Номенклатура и экономическая эффективность легких металлических конструкций

В настоящее время рассматривают два вида легких конструкций производственных зданий’ первый вид — каркасы зданий с традиционными параметрами (пролеты 12 … 30 м, шаг колонн 6,12 м), в некоторых случаях возможно наличие подвесного грузоподъемного оборудования; второй вид — каркасы зданий с пролетом 18 … 36 м. Каркасы первого вида применяются в зданиях различных отраслей промышленности, особенно в легкой, пищевой, легкого машиностроения, при сооружении складов, стоянок, павильонов, спортивно-оздоровительных зданий и др.

Каркасы второго вида используются в зданиях, где предусмотрены мостовые краны, подвесное грузоподъемное оборудование, конвейеры и др., т. е. в сборочных, сварочных, кузнечных и других цехах легкого и среднего машиностроения. Отдельные элементы (балки, фермы, колонны, структуры), изготавливаемые поточным методом, применяются как составные части каркасов в зданиях тяжелого машиностроения, металлургии, авиа- и судостроения и т. п. Таким образом, легкие несущие элементы конструкций имеют область распространения значительно более широкую, а не только в легких каркасных зданиях комплектной поставки. «Технические правила по экономному расходованию основных строительных материалов» разрешают применять легкие металлические несущие и ограждающие конструкции для зданий- модулей комплектной поставки независимо от величины пролета и других параметров.


Схема классификации лёгкая несущая конструкция

График относительной площади двутавровой балки
График относительной площади двутавровой балки
1 при упругом расчете в упругой стадии; 2 — при расчете с учетом пластичности

За годы развития легких металлических конструкций определилась номенклатура их несущих элементов и систем. Разработан ряд типовых проектов, выпускаются каталоги конструкций комплектной поставки. Последние постоянно совершенствуются, появляются новые их формы (рис. 1.2).

Облегчение балок достигается в основном за счет снижения расхода металла на стенки. При переходе от идеального двутавра, у которого стенка условно отсутствует, к конструкции из одной стенки расход металла увеличивается в 3 раза при упругой работе и в 2 раза при допущении пластических деформаций (рис. 1.3). В реальных балках уменьшается толщина стенки в 2 … 4 раза, используется закритическая стадия работы, повышается местная устойчивость путем гофрирования стенки или изготовления балок с отверстиями в стенке (перфорированная стенка).

Облегчение ферм осуществляется в основном за счет отказа от значительной части фасонок и сухарей в их конструкции. Использование одиночных уголков, тавров, двутаров с параллельными гранями полок, контактной сварки (электрозаклепок) в узлах обеспечивают снижение трудозатрат на изготовление ферм по сравнению с традиционными конструкциями стержней из парных уголков и фасонок. Применение замкнутых сечений — круглых и прямоугольных, труб — обеспечивает дополнительную экономию металла и более эффективное использование сталей повышенной и высокой прочности в сжатых и сжато-изогнутых стержнях. Кроме того, фермы из замкнутых стержней обладают повышенной устойчивостью при монтаже.

Эффективность сечений стержней ферм и колонн оценивается удельным радиусом инерции j = i/√А и коэффициентом α = i/h — показателями, зависящими от формы сечения и относительной тонкостенности (табл. 1.1). Данные таблицы свидетельствуют о явных преимуществах сечений тавров, гнутых швеллеров, круглых и прямоугольных труб по сравнению с парными уголками.
Колонны для зданий без кранов, с подвесными кранами грузоподъемностью до 5 т или с мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т изготавливаются в основном из сварных или широкополочных двутавров. Находят применение колонны из круглых электросварных труб, весьма перспективно использование для колонн гнутых прямоугольных труб, тонкие стенки которых можно подкрепить штампованными рифами. Стойки фахверка в основном делают из сварных либо прокатных двутавров, угловые стойки — гнутые.

Таблица 1.1. Удельные характеристики сечений

В зданиях комплектной поставки большое распространение получили сплошностенчатые рамы. В мировой строительной практике насчитываются десятки различных рамных систем. Схемы рам — в основном трехшарнирные или двухшарнирные, сечение ригелей и стоек — как правило, сварной двутавр. Основные преимущества сплошностенчатых рам — это меньшая трудоемкость изготовления по сравнению с решетчатыми конструкциями, в 1,5 … 2 раза меньшая высота сечения.

Среди пространственных систем в зданиях комплектной поставки широко используются структурные плиты, характеризующиеся высокой технологичностью изготовления и удобством транспортирования, а также трехгранные блоки покрытий. Весьма перспективно применение блоков на пролет, включающих в работу ограждающие конструкции. Эффективно использование складчатых конструкций из тонкого алюминиевого листа.
Область применения легких металлических конструкций расширяется, поэтому в ближайшие годы можно ожидать появление новых или приспособление существующих систем для зданий- модулей комплектной поставки. В качестве ограждающих конструкций неотапливаемых зданий используются стальные, реже алюминиевые, профилированные и плоские листы (рис. 1.4). Кровельный настил укладывают по прогонам или стропильным конструкциям, стеновое ограждение — по ригелям фахверка. Для производственных отапливаемых зданий применяются кровельные настилы из стальных профилированных листов и эффективного легкого утеплителя — пенополиуретана, фенольного пенопласта, минеральной ваты и стекловолокна.

Схема классификации легких металлических ограждающих конструкций
Рис. 1.4. Схема классификации легких металлических ограждающих конструкций

В зависимости от степени заводской готовности и конструктивного решения различают следующие типы кровельных настилов:

настилы раздельного типа, предусматривающие укладку стальных профилированных листов на верхние пояса стропильных конструкций или на прогоны непосредственно на строительной площадке с дальнейшим устройством теплоизоляции и рулонного ковра-двухслойные бескаркасные монопанели полной заводской готовности, состоящие из внутреннего стального или алюминиевого профилированного листа с припененным к нему легким утеплителем и верхним слоем рубероида (требуется устройство рулонного ковра и защитного слоя поверхности плит);

трехслойные бескаркасные панели типа «сандвич» полной заводской готовности, состоящие из двух слоев профилированных листов и внутреннего слоя припененного легкого утеплителя (устройство дополнительного рулонного ковра и защитного гравийного слоя не требуется);

трехслойные каркасные панели с легким плитным утеплителем полной заводской готовности длиной до 12 м (устройство дополнительной мягкой кровли не требуется).
Стеновые ограждающие конструкции выполняются из трехслойных плит длиной 12 м. Конструкции могут быть бескаркасными с припененным утеплителем (панели типа «сандвич»), полу- каркасными (имеются только продольные ребра) с припененным легким утеплителем и каркасными с плитным легким утеплителем. Устанавливаются по фахверку с вертикальной разрезкой (гофры профилированных листов ориентированы вертикально). Наряду G металлическими ограждающими конструкциями в строительстве находят применение легкие асбестоцементные листы, трехслойные ребристые утепленные панели на их основе, различные панели из фанеры и др.
Эффективность применения легких металлических конструкций, как уже указывалось, определяется рядом факторов. Важнейшее значение имеет показатель снижения расхода металла. Последний характеризуется массой самого конструктивного элемента и, кроме того, общим расходом металла на единицу площади зданий, включая все элементы каркаса — стропильные и подстропильные конструкции, прогоны, колонны, связи и другие элементы- учитывается масса металла, израсходованного на ограждающие конструкции. Эффективность оценивается также по трудозатратам на изготовление и монтаж конструкций, в том числе, и на один сопоставимый элемент, а также на единицу площади (на 1 м²).

Обобщенными показателями эффективности являются стоимость «в деле» и приведенные затраты. Последние должны учитывать не только стоимость самих конструкций и вложения в сопряженные отрасли промышленности — строительство заводов, изготавливающих металлопрокат; предприятий, производящих конструкции; баз монтажных организаций, но и эксплуатационные расходы, в частности на защиту конструкций от коррозии.
Сравнительная оценка металлоемкости стропильных конструкций пролетом 18 … 24 м при одинаковых нагрузках представлена в табл. 1.2. Из таблицы видно, что благодаря совершенствованию балок металлоемкость этих конструкций уменьшается и они приближаются по массе к фермам из парных уголков, при этом их высота в 2 раза меньше, чем у ферм. По фермам четко прослеживается закономерность снижения металлоемкости в случае применения эффективных профилей.

Расход металла зависит также от типов компоновочных схем покрытий (прогонные, беспрогонные и др.), В беспрогонных покрытиях с шагом стропильных конструкций 4 м удается дополнительно снизить расход металла за счет упрощения системы связей, кроме того, уменьшается число основных монтажных элементов. Так, например, в ячейке 18 X 12 м при прогонном решении присутствуют две стропильные фермы и семь прогонов, при бес- прогонном решении — две подстропильные фермы и четыре стропильные. Однако же по мере роста пролета беспрогонные решения уступают прогонным по расходу металла.

1.2. Металлоемкость и высота несущих конструкций, %

Вид стропильной конструкции Масса металла Высота
Сварная двутавровая балка со стенкой гибкостью 120 130 … 135 50
Двутавровая балка с перфорированной стенкой Тонкостенная балка: 130 … 132 50
стенка гибкостью 300 … 400 103 … ПО 50 … 60
гофрированная стенка гибкостью 300 … 400 100 … 105 50
Решетчатая балка с поясами из тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков

Фермы:

95 100 50
со стержнями из парных уголков 100 100
из одиночных уголков 103 … 105 70
из тавров и парных уголков 90 … 92 100
из тавров и перекрестной решеткой из одиночных УГОЛКОВ 90 … 92 100
из прямоугольных труб, образованных сваркой из прокатных уголков 80 … 87 100
с поясами из двутавров и решеткой из прямоугольных труб 80 … 88 100
из прямоугольных гнутосварных труб 72 … 92 65
из круглых труб 67 … 85 90

На экономическую эффективность легких конструкций существенное влияние оказывает технология изготовления. Опыт работы заводов легких металлических конструкций свидетельствует о том, что трудоемкость изготовления на поточных высокомеханизированных и автоматизированных линиях снижается в 1,5 … 2,5 раза по сравнению с их изготовлением по обычной технологии.

Технико-экономические показатели различных типов кровельных настилов приведены в табл. 1.3 для климатических условий Новосибирска применительно к отапливаемым производственным зданиям с плоской кровлей. За базовую принята стоимость комплексной железобетонной плиты размером 3×12 м с утеплителем из ФРП. Разброс данных но массе, расчетной нагрузке и стоимости связан с различными размерами плит, колебаниями плотности утеплителя и др.

Несмотря на преимущества легких металлических конструкции, особенно для зданий комплектной поставки, на их долю

Таблица 1.3. Технико-экономические показатели кровельных настилов

Тип настила Масса 1 м’ Стоимость, %
КГ %
Железобетонные панели: утеплитель ППУ (ФРП) пенобетон (газобетон) 250 … 270

340 … 360

100

135 … 140

100
Стальной профилированный настил по фермам с шагом 4 м (послойный монтаж) 85 32 … 35 35 … 40 (только настил)
Панели каркасного типа из профилированного настила (раздельное устройство кровли) 105 … 110 38 … 42 85 … 95
Двухслойные монопанели по прогонам с рулонным ковром: из рубероида из армогидробутила 90 … 95

40 … 45

33 … 39

15 … 18

105 … ПО

86 … 88

Трехслойные панели типа «сандвич» по прогонам 30       35 12 … 15 150 … 160
Кровельные трехслойные панели каркасного типа с легким утеплителем:

из ППУ (ФРП)

из минераловатных плит

50 … 60

65 … 70

26 … 28

28 … 30

160 … 180

Примечание. В массе и стоимости учтена параизоляцня, цементная втяжка, рулонный ковер и его захцнтный слой.

 

в общем объеме капитального строительства в конце 12-й пятилетки приходилось не более 13 %. Анализ технико-экономических показателей производственных зданий из легких металлических конструкций и зданий с традиционным железобетонным каркасом свидетельствует о том, что расход стали на 1 ма, приведенный к Ст. 3, в первых составляет 40 … ПО кг, в железобетонных же каркасах он меньше в 1,5 … 2,5 раза, однако трудоемкость изготовления и монтажа, продолжительность монтажа металлических. конструкций ниже на 20 … 40 %. В результате народнохозяйственный эффект от применения легких металлических конструкций (из расчета на 1 м2) составляет в промышленности, на транспорте и в агропромышленном комплексе 1 …7 руб., а в восточных районах страны до 12 руб. Именно это и предопределяет дальнейшее развитие легких металлических конструкций .