Многоэтажные металлокаркасы

Стальной каркас давно стал привычным решением для одноэтажных складов и цехов, но в многоэтажном строительстве его возможности используются значительно реже, чем могли бы. Между тем административные здания, паркинги, многоуровневые производственные корпуса, гостиницы и торговые центры на металлокаркасе строятся быстрее, легче и точнее, чем аналогичные монолитные объекты.

Специалисты завода «Рина» проектируют и изготавливают каркасы зданий высотой от трёх до двенадцати этажей и выше. В этой статье расскажем, какие конструктивные схемы применяются, как решаются перекрытия и узлы, что нужно учесть по огнезащите и почему правильно организованная логистика монтажа важнее, чем кажется на старте.

Статья рассчитана на заказчиков и проектировщиков, которые выбирают между сталью и железобетоном и хотят понимать, от чего зависят стоимость и сроки.

Преимущества стального каркаса в многоэтажном здании

• Скорость возведения. Элементы изготавливаются на заводе параллельно с устройством фундаментов. На площадке остаётся сборка, темп которой — этаж за несколько дней.
• Меньший вес здания. Стальной каркас легче железобетонного, что снижает нагрузку на фундаменты. На слабых грунтах это может оказаться решающим аргументом.
• Большие пролёты. Свободные пролёты 12–18 м без промежуточных колонн дают гибкую планировку офисов, торговых залов и паркингов.
• Всесезонность. Монтаж на болтах не зависит от температуры так, как бетонные работы, которым нужен прогрев зимой.
• Точность. Заводское изготовление обеспечивает допуски в миллиметрах, что облегчает монтаж фасадов, лифтов и инженерных систем.
• Возможность реконструкции. Стальной каркас проще усилить, надстроить или перепланировать в будущем.

Конструктивные схемы

Рамная схема

Колонны и ригели соединяются жёсткими узлами, и каркас сам воспринимает горизонтальные нагрузки от ветра. Схема даёт максимальную свободу планировки — нет связей, мешающих проёмам. Однако жёсткие узлы трудоёмки, а сечения колонн и ригелей получаются крупнее. Рамную схему выбирают для зданий средней этажности, где важна открытая планировка фасадов.

Связевая схема

Ригели опираются на колонны шарнирно, а горизонтальную жёсткость обеспечивают вертикальные связи или ядра жёсткости. Узлы простые и быстрые в монтаже, металлоёмкость ниже. Связи размещаются в лестнично-лифтовых узлах, в торцевых стенах, между оконными проёмами.

Рамно-связевая схема

Комбинация: в одном направлении работают рамы, в другом — связи, либо часть узлов жёсткая, а часть шарнирная. Так удаётся совместить свободу планировки там, где она нужна, и экономичность там, где допустимы связи.

Каркас с железобетонным ядром

Монолитное ядро лестнично-лифтового узла воспринимает горизонтальные нагрузки, а стальной каркас работает только на вертикальные. Решение популярно для зданий повышенной этажности. Требует точной увязки закладных деталей ядра с металлоконструкциями.

Перекрытия

Выбор перекрытия влияет на вес, скорость монтажа, акустику и огнестойкость.

Сталежелезобетонное перекрытие по профлисту

Наиболее эффективное решение для металлокаркасов. Профилированный лист укладывается на балки и служит несъёмной опалубкой и рабочей арматурой. Бетон объединяется с балками упорами, и стальная балка работает совместно с плитой. Это позволяет уменьшить сечение балок на 20–30 процентов по сравнению с раздельной работой.

Сборные железобетонные плиты

Многопустотные плиты укладываются на полки балок или на специальные опорные столики. Быстро и без мокрых процессов, но требуются кран большой грузоподъёмности и тщательная проработка опирания.

Монолитные плиты по съёмной опалубке

Классический вариант, но он утрачивает часть преимуществ металлокаркаса по скорости. Применяется, когда требуется сложная форма плиты или большие консоли.

Высота перекрытия и инженерные сети

В офисных зданиях через перекрытие проходят воздуховоды, кабельные лотки и трубопроводы. Чтобы не увеличивать высоту этажа, в стенках балок заранее вырезаются отверстия, а для больших пролётов применяются перфорированные балки. Все отверстия задаются в чертежах КМД и выполняются лазером на заводе.

Узлы и соединения

Качество многоэтажного каркаса во многом определяется узлами. Хорошо спроектированный узел удобен в изготовлении, быстро собирается и не требует подгонки.

• Стыки колонн располагаются через два-три этажа, обычно на отметке около 1 м над перекрытием, где удобно работать монтажнику.
• Шарнирные узлы балок выполняются на рёбрах или уголках с болтами нормальной точности.
• Жёсткие узлы — фланцевые на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением либо сварные с монтажными столиками.
• Связи крепятся через фасонки на болтах; для крестовых связей важна проработка узла пересечения.

Сварка на заводе выполняется полуавтоматами в среде CO2 и аргоновых смесей по ГОСТ 14771, с контролем швов. На площадке сварка сводится к минимуму — это ускоряет монтаж и снижает зависимость от погоды.

Огнезащита

Незащищённая сталь теряет несущую способность при нагреве примерно до 500 градусов, поэтому огнезащита в многоэтажном здании обязательна. Требуемые пределы огнестойкости зависят от степени огнестойкости здания и составляют для колонн многоэтажных зданий R90–R120 и выше.

Способы огнезащиты

• Тонкослойные вспучивающиеся составы — сохраняют вид металла, наносятся в цехе или на объекте. Эффективны до R90–R120 в зависимости от приведённой толщины металла.
• Конструктивная огнезащита — облицовка плитами или обетонирование. Даёт высокие пределы огнестойкости, одновременно формирует отделку.
• Штукатурные составы — для скрытых конструкций, где внешний вид не важен.

Важно, чтобы грунт под огнезащиту был совместим с выбранным составом. Эту связку определяют на этапе проектирования, иначе огнезащитный слой может отслоиться.

Сталь, расчёт и нормы

Каркас рассчитывается по СП 16.13330 на постоянные, временные, снеговые и ветровые нагрузки по СП 20.13330. Для многоэтажных зданий особое значение имеют горизонтальные перемещения верха от ветра и ускорения колебаний, влияющие на комфорт людей на верхних этажах. Сталь выбирается по ГОСТ 27772: для колонн и основных балок обычно С345 или С355, для второстепенных — С255.

Отдельно проверяется прогрессирующее обрушение: каркас должен сохранять устойчивость при локальном выходе из строя одного элемента, например колонны первого этажа. Это требует продуманных связей и узлов с достаточной несущей способностью на растяжение.

Логистика изготовления и монтажа

Скорость возведения многоэтажного каркаса ограничивается не столько монтажом, сколько поставкой. Если на площадку пришли колонны третьего этажа, а балок второго ещё нет, кран простаивает.

1. Составляется монтажная ведомость по захваткам и этажам.
2. Изготовление планируется в той же последовательности, что и монтаж.
3. Элементы маркируются по захваткам, в каждой поставке — комплект для конкретного участка.
4. На площадке организуется буферный склад на один-два дня работы.
5. Геодезический контроль ведётся после каждого яруса, чтобы исключить накопление отклонений по вертикали.
6. Бетонирование перекрытий идёт с отставанием на два-три этажа от монтажа стали.

Сталь или железобетон

Однозначного ответа нет, но есть факторы, при которых металлокаркас явно выигрывает: сжатые сроки, слабые грунты, большие пролёты, необходимость будущей реконструкции, стеснённая городская площадка без места для бетонного хозяйства. Железобетон может выигрывать для жилья с частыми стенами и небольшими пролётами, где его масса и звукоизоляция приносят пользу. Во многих проектах оптимальным оказывается комбинированное решение — монолитное ядро и стальной каркас.

Итоги

Многоэтажный металлокаркас — зрелая технология, которая даёт скорость, точность, лёгкость здания и свободу планировки. Правильный выбор схемы, сталежелезобетонные перекрытия, продуманные узлы, надёжная огнезащита и чёткая логистика поставок делают такой каркас конкурентоспособным и по цене.

Завод «Рина» разрабатывает КМ и КМД, изготавливает и поставляет каркасы по монтажным захваткам, выполняет огнезащиту и монтаж. Подробнее о возможностях производства — в разделе продукции.