Легкие стальные конструкции из холодногнутых оцинкованных профилей - новая прогрессивная  отрасль строительной индустрии в России

В 1973 г. в ЦНИИпроектстальконструкия по инициативе Николая Прокофьевича Мельникова была создана лаборатория холодноформованных профилей и конструкций (ЛХПК). Основным материалом для этих конструкций является рулонная оцинкованная сталь толщиной не более 4,0 мм.

В то время единственным гнутым профилем, изготовляемым в СССР из оцинкованной стали толщиной 1,0 мм, был профилированный лист Н79-674 с трапециевидными гофрами, применяемый для настилов покрытий производственных зданий. Этот профиль имел ряд конструктивных недостатков и был малоэффективен для строительства.
В связи с этим перед лабораторией ЛХПК, входящей в состав Отдела типового проектирования и совершенствования профилей (ОТСП), были поставлены следующие задачи:
- разработка и исследования новых эффективных профилей для настилов покрытия и элементов каркаса зданий из легких стальных конструкций;
- разработка технических условий на новые холодногнутые профили из оцинкованной стали толщиной не более 4,0 мм;
- разработка рекомендаций и нормативно-технической документации по расчету и проектированию легких стальных конструкций с применением тонкостенных гнутых профилей;
- участие в проектировании стальных конструкций зданий и сооружений с применением гнутых профилей из оцинкованной стали;
- проведение экспертизы проектов и натурных обследований объектов, выполненных с применением гнутых профилей.

Профилированные настилы
В ЛХПК был разработан новый сортамент листовых гофрированных профилей для настилов, который включен в ГОСТ 24045, действующий и в настоящее время. Такие профили превосходят по основным технико-экономическим показателям большинство зарубежных аналогов, соответствуя лучшим из них - профилям шведской фирмы «Plannja». Сортамент профилей разрабатывали с учетом типовых объемно-планировочных решений зданий, климатических условий, расчетных нагрузок, технологии прокатки, способов транспортирования и других специфических условий, характерных для нашей страны. Для скорейшего освоения профилей нового сортамента Институт разработал технические условия их изготовления методом холодной прокатки на Челябинском заводе профилированного стального настила, Киреевском заводе легких металлических конструкций, Самарском заводе «Электрощит» и других отечественных предприятиях.
Профили нового сортамента были использованы для покрытий и стен не только таких гигантов, как КамАЗ (Набережные Челны), КамТЗ (Елабуга), но и в массовом промышленном и гражданском строительстве. Материал для их изготовления - рулонная оцинкованная сталь шириной 1100-1400 мм и толщиной 0,6-1 мм с цинковым покрытием с двух сторон толщиной не менее 19 мкм по ГОСТ 14918 с защитно-декоративным лакокрасочным покрытием и без него.
В ЛХПК были разработаны рекомендации по расчету и проектированию профилированных настилов и их креплений, включенные в Пособие к СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции». Согласно рекомендациям, настил, надежно закрепленный на опорах, рассматривается как диафрагма жесткости, выполняющая функцию горизонтальных связей в покрытиях и обеспечивающая устойчивость из плоскости балок, ригелей или прогонов. Для оценки несущей способности и жесткости настилов при изгибающей и сдвигающей (в составе диафрагмы) нагрузках Институт провел серию натурных и модельных испытаний.
Профилированные стальные настилы применяют также при устройстве сталежелезобетонных перекрытий в качестве несъемной опалубки монолитной плиты. Использование профилей существующего сортамента в качестве внешней рабочей арматуры нецелесообразно, так как при этом не обеспечивается требуемое сцепление настила с бетоном. В связи с этим в ЛХПК был разработан, исследован и запатентован новый вид зигзагообразной выштамповки, выполняемой на стенках гофров профиля в процессе его прокатки и значительно повышающей прочность сцепления настила с бетоном плиты при поперечном изгибе статической нагрузкой. Коэффициент условия работы настила с такими выштамповками и традиционными анкерами на опорах - не менее 0,8 т.е. соответствует работе стальной арматуры периодического профиля в железобетонных монолитных плитах.
На основе результатов этих исследований группа компаний (ГК) «Стальные конструкции» освоила производство листовых гнутых профилей с гофрами высотой не менее 60 мм по ГОСТ 24045 и зигзагообразными выштамповками на их стенках для применения в сталежелезобетонных перекрытиях с пролетами плит до 6 м включительно. Расширение сортамента за счет новых, более высоких профилей необходимо также в связи с увеличением нормативной снеговой нагрузки по СНиП 2.01.07-85* на 12-26%. Для расширения области применения профилированных настилов в покрытиях и перекрытиях зданий в ЛХПК разработаны новые листовые гнутые профили с гофрами высотой 135, 145 и 157 мм из рулонной стали шириной соответственно 1400,1500 и 1600 мм и толщиной 0,8-1,5 мм.
ГК «Стальные конструкции» освоила производство таких профилей с гофрами высотой 157 мм по техническим условиям, разработанным ЛХПК. Эти профили можно применять в одно-, двух- и трехпролетных неразрезных настилах из стали толщиной 1,2-1,5 мм при расчетных поперечных нагрузках 400-900 кгс/м2 и пролете 6 м.
Основные требования при расчете, проектировании, изготовлении и монтаже профилированных настилов установлены в разработанных ЛХПК стандартах СТО 0043-2005 «Настилы стальные профилированные для покрытий зданий и сооружений» и СТО 0047-2005 «Перекрытия сталежелезобе-тонные с монолитной плитой по стальному профилированному настилу».

Каркасы малоэтажных зданий и мансард
При изготовлении несущих элементов каркасов зданий используют стандартные гнутые профили в основном трех типов поперечного сечения - швеллерные, С-образные и Z-образные высотой 100-300 мм. Для повышения жестко-сти профилей при местной нагрузке и кручении их стенке при профилировании придают ступенчатую сигма-образную форму. Профили изготовляют из рулонной оцинкован-ной стали толщиной 0,8-2 мм с пределом текучести 250-350 МПа и относительным удлинением не менее 18%.
С целью снижения теплопроводности гнутых профилей, используемых в каркасах ограждающих конструкций, на их стенке в процессе прокатки выполняют перфорацию в виде продольных просечек. Теплопроводность таких перфорированных профилей (или «термопрофилей») сопоставима с деревянными элементами аналогичной площади сечения.
По техническим условиям, разработанным ЛХПК, изго-товление гнутых профилей каркаса освоили ЗАО «Эксергия» (Липецк), ООО «Венталл» (Обнинск), «Балтпрофиль» (Санкт-Петербург), «Канадский дом» (Новосибирск), «Волжскпо-лимер» (г. Волжский), ИСК «Финеско» (Саратов) и другие предприятия. После освоения производства оцинкованной рулонной стали толщиной 4-4,5 мм по ГОСТ Р 52246 высота гнутых профилей может быть увеличена до 450 мм, что позволит значительно расширить область их применения.
В ЛХПК разработаны технические условия на изготовление новых гнутых профилей высотой до 400 мм из оцинкованной стали толщиной до 4 мм, производство которых освоило ООО «Ласар» (Липецк), а также рекомендации по проектированию и технические условия по изготовлению следующих конструкций каркасов из гнутых профилей для малоэтажных зданий и мансард:
- П- образные рамы пролетом от 6 до 24 м;
- Стропильные системы в виде одно- и двускатных треугольных ферм и балок с затяжками;
- несущие и ограждающие конструкции одно-, двухэтажных зданий и коттеджей, в том числе для сейсмических районов;
- связи и настилы, обеспечивающие устойчивость каркаса в целом и его элементов.
Толщина оцинкованной стали в элементах каркаса в настоящее время не превышает 2 мм. Увеличение толщины профилей до 4 мм и, соответственно, их высоты до 400 мм позволит довести пролеты рам со сплошным ригелем до 24, а ферм - до 30 м. В связи с тем, что СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции» не распространяется на конструкции из стали толщиной менее 4 мм, расчет и проектирование каркасов из гнутых профилей толщиной от 0,8 до 4 мм выполняли по рекомендациям, разработанным в ЛХПК на основе Еврокода EN 1993-1-3.

Бескаркасные арочные покрытия
Уникальная, не имеющая аналогов в мире технология изготовления и монтажа бескаркасных арочных зданий из стальных гнутых профилей разработана в США и нашла широкое применение в России. Холодногнутые профили, выполняющие несущие и ограждающие функции бескаркасного покрытия, изготовляют из рулонной оцинкованной стали толщиной 0,8-1,2 мм непосредственно на строительной площадке, используя два передвижных профилегибочных агрегата. Один из них формирует прямолинейный профиль корытообразного сечения высотой 300 мм и шириной полок 110 мм, другой - вальцует этот профиль по заданному радиусу (не менее 2 м) с образованием волнистых поперечных гофров на стенке и полках. Длина готового профиля практически не ограничена, и для арочного покрытия, как правило, соответствует длине дуги его поперечного разреза. Профили соединяют между собой вдоль продольных краев без метизов крепления, используя фальцегибочную машинку. Узлы крепления арочного покрытия к фундаментам, расположенным вдоль его продольных краев, соответствуют шарнирному или жесткому закреплению. Таким образом, арочные профили полностью перекрывают пролет здания без поперечных стыков. Пролет здания данной конструкции от 6 до 24 м при рекомендуемой высоте не менее 1/3 пролета.
Стены и перегородки в здании с арочным покрытием выполняют из прямолинейных профилей, которые изготовляют и соединяют между собой по представленной выше технологии. Торцевые и промежуточные поперечные стены из этих профилей, надежно прикрепленные внизу к фундаменту, а вверху - к арочному покрытию, выполняют функцию диафрагм жесткости, повышающих жесткость покрытия и здания в целом. Область применения таких зданий зависит от их размеров (пролета, высоты, длины), расчетных нагрузок, температурно-влажностных условий эксплуатации, степени агрессивности среды и требований пожарной безопасности.
Для расчета такой конструкции в ЛПХК была разработана программа «БИПЛАН», которая позволяет с достаточной степенью точности оценить деформативность и несущую способность тонкостенных арочных покрытий с учетом особенностей их нелинейной работы при различных сочетаниях расчетных нагрузок, включая снеговую, ветровую и сейсмическую.
Для исследования действительной работы арочных покрытий данной конструкции в ЛХПК были проведены испытания натурных образцов на вертикальную нагрузку. Следует заметить, что на несимметрично распределенную (снеговую) и сосредоточенные нагрузки испытания этих конструкций проводили впервые в мире.
Образцами служили следующие арочные покрытия: двухслойные пролетом 21 м из профилей толщиной 1 мм (между двумя слоями профилей был оставлен зазор 100 мм для возможности расположения утеплителя в реальной конструкции); и однослойные пролетом 18 м из профилей толщиной 0,8 мм.
Испытания показали, что предельной для этих конструкций является распределенная на половине пролета нагрузка, при которой стенки профилей потеряли местную устойчивость в зоне наибольших сжимающих напряжений в сечениях, расположенных около середины ненагруженной части пролета.
Сравнительный анализ результатов испытаний образцов и их расчета по программе «БИПЛАН» показал, что эта методика является достаточно точной для определения предельных нагрузок и прогибов арочных покрытий данного типа.
За последние несколько лет более 150 зданий пролетом от 12 до 25 м (крытые рынки, вокзалы, физкультурно-оздоровительные центры, гаражи и склады) были построены в России из гнутых профилей высотой 110 мм и толщиной 0,8-1 мм по описанной выше технологии.
Одним из показательных примеров экономичного и функционального использования бескаркасных арочных покрытий является здание крытого спортивного комплекса в пос. Целина Ростовской обл. (архитектор П.И. Костин).
Технологию возведения арочных покрытий постоянно совершенствуют: разрабатывают новые, более высокие профили, изменяют форму их сечения, увеличивают толщину рулонной заготовки профилей, применяют более долговечные защитно-декоративные покрытия из оцинкованной стали. Для массового внедрения этих конструкций в строительную практику необходимы масштабные исследования.

Конструкции вентилируемых фасадов
Одно из перспективных направлений применения гнутых профилей из оцинкованной стали - конструкции так называемых вентилируемых фасадов, сооружаемых для повышения архитектурной выразительности зданий и (или) дополнительного утепления наружных стен, не отвечающих современным требованиям по энергосбережению. Система таких конструкций включает следующие основные элементы:
- кронштейны из стали толщиной 1,5-2 мм, прикрепляемые анкерами к несущей стене;
- направляющие профили из стали толщиной 1-1,5 мм, при крепленные к кронштейнам болтами, заклепками или самонарезающими винтами и размещенные параллельно стене в горизонтальном или вертикальном положении;

- облицовка в виде профилированных листов (сайдинга) или кассет, прикрепленных к направляющим самонарезающими винтами или специальными зажимами.
Впервые в отечественной практике в ЛХПК был разработан рабочий проект металлических конструкций вентилируемых фасадов для реконструкции пяти 9-этажных жилых домов в Оренбурге. Здания были выполнены из монолитного керамзитобетона и находились в аварийном состоянии, так как из-за недостаточных теплозащитных свойств ограждающих конструкций температура в помещениях зимой снижалась до +50С.
В этих конструкциях использован кронштейн нового типа, выполненный штамповкой из стали толщиной 1 мм и прикрепляемый к стене тремя анкерами, а также усовершенствованные профилированные листы типа «корабельная рейка» из оцинкованной стали с полимерным покрытием, для крепления которых к направляющим элементам облицовки можно значительно снизить количество метизов. Монтаж конструкций и утеплителя вели прогрессивным «альпинистским» методом, без применения кранов и отселения жильцов. Утепленные вентилируемые фасады этих зданий, конструкции для которых поставляло ЗАО «Эксергия», были выполнены в 2000 г. в течение 3 месяцев.
 В настоящее время ЛХПК продолжает разрабатывать проектную и нормативно-техническую документацию в этом направлении. Совместно с Одинцовским заводом легких конструкций разработан стандарт организации СТО 0060-2008 для вентилируемых фасадов. Для оценки несущей способности и деформативности конструкций из этих профилей были проведены испытания фрагментов и отдельных элементов вентилируемого фасада, включая кронштейны, направляющие и кассеты облицовки. В рамках этих испытаний впервые дана сравнительная оценка прочности и податливости нескольких типов анкеров для крепления кронштейнов к фасадной стене. Испытывались анкера отечественного производства (типа БСР) и импортные анкера, поставляемые известными фирмами SFS и HILTI.
Изложенное выше свидетельствует о том, что производство и применение гнутых профилей из оцинкованной стали в массовом и уникальном строительстве становится одним из приоритетных и эффективных направлений строй индустрии. Благодаря своим очевидным достоинствам конструкции из этих профилей пользуются повышенным спросом в России.
Сегодня они с успехом применяются в малоэтажном строительстве, при реконструкции и утеплении фасадов зданий, при устройстве мансардных этажей, при строительстве сельхозобъектов, физкульторнооздоровительных комплексов и торговых центров, а также школ и детских садов в сельской местности.
Создание новой отечественной отрасли строительной индустрии, основанной на применении высокоэффективных гнутых профилей из оцинкованной стали и широкие перспективы ее дальнейшего развития в России свидетельствуют о высоком профессионализме, способности к научно-обоснованному и интуитивному предвидению прогрессивных направлений в металлостроительстве выдающегося инженера и ученого - академика Николая Прокофьевича Мельникова.

Э.Л. Айрумян, к.т.н.