05.08.2021 Металлургия

«Ферро-Строй»: Словарь металлиста – из чего состоит стальное здание

Стальное строительство в России набирает темпы. Однако многие знают лишь в теории о том, что такое здание из металла, путая при этом колонны, балки, двутавры и фермы. Ко дню строителя, который в этом году в России празднуют 8 августа, эксперты «Ферро-Билдинг» рассказывают, из чего состоит металлическое здание и какими базовыми терминами пользуются его строители.

Как закалялась сталь: из чего производят металлокаркас здания
Сталь. Примерно 4 тыс. лет назад человек получил сплав, который до сего дня считается эталоном прочности и в то же время гибкости. Речь идет о стали (слово пришло из немецкого). С самого начала её использовали для производства оружия (булат, дамаск – это все виды стали для клинков) благодаря её надежности и в то же время податливости для обработки. Сталь – это сплав железа с углеродом, причем последний элемент должен содержаться в пределах 0,05–2,14%. В стали есть примеси серы и фосфора, которые влияют на конечные свойства и область применения. В сталь ещё добавляют разные вещества (никель, хром, медь, азот), чтобы добиться определенных свойств. Такие стали называют легированными. Дома строят из конструкционной стали – она относится к низкоуглеродистым и низколегированным видам этого сплава. 50% стали в мире производят именно для строительства.

С пылу с жару: как производят сталь для зданий
Металлопрокат. Элементы строительных конструкций не отливают из стали сразу. Сначала производители этого сплава делают заготовки, которые затем уже превращают в строительный материал. Такие заготовки называют металлопрокатом. Это название он получил из-за технологии производства – стальные болванки попадают на прокатный стан, по которому они «катятся», подвергаясь нагреву, вытягиванию, прессованию и другим операциям, чтобы получилась нужная форма. На выходе – три вида проката: плоский, фасонный и сортовой. Из плоского, делают, к примеру, профнастил (профилированный стальной лист), из которого российские дачники так полюбили делать заборы; из фасонного – разные виды стальных балок, а из сортового – объемные заготовки (круглые, квадратные, шестигранные).

Металлоконструкции. Готовые изделия для строительства каркаса здания – это металлоконструкции. Их используют для опорных элементов (колонн), перекрытий (балки), внешних ограждений (листы) и крыш (фермы). Фактически целиком здание может быть металлическим, особенно если оно имеет простое назначение (скажем, склад). Без бетона не удается обойтись только если из металла строят многоэтажку – тогда котлован заливают бетонной «подушкой», которая служит основой строения.
Металлокаркас. Для тех, у кого не было в детстве конструктора «Юный техник»: каркас – это система вертикальных и горизонтальных несущих конструкций, которые передают на фундамент все нагрузки. Самая простая схема каркаса стара как мир – колонны, а на них – балки. Такой каркас называется рамным – он используется во всех постройках из металла. Если же здание хотят укрепить и сделать более устойчивым, колонны и балки связывают дополнительными рамами. Все помнят старинные крестьянские дома в Европе, через яркие оштукатуренные фасады которых проступают темные деревянные крестообразные балки. Такую архитектуру называют фахверк (нем. Fach – ящик, секция, панель и Werk – работа). Металлокаркас также иногда укрепляют крестообразными балками, соединяющими низ и верх противоположных колонн и перекрытий – такие каркасы называются связевыми.

Стальной «скелет»: из чего собирают металлический дом
Колонны. Основную нагрузку здания несут колонны. Правда, в отличие от округлых колонн в классической архитектуре, стальные здания держатся обычно на разных «угловатых» вариациях профиля. Это легко объясняется: к таким колоннам легче прикрепить другие элементы здания, чем к круглым. Колонну могут составлять две отдельные балки, скреплённые по всей длине приваренными к ним планками, квадратные и круглые трубы, составные профили.
Двутавр. Именно этот тип профиля чаще всего используется для сооружения колонн стального здания. С латинского taurus – это бык. Животное имеет два рога, а двутавр («два быка») – четыре. Двутавровая балка в сечении повторяет буку «Н», напоминающую две пары рогов, приложенных друг к другу с тыльной стороны.
Швеллер. Профиль, имеющий П-образное сечение, называется швеллером. С немецкого Schwelle – это барьер, порог. И действительно перевернутый открытой частью вниз швеллер похож на порог.
Тавр. Один бык – одна пара рогов. Так называется профиль, который в сечении похож на букву «Т».
Уголок. Наименее экзотичное название и самая простая форма у профиля «уголок».

Все эти профили используются не только для создания колонн – фактически это универсальные детали конструктора, из которых можно делать опоры, перекрытия, кровлю, внешние ограждения.
Балка. Основная нагрузка всего, что находится на этажах ложится на балки. Чаще всего для балок перекрытий используются двутавры. Между «рогов» двутавров хорошо помещаются края основного полотна перекрытий, а сами они хорошо «ложатся» или прикрепляются к внутренним и внешним колоннам здания.
Перекрытия. В стальных зданиях перекрытия делают из разных материалов. Во-первых, пол можно залить из монолитного бетона, связав арматуру с балками или другими элементами каркаса. Во-вторых, можно уложить готовые железобетонные плиты. Наконец, есть облегченные версии перекрытий, скажем из профилированного настила, который затем заполняется легкими материалами.
Сэндвич-панель. Поскольку основная нагрузка в здании из металла ложится на каркас, внешние стены можно строить из самых разных материалов, делая ставку, скажем, на легкость. Ограждающие конструкции обычно делают из кирпича, газосиликатных блоков, ячеистого бетона. Но есть и чисто стальное решение с кулинарным названием – сэндвич-панель. Как и сэндвич, она состоит минимум из трёх слоев – двух стальных гофрированных оболочек и утеплителя между ними. Крепить такие панели можно как к каркасу, так и к фахверкам стены.
Ферма. Венчает металлокаркасное здание (не всякое, но многие) конструкция под названием «ферма». К сельскому хозяйству она отношения не имеет – название происходит от французского ferme, восходящего к латинскому firmus – «прочный». Ферма – это система прямых стержней, соединенных в определенных узлах между собой. Ее сооружают для особых нагрузок, к примеру, для кровли или железнодорожного моста. В первом случае ферма должна удерживать большой вес крыши и снега над помещением с большой площадью.

Есть контакт: как соединяют металлоконструкции здания
В средние века стальные конструкции соединялись «замками», то есть изначально каждый элемент изготавливался с пазом или другими механизмами для контакта с себе подобными, как, к примеру, бревна для сруба. После XVIII века начали использовать болты и заклепки. Такой способ соединения конструкций из металла преобладал до XX века. К примеру, на заклепочном соединении построены первые американские небоскребы («Крайслер-Билдинг», «Эмпайр-Стэйт-Билдинг»). Но проблема этой технологии была в том, что для внедрения каждого элемента требовался труд трёх рабочих – один нагревает заклепку до пластичного состояния, другой вставляет её в отверстие, третий формует её конец. Да и 100-процентную прочность они не гарантировали. К примеру, «Титаник» получил в 1912 году пробоины не из-за разрыва листов айсбергом, а из-за слабости кованных заклепок, которыми они скреплялись.
Сварный шов. Поэтому в XX веке стальные конструкции зданий начали скреплять в основном сваркой, при которой связь между элементами устанавливается на молекулярном уровне. При этом образуется сварный шов – часть соединения, формируемая кристаллизацией металла. Говоря проще, это сплав металла электрода, сварочной проволоки и металла соединяемых деталей.

«Сравнение строительства здания из металлических изделий с конструктором вполне отражает плюсы этой технологии, – комментирует Григорий Ваулин, генеральный директор ГК «Ферро-Строй». – Конструктор можно собирать где угодно – и это справедливо для зданий из металлокаркаса, которые поставляют готовыми комплектами на стройплощадку и их строительство не требует «мокрых» работ. Конфигурацию конструктора можно менять как угодно в зависимости от фантазии – то же самое и с постройками из стали, которые можно адаптировать к любому архитектурному проекту. Конструктор легко разобрать – и здания из металла также легко демонтировать и утилизировать, отправив в переработку сталь. Всё это делает здания на металлокаркасе очень перспективным направлением развития строительства в России».