Легкие тонкостенные стальные конструкции: Легкие Стальные Тонкостенные Конструкции (ЛСТК)

Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК)

Технология ЛСТК – это альтернативная каркасная методика строительства, разработанная для возведения малоэтажных зданий. Данный способ строительства из металла достаточно бурно развивался на протяжении нескольких десятилетий в Америке и странах Скандинавии, и вот сегодня мы перенимаем этот опыт у себя в стране. Основное преимущество технологии в том, что она удачно сочетает в себе несколько аспектов традиционного каркасного строительства и современных методов скоростного возведения домов с применением стальных конструкций, что позволяет возводить надежные здания за считанные недели без ущерба качеству.

Легкие стальные конструкции могут применяться не только в качестве дополнительных элементов строения, но и как основная самостоятельная конструкция. Также, технология позволяет внедрить в постройку здания из ЛСТК классические методы строительства, используя железобетонные конструкции.

Достоинства дома из ЛСТК

Безусловно, как и в любом другом методе строительства здесь присутствуют свои преимущества и характеристики. Стоит перечислить основные:

• Вес – сравнительно небольшой вес здания или частного строения на основе конструкции из ЛСТК снижает бюджет на подготовку и строительство фундамента. Также, низкий вес позволяет использовать металлические балки и прочие элементы в зданиях, которые подлежат реконструкции;
• Скорость – высокоточное и быстрое строительство по данной технологии стало возможно, благодаря использованию в методах проектирования зданий и конструкций машиностроительных расчетов. Такой подход обеспечивает высокое качество, и налаженный процесс стыковки каждого элемента за короткий промежуток времени. Темп строительства задается только лишь поставками материалов на объект, монтаж выполняется очень быстро и не дорого;
• Всесезонность – ввиду того, что конструкции из ЛСТК основываются на «сухом» строительстве, монтажные работы можно проводить круглый год, не теряя на качестве и скорости работ;
• Надежность – физические характеристики металла изучены давно и, можно с уверенностью сказать, что именно металл позволяет выполнить конструкцию любого типа и объема, которая будет отвечать современным меркам надежности и долговечности. Эта технология создает эластичные и безопасные конструкции, поэтому ЛСТК рекомендуют в строительстве жилых и коммерческих зданий там, где высокий порог сейсмической активности;
• Экологичность – продуманная технология строительства из легких стальных конструкций обеспечивает минимум отходов при производстве и оптимальную чистоту работ на объекте. Кроме того, сталь не выделяет вредных веществ в окружающую среду. В состав металла, входят материалы, подлежащие 100% переработке;
• Энергосбережение – эффективное использование энергоресурсов в производстве ЛСТК снижают расходы на их изготовление, а уникальный метод стыковки каждой детали в общую конструкцию сводит к минимуму использование дополнительных крепежных материалов, метизов и сварки.

Технические характеристики ЛСТК

В качестве сырья для изготовления тонкостенного профиля используется низколегированная сталь, толщиной в среднем 2 мм. Вес 1 кв/м каркасной конструкции не превышает 25 кг, при этом вес готового 1кв/м здания в среднем 150 кг.

Стеновая система ЛСТК — это каркасный блок из нескольких несущих профилей и теплоизоляционного материала. После монтажа профиля он может обшиваться любыми современными материалами:

• Внутри здания – листы гипсокартона, OSB плиты, пластиковые панели и пр.
• Наружная отделка – профлисты, сэндвич-панели, плиты «Минерит», сайдинг и пр.

Для перекрытий используется тонкостенный профиль «Z» образного типа, с толщиной металла 3-4 мм. Поверх профиля укладывается стальной настил, который выравнивает поверхность и может служить в качестве подкладки для гипсоволоконных плит или досок. Максимально допустимый пролет для профиля на перекрытии достигает 8 метров. Кровля и конструкции ферм может возводиться свободными пролетами до 20 м.

Сборочные работы выполняются непосредственно на стройплощадке. Каждый профиль приходит с соответствующей маркировкой. Согласно детальному чертежу, монтажные работы могут выполнять 2-3 человека без привлечения сложной техники. В результате, каркас здания площадью около 200 кв/м может быть собран в свободных пролетах за 3-4 недели. В момент сборки конструкции, выполняться работы по прокладке коммуникаций внутри профиля, что также экономит внутреннее пространство помещения.

Огнестойкость легких стальных тонкостенных конструкций достигает параметров вермикулитовых плит, что показывает возможность конструкции выдерживать высокие температуры при открытом воздействии огня на протяжении 100-120 минут. Профиль не подвержен биологическим процессам и разложению, срок эксплуатации конструкции может достигать 100 лет при надлежащем уходе и защите от влажных и температурных процессов окружающей среды.

Применение легких стальных тонкостенных конструкций

Универсальность технологии с легкостью реализует любые варианты строительства: стен, перекрытий, перегородок, кровли. Технология ЛСТК может дополняться любыми известными на сегодняшний день утеплителями и звукоизоляционными материалами.

Основная область применения ЛСТК в жилом, малоэтажном строительстве (коттеджи, дачные домики, частные дома). Также, технология отлично себя зарекомендовала в строительстве быстровозводимых зданий коммерческого типа, к примеру, гостиницы, торговые комплексы, производственные помещения, административные здания и пр.

ЛСТК – лёгкие стальные тонкостенные конструкции: где и как используются

Современные тенденции строительства часто требуют не только высокого качества и надёжности конструкций, но и быстрых, а иногда и сверхбыстрых темпов их возведения. Поэтому в последнее время большим спросом пользуются лёгкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) для быстровозводимых зданий. Технология на основе ЛСТК позволяет одновременно сократить затраты на строительство и добиться достойного, современного и долговечного результата. Профиль ЛСТК полностью отвечает этим требованиям: он имеет аккуратный вид и устойчив к внешним воздействиям.

 

Что за ЛСТК?

ЛСТК – это технология проектирования и строительства на основе стального каркаса с использованием термопрофилей и профилей общего назначения. Она используется как при строительстве несущих конструкций, так и при строительстве межкомнатных и межэтажных перекрытий.

Технология ЛСТК была разработана в 50-х годах XX в. в Канаде. Основной причиной появления данной технологии явилась необходимость в возведении большого количества малоэтажных домов для среднего класса, соответствующих климатическим условиям страны. Технология довольно быстро приобрела характер массового применения, уменьшив (а в пригородах и городах и вовсе исключив) использование каркасов из дерева, из-за их высокой стоимости, подверженности гниению и воздействию насекомых-вредителей. Но основным фактором для развития ЛСТК всё же стала возможность промышленного, массового производства стальных профилей и доступность материала. На современном этапе развития данная технология приобретает всё большее распространение в мире из-за низкой стоимости дома из ЛСТК и его прочности.

Лeгкие стальные тонкостенные конструкции состоят из оцинкованных профилей и термопрофилей: направляющих, стоечных и перемычек. Крепление ЛСТК может быть осуществлено с помощью резьбовых соединений, закладной или штамповочной клёпки, болтов и гвоздей.

Поистине революционная технология – технология ЛСТК – позволяет быстро, эффективно и экономично возводить здания самого различного назначения: частные дома до 3 этажей, а также многоэтажные здания с применением различных типов каркаса. Использование этой технологии позволяет строить абсолютно разные по своему функциональному назначению объекты: это может быть жилой многоквартирный дом, частный особняк, офисно-складское здание, торговый центр или автосалон.

Также ЛСТК используются:

— как ограждающие конструкции в многоэтажном строительстве;

— как межэтажные и чердачные перекрытия;

— при строительстве и реконструкции мансард.

 

Системный подход

При строительстве и реконструкции по технологии ЛСТК используются стеновая и кровельная системы и система перекрытий.

В стеновую систему входят, во-первых, несущие стены – металлический каркас из профилей и термопрофилей (толщиной 1,5-2,0 мм) и эффективная теплоизоляция (сухие или жидкие утеплители). С внешней стороны конструкции обшиваются прочным листовым материалом (цементно-стружечная плита, ОСБ-фанера или просто профлист), а внутренние поверхности, в свою очередь, гипсоволокнистыми листами, что позволяет добиться готового основания для дальнейшей отделки стен.

В качестве фасадной отделки могут быть использованы кирпич, камень, деревянный брус, профлист, кассеты, сайдинг и другие современные материалы. Во-вторых, в систему входят внутренние несущие стены и перегородки. Высота стен может достигать 8 метров, а толщина варьироваться от 150 до 300 мм.

Система перекрытий также состоит из несущих конструкций меж-этажного перекрытия, изготовленных из стальных C- или П-образных профилей толщиной 0,8-2мм, которые устанавливаются с шагом 600мм. Перекрытия с С-образными балками охватывают пролёт до 8-ми метров. Поверх балок укладывается профилированный стальной настил, служащий основанием под полы из гипсоволокнистых листов. Потолок также устраивается из гипсокартонных листов, прикреплённых к нижнему поясу балок через обрешетку.

Кровельная система – это несущие стропильные и ферменные конструкции из стальных оцинкованных профилей. Свободные пролёты могут составлять до 20 метров.

Вначале полностью ваш будущий дом проектируется при помощи компьютера, а автоматическое формирование производственных файлов для изготовления конечных конструкций полностью исключает человеческий фактор в момент изготовления элементов металлокаркаса ЛСТК.

Благодаря лёгкости каждого элемента, а также точности размеров, маркировке и продуманным чертежам, сборка каркаса на строительной площадке напоминает сборку конструктора больших размеров. Бригада из 3-4-х человек может собрать полностью каркас дома площадью 150-200 кв.м за 2-3 недели. Для сборки всех элементов здания понадобится только электродрель или шуруповёрт.

 

Хотели как лучше…

В России пока технология, к сожалению, не очень распространена из-за недостатков законодательства, косности рынка и консервативного мышления потребителей и продавцов. Но несмотря на то, что многие предприниматели, строители и чиновники держатся за старые технологии в области строительства, опасаясь доверять инновациям, практика показывает, что использование новых материалов и технологий, таких как ЛСТК и многих других, довольно быстро окупается. Значит, и эта технология скоро найдёт свою нишу на строительном рынке.

Благодарим за помощь в подготовке материала

Сергея Коканова, генерального директора ООО СК «Фрактал»

Что такое легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК)?

Содержание 

ЛСТК профиль — виды и особенности

Профиль ЛТСК представляет собой тонкостенную конструкцию, которая производится из высокопрочной стали. Сталь обрабатывается для длительного срока службы специальным составом от коррозии, благодаря такой обработке профиль можно использовать в областях с различными погодными условиями.

Наиболее распространенные виды ЛСТК профиля – Z, С, П – образные.  

Помимо тонкостенных профилей есть соединительные элементы, различные обрешетки, балки, направляющие профили.

Вся продукция  изготавливается из высококачественной горячеоцинкованной стали марки 350 с толщиной цинкового покрытия 20 микрон. Такое техническое решение гарантирует оптимальную прочность при максимально возможном сроке эксплуатации, а применение стали толщиной до 2 мм дает большие конструктивные возможности.

Исходное сырье соответствует ГОСТ Р 52246—2004.

Толщина используемого металла 0.5; 0.8; 1.0; 1.2; 1.5 и 2.0 мм

Профиль ЛСТК представляет собой горизонтально или вертикально ориентированные балки/стойки.

Основой ЛСТК является каркас из оцинкованного профиля либо термопрофиля.

Профиль / термопрофиль бывает 2 видов – стоечный и направляющий.

Для соединения профилей в каркасы конструкций стандартно применяются болты и самонарезающие винты.

В зависимости от технических параметров изготавливаются:

Варианты профилей/термопрофилей ЛСТК

Профиль ЛСТК направляющий

Представляет собой П-образную горизонтальную балку, которая используется в качестве связующего элемента для стоечных профилей в каркасных конструкциях.

Сфера применения:

• направляющие в панелях наружных и внутренних стен,
• вспомогательный элемент в балках перекрытия,
• устройство узлов в рамных конструкциях,
• подоконные перемычки,
• усиления в стеновых прогонах,
• накладки на С-профиль

Профиль ЛСТК стоечный

Представляет собой C-образную вертикальную балку – «стойку». С-профиль -Профиль Повышенной Жесткости .

Профиль используется в качестве несущих элементов в каркасах различных конструкций.  

Стоечный профиль несет основную вертикальную и продольную нагрузку, следовательно, требования к его несущей способности максимальны.

Сфера применения:

• стойки в панелях наружных и внутренних стен,
• колонны,
• балки перекрытия,
• стропила,
• пояса и раскосы ферм перекрытия и стропильных ферм,
• стеновые прогоны,
• сборные усиленные кровельные прогоны

Термопрофиль 

Отличительная особенность термопрофиля – сквозная перфорация по всей длине стальной полосы. Отверстия располагаются в несколько рядов с равномерным смещением по длине профиля.

Их наличие обеспечивает существенное улучшение теплосберегающих свойств сооружаемого из профиля каркаса и всей конструкции ЛСТК в общем.

Наличие перфорации в профиле обеспечивает возможность свободного движения воздуха по всех длине возводимой конструкции, без образования т.н. «мостиков холода».

Термопрофиль классифицируется как энергосберегающий строительный материал.

Термопрофиль — балка из металлического профиля со сквозными продольными канавками, прорезанными в шахматном порядке.

Различают следующие типы термопрофилей:

• направляющий термопрофиль с перфорацией — используется для устройства горизонтально расположенных элементов металлокаркаса;
• стоечный термопрофиль с перфорацией — применяется для обустройства вертикально расположенных элементов металлического каркаса (стоек, стропил, колонн и перекрытий).

Термопрофиль ЛСТК направляющий

Направляющий термопрофиль П-образного сечения с перфорацией — используется для устройства горизонтально расположенных элементов металлокаркаса;

Сфера применения:

• направляющий
• применяется как несущий каркас для:
• перегородок, стен и междуэтажных перекрытий;
• опорных конструкций ангаров и скатных крыш;
• малоэтажных зданий;
• элементов многоэтажных объектов.
• используют для возведения внешнего каркаса построек,
• при монтаже кровли,
• в качестве основы для перекрытий и перегородок.

Термопрофиль ЛСТК стоечный

Стоечный термопрофиль С-образного сечения с перфорацией — применяется для обустройства вертикально расположенных элементов металлического каркаса (стоек, стропил, колонн и перекрытий).

Сфера применения:

• используется в качестве вертикальных стоек при монтаже несущих стен,
• при возведении внутренних перегородок,
• для строительства межэтажных и кровельных перекрытий,
• устройство мансард.

Следует подчеркнуть особые требования к прочности этих элементов, так как они являются основой каркаса и несут на себе всю основную нагрузку.

Шляпный профиль 

металлический профиль П-образной характерной формы,  служит прекрасной альтернативой при устройстве кровли или фасада здания.

Выполняет роль обрешетки или контробрешетки кровли, а так же является частью системы вентилируемого фасада. 

Универсальность шляпного профиля дает возможность широко применять его при монтаже любых строительных конструкций, в первую очередь – для обрешетки кровель, обрешетки вентилируемых фасадов, внутренней отделки помещений.

Обрешетка с использованием стального шляпного профиля имеет целый ряд преимуществ перед классической деревянной:

• точность линейных размеров;
• высокое противостояние коррозии и гниению;
• малая масса при высокой прочности;
• возможность увеличить пролет между стропильными конструкциями;
• долговечность;
• быстрый практически безотходный монтаж;
• использование шляпного профиля обеспечивает пожаробезопасность кровли.

Шляпный профиль может использоваться как кровельная обрешетка под самый разный кровельный материал (натуральную черепицу, металлочерепицу, профнастили пр.).

Сфера применения:

• обрешетка на скатных кровлях,
• контробрешетка,
• обрешетка в стеновых конструкциях,
• столбы и прогоны в заборных секциях

Здание, построенное по технологии ЛСТК, состоит из

• стеновой системы;
• системы перекрытий;
• кровельной системы.

Пример монтажа ЛСТК

Наружные несущие стены имеют каркас из стального оцинкованного профиля, обшиваются сайдингом. В качестве утеплителя используются базальтовая минеральная вата или пенобетонные блоки.

Внутренние стены выполнены на основе каркаса из такого же стального профиля, что и внешние несущие стены.

Перегородки делаются из стального термопрофиля чуть меньшей толщины, обшиваются цементно-стружечными плитами и утепляются базальтовой минеральной ватой или пенобетонными блоками.

Половые перекрытия выполняются из мощного стального оцинкованного металла, утепляются опять-таки минватой на основе базальта или пенобетонными блоками и обшиваются влагостойкой фанерой.

Кровля ЛСТК имеет каркас из такого же мощного термопрофиля, что и половые перекрытия, утепляется базальтовой минватой с ветроизоляцией и обшивается мягкой битумной черепицей.

Стеновая система

Это металлический каркас, эффективная теплоизоляция из минеральной ваты, ветрозащита и пароизоляция специальными пленками.

С внутренней и внешней стороны конструкции обшиты листовыми материалами.

В качестве фасадной отделки могут быть использованы кирпич, камень, деревянный брус, профлист, сайдинг, вентилируемый фасад и другие современные материалы.

В систему входят также внутренние несущие стены и перегородки. Толщина стен варьируется от 100 до 250мм.

Ограждающая стена ЛСТК (облицовка кирпичом)

Система перекрытий

Состоит из несущих конструкций перекрытия пола и междуэтажного перекрытия, изготовленных из стальных оцинкованных профилей, которые устанавливаются с шагом 300мм или 600мм. Толщина перекрытия состовляет 200мм.

Поверх балок укладывается слой влагостойкой плиты OSB-3 15мм или 30мм.

Потолок устраивается из гипсокартонных листов, прикрепленных к нижнему поясу балок.

Внутрь конструкции закладывается теплоизоляция из минеральной ваты, ветрозащитная и пароизоляционная пленка.

Межэтажное перекрытие ЛСТК или пол первого этажа (бетонная стяжка)

Кровельная система

Это несущие стропильные и ферменные конструкции из стальных оцинкованных профилей шириной 200мм.

Кровельная система мансардного типа также обшивается листовыми материалами, утепляется и ветро-пароизолируется.

При строительстве по технологии ЛСТК возможно применение различных вариантов кровельных покрытий: ондулин, металлочерепица, гибкая черепица и т.д.

Утепленная мансарда

Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК)

Технология ЛСТК является альтернативной каркасной методикой строительства, которая специально разработана для строительства малоэтажных зданий. На протяжении нескольких десятков лет строительство из металла активно развивается на территории США и Скандинавии. Главным преимуществом данной технологии является то, что превосходно сочетает в себе некоторые аспекты обычного каркасного строительства и современных методов быстрого строительства домов с использованием конструкций из стали, что дает возможность строить прочные сооружения за очень короткое время без ущерба качеству.

Легкие металлические конструкции используют не только как дополнительные элементы строения, но и как самостоятельные конструкции. Еще технология дает возможность внедрять в постройку сооружения из ЛСТК типовые методы строительства, применяя ЖБИ конструкции.

Преимущества дома из ЛСТК

Естественно, как и в любом другом строительном методе тут имеются свои достоинства и особые характеристики. Следует назвать основные:

• Масса. Относительно небольшая масса сооружения на основе конструкции из ЛСТК позволяет снизить затраты на подготовительный этап и возведение фундамента. Также низкая масса дает возможность стальные балки и прочные элементы в сооружениях, которые подлежат реконструированию;
• Скорость. Высокая точность и быстрота строительства по данной технологии стало возможным благодаря применению в методах проектирования сооружений и конструкций машиностроительных расчетов. Этот подход обеспечивает превосходное качество, и налаженный процесс стыковки всех элементов за небольшое количество времени. Темп строительства задается лишь поставками материала на строительный объект, монтажные работы осуществляются быстро и не дорого;
• Всесезонность. Ввиду того, что конструкции из ЛСТК базируются на “сухом” строительстве, монтаж можно осуществлять в независимости от сезона, при этом, не теряя уровень качества сооружения;
• Прочность. Физические характеристики металлов давно изучены и можно уверенно утверждать, что именно металл дает возможность возводить конструкцию любого типа и объема, которая будет соответствовать современным параметрам надежности и долговечности. Данная технология позволяет создавать эластичные и безопасные сооружения, поэтому ЛСТК рекомендуют использовать в строительстве домов в сейсмоактивных зонах.
• Экологичность. Данная технология строительства их легких стальных конструкций обеспечит минимальное количество отходов в производстве и оптимальную чистоту работ на строительном объекте. Помимо этого, материал не выделяет опасных или вредных веществ в окружающую среду. В состав металла, входит материалы, подлежащие 100% переработке;
• Энергосбережение. Эффективное применение энергоресурсов в производстве ЛСТК понижают расходы на изготовление, а уникальный метод стыковки деталей сводит к минимуму применение вспомогательных крепежных материалов, метизов и сварки.

Технические характеристики ЛСТК

В качестве сырья для производства тонкостенного профиля применяется низколегированная сталь, толщиной примерно 2 мм. Масса 1 м2 каркасной конструкции не более 25 кг, при этом масса готового 1 м2 сооружения приблизительно составляет 150 кг.

Стеновая система ЛСТК является каркасным блоком, который состоит из нескольких несущих профилей и термоизоляционного материала. После того как был осуществлен монтаж профиля он может обшиваться различными материалами:

• Внутри здания – гипсокартон, OSB плиты, панели и др.
• Снаружи здания – профлисты, эендвич-панели, плиты “Минерит”, сайдинг и др.

Для перекрытий применяется тонкостенный профиль Z-образного типа, толщиной металла 3-4 мм. Поверх профиля монтируется стальной настил, который разравнивает поверхность и служит в качестве подкладки для гипсокартона либо доски. Максимально разрешенный пролет для профиля на перекрытии может составлять 8 метров. Кровля и сооружения ферм такое расстояние может достигать 20 метров.

Сборочные работы осуществляются непосредственно на строительной площадке. Все профиля проходят в соответствии с маркировкой. Опираясь на детальный чертеж, монтажные работы могут осуществлять бригада из 2-3 человек, не привлекая тяжелую технику. Таким образом, каркас сооружения с площадью примерно 200 м2 может быть возведен в свободных пролетах за 3-4 недели. Параллельно сборке конструкции, может осуществляться прокладка коммуникаций внутри профиля, что позволяет сэкономить внутренне пространство.

Огнеупорность данных конструкций можно сравнить с вермикулитовыми плитами, что дает возможность выдерживать значительные температуры при открытом воздействии пламя в течении 100-120 минут. Данный профиль не разлагается, тем самым эксплуатационный срок может достигать 100 лет при определенном уходе и защите от воздействия влаги и температурных процессов окружающей среды.

Использование ЛСТК

Универсальность технологии позволяет легко реализовывать различные варианты строительства: стены, перекрытия, перегородки, кровля. Технология может дополняться различными известными на сегодняшний день утеплителями и звукоизоляционными материалами.

Основная область использования ЛСТК в жилом, малоэтажном строительстве (коттеджи, дома, садовые домики). Следует отметить, что данная технология превосходно зарекомендовала себя в строительстве быстровозводимых сооружений коммерческого типа (гостиницы, торговые комплексы, производственные здания, административные и многое другое).

Легкие, тонкостенные… и очень перспективные

За последние 10–12 лет в России сформировалось новое направление строительной индустрии – производство и внедрение легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) из холодногнутых профилей в промышленном и гражданском строительстве. Материал профилей – рулонная оцинкованная сталь толщиной от 0,6 до 4,0 мм с пределом текучести от 250 до 350 МПа. Основная область применения ЛСТК – быстровозводимые несущие и ограждающие конструкции зданий и сооружений различного назначения.

ЛСТК в производственных и сельскохозяйственных зданиях

В качестве традиционной схемы для каркасов этих зданий принята система из портальных параллельно расположенных рам, прогонов покрытия, ригелей стен, фахверка и связей, изготовленных из гнутых профилей С-образного, швеллерного, сигмаобразного или зетобразного сечения.

Рамы пролетом не более 18 м выполняются, как правило, сплошностенчатыми, в которых ригели и колонны выполняют из спаренных гнутых профилей С-образного или сигмаобразного сечения, обращенных друг к другу стенками, образуя двутавровые сечения, и соединяемых между собой болтами через планки.

Рамы из спаренных гнутых профилей. Фото: ЗАО ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова

Рамы пролетом более 18 м рекомендуется выполнять решетчатыми с двускатным ригелем постоянной высоты и колоннами переменного сечения по высоте здания.

Для рам пролетом 18 – 24 м предлагается использовать промежуточное конструктивное решение со сплошностенчатым ригелем и решетчатыми колоннами. Этот вариант назван «рамой Москалева» (в честь замечательного инженера и ученого Н.С. Москалева, предложившего этот вариант рамы). Такое решение позволяет уменьшить расчетный пролет ригеля, повысить долю опорного момента ригеля и снизить момент в его пролетной части. Этот подход открывает большие возможности не только для снижения массы ригеля и высоты его сечения, но и позволяет увеличить пролет рамы при меньшей трудоемкости ее изготовления. Высота рам независимо от их конструкции принимается обычно не более 7,2 м.

Рамная конструкция может быть образована с использованием однопролетных балочных ферм пролетом до 36 м с параллельными поясами, трапециевидного или треугольного очертания, установленными на стальные колонны каркаса, раскрепленные вертикальными связями. Фермы изготавливаются из гнутых профилей высотой до 350 мм из оцинкованной стали толщиной не более 3 мм.

В зданиях со слабо- и среднеагрессивной средой стальной каркас рекомендуется располагать за пределами помещения с агрессивной средой. Стальные конструкции каркаса отделяются от агрессивной среды помещения подвесным потолком и стеновым ограждением, прикрепленным к внутренним граням металлоконструкций. Ригели покрытия размещаются между подвесным потолком и кровлей в полости, которая может активно вентилироваться через проемы по торцам здания.

Бескаркасные арочные здания из ЛСТК

В последнее время уникальная технология изготовления и монтажа бескаркасных арочных покрытий нашла широкое применение в России и странах СНГ.

Арочное покрытие спортивного зала в Ростовской области. Фото: ЗАО ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова

Разработана она была в США.

Этот вид покрытий относится к легким стальным тонкостенным конструкциям (ЛСТК), которые по своей работе при статических и динамических нагрузках существенно отличаются от традиционных.

Бескаркасные арочные покрытия из холодногнутых тонкостенных стальных профилей изготавливаются из рулонной стали непосредственно на строительной площадке при помощи мобильного оборудования.

В России и странах СНГ используют два типа профилей: П-110 и П-180 высотой 110 и 180 мм, применяемых для покрытий пролетом до 24 и 32 м соответственно.

Применение трехслойных покрытий позволяет не только производить их утепление, располагая утеплитель между верхним и нижним слоями арочных профилей, но и увеличить пролет здания, включая в работу оба свода.

Быстровозводимые здания типа Honko из ЛСТК

В нашей стране широко осваивается новая система ЛСТК для быстровозводимых зданий типа Ноnkо, заимствованная из Канады. Система включает гофрированные листы из оцинкованной стали толщиной около 2 мм, образующие покрытие и бескаркасные стены. Примечательно то, что на стенках гофров высотой около 170 мм выполнены мелкие продольно расположенные гофры, повышающие жесткость профилированных листов.

Складское здание пролетом 70 м на Новолипецком МК. Фото: ЗАО ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова

Покрытие здания пролетом до 90 м образует конструкция с дугообразным верхним и горизонтальным нижним поясами из гофрированных листов. Верхний и нижний пояса покрытия соединяет перекрестная решетка из гнутых уголков. Все пространственные соединения в конструкции выполнены на болтах. Между поясами образован неотапливаемый чердак, по торцам которого расположены проемы, позволяющие его проветривать. Благодаря этому пожарная безопасность здания значительно повышается, тем более что утеплитель располагается на внутренней поверхности стен и покрытия. В настоящее время проводятся дополнительные натурные испытания конструкции с целью проверки ее местной и общей устойчивости при расчетных нагрузках, а также несущей способности.

ЛСТК в индивидуальном и малоэтажном строительстве

В России объем применения ЛСТК в малоэтажном жилищном строительстве с каждым годом увеличивается на 10–12 %, хотя составляет не более 5 % от общего объема вводимых площадей жилья.

Каркас зданий высотой до трех этажей собирается из гнутых оцинкованных профилей толщиной от 0,7 до 1,5 мм с помощью самонарезающих винтов, как правило (сварка применяется редко, т. к. требует защиты от коррозии). В зданиях с каркасом из ЛСТК обычно используется негорючий утеплитель в виде плит на базальтовой основе или эковата. Наружная облицовка выполняется из кирпича, сайдинга или водостойких панелей, внутренняя облицовка – из гипсокартона.

Достаточно перспективна технология строительства домов из блоков полной заводской готовности с каркасом из ЛСТК. Такие блоки размерами 3×12 м конкурентоспособны по стоимости с деревянными блоками, которые могут быть пожароопасными и подверженными гниению. Например, в Швеции распространена технология строительства жилых домов до 6-ти этажей с колоннами из стальных прокатных труб, на которые навешиваются блоки с каркасом из ЛСТК. Для России такая конструкция представляется также перспективной.

Здания с каркасом ЛСТК отвечают требованиям, предъявляемым к доступному и комфортабельному жилью, просты по конструктивным решениям и долговечны. Примеры тому – индивидуальные и многоквартирные дома с каркасом из ЛСТК, построенные за 2–3 месяца в Московской области, Архангельске, Липецке, Йошкар-Оле, Ленинградской, Ростовской и других областях, а также в Сибири. Они свидетельствуют о надежности и экономичности применения ЛСТК в этой области строительства.

Трехэтажное здание в г. Йошкар-Ола. Фото: ЗАО ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова

(Окончание материала см. в следующем номере журнала)

Эдуард АЙРУМЯН, Николай КАМЕНЩИКОВ, Максим ЛИПЛЕНКО
ЗАО ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова

Легкие стальные конструкции.

Легкие тонкостенные стальные конструкции.
Технология строительства на основе легких стальных тонкостенных конструкций ЛСТК — это каркасная технология, позволяющая возводить дома в короткие сроки. Суть этой технологии заключается в использовании панелей из легких стальных оцинкованных перфорированных и неперфорированных профилей, которые образуют металлический каркас здания. Эта альтернативная технология каркасного строительства с применением ЛСТК является плодом многолетнего тесного сотрудничества инженеров-конструкторов, архитекторов, производителей и подрядчиков.
Технология ЛСТК позволяет строить каркасные здания самого различного назначения: жилые дома и офисные помещения, одноэтажные частные коттеджи и дома до 3-х этажей, а также многоэтажные каркасные здания. Технология каркасного строительства на основе ЛСТК широко применяется также при реконструкции зданий, позволяет возводить мансарды, надстройки и пристройки. При строительстве и реконструкции используются стеновая система, система перекрытий и кровельная система.
Технология строительства с использованием легких стальных тонкостенных конструкций позволяет возводить дома по индивидуальным проектам. Архитекторы могут разработать проект, учитывая все пожелания заказчика.
Строительство с применением сборных металлокаркасов предполагает полную свободу внутреннего пространства помещений. Это достигается за счет способности конструкций перекрывать пролеты до 14 м без промежуточных опор по кровле и до 8 м — по межэтажным перекрытиям. Возможность размещать коммуникации внутри каркасных стен и перекрытий позволяют архитекторам и проектировщикам максимально использовать внутреннее пространство, создавать оригинальные планировки.
В домах, построенных с использованием ЛСТК, возможен любой тип отделки фасадов: кирпичом, вагонкой, брусом, профилированным листом, варианты с утепленным оштукатуренным фасадом, а также множество вариантов вентилируемых фасадов с применением стекла, камня и т. д.
Компания ООО «ПрофСтройГрупп» занимается разработкой и продвижением новой масштабной технологии, нацеленной на создание рынка доступного и массового жилья в России. Это высокоэффективная современная технология строительства зданий с использованием термопрофилей из тонколистовой оцинкованной стали.

Легкие стальные тонкостенные каркасы

Главная \ Легкие Стальные Тонкостенные Конструкции

Технология строительства на основе легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) — это каркасная технология, позволяющая возводить дома в короткие сроки.

Суть этой технологии заключается в использовании панелей из легких стальных оцинкованных перфорированных и неперфорированных профилей, которые образуют металлический каркас здания. Эта альтернативная технология каркасного строительства с применением ЛСТК является плодом многолетнего тесного сотрудничества инженеров-конструкторов, архитекторов, производителей и подрядчиков.

Преимущества технологии строительства на основе ЛСТК:

Применение технологии ЛСТК:

Основные элементы

 Наш партнер:

Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) | Строительство и инфраструктура

Технология LSTC — это альтернативный метод каркасного строительства, предназначенный для строительства малоэтажных домов. Этот метод строительства из металла довольно быстро развивался за несколько десятилетий в Америке и Скандинавии, и сегодня мы перенимаем этот опыт в своей стране. Основным преимуществом этой технологии является то, что она удачно сочетает в себе несколько аспектов традиционного каркасного строительства и современные методы скоростного строительства зданий со стальными конструкциями, позволяя возводить прочные здания за несколько недель без ущерба для качества.

Легкие металлоконструкции можно использовать не только как дополнительные элементы конструкции, но и как основную самостоятельную конструкцию. Также технология позволяет внедрить при строительстве здания ЛСТК классические методы строительства с использованием железобетонных конструкций.

Преимущества домов из LSTC

Конечно, как и в любом другом методе строительства, здесь есть свои преимущества и особенности. Следует перечислить основные:

• вес — относительно небольшой вес здания или сооружения на базе частного строительства ЛСТК сокращает бюджет на подготовку и возведение фундамента.Также небольшой вес позволяет использовать металлические балки и другие элементы в реконструируемых зданиях;
• скорость — точность и быстрое строительство этой технологии стало возможным благодаря использованию в методах проектирования зданий и строительных расчетов. Такой подход обеспечивает качественный и оптимизированный процесс соединения каждого элемента за короткий промежуток времени. Темпы строительства даны только на подачу материалов к объекту, монтаж очень быстрый и недорогой;
• Multigrade — потому что проектирование ЛСТК на основе «сухих» строительно-монтажных работ можно вести круглый год без потери качества и скорости работы;
• Надежность — физические характеристики металла изучаются давно и можно с уверенностью сказать, что он позволяет из металла выполнять конструкцию любого типа и размера, которая будет соответствовать сегодняшним стандартам надежности и долговечности.Эта технология создает гибкую и безопасную конструкцию, поэтому LSTC рекомендуется при строительстве жилых и коммерческих зданий, где высокий порог сейсмической активности;
• Sustainability — продуманная технология строительства легкой стальной конструкции обеспечивает минимум отходов при производстве и оптимальную чистоту работ по проекту. Кроме того, сталь не выделяет вредных веществ в окружающую среду. В состав металла входят материалы, подлежащие 100% вторичной переработке;
• Energy Saving — эффективное использование энергии при производстве LSTC снижает затраты на их производство, так как уникальный метод соединения каждой детали в общей конструкции сводит к минимуму использование дополнительных крепежных материалов, фурнитуры и сварки.

Технические характеристики LSTC

В качестве сырья для изготовления используется тонкостенный профиль из низколегированной стали, средней толщиной 2 мм. Вес 1кв / м каркасной конструкции не превышает 25 кг, а вес готового 1кв / м здания в среднем составляет 150 кг.

Стеновая система LSTC — Это каркасный блок из нескольких несущих профилей и изоляционного материала. После монтажа профиль его можно обшить любыми современными материалами:

.

• Внутри — листы гипсокартона, плиты OSB, пластиковые панели и пр.
• Наружная отделка — стальной лист, сэндвич-панели, плиты «Майнер», сайдинг и прочее.

Для полов используют тонкостенный профиль «Z» -образного типа, с толщиной металла 3-4 мм. Поверх уложенного стального настила профиль, который выравнивает поверхность и может служить основой для гипсоволокнистых плит или досок. Максимально допустимый пролет профиля на потолке достигает 8 метров. Можно возводить крышу и стропильную конструкцию со свободными пролетами до 20 м.

Монтажные работы производятся прямо на месте. Каждый профиль имеет этикетку. Согласно детальному чертежу, монтажные работы могут выполнять 2-3 человека без привлечения сложной техники. В результате каркас здания площадью около 200 кв / м можно собрать в свободном полете за 3-4 недели. На момент монтажа конструкции выполняются работы по устройству коммуникаций внутри профиля, что также сохраняет интерьер помещения.

Огнестойкость легких стальных тонкостенных конструкций достигает параметров вермикулитовых плит, что свидетельствует о возможности конструкции выдерживать высокие температуры при воздействии открытого пламени в течение 100-120 минут.Профиль не подвержен биологическим процессам и разложению, срок службы конструкции до 100 лет при правильном уходе и защите от сырости и температурных процессов окружающей среды.

Применение легких стальных тонкостенных конструкций

Универсальность технологии позволяет легко реализовать любые варианты строительства: стены, полы, стены, кровли. Технология LSTC может быть дополнена любыми известными на сегодняшний день изоляционными и звукоизоляционными материалами.

Основное применение LSTC в жилых, малоэтажных домах (домах, коттеджах, частных домах). Также технология хорошо зарекомендовала себя при строительстве быстровозводимых зданий для торговли, например, гостиниц, торговых центров, производственных помещений, офисных зданий и так далее.

Направления исследований — Группа тонкостенных конструкций

Группа «Тонкостенные конструкции» и профессор Шафер работают над этими широкими категориями исследований:

Землетрясение

Строительное проектирование — обширная область, в которой работает группа. Наши усилия в основном сосредоточены на строительных конструкциях, но группа работала над мостами, башнями, стеллажами, автомобилями и множеством других структурных систем. Профессор Шафер является членом Американского общества инженеров-строителей — Института структурной инженерии.

Структурная устойчивость — это учет потери устойчивости и геометрической нелинейности в характеристиках конструкций — наша группа вносит большой вклад в эту область, а профессор Шафер в прошлом председатель Совета по исследованиям структурной устойчивости.

Структурная надежность — это учет неопределенности при проектировании структурных систем. Наша группа работала в этой области, прежде всего, в отношении холодногнутого стального каркаса и надежности системы, в таких работах, как эта. Признавая необходимость надежной статистической характеристики входных данных, мы выполнили фундаментальную работу над дефектами и остаточными напряжениями в холодногнутых стальных элементах, чтобы лучше информировать стохастические модели и исследования надежности.

Тонкостенные конструкции — это класс конструкций, в которых стабильность и геометрическая нелинейность компонентов, образующих секцию, обычно определяют отклик.Группа широко работает в этой области, и профессор Шафер в прошлом был редактором журнала Thin-walled Structures в Северной Америке. Команда работала над тонкостенными конструкциями из пластика, алюминия, холодногнутой стали, горячекатаной стали, нержавеющей стали, дерева, кости и многого другого.

Холодногнутые стальные конструкции состоят из легких стальных элементов, формующихся при комнатной температуре из рулонной стали толщиной 1-3 мм, и используются в зданиях, стеллажах, металлических строительных системах, опорных конструкциях и т. Д.Группа является автором значительной части руководящего стандарта США для холодногнутых стальных конструкций и разработала метод расчета на прямую прочность (см. Статьи один и два). Профессор Шафер является основателем и директором Исследовательского консорциума по холоднокатаной стали. В прошлом он возглавлял Инженерный институт холодногнутой стали и Комитет ASCE по холоднокатаной стали. Он является членом комитетов Американского института чугуна и стали, которые разрабатывают стандарты США для конструкции из холодногнутой стали.Он возглавляет комитет ASCE 8, который создает стандарт для элементов конструкций из нержавеющей стали, подвергнутых холодной штамповке.

Стальные конструкции состоят из более тяжелых катаных профилей, а листы широко используются в зданиях, мостах и ​​более широкой гражданской инфраструктуре. Профессор Шафер входит в комитет Американского института стальных конструкций, который разрабатывает стандарты США в отношении конструкции горячекатаной стали, и является заместителем председателя комитета по элементам конструкций из нержавеющей стали.

Экспериментальная механика лежит в основе исследования тонкостенных конструкций, и группа поддерживает испытательную лабораторию, которая проводила исследования холодногнутых стальных стен, узлов балки-стойки, балок-колонн, колонн, балок, узлов крепежа и испытания материалов. Мы разработали уникальный лазерный сканирующий стенд для определения характеристик геометрических дефектов и совершенно уникальный многоосевой испытательный стенд для испытаний всей стенки при множественных воздействиях (сжатие, сдвиг, изгиб вне плоскости).

Вычислительная механика , учитывающая геометрическую и материальную нелинейность, необходима для исследования тонкостенных конструкций. Наша группа наиболее известна своим вкладом в анализ упругой устойчивости поперечного сечения, а также применением метода конечных полос и развитием метода конечных полос со связями. См. CUFSM.

Biomechanics — результат совместных усилий нашей группы. Мы работали с радиологами, чтобы охарактеризовать роль тонкости кортикальной кости в переломе бедра, вызванным стабильностью, с инженерами-биомолекуляторами, чтобы выяснить роль стабильности актиновых филаментов в живых клетках, и с инженерами-механиками, чтобы разработать методы, позволяющие направлять тонкие иглы через ткань для операция.

Проектирование землетрясений имеет решающее значение для развития строительной инженерии, и наша группа много работала над улучшением сейсмического проектирования холодногнутых стальных конструкций. Мы провели первое полномасштабное испытание на вибростоле для холодногнутого стального каркаса здания, составили основную переработку спецификации AISI S400 и продолжаем активно работать над улучшением нашего понимания зданий как целостных систем, включая взаимодействие боковых и боковых сторон. системы силы тяжести, а также системы сопротивления вертикальной и горизонтальной поперечной силе.Группа участвует в проектировании, основанном на сейсмических характеристиках, и рассматривает сейсмическую инженерию как важную отправную точку для продвижения инженерных разработок в условиях многих опасностей и проектирования строительных систем в целом. См. CFS-NEES, SDII и другие.

Устойчивость / Устойчивые города — это обширные и все более важные области, в которых рассматривается способность системы (материала, здания, города) адаптироваться и восстанавливаться после потрясений и опасностей. Опыт нашей группы начинается на структурном уровне и связан с выбором систем для зданий и сооружений, более устойчивых к опасностям и повреждениям; однако наши интересы шире и включают сотрудничество с теми, кто интересуется (а) более широкой инфраструктурой, которая формирует физическую основу городов, и (б) социально-техническими взаимодействиями, обеспечивающими устойчивость на уровне сообществ.

Энергетические сооружения будущего состоят из инфраструктуры для поддержки альтернативных энергетических решений: опорные конструкции для солнечных батарей и башни ветряных турбин — два примера, в которых наша исследовательская группа имеет опыт и исследования. В обоих случаях критически важная несущая конструкция является тонкостенной, и опыт наших групп можно использовать для оптимизации и повышения эффективности этих важных структур. Группа интересуется другими структурами и идеями альтернативной энергии, включая солнечный дымоход.

Структурная история является важным аспектом образования в области строительной инженерии, и у профессора Шафера есть особые интересы в этой области. Он сотрудничал со Службой национальных парков над крытыми деревянными мостами и провел независимое исследование вклада Джона Велборна Рута в развитие стального каркаса небоскреба в Чикаго.

Структурное искусство — это средство критики нашей застроенной среды и посредством оценки социальной, научной и символической значимости определять великие произведения структурной инженерии.Профессор Шафер преподает структурное искусство в курсе «Перспективы эволюции структур». Идея о том, что полная оценка структурного успеха требует изучения по множеству критериев (например, социально-экономическим, научной эффективности и символической элегантности), впервые была представлена ​​профессору Шаферу, когда он был студентом Университета Айовы, и сформировало генезис всей жизни. давний интерес к структурной инженерии не только как к «структурному реагированию», но и к роли структур в устойчивости, устойчивости, смягчении последствий стихийных бедствий и множестве связанных областей.

Building Design — это процесс инженерного проектирования, направленный на создание безопасной окончательной формы с учетом крайней неопределенности и невозможности создания прототипов и испытаний в масштабе. Профессор Шафер проявляет глубокий интерес к этой области как педагог и инженер. Строительство зданий развивается вместе с ростом панельного и модульного строительства. Профессор Шафер очень заинтересован в применении тонкостенных структур, растущих из элемента (например, тонкостенный канал с выступом) в подсистему (например, тонкостенный канал).грамм. панель или модуль) до всей конструкции (например, боковая система из перфорированных труб для высотных зданий).

Стабильность элементов — DTU

Стабильность элементов — очень важный вопрос в кодах, и очень важно, чтобы мы могли проверять и проверять методы кода. Было проведено небольшое предварительное исследование анализа устойчивости колонн и справочных документов в Еврокоде EN1993-1. Это привело к публикации, в которой были исследованы многие важные темы.Что касается анализа продольного изгиба на кручение и устойчивости взаимодействующих элементов, ряд студенческих проектов также был выполнен в сотрудничестве с другими международными исследователями, и вскоре документы будут готовы для подачи. Кроме того, были проведены исследования явлений устойчивости щелевых балок и их соединений.

Стальные холодногнутые стержни и соединения с прорезями

Тонкостенные стальные конструкции получили широкое распространение благодаря высокой прочности и эффективному использованию материалов.Стены из легких стальных элементов во взаимодействии с гипсокартоном стали конкурентоспособной альтернативой традиционным конструкциям. Чтобы уменьшить тепловые мосты и в этом контексте оптимизировать тонкостенный каркас, часто используются легкие стальные элементы с прорезями. Некоторые производители легких конструкций в Скандинавии теперь имеют в своем ассортименте шпильки с прорезями, предназначенные для несущих внешних стен.

Важность элементов с прорезями и соединений связана с такими строительными элементами, как наружные стены, внутренние стены и легкие конструкции полов.Это, в частности, включает тепловые свойства, звукоизоляцию, упругость и вибрацию, огнестойкость, а также строительные услуги, архитектуру, планирование и производство.

Растущее во всем мире использование и развитие легких стальных каркасных систем, включая профили с прорезями, требует дальнейших исследований. Это также включает необходимость лучшего понимания системы, чтобы ее можно было улучшить и привести к более простой, более эффективной и правильной конструкции.

Будущие тенденции

Будущие тенденции в рамках данной темы — использование легких стальных каркасов в новых областях применения.Области применения — жилые дома с монолитными и сборными бетонными конструкциями, офисные здания, школы и гостиницы.

Некоторые муниципалитеты выбрали сталь вместо бетона и дерева в качестве конструкционного материала из-за очень негативного опыта аллергических и астматических проблем среди студентов и учителей. Аллергические реакции вызывают плесень и гниль.

Существует большой потенциал для дальнейшего изготовления элементов конструкций гостиниц. Повторение стандартных элементов велико.Модули или части комнат могут быть изготовлены как для экспорта, так и для домашнего использования. Также есть большие возможности использовать легкий стальной каркас в повседневном строительстве. Однако для решения этих проблем по-прежнему необходимы дальнейшие исследования и лучшее понимание системы легкого стального каркаса.

Цели

Холодногнутые стальные конструкции с прорезями еще не полностью изучены, что приводит к созданию более крупных и дорогих конструкций. Прорези в перемычке значительно изменяют поперечный изгиб и жесткость полотна на сдвиг.Это влияет на локальную деформацию и деформацию шпильки, а, следовательно, и на поведение соединений. Путем исследования поведения и несущей способности с помощью вычислительной механики, экспериментов и в соответствии с существующими процедурами, используемыми на практике, ожидается оптимизация конструкций, что приведет к гораздо более эффективной и улучшенной конструкции.

Таким образом, цель данного исследования состоит в изучении стальных шпилек и соединений с пазами, изготовленных методом холодной штамповки, используемых для внешних несущих стен, с целью наблюдения за поведением шпилек и соединений.Мы просто ищем лучший способ или дизайн для передачи нагрузки внутри конструкций. Это также включает понимание относительного вклада каждого компонента стены в несущую способность конструкции, так что с помощью соответствующей конструкции этот вклад можно оптимизировать, используя полное сопротивление каждого материала.

Исследования в этой области важны для отрасли, чтобы лучше понять различное поведение стальных компонентов при быстром увеличении размеров конструкций и иметь возможность следовать требованиям инженеров-консультантов и архитекторов, когда по проекту требуются более крупные и более тонкие конструкции. .Исследование определенно принесет пользу отрасли, поскольку приведет к более эффективному и усовершенствованному дизайну, предназначенному для включения в существующие нормы и стандарты. Кроме того, это оптимизирует корреляцию между численным моделированием и физическими моделями.

Здания / Тонкостенная сталь холодной штамповки — Tangguo Ding Network Technology Co., Ltd.

Холоднодеформированная тонкостенная сталь является признанным экономичным профилем, а строительная промышленность является отраслью с наибольшим потенциалом для холодногнутых тонкостенных сталей.Он в основном изготавливается из обычного стального листа толщиной 0,5 ~ 3,5 мм или оцинкованного стального листа путем холодной гибки. Основная форма — C-образная, Z-образная и квадратная (прямоугольная) труба, которая может образовывать различные складки и скручивания, а также форма I или T-образного типа для повышения жесткости сечения и несущей способности. началось в 1950-х годах. В середине 1960-х годов на некоторых участках были построены пилотные проекты холодногнутых тонкостенных стальных конструкций площадью более 100 000 м2. Примерно в 1970 году при строительстве второго автомобилестроительного завода было сконцентрировано 250 000 м2 холодногнутого тонкостенного стального здания, основанного на квадратных трубчатых кровельных фермах и имевшего определенный масштаб.Это форма структуры с большим потенциалом развития. Тонкостенная сталь холодной штамповки, используемая в качестве отдельного компонента для кровельных, перегородочных и ремонтных конструкций, таких как прогоны, стеновые балки, фронтоны, стальные фермы, фермы и т. Д., С небольшим количеством структурных элементов в среднем и малопролетные портальные стальные рамы (без крана) в полках. В настоящее время во многих странах и регионах конструкция из тонкостенной стали холодной штамповки в качестве несущего каркаса все чаще используется в одно- и многоэтажных домах и виллах, образуя новую конструктивную систему из тонкостенной стали холодной штамповки. стеновая сталь.Система холодногнутых тонкостенных стальных конструкций представляет собой легкую стальную конструкцию, которая имеет легкий вес и легкую нагрузку на конструкцию для обслуживания; несущая конструкция имеет небольшую секцию и небольшой вес компонентов; стандартизация, автоматизация, механизация, быстрое изготовление и монтаж, трудоемкость; новая структура. В системе используется легкая сталь; большие, средние и малые пролеты, одно- и многослойные, промышленные, гражданские и современные концепции легкого строительства. Его конструктивными особенностями являются сухая работа на месте, полная сборка болтов, простая установка, легкий вес и только небольшое подъемное оборудование.
Отличная звуко- и теплоизоляция

Поскольку стены стальных конструкций заполнены изоляцией, стены имеют отличную изоляцию и звукоизоляцию.
Вместе с качественной изоляцией окон. Весь дом экологически чистый, низкоуглеродный и энергоэффективный.

Механические свойства сталей для холодногнутых стальных конструкций при повышенных температурах

Очень важно уточнить высокотемпературные механические свойства при проектировании холодногнутых стальных конструкций (CFS) в условиях пожара из-за уникального износа особенность свойств материала в условиях пожара и связанное с этим снижение механических характеристик элементов.В данной статье представлены механические свойства широко используемых сталей для холодногнутых стальных конструкций при повышенных температурах. Образцы были извлечены из исходных рулонов предлагаемых полностью отожженных сталей (S350 и S420 с номинальным пределом текучести 280 и 350 МПа) и предложенных отожженных сталей для снятия напряжений (G500 с номинальным пределом текучести 500 МПа) для конструкций из CFS толщиной 1,0 мм и 1,2 мм, и в общей сложности было проведено около 50 испытаний на растяжение методом испытаний в установившемся режиме при температурах от 20 до 700 ° C.На основании испытаний были получены свойства материала, включая предел текучести, предел прочности, модуль упругости и кривую деформации. Между тем обсуждалась пластичность сталей для конструкций из CFS. Затем зависящие от температуры коэффициенты удерживания пределов текучести и модуля упругости сравнивались с теми, которые были предоставлены правилами проектирования и бывшими исследователями. Наконец, в зависимости от имеющихся данных испытаний был предложен набор уравнений прогнозирования механических свойств сталей для конструкций из CFS при повышенных температурах.

1. Введение

В качестве основных компонентов в легких стальных конструкционных зданиях по всему миру, холодногнутые тонкостенные стальные элементы (CFS) изготавливаются из холоднокатаных тонкостенных стальных листов или полос толщиной приблизительно от 0,3 до 3,0 мм. толщиной мм, марки от 200 до 1000 [1–5]. Применяемые стали для конструкций CFS указаны в кодах [1–5] с различным удлинением и номинальным пределом текучести. В этих стандартах [1–5] удлинение в 10% является важной границей для разделения на категории стальных материалов.Между тем, 450 МПа также является приблизительной линией для разделения массивных сталей, используемых для конструкций из CFS [1–5]. Обычно рулоны стали для производства профилей CFS изготавливаются как из горячекатаных стальных листов, так и из холоднокатаных стальных листов [1–5], в которых холоднокатаные стальные листы могут быть подвергнуты процессу отжига. Кроме того, при холодной штамповке с приданием формы поперечному сечению имеет место эффект упрочнения, приводящий к снижению пластичности исходного материала. Следовательно, отжиг [6] может проводиться после процесса холодной штамповки для улучшения механических свойств или снятия остаточного напряжения.Стали с заданным минимальным удлинением 10% или более являются полностью отожженными сталями, а оставшаяся часть — отожженными сталями для снятия напряжений (в этой статье предлагается классификационный подход, основанный на процессе производства сталей). Например, стали G250 и G300 широко используются в Северной Америке, Австралии и Европе [1–4]; Стали S280 с номинальным пределом текучести 280 МПа и S350 с номинальным пределом текучести 350 МПа, предложенные кодексом Чинзеса [5], относятся к полностью отожженным сталям.С другой стороны, стали класса G550, включая стали G450, G500 и G550 [2, 5], являются типичными отожженными сталями для снятия напряжений.

При температурах окружающей среды, помимо предела текучести, существует значительная разница в пластичности между полностью отожженной сталью и сталями, отожженными для снятия напряжений, как упоминалось выше. Эти разные характеристики этих двух видов сталей определяются разнообразием производственного процесса, особенно процедур термообработки [6].

При повышенных температурах деформационное упрочнение холоднокатаных тонкостенных сталей со временем уменьшается; соответственно снижение прочности этого типа стали может быть выше, чем у горячекатаной стали.Между тем, эти стали развивают более высокие скорости нагрева за счет более высокого коэффициента теплопроводности и меньшей толщины, чем горячекатаные стали. Однако текущие технические условия [7–10] пожарных конструкций стальных конструкций по механическим свойствам при повышенных температурах основывались на горячекатаных сталях. В частности, комплексное обеспечение моделей высокотемпературных материалов для всего семейства холодногнутых тонкостенных сталей не было предусмотрено в действующих китайских нормах проектирования CFS [5]. В последние годы уже существует значительная база данных, созданная глобальными исследованиями свойств материалов плоских стальных листов для конструкций из CFS при повышенных температурах [11–19].Обычно испытываемые образцы имеют толщину от 0,50 мм до 2,50 мм с пределом текучести от 250 до 550 МПа при температуре окружающей среды. Тем не менее, систематического обсуждения классификации сталей для конструкций из CFS при изучении механических свойств, зависящих от температуры, не проводилось. С точки зрения марок сталей и пластичности при температуре окружающей среды испытанные стали в текущих исследованиях можно разделить на две группы: стали после полного отжига [11, 12, 14, 15, 17–19] (с номинальным пределом текучести до 450 МПа и относительное удлинение более 10%) и отожженных для снятия напряжений сталей [12–16] (с номинальным пределом текучести более 450 МПа и относительным удлинением менее 10%).

В этой статье представлено подробное экспериментальное исследование свойств материала двух полностью отожженных плоских стальных листов (S350 и S420) и одного отожженного плоского стального листа (G500), вырезанного из исходных рулонов стали. Здесь S350 — самая распространенная оценка в прошлых тестах [11, 17, 18]; однако имеется мало данных по сталям S420 и G500 при повышенных температурах. Затем посредством сравнительного исследования обсуждается вид разрушения, пластичность, определяющие отношения и коэффициенты удерживания как для полностью отожженных сталей, так и для отожженных сталей для снятия напряжений.Между тем, после накопления имеющихся на данный момент данных испытаний, проводится дальнейшее сравнение тенденции к снижению механических свойств при повышенных температурах для двух сталей разных групп. Наконец, предлагается набор прогнозных уравнений механических свойств для всего семейства сталей, используемых в конструкциях CFS при повышенных температурах.

2. Процесс производства сталей для конструкций из CFS

Холоднокатаные тонкостенные стали производятся путем холодной обработки низкоуглеродистой листовой стали на холодном обжимном валке до толщины от 0.От 3 мм до 3,0 мм. Холодное восстановление вызывает отчетливые деформации текстуры и структуры микрокосмических зерен, что вызывает повышение прочности и твердости, уменьшение соотношения и снижение пластичности. Эффекты холодной обработки являются кумулятивными и вредны для сталей, используемых в конструкционных элементах. Таким образом, необходимо изменять и восстанавливать зернистую структуру, а также контролировать свойства стали путем последующей термообработки после холодной прокатки [6].

Процесс термической обработки осуществляется сначала путем нагревания материала, а затем его охлаждения в рассоле, воде и масле.Целью термической обработки является размягчение металла, изменение размера и структуры зерна, изменение свойств материала и снятие напряжений в материале после горячей и холодной обработки. Различные процессы термообработки, обычно используемые в инженерной практике, включают отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. В частности, отжиг является наиболее часто используемым методом термообработки при производстве сталей для конструкций из CFS. Кроме того, в зависимости от температур нагрева при проведении отжига существует несколько типов отжига, а именно [20, 21]:

Полный отжиг — Сталь нагревается до температуры выше критической A _{c 3} (точка эвтектоида, 700–750 ° C для низкоуглеродистой стали) в течение некоторого времени, а затем охлаждают с определенной скоростью.Здесь весь феррит превращается в аустенит. Полностью отожженная сталь мягкая и пластичная, без внутренних напряжений. Частичный отжиг — Сталь нагревают до температуры ниже критической A _{c 3} , выдерживают при этой температуре в течение некоторого времени, а затем медленно охлаждают. Цель состоит в том, чтобы снять напряжение и снизить твердость стали. Отжиг для снятия напряжений — сталь нагревают до температуры ниже критической A _{c 1} (перлит превращается в аустенит при этой температуре, 500–600 ° C для низкоуглеродистой стали), выдерживают до достижения температуры постоянная по всей толщине, затем медленно остывает.В этом процессе сталь снимается с напряжений; однако перекристаллизации не происходит. На рисунке 1 показан типичный процесс отжига сталей.

В таблице 1 показан химический состав исследуемых металлов, а в таблице 2 указаны ключевые температуры во время производственных процедур для испытанных сталей, которые приобретаются у оригинального производителя. Легко обнаружить, что сталь G500 испытала значительно более низкую температуру отжига, чем стали S350 и S420.Таким образом, мы можем с уверенностью сказать, что стали S350 и S420 полностью отожжены, хотя сталь G500 отожжена для снятия напряжений в соответствии с определениями различных процессов отжига. Другими словами, стали S350 и S420 являются типичными полностью отожженными сталями, а сталь G500 — отожженными сталями для снятия напряжений. Кроме того, после ознакомления с положениями стандартов проектирования CFS по материалам, сбора текущей информации о проверенных сталях и изучения процесса производства сталей, обычно используемые стали для стальных конструкций CFS делятся на две категории: полностью отожженные стали — стали, которые проходят полный процесс отжига во время производства, с номинальным пределом текучести менее 450 МПа и относительным удлинением более 10%.Отожженные стали для снятия напряжений — стали, которые подвергаются отжигу для снятия напряжений в процессе производства, с номинальным пределом текучести более 450 МПа и относительным удлинением менее 10%.

900

В частности, отожженные стали для снятия напряжений в основном эквивалентны сталям серии G550, широко используемым в строительной промышленности Австралии и Китая.Стали серии G550 [2, 5], в том числе трех марок (G450, толщина больше или равная 1,5 мм, G500, толщина больше 1,0 мм и меньше 1,5 мм, и G550, толщина меньше или равна 1,0 мм. .), обладают схожими характеристиками механических свойств при температуре окружающей среды [2, 5], и эти характеристики (высокая прочность и низкая пластичность) обусловлены процессом отжига при снятии напряжений [6] на производственной линии.

3. Экспериментальное исследование

3.1. Метод испытаний

Два основных метода [11–19] могут использоваться для оценки механического поведения строительных материалов в условиях высоких температур [11–19].Наиболее распространенный метод, используемый в настоящее время для исследования механических свойств сталей при повышенных температурах, — это испытание в установившемся режиме, при котором образец нагревают до заданной температуры и выдерживают в течение определенного периода времени, пока температура не станет стабильной и однородной по всей длине образца. , затем постепенно подвергается растягивающей нагрузке до разрушения. Другой хорошо известный метод — это испытание в переходном состоянии, при котором к образцу прикладывают статическую нагрузку, а затем медленно нагревают до тех пор, пока не будут выполнены критерии разрушения.Большинство исследователей используют метод испытаний в установившемся режиме, поскольку он позволяет напрямую получать кривые зависимости напряжения от деформации, позволяет избежать колебаний температуры окружающей среды, исключает влияние теплового расширения и в целом экономит ресурсы. Согласно текущим статьям, пока нет окончательного вывода [11, 13, 16] о том, какой метод более точен для испытаний и прогнозирования механических свойств сталей при повышенных температурах. Кроме того, основное внимание в этом исследовании уделяется прогнозированию различных типов сталей для свойств материалов конструкций CFS при высоких температурах.Поэтому в данном исследовании был принят метод испытаний в установившемся режиме.

3.2. Образцы для испытаний

Все купоны были вырезаны на станке для резки проволоки из оригинальных рулонов сталей S350 и S420 номинальной толщиной 1,0 мм и сталей G500 номинальной толщиной 1,2 мм. Размер испытуемых образцов был определен стандартом ISO [22], как показано на рисунке 2. На краю параллельной части было четыре небольших выступа для крепления экстензометрической системы и два отверстия для закрепления удлинительных стержней растяжения.Толщина металла и измерительная ширина образцов были средними из значений, измеренных в трех точках в пределах измерительной длины с помощью микрометра перед испытанием. При расчетах начальной площади поперечного сечения использовались толщина основного металла и реальная ширина измерительного прибора.

3.3. Испытательные устройства и процедура

Экспериментальная установка представляет собой испытательную систему EDC222 Doli, показанную на рисунке 3, которая представляет собой интегрированную систему тепловых и механических испытаний с цифровым управлением с обратной связью. Машина для испытания на растяжение представляет собой электронную сервосистему с усилием 100 кН, которая была откалибрована перед испытанием.В испытаниях использовалась высокотемпературная печь с максимальной температурой 1200 ° C. Три пары термопар, закрепляющиеся отдельно на верхнем стержне, поверхности образца и нижнем стержне в диапазоне 150 мм, обеспечивали сигналы для точного контроля температуры образца с обратной связью, представленные на рисунке 4. Таким образом, однородная температурная зона будет создаваться, когда температура трех термопар оставалась стабильной. Материал для крепления термопары в настоящем документе, огнеупорный теплоизоляционный из керамического волокна ткани полосы, как показано на рисунке 5.Набор решеток с линейным перемещением, включая удлинительные стержни с жаропрочным сопротивлением, с диапазоном измерения 12,5 мм относительно калибра 50 мм использовался для определения деформации образцов между измерительными длинами. Система экстензометра, показанная на Рисунке 6, создала калибр 50 мм, который смог собрать больше данных о смещении от прицела до того, как купон вышел из строя, а также был откалиброван перед тестированием.

Испытания образца на растяжение проводились с использованием метода испытаний в установившемся режиме.Сначала образец нагревали до заданной температуры со скоростью 20 ° С / мин. Допускалось свободное тепловое расширение при нагревании при нулевой растягивающей нагрузке. Уровни температуры, выбранные в этом эксперименте, составляли 20 ° C, 100 ° C, 200 ° C, 300 ° C, 400 ° C, 500 ° C, 600 ° C и 700 ° C. Образец выдерживали в течение 30-40 мин при этой постоянной температуре до достижения устойчивого состояния. Затем прикладывали нагрузку, контролируя смещение электронного растягивающего зажима до разрушения при поддержании заданной температуры.Скорость смещения была установлена ​​на 0,24 мм / мин, что было, в частности, на упругой стадии, эквивалентно скорости деформации 0,00007 / с как минимальной скорости, указанной в стандарте ISO [22]. Причем частота дискретизации составляла 10 Гц. Большинство образцов были повторены дважды для двойной проверки. Были проведены дополнительные эксперименты для проверки (500 ° C для стали G500) и дополнения (350 ° C и 700 ° C для сталей S350 и S420) в нескольких температурных точках. Сводка испытанных образцов представлена ​​в таблице 3.

Несомненно, контроль температуры является наиболее важной частью при испытании высокотемпературных материалов.Во время процедуры испытаний температуры в реальном времени в трех различных точках вдоль образца регистрировались термопарами и регистрировались системой сбора данных. На рис. 7 показан набор типичных температурных кривых трех тепловых пар с течением времени для определенного образца при определенных температурных условиях (например, при 500 ° C). Примерно через 25 минут температура купона достигла заранее заданных 500 ° C в целом; однако температура в этот момент была довольно неравномерной и нестабильной. До 45 мин, при срабатывании системы управления с обратной связью, теплопроводность и тепловая конвекция в печи динамически уравновешивались.Следовательно, три кривые сузились до крошечного диапазона, и весь образец четко и устойчиво находился при заданной температуре. В этот момент купон был готов к удлинению.

4. Результаты испытаний и обсуждение

В этом разделе, основанном на исследованиях разницы между двумя видами холоднокатаных тонкостенных сталей по свойствам материала при повышенных температурах, результаты испытаний обсуждаются в способ сравнения.

4.1. Режим отказа

На рисунках 8–10 представлены режимы отказа трех классов испытанных купонов. Все образцы, как и следовало ожидать, сломались в пределах измерительной длины, что означает, что кривые зависимости деформации от напряжения, записанные с помощью системы сбора данных, были реальными отношениями напряжение-деформация в пределах измерительной длины. Между тем, слой науглероживания покрыл образцы всех испытанных марок, когда температура достигла 500 ° C, что показано темной поверхностью этих купонов на рисунках 8–10. Это науглероживающее покрытие было несовершенным, и его можно было поцарапать тонкими листами.В частности, стальные пластины демонстрируют явление синей хрупкости, как у обычных сталей, при температуре около 300 ° C, о чем свидетельствует темно-синяя пленка окисления на участке излома образцов, показанная на Рисунке 11 для деталей излома.

Для двух полностью отожженных сталей визуально заметное удлинение и сужение купонов происходило из-за окружающей среды и продолжалось до более высоких температур. Для сталей G500 значительное удлинение и образование шейки не наблюдалось до тех пор, пока температура не превысила 500 ° C.Учитывая различие в температурах термообработки между полностью отожженными сталями и сталями после снятия напряжений, сталь G500 является более хрупкой при температуре окружающей среды, поскольку во время отжига не устраняется эффект холодной деформации. Однако, когда температура поднялась до 600 ° C, что было выше критической температуры A _{c 1} для низкоуглеродистой стали, возможно, что сталь была частично отожжена в печи и потеряла часть закалки. влияние.Впоследствии значительное изменение режима отказа G500 при 600 ° C могло частично подтвердить это предположение, и нам все еще нужны дополнительные исследования данных для изучения взаимосвязи между температурами и свойствами материалов для различных сталей, используемых в конструкциях CFS.

Некоторые из вышедших из строя образцов выглядят деформированными после 500 ° C. Во время испытаний при температурах выше 500 ° C образцы были растянуты с гораздо большей скоростью смещения после того, как диапазон экстензометра был превышен. В этом случае излом этих образцов кажется ненормальным.Следует отметить, что оба конца испытуемых образцов были плотно зажаты в пазу удлинительных нагрузочных стержней путем вставки прокладок с двух сторон купона во избежание эксцентрической нагрузки.

4.2. Пластичность

В этой части процентное удлинение после разрушения [22], как показано в уравнении (1), рассчитанное из исходной калибровочной длины и конечной калибровочной длины после разрушения, используется для обозначения пластичности образцов. Конечная калибровочная длина для сломанных и охлажденных образцов была измерена путем плотного соединения сегментов образцов в месте разрушения.В таблице 4 представлен средний процент удлинения после разрушения при различных температурах для образцов, а его кривые показаны на рисунке 12.

Интересно обнаружить, что стали S350 и S420 при повышении температуры от 20 ° C до 200 ° C явно теряют пластичность. Некоторые исследователи [11, 12] отметили подобное поведение для полностью отожженных сталей. Такое поведение материала может быть связано с химическими превращениями, происходящими в стальной основе. После 300 ° C, поскольку преобладающим фактором в химических реакциях стали температурные эффекты, пластичность постоянно растет, как и ожидалось.В то же время стали S350 и S420 показали очень близкую тенденцию развития пластичности при повышении температуры.

Отожженные стали для снятия напряжений показали более низкую пластичность, чем у полностью отожженных сталей, при температуре окружающей среды из-за различной термической обработки в производственном процессе, как упоминалось ранее. При температуре ниже 200 ° C пластичность сталей G500 сохранялась на низком уровне, даже близком к значению комнатной температуры. Затем была более высокая пластичность в диапазоне от 300 ° C до 500 ° C, хотя она все еще была ниже, чем у полностью отожженной стали при тех же температурах.При температурах до 600 ° C эффект деформационного упрочнения и термообработки был устранен, поэтому как полностью отожженные, так и отожженные для снятия напряжений стали показали одинаковый уровень пластичности. Поскольку температура пробоя при возгорании превышает 600 ° C, отсутствие пластичности не может рассматриваться как характеристика для снятия напряжений отожженных сталей в условиях пожара.

4.3. Материальная взаимосвязь

Поскольку диапазон измерения решетки смещения составляет 12,5 мм, кривые напряжения-деформации приведены в пределах деформации 0.2, как показано на рисунках 13–15. Все кривые напряжения-деформации испытанных образцов (показанные на рисунке 3) сведены вместе для сталей S350, S420 и G500 соответственно. Для каждого из температурных условий (отмечены одними и теми же черными кружками) кривые повторных испытаний хорошо согласуются друг с другом, что указывает на стабильность испытуемых материалов, испытательных устройств и операций испытаний.

Как показано на рисунках 13 и 14, кривые напряжения-деформации сталей S350 и S420 демонстрируют аналогичную тенденцию изменения: достигает предела прочности и исчезает при температуре выше 200 ° C.(2) От 20 до 300 ° C диапазоны деформационного упрочнения при разных температурах сжимаются в небольшую зону, что показывает, что только предел текучести ухудшается при этих температурах, а предел прочности — нет. (3) При температурах выше 200 ° C кривые напряжения-деформации были постепенными, а предел текучести и предел прочности ухудшались с повышением температуры. Плато текучести с множеством пределов текучести является результатом прерывистого движения полосы Людерса вдоль образца.Движение дислокаций вблизи фронта зоны блокируется, когда температура достигает 300 ° C, и, таким образом, плато текучести при этих температурах исчезает [23].

В отличие от полностью отожженных сталей, сталь G500 давала кривые растяжения-деформации постепенного податливого типа как при температуре окружающей среды, так и при повышенных температурах, как показано на Рисунке 15. Затем оказывается, что предел текучести не сильно снижается до 200 ° C. Кроме того, кривые напряжения-деформации имеют аналогичную форму и предельную деформацию при температурах от 300 ° C до 500 ° C.Когда температура достигает 600 ° C, предельная деформация значительно увеличивается. Между тем, нагрузка уменьшается очень медленно после достижения предела прочности в этом состоянии, и соответствующий режим разрушения меняется на вязкое разрушение с четкой шейкой.

4.4. Факторы удерживания

В первую очередь, в таблице 5 показаны результаты испытаний на растяжение всех трех сталей при температуре окружающей среды, которые являются основными параметрами для расчета свойств материала при высоких температурах. Помимо очевидной более высокой прочности сталей G500, модуль упругости этой высокопрочной стали также выше, чем у полностью отожженных сталей при комнатной температуре.