Каркас из ЛСТК vs горячекатаный металлопрокат в модулях: анализ на предельные нагрузки

Выбор материала для силового остова модульной конструкции напрямую определяет ее надежность, грузоподъемность и срок службы. Мы детально рассмотрим два принципиально разных подхода: каркас на основе легких стальных тонкостенных конструкций и классический каркас из горячекатаного проката.

Каждый вариант обладает уникальными механическими характеристиками, которые диктуют свои правила проектирования, монтажа и последующей эксплуатации. Исходные данные материала задают тон всему процессу возведения здания.

Для ЛСТК применяется холодногнутая оцинкованная сталь толщиной, как правило, от 0.7 до 3 миллиметров. Предел текучести такого материала составляет 250-350 МПа, что определяет его высокую прочность при малой массе. Горячекатаный прокат, представленный швеллерами, двутаврами и уголками, имеет толщину стенок от 3 миллиметров и существенно более высокий предел текучести, стартующий от 235 МПа для обычных марок и достигающий 355 МПа и выше для низколегированных сталей.

Расчет на предельные нагрузки для этих двух систем ведется по разным методикам, отраженным в нормативных документах. В случае с легкими стальными тонкостенными конструкциями критическое значение приобретает устойчивость тонких стенок профиля против местной потери устойчивости, так называемого местного выпучивания.

Профили ЛСТК имеют сложное сечение с множеством ребер жесткости, которые как раз и призваны нивелировать этот эффект. Расчетная нагрузка на такой каркас часто лимитируется не прочностью стали, а именно устойчивостью формы.

Для горячекатаных элементов, чьи стенки значительно толще, основной критерий — общая устойчивость стержня и пластичность материала. Несущая способность балки или колонны из такого проката рассчитывается по классическим формулам сопротивления материалов, где ключевыми параметрами выступают момент инерции сечения и радиус инерции.

Соединения каркасных элементов — это наиболее уязвимые и ответственные узлы любой конструкции. В легких стальных тонкостенных конструкциях монтаж почти полностью осуществляется на механических крепежах: самонарезающих винтах с сверлящим наконечником или специальных заклепках.

Прочность такого стыка зависит от усилия на отрыв и на срез винта, а также от толщины и прочности соединяемых стальных листов. Коррозионная стойкость обеспечивается цинковым покрытием крепежа, плотность которого должна быть не менее 550 г/м2 для ответственных сооружений.

В каркасах из горячекатаного металлопроката доминируют сварные соединения и болтовые стыки, в том числе на высокопрочных болтах. Качество сварного шва, его глубина провара и отсутствие внутренних дефектов становятся решающими для долговечности.

Долговечность соединений в агрессивных средах или при циклических нагрузках требует отдельного внимания. Резьбовые крепления в легких стальных тонкостенных конструкциях могут со временем ослабнуть под действием вибраций, поэтому в проекте закладывается необходимый запас по количеству точек крепления.

Сварные швы на горячекатаном прокате подвержены усталостному разрушению, если в них остались концентраторы напряжений — непровары, поры или подрезы. Для повышения срока службы все металлические элементы после обработки защищают полимерными покрытиями или дополнительным слоем цинка методом горячего цинкования.

Толщина защитного слоя регламентируется стандартами в зависимости от класса агрессивности окружающей среды; в условиях промышленной атмосферы она может достигать 120-150 мкм.

При проектировании модуля с высокими нагрузками, скажем, для многоэтажного здания или крановой эстакады, горячекатаный прокат демонстрирует неоспоримые преимущества в несущей способности одного элемента. Можно использовать двутавр 30Ш1, способный выдержать изгибающий момент в несколько раз больший, чем сборная секция из ЛСТК аналогичной высоты.

Однако это влечет за собой увеличение массы фундаментов и сложности монтажа, требующего применения грузоподъемной техники. Легкие стальные тонкостенные конструкции выигрывают в скорости сборки и легкости, что критически для модулей, транспортируемых на дальние расстояния в собранном виде.

Несущая способность здесь достигается не массивностью одного элемента, но оптимальным распределением усилий по всей решетчатой системе.

Конструктивные решения напрямую следуют из физических свойств материала. Прокат горячего катания допускает создание жестких рамных узлов, воспринимающих значительные изгибающие моменты.

В легких стальных тонкостенных конструкциях подобные узлы реализовать сложно, поэтому система часто проектируется как шарнирно-стержневая, с четким разделением элементов на работающие на растяжение-сжатие. Это накладывает отпечаток на архитектуру модуля, определяя необходимость в связях и диафрагмах жесткости.

Согласно требованиям СП 16.13330.2017, расчет конструкций из холодногнутых профилей должен учитывать снижение несущей способности из-за деформаций сечения. Для горячекатаных элементов основным нормативом выступает тот же свод правил, но разделы, касающиеся расчета на устойчивость и усталость.

Практические рекомендации по выбору можно сформулировать на основе конкретных условий строительства. Для модульных зданий до трех этажей, где критична скорость монтажа и общий вес, каркас из легких стальных тонкостенных конструкций будет оптимальным решением.

Следует применять профили с усиленными стенками в местах концентрации напряжений — около оконных и дверных проемов, в угловых стойках. Все соединения нужно выполнять специальным инструментом, обеспечивающим контролируемое крутящее усилие, чтобы не повредить тонкий металл и цинковый слой.

В случае с большепролетными или тяжелонагруженными модулями, такими как трансформаторные подстанции или производственные цеха, предпочтение однозначно отдается горячекатаному прокату. Здесь ключевым моментом становится качество заводской подготовки элементов: торцовки, очистки и нанесения меток для точной стыковки.

Контроль качества на всех этапах служит залогом достижения проектных показателей. Для сварных соединений каркаса из проката обязателен визуальный и ультразвуковой контроль сварных швов, особенно работающих на растяжение.

При монтаже легких стальных тонкостенных конструкций необходимо проверять плотность прилегания профилей в стыках и отсутствие перекосов, которые могут привести к непредсказуемой работе тонкостенных элементов. Защитное покрытие, будь то цинковое или полимерное, должно сохранять целостность после транспортировки и монтажа; любые повреждения необходимо закрашивать ремонтными составами с эквивалентной защитной способностью.

Соблюдение этих, на первый взгляд, простых правил позволяет реализовать потенциал материала в полной мере и гарантировать, что модуль отработает положенный ему срок без потери прочностных характеристик.