Высокая огнестойкость стали делает такие здания более безопасными при пожарах. К тому же металл является полностью перерабатываемым материалом, что способствует снижению экологического воздействия строительства на окружающую среду.

Основной принцип работы металлического каркаса

Металлический каркас здания выполняет функцию его «скелета», состоящего из взаимосвязанных металлических элементов — колонн, балок и ферм. Он является основной опорой всей конструкции, принимая на себя нагрузки, воздействующие на здание — вес его собственных элементов и отделочных материалов, оборудования внутри, а также снеговые, ветровые и другие внешние нагрузки.

Как это работает?

• Действующие на здание нагрузки передаются на металлический каркас. Стальные элементы, благодаря прочности, равномерно распределяют ее по всей конструкции.
• Металлические элементы обладают высокой прочностью на сжатие, растяжение, изгиб и сдвиг. Это позволяет им противостоять разнонаправленным деформациям и сохранять геометрическую форму здания.
• Соединяясь между собой по жесткой пространственной схеме, элементы металлического каркаса образуют систему, которая обеспечивает устойчивость здания и его способность противостоять внешним воздействиям.

Металлический каркас выполняет несколько ключевых функций. Он несет на себе нагрузки от верхних конструкций и передает их на фундамент, обеспечивая прочность и устойчивость здания. Каркас придает строению пространственную жесткость, защищая его от деформаций, и задает его геометрическую форму.

Преимущества и недостатки металлических каркасов

Металлические каркасы сочетают в себе прочность и долговечность, выдерживая даже самые суровые условия эксплуатации. За счет заводского производства и быстрого монтажа срок строительства значительно сокращается, что экономит время и деньги. Легкие конструкции снижают затраты на фундамент, а гибкость дизайна позволяет создавать уникальные архитектурные решения. Высокая огнестойкость и экологичность стали делают такие здания безопасными и соответствуют современным экологическим стандартам.

Металлические каркасы открывают широкие возможности для архитектурной фантазии. Их прочность и легкость позволяют создавать здания сложной формы и конфигурации. Самые сложные строительные проекты реализуются в кратчайшие сроки.

К недостаткам металлических каркасов можно отнести высокую стоимость стали, что увеличивает затраты на строительство, и необходимость использования специализированного оборудования и квалифицированных сотрудников для монтажа. Металл подвержен коррозии, требует дополнительной защиты, и отличается высокой теплопроводностью, что может привести к теплопотерям, хотя этот недостаток решается теплоизоляцией. Также металлические конструкции могут усиливать шум, что потенциально снижает комфорт внутри здания.

Разновидности металлических каркасов для зданий

Существует несколько основных типов металлических каркасов, каждый из них обладает уникальными характеристиками, которые определяют область применения. Каркасы различаются по материалу, прочности и устойчивости к внешним воздействиям, что делает их подходящими для различных целей в строительстве и промышленности. Например, некоторые каркасы лучше подходят для создания легких конструкций, в то время как другие используются для тяжелых промышленных объектов. Выбор подходящего типа каркаса зависит от конкретных требований и условий эксплуатации.

Классифицируют металлоконструкции по разным признакам. Один из основных — тип профиля.

• Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) включают оцинкованные профили с небольшим сечением, что значительно снижает вес всей конструкции и упрощает процесс монтажа. Благодаря таким характеристикам, ЛСТК нашли широкое применение в строительстве быстровозводимых зданий, таких как ангары, склады, торговые павильоны, а также жилых домов и других сооружений. Основные преимущества этих конструкций включают легкость, высокую скорость монтажа, отличные теплоизоляционные свойства и экономичность, что делает их востребованными в современном строительстве.
• Металлоконструкции из стальных профилей с большим сечением, жесткие и устойчивые к нагрузкам. Благодаря этому ЛМК применяются в строительстве промышленных объектов, спортивных комплексов, многоэтажных зданий, где требуются прочные скелеты с большим запасом несущей способности. Преимущества — высокая прочность, долговечность, перспектива создавать сложные пространственные формы, что важно при проектировании уникальных архитектурных объектов и крупных сооружений.

Но в строительстве существуют и другие варианты классификации как каркасов, так и зданий, построенных по этой технологии. В проектной документации указывают несколько признаков, по которым легко идентифицировать каркас и определить его возможности без сложных расчетов и лабораторных исследований.

• Опорные каркасы служат скелетом здания, который принимает на себя все нагрузки — от собственного веса конструкции до внешних факторов, таких как снег и ветер. Они обеспечивают устойчивость и прочность сооружения. Опорные каркасы выполнены из разных материалов, но металлические конструкции особенно популярны благодаря прочности, долговечности и способности формировать сложные пространственные конструкции.
• Арматурные (армирующие) каркасы представляют собой пространственные решетки из стальной арматуры, предназначенные для усиления бетонных элементов. Бетон отличается высокой прочностью на сжатие, но практически не выдерживает растягивающих нагрузок. Добавление арматуры с высокой прочностью на растяжение значительно повышает прочность и устойчивость к трещинам бетонных компонентов, таких как фундаменты, стены, колонны и перекрытия. Арматурные каркасы позволяют создавать монолитные бетонные конструкции любой формы и размеров, что дает архитекторам свободу для реализации смелых идей.

Стальные каркасы позволяют реализовать самые разнородные проекты и вести строительство как в промышленном, так и коммерческом и жилом секторе. Среди современных проектов сложно найти тип здания, в котором в той или иной мере не были бы задействованы металлоконструкции и арматура.

• Каркасы быстровозводимых зданий отличаются простотой конструкции и высокой скоростью монтажа. Благодаря этим качествам они идеально подходят для возведения временных сооружений — ангаров, складов, торговых павильонов, а также для строительства постоянных объектов с небольшими сроками реализации. Стандартные модульные элементы и облегченные конструкции позволяют значительно сократить время строительства, снизить затраты и минимизировать трудовые ресурсы.
• Каркасы многоэтажных зданий — более сложные инженерные сооружения, требующие тщательных расчетов и проектирования. Такие системы применяют для строительства жилых домов, офисных центров, гостиниц и других многоэтажных сооружений. В зависимости от архитектурных особенностей здания и нагрузок, которые оно будет испытывать, могут использоваться различные типы профилей и соединений, а также сочетание металлических и железобетонных элементов.

Выбор типа каркаса зависит от конкретных условий строительства, архитектурных решений и функционального назначения здания. Все типы каркасов имеют свои преимущества и недостатки. Все зависит от конкретного проекта и условий эксплуатации будущего здания.

Основные типы металлических каркасов для быстровозводимых сооружений

ЛСТК — современная строительная технология, которая становится все более популярной благодаря уникальным возможностям. Каркасы из ЛСТК — это оцинкованные тонкостенные профили, соединенных между собой сваркой или резьбой. Такие конструкции легкие и прочные: благодаря тонкой стенке профилей они обладают небольшим весом, что значительно упрощает процесс монтажа, при этом продуманный дизайн и использование высокопрочной стали обеспечивают достаточную прочность для строительства зданий различного назначения. Профили ЛСТК производятся с высокой точностью, что позволяет создавать сложные архитектурные формы и обеспечивает точное соединение элементов. Оцинкованное покрытие профилей защищает их от коррозии, продлевая срок службы конструкций и снижая затраты на обслуживание. Процесс строительства более безопасен для окружающей среды, чем традиционные методы из-за использования готовых элементов заводского производства.

Преимущества использования ЛСТК:

• Высокая скорость монтажа благодаря легкости элементов и точности изготовления. Монтаж каркаса из ЛСТК занимает значительно меньше времени, чем традиционные строительные технологии.
• Снижение трудозатрат и использование относительно недорогого материала делают строительство из ЛСТК экономически выгодным.
• Благодаря возможности установки эффективных утеплителей внутри профилей, сооружения обладают высокими теплоизоляционными свойствами, что позволяет снизить затраты на отопление и кондиционирование.
• ЛСТК позволяют создавать здания разнообразной конфигурации, что открывает широкие возможности для архитектурных решений.
• Здания с легкими каркасами относительно легко демонтировать и перенести на другое место, что делает их привлекательными для временных сооружений или модульных зданий.

ЛСТК применяют в самых разных сферах строительства. Их используют для возведения частных домов, коттеджей и таунхаусов, офисных зданий, административных комплексов и бизнес-центров, торговых объектов, складских помещений, логистических центров и промышленных сооружений, школ, больниц и детских садов.

Каркасные конструкции из легкой стали с тонкими стенками считаются одним из самых перспективных направлений в строительстве. Благодаря уникальным характеристикам и широкому спектру применения ЛСТК позволяют строить здания различного назначения быстро, надежно и экономично.

Каркасы ЛМК

В отличие от ЛСТК, ЛМК производятся из горячекатаных профилей с увеличенной толщиной стенок, что обеспечивает им большую жесткость и повышенную несущую способность. Это позволяет применять ЛМК для возведения более масштабных и сложных объектов, таких как промышленные цеха, склады, торговые центры и спортивные арены.

Преимущества ЛМК:

• Прочность благодаря толстостенным профилям и надежным соединениям. Конструкции из ЛМК способны выдерживать значительные нагрузки, что делает их идеальным выбором для зданий с большой площадью перекрытий и высокими потолками.
• ЛМК обладают высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к механическим повреждениям, что гарантирует длительный срок службы конструкций без необходимости дорогостоящего ремонта.
• ЛМК перекрывают большие пролеты без необходимости установки дополнительных опор, что создает просторные помещения.
• ЛМК могут использоваться как для строительства новых зданий, так и для усиления существующих конструкций, что позволяет модернизировать и расширять производственные объекты.

ЛМК в промышленном строительстве используются для возведения производственных цехов, складов, ангаров и логистических центров, где важны прочность и надежность конструкции. В гражданском строительстве ЛМК применяются при возведении торговых центров, спортивных комплексов, выставочных залов и для создания каркасов многоэтажных зданий. В сельском хозяйстве ЛМК служат для сооружения животноводческих комплексов, зернохранилищ и других объектов аграрного сектора. В энергетике используются для строительства подстанций, трансформаторных будок и других элементов инфраструктуры.

Применение ЛМК для каркасов зданий позволяет оптимизировать строительный процесс, сократить затраты на материалы и ускорить сроки возведения. Эти конструкции гарантируют безопасность и долговечность сооружений, что делает их востребованными для самых разных строительных проектов.

Каркасы ПСК

Пространственные стальные конструкции (ПСК) — это сложная инженерная система, которая состоит из трехмерного каркаса, сформированного соединенными между собой стальными элементами. Такая технология позволяет создавать объемные конструкции с высокой жесткостью и прочностью. ПСК обладают уникальными характеристиками, благодаря которым они являются незаменимыми в современном строительстве.

Преимущества ПСК:

• Благодаря пространственной структуре ПСК перекрывают большие пролеты без дополнительных опор, что создает просторные помещения с минимальным количеством колонн.
• ПСК способны выдерживать значительные нагрузки, что позволяет использовать их для строительства высотных зданий и сооружений с большой площадью перекрытий.
• ПСК обладают высокой устойчивостью к ветровым и снеговым нагрузкам, сейсмическим воздействиям и другим неблагоприятным природным факторам.
• ПСК позволяют создавать сложные пространственные формы и архитектурные решения, которые невозможно реализовать с использованием традиционных строительных материалов.

Стальные конструкции ПСК активно применяются в различных сферах строительства. В промышленности они используются при возведении больших цехов, складов и ангаров, где требуется прочность и просторные помещения. В гражданском строительстве ПСК применяют для сооружения спортивных объектов, выставочных и торговых центров, а также каркасов многоэтажных зданий. В транспортной инфраструктуре ПСК востребованы при строительстве мостов, тоннелей и виадуков.

Основные требования к металлическому каркасу здания

Металлический каркас — основа, обеспечивающая прочность, устойчивость и долговечность всей конструкции. В процессе проектирования и строительства учитывают ряд требований. Каркас должен быть разработан с учетом всех возможных нагрузок, включая постоянные (вес самой конструкции), временные (например, снег, ветер, размещение оборудования) и особые воздействия, такие как сейсмическая активность, вибрации от работы оборудования, или аварийные ситуации. Конструкция обязана иметь определенный запас прочности, что позволяет выдерживать не только расчетные, но и возможные превышения нагрузок. Металлический каркас должен быть устойчив к различным деформациям — прогибам, изгибам, сжатию и растяжению.

Для долговечности важна защита от коррозии. Этого достигают посредством оцинковки, нанесения защитных покрытий или применения коррозиестойких сталей. В зависимости от влажности, температуры или химической активности среды, в которой эксплуатируется здание, могут потребоваться дополнительные меры защиты.

Проектируя каркас, важно обеспечить его технологичность и простоту монтажа для ускорения процесса сборки на площадке. Также следует стремиться к минимизации отходов материалов и учесть совместимость конструкции с другими строительными материалами — бетоном, кирпичом, деревом и стеклом.

Пожаробезопасность металлических конструкций в ряде случаев требует дополнительной защиты, например, облицовки огнезащитными материалами или специальной краски. Каркас должен соответствовать архитектурному замыслу здания и в случае, если его элементы остаются на виду, иметь надлежащий внешний вид, вписывающийся в окружающий архитектурный ансамбль.

Другие требования

• В сейсмически активных районах предъявляются специальные требования к устойчивости каркаса.
• В некоторых случаях может потребоваться обеспечить достаточную шумоизоляцию каркаса.
• Материалы, используемые для изготовления каркаса, должны быть экологически безопасными.

При проектировании и строительстве металлических каркасов зданий в России руководствуются нормативными документами:

• СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции» (редакция СНиП 3.03.01-87). Документ содержит общие требования к несущим и ограждающим конструкциям зданий и сооружений, включая металлические каркасы. Устанавливает правила расчета, конструирования и изготовления элементов каркаса, а также требования к их соединению.
• ГОСТы на металлопрокат, определяющие сортамент, свойства и требования к качеству различных видов проката, используемого для изготовления металлических конструкций. Например, ГОСТ 27772-88 устанавливает требования к горячекатаным профилям из углеродистой стали.
• ГОСТы на сварку регламентируют технологические процессы, требования к соединениям и квалификацию сварщиков.

В зависимости от специфических условий и требований при проектировании и строительстве металлических каркасов, кроме основных документов, применяют и другие нормативные акты. Хотя СНиП II-23-81 «Стальные конструкции» считается устаревшим, некоторые его положения все же полезны при проектировании. Федеральный закон № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» устанавливает общие требования к безопасности зданий, включая правила для металлических конструкций. В некоторых регионах также могут действовать местные нормативные акты, которые учитывают особенности климата и сейсмическую активность.

При выборе нормативных документов стоит обращать внимание на дату издания, так как они регулярно обновляются, и важно использовать актуальные версии. Также следует учитывать сферу применения каждого документа, выбирая те, что относятся непосредственно к проектированию и строительству металлических каркасов.

Особенности и этапы монтажа металлического каркаса

Металлические каркасы отличаются высокой прочностью, устойчивы к перепадам температуры, влажности и гниению, что обеспечивает длительный срок службы. Монтируют их быстрее, чем деревянные аналоги, благодаря относительной легкости элементов и стандартизированным соединениям.

Стальной каркас здания — система взаимосвязанных элементов, которые обеспечивают прочность, устойчивость и долговечность всей конструкции. Рассмотрим подробнее каждый из этих элементов и их функции.

1. Колонна — основной несущий элемент, который принимает вертикальные нагрузки от перекрытий, крыши, оборудования и других элементов здания и передает их на фундамент, обеспечивая устойчивость и безопасность всей конструкции. Колонны изготавливают из стальных швеллеров, двутавры или трубы с необходимыми прочностными характеристиками. Колонны могут быть центрально-сжатыми, где нагрузка равномерно распределяется по всей площади сечения, и эксцентрично-сжатыми, где нагрузка передается не по центру сечения, что требует учета дополнительных моментов изгиба.
2. Балки (ригели) — служат для перераспределения вертикальных нагрузок от перекрытий, крыши и других элементов здания на колонны. Играют ключевую роль в создании горизонтальной устойчивости. Как и колонны, балки изготавливаются из стальных швеллеров или двутавры. В некоторых случаях для усиления используются составные элементы. Балки бывают разрезными, которые разделяются на несколько частей для улучшения прочности и удобства монтажа, и неразрезными, цельными, для большего сопротивления к нагрузкам.
3. Фермы — предназначены для покрытия больших пролетов крыши и перекрытий, принимая на себя значительные сосредоточенные и распределенные нагрузки. Благодаря форме и конструкции, фермы эффективно рассеивают разновекторные силы и обеспечивают большую прочность при меньшей материалоемкости. Фермы изготавливаются как сварные и болтовые конструкции из стальных уголков, швеллеров и других профилей. Существуют различные типы ферм — треугольные, параллелограммные и полигональные. Выбор типа зависит от конкретных условий эксплуатации и требуемых прочностных характеристик.
4. Связи обеспечивают пространственную жесткость каркаса, предотвращая деформацию под воздействием внешних факторов, ветровых и сейсмических нагрузок. Они укрепляют структуру, делая ее более устойчивой. Связи могут быть горизонтальными, вертикальными и диагональными, каждая из которых выполняет свою задачу в обеспечении устойчивости каркаса и предотвращении его скручивания или прогиба.
5. Узлы являются важными соединительными элементами каркаса, которые соединяют колонны, балки и фермы. Качество и надежность узлов напрямую влияют на прочность и долговечность всей конструкции. Узлы могут быть сварными или болтовыми. Сварные узлы обеспечивают более высокую прочность соединений, в то время как болтовые узлы дают возможность более легкого монтажа и ремонта.
6. Фундамент является основой, на которую передаются все вертикальные и горизонтальные нагрузки от каркаса здания. Он должен равномерно распределять эти нагрузки на грунт, чтобы предотвратить оседание или повреждения строительных элементов. Фундаменты могут быть монолитными, когда все конструкция залита из единого материала, или сборными, когда используются готовые блоки и элементы. Выбор типа фундамента зависит от характеристик грунта и нагрузки на него.

Конструкции из металла изготавливаются с высокой точностью на заводах, что способствует созданию ровных поверхностей и упрощает отделочные работы. Каркасы подходят для разнообразных строительных целей — от зданий и сооружений до перегородок и навесов. Металл не поддерживает горение, что повышает уровень пожаробезопасности. Дополнительным преимуществом является возможность демонтажа и повторного использования готовых металлоконструкций и их фрагментов.

Этапы монтажа металлического каркаса

1. Проектирование. На этом этапе разрабатывается проектная документация, чертежи и расчеты прочности конструкции. Инженеры определяют типы металлических профилей, узлов соединений, нагрузки на каркас, выбирают оптимальные материалы. Проект учитывает все архитектурные и строительные нормы, возможные климатические воздействия. Результат — подробный план, который будет использоваться на следующих ступенях строительства.
2. Перед началом монтажа каркаса необходимо подготовить основание. Работы включают очистку участка от мусора и выравнивание поверхности. В зависимости от требований проекта монтируют фундамент — свайный, ленточный или плитный. Если конструкция устанавливается на уже существующее основание, проводят проверку его состояния и, при необходимости, укрепляют.
3. На строительную площадку доставляют металлические профили, крепежные элементы, дополнительное оборудование. Важным аспектом является правильная организация разгрузки и складирования материалов, чтобы предотвратить их повреждение и облегчить дальнейшую сборку. Все материалы должны быть проверены на предмет соответствия спецификациям проекта и наличие возможных дефектов.
4. Сборка каркаса:
   • Установка опорных элементов. Первый шаг в сборке каркаса — установка колонн, балок и других основных несущих элементов. Они формируют каркас, который будет воспринимать все внешние нагрузки. Опорные элементы устанавливаются с учетом проектных допусков, что обеспечивает надежность конструкции.
   • Металлические профили соединяются с помощью сварки, болтов или специализированных крепежных элементов —заклепок или шпилек. Вид соединения выбирают исходя из требований к прочности и условий эксплуатации. Процесс соединения требует тщательной проверки на качество, чтобы избежать ослабления конструкции в дальнейшем.
   • Регулярная проверка геометрии каркаса — важный этап в ходе сборки. Используют специальные инструменты —нивелиры и теодолиты, чтобы убедиться в точности выполненного монтажа. Контроль геометрии позволяет избежать отклонений, которые могут повлиять на устойчивость и внешний вид конструкции.
5. После сборки основного каркаса устанавливаются вспомогательные элементы — оконные и дверные проемы, лестницы, перекрытия и другие архитектурные компоненты. Эти элементы не только завершают формирование каркаса, но и обеспечивают его функциональность.
6. На этапе облицовки монтируются внешние и внутренние отделочные материалы — фасадные панели, металлические кассеты, гипсокартон, сайдинг и другие покрытия. Облицовка придает конструкции законченный вид и выполняет защитные функции от влаги и ветра, обеспечивает теплоизоляцию.
7. Завершающий этап — монтаж отопления, вентиляции, водоснабжения, электроснабжения и других коммуникаций. Инженерные сети интегрируются в конструкцию каркаса, минимизируя воздействие на его прочность и долговечность.

Такой подход к монтажу металлического каркаса позволяет создавать надежные и долговечные конструкции, соответствующие современным требованиям и стандартам строительства.

Методы защиты и покрытия для металлических каркасов

Защита металлических каркасов от коррозии — одна из важнейших задач в строительстве. Коррозия не только ухудшает внешний вид конструкции, но и снижает прочность и сокращает ресурс. Существует множество методов и материалов, позволяющих эффективно защитить металл от разрушительного воздействия окружающей среды.

Основные методы защиты:

• Лакокрасочные покрытия — наиболее распространенный и доступный способ. Современные ЛКМ по металлу обладают нужным уровнем адгезии, стойкостью к атмосферным воздействиям и ультрафиолету. Они не только защищают металл от коррозии, но и придают ему эстетичный вид.
• Метод оцинковки предполагает нанесение на поверхность металла слоя цинка, который обладает высокой коррозионной стойкостью и образует пассивирующую пленку, защищающую металл от коррозии.
• Алюминиевые покрытия отличаются высокой стойкостью к коррозии и образуют на поверхности металла прочную оксидную пленку.
• Полимерные материалы, полиуретановые, эпоксидные и фторполимерные покрытия, обеспечивают один из самых высоких уровней защиты от коррозии, износа и химических воздействий.
• Электрохимический метод катодной защиты, при котором на металл подается электрический ток, предотвращающий процесс коррозии, используется для подземных и надземных конструкций.
• Легирование — добавление в состав стали легирующих элементов, повышающих ее стойкость к коррозии. Используется на этапе подготовки сырья для изготовления элементов каркаса.

Выбор метода защиты определяется агрессивностью среды, перепадами температур, уровнем влажности, типом металла, требованиями к внешнему виду. Важную роль играют экономические соображения — стоимость материалов и выполнения работ.

Процесс нанесения защитных покрытий предусматривает очистку от ржавчины, окалины и прочих загрязнений. Далее наносится грунтовка для обеспечения лучшего сцепления последующих слоев покрытия. Затем происходит нанесение основного защитного слоя, будь то лакокрасочное покрытие, оцинкование или другой тип защиты. Завершается процесс контролем качества, который включает визуальный осмотр и измерение толщины покрытия специальными приборами.