ХАРАКТЕРИСТИКА НОМЕНКЛАТУРЫИ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Характеристика легких металлических конструкций
Под легкими или облегченными конструкциями подразумеваются основные несущие элементы и системы − балки, фермы, колонны, рамы и др., у которых благодаря рациональной конструктивной форме, оптимальным размерам сечений, использованию сталей повышенной и высокой прочности металлоемкость существенно снижена по сравнению с традиционными конструкциями − сварными двутаврами с гибкостью стенки 100... 120,фермами со стержнями из парных уголков и узловыми фасонками и т. д.
Особо легкими называют такие металлические конструкции, металлоемкость которых сопоставима с расходом стали на арматуру в аналогичных железобетонных конструкциях, приведенным к стали обычной прочности. Однако с начала 1970-х годов под легкими металлическими конструкциями стали подразумевать несущие и ограждающие конструкции в зданиях с пролетами 12 − 30 м без кранов, с подвесным транспортным оборудованием грузоподъемностью до 5 т или мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т. Масса 1 м2 ограждающих конструкций в таких зданиях составляла 30... 100 кг, при этом суммарный расход металла на несущие и ограждающие конструкции был снижен до 25... 100 кг.
Рисунок 1.1 – Сборное здание-модуль общего назначения
В 90-х годах прошлого века в системе Минмонтажспецстроя СССР было создано Всесоюзное проектное промышленно-строительное объединение Союзлегконструкция с региональными промышленно-строительными объединениями по изготовлению и монтажу зданий из легких металлических конструкций комплектной поставки, в том числе зданий-модулей (рис. 1.1). В такое объединение входило предприятие по изготовлению легких несущих, а также легких ограждающих конструкций. Подобные предприятия были и в других ведомствах. Заводы металлоконструкций оснащались автоматизированными комплексами по выпуску тонкостенных рамных конструкций с переменным сечением, автоматическими линиями сборки и сварки ферм из гнутосварных прямоугольных труб. Линиями по производству облегченных стеновых икровельных панелей и др. Был организован концерн, возглавляющий эти заводы, а также создан институт ЦНИИпроектлегконструкция, в задачи которого входили исследования и разработки проектов легких зданий.
Все это позволило создать новые конструктивные формы легких несущих и ограждающих металлоконструкций, дало импульс творческой инициативе в поисках эффективных конструктивных форм, методов их изготовления и монтажа.
Под конструктивной формой понимается взаимосвязанность схемы конструкции с ее обоснованными размерами, типами сечения элементов и узловых сопряжений с технологическими приемами и особенностями изготовления, монтажа и эксплуатации,
Использование прогрессивных технологий изготовления, благодаря чему производительность труда повышается в 1,5... 2 раза, комплектность поставки элементов зданий (включая комплектно-блочные встроенные помещения административного, бытового и инженерного назначения), скоростной монтаж существенно повышают индустриальность строительства, приближают строительную отрасль по уровню технического развития к машиностроению.
Итак, легкие металлические конструкции − это конструкции, высокоэффективные решения которых обеспечивают существенное снижение металлоемкости изделий' приспособленность их для высокомеханизированного поточного изготовления, комплектной поставки и блочных методов монтажа.
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 применяют в зданиях различных отраслей промышленности, особенно в легкой, пищевой, легкого машиностроения, при сооружении складов, стоянок, павильонов, спортивно-оздоровительных зданий и др. Каркасы второго вида используют 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.
|
Рис. 1.3 – 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 
и коэффициентом 
− 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.
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.
Таблица 1.1 – Удельные характеристики сечений
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.
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 «сэндвич» 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 «сэндвич»), полукаркасными (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 с 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, 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 таблице 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 х 12 м при прогонном решении присутствуют две стропильные фермы и семь прогонов, при беспрогонном решении − две подстропильные фермы и четыре стропильные. Однако же по мере роста пролета беспрогонные решения уступают решениям с прогонами, по расходу металла.
Таблица 1.2 –Металлоемкость и высота несущих конструкций, %
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 таблице 1.3 для климатических условий Новосибирска применительно к отапливаемым производственным зданиям с плоской кровлей. За базовую стоимость принята стоимость комплексной железобетонной плиты размером 3x12 м с утеплителем из ФРП. Разброс данных по массе, расчетной нагрузке и стоимости связан с различными размерами плит, колебаниями плотности утеплителя и др.
Несмотря на преимущества легких металлических конструкций, особенно для зданий комплектной поставки, на их долю
Таблица 1.3 – Технико-экономические показатели кровельных настилов
Примечание.В массе и стоимости учтена пароизоляция, цементная стяжка, рулонный ковер и его защитный слой.
В общем объеме капитального строительства приходится еще достаточно низкий процент. Анализ технико-экономических показателей производственных зданий из легких металлических конструкций и зданий с традиционным железобетонным каркасом свидетельствует о том, что расход стали на 1 м2, приведенный к стали обычной прочности, в первых составляет 40... 110 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 %. Кроме того необходимо отметить, что масса здания из легких металлических конструкций может быть в десятки раз меньше такого же кирпичного здания с железобетонным покрытием. И это является важным фактором для сейсмически активных и труднодоступных районов.