Заміна бетону на металоконструкції

Автор статті: Світлана Горощук, фахівець відділу з планування запасів,

Управління комерційного сервісу ТОВ "МЕТІНВЕСТ-СМЦ"

У цивільному та промисловому будівництві використовуються різні будматеріали, основними з яких є бетон і сталь, а також вироби з них.

Бетон і залізобетон

Бетон – кам'яний штучний матеріал, що отримується з суміші сполучної речовини, цементу, з піском, водою та іншими спеціальними добавками. Клас «В» визначає його міцність на стиск, марка «М» – межа міцності на осьовий розтяг. Різні добавки дозволяють регулювати консистенцію бетону, збереження його властивостей при транспортуванні та кінетику затвердіння, а також визначають:

• водонепроникність;
• морозостійкість і вогнестійкість;
• корозійну стійкість.

Бетон стійкий до стиснення, але відносно крихкий, тому що погано працює на розтяг. Для підвищення його стійкості до розтягування і для запобігання утворенню тріщин в зонах розтягування використовується метод з'єднання бетонних сумішей зі сталлю. Така комбінація двох різних по фізичній природі матеріалів дозволила створити новий будматеріал – залізобетон. Людство стало його використовувати починая з середини XIX століття і продовжує широко застосовувати сьогодні. Сталеві армируючі елементи збільшують опір бетонних шарів розтягуванням і динамічним навантаженням.

За способом виготовлення розрізняють залізобетон:

• монолітний, одержуваний шляхом заливання сталевої арматури бетонним розчином прямо на будмайданчику;
• збірний, коли складові ЗБК виготовляються в заводських умовах і після доставлення на об'єкт використовуються при будівництві.

Конструкції із залізобетону застосовуються при зведенні багатоповерхових будинків, спортивних комплексів, виробничих будівель, торгових центрів та інших споруд.

Переваги бетону та залізобетону

1. Стійкість до динамічних і статичних навантажень.
2. Довговічність, бетонні конструкції зберігають механічну міцність протягом 50 ÷ 100 років.
3. Морозостійкість, завдяки якій ці будматеріали не змінюють своїх міцнісних якостей при температурних коливаннях.
4. Водонепроникність монолітних елементів. Вона досягається шляхом використання спеціальних добавок, що збільшують щільність та перешкоджають утворенню пустот при затвердінні.
5. Вогнестійкість. Термічне руйнування цього штучного каменю починається при +550°С.
6. Доступність, так як дані будматеріали є відносно недорогими.

Недоліки бетону та залізобетону

1. Велика вага, що відбивається на вартості споруд та приводить до необхідності створення масивних фундаментів.
2. Невисока міцність ЗБК в порівнянні з масою.
3. Низькі теплоізоляційні властивості, що обумовлюють необхідність утеплення будівель.
4. Висока звукопровідність, наслідком якої є створення додаткової ізоляції розділових стін й перекриттів.
5. Низька повітропроникність ЗБК, що визначає більш складний підхід до створення систем вентиляції.
6. Енерговитратне виробництво, яке збільшує порядок вартості продукції.
7. Підвищена трудомісткість. При виготовленні монолітних і напружених залізобетонних конструкцій необхідно залучати кваліфікованих фахівців і спецтехніку.
8. Складність в проведенні демонтажу, посиленні або зміні конструкційних елементів.
9. Низька швидкість робіт. Будівництво бетонних споруд безпосередньо залежить від виробництва на заводі, умов транспортування і термінів доставки бетону і ЗБК на будмайданчик, а також від погодних умов.
10. Низька екологічність, складність переробки та вторинного використання матеріалів.

Порівняння бетону та сталі в будівництві

На сьогодні основними будматеріалами, використовуваними в Україні, є сталь і бетон. Вони мають кілька схожих функціональних характеристик, але їх конкурентні переваги сильно різняться. Ключова відмінність пов'язана з технологією і організацією самого процесу будівництва.

Робота з бетоном вимагає наявності спеціальної техніки та кваліфікованих робітників. Дуже важливо близьке розташування бетонного виробництва до споруджуваного об'єкта. Через велику масу ЗБК доставлення на будмайданчик вимагає додаткових фінансових витрат. Виробництво залізобетонних виробів є енергоємним процесом, тому їх ціна сильно залежить від вартості електроенергії. Технології будівництва із використанням бетону та залізобетону характеризуються низькою швидкістю зведення об'єктів і невисокою продуктивністю через вимушені простої й невелику технологічность ЗБК.

Альтернативою бетону як будівельного матеріалу є сталь. Прості та складні металоконструкції з неї набувають все більшого значення в Україні при будівництві виробничих цехів, торгових і офісних центрів, складів, ангарів, малоповерхових приватних будинків.

Основними перевагами використання металоконструкцій в порівнянні з бетонними і залізобетонними є:

1. Висока швидкість зведення об'єктів. Завдяки використанню повнозбірних м / к ефективність роботи збільшується до 70%.
2. Технологічність. Сталеві елементи можна зварювати, гнути, клепати, різати як на заготівельній ділянці, так і безпосередньо на проммайданчику.
3. Компактність й відносно менша вага. Сталеві елементи і каркаси легше, ніж ЗБК. Це знижує навантаження і витрати на фундамент споруди та мінімізує вартість доставлення.
4. Ефективність конструкторських рішень. Сталевий прокат дозволяє створювати збірно-розбірні перегородки і довгі прольоти без внутрішніх колон.
5. Можливість проведення демонтажу та заміни елементу металоконструкції, повного перепланування внутрішнього простору.
6. Довговічність споруд, що дозволяє використовувати будівлі для нових функцій. 
7. Фінансові переваги. Низька трудомісткість, можливість проведення робіт у будь-який час року й без використання спеціального обладнання – все це знижує собівартість об'єкта.

До недоліків застосування металоконструкцій, як будматеріалу, можна віднести:

1. Вартість. Сталь дорожче бетону, тому металеві компоненти збільшують собівартість споруди.
2. Відносно невисока корозійна стійкість. Антикорозійний захист обумовлює за собою додаткові кошторисні витрати.
3. Задовільна вогнестійкість. При пожежі, точніше при температурах вище + 480°С, сталеві профілі деформуються, а застосування вогнезахисних покриттів спричиняє подорожчання металоконструкцій.

Види металоконструкцій

• Будівельні. Це конструкції, що витримують силові навантаження: несучі стіни, колони, балки, фундаменти, перекриття, покриття та інше.

• Мостові. Застосовуються для зведення залізничних і автомобільних мостів, шляхопроводів і естакад. До них відносяться прольоти мостів і їх складові частини: опори, балки, ферми і так далі.

• Огороджувальні. Використовуються для створення зовнішної частини будівель (в тому числі несучіх елементів), а також внутрішніх перекриттів й покриттів, стін, несучих перегородок, вуличних огорож.

• Ємності з металу. Резервуари, вежі водонапірні, газгольдери та інші ємнісні споруди.

• Опори ЛЕП, вежі, щогли мобільного зв'язку та інші ретранслюють об'єкти.

• Інфраструктурні. Застосовуються в інфраструктурному (нежитловому) секторі. В Україні це в основному піші доріжки і автостради, де огорожі виконуються з сталепрокату.

• ЛСТК (легкі сталеві тонкостінні конструкції). Це металеві профілі з товщиною стінки до 2,0 мм. Виготовляються переважно зі сталі з цинковим покриттям. Застосовуються для швидкомонтованих комерційних та побутових об'єктів. Їх металокаркаси поділяються на два види: рамні та панельні металлокаркаси.
• Профнастил. Це профільований лист. Його використовують для створення зовнішніх огороджень, облицювання стін, навісних фасадів і як покрівельний матеріал.

• Зварна балка. Конструктивний профіль, зварений із сталевих листів. Є аналогом гарячекатаної балки за формою, розмірами і механічними параметрами. Тільки в порівнянні з г/к профілем вона легше, але в той же час має високий коефіцієнт запасу міцності.

• Гофробалка. Легка зварна балка, що має хвилясту профільовану стінку, приварену до сталевих полицях. Її застосування дозволяє зменшити металоємність конструкції без зміни її несучої здатності.

• Інші металоконструкції. До цієї категорії відносяться гаражі, гаражі-футляри, садові будиночки, секції огорожі, решітки на вікна, металеві двері для квартир, та інше.

За способом виготовлення і збірки м/к підрозділяються на зварні, ковані, болтові, клепані, штамповані, комбіновані.

У сучасній архітектурі металоконструкції знайшли широке застосування. Вони використовуються в промисловому і цивільному будівництві, в мостобудуванні і в містобудуванні, при зведенні і реконструкції тваринницьких комплексів, офісів, складських та торгових приміщень та інших споруд різного призначення.

Світові практики будівництва: чому у них сталь, а у нас бетон

Будівельний сектор лідирує за темпами зростання серед усіх видів економічної діяльності в Україні і багато років бетон був домінуючим матеріалом галузі. Але, починаючи з 2016 року, в країні спостерігається зростання споживання металу в секторі торговельної та офісної нерухомості й зберігається статус-кво в промисловому і житловому будівельному сегменті. Частка конструкційної сталі в каркасах комерційних багатоповерхових будівель і раніше залишається низькою і становить приблизно 25% (дані УЦСБ). Для порівняння: в тій же Великобританії цей показник сягає близько 70%, а в США – майже 55%. Основними причинами низької частки застосування м/к в будівництві об'єктів комерційної нерухомості в Україні є:

• мала поінформованість спеціалістів про переваги сталевих конструкцій;
• забудовники досі стереотипно враховують рентабельність квадратного метра, а не розраховують окупність всього проекту;
• учасники ринку мають слабке розуміння про вартість сталевого каркаса і його впливу на окупність;
• бетон і залізобетон вважаються доступними та відносно недорогими будматеріалами.

Європейський досвід доводить всі переваги будівництва з використанням сталі, описані вище, справедливі, а також демонструє ефективні рішення багатьох технічних проблем при проектуванні та зведенні комерційних будівель. наприклад:

• Застосування довгопрольотної схеми (15 м від ядра жорсткості) без колон на поверсі. Таке конструктивне рішення є стандартом при будівництві ділових центрів за кордоном і дозволяє скоротити часовий період робіт на 20% в порівнянні з короткопрольотною схемою з монолітного бетону. Зменшення термінів дозволяє знизити витрати на створення об'єкта капбудівництва і мінімізувати витрати на фасади, інженерні мережі, що дає можливість згенерувати додатковий грошовий потік, забезпечити швидке повернення інвестицій, заощадити відсотки по кредитах.

• Використання конструкцій зі сталі знижує вагу споруди, в результаті чого витрата будматеріалів на фундамент скорочується на 20-30%. Сталеві будівлі дешевше бетонних монолітних аналогів на 5-7%.
• Застосування просторових м/к дозволяє втілити будь-які стилістичні та конструктивні рішення. Бо не дарма сьогодні сталь у всьому світі є синонімом сучасної архітектури.

Вестибюль лондонського залізничного вокзалу King’s Cross, Лондон, Англія

• Використання в якості перекриттів композитних конструкцій з ЗБ плит і сталевих балок. Це визначає жорсткість і надійність несучих елементів, дає можливість перекриття прольотів до 6 метрів без проміжних колон, знижує витрати на будматеріали за рахунок невеликої висоти перекриття і вбудованих в перекриття балок. 
• Застосування каркасів з ЛСТК в несучих зовнішніх стінах будівель, в утепленні фасадів, в системах міжповерхового перекриття та сталевий ферми покриття. Використання ЛСТК дозволять отримати економічно рентабельні будівлі в короткі терміни і виконувати стінові панелі будь-яких габаритів і для різних навантажень, створювати отвори різних розмірів і конфігурацій.
• Застосування м/к в несучих каркасах у вигляді сталезалізобетонних елементів і плити профільованим настилом, конструкції з залізобетонної плити і вбудованої сталевої балки. Для несучих елементів будівлі можуть бути використані різноманітні будматеріали та способи будівництва. Застосування сталевих каркасів дозволяє значно знизити тривалість робіт за рахунок попереднього виготовлення і монтажу елементів, досягати великої висоти і підвищеної несучої спроможності споруди при малій вазі. Великі прольоти балок і плит дають можливість для вільного планування і варіативного розміщення внутрішніх стін. Ці переваги сталевої несучої конструкції ведуть до збільшення рентабельності об'єкта капбудівництва.
• Застосування рамних і панельних металлокаркасов ЛСТК дозволяє скоротити терміни будівництва на 30-40%, а зведення будівель із застосуванням модульних і каркасно-модульних систем здійснюється на 60-70% швидше, ніж при традиційних будівельних технологіях. Модульні конструкції складаються з однотипних секцій, що виготовляються в заводських умовах. У порівнянні зі звичайними спорудами будівлі модульного типу мають множинні переваги: інтенсивні темпи робіт, високу якість збірних блоків і конструкцій в цілому, монтаж, що не залежить від погодних умов. А також можливість додавання до модульної будівлі додаткових секцій та спрощене проведення демонтажу, перевстановлення та переобладнання. Герметичність і теплоефектівність, відмінна волого- і морозостійкість, інертність до усадки стиснення. Економія витрат і часу будівництва, що досягаються завдяки використанню легких тонкостінних профілів. Зараз також широко використовуються каркасно-модульні будівельні технології. Це комбіноване використання готового сталевого каркаса і окремих блоків будівлі на встановленій ділянці без залучення великогабаритної техніки.

• Застосування в домобудівництві металевих огороджувальних елементів у фасадному оформленні, а також використання сталевого каркаса в системах покрівлі. Огороджувальні конструкції складають зовнішню оболонку будівлі або розділяють її на окремі приміщення. Спираються на фундамент або перекриття, а легкі конструкційні елементи з тонкостінних металевих профілів кріпляться до стіни. Огороджувальні конструкції сприймають зовнішні впливи навколишнього середовища і вітру, оберігають внутрішні приміщення від температурних перепадів, вологи, шуму, радіації та інших факторів природного характеру. Сталевий каркас використовується для виготовлення різних покрівельних систем, наприклад, прогонів, систем збірних касетних дахів.

З прикладами застосування сталевих конструкцій у світовій практиці будівництві житлових і громадських будівель можна ознайомить тут.