Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Основы строительной механики легких стальных тонкостенных конструкций: Учебное пособие

Голосов: 5

В пособии приводятся теоретические основы моделирования и расчета на прочность и устойчивость подобных конструкций, являющихся на сегодняшний день инновационными и, соответственно, испытывающие проблемы и пробелы в теоретической фундаментальной базе, в частности - необходимости использования Еврокода-3. Главная особенность пособия - наличие конкретных примеров по расчету рассматриваемого типа конструкций. Учебное пособие рекомендовано Учебно-методическим объединением по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Прикладная механика". Также пособие может быть использовано: для подготовки студентов, обучающихся по магистерским программам "Теория и практика организационно-технологических решений", "Организация и управление инвестиционно-строительными проектами", "Автоматизированное проектирование зданий и сооружений", "Инженерные системы зданий и сооружений" направления "Строительство"; аспирантами, молодыми преподавателями и специалистами, изучающими, либо стремящимися расширить свои знания в области стальных конструкций и строительной механики.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    для возведения малоэтажных зданий высотой до четырех этажей. На осно-
ве ЛСТК можно возводить быстрособираемые модульные дома.

Сравнительный анализ физических, механических и технологических
 свойств легких стальных тонкостенных конструкций и конструкций
                               из дерева
     Представим сравнение зданий из двух типов строительных конструк-
ций и материалов по основным критериям здорового жилища: деревянных
и стальных тонкостенных (далее «дерево» и «ЛСТК» соответственно).
     1. Экологическая чистота
     Дерево. Многие традиционно используемые высокотоксичные защит-
ные средства технологически устарели и перестали соответствовать жест-
ким европейским стандартам. Попросту говоря, они оказались не так без-
обидны, а некоторые даже опасны для природы и человека. Экспортерам
древесины зачастую сложно или просто невозможно выполнить техноло-
гические требования, предъявляемые зарубежными заказчиками к экспор-
тируемой древесине. Основное требование – экологическая безопасность.
     Защитные средства на основе органических веществ позволяют избе-
жать этих проблем, а значит существенно снизить производственные за-
траты, повысить качество защиты материала от всех видов биоповрежде-
ния, снизить экологический риск. Активные органические вещества эф-
фективно защищают древесину. Свойства и качества древесины при этом
остаются на уровне экспортных стандартов.
     ЛСТК. Неорганические и химически пассивные металл и другие со-
путствующие материалы (утеплитель, внутренняя и наружная обшивка
стен, отделка), утилизируются на 100%, Не впитывают и не выделяют в
воздух химикаты.
     «Канадское общество астматиков» (Asthma Society of Canada) призна-
ло воздух в помещениях из легких металлоконструкций наиболее пригод-
ным для астматиков, а также людей, чувствительных к химикатам и аллер-
гии.
     Дополнительным немаловажным преимуществом этих конструкций с
точки зрения защиты экологии является возможность рециркуляции ме-
таллоконструкций неограниченное количество раз в будущем.


                                                                     11


    2. Долговечность
    Дерево. Щитовая и каркасная стены обычно рассчитаны на 20-30 лет,
бревенчатая и брусчатая – на 30-40 при правильности соблюдения техно-
логии строительства и качества обработки бруса.
    ЛСТК. Стальные профили из горячеоцинкованной стали защищены
от коррозии на протяжении всего срока службы здания. Срок службы про-
филей был изучен в английской компании «Бритиш Стил». В результате
было показано, что 275 г/м2 цинка достаточно для долговечности примерно
в 100 лет.
     3. Огнестойкость
     Дерево. Главный недостаток деревянного дома в том, что он горит –
 от 40 минут до часа. И любой пожар предусматривает его полное уничто-
жение. Без обработки специальными составами дом сгорает за 15-30 мин.
Но существуют и специальные средства, действие которых направлено не-
посредственно на защиту от огня. Конечно, ни одно из этих средств не да-
ет 100 % гарантии от пожара, так как не делает дерево абсолютно негорю-
чим. Но каждое из них повышает предел огнестойкости деревянной конст-
рукции. Однако обработку необходимо периодически повторять.
    ЛСТК. Согласно заключению по оценке огнестойкости и пожарной
опасности ВНИИПО МЧС РФ, полученному на основе испытаний 4-х кон-
струкций каркасного типа, ЛСТК имеют следующие пожарно-технические
характеристики:
    – несущая стена, мансардное покрытие R (несущая способность)
E (целостность) 45 КО (45);
    – межэтажное и чердачное перекрытие REI (теплоизолирующая спо-
собность) 45 КО (45)).

    4. Экономичность
    По данным 2007 года соотношение удельных стоимостей деревянных
домов различных типов и дома на основе легкого каркаса следующее.
    Если стоимость 1 кв. метра стены (каркас с утеплителем и обшивкой)
дома (с работой) принять за 100%, то стоимость деревянного дома (ниже
рассматривается 5 типов) окажется следующей:
         1. Профилирован. 6-гранный брус – 136,4%.
         2. Строганное бревно в чашку      – 108,7 %.


12


        3. Лафит                          – 100,1%.
        4. Строганное бревно в лапу        – 93,1%.
        5. «Канадский дом» – деревянный каркас с утеплителем (с при-
менением бруса клееного из шпона LVL)       – 123,1%.
    Большинство дополнительных затрат на строительство деревянных
домов связано с сооружением фундамента, отличающегося от фундамента
для ЛСТК из-за разности весов; а также с подготовкой стен под внутрен-
нюю отделку
    5. Вес
    Дерево. Масса 1 м 2 стены, сложенной из бревен составляет 110-130 кг
при толщине бревен 220-260 мм.
    ЛСТК. Масса 1 м 2 стены составляет 40-53 кг при толщине 154-204 мм.
    6. Теплосбережение
    Дерево. Теплотехнический расчет показывает, что деревянная стена
толщиной 250 мм (наиболее распространенный габарит бревен) не удовле-
творяет действующим нормам и требует дополнительного утепления.
Применение 50 мм утеплителя бревенчатая стена практически любой тол-
щины отвечает требованиям к коэффициенту теплопередачи.
    ЛСТК. Приведенное сопротивление теплопередаче термопанели ши-
риной 175 мм превышает установленное нормами значение для Санкт-
Петербурга (3,15) и составляет Rо = 3,26 м² ºС/ВТ.
     7. Усадка
     Дерево. Большинство строительных фирм предлагает своим клиентам
в первый год сложить дом из бруса и только в следующем году произво-
дить его отделку. Проблемы усадки решаются при использовании клеено-
го профилированного бруса, которая приблизительно в три раза превы-
шает цену оцилиндрованного бревна и других видов бруса.
     ЛСТК. Применение ЛСТК обеспечивает абсолютное отсутствие ка-
кой-либо усадки в период строительства и эксплуатации.
     8. Стойкость к метеовоздействиям
     Дерево. Глубокая вакуумная пропитка позволяет защитить от гниения
древесный слой в 60–70 мм, а поверхностная антисептическая пропитка
захватывает только 6–7 мм, которую необходимо повторять каждые 5-6
лет.

                                                                      13


     ЛСТК. Профили из горячеоцинкованной стали защищены от корро-
зии на протяжении всего срока службы здания.
     9. Стойкость к биосфере
     Дерево. Для защиты древесины от микроорганизмов существуют ан-
тисептики, которые уничтожают грибы и насекомых или прекращают их
деятельность. Рекомендуется раз в 3 года обновлять покрытие или после
обработки поверхности деревозащитными материалами наносить сверху
лак.
     ЛСТК. Применяемые в ЛСТК компоненты не подвержены воздейст-
вию термитов, любых видов грибка и плесени, других организмов.

    Как видно из приведенных аргументов ЛСТК имеют преимущества по
всем критериям здорового жилья.
    Очевидно, что качественное строительство из древесины можно обес-
печить только при использовании технологии с применением клееного
бруса. Но стоимость изготовления деталей домов явно не вписывается в
концепцию доступного жилья.
    Кроме малоэтажного индивидуального домостроения легкие стальные
тонкостенные конструкции находят широкое применение, а зачастую не
имеет достойной альтернативы, и в других областях строительства.

     Использование легких стальных тонкостенных конструкций
                     в мансардном строительстве
    В последние годы в связи с проблемой реконструкции домов, в том
числе и в историческом центре Петербурга, стало активно развиваться
строительство мансардных этажей.
    Легкие конструкции благодаря своим конструктивным особенностям
способны решить главную проблему реконструкции старых зданий - сни-
жению нагрузок, разрушающих стены. Благодаря легкости элементов
можно отказаться от тяжелой крановой техники, вести монтаж вручную, не
выселяя жильцов и не причиняя им никаких неудобств при реконструкции.
    Возведение мансард позволяет не просто продлить срок службы суще-
ствующих зданий, преобразить их внешний облик, но и создать новые жи-
лые и офисные площади в престижных районах, где получение площадок
под новое строительство (так называемых лакун) практически исключено.

14


 Рис. 2В. Каркас мансарды из термопрофиля в здании на 7-oй Красноармейской
                          улице, г. Санкт-Петербург

    Фактически в сортамент ЛСТК входят те же самые швеллеры и зето-
вые профили, но главным отличием от ГОСТ’овских является сниженный
погонный вес. Производя расчеты по прочности и устойчивости, согласно
современным методикам и исследованиям [4, 5, 11], можно грамотно вы-
брать конструктивную схему ЛСТК и подобрать сечения, что приведет к
снижению веса конструкций мансарды в несколько раз. Это очень важно
для работы фундамента здания: фундаменты реконструируемых домов, к
сожалению, имеют лимитированный запас прочности.
    В связи с этим достаточно интересный проект был сделан Научно-
исследовательским отделом проектного института «ЛенжилНИИпроект» –
проект реконструкции пятиэтажки по ул. Торжковская.д.16.
    В существующем 5-этажном здании фонда первых массовых серий
постройки 1960-х годов (запасы по несущей способности которого, оче-
видно, не являются огромными) из легких металлоконструкций был над-
строен шестой мансардный жилой этаж.


                                                                         15


    При этом инвестиции для проекта были привлечены из-за границы:
Заказчиком проекта были датчане.




      Рис. 3В. Реконструированный жилой дом по ул. Торжковская, д.16

   Ограждающие конструкции в сборно-монолитном строительстве
     В сборно-монолитном и каркасном строительстве, объемы которого
постоянно растут, в качестве эффективных и экономичных ограждающих
конструкций можно использовать так называемые термопанели.
     Данная технология активно развивается в странах Скандинавии и
Прибалтики. В нашей стране, к сожалению, отсутствует широкий опыт
применения термопанелей в качестве ограждающих конструкций при мно-
гоэтажном каркасном строительстве, хотя первые пилотные проекты с
применением данной технологии реализованы в жилищном строительстве
в Нижнем Новгороде.
     Термопанели – это панели наружных стен с каркасом из термопрофи-
лей. Из термопанелей строятся наружные стены многоэтажных зданий на
железобетонном или стальном каркасе, которые воспринимают ветровую
нагрузку, действующую на фасад, и переносят еѐ на основной несущий
каркас здания.

16


Рис. 4В. Варианты ограждающей конструкции:
        а) навесная конструкция стены




б) наружная стена с окном и несущей балкой

                                             17


     Наиболее распространѐнная конструкция термопанелей, подходящая к
климатическим условиям Северо-Западного региона базируется на стоеч-
ных профилях шириной 175 мм. Максимальная длина панелей 8,5 м, высо-
та 3,6 м.
     Приведенное сопротивление теплопередаче термопанели шириной
175 мм превышает установленное СНИПом значение для Санкт-
Петербурга (3,15) и составляет Rо = 3,26 м² ºС/ВТ, вес около 40...45 кг/м2.
       Производство термопанелей может осуществляться тремя методами:
- непосредственно на объекте;
- «полевое» производство на месте строительства;
- заводское производство.
       Выбор способа производства зависит от:
- количества строящихся зданий;
- типа зданий;
- места строительства;
- особенностей строительства;
- уровня капиталовложений.
       Остановимся на каждом из методов.
     1. Производство непосредственно на объекте
     Преимущества:
- не требует затрат на производственные мощности;
- строительные рабочие привыкают к методу работы;
- существует возможность воплощения более поздних решений и измене-
ний;
- используется собственная рабочая сила компании.
     Недостатки:
- увеличивается продолжительность строительства;
- необходимо наличие складских помещений материалов на стройплощад-
ке;
- материалы и части зданий подвергаются погодным воздействиям.
     2. «Полевое» производство на месте строительства
     Термопанели, перекрытия и кровельная система производятся во вре-
менных помещениях (временные навесы или цеха из ЛМК) для данного
строительного проекта или в отдельной зоне на строительной площадке.
     Преимущества:

18


    - узлы производятся в условиях более строгого контроля;
    - возможность использования промышленных способов соединения
(напр. заклепки);
    - высокая производительность труда по сравнению со способом «на
месте»;
    - возможность избежать затрат на производственные мощности и обо-
рудование;
    - отсутствие транспортных расходов;
    - хорошие рабочие условия;
    - чистая рабочая зона;
    - возможность увязки с ходом работ на месте.
    Недостатки:
    - необходим подъемный кран;
    - возможность повреждения материалов при работе;
    3. Заводское производство
    Преимущества:
    - высокая степень точности и высокое качество;
    - высокая производительность и малое время сборки;
    - малое количество отходов;
    - отсутствие необходимости в складских площадях на строительных
площадках.
    Недостатки:
    - затраты на транспортировку;
    -возможность повреждений при погрузке-выгрузке и транспортиров-
ке;
    - необходимость качественной проектно-конструкторской документа-
ции на ранней стадии строительства;
    - крупные инвестиции в цеха и оборудование.
    Рассмотрим основные показатели, позволяющие объективно оценить
достоинства применения термопанелей по сравнению с традиционными
методами строительствами.

    Экономичность
    Благодаря лѐгкости конструкции появляется возможность отказаться
от сложных фундаментов в пользу более простых. Это уменьшает расход

                                                                   19


бетона на 50-80%, трудозатраты на 40-70%, а, следовательно, и стоимость
фундаментов в 2-4 раза.

    Легкость термопанели
    Масса 1 м 2 стены составляет 40-53 кг при толщине 154-204 мм, а с об-
лицовкой отделочными материалами от 57 до 200 кг в зависимости от их
типа, аналогичный показатель для стен и облицовок из традиционных ма-
териалов от 300 до 1055 кг. Этот фактор позволяет существенно сократить
затраты на транспортировку и грузоподъемные операции.

    Экономия пространства
    Уменьшенная толщина термопанели по сравнению с традиционными
стеновыми материалами позволяет создавать до 7% дополнительной пло-
щади помещений здания.


 Ключевые моменты концепции легких стальных тонкостенных кон-
                               струкций
    Итак, главное преимущество каркасного строительства из ЛСТК –
максимальная заводская готовность материалов и технология строи-
тельства, обеспеченная детальной документацией для сборки.
    Проект дома из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК),
в отличие от обычного строительного проекта, относится к машинострои-
тельному конструированию и максимально индустриализует строительный
процесс, делает его легко управляемым и поэтому привлекательным для
заказчика.
    При увеличении объемов малоэтажного строительства возрастает роль
индивидуального проектирования, так как малоэтажная застройка всегда
более индивидуализирована по архитектуре, а типизация решений не мо-
жет быть столь масштабной как в многоэтажном строительстве. Решение
задачи эффективного строительства в этом случае состоит в применении
новых технологий, новых материалов и новых их комбинаций и сочетаний,
в комплексном подходе к решениям архитектуры и инженерии.
    Экстенсивное наращивание строительства индивидуальных домов с
применением унифицированного модульного или панельного производст-


20



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика