Фахверк — это каркас стенового ограждения промышленного или гражданского здания, который воспринимает нагрузки от ветра, массы стеновых панелей и температурных воздействий, передавая их на основные несущие конструкции. В отличие от колонн основного каркаса, элементы фахверка не участвуют в восприятии нагрузок от кровли, мостовых кранов и перекрытий. Грамотный подбор стоек, ригелей и распорок фахверка определяет надёжность ограждающих конструкций, долговечность здания и стоимость монтажных работ.
В данной статье подробно рассмотрены все элементы фахверковой системы: от типов стоек и их привязки к связевому каркасу до методики расчёта на ветровые нагрузки по актуальным нормам. Приведены таблицы типовых сечений, реальные данные по ветровым районам и практические рекомендации для проектировщиков.
Что такое фахверк в промышленном строительстве
Фахверк представляет собой вспомогательный каркас, расположенный в плоскости наружных стен здания. Его основное назначение — обеспечить крепление стеновых ограждающих конструкций (сэндвич-панелей, профилированного листа, кирпичной кладки) и передать действующие на стены нагрузки на фундаменты и основной несущий каркас.
Система фахверка включает три группы элементов:
- Стойки фахверка — вертикальные элементы, устанавливаемые между колоннами основного каркаса с шагом 3–6 м;
- Ригели фахверка — горизонтальные балки, соединяющие стойки между собой и служащие опорами для стеновых панелей;
- Распорки и связи — диагональные и горизонтальные элементы, обеспечивающие пространственную жёсткость фахверковой системы.
Фахверк проектируется для торцевых и продольных стен зданий. На торцевых стенах фахверковые стойки воспринимают значительные ветровые нагрузки, так как площадь торцевой стены может составлять 200–500 м² и более. На продольных стенах ветровая нагрузка частично передаётся на колонны основного каркаса, однако между колоннами при шаге 6–12 м требуются промежуточные стойки фахверка.
Принципиальное отличие фахверка от основного каркаса — отсутствие вертикальных нагрузок от покрытия. Верх стойки фахверка крепится к конструкциям покрытия (стропильной ферме, балке) через скользящее соединение, допускающее вертикальные перемещения. Это исключает передачу нагрузок от провисания кровли на фахверковую стойку и предотвращает её продольный изгиб от случайных усилий.
Стойки фахверка: типы, сечения, расчёт
Стойки — основные несущие элементы фахверковой системы. Они работают как консольные или двухопорные стержни на изгиб от ветровой нагрузки и сжатие от собственного веса стеновых конструкций. По расположению в плане здания различают несколько типов стоек.
Промежуточные стойки
Устанавливаются между колоннами основного каркаса в плоскости продольных и торцевых стен. Шаг промежуточных стоек определяется размерами стеновых панелей и составляет, как правило, 3 или 6 м. При использовании сэндвич-панелей длиной 6 м шаг стоек принимают равным 6 м, что снижает расход металла на фахверк на 30–40% по сравнению с шагом 3 м.
Промежуточные стойки воспринимают ветровую нагрузку с грузовой площади, равной шагу стоек, умноженному на высоту стены. Нижний конец стойки жёстко закреплён на фундаменте (фундаментная плита с анкерными болтами), верхний — шарнирно присоединён к ригелю покрытия через овальные отверстия в фасонке, допускающие вертикальное смещение до 30 мм.
Торцевые стойки
Располагаются в плоскости торцевых стен, где ветровое давление максимально. На торцевых стенах стойки фахверка несут полную ветровую нагрузку без участия колонн основного каркаса (колонны расположены на внутренней оси). Сечения торцевых стоек на 20–40% больше, чем промежуточных, из-за увеличенной грузовой площади и отсутствия промежуточных опор.
Угловые стойки
Устанавливаются в углах здания на пересечении продольных и торцевых стен. Угловые стойки работают на изгиб в двух плоскостях одновременно, воспринимая ветровую нагрузку с двух направлений. Для их изготовления применяются замкнутые профильные трубы квадратного сечения, обладающие одинаковой жёсткостью в обеих плоскостях.
Приколонные стойки
В ряде случаев вместо отдельных фахверковых стоек функцию поддержки стеновых панелей выполняют элементы, приваренные непосредственно к полкам колонн основного каркаса. Такое решение применяется при шаге колонн 6 м и позволяет исключить отдельный фундамент под стойку фахверка.
Ригели фахверка: функции и конструктивные решения
Ригели фахверка — горизонтальные элементы, соединяющие стойки между собой и выполняющие несколько функций: крепление стеновых панелей, раскрепление стоек из плоскости стены и передача горизонтальных нагрузок на основной каркас.
Типы ригелей по расположению
Различают несущие ригели (воспринимающие вес стеновых панелей) и ветровые ригели (работающие на горизонтальные нагрузки). На практике эти функции часто совмещаются. Ригели и прогоны подбираются по условиям прочности и жёсткости.
Шаг ригелей по высоте стены определяется длиной стеновых панелей. При вертикальной раскладке сэндвич-панелей ригели устанавливают у верха и низа стены (цокольный и карнизный ригели). При горизонтальной раскладке панелей ригели размещают через каждые 1,2–1,8 м по высоте, что соответствует ширине типовых панелей.
Цокольный ригель располагается на отметке +0,300…+0,600 м от уровня пола и воспринимает значительные нагрузки от нижних панелей. Карнизный ригель устанавливается у верха стены и, помимо несущей функции, замыкает фахверковую систему в верхнем уровне.
Конструктивные особенности ригелей
Ригели фахверка работают как однопролётные или многопролётные балки на изгиб от веса стеновых панелей и ветрового давления. Пролёт ригеля равен шагу стоек фахверка (3–6 м). Для изготовления ригелей применяют швеллеры № 12–20, равнополочные уголки, а также прямоугольные профильные трубы.
Узел крепления ригеля к стойке — болтовое соединение через фасонку или непосредственное примыкание полки к стенке стойки. При болтовом соединении обеспечивается возможность регулировки положения ригеля при монтаже, что важно для выравнивания плоскости стены.
Особое внимание при проектировании ригелей уделяется их жёсткости. Прогиб ригеля от нормативной нагрузки не должен превышать L/200, где L — пролёт ригеля. При пролёте 6 м допустимый прогиб составляет 30 мм. Превышение этого значения приводит к раскрытию стыков между стеновыми панелями и нарушению герметичности ограждения.
Распорки и связи фахверковых конструкций
Распорки и связи обеспечивают геометрическую неизменяемость фахверковой системы и передачу горизонтальных (ветровых) усилий на основной каркас здания. Без связей фахверковые стойки работали бы как отдельные консольные стержни с минимальной несущей способностью.
В системе фахверка применяются следующие виды связей:
- Вертикальные связи — устанавливаются в плоскости стены между стойками, образуя треугольные или крестовые решётки. Передают ветровую нагрузку от ригелей на фундамент;
- Горизонтальные распорки — связывают фахверковые стойки с колоннами основного каркаса на уровне ригелей, обеспечивая передачу горизонтальных усилий на конструктивную схему здания;
- Диагональные ветровые связи — работают на растяжение и сжатие, воспринимая знакопеременные ветровые нагрузки. Располагаются в крайних панелях фахверка (у колонн основного каркаса).
Схема расстановки связей зависит от высоты здания и шага колонн. При высоте стены до 8 м достаточно одного яруса крестовых связей. При высоте 8–14 м устраивают два яруса связей, при высоте свыше 14 м — три и более ярусов. Связи размещают в одной–двух панелях фахверка, симметрично относительно оси стены.
Для изготовления связей фахверка применяют одиночные и парные уголки, круглую сталь (тяжи) диаметром 20–30 мм и профильные трубы малых сечений (60×60–100×100 мм). Крестовые связи из круглой стали — наиболее экономичное решение: работают только на растяжение, просты в монтаже и не требуют точной подгонки длины.
Типовые сечения и материалы элементов фахверка
Подбор сечений элементов фахверка выполняется по результатам расчёта нагрузок согласно СП 16.13330 (стальные конструкции) и СП 20.13330 (нагрузки и воздействия). Ниже приведены типовые сечения стоек фахверка в зависимости от высоты здания и ветрового района строительства.
| Высота здания, м | Ветровой район I–II | Ветровой район III–IV | Ветровой район V–VII | Масса стойки, кг/м |
|---|---|---|---|---|
| до 6 | Двутавр 20Б1 / труба 120×120×4 | Двутавр 25Б1 / труба 140×140×5 | Двутавр 30Б1 / труба 160×160×5 | 22,4–36,7 |
| 6–8 | Двутавр 25Б1 / труба 140×140×5 | Двутавр 30Б1 / труба 160×160×5 | Двутавр 35Б1 / труба 180×180×6 | 27,3–49,1 |
| 8–10 | Двутавр 30Б1 / труба 160×160×5 | Двутавр 35Б1 / труба 180×180×6 | Двутавр 40Б1 / труба 200×200×6 | 32,9–56,8 |
| 10–14 | Двутавр 35Б1 / труба 180×180×6 | Двутавр 40Б1 / труба 200×200×6 | Двутавр 45Б1 / труба 200×200×8 | 38,8–70,2 |
| 14–18 | Двутавр 40Б1 / труба 200×200×6 | Двутавр 45Б1 / труба 200×200×8 | Двутавр 50Б1 / составное сечение | 48,1–89,4 |
Для угловых стоек, работающих в двух плоскостях, предпочтительны замкнутые квадратные профили. Для промежуточных стоек допускается использование двутавров и швеллеров, ориентированных стенкой перпендикулярно плоскости стены (изгиб в плоскости наибольшей жёсткости).
Материал элементов фахверка — сталь С245 или С255 по ГОСТ 27772. Для зданий, эксплуатируемых при расчётных температурах ниже минус 40°С, применяют сталь С345 с гарантированной ударной вязкостью при низких температурах. Сварные соединения выполняются электродами типа Э42 или Э46 по ГОСТ 9467.
Расход стали на фахверк составляет 5–12% от общей массы металлоконструкций здания. Для складских зданий с высотой стен 8–10 м и шагом колонн 6 м расход металла на фахверк составляет ориентировочно 8–15 кг/м² стены.
Используйте наш онлайн-калькулятор для предварительной оценки стоимости металлоконструкций, включая элементы фахверка.
Расчёт фахверка на ветровую нагрузку
Ветровая нагрузка — основное силовое воздействие на элементы фахверка. Расчёт выполняется по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Нормативное значение ветрового давления w₀ зависит от ветрового района строительства и определяется по карте районирования территории РФ.
| Ветровой район | Ia | I | II | III | IV | V | VI | VII |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| w₀, кПа | 0,17 | 0,23 | 0,30 | 0,38 | 0,48 | 0,60 | 0,73 | 0,85 |
| w₀, кгс/м² | 17 | 23 | 30 | 38 | 48 | 60 | 73 | 85 |
| Типичные регионы | Сибирь (тайга) | Москва, Центр | Санкт-Петербург | Краснодар, Юг | Побережья | Камчатка | Курилы | Курилы (юг) |
Расчётное ветровое давление на фахверковую стойку определяется по формуле:
w = w₀ × k(z) × c × γf
где:
- w₀ — нормативное ветровое давление (см. таблицу выше);
- k(z) — коэффициент, учитывающий изменение давления по высоте z и тип местности (А — открытая, В — городская застройка, С — плотная застройка);
- c — аэродинамический коэффициент (для наветренной стены c = +0,8, для подветренной c = −0,6);
- γf — коэффициент надёжности по нагрузке, равный 1,4.
Погонная ветровая нагрузка на стойку фахверка с грузовой площадью шириной B (шаг стоек):
q = w × B, кН/м
Для стойки как консольного стержня (жёсткое защемление внизу, шарнир вверху) максимальный изгибающий момент:
M = q × H² / 8
где H — высота стойки. Требуемый момент сопротивления:
Wтр = M / (Ry × γc)
где Ry — расчётное сопротивление стали (для С245: Ry = 240 МПа), γc — коэффициент условий работы (0,95 для фахверковых конструкций).
Пример расчёта. Здание в Московской области (район I, w₀ = 0,23 кПа), высота стены H = 10 м, шаг стоек B = 6 м, тип местности В.
Коэффициент k(z) при z = 10 м, тип В: k = 0,65. Аэродинамический коэффициент с учётом давления и отсоса: c = 0,8 + 0,6 = 1,4 (расчёт ведётся на суммарное давление для отдельно стоящей стойки торцевой стены).
Расчётное давление: w = 0,23 × 0,65 × 1,4 × 1,4 = 0,293 кПа.
Погонная нагрузка: q = 0,293 × 6 = 1,76 кН/м.
Момент: M = 1,76 × 10² / 8 = 22,0 кН·м.
Требуемый момент сопротивления: W = 22,0 × 10³ / (240 × 0,95) = 96,5 см³.
По сортаменту подходит двутавр 25Б1 (W = 112 см³) или профильная труба 140×140×5 (W = 104 см³). Это согласуется с данными таблицы 1.
Помимо прочности, стойка проверяется на предельный прогиб. Для фахверковых стоек допустимый прогиб составляет H/200 при нормативной нагрузке. Для стойки высотой 10 м допустимый прогиб — 50 мм. Также выполняется проверка устойчивости стойки из плоскости стены с учётом раскрепления ригелями.
Проектирование и монтаж фахверка: практические рекомендации
При проектировании фахверка необходимо учитывать ряд конструктивных требований, обеспечивающих надёжную работу системы:
Узел «стойка — покрытие». Верх фахверковой стойки не должен жёстко соединяться с несущими конструкциями покрытия. Применяется скользящая опора: пластина с овальными отверстиями, допускающими вертикальное перемещение 20–30 мм. Горизонтальное усилие передаётся через боковые упоры или фиксирующие планки.
Узел «стойка — фундамент». Фахверковые стойки устанавливаются на отдельные столбчатые фундаменты или фундаментные балки. Базовая пластина стойки крепится к фундаменту анкерными болтами диаметром 20–24 мм (не менее четырёх болтов). Жёсткое защемление обеспечивается при соотношении ширины опорной плиты к высоте сечения стойки не менее 1,5:1.
Температурные швы. В зданиях длиной свыше 72 м фахверк разделяется температурными швами, совпадающими со швами основного каркаса. В зоне температурного шва устанавливают спаренные стойки с зазором 50–100 мм.
Шаг стоек и панели. Оптимальный шаг стоек фахверка — 6 м при использовании сэндвич-панелей. При профилированном листе допускается шаг до 4 м без ригелей (лист крепится непосредственно к стойкам). Для монтажа сэндвич-панелей горизонтальной раскладки ригели устанавливают через 1,2–1,5 м по высоте.
Последовательность монтажа. Фахверковые стойки монтируют после установки колонн и связей основного каркаса. Сначала устанавливают стойки и выверяют их вертикальность (допуск — 1/750 высоты). Затем монтируют ригели, начиная с нижнего (цокольного). После установки всех ригелей монтируют связи фахверка и приступают к навеске стеновых панелей.
Сравнение конструктивных решений фахверка
Выбор типа сечения элементов фахверка зависит от нагрузок, высоты здания, способа крепления панелей и экономических факторов. Ниже приведено сравнение основных вариантов.
| Параметр | Двутавр (Б-серия) | Швеллер (спаренный) | Труба квадратная |
|---|---|---|---|
| Момент инерции в плоскости стены | Высокий | Средний | Средний |
| Момент инерции из плоскости стены | Низкий | Высокий (при раскрепл.) | Высокий |
| Устойчивость к кручению | Низкая | Средняя | Высокая |
| Удобство крепления панелей | Хорошее (к полке) | Среднее | Хорошее (к стенке) |
| Коррозионная стойкость | Средняя | Средняя | Высокая (замкнутый контур) |
| Стоимость, руб/кг | 55–65 | 50–60 | 65–80 |
| Применение для угловых стоек | Нет | Нет | Да (оптимально) |
Двутавры Б-серии (по СТО АСЧМ 20-93) — наиболее распространённое решение для промежуточных стоек. Их преимущество — высокий момент сопротивления при минимальной массе и удобство крепления стеновых панелей к полкам через самосверлящие винты. Квадратные профильные трубы оптимальны для угловых стоек и зданий с повышенными требованиями к эстетике фасада.
Заполните форму, укажите параметры здания — мы подготовим предварительный расчёт с учётом фахверка, каркаса и ограждающих конструкций.
Часто задаваемые вопросы
Чем фахверк отличается от основного каркаса здания?
Фахверк — это вспомогательный каркас стенового ограждения, который не воспринимает нагрузки от кровли, перекрытий и мостовых кранов. Его задача — передать ветровые нагрузки и вес стеновых панелей на фундаменты и основные несущие конструкции. Верх стойки фахверка крепится к покрытию через скользящее соединение, исключающее передачу вертикальных усилий.
Какой оптимальный шаг стоек фахверка?
Оптимальный шаг стоек — 6 м при использовании сэндвич-панелей стандартной длины 6 м. При профлисте допускается шаг 3–4 м. Увеличение шага до 6 м снижает расход металла на фахверк на 30–40%, но требует более мощных ригелей. Шаг стоек также привязывается к шагу колонн основного каркаса — как правило, кратен ему или совпадает.
Из какого профиля делают стойки фахверка?
Наиболее распространённые профили — двутавры Б-серии (20Б1–50Б1) и квадратные профильные трубы (120×120–200×200 мм). Двутавры применяют для промежуточных и торцевых стоек, трубы — для угловых стоек, работающих на изгиб в двух плоскостях. Марка стали — С245 или С255, для холодных регионов — С345.
Нужен ли отдельный фундамент под стойку фахверка?
Да, в большинстве случаев фахверковые стойки устанавливаются на отдельные столбчатые фундаменты. Глубина заложения определяется глубиной промерзания грунта и нагрузками от стойки. При шаге колонн основного каркаса 6 м иногда используют приколонные стойки, не требующие отдельного фундамента — элемент крепится непосредственно к полке колонны.
Как рассчитать ветровую нагрузку на фахверковую стойку?
Расчёт выполняется по СП 20.13330: определяется нормативное ветровое давление w₀ по ветровому району, умножается на коэффициент высоты k(z), аэродинамический коэффициент c (0,8 для наветренной стены) и коэффициент надёжности γf = 1,4. Полученное давление умножается на грузовую ширину (шаг стоек) для получения погонной нагрузки. По изгибающему моменту подбирается сечение стойки.