Замена бетона на металлоконструкции

Автор статьи: Светлана Горощук, специалист отдела по планированию запасов,

Управление коммерческого сервиса ООО "МЕТИНВЕСТ-СМЦ"

В гражданском и промышленном строительстве используются разные стройматериалы, основными из которых являются бетон и сталь, а также изделия из них.

Бетон и железобетон

Бетон – каменный искусственный материал, получаемый из смеси связующего вещества, цемента, с песком, водой и другими специальными добавками. Класс «В» определяет его прочность на сжатие, марка «М» – предел прочности на осевое растяжение. Различные добавки позволяют регулировать консистенцию бетона, сохранность его свойств при транспортировке и кинетику затвердевания, а также определяют:

• водонепроницаемость;
• морозостойкость и огнестойкость;
• коррозионную стойкость.

Бетон стоек к сжатию, но относительно хрупок, так как плохо работает на растяжение. Для повышения его устойчивости к растяжению и для предотвращения образования трещин в зонах растяжения используется метод соединения бетонных смесей со сталью. Такая комбинация двух разных по физической природе материалов позволила создать новый стройматериал – железобетон. Человечество стало его использовать начиная с середины XIX века и продолжает широко применять сегодня. Стальные армирующие элементы увеличивают сопротивление бетонных слоев растяжению и динамическим нагрузкам.

По способу изготовления различают железобетон:

• монолитный, получаемый путем заливки стальной арматуры бетонным раствором прямо на стройплощадке;
• сборный, когда составные ЖБК изготавливаются в заводских условиях и после доставки на объект используются при строительстве.

Конструкции из железобетона применяются при возведении многоэтажных домов, спортивных комплексов, производственных зданий, торговых центров и других сооружений.

Преимущества бетона и железобетона

1. Стойкость к динамическим и статическим нагрузкам.
2. Долговечность, бетонные конструкции сохраняют механическую прочность в течение 50 ÷ 100 лет.
3. Морозостойкость, благодаря которой эти стройматериалы не меняют своих прочностных качеств при температурных колебаниях.
4. Водонепроницаемость монолитных элементов. Она достигается путем использования специальных добавок, увеличивающих плотность и препятствующих образованию пустот при затвердевании.
5. Огнестойкость. Термическое разрушение этого искусственного камня начинается при +550°С.
6. Доступность, так как данные стройматериалы являются относительно недорогими.

Недостатки бетона и железобетона

1. Большой вес, что отражается на стоимости сооружений и приводит к необходимости создания массовных фундаментов.
2. Невысокая прочность ЖБК по сравнению с массой.
3. Низкие теплоизоляционные свойства, обуславливающие необходимость утепления зданий.
4. Высокая звукопроводимость, что влечет создание дополнительной изоляции разделительных стен и перекрытий.
5. Низкая воздухопроницаемость ЖБК, определяющая более сложный подход к созданию систем вентиляции.
6. Энергозатратное производство, увеличивающее порядок стоимости продукции.
7. Повышенная трудоемкость. При изготовлении монолитных и напряженных железобетонных конструкций необходимо привлекать квалифицированных специалистов и спецтехнику.
8. Сложность в проведении демонтажа, усилении или изменении конструкционных элементов.
9. Низкая скорость работ. Строительство бетонных сооружений напрямую зависит от производства на заводе, условий транспортировки и сроков доставки бетона и ЖБК на стройплощадку, а также от погодных условий.
10. Низкая экологичность, сложность переработки и вторичного использования материалов.

Сравнение бетона и стали в строительстве

На сегодняшний день основными стройматериалами, используемыми в Украине, являются сталь и бетон. Они имеют несколько схожих функциональных характеристик, но их конкурентные преимущества сильно разнятся. Ключевое отличие связано с технологией и организацией самого процесса строительства.

Работа с бетоном требует наличия специальной техники и квалифицированных рабочих. Очень важно близкое расположение бетонного производства к строящемуся объекту. Из-за большой массы ЖБК доставка на стройплощадку требует дополнительных финансовых затрат. Производство железобетонных изделий является энергоемким процессом, поэтому их цена сильно зависит от стоимости электроэнергии. Технологии строительства с использованием бетона и железобетона характеризуются низкой скоростью возведения объектов и невысокой производительностью из-за вынужденных простоев и небольшой технологичности ЖБК.

Альтернативой бетону как строительному материалу является сталь. Простые и сложные металлоконструкции из нее приобретают все большее значение в Украине при строительстве производственных цехов, торговых и офисных центров, складов, ангаров, малоэтажных частных домов.

Основными преимуществами использования металлоконструкций по сравнению с бетонными и железобетонными являются:

1. Высокая скорость возведения объектов. Благодаря использованию полносборных м/к эффективность работы увеличивается до 70%.
2. Технологичность. Стальные элементы можно сваривать, гнуть, клепать, резать как на заготовительном участке, так и непосредственно на промплощадке.
3. Компактность и относительно меньший вес. Стальные элементы и каркасы легче, чем ЖБК. Это снижает нагрузку и затраты на фундамент сооружения и минимизирует стоимость доставки.
4. Эффективность конструкторских решений. Стальной прокат позволяет создавать сборно-разборные перегородки и длинные пролеты без внутренних колонн.
5. Возможность проведения демонтажа и замены элемента металлоконструкции, полной перепланировки внутреннего пространства.
6. Долговечность сооружений, что позволяет использовать здания для новых функций. 
7. Финансовые преимущества. Низкая трудоемкость, возможность проведения работ в любое время года и без использования специального оборудования – все это снижает себестоимость объекта.

К недостаткам применения металлоконструкций в качестве стройматериала можно отнести:

1. Стоимость. Сталь дороже бетона, поэтому металлические компоненты увеличивают себестоимость сооружения.
2. Относительно невысокая коррозионная стойкость. Антикоррозионная защита влечет за собой дополнительные сметные расходы.
3. Удовлетворительная огнестойкость. При пожаре, точнее при температурах выше +480°С, стальные профили деформируются, а применение огнезащитных покрытий ведет к удорожанию металлоконструкций. 

Виды металлоконструкций

• Строительные. Это конструкции, выдерживающие силовые нагрузки: несущие стены, колонны, балки, фундаменты, перекрытия, покрытия и прочее.

• Мостовые. Применяются для возведения железнодорожных и автомобильных мостов, путепроводов и эстакад. К ним относятся пролеты мостов и их составные части: опоры, балки, фермы и так далее.

• Ограждающие. Используются для создания наружной части здания (в том числе несущих элементов), а также внутренних перекрытий и покрытий, стен и несущих перегородок, уличных ограждений и т.д.

• Емкости из металла. Резервуары, башни водонапорные, газгольдеры и другие емкостные сооружения.

• Опоры ЛЭП, башни, вышки мобильной связи и прочие ретранслирующие объекты.

• Инфраструктурные. Применяются в инфраструктурном (нежилом) секторе. В Украине это в основном пешие дорожки и автострады, где ограждения выполняются из сталепроката.

• ЛСТК (легкие стальные тонкостенные конструкции). Это металлические профили с толщиной стенки до 2,0 мм. Изготавливаются преимущественно из стали с цинковым покрытием. Применяются для быстровозводимых коммерческих и бытовых объектов. Их металлокаркасы подразделяются на два вида: рамные и панельные металлокаркасы.
• Профнастил. Это профилированный лист. Его используют для создания наружных ограждений, облицовки стен, навесных фасадов и как кровельный материал.

• Сварная балка. Конструктивный профиль, сваренный из стальных листов. Является аналогом горячекатаной балки по форме, размерам и механическим параметрам. Только по сравнению с г/к профилем она легче, но в то же время имеет высокий коэффициент запаса прочности.

• Гофробалка. Легкая сварная балка, имеющая волнистую профилированную стенку, приваренную к стальным полкам. Ее применение позволяет уменьшить металлоемкость конструкции без изменения ее несущей способности.

• Прочие металлоконструкции. К этой категории относятся гаражи, гаражи-футляры, садовые домики, секции ограждений, решетки на окна, металлические двери для квартир, и прочее.

По способу изготовления и сборки м/к подразделяются на сварные, кованые, болтовые, клепаные, штампованные, комбинированные.

В современной архитектуре металлоконструкции нашли широкое применение. Они используются в промышленном и гражданском строительстве, в мостостроении и в градостроении, при возведении и реконструкции сельскохозяйственных объектов, офисов, складских и торговых помещений и других сооружений различного назначения.

Мировые практики строительства: почему у них сталь, а у нас бетон

Строительный сектор лидирует по темпам роста среди всех видов экономической деятельности в Украине и многие годы бетон являлся доминирующим материалом отрасли. Но, начиная с 2016 года, в стране наблюдается рост потребления металла в секторе торговой и офисной недвижимости и сохраняется статус-кво в промышленном и жилищном строительном сегменте. Доля конструкционной стали в каркасах коммерческих многоэтажных построек по-прежнему остается низкой и составляет приблизительно 25% (данные УЦСС). Для сравнения: в той же Великобритании этот показатель достигает около 70%, а в США – почти 55%. Основными причинами низкой доли применения м/к в строительстве объектов коммерческой недвижимости в Украине являются:

• малая осведомленность специалистов о преимуществах стальных конструкций;
• застройщики до сих пор стереотипно исходят из рентабельности квадратного метра, а не рассчитывают окупаемость всего проекта;
• участники рынка имеют слабое понимание о стоимости стального каркаса и его влияния на окупаемость;
• бетон и железобетон считаются доступными и относительно недорогими стройматериалами.

Европейский опыт доказывает все преимущества строительства с использованием стали, описанные выше, справедливы, а также демонстрирует эффективные решения многих технических проблем при проектировании и возведении коммерческих зданий. Например:

• Применение длиннопролётной схемы (15 м от ядра жесткости) без колонн на этаже. Такое конструктивное решение является стандартом при строительстве деловых центров за рубежом и позволяет сократить временной период работ на 20% по сравнению с короткопролетной схемой из монолитного бетона. Уменьшение сроков позволяет снизить расходы на создание объекта капстроительства и минимизировать затраты на фасады, инженерные сети, что дает возможность сгенерировать дополнительный денежный поток, обеспечить быстрый возврат инвестиций, сэкономить проценты по кредитам.

• Использование конструкций из стали снижает вес сооружения, в результате чего расход стройматериалов на фундамент сокращается на 20-30%. Стальные строения дешевле бетонных монолитных аналогов на 5-7%.
• Применение пространственных м/к позволяет воплотить любые стилистические и конструктивные решения. Ведь не зря сегодня сталь во всем мире является синонимом современной архитектуры.

Вестибюль лондонского железнодорожного вокзала King’s Cross, Лондон, Англия

• Использование в качестве перекрытий композитных конструкций из ЖБ плит и стальных балок. Это определяет жесткость и надежность несущих элементов, дает возможность перекрытия пролетов до 6 метров без промежуточных колонн, снижает затраты на стройматериалы за счет небольшой высоты перекрытия и встроенных в перекрытие балок. 
• Применение каркасов из ЛСТК в несущих наружных стенах зданий, в утеплении фасадов, в системах междуэтажного перекрытия и стальной фермы покрытия. Использование ЛСТК позволят получить экономически рентабельные здания в короткие сроки и выполнять стеновые панели любых габаритов и для различных нагрузок, создавать проемы разных размеров и конфигураций.
• Применение м/к в несущих каркасах в виде сталежелезобетонных элементов и плиты с профилированным настилом, конструкции из железобетонной плиты и встроенной стальной балки. Для несущих элементов здания могут быть использованы разнообразные стройматериалы и способы строительства. Применение стальных каркасов позволяет значительно снизить продолжительность работ за счет предварительного изготовления и монтажа элементов, достигать большой высоты и повышенной несущей способности сооружения при малом весе. Большие пролеты балок и плит дают возможность для свободной планировки и вариативного размещения внутренних стен. Эти преимущества стальной несущей конструкции ведут к увеличению рентабельности объекта капстроительства.
• Применение рамных и панельных металлокаркасов ЛСТК позволяет сократить сроки строительства на 30-40%, а возведение зданий с применением модульных и каркасно-модульных систем осуществляется на 60-70% быстрее, чем при традиционных строительных технологиях. Модульные конструкции состоят из однотипных секций, изготавливаемых в заводских условиях. По сравнению с обычными постройками здания модульного типа имеют множественные преимущества: интенсивные темпы работ, высокое качество сборных блоков и конструкций в целом, монтаж, не зависящий от погодных условий. А также возможность добавления к модульному зданию дополнительных секций и упрощенное проведение демонтажа, переустановки и переоборудования. Герметичность и теплоэффективность, отличная влаго- и морозостойкость, инертность к усадке сжатия. Экономия расходов и времени строительства, достигаемые благодаря использованию легких тонкостенных профилей. Сейчас также широко используются каркасно-модульные строительные технологии. Это комбинированное использование готового стального каркаса и отдельных блоков здания на установленном участке без привлечения крупногабаритной техники. 

• Применение в домостроительстве металлических ограждающих элементов в фасадном оформлении, а также использование стального каркаса в системах кровли. Ограждающие конструкции составляют наружную оболочку здания или разделяют его на отдельные помещения. Опираются на фундамент или перекрытие, а легкие конструкционные элементы из тонкостенных металлических профилей крепятся к стене. Ограждающие конструкции воспринимают внешние воздействия окружающей среды и ветра, предохраняют внутренние помещения от температурных перепадов, влаги, шума, радиации и других факторов природного характера. Стальной каркас используется для изготовления различных кровельных систем, например, прогонов, систем сборных кассетных крыш.

С примерами применения стальных конструкций в мировой практике строительстве жилых и общественных зданий можно можно ознакомиться здесь.