Виды металлоконструкций

Металлоконструкции — это несущие и ограждающие элементы зданий и сооружений, выполненные из стального или алюминиевого проката и соединённые сваркой, болтами или заклёпками. Их применяют везде, где нужны большие пролёты, высокая скорость возведения и предсказуемая работа под нагрузкой. В этом справочнике собраны основные виды металлоконструкций, принципы их классификации и практические замечания о том, как выбор типа конструкции влияет на стоимость и сроки.

Почему металл

Прежде чем разбирать виды, полезно понять, за что металлоконструкции ценят и где у них слабые места. Это помогает объяснить, почему для одного объекта выбирают стальной каркас, а для другого — железобетон или дерево.

Преимущества:

• высокая прочность при относительно небольшом собственном весе, что позволяет перекрывать большие пролёты;
• заводская готовность элементов — значительная часть работ выполняется в цехе, а не на площадке;
• скорость монтажа, мало «мокрых» процессов, возможность работать при отрицательных температурах;
• предсказуемость свойств материала: сталь однородна, её поведение под нагрузкой хорошо изучено;
• ремонтопригодность и возможность реконструкции — усиления, надстройки, демонтажа с повторным использованием.

Ограничения:

• подверженность коррозии — без защиты сталь разрушается, особенно во влажной и агрессивной среде;
• потеря несущей способности при пожаре — при нагреве прочность стали резко снижается, поэтому нужна огнезащита;
• зависимость стоимости от цен на прокат, которые подвержены колебаниям;
• требования к квалификации проектировщиков, сварщиков и монтажников.

Классификация металлоконструкций

Единой классификации нет, но на практике конструкции делят по нескольким признакам. Понимание этих признаков помогает читать проекты и коммерческие предложения.

По назначению

• Несущие — воспринимают и передают нагрузки: колонны, балки, фермы, рамы, связи.
• Ограждающие — отделяют внутреннее пространство от внешней среды: каркасы стен, фахверк, профилированный настил, сэндвич-панели на металлическом каркасе.
• Вспомогательные — лестницы, площадки обслуживания, ограждения, кронштейны, опоры под оборудование.

По конструктивной схеме

• Сплошностенчатые — элементы со сплошной стенкой: двутавры, швеллеры, сварные балки, гнутосварные профили.
• Решётчатые (сквозные) — элементы из поясов и решётки: фермы, решётчатые колонны, пространственные структуры.
• Листовые — оболочки, работающие на растяжение и сжатие: резервуары, газгольдеры, бункеры, трубы большого диаметра.
• Вантовые и висячие — конструкции, где основные элементы работают на растяжение: тросы, ванты, мембраны.

По способу изготовления профилей

• Из горячекатаного проката — двутавры, швеллеры, уголки, широкополочные профили. Классика для тяжёлых и средних каркасов.
• Сварные — балки и колонны, собранные из листа. Позволяют подобрать сечение точно под нагрузку, но дороже в изготовлении.
• Из гнутых профилей — тонкостенные профили, получаемые холодной гибкой. Используются в лёгких каркасах.
• Из труб — круглые и профильные трубы. Хороши для ферм, стоек и конструкций, где важен внешний вид.

Каркасы зданий

Каркас — самый распространённый вид металлоконструкций в промышленном и гражданском строительстве. Его задача — воспринять все нагрузки и передать их на фундамент.

Рамные каркасы

Рама — это колонны, жёстко соединённые с ригелями. Жёсткие узлы позволяют обходиться без вертикальных связей в плоскости рамы, что освобождает пространство. Рамные каркасы популярны в складах, ангарах, производственных цехах и торговых зданиях. Часто применяют рамы переменного сечения: стенка ригеля и колонны утолщается у узлов, где изгибающий момент наибольший, и утоньшается в пролёте. Это экономит металл, но усложняет изготовление.

Связевые каркасы

В связевой схеме колонны соединены с балками шарнирно, а горизонтальную устойчивость обеспечивают вертикальные связи и диафрагмы жёсткости. Шарнирные узлы проще в изготовлении и монтаже, но связи ограничивают планировку. Связевые каркасы распространены в многоэтажных зданиях, где связи размещают в зоне лестнично-лифтовых узлов.

Рамно-связевые каркасы

Комбинированная схема: в одном направлении работают рамы, в другом — связи. Это компромисс между свободой планировки и экономичностью.

Балки и колонны

Балки

Балки работают на изгиб и передают нагрузку от перекрытия или покрытия на колонны. Основные типы:

• прокатные двутавры — для пролётов малой и средней величины;
• сварные двутавры — когда прокатного сортамента не хватает или нужно оптимизировать сечение;
• перфорированные балки — с отверстиями в стенке, через которые пропускают коммуникации; получаются роспуском прокатного двутавра по ломаной линии и сваркой половинок со смещением;
• балки с гофрированной стенкой — тонкая гофрированная стенка устойчива без рёбер жёсткости, что снижает расход металла.

Колонны

Колонны воспринимают вертикальные нагрузки и, в рамных схемах, изгибающие моменты. Различают:

• сплошные — из двутавра, трубы, сварного сечения;
• сквозные — из двух ветвей, соединённых решёткой или планками; применяются при больших высотах и нагрузках, например в цехах с мостовыми кранами;
• ступенчатые — с разным сечением по высоте, где нижняя часть несёт подкрановую балку.

Фермы

Ферма — стержневая система, в которой элементы работают преимущественно на растяжение или сжатие. Благодаря этому фермы позволяют перекрывать большие пролёты при умеренном расходе металла.

Основные очертания ферм

• треугольные — для кровель с большим уклоном;
• трапециевидные — классика для покрытий промышленных зданий;
• с параллельными поясами — удобны для плоских кровель и унификации узлов;
• полигональные и арочные — для больших пролётов, где очертание приближают к эпюре моментов.

Профили для ферм

Пояса и решётку выполняют из парных уголков, тавров, гнутосварных профилей или труб. Фермы из профильных труб с бесфасоночными узлами технологичнее и лучше защищаются от коррозии: меньше щелей и пазух, где скапливается влага.

Практический совет: при сравнении предложений обращайте внимание не только на массу фермы, но и на число узлов и сложность их сварки. Лёгкая ферма со сложными узлами может оказаться дороже в изготовлении, чем немного более тяжёлая, но технологичная.

Лёгкие металлоконструкции

Под лёгкими металлоконструкциями обычно понимают каркасы из тонкостенных холодногнутых профилей, в том числе оцинкованных, а также быстровозводимые здания комплектной поставки. Их сильные стороны — низкий вес, быстрый монтаж без тяжёлой техники, заводская готовность. Слабые — ограничения по пролётам и нагрузкам, повышенная чувствительность к точности монтажа и местной потере устойчивости тонких стенок.

Лёгкие конструкции хорошо подходят для складов небольшой и средней площади, торговых павильонов, сельскохозяйственных зданий, мансардных надстроек, каркасов малоэтажных домов. Для зданий с мостовыми кранами, с большими снеговыми нагрузками или с подвесным технологическим оборудованием их применение требует особенно внимательного расчёта.

Пространственные и большепролётные конструкции

Когда нужно перекрыть зал, стадион, выставочный павильон или авиационный ангар без промежуточных опор, применяют пространственные системы.

• Структурные плиты — пространственные решётки из стержней, соединённых узловыми элементами. Позволяют перекрывать большие площади с опиранием по контуру или на редкую сетку колонн.
• Купола и своды — сетчатые или рёберные оболочки.
• Вантовые покрытия — системы тросов, работающих на растяжение, с жёстким или гибким опорным контуром.
• Арки — для ангаров и спортивных объектов.

Такие конструкции требуют сложного расчёта, высокой точности изготовления и тщательно продуманного монтажа.

Листовые конструкции и специальные сооружения

Отдельная большая группа — конструкции, в которых основным элементом является лист:

• вертикальные и горизонтальные резервуары;
• силосы и бункеры для сыпучих материалов;
• газоходы, дымовые трубы, воздуховоды большого сечения;
• трубопроводы большого диаметра.

К специальным сооружениям относят также опоры линий электропередачи, мачты и башни связи, эстакады, галереи, пешеходные мосты, рекламные конструкции. Для каждого вида действуют свои нормативные требования и особенности расчёта на ветер, гололёд, усталость и динамические нагрузки.

Вспомогательные металлоконструкции

Площадки обслуживания, лестницы, ограждения, переходные мостики, опоры под трубопроводы и оборудование часто воспринимают как мелочь. На практике на них приходится заметная доля трудоёмкости: элементов много, узлы разнообразны, а требования к безопасности высоки. На одном из объектов стоимость вспомогательных конструкций для технологической линии оказалась сопоставима со стоимостью основного каркаса цеха — именно из-за количества уникальных узлов.

Как выбор вида конструкции влияет на стоимость

Стоимость металлоконструкций складывается не только из массы металла. Условный пример для склада с пролётом 24 м и длиной 72 м:

Итоговую цену определяют сразу несколько факторов: масса, количество и сложность узлов, тип соединений, требования к защитному покрытию, транспортные габариты, способ монтажа. Поэтому сравнивать предложения только по цене за тонну некорректно.

Типичные ошибки заказчиков при выборе

• Выбор по минимальной массе без учёта трудоёмкости и сложности монтажа.
• Отказ от расчёта на будущие нагрузки: подвесное оборудование, кран-балки, солнечные панели на кровле.
• Применение лёгких профилей там, где нужна тяжёлая схема, ради экономии на старте.
• Игнорирование агрессивности среды при выборе профилей: открытые сечения и узлы с пазухами хуже переносят влажную среду.
• Недооценка транспортных ограничений: элемент, который нельзя перевезти целиком, придётся делить и стыковать на площадке.

Итоги

Металлоконструкции делятся по назначению, конструктивной схеме и способу изготовления профилей. Каркасы бывают рамными, связевыми и комбинированными; балки и колонны — прокатными, сварными, сквозными; фермы различаются очертанием и профилями. Лёгкие конструкции выигрывают в скорости и весе, но ограничены по нагрузкам; пространственные системы позволяют перекрывать большие пролёты ценой сложности расчёта и монтажа. Правильный выбор вида конструкции — это баланс между расходом металла, трудоёмкостью, условиями эксплуатации и сроками, и делать его стоит вместе с проектировщиком на ранней стадии.