Одним из ведущих направлений эффективного строительства быстровозводимых зданий является применение легких металлических конструкций в объектах промышленного, сельскохозяйственного, гражданского и иного назначения. Это строительство характеризуется малой металлоемкостью, высокой технологичностью изготовления и монтажа здания.
Снижение металлоемкости зданий достигается за счет внедрения новых конструктивных форм, профилей, тонколистового проката, эффективных материалов для несущих и ограждающих конструкций. Строительство зданий из структурных стальных каркасов стало возможным и экономически оправданным только после изобретения и внедрения технологии строительства при помощи легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК).
ЛСТК можно использовать как для строительства многоквартирных зданий, так и для индивидуальных коттеджей на одну семью. За счет своей небольшой массы (около 50 кг/м² поверхности пола) ЛСТК позволяет производить реконструкцию зданий, к примеру мансардной надстройки домов без какого либо усиления фундамента.
Строительство зданий на основе ЛСТК практикуется в странах: Швеции, США, Австралии, Финляндии, Дании, Голландии, Великобритании, Франции, Японии, Корее, Канаде. В начале нового тысячелетия эта технология пришла и в Россию. Интерес к данным технологиям обусловлен тем, что они позволяют приближать одну из основных целей строительства: получать наилучшее качество при радикальном снижении затрат, в основном это происходит за счет сокращения сроков строительства.
Основными составляющим конструкций из ЛСТК являются тонкие стальные оцинкованные термопрофили со специальной просечкой, утеплители на основе минераловолокнистых плит, стекломагниевые, гипсокартонные, гипсоволокнистые или цементно-стружечные листы. Сборка конструкций из ЛСТК осуществляется с помощью обычных резьбовых соединений. Такая конструкция способна выдерживать огневую нагрузку до 120 мин., что является не мало важным фактором для пожарной безопасности.
Организация изготовления конструкций жилых зданий по технологии ЛСТК может, осуществляется тремя способами: производством на месте, полевым производством и стационарным производством. Выбор метода может зависеть от количества строящихся зданий, их типов, места строительства и капиталовложений.
Производство на месте является самым традиционным методом строительства. Все комплектующие — изготавливаются на заводе в точных размерах и с кодированной маркировкой, предназначенной именно для данного объекта. Они сопровождаются сборочными чертежами конструкции здания. Сборка всех элементов здания осуществляется непосредственно на строительной площадке, при помощи оцинкованных саморезов. В качестве необходимых инструментов для сборки, используется обычный шуруповерт.
Стеновые элементы, элементы полов и обрешетку крыши можно собирать в условиях «полевого» производства: во временных помещениях или в отдельной зоне на строительной площадке. Степень готовности конструкций может варьироваться от изготовленного заранее каркаса до законченной или почти законченной панели с окнами, дверями и фасадными материалами. «Полевая» фабрика делает возможным использование унифицированных индустриальных технологий крепежа (например, составных заклепок и т.п.), обеспечение более строгого контроля за выполнением узлов.
В условиях заводского производства могут выпускаться в виде готовых секций элементы стен и полов, обрешетка крыш, а также завершенные объемные модули и специальные узлы (панели и блоки для ванных комнат, стены для служебных помещений, лифтовые шахты). Стационарное производство требует больших капитальных вложений, но обладает рядом преимуществ: высокими степенью точности и качеством выполнения конструкций, производительностью, малым количеством отходов. В условиях же реального строительства преобладают различные сочетания этих методов.
В настоящее время для крупного коттеджного строительства разработана система «Термоблок», которая предполагает использование комбинаций каркаса из ЛСТК и гипсовых стеновых листов, что формирует в результате большую несущую способность и сравнительно высокую жесткость относительно веса конструкций. Более жесткая система зданий основана на применении колонн, балок и связей из более тяжелых стальных профилей (квадратные трубы, двутавровые балки, Z-образные профили) в комбинации со стенами из термопрофилей.
Для возведения наружных стен металлокаркасных зданий используют ЛСТК просечного профиля с ребрами жесткости (центральными и торцевыми) и фланцами. Прорези (перфорация) стенки профилей значительно снижают массу конструкции и сокращают потери тепла через стены из-за удлинения пути холодного потока и особенности краевых свойств прорезей. Толщина материала профиля также влияет на снижение потерь, которые могут быть меньше, чем теплопотери для строений с каркасом из цельного дерева. Такие перфорированные профили, а также профили для перекрытий и покрытий производятся из стали с расчетным сопротивлением Rі 350 МПа. Перфорированные стальные профили выполняют высотой сечения 100, 150, 200, 250 мм. Профили изготавливают из полос тонколистовой горячеоцинкованной стали. Масса цинкового покрытия — не менее 275 г/м², что соответствует толщине слоя цинка 20 мкм с обеих сторон. После проделывания отверстий в таких профилях отпадает необходимость в какой-либо дополнительной их обработке, так как слой цинка обладает «залечивающим эффектом», т.е. переходит на незащищенные поверхности.
Внешняя Отделка наружных стен металлокаркасных зданий может выполняться практически из любых материалов: кирпича, сайдинга, деревянных панелей, стекла, стальных кассет. Для того чтобы внешняя влага или конденсат изнутри не повредили стены, рекомендуется применять систему «вентилируемого фасада». В этом случае между наружной отделкой и каркасом ЛСТК создается вентилируемое пространство. По этому воздушному зазору любая влага удаляется от стен. Приток воздуха осуществляется через специальные продухи, расположенные у окон, дверей, в парапетах и у цоколя наружных стен.
Ветрозащита наружной стены может формироваться из внешних влагостойких стекломагниевых листов толщиной от 8 мм., акавапанелей или из специальных ветрозащитных пленок. Наиболее важной функцией ветрозащиты является сохранение тепла за счет предохранения теплоизоляции от воздействия потока воздуха, циркулирующего в вентилируемом зазоре (относительного ветра). Качество ветрозащиты зависит от того, насколько герметичны материалы сами по себе, и от того, насколько герметичны соединения.
Герметичность здания по отношению к ветру, воздуху и миграции пара через конструкцию существенно влияет на энергопотребление, функционирование вентиляции и внутренний комфорт помещений. Чрезмерное увлажнение конструкции является одной из основных причин коррозии. Потоки воздуха через пароизоляцию могут создавать дискомфорт в здании в виде сквозняков. Возможное увлажнение утеплителя (при конденсации паров воды) увеличивает его теплопроводность и энергопотребление на обогрев помещений. Климатические барьеры, стены, полы между квартирами должны быть также хорошо изолированы против утечек воздуха в целях снижения возможного загрязнения (пыль, энзимы и т.п.) и уменьшения распространяемости воздушного шума.
Пароизоляционный барьер наружной стены, как правило, состоит из устойчивой к старению влагозащитной полиэтиленовой пленки толщиной 0,1-0,2 мм. Паробарьер необходимо располагать как можно ближе к теплой стороне стены.
Теплоизолирующая эффективность конструкции наружной стены зависит от минимизации «мостиков холода», типа изоляционного материала и способа его укладки, наличия хорошей ветрозащиты и паронепроницаемого барьера. В основном, в качестве утеплителя применяют минераловолокнистые плиты. Является важным полное заполнение утеплителем всех полостей в стенах, особенно вблизи стальных профилей. Для этого при заполнении размеры минераловолокнистой плиты должны быть больше (обычно на 5 мм) по длине и ширине, чем размеры между стойками стеновых панелей. Толщина утеплителя должна соответствовать ширине конструкций панели. Для снижения теплопередачи вертикальные и горизонтальные стальные профили имеют специальную перфорацию по стенке, отверстия (просечки); применяется оправданно тонкая сталь и устанавливается минимально допустимое по расчету число профилей.
Для обеспечения пожарной безопасности наружных стен материалы фасадной отделки должны быть трудновоспламеняемыми; следует избегать крепления различного оборудования на внутреннюю сторону наружных стен. Наружные стены должны отвечать категории огнестойкости от EI30 (E — cохранение функции непроницаемости, I — cохранение функции изоляции, 30 — нормативное время сохранения показателя, мин) до EI60.
Внутренние стены металлокаркасного дома могут выполнять несущую функцию; кроме того, к ним предъявляются требования по звукоизоляции и пожарной безопасности. Внутренние стены возводят с помощью каркаса из легких стальных профилей с зашивкой гипсовыми листами. Центральное расстояние между стойками внутренних стен составляет 450, 600 и 900 мм и подгоняется под ширину гипсовых листов (900 или 1200 мм). Профили для монтажа внутренних стен доставляют на стройплощадку готовыми и требуемого размера.
Внутренние стены между комнатами, как правило, не являются несущими. Профильные стойки и горизонтальные направляющие из тонколистовой оцинкованной стали имеют ширину 45, 70, 95, 120, 145 и 160 мм. Стойки могут иметь предварительно вырезанные отверстия для прокладки коммуникаций. Звукоизоляция (от структурного шума) обеспечивается приклеиванием профиля из ПДМ-резины или трубчатого полого жгута. Звукоизоляция (от воздушного шума) достигается плотной подгонкой профиля к стенам и полу и заполнением полостей в конструкции стены утеплителем.
Несущие внутренние стены выполняются с использованием усиленных профилей стоек. Толщина материала стоек варьируется от 1,0 до 1,5 мм. Поставщики профилей в обязательном порядке должны предоставлять информацию об их номинальной нагрузке. Использование стоек толщиной 1,0 мм предпочтительнее, так как в них легче закручиваются самосверлящие винты.
В случае крепления на стену любого очень тяжелого объекта (особенно когда крепежи подвергаются динамическим нагрузкам) необходима установка усиления на стены. Для усиления используют листы фанеры. Усиление из фанеры крепится к двойным профилям, состоящим из направляющих и стоек. Усиление должно подниматься от пола по крайней мере на 400 мм выше желаемой высоты крепления. Гипсовые листы крепятся к усилению с шагом между винтами 100-150 мм. Для сливных бачков и туалетов имеются специальные стандартные подвесные крепежи.
Рамы дверей могут быть смонтированы разными способами в зависимости от проекта и собственной конструкции. Вертикальный профиль стены в этом случае устанавливают таким образом, чтобы внешний гипсовый лист можно было закрепить в участке над дверью несколько выше во избежание образования трещин в поверхностном слое. Для монтажа дверей применяют вертикальные стойки усиления различной толщины в зависимости от веса двери. Рекомендуется выбирать толщину стойки усиления до 1,2 мм, что позволяет применять самосверлящие винты. Стальные или деревянные рамы монтируют, руководствуясь типом исходного материала. При стандартной нагрузке могут быть использованы стандартные (неусиленные) вертикальные стойки. Узел же крепления при этом усиливается со всех сторон деревянными стойками рамы двери. При больших нагрузках применяют усиливающие стойки. Скользящие двери могут встраиваться в одинарные или двойные стены. В таком случае требуется полость минимум 100 мм. На обеих кромках двери, как внутри стены, так и непосредственно в проеме, должны использоваться усиливающие стойки.
Если требуется высокий уровень безопасности, то стены могут быть усилены противовзломными листами различных размеров. Используемый материал не должен снижать устойчивость стен против влаги и тепла. В стенах, относящихся к пожарозащитным, этот материал также должен быть не горюч или отвечать тем же требованиям пожарной безопасности, что и гипсовые листы, прикрепленные к стальному каркасу. Противовзломный лист устанавливается (приклеивается или привинчивается) сверху первого гипсового листа (ГКЛ/ГВЛ), привинченного к каркасу. Второй и третий гипсовые листы также приклеиваются или привинчиваются к противовзломной пластине. Противовзломные листы устанавливают внахлест на 50 мм как минимум и прикрепляют друг к другу на расстоянии 100 мм между точками и присоединяют к стойкам.
Перекрытия (полы) изготавливают из легких стальных С- или Z-образных профилей толщиной 2-3 и высотой 150, 200, 250, 300 мм. Для обрамления блоков перекрытий по периметру стен применяют U- и C-образные профили соответствующей высоты. По верхнему поясу стальных профилей закрепляются профилированные стальные листы (высотой 25 или 40 мм). Опалубка из профлиста распределяет вертикальные нагрузки, а также создает жесткий диск перекрытия, обеспечивающий устойчивость всего здания. Верхняя отделка состоит из листов ГВЛ или тонкого слоя ангидрита (безводного гипса).
Чаще всего для покрытия пола применяют 13-мм стандартные листы ГВЛ и 15-мм половые панели. Нижние листы ГВЛ прикрепляют к опалубке из профлиста, а верхние — приклеивают к нижним листам. Можно первый лист приклеивать к профлисту, а верхний — затягивать винтами. Перекрытия с С-образными 200/2.0 балками могут иметь максимальный пролет до 4,2 м. С балками больших размеров (соответственно большей жесткости) возможно обеспечение пролетов более чем в 8 м.
Подвесные потолки состоят из двух слоев листов ГВЛ. Стык потолочных (нижних) листов ГВЛ с С-образными прогонами выполняется на «гибком» подвесе в целях обеспечения звукоизоляции перекрытия. «Гибкость» подвески получают применением либо специальных акустических скоб, либо акустического потолочного профиля. Акустические профили дают для листов ГВЛ пружинящее — мягкое — подвешивание и в результате хорошую звукоизоляцию. Профили подвесного потолка прикрепляются к несущим балкам с шагом 400 мм, но не более 300 мм от стен. Акустические скобы крепят к нижнему поясу балок с шагом 1200 мм вдоль профиля подвесного потолка и через 800 мм вдоль С-образного несущего профиля. Элементы крепления потолков присоединяют к профилю подвесного потолка. Более тяжелые предметы прикрепляют самостоятельно напрямую к С-образным несущим балкам после установки потолочных листов ГВЛ. Подвижная гибкая подвеска потолка в сочетании со слоем утеплителя 300-360 мм (укладываемым в полость между балками и профилями подвесного потолка) дает звукоизоляцию 57-60 дБ и при шаговом шуме 54-55 дБ.
Распространенный вариант перекрытия имеет следующее конструктивное решение: С-образные балки высотой 300 мм и толщиной профиля 3,0 мм; 45-мм опалубки из профлиста; два слоя ГВЛ (по 13 мм) для пола сверху; подвесной потолок из 13-мм стандартного листа ГКЛ и 15-мм огнестойкой плиты ГКЛВ, прикрепленной к нижней опалубке из профлиста (высотой 45 мм), закрепленного к нижнему поясу балки. Полость перекрытия заполняется с уплотнением слоем минераловолокнистых плит толщиной 360 мм. Узлы стыка между полом и внешней стеной должны быть спроектированы так, чтобы не допускать вертикальной передачи звука и проникновения влаги извне в конструкцию перекрытия. Отверстия для инженерных коммуникаций должны быть проделаны в несущих профилях перед сборкой конструкций.
Категория огнестойкости конструкции пола оценивается путем тестирования. Полы между квартирами (для зданий от двух этажей) должны соответствовать противопожарным требованиям EI60. Если конструкция пола удовлетворяет требованиям по несущей нагрузке, то она, в общем случае, отвечает требованиям и по разделительной функции. Снизу конструкция пола защищена от огневого воздействия потолком, который может быть либо прикреплен непосредственно к балкам перекрытия, либо подвешен. Если подвесной потолок категории EI60 защищает несущую стальную конструкцию, то требование противопожарной безопасности по REI60 также выполняется для несущих балок конструкции перекрытия. Противопожарная защита может быть выполнена путем облицовки потолка двумя слоями 15-мм огнеупорного гипсового листа ГВЛО. Пол защищают аналогично с помощью гипсовых листов пола.
Кровельными конструкциями, изготавливаемыми из тонкостенной оцинкованной стали, являются: кровельные стропильные фермы; чердачные балки с подпоркой (дополнительными стойками); кровельные балки с опиранием на внутренние и наружные несущие стены; кровельные несущие теплые панели «сэндвич». Небольшой собственный вес кровельных ЛСТК позволяет широко использовать их как в новом строительстве, так и при реконструкции зданий. Предпочтительно, чтобы кровельные ЛСТК изготавливались заводским способом.
Кровельные стальные фермы, выполненные из ЛСТК, имеют С-, U- или Z-образное сечение. Альтернативно профили могут быть использованы для верха или низа рамы по той же конструкции, что и для каркасной стены. Поставляемые элементы ферм имеют нужную длину рабочей стороны либо той, к которой должны крепиться кровельные стропила. Профили, образующие пояса и раскосы стропильных ферм, обрезаются диагонально у краев крыши. Благодаря высокой несущей способности стали возможно изготовление конструкций мансардного типа, что увеличивает чердачное пространство. Кровельные стропильные фермы предпочтительнее изготавливать в заводских условиях либо на земле, перед подъемом на место. Балка с подпорками на чердачную конструкцию эффективна с точки зрения стоимости, но предполагает передачу нагрузки с каркаса кровли на пол чердака, что делает необходимым усиление чердачного перекрытия.
Опирание стропильных ферм (балок) должно всегда производиться на вертикальные стойки стен с тем, чтобы стойки были центрально нагружены. Если оси стропильных ферм (балок) не совпадают, то для распределения нагрузки под стропилами располагают балку (усиленную перемычку). Распределение нагрузки под кровельными стропилами может быть сделано, например, при помощи жестких пластин, образованных стыком вертикальных перфорированных профилей и стального листа.
Для мансардных этажей рекомендуется выбирать легкие конструкции и материалы из легкого металлического профиля. Несущим элементом мансарды (одно- или двухэтажной) может являться двухпролетная поперечная рама с элементами из спаренных тонкостенных сигма-профилей. Сигма-профиль представляет собой легкий оцинкованный профиль, напоминающий греческую букву Σ, изготовленный из стали толщиной до 3 и высотой 400 мм. Соединение профилей в узлах рамы — на болтах. Шаг рам в зависимости от поперечных стен составляет 2,6-3,2 м. По контуру рам вдоль мансарды с шагом 600 мм кладут прогоны швеллерного сечения с перфорированной стенкой (термопрофиль). Термопрофиль передает нагрузку от кровли к каркасу и исключает промерзание и применение деревянных изделий. По прогону устраивается вентилируемая обрешетка из идущих по скату гнутых Z-профилей и расположенных по ним шляпных профилей, служащих для опоры и крепления кровельных листов из металлочерепицы или профилированного настила. Устраивается теплоизоляция и монтируется внутренняя облицовка ограждения мансарды.
Выбор системы устойчивости зданий зависит от таких параметров, как дизайн здания, расположение и количество этажей. В частности, система устойчивости здания должна обеспечивать безопасную передачу горизонтальных нагрузок (ветер, сейсмические волны и т.п.) на фундамент. Система устойчивости здания базируется на трех конструктивных элементах. Во-первых, гипсовые листы выполняют как функцию ограждающих элементов, так и служат противопожарной (и весьма эффективной) защитой металлических конструкций, а также используются одновременно в качестве элементов устойчивости. В этом случае прочность стен против сдвига определяется способом крепления листов (гипсовых, фанеры, ЦСП, СМЛ) к стальному несущему каркасу. Во-вторых, обеспечению устойчивости здания служат фермы и их соединения со стеновыми панелями. В третьих, устойчивость может также обеспечиваться жесткими узлами соединений элементов тяжелого каркаса. Этот способ не требует других дополнительных приемов придания устойчивости зданию, но предполагает значительное количество болтовых (в т.ч. высокопрочных) соединений. Колонны и балки при этом должны быть также более тяжелыми и поэтому данная система не является широко распространенной.
Выбор систем жизнеобеспечения здания (электрика, сантехника, тепло- и водоснабжение и пр.) определяется в основном запросами будущих пользователей данного здания. Расходы же на внутренние коммуникации составляют 20-40% контрактной стоимости здания, а доля монтажа этих коммуникаций — 20-45% их стоимости. Арматура для электропитания, телефона, компьютерной сети и TV может размещаться внутри трубопроводов в стенах и полах; в коробах вне стен и полов; в каналах (коробах, трубах) внутри стен и полов. Рекомендуется по возможности избегать размещения проводки по внешним стенам, в полостях сдвоенных рам в межквартирных стенах. Стояки труб для водопровода и канализации размещают в вертикальных колодцах для каждой квартиры, например рядом с лестничными блоками. Кухни и ванные комнаты рекомендуется располагать рядом для использования единой вентиляционной шахты. Для отопления могут использоваться подогреваемые полы и потолки, тепловентиляция, но традиционной и основной остается система водяного отопления с радиаторами. Трубопроводы отопления прокладываются вертикально в открытом виде в углах или вблизи окон. Горизонтальные соединения проводят вдоль стен к радиаторам.
Высокая точность размеров, высокий процент использования изготовленных заранее готовых элементов и быстрый монтаж делают строительство из легких стальных металлоконструкций одним из самых перспективных направлений строительства на сегодняшний день.