Гипсокартон прочно и безвозвратно вошел в нашу жизнь, причем случилось это намного раньше, чем в стране появились металлические профили для монтажа гипсокартона. Старые строители еще помнят "сухую штукатурку", ныне называемую гипсокартоном, которая использовалась с 50 годов в строительстве, однако широкого распространения из-за недостатков технологии производства сухой штукатурки и проблем с монтажом листов широкого распространения не получила.
В усовершенствованном виде и под маркой компании Knauf гипсокартон пришел к нам из Германии, но главное, что вместе с листовым материалом пришли и оцинкованные профили каркаса. Продуманная до мелочей система монтажа металлического каркаса и крепления гипсокартонных листов к каркасу превратила отделку стен и потолков в простое и быстрое занятие. Теперь и гипсокартонные листы и все виды профилей, включая потолочные, направляющие и стеновые, а также фурнитуру к ним в виде подвесов, соединительных скоб, саморезов, дюбелей для быстрого монтажа и др. производит множество отечественных фирм.
Не смотря на большое количество производителей, технических характеристик ни для гипсокартонных листов ни для профилей металлического каркаса в свободном доступе нет. Обычно производители или продавцы ограничиваются ссылкой на соответствие неким загадочным ТУ 111-004-04001508-95, которых также в сети не найдешь, и подробным описанием канавок, насечек, рифлений и прочих фишек, придающих дополнительную прочность профилям. При этом каковы прочностные характеристики профилей хотя бы приблизительно, остается загадкой.
Дело усложняется еще и тем, что толщина листовой стали, используемой для проката профилей, может варьироваться от 0.4 до 0.8 мм, да и марки стали также могут быть разными. Связано это с тем, что люди хотят покупать более дешевый профиль. А так как желание потребителя - закон для производителя, то в последнее время появились так называемые профили эконом-класса. И это логично, так как потребитель все равно не знает несущей способности профилей, то зачем его заставлять платить больше. Металлические профили для гипсокартона не являются элементами несущих конструкций, хотя народные умельцы пытаются приспособить их и для этих целей, а могут использоваться только для монтажа ограждающих конструкций. Поэтому даже если конструкция подвесного потолка, зашивки стены или перегородки получится слишком уж хлипкой большой беды в том не будет. И даже наоборот производителям гипсокартона и профилей от этого будет только лучше, чем чаще будут ломаться конструкции из гипсокартона, тем чаще люди будут покупать новый гипсокартон и профили, а значит продажи будут только увеличиваться.
Конечно же существует бесчисленное количество рекомендаций и от производителей гипсокартонных конструкций, и от продавцов, и от мастеров, занимающихся монтажом гипсокартона (и даже от людей, которые в глаза не видели гипсокартон, но знают, что на ГКЛ можно хорошо зарабатывать), в которых достаточно подробно расписано, на каком расстоянии следует крепить те или иные профили, какие инструменты и материалы при этом использовать, а производители типа Knauf, при этом добавляют, что при малейшем нарушении данных рекомендаций производитель никакой ответственности не несет. И все это очень хорошо, но только эти рекомендации все как будто написаны под копирку, а между тем и толщина и марка стали и производитель профиля могут быть самыми разными и то, что для таких профилей предлагаемые рекомендации одинаково подходят - весьма сомнительно.
Обычно простой человек в таких случаях сильно не парится, да и зачем? Пусть у инженеров голова болит, и в принципе это верно. Более менее точно рассчитать нагрузку, а следовательно и подобрать сечение можно только для потолочных профилей. Так как на потолочные профили обычно никакой другой нагрузки, кроме собственного веса, веса подшиваемых гипсокартонных листов и веса светильников не действует. А вот для профилей, используемых для обшивки стены или монтажа перегородки, учесть все возможные нагрузки практически невозможно. Люди бывают разные и не только по весу, но и по темпераменту, а еще бывают праздники, детские игры, спортивные состязания и другие мероприятия, во время которых нагрузка на стены может быть в десятки раз больше обычной. Поэтому вариантов дальнейших действий всего два: можно как и прежде бездумно выполнять рекомендации профессионалов, а можно попробовать самому рассчитать прочность профилей и листов хотя бы приблизительно.
Тем более, что сделать это не сложно, для определения прочности и даже гибкости любого металлического профиля достаточно знать геометрические характеристики и марку стали. Для примера рассмотрим расчет прочности потолочного профиля для гипсокартона ПП 60/27 3 м, впрочем обозначение может быть и другим, например CD 60х27х3м или ППС 60*27-0.5мм 3 м, сути дела это не меняет, в виду имеется потолочный (потолочно-стоечный) профиль шириной 60 мм и высотой стенки 27 мм, длина профиля может быть и 3 и 4 и 6 метров, но для расчетов намного важнее знать толщину профиля, в данном случае она равна 0.5 мм. Однако в ценниках и товарных чеках толщина профилей указывается далеко не всегда, на глаз это определить трудно, а с штангенциркулем в торговые залы строительных супермаркетов не очень-то пускают. И тут важным подспорьем для нас станет вес профиля. Так как удельный вес углеродистой стали - величина более менее постоянная и как правило считается равной 7850 кг/м3 или 7.85 г/см3, то держа в руках профиль длиной 3 метра, отличить профиль с толщиной стенок и полок 0.4 мм от профиля с толщиной стенок и полок 0.6 мм, а тем более 0.8 мм вполне можно.
Для начала выясним, чему равна площадь сечения профиля. Разные компании выпускают различные по форме профили, однако наиболее распространенной и потому наиболее вероятной является следующая (продольные канавки на стенках профиля не показаны, так как на момент инерции и момент сопротивления профиля влияют незначительно):
Рисунок 1. Возможное сечение потолочного профиля (СD)
Если показанный на рисунке 1 профиль будет иметь толщину t = 0.5 мм, то поперечное сечение будет иметь площадь приблизительно, подчеркиваю, приблизительно (без учета влияния канавок и рифлений):
F = F1 + 2F2 + 2F3 = 60х0.5 + 2х26х0.5 + 2х6х0.5 = 69 мм2 или 0.7 см2.
где F1 - площадь нижней полки, F2 - площадь боковой стенки, F3 - площадь верхней полки. При такой площади сечения 3 метровый (300 сантиметровый) профиль будет весить приблизительно:
m = 300х0.69х7.85 = 1625 г или 1.63 кг.
Соответственно при толщине стенок и полок 0.8 мм:
F = 60х0.8 + 2х25.4х0.8 + 2х6х0.8 = 98.24 мм2 или 1.0 см2.
при такой площади сечения 3 метровый (300 сантиметровый) профиль будет весить приблизительно:
m = 300х1х7.85 = 2355 г или 2.35 кг.
А вот определить марку стали для профиля будет значительно сложнее, так как прямых указаний на марку стали никто не дает. Подспорьем в этом нам будет ГОСТ 14918-80 "Сталь тонколистовая оцинкованная с непрерывных линий. Технические условия", нормирующий в частности марки оцинкованных сталей для холодного профилирования, а именно так и получают профиль из листовой оцинкованной стали. Согласно указанному ГОСТу для этой цели используется несколько марок холоднокатаной стали: 08пс по ГОСТ 9045-93; 08, 08пс по ГОСТ 1050-88; БСт0, БСт1, БСт2, БСт3 всех степеней раскисления по ГОСТ 380-94. Если не залезать по самые помидоры в тонкости определения расчетного сопротивления, то можно ограничиться значением R = 2000 кгс/см2. Именно таково значение предела текучести σ для сталей марок 08 по ГОСТ 1050-88. Для изготовления профилей может использоваться и сталь с пределом текучести σ = 2500 кгс/см2, однако не будем гадать, а произведем дальнейший расчет по наименьшему значению, самое страшное, что может в этом случае произойти - это относительно небольшой запас по прочности.
Для того, чтобы определить момент сопротивления сложного сечения, представленного на рисунке 1, нужно сначала определить положение центра тяжести сечения. В этом нам поможет статический момент сечения для профиля толщиной 0.5 мм:
yc = Sz/F = (F1y1 + 2F2y2 +2F3y3)/(F1 +2F2 +2F3) = (0.3х0.025 + 2х0.13х1.35 + 2х0.03х2.675)/0.69 = (0.0075 + 0.351 + 0.1675)/0.69 = 0.7623 см.
Визуально это будет выглядеть приблизительно так:
Рисунок 2. Центр тяжести сложного сечения (потолочного профиля для гипсокартона)
Момент сопротивления для сечения, показанного на рисунке 2, сразу определить достаточно сложно, но определить момент инерции, опять же очень приблизительно (так как для точного расчета следует учесть влияние всех канавок и бороздок и радиусов изгиба профиля) можно:
Iz = ∑(Iz + y2F) = 6x0.053/12 + 6x0.05x(0.7623 - 0.025)2 + 2(0.05x2.63/12) + 2(0.05x2.6)(1.3 - 0.7623)2 + 2(0.6x0.053/12) + 2(0.6x0.05)(2.7 - 0.7623 - 0.025)2 = 0.0000625 + 0.16308 + 0.14646 + 0.07517 + 0.000012 + 0.2195 = 0.6043 см4.
И тогда:
Wz = Iz/ymax = 0.6043/(2.7 - 0.7623) = 0.312 см3.
Это не мало, например, у горячекатаного равнополочного уголка 20х20 мм с толщиной полок 3 мм момент сопротивления составляет 0.28 см3 при площади сечения 1.13 см2. Теперь мы можем определить максимальный изгибающий момент, который без разрушения может выдержать рассчитываемое сечение профиля:
M = WR = 0.312x2000 = 624 кгсм или 6.24 кгм
А дальше все зависит от того как часто закреплен потолочный профиль. Простые или пружинные подвесы можно считать шарнирными опорами потолочного профиля и разумеется, чем чаще будет закреплен профиль, тем большую нагрузку он сможет выдерживать. Для примера рассмотрим нагрузку, действующую на потолочный профиль длиной 2 метра, вставленный в направляющие профиля и с одним подвесом посредине. Такой профиль представляет собой двухпролетную балку, c пролетами l = 1 м, у которой максимальный изгибающий момент будет возникать на средней опоре:
M = ql2/8
и тогда максимальная распределенная нагрузка для такой балки
q = 8M/l2 = 8х6.24/12 = 49.9 кг/м
это конечно же значительно меньше, чем собственный вес потолочного профиля плюс вес гипсокартонного листа, но если крепить профиль двумя подвесами через приблизительно 0.66 м, то мы получим трехпролетную балку, для которой
q = 10M/l2 = 8х6.24/0.662 = 143.25 кг/м
т.е. при относительно небольшом уменьшении пролета и превращении двухпролетной балки в трехпролетную максимальная распределенная нагрузка, которую может выдержать потолочный профиль, увеличивается почти в три раза.
Конечно же при устройстве потолков максимальная действующая нагрузка ограничивается собственным весом профиля и весом гипсокартонного листа. Даже если крепить на потолок стеновые листы толщиной 12.5 мм на профиля с подвесами через 1 м, идущие с шагом 0.6 м, то нагрузка на потолочный профиль при весе 1 м2 гипсокартонного листа толщиной 12.5 мм около 13-14 кг (с учетом последующей шпаклевки и других отделочных работ) будет не более 8-8.5 кг и таким образом имеется почти шестикратный запас по прочности, позволяющий спокойно устанавливать на потолок даже достаточно тяжелые светильники.
При обшивке стен гипсокартоном также используются потолочные профили и хотя постоянная нагрузка при использовании потолочных профилей для обшивки стен очень мала, но временная нагрузка на стены может быть в десятки и даже сотни раз больше, чем для потолка. Все потому, что иногда на стены опираются люди, а иногда не просто опираются, а падают и в этом случае ударная нагрузка будет (в зависимости от скорости в момент касания) до 10-20 раз больше веса падающего на стену тела. А так как все это предугадать и соответственно рассчитать - мало реально, то при выставлении потолочных профилей при обшивке стен лучше уменьшать расстояние между опорами - подвесами.
Ну и кроме всего прочего для гипсокартонных конструкций большое значение имеет ровность, а для гипсокартонного потолка ровность в частности зависит от величины прогиба. Так для двухпролетной балки с пролетами 1 м максимальный прогиб составит:
f = ql4/185EI = 8.5x14/185x2 х 1010x0.60432 х 10-8 = 0.00037 м или 0.37 мм
Таким образом даже для указанной нагрузке величина прогиба потолочного профиля не является определяющей, отклонения от плоскости, вызванные конструктивными особенностями монтажа каркаса, могут быть значительно больше. Намного больше внимания нужно обращать на прогиб гипсокартонных листов под действием собственного веса.
Вот в общем-то и весь расчет.