Каркас мобильного каркасно-модульного здания
MOBILE FRAME-MODULAR BUILDING FRAME

Изобретение относится к мобильным каркасно-модульным зданиям, а именно к сборно- разборным каркасам, возводимым из холодногнутых профилей, и может применяться в зданиях и сооружениях различного назначения (жилые дома, общественные, административных, производственные общевойсковые здания и др.), включая районы с сейсмичностью до 9 баллов включительно.
Здания мобильные каркасно-модульные (ЗМКМ) отличаются экономичностью и многофункциональностью и высокой скоростью их монтажа. В зависимости от своего основного назначения, здания могут быть укомплектованы всем необходимым: инженерными централизованными или автономными коммуникациями, системой вентиляции, сантехническим оборудованием и пр. Преимущество данных зданий в том, что они дают возможность осуществлять монтаж и демонтаж большое количество раз без повреждений несущих элементов. Изменяться может размер этих построек: уменьшаться или увеличиваться. Здания можно использовать в любой климатической зоне, в том числе с температурным минимумом -45°С.
Известны модульные здания (инвентарные) контейнерного и сборно-разборного типа, изготавливаемые по ГОСТ 58760-2019. Здания контейнерного типа имеют общие признаки с предлагаемым решением: каркас, содержащий раму пола и раму потолочного перекрытия, соединенные между собой с возможностью разъема угловыми стойками. Однако их недостатками являются:
- потребность в грузоподъемной технике для выполнения монтажных работ;
- возможность осуществления сборки только либо изготовленными укрупненными элементами (контейнерами, перекрытиями) либо линейными элементами;
- потребность в больших по размеру сварочных участков на производстве, в виду значительного количества сварных соединений в конструкциях и размерах самой конструкции;
- значительные затраты ЛКМ (лакокрасочных материалов) при выполнении окрашивания в виду решетчатой формы конструкции и потребность в больших по размеру участков для окрашивания;
- низкая коррозионная защита металлоконструкций за счет сложной формы сечения отдельных линейных элементов, большого количества граней и решетчатой формы конструкции;
- низкий эксплуатационный ресурс от 10 до 20 лет.
Актуальной задачей совершенствование подобных конструктивных систем является возможность возведения зданий как при помощи отдельных линейных элементов, так и крупноузловых единиц, собранных на заводе в виде перекрытий или самостоятельного модуля, без дополнительной доработки, а также упрощение сборки-разборки и сокращение сроков монтажа.
Так, на расширение эксплуатационных возможностей блок-контейнера за счет обеспечения возможности регулировки объема его помещения, как в сторону его уменьшения, так и в сторону его увеличения направлена полезная модель RU2287045 (E04B1/343, дата публикации 10.11.2006г.) Для этого блок-контейнер содержит сборный металлический каркас, включающий верхнюю потолочную и нижнюю половую прямоугольные рамы, образованные продольными и поперечными балками, расположенными соответственно по длине и ширине каркаса. Прямоугольные рамы соединены между собой по углам вертикальными стойками с образованием боковых и торцовых вертикальных прямоугольных сторон. Стойки скрепляются с рамами посредством разъемных соединений. Балки каркаса выполнены регулируемыми по длине. Для возможности такой регулировки балки состоят из отдельных телескопически выдвигаемых частей или из отдельных секций, соединяемых между собой разъемными соединениями. К недостаткам известной конструкции можно отнести отсутствие необходимой пространственной жесткости каркаса, сложность конструкции и ограничение по увеличению объема модуля.
В соответствии с конструкцией, описанной в RU60098 (E04B1/02, E04B1/343, дата публикации 10.01.2007) можно получить большое сочетаний стыковок модулей, что определяет многовариантность архитектурных решений. Мобильный блок-контейнерный комплекс состоит из модулей в виде блок-контейнеров двух типов размеров, каждый из которых имеет стальной каркас, элементы которого выполнены из холодногнутых профилей и трубчатых стоек. Стальной каркас может быть выполнен цельным или сборным, состоящим из отдельных трубчатых элементов-стоек, а также возможно из жесткостных раскосов и узлов стыковки цангового типа. Разъемные стыковые узлы изготавливаются как детали дополнительные к каркасу и могут располагаться под любой из трубчатых стоек каждого модуля без применения болтовых соединений. Блок-контейнерный комплекс образуется при монтаже произвольной стыковкой как основных (большей длины), так и дополнительных (меньшей длины) модулей за счет их соединения в стыковочных узлах, расположенных под трубчатыми стойками. Использование полезной модели для возведения многоуровневого здания неэффективно, изготовление модулей разного объема для образования модульной конструкции неуниверсально, устройство требует значительного времени для монтажа/демонтажа.
Наиболее близким к настоящему изобретению является трансформируемый объемный модуль здания. Согласно полезной модели техническим результатом при реализации известного решения является повышение прочности, эксплуатационных и технических качеств, упрощение конструкции, снижение трудоемкости монтажа зданий, повышение надежности сборности и вариабельности возводимых сооружений. Для достижения этого результата модуль здания выполнен в виде каркаса, содержащий раму основания и раму потолочного перекрытия, соединенных между собой с возможностью разъема угловыми стойками. Рама основания выполнена из металлических балок прямоугольного сечения, жестко связанных между собой посредством ребер жесткости и уголковых гнезд. Рама потолочного перекрытия выполнена из гнутого металлического профиля сложного сечения как на фиг.9 и оснащена ребрами жесткости. Угловые вертикальные стойки выполнены из гнутого металлического профиля сложного сечения как на фиг. 11. Профили соединены между собой посредством уголковых гнезд и крепежных элементов. (RU126026, E04B1/348, дата публикации 20.03.2013). При всех преимуществах предыдущего уровня техники, данное решение не лишено недостатков, поскольку конструкция не отвечает требованиям жесткости и прочности, долговечности. Данные недостатки обусловлены применением профилей и угловых гнезд соединений заданной конструкции. Как следствие, известное решение применяется для сборно-разборных, трансформируемых зданий в основном в линейной плоскости, тогда как вертикальное увеличение в виде крупноузловых зданий будет сопровождаться недостаточной жесткостью конструкции.
Как показывает анализ уровня техники, задача по разработке конструкций каркаса с возможностью быстрого вариативного возведения многоуровневых зданий производителями решается по-разному. Настоящим изобретением предлагается более универсальное решение, позволяющее создавать мобильные сооружения без ограничений по горизонтали и до трех этажей в высоту. При этом предлагаемый каркас ЗМКМ может быть поставлен как в качестве отдельных линейных элементов, так и в составе крупноузловых единиц, собранных на заводе в виде готовых перекрытий (с утеплением, отделкой и т.д.) или самостоятельного модуля без дополнительной доработки. В случае поставки элементов каркаса отдельными элементами, монтаж может осуществляться без строительной техники. Преимуществом предлагаемого каркаса ЗМКМ является увеличение срока службы данных зданий до 50 лет, возможность их передислокаций (не менее 3-х) и возможность применения предложенной конструкции в районах с сейсмичностью до 9 баллов включительно.
Указанные преимущества достигаются благодаря тому, что предлагаемый каркас, состоящий из рамы пола и рамы потолка, соединенных между собой с возможностью разъема угловыми стойками, выполнен из холодногнутых оцинкованных профилей предлагаемой конструкции и соединены между собой соединительными элементами, описанной ниже конструкции.
технический результат
При использовании изобретения достигается , заключающийся в повышении жесткости конструкции. Дополнительными взаимосвязанными с указанным являются технические результаты, заключающиеся в увеличении срока эксплуатации и вариантность возводимых зданий.
Общими признаками с ближайшим аналогом являются: выполнение каркаса из рамы пола и рамы потолка, соединенных между собой с возможностью разъема угловыми стойками. Выполнение элементов каркаса из профиля, а также их соединение посредством уголковых гнезд и крепежных элементов.
Заявленное изобретение отличается тем, что:
- стойки выполнены из профиля в виде пятиугольной формы, образованной двумя стенками, расположенными под прямым углом; каждая стенка снабжена двойным краевым отгибом и промежуточным ребром жесткости;
- соединительный узел содержит остов, выполненный из квадратного профиля с отверстиями; гнутый Г образный флажок, расположенный на верхнем конце остова со стороны наружного угла, снабженный отверстиями и вырезами; двух швеллеров с отверстиями, образующими между собой прямой угол, при этом каждый швеллер имеет ребро жесткости;
- каркас ЗМКМ собирается из холодногнутых оцинкованных профилей, соединяемых болтовыми соединениями.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1, А, Б, В - показан общий вид каркаса ЗМКМ;
фиг. 2 - профиль сечения стойки;
Фиг. 3 - соединительный узел;
фиг. 4 - ползунок;
фиг. 5 - упор.
Каркас ЗМКМ (фиг. 1) представляет собой конструкцию, состоящую из рамы пола и рамы потолка. Рамы образованы главными балками 1 и 2. Балки 1 и 2 предназначены для восприятия полезной нагрузки и обеспечения несущей способности каркаса. Главные балки 1 и 2 выполнены из холодногнутых оцинкованных профилей двух типов. Для производства профилей используется сталь марки А350 по ГОСТ14918-2020, сечение - CΣ, высота профиля - 250 мм, ширина профиля - 90 мм, толщина оцинкованного листа - 3 мм. Главные балки 1 и 2 отличаются длиной профиля. В профилях балок предусмотрены отверстия для их крепления к углу.
Рама пола содержат второстепенные балки 3, предназначенные для восприятия полезной нагрузки и обеспечения несущей способности каркаса. Балки пола 3 представляют собой сложный холодногнутый оцинкованный профиль, изготавливаемый из стали, сечение - C, высота профиля - 250 мм, ширина профиля - 60 мм, толщина оцинкованного листа - 2 мм. В балках предусмотрены отверстия для крепления к ползункам.
Рама потолка содержит два типа второстепенных балок 4 и 5. Второстепенные балки потолка 4 и 5 выполнены из сложного холодногнутого оцинкованного профиля, изготавливаемого из стали. Балки 4 и 5 предназначены для восприятия полезной нагрузки и обеспечения несущей способности каркаса. В балках предусмотрены отверстия для крепления к ползункам. Балки 4 имеют сечение C, высота профиля - 250 мм, ширина профиля - 60 мм, толщина оцинкованного листа - 2 мм. Балки 5 имеют сечение - L, высота профиля - 90 мм, ширина профиля - 50 мм, толщина оцинкованного листа - 2 мм.
Количество второстепенных балок 3, 4 и 5 и шаг между нами определяется назначением каркаса.
Рамы пола и потолка соединены с возможностью разъема угловыми стойками 6. Новым является выполнение стойки 6 из профиля CLr сечения. Стойки 6 предназначены для восприятия полезной нагрузки и обеспечения несущей способности каркаса. Для обеспечения жесткости конструкции стойки 6 представляют собой сложный холодногнутый оцинкованный профиль, выполненный холодногнутым из листовой оцинкованной стали с высокими параметрами прочности и текучести, а именно из стали марки А350 по ГОСТ14918-2020. В поперечном сечении профиль стойки имеет нетипичную, открытую пятиугольную форму (фиг. 2), образованную двумя стенками 7 и 8, двумя двойными краевыми отгибами 9, 10 и 11, 12 и двумя скругленными промежуточными ребрами жесткости 13, 14. Стенка профиля 7 выполнена плоской и содержит скругленное промежуточное ребро жесткости 13. Стенка 8 расположена под прямым углом к стенке 7 и также включает скругленное промежуточное ребро жесткости 14. Длины стенок 7 и 8 равны. Двойные краевые отгибы 9, 10 и 11, 12 попарно равны между собой (9=11, 10=12) и выполнены под углом 90°. В стойках предусмотрены отверстия для их крепления к углу. Высота профиля - 175 мм, ширина профиля - 175 мм, толщина оцинкованного листа - 3 мм.
Выполнение на стенках профиля 7 и 8 на всю их длину ребер жесткости 13 и 14 полукруглой формы в сечении и выполнение у каждой стенки двойного краевого отгиба обеспечивает большую жесткость стенок, исключает потерю местной устойчивости стенок профиля (редукции сечения).
Другим отличительным признаком изобретения является конструкция соединительного узла 15 (фиг. 3), включающего остов 16, флажок 17, швеллер 18 - 2 шт., ребро жесткости 19 - 2 шт.
Остов 16 представляет собой квадратный профиль. Остов предназначен для восприятия основной вертикальной нагрузки на угол. В остове выполнены шестигранные отверстия (не показаны на чертежах) для утапливания шляпки болта, при установке крепежа в проектное положение. Шестигранная форма отверстия необходима для исключения проворачивания болта в процессе его установки.
Флажок 17 представляет собой гнутую Г образную листовую деталь, с выполненными в ней отверстиями. Круглые отверстия предназначены для крепления стойки к межэтажному углу, овальные отверстия предназначены для одновременного крепления стойки к углу и крепления модулей между собой. Овальная форма отверстий имеет разную ориентацию в боковых полках флажка (горизонтальную и вертикальную), это предусмотрено для компенсации возможных расхождений линейных размеров собранных модулей и беспрепятственного выполнения монтажного соединения модулей между собой. Т-образный вырез предназначен одновременно для установки дополнительного упора стойки (не показан на чертежах) и для отвода излишнего цинка в процессе выполнения операции горячего цинкования.
Швеллер 18 представляет собой гнутую листовую деталь. Данная деталь предназначена для крепления главных балок к углу. Круглые отверстия предназначены для крепления главных балок к углу, квадратные отверстия - технологические, предназначенные для слива цинка при выполнении операции горячего цинкования.
Ребро 19 представляет собой плоскую листовую деталь. Данная деталь предназначена для обеспечения дополнительной жесткости угла и обеспечения несущей способности при повышенных эксплуатационных нагрузках.
Выполнение соединительного узла вышеуказанной конструкции обеспечивает сопряжение главных балок каркаса со стойками при помощи упругого соединения, т.е. с натягом, моделирующего частичное защемление балок на опорах.
При соединении швеллера с балкой за счет его формы обеспечивается жесткое сопряжение одной детали относительно другой, т.к. швеллер вставляется в балку C-образного профиля, а последующее болтовое соединение фиксирует его. Вследствие чего нагрузка между элементами распределяется по всему контору соединения (сторонами швеллера и балки), а также болтовым соединением.
Соединительный узел является универсальным, что значительно уменьшает номенклатуру различных конструктивных элементов и крепежных систем. Конструкция соединительного узла позволяет упростить процедуру сборки каркаса блок - модуля и сократить время монтажа/демонтажа модульной конструкции без применения специальных инструментов и техники.
Второстепенные балки 3, 4 и 5 крепятся к главным 1 и 2 при помощи ползунка 20 - подвижного шарнирного элемента (фиг.1, 4). Ползунок 20 свободно перемещается по главным балкам 1 и 2 и устанавливается в требуемом проектном положении, что также влияет на жесткость конструкции каркаса ЗМКМ. Ползунок представляет собой сложногнутую листовую деталь, выполненную из стали толщиной 3 мм, марки А350 по ГОСТ14918-2020. В тыльной стороне ползунка предусмотрен технологический паз, предназначенный для прокладки скрытой проводки для беспрепятственного перемещения по оси балки при креплении с внешней стороны рамы дополнительного оборудования. Конструкция ползунка обеспечивает быстрый монтаж без применения специальных инструментов и техники. Применение ползунков позволяет использовать единую конструкцию каркаса здания для различных требований по воспринимаемым перекрытиями нагрузкам, за счет изменения количества ползунков. Крепление перемычки к ползунку осуществляется посредством болтового соединения. Ползунок 20 закладывают в балки каркаса заподлицо на стадии изготовления балки. При монтаже, после сборки рамы, ползунки выставляются с шагом, предусмотренным проектом. Количество ползунков и шаг между ними определяется проектом конкретного задания и зависит от воспринимаемых нагрузок на перекрытие.
Также каркас ЗМКМ содержит упор 21, фиксатор 22 и опорный столик 23.
Упор 21 (фиг.1, 5) представляет собой листовую деталь толщиной 5 мм размерами 220х220 мм. Данная деталь предназначена для дополнительного усиления угла при передаче нагрузки от стойки. В упоре 20 выполнены овальные отверстия для беспрепятственного крепления к углу и прямоугольные выступы для соединения с ответным вырезом во флажке угла.
Фиксатор 22 представляет собой плоскую листовую деталь, выполненную из стали толщиной 3 мм, марки стали А350 по ГОСТ14918-2020. Данная деталь предназначена для исключения проворачивания крепежа в узле крепления главной балке к углу, после установки модуля в проектное положение.
Опорный столик 23 представляет собой сварную конструкцию из двух листовых деталей. Опорный столик предназначен для крепления конструкции кровли к каркасу. В центре опорного столика выполнено круглое отверстие для соединения с конструкцией кровли.
Пространственная жесткость в вертикальной и горизонтальной плоскостях обеспечивается совместной работой вертикальных и горизонтальных профилей конструкции, элементами их соединений и усилений.
Каркас ЗМКМ может изготавливаться разного типоразмера: длиной до 9 м, шириной до 3,6 м, высотой до 3,6 м в зависимости от назначения и индивидуальных требований заказчика.
Каркас ЗМКМ обеспечивает возможность применения стеновых ограждающих конструкций любого типа. Все детали и изделия поставляются в полной заводской готовности.
Сборка каркаса ЗМКМ осуществляется следующим образом.
Вариант №1. Сборка из отдельных линейных элементов осуществляется в следующей последовательности:
- установка ползунков в главную балку;
- формирование плоских рам перекрытий пола - соединение стартовых углов и главных балок, установка фиксаторов, упоров, второстепенных балок пола, уголков;
- формирование плоских рам перекрытий потолка - межэтажных углов и главных балок, установка фиксаторов, упоров, второстепенных балок потолка тип 1 и тип 2, опорных столиков.
- формирование объемного каркаса (далее - модуль) - установка стоек между плоских рам перекрытия пола и потолка.
- установка первого модуля на подготовленное основание в проектное положение, крепление модуля к фундаменту;
- сборка и установка последующих модулей аналогично сборке первого, между собой модули соединяются через стартовые и межэтажные углы при помощи болтового соединения;
- в главных балках дополнительно предусмотрены отверстия для стягивания главных балок между собой с целью обеспечения дополнительной жесткости перекрытий;
Модули возможно устанавливать как параллельно, так и перпендикулярно друг к другу.
Вариант №2. Сборка из крупноузловых единиц, собранных на заводе в виде перекрытий или самостоятельного изделия (контейнерного типа) осуществляется в следующей последовательности:
- формирование модуля - установка стоек между собранных на заводе рам перекрытий пола и потолка;
-установка первого модуля на подготовленное основание в проектное положение, крепление модуля к фундаменту;
- сборка и установка последующих модулей аналогично сборке первого, между собой модули соединяются через стартовые и межэтажные углы при помощи болтового соединения.
Каркас может быть полностью собран на заводе и поставлен на строительную площадку в виде готового изделия. Модули каркасов могут соединяться между собой лицевой, торцевой сторонами или ставиться друг на друга, при этом величина помещений не ограничена и зависит от назначения.
Преимуществом предлагаемого устройства является его универсальность. Все сборные детали могут использоваться многократно после демонтажа здания. Монтаж -демонтаж каркаса занимает незначительное время, не требует сварочного или иного оборудования. Время монтажа сокращается благодаря простоте и универсальности соединительных элементов.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить срок эксплуатации и вариантность возводимых зданий за счет жесткости конструкции. Жесткость конструкции достигается использованием оцинкованной стали с высокими параметрами прочности и текучести, что позволяет снизить локальную коррозионную активность в местах напряжений профиля, подверженных изгибу или скручиванию, что обеспечивает жесткость конструкции каркаса в целом; выполнением стоек из профиля в виде нетипичной пятиугольной формы, образованной двумя стенками, расположенными под прямым углом, каждая из которой снабжена двойным краевым отгибом и промежуточным ребром жесткости, что обеспечивает повышение сопротивляемости профиля при возникновении нагрузок на изгиб и скручивание; выполнением соединительного узла из сварной конструкции, содержащего швеллеры с ребрами жесткости, что обеспечивает перераспределение нагрузки от болтового соединения к конструктивным элементам узла и элементам каркаса.