Рамный стальной каркас без вертикальных связей

Если честно, когда слышишь про рамный стальной каркас без вертикальных связей, первая мысль — это же проще простого. Колонны, ригели, соединения — и никаких этих раскосов, которые вечно мешают при монтаже оборудования или планировке. Но именно в этой кажущейся простоте и кроется главная ловушка. Многие, особенно те, кто переходит с каркасов с связевым каркасом, недооценивают, куда уходит вся нагрузка от ветра и устойчивости. Она ложится целиком на узлы. И если эти узлы, особенно колонна-фундамент или колонна-ригель, просчитаны впритык, без запаса, — жди проблем. Сам видел, как на одном из объектов под Минском после первой же зимы с сильными ветрами пошли деформации в верхней части колонн. Оказалось, заложили шарнирное опирание там, где нужна была хоть какая-то степень защемления. Это классическая ошибка.

Где это работает, а где — нет: опыт из тепличного хозяйства

Сейчас много говорят о применении таких каркасов в сельхозстроении, особенно для больших пролетов. Вот, к примеру, в проектах для ООО Чэнду Цзюйцан Агротехнологическая Компания мы как раз сталкивались с этой дилеммой. Компания, напомню, занимается комплексными тепличными проектами — от проектирования до монтажа. Их сайт, jcny666.ru, хорошо отражает этот современный подход. Так вот, для многопролетных теплиц ангарного типа идея каркаса без вертикальных связей очень заманчива: максимум свободного пространства, никаких препятствий для техники, светопропускание кровли не нарушается. Но здесь встает вопрос продольной устойчивости.

В одном из наших ранних проектов, еще до плотного сотрудничества с Чэнду Цзюйцан, мы попробовали сделать каркас полностью без связей в стенах и кровле, уперевшись в жесткость рам в поперечном направлении и надеясь на пространственную работу. Расчеты вроде бы сходились. Но при монтаже, еще до обшивки стен сэндвич-панелями, который, кстати, часто выполняет роль диафрагмы жесткости, каркас вел себя как живой. Любое воздействие — и ощущались колебания. Пришлось срочно вносить изменения и добавлять вертикальные связи в торцевых секциях, пожертвовав частью планировки. Это был ценный, хотя и дорогой, урок. Теперь мы всегда закладываем либо связи в крайних ячейках, либо значительно усиливаем фахверковые колонны и ригели, превращая торцевые стены в жесткие диафрагмы.

Кстати, о сэндвич-панелях. Многие проектировщики учитывают их вклад в общую устойчивость, и это правильно. Но здесь нужно быть осторожным с креплением. Если панель прикручена не по всей длине профиля, а точечно, или если профиль сам по себе слабый, — никакой работы на сдвиг она не обеспечит. В расчетах мы этот фактор либо не учитываем вообще, либо вводим понижающий коэффициент. На практике с ООО Чэнду Цзюйцан мы отработали схему крепления панелей к каркасу специальными прокатными профилями с частым шагом саморезов, что в итоге позволило несколько облегчить сам каркас за счет учета работы обшивки. Но это уже требует детальных испытаний и согласований.

Узлы — это все. Где рвется слабое звено

Вернемся к узлам. В рамном стальном каркасе без вертикальных связей критически важны два типа соединений: основание колонны и сопряжение колонны с ригелем. Со вторым часто возникают сложности. Если ригель — это, по сути, продолжение стропильной фермы или сплошностенчатая балка, то узел получается массивным. Нужно обеспечить не только прочность, но и удобство монтажа. Частая ошибка — делать все соединения на монтажных болтах высокой точности, забывая про допуски при изготовлении и установке. В полевых условиях, особенно зимой, собрать такой узел без подгонки — та еще задача.

Мы перешли на комбинированную схему: фланцевое соединение колонны с ригелем на болтах нормальной точности, но с использованием фрезерованных торцов. Это дороже в цеху, но экономит уйму времени и нервов на стройплощадке. Особенно это важно при работе с партнерами вроде Чэнду Цзюйцан, где графики монтажа тепличных комплексов часто очень сжатые из-за сезонности. Задержка в неделю может обернуться потерей целого оборота урожая для заказчика.

Еще один нюанс — фундаменты. При отсутствии связей изгибающие моменты в основании колонн значительно выше. Нельзя просто поставить колонну на анкерные болты и залить бетоном. Нужен тщательный расчет и, часто, устройство жестких стальных башмаков или увеличенных фундаментных блоков. На одном из объектов в Ленинградской области из-за слабых фундаментов (заложенных под нагрузку от каркаса со связями) мы получили неприятный крен крайних колонн после первой зимы. Грунты-то пучинистые. Пришлось усиливать — дорого и грязно.

Материал и прогиб: неочевидные компромиссы

Казалось бы, сталь есть сталь. Но выбор марки и сечения — это всегда баланс. Для ригелей больших пролетов (скажем, те же 24-36 метров в теплицах) иногда выгоднее использовать не сварные двутавры, а фермы. Но ферма — это уже не совсем 'чистый' рамный каркас, это гибрид. Хотя, если вертикальных связей в плоскости фермы нет, а устойчивость обеспечивается жесткостью узлов и работой поясов на продольный изгиб, — формально это подходит под определение. Мы для проектов тепличных комплексов, подобных тем, что проектирует ООО Чэнду Цзюйцан Агротехнологическая Компания, часто идем по этому пути. Ферма позволяет сделать каркас легче и, что важно, проложить внутри коммуникации (вентиляция, освещение).

Но здесь возникает другая головная боль — прогиб. Нормы на теплицы часто более жесткие, чем на промышленные здания. Избыточный прогиб кровли может привести к застою воды, повреждению светопропускающего покрытия. Приходится закладывать строительный подъем, что усложняет изготовление и монтаж. Иногда проще увеличить высоту сечения, пожертвовав немного полезным объемом, но получив запас по жесткости. Это тот самый практический компромисс, который не всегда виден в расчетной модели.

И да, про покрытие. Если это поликарбонат или стеклопакеты, их собственный вес и, главное, реакция на температурные деформации создают дополнительные нагрузки на каркас. Особенно если крепление жесткое. Мы всегда анализируем температурный режим эксплуатации и стараемся использовать скользящие крепления для кровельного материала, чтобы не передавать на каркас лишние усилия. Это мелочь, но она спасает от трещин в углах светопропускающих панелей через пару лет.

Проверка на устойчивость: не только по формуле

Все расчетные программы выдают красивый цветной результат. Но устойчивость каркаса — это еще и вопрос общей пространственной работы. Я всегда советую коллегам: после того как компьютер все посчитал, сделайте простейшую проверку 'на салфетке'. Представьте, что дует боковой ветер. Куда пойдет нагрузка? Как она распределится по рамам? Крайние рамы нагружены больше. А если в середине здания есть поперечная отсечная стена (например, для разделения технологических зон в теплице), то она становится жестким диском, перераспределяющим нагрузку. Это может как помочь, так и навредить, если не учтено.

На практике мы однажды столкнулись с тем, что смонтированный каркас прошел все приемочные испытания, но при эксплуатации, когда внутри теплицы, построенной по проекту, близкому к стандартам Чэнду Цзюйцан, установили тяжелое шпалерное оборудование с динамической нагрузкой (вибраторы для опыления), возникли неучтенные резонансные явления. Каркас 'гулял'. Пришлось экстренно ставить дополнительные связи в нескольких секциях, благо заказчик пошел навстречу. Теперь при проектировании для объектов с внутренним движущимся оборудованием мы закладываем запас по частоте собственных колебаний.

И последнее. Никогда не экономьте на качестве изготовления и антикоррозионной защите. Любая, даже микроскопическая, трещина в сварном шве в одном из ключевых узлов такого каркаса под постоянной переменной нагрузкой (ветер, снег, температурные циклы) — это точка начала разрушения. Особенно в агрессивной среде теплицы с ее высокой влажностью и применением удобрений. Мы для ответственных объектов настаиваем на контроле сварных швов неразрушающими методами и на горячем цинковании несущих элементов. Да, это удорожает проект для ООО Чэнду Цзюйцан Агротехнологическая Компания и их клиентов, но это страхует от куда больших затрат в будущем. В конце концов, теплица строится на десятилетия.

Вместо заключения: простота как высшая сложность

Так что, возвращаясь к началу. Рамный стальной каркас без вертикальных связей — это не упрощение. Это перевод сложности из плоскости видимых элементов (раскосов) в плоскость расчета, изготовления и монтажа невидимых глазу деталей: узлов, фундаментов, материалов. Это вызов для проектировщика и монтажника. Но когда все сделано правильно, с пониманием всех рисков и с запасом, — результат того стоит. Получается легкая, воздушная, но при этом прочная и долговечная конструкция, идеально подходящая для современных сельхозпредприятий, логистических центров или спортивных сооружений. Главное — не обманываться первоначальной простотой идеи. Как показывает практика, в том числе и в сотрудничестве с такими инжиниринговыми компаниями, как Чэнду Цзюйцан, успех кроется в деталях, которые на первый взгляд кажутся мелочами.