БЕСКАРКАСНОЕ ЗДАНИЕ
FRAMELESS BUILDING

Изобретение относится к области строительства, а именно к быстровозводимым легким строительным бескаркасным конструкциям из тонколистовых металлических профилей, и может быть использовано в строительстве одно- и многопролетных бескаркасных зданий и сооружений различного назначения, в том числе с пролетом более 70 метров.
При возведении металлических бескаркасных зданий все важнее становится удовлетворить имеющуюся потребность в пространстве, экономичности, полезности и прочности при сохранении надежности и долговечности здания, а также безопасности его эксплуатации.
Известна практически плоская строительная панель, включающая два продольно вытянутых главных профиля (гофра), каждый такой профиль снабжен множеством продольных второстепенных профилей (гофров), расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и наложенных на главные профили, соблюдая общий рельеф профиля панели/желоба и гребни профилей сглаживаются, образуя, таким образом, одну центральную плоскую часть и плоскую боковую сторону у каждой кромки панели. При этом допустимые нагрузки указанного базового панельного элемента возрастают (см. патент СА 978322, Е04В 1/08, 1975).
Известно бескаркасное здание компании «HONCO» (HONCO BUILDINGS INTERNATIONAL, LTD.), содержащее множество структурных секций, каждая в виде профилированной металлической тонколистовой панели, сформированной с заданным сечением на основе одного базового панельного элемента, соединенных между собой структурных секций посредством болтов и образующих конструкции покрытия, а также образующих сопряженные с покрытием и с фундаментом конструкции стенового ограждения из несущих продольных и торцевых стен с вертикальным расположением их структурных секций, и снабженное с внутренней стороны стенового ограждения изоляционным слоем, объединенным со структурными секциями стен посредством кронштейнов, жестко закрепленных на стенах и жестко сопряженных с кронштейнами фиксирующих элементов.
Профилированная металлическая тонколистовая панель 1 каждой структурной секции формируется на основе одного базового панельного элемента - практически плоской строительной панели по патенту СА978322, Е04В 1/08, 1975. Здание снабжается негорючим изоляционным материалом покрытия и стеновым изоляционным слоем 2 с односторонней армированной фольгой. Изоляционный слой 2 располагается с внутренней стороны панели 1 стенового ограждения и прикрепляется к фиксирующему элементу - деревянной обрешетке 3, которая закрепляется на металлических кронштейнах 4, установленных на стеновых структурных секциях. Здание может выполняться с внутренней стеновой облицовкой 5, которая в этом случае закрепляется по дополнительной деревянной обрешетке 6 (см. фиг.1). Соединенные между собой структурные секции шириной в один метр образуют стены, кровлю и потолок здания. Все элементы в бескаркасном стальном здании соединяются между собой болтами диаметром 9,5 мм на расстоянии 200 мм от центра до центра, образуя сплошную оболочку. Продольные соединения секций герметизируются с помощью полибутиленовой ленты 6,4×6,4 мм, уплотненной болтами для создания водонепроницаемого соединения. Система структурных секций позволяет осуществлять эффективный способ изоляции в стенах здания. В качестве изоляционного материала потолка используется задувной негорючий утеплитель ISOVER PUH(KV 50), эффективность работы которого в конструкции здания обеспечивается естественной или принудительной вентиляцией чердачного пространства. Для теплоизоляции стен используется рулонное штапельное стекловолокно типа URSA GLASSWOOL М-11(Г)Ф с односторонней армированной фольгой, которая обеспечивает надежное крепление теплоизоляции без каких-либо уплотнений и одновременно выполняет роль эффективной пароизоляции, предотвращая увлажнение самого утеплителя. Кроме того, алюминиевая фольга активно препятствует потере лучистого тепла от отопительных приборов, расположенных внутри здания. Конструктивно рулонная теплоизоляция прикрепляется к деревянной обрешетке, которая в свою очередь крепится на расстоянии 100-150 мм от внутренней поверхности стеновой структурной секции на металлических кронштейнах с шагом по вертикали 600 мм. Внутренняя облицовка крепится по дополнительной деревянной обрешетке (см. http://www.honco.su/building-types.shtml). Данное решение принято за прототип.
Однако при увеличении пролета данного бескаркасного здания более 70-ти метров несущая способность и деформативность стеновых несущих секций не обеспечивается на проектные нагрузки, что ограничивает его применение. Кроме этого недостатком этого технического решения является недостаточная защита утепленного здания от пожара, т.е. малый класс пожарной опасности, из-за применения конструктивных элементов, изготавливаемых из горючих материалов (деревянная обрешетка).
Класс пожарной опасности строительных конструкций может быть увеличен только при условии использования утеплителя, внутренней обрешетки, прочих конструктивных элементов, выполняемых из материалов, относящихся к негорючим материалам.
Задачей, решаемой в предложении заявителя, является создание утепленного бескаркасного здания, обладающего повышенной несущей способностью и имеющего высокий класс пожароопасности путем увеличения прочности, надежности и деформативности несущих продольных стен выполнением их из составных структурных секций, повышения огнестойкости стенового ограждения выполнением его из негорючих материалов.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в бескаркасном здании, содержащем множество базовых структурных секций, каждая из профилированной металлической тонколистовой основной панели, сформированной с заданным сечением на основе одного базового панельного элемента, соединенных между собой посредством болтов в конструкции покрытия, а также в сопряженные с покрытием и с фундаментом конструкции стенового ограждения из несущих продольных и торцевых стен с вертикально расположенными базовыми структурными секциями, выполненном утепленным, в том числе снабженным с внутренней стороны стенового ограждения изоляционным слоем, объединенным со стенами посредством жестко закрепленных к основным панелям кронштейнов и жестко сопряженных с ними фиксирующих элементов, отличающемся тем, что профилированная металлическая тонколистовая основная панель каждой базовой структурной секции несущих продольных стен дополнительно снабжена расположенной снаружи идентичной ей по профилю и ширине, по крайней мере, одной стеновой накладкой из тонколистового металла, при этом на, по крайней мере, двух сопрягаемых элементах по длине и поперечно расположены совпадающие отверстия, через которые посредством болтов, снабженных шайбами, выполнено их жесткое закрепление между собой и таким образом образована составная структурная секция несущих продольных стен, а в качестве фиксирующих элементов сопряжены с кронштейнами стеновые прогоны из соединенных между собой тонколистовых металлических профилированных элементов с перфорацией, при этом кронштейны выполнены П-образными, причем места сопряжений стеновых прогонов с кронштейнами снабжены прокладками. Кроме этого базовый панельный элемент может представлять собой преимущественно достаточно плоскую строительную панель, включающую два продольно вытянутых главных профиля, каждый снабженный множеством продольных второстепенных профилей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и наложенных на главные профили, соблюдая общий рельеф профиля панели, желоба и гребни профилей сглаживаются, образуя, таким образом, одну центральную плоскую часть и плоскую боковую сторону у каждой кромки панели. Также предпочтительно профилированную металлическую тонколистовую основную панель выполнить шириной один метр с глубиной рифления 128 мм из листовой стали класса С245-С345 толщиной 0,8-2,0 мм, при этом основную панель несущих продольных стен снабдить одной стеновой накладкой, которую выполнить из листовой стали класса С335 толщиной 0,8-2,0 мм и жестко закрепить с ней болтами M10 класса прочности 6,6 с шагом 200 мм по длине и поперечно: выполнить 17 соединений с шагом 1400 мм по длине, причем болты снабдить фторпластовыми шайбами. П-образные кронштейны желательно расположить с шагом 600-1200 мм по высоте в местах стыков структурных секций стенового ограждения в шахматном порядке, при этом закрепление выполнить болтами М10. Перфорированные элементы стеновых прогонов могут быть выполнены из оцинкованной тонколистовой стали толщиной 0,8-2,0 мм С-образного профиля и соединены между собой посредством самонарезающих винтов или болтов. В частности, в качестве элементов стеновых прогонов могут быть использованы термопрофили ПГСП-150-100С «Термо» с перфорацией со смещенным шагом по ТУ 1122-181-02494680-99. Особенность и в том, что места сопряжений стеновых прогонов с кронштейнами снабжены паронитовыми прокладками. Стеновое ограждение может быть дополнительно снабжено внутренней листовой облицовкой, при этом внутренняя листовая облицовка закреплена болтами к стеновым прогонам. Желательно внутреннюю листовую облицовку закрепить болтами М10. Также внутренняя облицовка может быть выполнена из профилированных металлических листов. В качестве изоляционного слоя можно использовать рулоны или плиты штапельного стекловолокна типа URSA GLASSWOOL М-11(Г)Ф с односторонней армированной фольгой или штапельное стекловолокно типа URSA П30. Особенность и в том, что толщина листа стеновой накладки может быть равна толщине, или быть меньше, или быть больше толщины листа основной панели. Наиболее предпочтительно основные панели каждой составной структурной секции выполнить непрерывно на всю высоту несущих продольных стен. Кроме этого основную панель каждой структурной секции можно выполнить с защитным покрытием. Могут быть выполнены цинковое и/или лакокрасочное покрытия, полимерное покрытие, электролитическое цинковое покрытие с дополнительным полимерным покрытием, защитно-декоративное лакокрасочное покрытие, алюмоцинковое покрытие.
Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат.
Стеновая накладка в составной структурной секции служит компенсатором деформаций, а также выполняет армирующую функцию. Спаренные листы составной структурной секции повышают крутильную жесткость поперечных сечений, а это позволяет увеличить длину основной панели составной структурной секции. Большая плоскость контакта сопрягаемых элементов составной структурной секции обеспечивает более равномерное перераспределение усилий по ширине сечения панели. Использование болтов M10 класса прочности 6,6 для жесткого закрепления спаренных листов между собой в заявленном выполнении обеспечивает их совместную работу, а фторпластовые шайбы не только защищают болты от самооткручивания, но и обеспечивают герметизацию и виброизолирующие характеристики соединения (т.е. убирают концентраторы напряжений, создаваемые отверстиями). Выполнение отверстий под болты в заводских условиях упрощает сборку. Таким образом, выполнение несущих продольных стен из соединенных между собой составных структурных секций обеспечивает повышение их прочности и надежности, а следовательно, несущей способности здания в целом. Несущая способность составных структурных секций позволяет создать бескаркасное здание с увеличенным пролетом до 150 метров, что определено теоретическим расчетом новой составной структурной секции по несущей способности и деформативности.
Класс пожарной опасности строительных конструкций К0 может быть установлен только при условии использования конструктивных элементов, выполняемых из материалов, относящихся к негорючим материалам. Использование металлических прогонов в устройстве стенового ограждения позволяет исключить использование горючих материалов, в частности деревянного бруса. Наличие перфорации, особенно со смещенным шагом, на профилях стеновых прогонов обеспечивает теплотехнические характеристики как у деревянного бруса, а также позволяет избежать возникновения так называемых «мостиков холода», показатели теплопроводности ограждающих конструкций становятся равными показателям древесины соответствующей толщины и исключают возможность промерзания и образования конденсата. П-образные кронштейны позволяют надежно закрепить стеновые прогоны к стеновому ограждению. Использование легких стеновых прогонов позволяет закрепить кронштейны к стеновым секциям с шагом 600-1200 мм в шахматном порядке, т.е. уменьшить количество необходимых кронштейнов, а значит облегчить и ускорить сборку. Использование при закреплении болтами в местах сопряжения стеновых прогонов с кронштейнами прокладок, особенно паронитовых, упрощает укрупнительную сборку на болтах, расширяя поле свободных допусков, при этом не нарушается целостность и герметичность здания, и снижает опасное влияние температурных воздействий. Выполнение внутренней облицовки обеспечивает защиту изоляционного слоя от повреждений и способствует улучшению теплоизоляционных характеристик стенового ограждения. Таким образом, зданию обеспечивается повышенный класс пожарной опасности.
Проведена оценка огнестойкости и пожарной опасности несущего стенового ограждения. Установлен предел огнестойкости утепленного здания RE 90 по ГОСТ 30247.0, класс пожарной опасности К0. При оценке огнестойкости учитывались положения следующих нормативных документов:
- СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений»;
- ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования»;
- ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции»;
- ГОСТ 30403-96 «Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности».
На фиг.1 представлено стеновое ограждение прототипа с деревянной обрешеткой, общий вид; на фиг.2 представлена составная структурная секция с одной стеновой накладкой несущих продольных стен бескаркасного здания, общий вид; на фиг 3 представлен вид А на фиг.2; на фиг.4 представлено стеновое ограждение продольной стены со стеновыми прогонами, общий вид.
Бескаркасное здание (не показано) содержит множество базовых структурных секций (не показано), которые соединены между собой в конструкции покрытия (не показано) и торцевых стен (не показано) стенового ограждения, и множество составных структурных секций 7, которые соединены между собой в конструкции несущих продольных стен стенового ограждения. Здание выполнено утепленным, в том числе стеновое ограждение снабжено изоляционным слоем 8. Конструкции стенового ограждения из несущих продольных и торцевых стен имеют вертикально расположенные составляющие их структурные секции (в том числе секции 7) и сопряжены с конструкциями покрытия и фундаментом (не показано). Например, стеновое ограждение в нижней части закреплено, например, к опорным деталям фундамента на болтах (17 болтов M10 класса 6,6 на структурную секцию). Соединения всех конструктивных элементов здания выполнены посредством болтов, без использования сварки. Каждая базовая структурная секция имеет вид профилированной металлической тонколистовой основной панели 9, которая выполнена, предпочтительно, из листовой стали класса С245-С345 с толщиной листа 0,8-2,0 мм. Основная панель 9 сформирована с заданным сечением на основе одного базового панельного элемента (не показано). Преимущественно базовый панельный элемент представляет собой достаточно плоскую строительную панель, включающую два продольно вытянутых главных профиля, каждый снабженный множеством продольных второстепенных профилей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и наложенных на главные профили, соблюдая общий рельеф профиля панели, желоба и гребни профилей сглаживаются, образуя, таким образом, одну центральную плоскую часть и плоскую боковую сторону у каждой кромки панели. Составная структурная секция 7 несущих продольных стен образована из основной панели 9 базовой структурной секции, которая дополнительно снабжена снаружи, по крайней мере, одной стеновой накладкой 10. Стеновая накладка 10 выполнена из профилированного тонколистового металла, предпочтительно, листовой стали класса С335 толщиной 0,8-2,0 мм, ее профиль и ширина идентичны профилю и ширине основной панели 9, длина меньше длины основной панели 9. На, по крайней мере, двух сопрягаемых элементах (основной панели 9 и стеновой накладки 10) составной структурной секции 7 по длине и поперечно расположены совпадающие отверстия (не указано), через которые выполнено их жесткое закрепление между собой посредством болтов 11, в частности для закрепления использованы болты M10 класса прочности 6,6 по длине с шагом 200 мм и поперечно: выполнено 17 соединений с шагом 1400 мм по длине. Причем болты 11 снабжены шайбами (не указано), предпочтительно фторпластовыми. Ширина каждой структурной секции составляет один метр, глубина рифления элементов структурных секций составляет 128 мм, длина основной панели 9 зависит от ее назначения. Толщина листа стеновой накладки 10 может быть равна толщине, или быть меньше, или быть больше толщины листа основной панели 9. Основная панель 9 каждой составной структурной секции 7 непрерывна на всю высоту продольных стен, а ее верхний торец имеет отбортовку 12 с отверстиями (не указано) под болты (не показано). Составные секции 7 в собранном виде установлены вертикально, соединены между собой боковыми краями посредством болтов, образуя несущие продольные стены. Стеновое ограждение установлено вертикально, в нижней части закреплено к фундаменту, например к опорным деталям на болтах (17 болтов М 10 класса 6,6 на структурную секцию). Изоляционный слой 8 объединен с основными панелями 9 базовых структурных секций и составных структурных секций 7 посредством металлических кронштейнов 13, которые жестко закреплены на стенах и жестко сопряжены с установленными на них стеновыми прогонами 14. В частности, к стеновым прогонам 14 изоляционный слой 8 закреплен посредством армированной фольги. Стеновые прогоны 14 выполнены из тонколистовых металлических профилированных элементов (не показано) с перфорацией, которые соединены между собой болтами или самонарезающими винтами. Перфорированные элементы стеновых прогонов 14 могут быть выполнены из стали, в том числе с покрытием, например, из оцинкованной тонколистовой стали толщиной 0,8-2,0 мм С-образного профиля. В частности, в качестве элементов стеновых прогонов использованы термопрофили ПГСП-150-100С «Термо» с перфорацией со смещенным шагом по ТУ 1122-181-02494680-99. Кронштейны 13 выполнены П-образными и желательно расположены с шагом 600-1200 мм по высоте в местах стыков структурных секций стенового ограждения в шахматном порядке. Закрепление кронштейнов 13 выполнено болтами (не указано), в частности болтами М10. Места сопряжений стеновых прогонов 14 с кронштейнами 13 снабжены прокладками 15, преимущественно паронитовыми. Стеновое ограждение может быть дополнительно снабжено внутренней листовой облицовкой 16, при этом внутренняя листовая облицовка 16 закреплена болтами (не показано) к стеновым прогонам 14. Например, внутренняя листовая облицовка 16 закреплена болтами M10 и выполнена из профилированных металлических листов. В качестве изоляционного слоя предпочтительно использованы рулоны или плиты штапельного стекловолокна типа URSA GLASSWOOL М-11(Г)Ф с односторонней армированной фольгой или URSA П30 (относится к группе горючести НГ). Основная панель 9 может быть выполнена с защитным покрытием, например цинковое покрытие, лакокрасочное покрытие, цинковое покрытие с дополнительным лакокрасочным покрытием, полимерное покрытие, электролитическое покрытие с дополнительным полимерным покрытием, защитно-декоративное лакокрасочное покрытие, алюмоцинковое покрытие и др.
Все компоненты здания, за исключением элементов стеновых проемов и проемов в покрытии, являются стальными элементами холодной формовки, изготавливаются в заводских условиях на специализированных известных автоматических линиях. Отверстия под болты также выполняются в заводских условиях. Сборка конструкций бескаркасного здания осуществляется на болтах с помощью гайковертов на строительной площадке. Пространственная жесткость здания обеспечена конструкциями стенового ограждения и покрытия, являющегося одновременно горизонтальной диафрагмой жесткости.
Болты монтажных соединений в конструкциях стен и покрытий должны быть, преимущественно, оцинкованными с классом прочности не ниже 6,6. Гайки должны соответствовать классу прочности 5,8, шайбы с классом точности С. Возможна установка рядом зданий различных пролетов и разной высоты. При необходимости стыковки структурных секций по высоте торцевых стен здания, монтажный стык выполняют выше уровня стыковки потолочных секций с торцевой стеной.
Кровля и потолок выполняются из нескольких профилированных основных листов 9 соединениями по длине внахлест на болтах. Устанавливается, например, 2 ряда болтов M10 класса 6,6 по 17 шт. на 1 м ширины листа. Раскосы покрытия крепятся к фасонкам на болтах М12 класса 6,6. В покрытии применяются связевые и несущие элементы из С-образных и Z-образных холодногнутых профилей.
В качестве изоляционного материала перекрытий используется утеплитель, относящийся к негорючим материалам, в частности, из стеклянного волокна ISOVER марки KV-050/Y ТУ 5761-002-56846022-05.
В качестве изоляционного слоя 8 стенового ограждения используются рулоны штапельного стекловолокна типа URSA GLASSWOOL М-11(Г)Ф с односторонней армированной фольгой ТУ 5763-001-71451657-2004 или плиты из стеклянного штапельного волокна «URSA» марки М-11Ф с фольгированным покрытием ТУ 5763-001-71451657-2004, имеющие следующие пожарно-технические характеристики: группа горючести - Г1, группа воспламеняемости - В1, группа по дымообразующей способности -Д1, или штапельное стекловолокно URSA П30 ТУ 5763-001-71451657-2004, имеющее группу горючести НГ.
Теоретические расчеты подтверждены экспериментальными испытаниями фрагментов сборных структурных секций продольных стен и фрагментов утепленного бескаркасного здания с пролетами более 75 м.
Особенно важно применение заявляемого решения для объектов больших площадей, когда необходимо наличие пространства без колонн и повышенная огнестойкость зданий.