Стальные каркасные конструкции в строительстве

Введение

Строительная техника с использованием скелетных рам из вертикальных стальных колонн.

Стальная рама – это строительная техника, основанная на "скелетной раме" из вертикальных стальных колонн и горизонтальных двутавровых балок, возводимых в прямоугольной сетке для поддержки перекрытий, крыши и стен здания, которые крепятся к этой раме. Развитие данной технологии сделало возможным строительство небоскребов. В начале XX века стальная рама вытеснила свою предшественницу – железную раму.

Концепция

Прокатный стальной "профиль" или поперечное сечение стальных колонн имеет форму буквы "H". Два широких фланца колонны толще и шире, чем фланцы балок, чтобы лучше выдерживать сжимающие нагрузки в конструкции. Также можно использовать квадратные и круглые трубчатые сечения из стали, часто заполненные бетоном. Стальные балки соединяются с колоннами болтами и резьбовыми крепежными элементами, а исторически – заклепками. Центральная "стенка" стальной двутавровой балки часто шире, чем стенка колонны, чтобы противостоять более высоким изгибающим моментам, возникающим в балках. Широкие листы стального настила могут использоваться для покрытия верхней части стального каркаса в качестве "опалубки" или гофрированного профиля, под толстым слоем бетона и стальной арматуры. Другой популярной альтернативой является пол из сборных железобетонных плит с бетонной стяжкой. Часто в офисных зданиях окончательная поверхность пола обеспечивается системой поднятого пола, при этом пространство между облицовкой и несущим полом используется для прокладки кабелей и воздуховодов. Каркас необходимо защищать от огня, поскольку сталь теряет прочность при высоких температурах, что может привести к частичному обрушению здания. В случае колонн это обычно делается путем облицовки их огнестойкой конструкцией, такой как кирпичная кладка, бетон или гипсокартон. Балки могут быть облицованы бетоном, гипсокартоном или покрыты специальным составом для теплоизоляции от огня, либо защищены огнестойкой потолочной конструкцией. Асбест был популярным материалом для огнезащиты стальных конструкций до начала 1970-х годов, до того как были полностью осознаны риски для здоровья, связанные с асбестовыми волокнами. Наружная "оболочка" здания крепится к каркасу с использованием различных строительных технологий и в соответствии с широким разнообразием архитектурных стилей. Кирпич, камень, железобетон, архитектурное стекло, листовой металл и даже краска использовались для облицовки каркаса, чтобы защитить сталь от воздействия погодных условий.

Стальные рамки, полученные в холодном виде

Холодногнутые стальные каркасы также известны как легкие стальные каркасы (LSF). Тонкие листы оцинкованной стали могут быть холодногнуты в стальные стойки для использования в качестве конструкционного или неконструкционного строительного материала как для наружных, так и для внутренних перегородок в жилых, коммерческих и промышленных строительных проектах (как показано на изображении). Размеры помещения определяются горизонтальными направляющими, которые крепятся к полу и потолку для очерчивания контура каждой комнаты. Вертикальные стойки устанавливаются в направляющие, обычно с определенным шагом, и фиксируются сверху и снизу. Типичными профилями, используемыми в жилом строительстве, являются С-образные стойки и U-образные направляющие, а также множество других профилей. Каркасные элементы обычно изготавливаются толщиной от 12 до 25 калибров. Более толстые калибры, такие как 12 и 14, обычно используются при высоких осевых нагрузках (параллельных длине элемента), например, в несущих конструкциях. Калибры средней толщины, такие как 16 и 18, обычно используются при отсутствии осевых нагрузок, но наличии значительных поперечных нагрузок (перпендикулярных элементу), например, для наружных стоек, которые должны выдерживать ветровые нагрузки ураганной силы в прибрежных районах. Более тонкие калибры, такие как 25, обычно используются там, где нет осевых и незначительные поперечные нагрузки, например, во внутренних конструкциях, где элементы служат каркасом для возведения перегородок между помещениями. Отделка стен крепится к двум фланцевым сторонам стойки, толщина которой варьируется, а ширина полки – от. Из полки удаляются прямоугольные секции для обеспечения доступа к электропроводке. Металлургические заводы производят оцинкованную листовую сталь, являющуюся основным материалом для изготовления холодногнутых стальных профилей. Листовая сталь затем прокатывается в конечные профили, используемые для каркаса. Листы покрываются цинком (оцинковываются) для повышения защиты от окисления и коррозии. Стальной каркас обеспечивает отличную гибкость проектирования благодаря высокому отношению прочности к весу стали, что позволяет перекрывать большие пролеты и противостоять ветровым и сейсмическим нагрузкам. Стены со стальным каркасом могут быть спроектированы для обеспечения отличных тепловых и акустических характеристик. Важным аспектом при строительстве с использованием холодногнутой стали является возможность образования тепловых мостов через систему стен между внешней средой и внутренним отапливаемым пространством. От тепловых мостов можно защититься, установив слой внешней теплоизоляции вдоль стального каркаса, обычно называемый «теплоразрывом». Расстояние между стойками обычно составляет 16 дюймов по центру для наружных и внутренних стен жилых домов, в зависимости от расчетных нагрузок. В офисных помещениях расстояние между стойками составляет по центру для всех стен, за исключением шахт лифтов и лестниц.

Cold formed steel frames are also known as lightweight steel framing (LSF). Thin sheets of galvanized steel can be cold formed into steel studs for use as a structural or non structural building material for both external and partition walls in both residential, commercial and industrial construction projects (pictured). The dimension of the room is established with a horizontal track that is anchored to the floor and ceiling to outline each room. The vertical studs are arranged in the tracks, usually spaced apart, and fastened at the top and bottom. The typical profiles used in residential construction are the C shape stud and the U shaped track, and a variety of other profiles. Framing members are generally produced in a thickness of 12 to 25 gauge. Heavy gauges, such as 12 and 14 gauge, are commonly used when axial loads (parallel to the length of the member) are high, such as in load bearing construction. Medium heavy gauges, such as 16 and 18 gauge, are commonly used when there are no axial loads but heavy lateral loads (perpendicular to the member) such as exterior wall studs that need to resist hurricane force wind loads along coasts. Light gauges, such as 25 gauge, are commonly used where there are no axial loads and very light lateral loads such as in interior construction where the members serve as framing for demising walls between rooms. The wall finish is anchored to the two flange sides of the stud, which varies from thick, and the width of web ranges from Rectangular sections are removed from the web to provide access for electrical wiring. Steel mills produce galvanized sheet steel, the base material for the manufacture of cold formed steel profiles. Sheet steel is then roll formed into the final profiles used for framing. The sheets are zinc coated (galvanized) to increase protection against oxidation and corrosion. Steel framing provides excellent design flexibility due to the high strength to weight ratio of steel, which allows it to span over long distances, and also resist wind and earthquake loads. Steel framed walls can be designed to offer excellent thermal and acoustic properties – one of the specific considerations when building using cold formed steel is that thermal bridging can occur across the wall system between the outside environment and interior conditioned space. Thermal bridging can be protected against by installing a layer of externally fixed insulation along the steel framing – typically referred to as a 'thermal break'. The spacing between studs is typically 16 inches on center for home exterior and interior walls depending on designed loading requirements. In office suites the spacing is on center for all walls except for elevator and staircase wells.

Стальные каркасы, горячеобразуемые

Горячеформованные рамы, также известные как горячекатаные стальные рамы, изготавливаются из стали, которая проходит сложный производственный процесс, известный как горячая прокатка. В ходе этой процедуры стальные элементы нагреваются до температур выше температуры рекристаллизации стали (1700˚F). Этот процесс служит для улучшения зернистой структуры стали и выравнивания ее кристаллической решетки. Затем сталь пропускается через прецизионные валки для получения необходимых профилей рам. Отличительной особенностью горячеформованных рам является их значительная толщина стенки и большие размеры, что делает их более прочными по сравнению с холоднокатаными рамами. Эта присущая прочность делает их особенно подходящими для применения в крупных конструкциях, поскольку они демонстрируют минимальную деформацию при воздействии значительных нагрузок. Хотя горячекатаные стальные элементы часто имеют более высокую первоначальную стоимость за единицу по сравнению с холоднокатаной сталью, их экономическая эффективность становится все более очевидной при использовании в строительстве крупных сооружений. Это связано с тем, что для горячекатаных стальных рам требуется меньше элементов для перекрытия эквивалентных пролетов, что обеспечивает экономические преимущества в масштабных проектах.

История

Использование стали вместо железа в конструкционных целях первоначально развивалось медленно. Первое здание с железным каркасом, Дитерингтонский флаконный завод, было построено в 1797 году, но лишь после разработки бессемеровского процесса в 1855 году производство стали стало достаточно эффективным, чтобы сталь стала широко используемым материалом. Дешевые стали с высокой прочностью на растяжение и сжатие и хорошей пластичностью стали доступны примерно с 1870 года, однако кованое и чугунное железо продолжали удовлетворять большую часть спроса на строительные изделия на основе железа, главным образом из-за проблем с производством стали из щелочных руд. Эти проблемы, вызванные в основном присутствием фосфора, были решены Сидни Гилкристом Томасом в 1879 году. Лишь в 1880 году началась эра строительства на основе надежной низкоуглеродистой стали. К этой дате качество производимой стали стало достаточно стабильным. Здание страховой компании Home Insurance, завершенное в 1885 году, стало первым, применившим конструкцию с несущим стальным каркасом, полностью устранив несущую функцию его каменной облицовки. В этом случае железные колонны лишь встроены в стены, и их несущая способность, по-видимому, вторична по отношению к несущей способности кладки, особенно при ветровых нагрузках. В Соединенных Штатах первым зданием со стальным каркасом стало здание Рэнда МакНэлли в Чикаго, возведенное в 1890 году. Королевское здание страхования в Ливерпуле, спроектированное Джеймсом Фрэнсисом Дойлом в 1895 году (возведено в 1896–1903 годах), стало первым в Великобритании, использовавшим стальной каркас.