Металлоснабжение и сбыт

Cортамент СТО АСЧМ 20-93 на широкополочные двутавры не позволяет проектировать современные здания гражданского назначения. Конструктивные особенности многоэтажных зданий диктуют требования к новому сортаменту, который был внедрен в новый ГОСТ Р 57837. Благодаря новым профилям и сталям повышенной и высокой прочности можно строить здания высотой до 50 этажей без сварных профилей. Таким образом, существенно сокращаются сроки изготовления и монтажа конструкций, типизируются узлы и элементы. Представлен пример внедрения современного проката по ГОСТ Р 57837 в реальном строительстве.

Денис Конин ведущий научный консультант АРСС, заведующий сектором высотных зданий и сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

При строительстве зданий гражданского назначения в России (жилых, административных, офисных), особенно высотных, предпочтение отдается железобетонным конструкциям. Стальной каркас считается неэффективным, нерациональным, а в некоторых случаях и опасным с точки зрения пожарной безопасности.

Во времена СССР применение стали при строительстве объектов гражданского назначения было строго оговорено в ТП 101-81 "Технические правила по экономному расходованию основных строительных материалов " и разрешено только для отдаленных районов СССР, где не было железобетона. В том числе и по этой причине у советских проектировщиков практически отсутствовал навык проектирования гражданских зданий из стали.

Напротив, из-за широкого применения стали в промышленном секторе во времена СССР сортамент фасонного проката - двутавры, швеллеры, уголки, трубы - был приспособлен для проектирования именно промышленных зданий и сооружений. В 2014 - 2016 гг. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко совместно с Ассоциацией развития стального строительства и крупнейшими производителями фасонного проката в России - ЕВРАЗом и Мечелом - провел масштабную работу по усовершенствованию современного фасонного проката, для того чтобы более эффективно применять его в конструкциях гражданских зданий - в перекрытиях и колоннах. Особенностями строительства многоэтажных зданий из стали является большая строительная высота перекрытий, складывающаяся из высоты балки и толщины железобетонного перекрытия, а также необходимость защищать стальные конструкции от огня. Строительная высота перекрытий снижается способами, показанными на рисунке 1. Для реализации представленных проектных решений необходимо иметь в номенклатуре балочного сортамента большое количество профилей малой высоты с толстыми стенками и полками, позволяющие рационально подбирать балку для перекрытий многоэтажных жилых и общественных зданий, где основным критерием является малая строительная высота. Пример таких балок - балки по американскому сортаменту ASTM размерных рядов W8, W10, W12, W14. Последние профили можно отнести скорее к колонным, так как их высота практически равна ширине полки. Тем не менее их наличие в балочном сортаментном ряду позволяет использовать их в конструкциях перекрытий, где основным критерием выбора типа поперечного сечения является минимальная строительная высота. Основные параметры сортаментов отечественного и зарубежного производства, предназначенные для изогнутых конструкций, приведены в таблице 1, в которой также даются максимальные и минимальные значения площади поперечного сечения и момента сопротивления сечения.

Таблица 1 показывает чрезвычайно большой разброс максимальных и минимальных значений площадей поперечных сечений (и сопротивление сечения), а также большой сортаментный ряд относительно отечественного сортамента СТО АСЧМ 20-93. Так, в европейских сортаментах представлено 174 профиля, в британском стандарте - 91, в американском - 249, в отечественном - всего 60 профилеразмеров. Максимальный момент сопротивления сечения составляет 55 500 см3 (при площади 1754 см2), соответствует американскому сортаменту ASTM. В отечественном сортаменте максимальный момент сопротивления - 12 941 см3 (при площади 400 см2). Широкополочные двутавры для изгибаемых элементов (балок перекрытий и т.д.) являются самым востребованным элементом конструкций, поэтому в более ранних исследованиях по теории сортамента именно изогнутым элементам уделялось особое внимание.

Некоторая ограниченность "старого" сортамента по СТО АСЧМ иллюстрируется рисунком 2, на котором изображены в одинаковом масштабе наиболее крупные профили по СТО и по американскому стандарту АSТМ. Толщина полки отечественного профиля не превышает 40 мм, зарубежного - 130 мм. Из-за ограничений в выборе нужного профиля российский проектировщик вынужден либо довольствоваться сварным аналогом двутавра, либо использовать зарубежный дорогостоящий прокат.

В 2000 - 2015 гг. построено два здания в ММДЦ "Москва Сити" с применением стальных конструкций - башня "Евразия" и башня "На набережной". На момент публикации статьи завершено строительство "Лахта Центра " в Санкт-Петербурге и начато строительство башни "Ахмад" в Грозном. Суммарно данные объекты и включенные в их инфраструктуру стилобатные части имеют общую площадь более 1,5 млн м2. Следует заметить, что при строительстве башен "Москва Сити" применялся прокат иностранного производства, так как в начале 2000-х годов, когда разрабатывались проекты этих объектов, металлургическая промышленность не могла удовлетворить потребность в специальном прокате отечественного строительства высотных зданий. Современные здания "Лахта Центра" и "Ахмад Тауэр" возводятся уже по большей части из российских сталей (до 60% от общего расхода). Автором был предложен новый сортамент. Его основой стал сортамент СТО АСЧМ 20-93, который расширили на 212 новых профилей. Их геометрические размеры подобраны с учетом тенденций развития теории сортамента. Предложенные в национальном стандарте стали также учитывают достижения мировой и отечественной металлургии и учитывают возможности импортозамещения и экспорта, так как гармонизированы с Евронормами. На рисунке 3 показано количество профилей по новому ГОСТ Р57837 и количество "старых" профилей. Наибольшим изменениям и дополнениям подвергнуты линейки профилей с размерами 250 и 300 мм балочного и колонного типа, так как данные профили наиболее востребованы при изготовлении конструкций гражданского назначения. Пробные расчеты и проектирование конструкций, а также данные экспериментального проектирования некоторых пилотных проектов показали, что выявляется возможность замещения большого количества сварных профилей на профили по ГОСТ Р, что не удается выполнить, используя "старый" сортамент СТО АСЧМ 20-93, который имеет меньшее количество профилей. Для жилых зданий высотой 8 и 18 этажей, а также офисных зданий высотой 24 и 48 этажей удалось запроектировать стальной каркас по ГОСТ Р вообще без использования сварных элементов. ГОСТ Р позволяет подбирать оптимальные сечения профилей с максимальным коэффициентом использования сечений и более экономично расходовать сталь (экономия составляет до 4,8% при использовании стали класса прочности не выше С355) за счет большего количества профилеразмеров. При использовании в конструкциях стали повышенной прочности С440 экономия по сравнению со сталями С255 - С355 увеличивается и составляет для рассматриваемых примеров зданий примерно до 12%. На 6% экономится общий вес стали для просчитанного примера 8-этажного здания, на 12% - для 18-этажного здания.

Также ГОСТ Р имеет большую гибкость в части подбора сечений конструкций примерно равной несущей способности, но в разных габаритах по высоте (например, конструкции из профилеразмеров с литерами 25, 30, 35, 40). Эффект от применения новых сталей С390, С440 по ГОСТ Р (табл. 2) наблюдается при проектировании колонн многоэтажных зданий, а также элементов большепролетных конструкций. Установлено, что в случае замены стали С255 на С440 "смещение" в сторону более легкого профиля из более прочной стали в рамках одного размерного ряда составит 1 - 5 литер, а при замене сталей С355 на С440 - не более 2 литер. При этом для малых размерных рядов (15К, 20К) эффект от замены стали на более прочную минимален, а в случае сравнения профилей из сталей С255‑С390 практически отсутствует. Наиболее эффективна замена стали в профилях крупных сечений 25К, 30К, 35К, 40К, но даже в этом случае "смещение" в сторону более "легкого" профиля составляет не более 5 литер (40К14 (С440) заменяет 40К19 (С255)). Рационально заменять профили из сталей С255, С345, С355 на более "легкие" профили из сталей С390, С440 на стадии проектирования конкретных объектов. Новый прокат, в том числе с использованием сталей до С440 по ГОСТ Р 57837, внедрен в строящемся офисно-деловом центре ЖК "Ривер парк" (Нагатинский затон, Москва). Это комплекс из трех 18-этажных башен с одноэтажным стилобатом, в котором функционально объединены торговые и офисные помещения (на первом этаже), а также комплекс апартаментов в высотных частях. Высота комплекса - 65 м, общая площадь - около 30 тыс. м2. Проектирование комплекса выполнено ПБ "Конструктор" совместно с Архструктурой Антона Нагавицына и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (научно-техническое сопровождение проектирования и изготовления).

В 18-этажных башнях апартаменты удалось скомпоновать так, чтобы в продаваемых помещениях не было ни одной опорной конструкции. Все колонны спрятаны в наружные и внутренние межквартирные перегородки. Компактные размеры колонн типа 25К (за счет применения нового сортамента и сталей высокой прочности до С440) позволяют даже с учетом огнезащитных покрытий размещать колонны в теле стен без выступов. Максимальный размер колонны в пределах высотной части типового этажа - 270х270 мм (25К7). Шаг колонн высотной части - примерно 6,6х3,3 м. Здание запроектировано по связевой системе, в которой основным элементом, воспринимающим горизонтальные нагрузки от ветра, является центральное монолитное ядро.

По соображениям повышения привлекательности помещений первого этажа заказчик принял решение увеличить шаг колонн до 6,6х6,6 м. Кроме того, здание располагается в непосредственной близости от инженерных сетей водоснабжения городского значения и канализационного коллектора. Поэтому углы здания должны быть вывешены на консолях вылетом около 3 м. Для обеспечения архитектурного замысла были реализованы переходные фермы на уровне второго технического этажа высотой около 2 м (рис. 4). Фермы выполнены также из прокатных двутавров со сварными узлами и безраскосной решеткой. Наиболее крупный элемент пояса - 40К5 из стали С440.

При проектировании выполнили техникоэкономическое сравнение, в результате которого установили, что вследствие применения сталей повышенной и высокой прочности уменьшаются габариты колонн, а также снижается на 12% общий вес стали конструкций. Кроме того, был запроектирован альтернативный вариант с монолитным железобетоном, который имеет примерно такую же стоимость, как у запроектированных стальных каркасов. Следует отметить, что в монолитном варианте на 27% увеличилось количество забивных свай (с 1,3 тыс. до 1,65 тыс. шт.). Общая металлоемкость объекта - 2,9 тыс. т, то есть около 95 кг/м2 с учетом тяжелых конструкций консольных и перехватных ферм второго этажа. Многоэтажные части имеют металлоемкость не более 52 кг/м2, при этом подчеркивается возможность свободной планировки офиса/апартамента с любым материалом перегородок, а также неограниченные возможности объединения офисов/апартаментов в пределах этажа без ущерба для несущей способности здания.

***

Выводы

1. Предложен и внедрен новый сортамент для многоэтажных зданий массового строительства и высотных зданий. Новый ГОСТ Р 57837 учитывает современные тенденции строительства с применением стали, а также современные положения теории сортамента. 2. Применение новых профилей по ГОСТ Р 57837 в совокупности со сталями повышенной и высокой прочности дает существенный эффект по весу здания в зависимости от этажности на 6 - 12%. 3. За счет применения стального каркаса (по сравнению с монолитным аналогом) при реальном проектировании удешевляется фундамент здания за счет снижения количества свай (до 27%), уменьшения объема бетонных работ. Это подтверждается значительным развитием металлургии в развивающихся странах. 4. Примером долголетней успешной эксплуатации зданий со стальным каркасом являются сталинские высотки (стоят с 1950-х годов), Центр международной торговли в Москве (с 1979 г.), а также Дальневосточный федеральный университет на о. Русском (с 2011 г.) и др.


Источник

Фотографии



Логин:
Пароль:
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь:
Войти как пользователь
Вы можете войти на сайт, если вы зарегистрированы на одном из этих сервисов:
Яндекс.Метрика