Статья представляет сравнительный анализ работы стальных и алюминиевых стоечно-ригельных систем в строительстве. Проводится исследование, сравнивая основные характеристики, преимущества и недостатки обоих материалов. Значительное внимание уделяется прочности, прогибу, массе и стоимости каждого типа каркаса.

Ключевые слова: сталь, алюминий, каркас, витраж, стока, ригель, материалы, конструкции.

The article presents a comparative analysis of the operation of steel and aluminum rack-and-crossbar systems in construction. A study is conducted comparing the main characteristics, advantages and disadvantages of both materials. Considerable attention is paid to the strength, deflection, weight and cost of each type of frame.

Keywords: ste el, aluminum, frame, stained glass , stand, bolt, materials, structures .

Введение

Аналитические исследования российского рынка показывают, что в 2024 году было произведено 32 млн кв. м СПК из ПВХ, 11,7 млн кв. м изделий из алюминия и 1,3 млн кв. м изделий из других материалов [1]. Но на данный момент в структуре рынка, доля СПК из алюминия и стали активно наращивают свою долю. В 2020 году объем выпуска изделий из ПВХ превосходил объемы выпуска СПК из алюминия и стали в 4 раза, но в 2024 году это превосходство сократилось до 2,7 раз [1].

Динамичное развитие индустрии СПК обуславливает экспоненциальное увеличение числа субъектов производственной деятельности в данном сегменте рынка. В контексте усиливающейся конкурентной борьбы детерминирующим фактором рыночного позиционирования становится квалитативный параметр выпускаемой продукции, который находится в прямой корреляции с соблюдением технологических регламентов производства стального и алюминиевого каркасов [2, 3].

Целью статьи является изучение особенностей материалов стоечно-ригельных систем.

Стальные и алюминиевые светопрозрачные конструкции

Современные архитектурные решения, базирующиеся на стальных и алюминиевых фасадных системах, предоставляют расширенный функционал для имплементации как вертикальных, так и горизонтальных остекленных конструкций. Благодаря прецизионным технологиям сварочного производства достигается возможность изготовления элементов повышенной геометрической сложности и нестандартной конфигурации.

При анализе механических свойств фасадных систем выявлено, что конструкции, комбинирующие сталь и стекло, демонстрируют оптимальные показатели при имплементации крупноформатного остекления. Модуль упругости стали, превосходящий аналогичный показатель алюминия в троекратном размере, обеспечивает значительно повышенную несущую способность профилей идентичного поперечного сечения.

Данное преимущество обусловлено физико-механическими характеристиками стали как свариваемого материала с высоким коэффициентом прочности, что позволяет конструкциям выдерживать существенные нагрузочные воздействия. Дополнительным техническим достоинством является отсутствие визуально различимых винтовых соединений в области стыковки профильных элементов, базовых оснований и угловых конструктивных узлов.

Повышенные прочностные характеристики стальных элементов обеспечивают возможность проектирования конструкций с увеличенными интервалами между несущими стойками и ригелями, что обуславливает формирование обширных остекленных поверхностей. Данное свойство способствует не только минимизации расхода конструкционных материалов, но и значительному повышению коэффициента светопропускания архитектурной системы.

Основная проблема применения стальных каркасов — малая огнестойкость и подверженность коррозии стали — обуславливает необходимость дополнительных затрат на защиту конструкций [4, 5]. Применение огнезащитных покрытий, использование спринклерных установок может несколько снизить эти затраты [4].

Наиболее распространенный материал в архитектурно-строительной практике для остекления внутренних и наружных пространств зданий являются сборные стоечно-ригельные конструкции из алюминиевого сплава. Данные системы характеризуются минимальной нагрузкой на фундаментальные элементы сооружения благодаря использованию тонких и легковесных рамочных профилей.

Витражное остекление с использованием алюминиевого профиля характеризуется рядом существенных преимуществ. Акустическая и термическая изоляция достигает высоких показателей даже при использовании «холодных» систем, что обусловлено наличием воздушного интервала между стеклянными элементами и интеграцией эластичных уплотнительных компонентов в профильную структуру [6].

Существенным преимуществом данных конструкций является их относительно низкая масса по сравнению с аналогичными стальными элементами, что оптимизирует нагрузку на несущие конструкции здания. Материалы, используемые в данных системах — алюминий и стекло — характеризуются негорючестью, что обеспечивает полное соответствие нормативным требованиям пожарной безопасности как в жилищном, так и в промышленном строительстве.

Экономический анализ систем витражного остекления выявляет значительные финансовые затраты на приобретение компонентов и инсталляционные работы как основной лимитирующий фактор их широкого внедрения. Тем не менее, современные технологические решения, основанные на принципе модульности конструктивных элементов, демонстрируют потенциал для оптимизации временных параметров монтажного процесса.

Рис. 1. Влияние материала на монтажную глубину стойки

Для показанного выше примера (рис. 1) фасада, область стены в соответствии со стандартом EN 1991, с вымышленным местоположением в Берлине и действующими там ветровыми нагрузками (ветровая зона 2) в зависимости от материала получается следующая монтажная глубина профилей стойки:

Рис. 2. Влияние материала на монтажную глубину стойки

Испытание стальной и алюминиевой стоечно-ригельной системы

Были нагружены два каркасов стоечно-ригельных систем из сплавов Ст3пс и АД31Т.

Исходные данные:

Стойка: 150х50х4 мм

W _х = 53,88 см ³ ; W _y = 27,43 см ³ ;J _х = 404,1 см ⁴ ; J _y = 68,57 см ⁴

Ригель: 50х50х3

W _х = 8,34 см ³ ; W _y = 8,34 см ³ ;J _х = 20,85 см ⁴ ; J _y = 20,85 см ⁴

Шаг стоек: 1,5 м

Шаг ригелей: 2 м

Район строительства г. Москва;

Тип местности В;

Размеры витража между точками закрепления 5,6 м;

Количество ригелей приходящихся на стойку 3 шт.;

Общая толщина стекла 16 мм;

Масса прижимной планки 0,36 кг/п.м;

Масса крышки 0,225 кг/п.м;

Высота расположения конструкции до 20 м.

Рис. 3. Расчетная схема

Рис. 4. Мозаика перемещений по Y Ст3пс

Максимальное перемещение стального каркаса по Y составило 2,32 мм.

Удовлетворяет условию прогиба с большим запасом.

Рис. 5. Мозаика перемещений по Y АД31Т

Максимальное перемещение стального каркаса по Y составило 5,37 мм.

Удовлетворяет условию прогиба.

Заключение

Произведен расчет светопрозрачных систем в ЛИРА-САПР в различных комбинациях и нагрузках. Произвели оценку соответствия результатов расчетного обоснования каркасов светопрозрачной системы из алюминиевого и стального каркаса. Составили аналитический расчет о результатах расчетного обоснования.

При одинаковом сечении профилей — стойка 150х50х4 мм и ригель 50х50х3 мм, оба профиля проходят по условиям прогиба и прочности.

По результатам статического расчета, фактический прогиб алюминиевого профиля составил составил .

Фактический прогиб стойки из стального профиля составил составил . В то время как максимально допустимый прогиб . При исходных данных уменьшение сечения стойки алюминиевого профиля недопустимо. Стальной профиль имеет запас по прогибу и позволяет уменьшить сечение профиля. Из условий прочности оба профиля проходят с большим запасом.

По результатам расчета можно сделать вывод, что стальные фасады являются более экономичными, чем фасады из других материалов, особенно с однопролетными балками > 5 м и шириной пролета > 2,5 м. Это позволяет значительно сэкономить стоимость на затратах по материалам для витражных систем.

Литература:

1. Российский рынок светопрозрачных конструкций: аналитический отчет / Аналитический центр «СтройЭксперт». — М., 2024. — 45 с.
2. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23–81*). — М.: Минстрой России, 2017. — 156 с.
3. ГОСТ 22233–2001 «Профили прессованные из алюминиевых сплавов. Технические условия». — М.: Стандартинформ, 2001. — 24 с.
4. СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты». — М.: МЧС России, 2020. — 89 с.
5. ГОСТ 9.908–85 «Единая система защиты от коррозии и старения. Методы определения показателей коррозии и химической стойкости». — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 18 с.
6. Шубин И. Л. Акустика фасадных систем / И. Л. Шубин // Строительные материалы. — 2022. — № 5. — С. 34–39.