Применение стального каркаса при строительстве многоэтажного жилого дома

Введение

Рынок металлоконструкций до 2012 года рос большими темпами. Однако, свалившийся на страну кризис внес свои коррективы как в отечественную, так и в мировую экономику, затормозили реализацию крупных проектов и развитие отрасли в целом. Объем потребления металлоконструкций снизился чуть ли не на 20%.
Тем не менее, поставщики металлургической продукции активно работают над расширением каталога продукции внутреннего рынка. Статистические данные сообщают нам о том, что за последние несколько лет было введено более 500 тыс.т новых мощностей по производству металлоконструкций. [7].
Сегодня в России только 0,5-1% жилых домов, включая ИЖС, строится на металлокаркасе. Однако, как говорит генеральный директор компании "Северсталь Стальные решения" Владислав Васильев, если удастся хоть на один процент увеличить эту цифру, то для металлопроизводителей это будет означать 70-80 тыс. тонн дополнительных объемов. А прирост на 10% - это новый крупный сталепрокатный завод [9].
Основным преимуществом для застройщиков несомненно является тот факт, что переменные затраты за счет высокой скорости возведения зданий и гибкости планировки будут значительно снижаться. На данный момент объем жилого строительства на металлокаркасе достигает 1 млн м2.
Это, конечно, небольшие цифры по сравнению с общим количеством квадратных метров общего ввода жилья в год. Но еще одной перспективной ступенью для расширения области применения металлических конструкций является социальная инфраструктура – нам просто необходимо возводить спортивные, логические, оздоровительные и учебные объекты, а также здания промышленного и сельскохозяйственного назначения.
Однако, в России до сих пор недостаточно статистических данных по тем или иным видам внедрения металлоконструкций, производственных мощностях, а также об оснащенности заводов. Немаловажен тот факт, что в 2015 году Ассоциация по развитию стального строительства (АРСС) стала первой, кто сформировал «Каталог производителей металлических конструкций». Но очевидно, что и без данного каталога любая конструкция требует квалифицированной проектной разработки, производства конструкций и их монтажа.
Таким образом, становится ясно одно: в условиях жесткой конкуренции на строительном рынке, снижение себестоимости строительства становится одним из наиболее важных факторов. Этого как раз-таки можно достичь с использованием технологии возведения металлокаркасных зданий. А если учесть падение цен на металлопрокат, это может реально «выстрелить».


1.Применение стали при строительстве многоэтажного жилого дома


При строительстве многоэтажного жилого здания в качестве основной несущей конструкции могут быть использованы разнообразные строительные материалы и способы строительства. При создании нового проекта жилого дома необходимо учитывать весь жизненный цикл здания, этапы возведения, эксплуатации и утилизации. Выбор строительного материала или метода строительства здания всегда должен делаться в пользу той, что позволяет создать наиболее экономичные конструкции, которые обеспечивают надежную работу здания, а также максимальный комфорт его будущим жителям. Немалую роль играют и сроки строительства[1].
Доля стальных конструкций в жилищном строительстве в нашей стране весьма мала. Непопулярность технологии в России объясняется тем, что еще в Советском Союзе сталь просто не использовали при строительстве гражданских объектов, вся она уходила в оборонную промышленность. В итоге строители были вынуждены применять другие материалы для строительства гражданских, в первую очередь, жилых объектов. В качестве альтернативы был взят железобетон, который и по сей день остаётся доминирующим. В России доля жилых многоэтажек со стальным каркасом составляет 13%.. В частности, в Швеции, Великобритании и США доля сооружений из стали составляет около 70%, а это значит, что у российских производителей металла есть хороший потенциал. В Советском Союзе тоже строили здания на стальном каркасе. Но это были лишь единичные объекты, такие как: Сталинские высотки (рис.1а), Дом Зингера (рис.1б).

Рисунок 1. а) Сталинские высотки г. Москва;
б) Дом Зингера г. Санкт-Петербург.

В современной России исчез дефицит стального проката, а в будущем может даже образоваться его профицит. Российские металлурги освоили производство стали прочностью 440, 590 и даже 700 МПа. То есть появились все условия для развития массового строительства на стальном каркасе. На сегодняшний день существует несколько домов построенные с применения стали, но их мало: ЖК «Три Богатыря» г. Новокузнецк (рис.2а), ЖК «Московский» г.Екатеринбург (рис.2б), ЖК «Фрегат-Нео» г. Красноярск (рис.2в), Жилой дом в г. Москва (рис.2г), Жилой дом в г. Новосибирск (рис.2д).

Рисунок 2. а) ЖК «Три Богатыря» г. Новокузнецк, б)ЖК «Московский» г. Екатеринбург, в) ЖК «Фрегат-Нео» г. Красноярск, г) Жилой дом в г. Москва, д) Жилой дом в г. Новосибирск.
Самым масштабным примером применения стального каркаса в России является жилой микрорайон «Новомарусино» в г. Новосибирск, объединяющий малоэтажную (3-4 этажа) и многоэтажную (10 этажей) застройку и включающий в себя основные преимущества стального каркаса для многоэтажного строительства[1].
Всего проектом предусмотрено строительство более 100 жилых домов на участке площадью 65 Га.


Рисунок 3. Жилой микрорайон «Новомарусино», г. Новосибирск.

На сегодняшний день высотные здания стали неотъемлемой частью градостроительства. Наличие небоскребов отличает любой современный город, а умение их возводить говорит о высоком развитии строительных технологий, интеллектуальных возможностях проектировщиков, готовности соответствующей материально-технической базы. Не смотря на то, что в России строительство на стальном каркасе не развито, существуют примеры уникальных сооружений с его применением. Ярким примером может служить деловой центр «Евразия». Это стильное, лаконичное современное здание, с довольно простым, но от того еще более эффектным визуальным решением. Западная респектабельность в сочетании с восточной роскошью в самом центре столицы, именно так выглядит третье по высоте здание ММДЦ Москва-Сити — башня Евразия, являющаяся самым высоким в Европе зданием с металлическим каркасом. Высота небоскреба составляет 309 метров. Здание имеет 5 подземных этажей и 72 надземных. Внизу имеется парковка более чем на 1 тыс. парковочных мест. Вся башня «Евразия» представляет собой многофункциональный комплекс с разными зонами

. Здесь соседствуют магазины, офисы класса «А» и премиум апартаменты[2].


Рисунок 4. Башня «Евразия», г.Москва.


2.Металлический стальной каркас здания: устройство, материалы и технология монтажа
Сталь – это сплав железа с углеродом и некоторыми добавками:
-Железо обеспечивает пластичность. Пластическое разрушение происходит постепенно, ему предшествуют значительные деформации, поэтому развитые пластические свойства имеют существенное значение для безопасной работы конструкции.
-Углерод обеспечивает прочность, но снижает пластичность и свариваемость, поэтому содержание углерода ограничивается (не более 0,22 %).
-Легирующие добавки (кремний, марганец, медь, хром, никель, ванадий, молибден, алюминий) повышают прочность и пластичность стали. В основном применяются низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5 %.
-Вредные примеси (сера, фосфор, кислород, водород, несвязанный азот) повышают хрупкость стали; их содержание ограничивается (не более 0,04…0,05 %). Во избежание попадания вредных примесей при сварке расплавленный металл необходимо защищать от воздействия атмосферы.
Возведение домов с металлическим каркасом в основе является сравнительно новым веянием на отечественном рынке строительных услуг. Несмотря на это, данная технология приобрела большую популярность и широко используется при строительстве жилых зданий, промышленных и торговых объектов. Она позволяет значительно удешевить и ускорить строительство. При этом конечный результат ничуть не уступает по своим техническим параметрам и экономическим показателям традиционным сооружениям.
Каркасные дома начали возводить довольно-таки давно. Изначально несущая конструкция выполнялась, как правило, из дерева. Но сегодня потребители отдают предпочтение металлическому профилю. В принципе, материалы сопоставимы по стоимости, но в то же время стальные опоры более надежны, имеют гораздо больший запас прочности, не подвержены гниению. Да, возможно, они окисляются и ржавеют. Но современные технологии позволяют создавать на поверхности надежное антикоррозионное покрытие (как диффузионного типа, так и гальваническое напыление). Таким образом, устройство металлического каркаса вполне оправдано.
На протяжении длительного периода времени такие дома строились для нужд сельского хозяйства (теплицы, хлева, бараки), малой промышленности (цеха, мастерские) и складского хозяйства (терминалы, склады). Параллельно усовершенствованию технологии металлический каркас все более часто использовался в строительстве элитных строений по дорогим и эксклюзивным архитектурным проектам. Сегодня в Японии, а также в странах Западной Европы и США большинство зданий возводятся по этой технологии. Почему следует отдать предпочтение именно каркасной основе? Каркасное строительство имеет множество преимуществ по сравнению с другими методами возведения строений:
-сравнительно небольшие затраты на строительные материалы;
-скорость возведения (построить полноценный хороший дом можно в кратчайшие сроки – всего лишь за месяц);
- возможность вести строительство непрерывно, без учета погодного фактора, даже если идет снег с дождем;
- такие постройки имеют небольшой вес, поэтому отсутствуют усадочные процессы, приводящие к растрескиванию стен и перегородок металлического каркаса;
-возможность построить дом самостоятельно, для чего понадобится лишь краткосрочная помощь нескольких человек (возможно, членов семьи).
Прежде чем приступить к строительству, нужно взвесить все преимущества и недостатки той или иной технологии. У каркасного здания много плюсов, но имеются и минусы. Так, его проектирование сопряжено с целым рядом сложных расчетов, которые очень трудно провести самостоятельно, не будучи инженером-строителем и не обладая специальными знаниями. Ошибка в расчете нагрузки и неправильный выбор профиля или несущей способности опор чреваты катастрофическими последствиями. Материалом профиля служит, как правило, сталь обыкновенного качества, не имеющая легирующих элементов (хром, никель и др.). Такой материал является наиболее дешевым. Но при отрицательных температурах несущая способность такой конструкции существенно падает (свойство так называемой хладноломкости). Поэтому в условиях климатического холода такой каркас не стоит применять.
Несовершенство такого материала сказывается и при высоких температурах, которые могут быть вызваны пожаром. При нагреве сталь обыкновенного качества теряет упругость и прочность, а это может привести к обрушению здания. Сталь, как и любой железный материал, обладает очень хорошей теплопроводностью, поэтому металлический каркас здания поглощает и выводит наружу тепло. Следовательно, утепление такого строения требует больших затрат на материалы и работы. Это еще один недостаток, на который следует обращать внимание, тем более в условиях наших суровых зим и высоких цен на энергоносители.
Требования к проектированию и изготовлению элементов конструкции. Проект должен соответствовать нормативно-правовым актам в сфере строительства, учитывать назначение здания, характер грунта, особенности транспортной доставки комплектующих, сборки каркаса, условий эксплуатации (в том числе погодных), свойств используемых материалов. Производство каждого отдельно взятого элемента металлической конструкции должно соответствовать ГОСТу и отраслевым стандартам, техническим условиям предприятия-изготовителя. Не допускается отклонение от технологии, принятой на заводе. Каждый элемент должен удовлетворять предъявленным требованиям, обеспечивать регламентированную несущую способность. Сварные соединения в обязательном порядке проходят тщательный контроль (визуально и посредством ультразвука).
Антикоррозионные и декоративные покрытия наносятся на заводе с использованием специализированного оборудования. Допускается нанесение защитного покрытия на месте монтажа металлоконструкций в случае повреждения слоя при транспортировке и при сборке каркаса. На заводе все элементы проходят очистку от окислов, обезжириваются (для этих целей может использоваться ультразвуковая ванна). Не допускается превышение предельных отклонений значений, указанных в проектно-конструкторской документации.
Элементы каркасного дома и применяемые материалы. Дом является сложным инженерным объектом и состоит из следующих элементов: основание (бетонный фундамент), непосредственно металлический каркас стен, перегородки, крыша, отделка (как внутренняя, так и наружная), утеплитель