Перспективные конструктивные и организационно-технологические решения по возведению зданий с металлическим каркасом в россии д.И.Емельянов, д.Н. Кузнецов, а.А. Петриева,и.Р.Коробова,в.О.Слушева
15
Емельянов Дмитрий Игоревич, Воронежский государственный технический университет,кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой металлических и деревянных конструкций,E-mail: diem@lenta.ru Кузнецов Дмитрий Николаевич, Воронежский государственный технический университет, старший преподаватель кафедры металлических и деревянных конструкций, E-mail: kuznecov82@bk.ru Петриева Арина Андреевна, Воронежский государственный технический университет, бакалавр гр. бПГС-164, E-mail: arina.petrieva@yandex.ru Коробова Ирина Ростиславовна, Воронежский государственный технический университет, бакалавр гр. бПГС-162, E-mail:korobova-1999@mail.ru Слушева Валерия Олеговна, Воронежский государственный технический университет, бакалавр гр. бПГС-162, E-mail: lerochkaslusheva@gmail.com
|
Аннотация: в данной статье описаны задачи современного строительства, возможность применения экономичных конструктивных решений, исследованы особенности возведения промышленных и гражданских зданий с металлическим каркасом. Рассмотрена новая конструктивная схема, успешно воспринимающая горизонтальные нагрузки и имеющая достаточно высокую прочность и устойчивость. Представлен сравнительный анализ двух конструктивных схем: диагонально-сетчатой и рамной, рассмотрены значения их горизонтальных перемещений, приведены преимущества применения диагонально-сетчатых конструкций в строительстве. Описана технология строительства диагонально-сетчатых несущих конструкций в России. Из всего вышеизложенного можно сделать вывод о перспективах использования металлокаркаса в современном строительстве. Также сделан вывод, что использование новых конструктивных схем, позволяет не только снизить расход металла и стоимость строительства, но и повысить архитектурную выразительность здания.
Ключевые слова:металлический каркас, диагонально-сетчатые несущие конструкции, промышленное и гражданское строительство.
PROMISING STRUCTURAL, ORGANIZATIONAL AND TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR ERECTION OF BUILDINGS WITH METAL FRAMES IN RUSSIA
D. I.Emelyanov, D. N.Kuznetsov, A.A.Petrieva, I.R.Korobova, V.O.Slusheva
Emelyanov Dmitry Igorevich, Voronezh State Technical University, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Metal and Wooden Structures, E-mail: diem@lenta.ru
Kuznetsov Dmitriy Nikolaevich, Voronezh State Technical University, Assistant Professor of Department of Metal and Wooden Structures, e-mail: kuznecov82@bk.ru
Petrieva Arina Andreevna, Voronezh State Technical University, Bachelor of bPGS-164,E-mail: arina.petrieva@yandex.ru
Korobova Irina Rostislavovna, Voronezh State Technical University, Bachelor of bPGS-162, E-mail: korobova-1999@mail.ru
Slusheva Valeriya Olegovna, Voronezh State Technical University, Bachelor of bPGS-162, E-mail: lerochkaslusheva@gmail.com
ru
Annotation: this article describes the problems of modern construction,the possibility of applying cost-effective structural solutions, the features of construction of industrial and civil buildings with metal frames. The new structural design successfully perceiving lateral loads and having high durability and stability is considered. We present a comparative analysis of two structural designs: diagonal steel structure and frame structure,consider the values of their lateral movements, give the advantages of using lattice steel load-bearing elements. The technology of construction of lattice steel load-bearing elements is described. From all the above we can conclude about the prospects of using new structural designs in modern construction.It is also concluded that the use of new structural designs, not only reduces metal consumption and construction costs, but also increases the architectural expressiveness of the building. to reduce consumption of metal and construction costs.
Keywords:metal frame, lattice steel load-bearing elements, industrial and civil engineering.
Металлические конструкции применяют как в промышленном строительстве при возведении одноэтажных и многоэтажных зданий, так и в гражданском для монтажа каркаса высотных зданий и сооружений и для перекрытия больших пролетов. Применение оцинкованных и гнутых профилей из стали позволяет воплотить в реальность оригинальные идеи и задумки дизайнеров и архитекторов.
Основными задачами современного строительства является снижение массы зданий, их теплопотерь через ограждающие конструкции, сокращение трудозатрат и материальных ресурсов на капитальное строительство, сокращение доли «мокрых» работ в общем комплексе строительно-монтажных работ, а также сокращение сроков возведения здания.
Одним из вариантов решения данных задач является не только широкое внедрение легких металлических конструкций в сочетании с современными эффективными утеплителями, но и рациональное планирование производства работ.
К примеру, при использовании железобетонных конструкций в одноэтажных промышленных зданиях пролетом 24 м и более расход стали на армирование ферм и подкрановых балок, длиной 12 м примерно равен массе стальных ферм и балок. Одновременно с этим стальные конструкции имеют ряд других преимуществ:
оказывают меньшее давление на основание и фундаменты,
обладают высокой устойчивостью к агрессивным воздействиям окружающей среды и динамическим и иным нагрузкам и огнестойкостью,
имеют длительный эксплуатационный период,
просты в монтаже.
Одним из вариантов снижения массы металлических конструкций является повышение их прочности путем предварительного напряжения, что позволяет снизить расход стали на 15-20%, а затраты на монтаж на 12%. В настоящее время широко используются предварительно напряженные конструкции балок, колонн, ферм рам и комбинированных конструкций[1].
Применение металлокаркаса позволяет отказаться от использования тяжелого фундамента, монолитного или ленточного. В этом случае допустимо применять свайно-винтовой фундамент, который является одним из недорогостоящих. Несмотря на его сравнительно невысокую несущую способность, ее вполне хватит для восприятия нагрузок от каркаса здания, в том числе на слабых грунтах.
Пожаробезопасность и долговечность так же являются немаловажными преимуществами металлических конструкций. Современные технологии позволяют добиться высокой огнестойкости и защиты от коррозии путем нанесения специальных составов.
Одним из главных достоинств легких металлических профилей является простота и скорость монтажа. К сравнению, на строительство зданий из кирпича, железобетона или дерева требуется сравнительно много времени. Причем у каждого материала есть существенные недостатки. На возведение каменного здания уходит не менее полугода, даже если работают каменщики высокого разряда. Монолитные здания набирают проектную прочность не менее месяца и требуют высококачественной отделки. Деревянные конструкции дают значительную усадку из-за структуры материала, а это значит, что комплекс работ по отделке здания можно будет начать не ранее чем через пару месяцев. А вот помещение из металлокаркаса может быть построено быстро-сроки выполнения работ зависят от сложности и размеров объекта. Сравнительно сложное здание возможно воплотить с нуля до запуска практически за три недели. Такими темпами не может похвастаться ни один другой материал. Между прочим, строительство может осуществляться как в теплое время года, так и в холодное, не без определенных трудностей, но это не делает строительство при отрицательных температурах невозможным.
Эффективность монтажа металлических конструкций в большей степени зависит от правильной организации монтажных работ. Четкость организации и выполнения строительных процессов обеспечивается комплектностью отгружаемых конструкций в последовательности, соответствующей графику монтажа. Поэтому вопросам организации работ должно быть уделено самое пристальное внимание.
В настоящее время металлический каркас постепенно вытесняет железобетонные конструкции со строительного рынка. Одной из причин этого является возможность воплотить в реальность оригинальные идеи и задумки дизайнеров и архитекторов, используя в качестве конструктивного решения оцинкованные и гнутые профили из стали.
На данный момент существует несколько вариантов конструктивных схем: каркасные, бескаркасные и с неполным каркасом. К первым относят схемы, в которых все вертикальные несущие элементы представляют собой стойки, колонны или столбы. В случаях, когда действующие нагрузки воспринимаются несущими стенами, здания именуют бескаркасными. В зданиях с неполным каркасом наряду с несущими стенами внутри его в качестве промежуточных опор предусматривают колонны, стойки или столбы. Данные конструктивные решения позволяют уменьшить расход материалов, обеспечить высокую прочность и сократить сроки строительства и при этом обладать современным неординарным внешним видом [2].
Одним из новых конструктивных решений является применение диагонально-сетчатых несущих конструкций. На сегодняшний день они применяются исключительно в зарубежных странах как в уникальных высотных, так и в относительно простых зданиях и сооружениях. Их главной особенностью является диагональная каркасная система, способная нести как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки. По сравнению рамным каркасом, диагонально-сетчатые конструкции более эффективно сопротивляются горизонтальному сдвигу, так как сдвиговую нагрузку несут диагональные элементы, в то время как традиционные стальные несущие конструкции воспринимают сдвиг на изгиб вертикальных колонн, что может привести к потере устойчивости [3].
Примером может служить сетчатый каркас, который становится всё более популярен, при выборе конструктивной схемы с различным назначением.Здание представляет собой каркас, имеющий сетчатую структуру в рамах в осях по периметру здания (рис.1).
Рис.1.Чжунхун, Китай. Высота 180 м.
К достоинствам сетчатой структуры относятся:
повышенная устойчивость, благодаря треугольным элементам;
уменьшение собственного веса конструкции;
снижение металлоемкости;
создание уникальной формы здания;
архитектурная выразительность;
выполнение требований инсоляции, за счет панорамного остекления;
быстрый монтаж конструкций (рис.2).
Рис. 2. Чжунхун, Китай. Возведение
Сетчатаяструктура каркасанаиболее эффективнав работе на ветровую нагрузку, благодаря наклонным элементам, расположенным по периметру здания. Также, данный тип каркаса, благодаря отсутствию несущих элементов внутри здания дает большую возможность в разработке планировочных решений.
На сегодняшний день панорамное остекление является основной формой архитектурной выразительности здания. Данная конструктивная схема позволяет уменьшить количество структурных элементов, требующихся для оформления фасада, что позволяет воплотить в реальность любую задумку архитектора и воссоздать огромное количество внешнего оформления здания. Немаловажным преимуществом сетчатого каркаса является возможность использования двойного остекления. Внешнее остекление-стеклопакеты, внутреннее-раздвижные стеклянные двери. Такое решение позволяет обеспечить хорошую теплозащиту помещений, создать требуемую солнцезащиту и создать благоприятный микроклимат внутри здания.Такая конструкция окон не требует больших затрат на обслуживание и монтаж [4].
Таким образом, можно сделать вывод. Сетчатые оболочки получили широкое распространение в мире. К наиболее известным сооружениям с применением диагонально-сетчатых конструкций можно отнести:
- Строительство сетчатой 610-метровой телебашни в Гуанчжоу, Китай (рис.3);
- Сетчатая оболочка башня Хёрст, Нью-Йорк, 184 м (рис.4).
Рис.3. Телебашня в Гуанчжоу, Китай |
Рис.4. Башня Хёрст, Нью-Йорк, 184 м |
Они нашли свое применение в перекрытиях-оболочках, башнях-оболочкам и сложных сетчатых конструкциях. Применение сетчатых оболочек позволяет исключить внутренние опоры (колонны) и наиболее полно использовать строительный объем здания. Также, благодаря наклонным элементам, которые лучше работают на горизонтальные нагрузки, металлоемкость стремительно уменьшается в сравнении с рамным каркасом [5].
В процессе анализа двух вариантов стального каркаса, были рассмотрены сетчатый (рис.5) и связевой (рис.6), с одинаковыми размерами в плане и при одинаковом типе загружения.
Рис.5. Сетчатый каркас. Схема расположения колонн и наклонных элементов
Д1-наклонные элементы, К1-внутренние колонны, К2-крайние колонны, К3 -колонны лестничной клетки
Рис.6.Связевой каркас. Схема расположения колонн.
К1--колонны лестничной клетки, К2-крайние колонны,
К3 -внутренние колонны
Проведя комплексный анализ конструктивных, технологических и экономических показателей связевого и сетчатого стального каркаса можно сделать вывод. Сравнив результаты перемещений, полученные при приложении горизонтальных нагрузок на конструкции, наименьшие горизонтальные перемещения получил сетчатый каркас, позволяющий использовать меньший профиль металлопроката [6].Не стоит забывать и о том, что внутренний шаг колонн в сетчатом каркасе 9х9м – 4шт, а в связевом 4,5х4,5м – 25шт, что ещё раз подчеркивает превосходство сетчатого каркаса, как более экономичного, также данная расположение колонн в сетчатом каркасе дает огромные возможности для реализации внутренней планировки здания.
В настоящее время современные технологии строительства, применяемые за рубежом, позволяют возводить каркасные объекты в очень короткие сроки. Например, в Китае используются технологические схемы с участием нескольких монтажных кранов. Однако, применение таких схем монтажа в нашей стране пока ограничивается жесткими требованиями норм, но учитывая скорость развития техники и технологий, в ближайшее время следует ожидать изменений в нормативном обеспечении строительства.
Решение задач планирования и оперативного управления работами, степень детализации которых возрастет многократно, в связи с необходимостью составлять поминутные графики производства работ, позволит успешно использовать передовые технологии возведения зданий и сооружений. Решение этой задачи необходимо для обеспечения безопасной и эффективной работы нескольких механизмов на строительной площадке. Основой для решения этой задачи должна стать информационная модель возведения объекта (BIM). В качестве модели традиционно выступает календарный план строительства, для численного описания которого мы предлагаем использовать матрично-сетевую модель, основанную на коэффициентах совмещения работ [7]. Применение этой модели позволяет оптимизировать планы производства работ с учетом ресурсных ограничений [8-10], быстро вносить необходимые изменения и оперативно строить графики работ с разной степенью детализации.