Как устроен силовой каркас модульного здания: сравнение стальных и деревянных решений

Модульные конструкции собираются на основе жесткого остова, воспринимающего нагрузки от ветра, снега и эксплуатации. В зависимости от материала каркаса меняются технология монтажа, допустимые пролеты и условия эксплуатации.

Стальные системы выполняются из холодногнутых или горячекатаных профилей толщиной от 1,5 до 12 мм. Для вертикальных стоек применяют швеллеры или трубы квадратного сечения 60×60 мм и более.

Поперечные связи делают из уголков 50×50 мм, обеспечивая устойчивость против боковых деформаций. Соединения выполняют на болтах класса 5.6 или сваркой с катетом шва от 4 мм.

Деревянные каркасы собирают из клееного бруса сечением 150×150 мм или LVL-балок. Вертикальные элементы устанавливают с шагом 600 мм, что соответствует стандартной ширине плит утеплителя.

Для обвязок используют доски 50×200 мм, усиливая узлы металлическими пластинами толщиной 2 мм. Крепеж – саморезы диаметром 6 мм и глухари 8×120 мм.

Несущая способность стальных конструкций рассчитывается по СП 16.13330 с коэффициентом надежности 1,1. Предел текучести стали С245 начинается от 245 МПа, что позволяет перекрывать пролеты до 12 м без промежуточных опор.

Деревянные системы проектируют по СП 64.13330 с учетом модуля упругости вдоль волокон 10000 МПа. Максимальная длина балок из LVL достигает 18 м при высоте сечения 400 мм.

При выборе материала учитывают климатические условия. В регионах с влажностью выше 75% требуется обработка древесины антисептиками типа ХМ-11 с расходом 300 г/м². Стальные элементы в агрессивных средах защищают цинковым покрытием 120 мкм или полимерными красками.

Монтаж металлокаркаса ведут с применением кранов грузоподъемностью от 3 т. Сборку начинают с установки колонн, которые фиксируют анкерами М16 в заранее забетонированные стаканы. Деревянные конструкции монтируют вручную, используя временные раскосы из досок 25×100 мм.

Огнестойкость стальных систем повышают обшивкой гипсокартоном ГКЛО толщиной 12,5 мм. Деревянные каркасы защищают пропитками типа Пирекс, увеличивающими время до воспламенения до 45 минут.

Для кровельных прогонов в стальных зданиях применяют Z-образные профили высотой 200 мм с толщиной стенки 2 мм. В деревянных аналогах используют брус 100×150 мм с шагом 1,2 м. Узлы крепления стропил усиливают стальными зубчатыми пластинами.

Фундаменты под металлокаркас выполняют из буронабивных свай диаметром 300 мм с ростверком 400×600 мм. Для деревянных строений достаточно столбчатых оснований 400×400 мм из бетона В15.

Теплоизоляцию стальных конструкций осложняет высокая теплопроводность металла – 58 Вт/(м·К). Требуется непрерывный контур утепления пенополистиролом ПСБ-С 25Ф толщиной 150 мм. Дерево с коэффициентом 0,15 Вт/(м·К) само служит теплоизолятором, сокращая слой дополнительной защиты до 100 мм.

Срок службы стального каркаса превышает 50 лет при условии регулярного окрашивания каждые 10 лет. Деревянные конструкции сохраняют несущую способность 30-40 лет после обработки антипиренами и антисептиками.

Стоимость стального остова начинается от 12000 руб./м², тогда как деревянный обойдется в 8000 руб./м². Разница компенсируется скоростью монтажа – бригада из 4 человек собирает металлический каркас 100 м² за 3 дня против 5 дней для деревянного аналога.

При проектировании многоэтажных модулей предпочтение отдают стальным системам с расчетным сопротивлением на сжатие 210 МПа. Для одноэтажных построек выгоднее дерево, работающее на изгиб с пределом прочности 14 МПа.

В сейсмических районах жесткость стального каркаса повышают диагональными связями из круглых труб диаметром 50 мм. Деревянные здания усиливают фанерными диафрагмами толщиной 18 мм с шагом крепежа 150 мм.

Для монтажа коммуникаций в металлических конструкциях заранее предусматривают отверстия диаметром до 100 мм, расположенные не ближе 50 мм от края профиля. В деревянных каркасах прокладку инженерных сетей ведут в специальных каналах, образованных спаренными стойками.

Деформационные швы в стальных зданиях устраивают через каждые 60 м, компенсируя температурные перемещения сальниковыми компенсаторами. Деревянные постройки допускают увеличение этого расстояния до 100 м благодаря меньшему коэффициенту расширения.

Кровельные нагрузки в 150 кгс/м² требуют применения в стальных каркасах прогонов из гнутого профиля 200×60×2 мм. В деревянном исполнении аналогичную несущую способность обеспечивают балки 50×200 мм с шагом 600 мм.

Акустический комфорт в помещениях со стальным остовом достигается установкой виброизолирующих прокладок из вспененного полиэтилена толщиной 10 мм. Деревянные перекрытия сами гасят шумы до 45 дБ без дополнительной обработки.

Ремонтопригодность металлических систем выше – поврежденный элемент можно заменить, открутив болты. Восстановление деревянного каркаса часто требует демонтажа смежных конструкций.

Вес стального модуля 6×3 м достигает 2,5 т, что требует применения грузовой техники для транспортировки. Деревянный аналог тех же габаритов весит не более 1,8 т, позволяя использовать манипуляторы с грузоподъемностью 3 т.

При устройстве оконных проемов в металлокаркасе обязательны усиливающие рамки из уголков 50×50 мм. В деревянных строениях достаточно установки хидеров из бруса 100×150 мм над проемами шириной до 1,5 м.

Снеговые нагрузки в 240 кгс/м² диктуют применение в стальных каркасах стропильных ферм высотой 400 мм из труб 40×40×2 мм. Для деревянных зданий в таких условиях проектируют наслонные стропила из досок 50×200 мм с подкосами.

Геометрическая точность стальных конструкций достигается заводской обработкой с допусками ±1 мм на метр. Деревянные элементы могут иметь отклонения до 3 мм/м, что требует подгонки на месте.

Максимальная этажность модульных зданий со стальным каркасом достигает 5 уровней при использовании колонн 300×300×10 мм. Деревянные аналоги ограничены тремя этажами при условии применения LVL-балок 300×400 мм.

Коэффициент температурного расширения стали 12×10⁻⁶ 1/°C требует компенсационных зазоров в обшивке. Дерево меняет размеры меньше – 4×10⁻⁶ 1/°C вдоль волокон, что снижает риск деформаций отделки.

Для анкеровки стального каркаса к фундаменту применяют химические анкера М20 с нагрузкой до 50 кН. Деревянные строения крепят оцинкованными шпильками диаметром 12 мм с шагом 1,5 м.

В регионах с ураганными ветрами до 45 м/с стальные каркасы усиливают распорками из труб 60×60×3 мм. Деревянные здания в таких условиях оборудуют ветровыми связями из досок 25×100 мм, установленными крест-накрест.

Окончательный выбор между сталью и деревом делают на основе расчетных нагрузок, бюджета и сроков строительства. Оба материала соответствуют нормам при грамотном проектировании и качественном монтаже.