Сейсмостойкость зданий из каркасно-обшивных конструкций с каркасом из стальных холодногнутых оцинкованных профилей

Введение

Свыше 25 % территории Российской Федерации относится к сейсмоактивным районам, при этом значительную площадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8–9 и свыше балльные зоны по шкале MSK-64. Некоторая часть из этих территорий особо привлекательна для освоения, поскольку обладает богатыми запасами природных ресурсов, другая часть территорий представляет собой зоны активного отдыха населения. Несмотря на труднодоступность, сейсмическую опасность, сложные грунтовые и климатические условия, строительство зданий и сооружений в сейсмоактивных районах активно развивается. Развитие данных территорий ставит перед строительной отраслью новые задачи по обеспечению сейсмостойкости зданий и сооружений.

Учитывая вышеуказанные факторы, применение традиционных строительных технологий для определенного класса зданий (малоэтажные и здания средней этажности) является менее рентабельным и привлекательным. В то время как технология строительства из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) обладает рядом преимуществ при строительстве зданий в сейсмоопасных районах, таких как: индустриальность изготовления, отсутствие мокрых процессов на строительной площадке, легкость, долговечность и экономичность. Примеры построенных на территории Российской Федерации зданий из ЛСТК представлены на рис. 1. Однако знания о сейсмическом поведении конструктивных систем зданий на основе ЛСТК по-прежнему ограниченны, что, несомненно, является препятствием к их массовому применению.

1. Конструкции зданий сприменением ЛСТК

Основными конструктивными элементами каркасно-обшивных конструкций по технологии ЛСТК в зданиях являются стены и диски перекрытий (покрытий). Принцип устройства каркасно-обшивной конструкции состоит в том, что элементы каркаса из стальных холодногнутых профилей заполняются эффективным утеплителем и обшиваются плитными материалами с последующей отделкой, и, выполняя совместную работу, образуют таким способом единую конструкцию (стену или перекрытие (покрытие)).

Каркасно-обшивные конструкции стен состоят из вертикальных стоек, расположенных на расстоянии от 300 до 600 мм, концы которых крепятся к направляющим, поддерживающим стойки. Для направляющих и стоек используются холодногнутые профили, изготовленные из оцинкованной стали толщиной до 4 мм. Для строительных конструкций, как правило, применяют следующие типы сечений профилей (рис. 2) [1]:

• С-профиль– холодногнутый профиль, образованный стенкой, двумя полками и двумя отгибами на полках. В зависимости от размера полок С-образные профили могут быть равнополочными и неравнополочными (рис. 2а и 2б соответственно). С-профиль применяется для несущих и ограждающих конструкций, для стоек и балок, элементов ферм и стропил.
• Швеллерообразный профиль– холодногнутый профиль, образованный стенкой и двумя полками, расположенными по одну сторону от стенки под прямым углом (рис. 2в). Используется в качестве направляющей для объединения элементов из С-профилей в общую работу (панель) и последующего их крепления к фундаменту или другим конструкциям. Швеллерообразный профиль запрещается использовать для несущих стоек каркаса стен, в связи с его низкой сопротивляемостью потери устойчивости ввиду отсутствия отгибов на полках.
• Z-профиль– холодногнутый профиль, образованный стенкой и двумя полками, расположенными по разные стороны от стенки. Z-профили могут быть равнополочными и неравнополочными (рис. 2г). Z-профиль применяется, как правило, для прогонов и элементов фахверка, но допускается использовать комбинированные сечения из нескольких Z-профилей для несущих и ограждающих конструкций.
• Σ-профиль– С-образный профиль со стенкой, усиленной сгибом или рифом (рис. 2д и 2е соответственно). Σ-профили могут быть равнополочными и неравнополочными. Применяются для несущих и ограждающих конструкций, для стоек и балок, элементов ферм и стропил. Наличие рифа повышает сопротивление профиля потери устойчивости. Рекомендуется для длинных стоек.
• Ω-профиль (П-образный или шляпный профиль)– холодногнутый профиль, образованный тремя стенками, две из которых одинакового размера и направлены в одну сторону и двумя полками, направленными наружу профиля (рис. 2ж). Как правило, изготавливают равнополочные П-профили, которые применяют для обрешетки и прогонов.

Типовое применение каркасно-обшивных конструкций по технологии ЛСТК в области ненесущих ограждающих конструкций – перегородки, подвесные потолки и фасадные системы (устройство заполнений проемов наружных стен, навесные фасадные панели). Каркасно-обшивные конструкции перегородок, как правило, изготавливаются из C- и швеллерообразных холодногнутых профилей. Направляющие из швеллерообразных профилей крепятся к полу и потолку, а стойки из С-профилей обычно размещаются на расстоянии, равном половине ширины панелей обшивки (обычно не более 600 мм), которые представляют собой гипсокартонные, гипсоволокнистые, цементные и прочие листы, прикрепленные к каркасу из ЛСТК через самонарезающиеся винты. Перегородки, изготовленные из каркасно-обшивных конструкций, могут достигать очень высоких технических характеристик. Например, высота стен может достигать до 12 м, звукоизоляция до 80 дБ, а предел огнестойкости до 120 мин.

Распространенные решения каркасов подвесных потолков из ЛСТК обычно изготавливают по одноуровневой технологии, когда несущие профили расположены в одном уровне (рис. 3а) и по двухуровневой технологии (рис. 3б), когда несущие профили расположены в разных уровнях. В помещениях с ограниченной высотой, как правило, применяется конструктивное решение каркаса потолка из ЛСТК, состоящего из профилей перегородочных систем, которые крепятся не к потолку, а к ограждающим конструкция помещения (стенам) (рис. 3в).

Каркасы из ЛСТК также применяются для изготовления ограждающих конструкций зданий (рис. 4). Основным преимуществом использования ограждающих конструкций из ЛСТК является значительное снижение материальных и трудовых затрат, при этом использование рассматриваемой технологии позволяет сохранять высокие качественные и эксплуатационные характеристики.

Сопротивление сейсмическому воздействию конструкций из ЛСТК обеспечивается с помощью различных систем: крестообразной связи из стальных лент (рис. 5а), панелей наружной и внутренней обшивок (рис. 5б), смешанные решения, совмещающие применение связей и панелей обшивок.

В каркасных конструкциях стен из ЛСТК с крестообразными связями рассеивание энергии сейсмического воздействия происходит за счет деформирования (растяжение–сжатие) связей и развития в них пластических деформаций, в то время как в конструкциях стен из ЛСТК с панелями обшивок, рассеивание энергии сейсмического воздействия происходит за счет деформации соединений обшивок и каркаса, а также повреждения панелей обшивок. При сопротивлении сейсмическим силам оба конструктивных решения испытывают существенное снижение прочности и жесткости.

2. Нормативное регулирование

В настоящее время в России правила проектирования и методы расчета конструкций из ЛСТК регламентируются требованиями СП 260.1325800.2016 «Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов» [3].

В некоторых странах действуют нормативно-технические документы для проектирования зданий из ЛСТК [4, 5]. При этом только в некоторых из них: AISI S400 [6], ASCE 7 [7] и NBCC [8] устанавливают требования к проектированию зданий из ЛСТК для их строительства в сейсмоопасных районах. В Еврокоде по сейсмическому проектированию EN 1998-1 [9] отсутствует отдельный раздел, посвященный проектированию зданий из ЛСТК.

Наиболее развитым нормативно-техническим документом по проектированию зданий из ЛСТК, возводимых в сейсмических районах, является североамериканский стандарт AISI S400 [6]. В частности, AISI S400 [6] регламентирует следующие конструктивные решения с применением ЛСТК: каркасно-обшивные конструкции несущих стен с панелями обшивок из деревянных конструкционных панелей; каркасно-обшивные конструкции несущих стен с панелями обшивок из стального листа; каркасно-обшивные конструкции несущих стен с крестообразными связями из стальных лент; рамные каркасы с болтовыми соединениями (по принципу стальных каркасов на основе горячекатаного металлопроката); каркасно-обшивные конструкции перегородок, обшитые деревянными панелями с одной стороны и гипсокартонными панелями с другой; каркасно-обшивные конструкции перегородок, обшитые гипсокартонными панелями c двух сторон. Для каждого конструктивного решения AISI S400 [6] устанавливает требования к расчету и проектированию конструктивных элементов, а также регламентирует правила конструирования рассеивающих элементов.

3. Результаты выполненных исследований

Экспериментальные исследования по изучению поведения каркасно-обшивных конструкций из ЛСТК под действием сейсмических нагрузок начались в конце 80-х – начале 90-х гг. [10][11]. В последние годы было проведено множество экспериментальных исследований по сейсмостойкости зданий из ЛСТК, как по решениям с обшивками, так и с ленточными стальными связями. Бо́льшая часть этих исследований была сосредоточена на статических испытаниях, в то время как динамические испытания всей конструктивной системы здания с применением ЛСТК были очень редки. В предыдущие годы испытания каркасов из ЛСТК с применением сейсмоплатформ выполнялись в США и Европе, хотя первый эксперимент был проведен в Австралии [12]. В США, в рамках проекта «CFS-NEES» проводились испытания на сейсмоплатформе двухэтажного натурного экспериментального образца здания (рис. 6а), конструкции стен и перекрытий которого были обшиты ориентированно-стружечными плитами (ОСП) [13].

В Италии в рамках европейского проекта «ELISSA» были проведены исследования, включающие испытания на сейсмоплатформе полномасштабного двухэтажного здания (рис. 6б) с облицовкой конструкций стен гипсовыми панелями [14]. В рамках проекта «LAMIEREDIL» [15] была проанализирована сейсмическая реакция двух трехэтажных моделей в масштабе 1:3, выполненных из ЛСТК с ленточными крестообразными связями (рис. 7).

Результаты выполненных исследований полномасштабных фрагментов зданий с применением сейсмоплатформ свидетельствуют о целесообразности учета ненесущих и ограждающих элементов и конструкций зданий при расчете и проектировании зданий в сейсмоопасных районах. Учет ненесущих и ограждающих элементов и конструкций при проведении экспериментальных исследований свидетельствовал об увеличении сдвиговой жесткости испытанных образцов фрагментов зданий до 4,5 раза [13][14].

Активные исследования ведутся в области исследования соединений элементов каркаса между собой и в области исследования поведения ненесущих конструкций из ЛСТК [15–19]. На базе Центра исследований сейсмостойкости сооружений (ЦИСС) ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко проведены экспериментальные исследования навесных фасадных панелей производства фирмы ООО «Сен-Гобен Строительная Продукция Рус» при действии динамических нагрузок, моделирующих сейсмические воздействия интенсивностью 7–9 баллов по шкале MSK-64 (рис. 8а). Экспериментальные исследования предусматривали проведение статических и динамических испытаний фасадных панелей. Опытные образцы фасадных панелей были изготовлены из стальных холодногнутых оцинкованных профилей с обшивками из гипсокартонных листов марки «Gyproc Стронг» толщиной 12,5 мм и цементно-стружечных плит марки «Тамак» толщиной 12 мм. При проведении динамических испытаний фасадной панели возбуждение колебаний осуществлялось с помощью вибромашины ВИД-12М, установленной на специальную виброплатформу маятникового типа. Вибромашина ВИД-12М позволяет обеспечить необходимые параметры динамических воздействий на исследуемые образцы в широком диапазоне частот и инерционных нагрузок путем возбуждения механических колебаний платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В процессе испытаний ускорение виброплатформы по данным акселерометров, установленных на ней, изменялось в интервале от 0,7 до 10,9 м/с² в горизонтальном направлении и от 0,1 до 1,6 м/с² в вертикальном направлении. Ускорения контрольных точек образцов по данным акселерометров изменялись в интервале от 0,6 до 13,4 м/с² в горизонтальном направлении и от 0,1 до 1,6 м/с² в вертикальном направлении. По результатам динамических испытаний фасадной панели механическая безопасность, конструктивная целостность и эксплуатационная пригодность системы не были нарушены.

Для оценки сдвигового сопротивления и предельных перекосов фасадных панелей были проведены испытания на сдвиговые статические нагрузки (рис. 8б). По результатам испытаний на статическую нагрузку, при достижении нагрузки N = 15 кН и перемещениях торцевых стенок фасадной панели, равных ~1,4 мм, на образце фасадной панели появились первые трещины с шириной раскрытия 0,1–0,2 мм в местах крепления наружной цементно-стружечной плиты к стальному каркасу фасадной панели. При достижении нагрузки N = 25,35 кН произошло разрушение наружной цементно-стружечной панели в местах ее крепления при помощи самонарезающих винтов к стальному каркасу (рис. 9). При дальнейшем нагружении образца наблюдался рост деформаций при неизменной величине нагрузки.

Специалистами ЦИСС ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко при поддержке Ассоциации развития стального строительства (АРСС) подготовлена и начата обширная программа экспериментальных исследований несущих и ненесущих конструкций зданий из ЛСТК, а также их элементов для улучшения понимания и расширения знаний о сейсмическом поведении несущих и ненесущих конструкций зданий из ЛСТК при действии сейсмических нагрузок. Экспериментальные исследования предусматривают испытания различных типов конструктивных решений несущих стеновых и навесных фасадных панелей, перегородок из ЛСТК с разнообразными видами и комбинациями наружных и внутренних обшивок, а также образца двухэтажного фрагмента здания из ЛСТК на статические и динамические нагрузки, моделирующие сейсмические воздействия.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке нормативно-технических и организационно-методических документов, в частности при подготовке изменений к СП 14.13330.2018 «СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах», в части расчета и проектирования несущих и ненесущих конструкций из ЛСТК, возводимых в сейсмоопасных регионах с расчетной сейсмичностью площадок 7–9 баллов по шкале MSK-64.

Заключение

По результатам краткого обзора проведенных исследований можно сделать следующие ключевые выводы.

На сегодняшний день отсутствие нормативных требований к проектированию каркасов зданий из ЛСТК, возводимых в сейсмоопасных районах, сдерживает ее широкое распространение в строительстве в РФ.

Сейсмическое поведение конструкций зданий из ЛСТК характеризуется существенным снижением прочности и жесткости. На динамическую реакцию всего здания в значительной степени влияют ненесущие и ограждающие элементы и конструкции, что может привести к значительному увеличению поперечной жесткости и сопротивлению сейсмическим воздействиям здания.

Первостепенной задачей будущих исследований является преодоление разрыва между существующими нормативными документами зарубежных стран и нормативными документами России в отношении расчета и проектирования зданий из ЛСТК в сейсмоопасных районах.