НАРУЖНЫЙ НЕСУЩИЙ КАРКАС ЗДАНИЯ НА ТРЕХ ОПОРАХ
EXTERNAL CARRYING FRAME OF BUILDING ON THREE SUPPORTS

Изобретение относится к модульному объемно-каркасному строительству и может быть использована в малоэтажном домостроении для возведения жилых домов, хозяйственных строений, общественных зданий и сооружений.
Любому зданию или сооружению необходим фундамент. Некоторые грунты являются надежным основанием для фундамента, т.е. обладают высокой прочностью и структурной устойчивостью (например, скальный грунт), но во многих случаях строительство фундамента сопряжено с рядом трудностей, например, возведение фундаментов на пучинистых и структурно-неустойчивых грунтах.
К пучинистым грунтам относятся: глинистые грунты, пески пылеватые и мелкие, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, имеющие к началу промерзания влажность определенного уровня. Чтобы деформации грунтов (особенно неравномерные), вызванные морозным пучением, не оказывали воздействия на фундамент, его подошву следует закладывать на глубину, превышающую глубину промерзания. Это приводит к большой материалоемкости фундамента и большому объему земляных работ.
К структурно-неустойчивым грунтам относятся: лессовые грунты, мерзлые и вечномерзлые грунты, пески, находящиеся в рыхлом состоянии, илы и чувствительные суглинки и глины, а также набухающие грунты. Нарушение структуры грунтов происходит при физических и механических воздействиях.
Для возведения фундаментов на таких грунтах используют специальные меры: устройство грунтовых подушек (замена слабого грунта на малосжимаемый, например песок, гравий и др.); уплотнение слабого грунта (статической нагрузкой, динамической нагрузкой, водопонижением и др.); прорезка слабого грунта сваями, заглубленными в более прочный слой грунта; закрепление грунта (цементация, силикатизация, электрохимическое закрепление и др.); защита грунтов от намокания; сохранение вечномерзлого состояния грунтов; оттаивание грунта; прорезка деятельного слоя с заглублением подошвы фундамента в вечномерзлый грунт;
Это приводит к большой материалоемкости фундамента, большому объему земляных работ и дополнительных мероприятий. Известны способы строительства на неустойчивых грунтах, в том числе в зонах вечной мерзлоты, в сейсмоопасных зонах, большинство из них основано на использовании свайных фундаментов, на опорах различной конфигурации, при этом количество опор всегда больше трех.
Наиболее близким к заявляемому является техническое решение по патенту RU 2687691 C1 Е04В 1/24, с датой приоритета 10.09.2018 г., КАРКАСНОЕ ЗДАНИЕ НА ТРЕХ ОПОРАХ, по которому каркасное здание с наружным несущим каркасом в виде пространственной решетчатой конструкции, выполненной из прямолинейных профилей-ребер, соединенных между собой крепежными узлами, включающей стойку, растяжки, балки, колонны, и раскосы, в качестве фундамента используются три опоры. Нижнее основание пространственной решетчатой конструкции имеет вид шестигранника с шестью центральными лучами, вписанного в треугольник, углы которого располагаются на опорах. Центральный узел пола оснащен стойкой, работающей на сжатие, передающей нагрузку на три наружных узла пола с помощью растяжек, компенсированной тремя центральными балками пола, работающими на сжатие. Узлы нижнего треугольного основания служат опорами для колонн и раскосов. Раскосы, установлены с расширением под острым углом к вертикали, таким образом, углы шестигранника, образованного балками крыши, при виде сверху выходят за границы нижнего шестигранника, образованного балками пола. Верхний шестигранник с шестью центральными лучами, образованный балками крыши, служит основанием для установки кровли. В каждой ячейке (этаже) пространственной решетчатой конструкции (ограниченной раскосами сбоку, балками пола снизу и балками пола вышележащего этажа, либо балками крыши сверху) монтируются пол из СИП-панелей, а также стены и потолок на основе деревянного каркаса с внешними и внутренними обшивками и расположенным между ними утеплителем. При этом все элементы пространственной решетчатой конструкции (за исключением центральной колонны первого этажа при двухэтажном варианте) являются наружными, по отношению к ограждающим конструкциям здания (полу, стенам и потолку).
Недостатком наружного несущего каркаса этого здания является наличие трех колонн и шести растяжек колонн, выходящих в плане за габариты самого здания. Эти элементы каркаса увеличивают пятно застройки, а также повышают материалоемкость каркаса. Также к недостаткам этой конструкции можно отнести наличие стойки пола и трех растяжек пола. Эти элементы каркаса требуют увеличения высоты фундаментных опор над землей, а также повышают материалоемкость каркаса.
Недостатки известного наружного несущего каркаса устраняет заявляемое техническое решение.
Техническая задача - повышение компактности здания в плане (виде с верху), а также снижение материалоемкости наружного несущего каркаса за счет переноса опор под углы шестигранника пола и передачи нагрузки с центрального узла пола на центральный узел крыши.
Для решения указанной задачи предлагается техническое решение, которое представляет собой наружный несущий каркас в виде пространственной решетчатой конструкции, выполненной из прямолинейных профилей-ребер, соединенных между собой крепежными узлами, включающей балки пола, раскосы, балки крыши и подвеску, использующую в качестве фундамента три опоры. При этом опоры располагаются в угловых соединения нижнего шестигранника с промежутком через один. Нижнее основание пространственной решетчатой конструкции имеет вид шестиугольника с шестью центральными лучами, три угла которого располагаются на опорах. Каждая грань, составляющая нижний шестиугольник представляет собой треугольник, то есть шестигранник состоит из шестиугольников. При этом три из шести граней через один имеют внутренний треугольник, состоящий из вспомогательных стержней, вершины которого закреплены на середине ребер треугольника являющегося гранью шестиугольника.
Центральный узел пола оснащен подвеской, работающей на растяжение, передающей нагрузку на центральный узел крыши. Узлы нижнего шестиугольного основания служат опорами для раскосов. Раскосы, установлены с расширением под острым углом к вертикали, таким образом, углы шестигранника, образованного балками крыши, при виде сверху выходят за границы нижнего шестигранника, образованного балками пола. Нижний шестиугольник с шестью центральными лучами, образованный балками пола, служит основанием для установки пола и стен. Верхний шестигранник с шестью центральными лучами, образованный балками крыши, служит основанием для установки кровли.
Для повышения устойчивости пространственной решетчатой конструкции три из шести граней нижнего шестиугольника через один содержат внутренний треугольник из вспомогательных стержней, вершины которого закреплены на середине ребер треугольника, являющегося гранью шестиугольника. Аналогично три из шести граней верхнего шестигранника, служащего основой для установки кровли, через один содержат внутренний треугольник из вспомогательных стержней, вершины которого закреплены на середине ребер треугольника, являющегося гранью шестиугольника.
В каждой ячейке (этаже) пространственной решетчатой конструкции (ограниченной раскосами сбоку, балками пола снизу и балками пола вышележащего этажа, либо балками крыши сверху) монтируются пол из СИП-панелей или деревянного каркаса, а также стены и потолок на основе деревянного каркаса с внешними и внутренними обшивками и расположенным между ними утеплителем. При этом элементы пространственной решетчатой конструкции (за исключением подвески) являются наружными, по отношению к ограждающим конструкциям здания (полу, стенам и потолку).
Распределение усилий в пространственной решетчатой конструкции (см. Фиг. 5-8) осуществляется следующим образом. Полезная нагрузка (от людей, мебели и т.д.), а также вес пола, стен и потолка воспринимаются двенадцатью балками пола (5). Вертикальному перемещению центрального узла пола препятствует подвеска (8), работающая на растяжение. Таким образом, нагрузка передается с центрального узла пола на центральный узел крыши. Снеговая нагрузка, вес кровли, а также нагрузка переданная с пола посредством подвески воспринимается двенадцатью балками крыши (7). Вертикальному перемещению центрального узла крыши препятствуют шесть центральных балок крыши (7), работающими на сжатие, которые передают усилие на наружные узлы крыши. Возникающий в результате этого распор воспринимается шестью крайними балками крыши (7), растягивая их. Шесть наружных узлов крыши передают всю нагрузку на три опорных узла посредством шести опорных раскосов (6), сжимая их. Остальные три узла пола передают нагрузку на шесть наружных узлов крыши посредством шести раскосов (6), растягивая их. Незначительные отклонения раскосов от вертикали вызывают небольшие продольные усилия в балках пола. Помимо действия вышеописанных продольных сил, все балки пола и крыши подвержены действию изгибающих моментов и поперечных сил.
Таким образом, для достижения устойчивости конструкции наружного несущего каркаса на трех опорах достаточно 12 балок пола (5), 12 раскосов (6), 12 балок крыши (7) и подвески (8). Для уменьшения расчетной длины сжатых стержней, а также для поддержания настила кровли и пола, возможно использование дополнительных (вспомогательных) стержней (9).
Технический результат - повышение компактности здания в плане (виде с верху), уменьшение площади застройки, а также снижение материалоемкости наружного несущего каркаса.
Технический результат достигается за счет наружного несущего каркаса здания на трех опорах в виде пространственной решетчатой конструкции, выполненной из прямолинейных профилей-ребер, соединенных между собой крепежными узлами, включающей балки пола, раскосы, балки крыши и подвеску, установленный в качестве фундамента на три опоры, отличающийся тем что эти опоры расположены в угловых узлах крепления нижнего шестигранника с промежутком через один, при этом нижнее основание пространственной решетчатой конструкции служащее основой для установки пола и стен имеет вид шестиугольника с шестью центральными лучами, три угла которого через один располагаются на опорах; каждая грань, составляющая нижний шестиугольник представляет собой треугольник, при этом три из шести граней через один содержат внутренний треугольник из вспомогательных стержней, вершины которого закреплены на середине ребер треугольника, являющегося гранью шестиугольника. Верхняя часть пространственной решетчатой конструкции, являющаяся основой для монтажа кровли, имеет вид шестигранника с шестью центральными лучами вершиной вверх, каждая грань, составляющая верхний шестигранник представляет собой треугольник, при этом три из шести граней через один содержат внутренний треугольник из вспомогательных стержней, вершины которого закреплены на середине ребер треугольника, являющегося гранью шестиугольника. Центральный узел пола оснащен подвеской с возможностью работы на растяжение и передачи нагрузки на центральный узел крыши. Как частный случай, длинномерные детали пространственной решетчатой конструкции (балки, раскосы, стержни) изготовлены из деревянного бруса. Как частный случай, длинномерные детали пространственной решетчатой конструкции (балки, раскосы, стержни) изготовлены из металлического профиля или трубы.
Отличия от прототипа: преимуществом заявляемого изобретения перед прототипом является меньшее количество элементов, и, как следствие, меньшая материалоемкость и трудоемкость конструкции. Также большим преимуществом является компактность за счет отсутствия вынесенных за пределы контура здания опор.
Полезная нагрузка (от людей, мебели и т.д.), а также вес пола, стен и потолка воспринимаются двенадцатью балками пола (5). Вертикальному перемещению центрального узла пола препятствует подвеска (8), работающая на растяжение. Таким образом, нагрузка передается с центрального узла пола на центральный узел крыши. Снеговая нагрузка, вес кровли, а также нагрузка переданная с пола посредством подвески воспринимается двенадцатью балками крыши (7). Вертикальному перемещению центрального узла крыши препятствуют шесть центральных балок крыши (7), работающими на сжатие, которые передают усилие на наружные узлы крыши. Возникающий в результате этого распор воспринимается шестью крайними балками крыши (7), растягивая их. Шесть наружных узлов крыши передают всю нагрузку на три опорных узла посредством шести опорных раскосов (6), сжимая их. Остальные три узла пола передают нагрузку на шесть наружных узлов крыши посредством шести раскосов (6), растягивая их. Незначительные отклонения раскосов от вертикали вызывают небольшие продольные усилия в балках пола. Помимо действия вышеописанных продольных сил, все балки пола и крыши подвержены действию изгибающих моментов и поперечных сил.
Благодаря лаконичности заявляемой конструкции уменьшается материалоемкость как отдельных стержней, так и конструкции в целом. Малый вес стержней позволяет осуществить строительство без использования строительной техники. Кроме того, использование наружного каркаса полностью исключает мостики холода в стенах, а также позволяет начать возведение кровли раньше, чем пола, стен и потолка, благодаря чему повышается комфортность монтажных работ. Как вариант, опоры являются незаглубленными, или заглубленными в грунт. В качестве опор могут использоваться сваи, или понтоны. Опора представляет собой железобетонную цельную деталь в виде цилиндра, железобетонную цельную деталь в виде призмы.
Техническое решение поясняют изображения на Фиг. 1-14:
Фиг. 1 - Вид каркасного здания на трех опорах спереди
Фиг. 2 - Вид каркасного здания на трех опорах сбоку (вид А)
Фиг. 3 - Вид каркасного здания на трех опорах сверху (вид Б)
Фиг. 4 - Изометрическая проекция каркасного здания на трех опорах.
Фиг. 5 - Вид пространственной решетчатой конструкции спереди
Фиг. 6 - Вид пространственной решетчатой конструкции сбоку (вид В)
Фиг. 7 - Вид пространственной решетчатой конструкции сверху (вид Г)
Фиг. 8 - Изометрическая проекция пространственной решетчатой конструкции
Фиг. 9 - Узел крепления балок пола и раскосов и опоры (вид Д)
Фиг. 10 - Узел крепления балок пола и раскосов (вид Е)
Фиг. 11 - Центральный узел крепления балок пола и подвески (вид Ж)
Фиг. 12 - Центральный узел крепления балок кровли и подвески (вид И)
Фиг. 13 - Узел крепления балок кровли и раскоса (вид К)
Фиг. 14 - Узел крепления балок пола и вспомогательных стержней (вид Л),
где
1 - незаглубленный столб;
2 - пространственная решетчатая конструкция
3 - здание (пол, стены и потолок на основе каркаса)
4 - кровля;
5 - балка пола;
6 - раскос;
7 - балка крыши;
8 - подвеска;
9 - вспомогательные стержни.
Пример осуществления
Каркасное здание с наружным несущим каркасом в виде пространственной решетчатой конструкции, выполненной из прямолинейных профилей-ребер, соединенных между собой крепежными узлами, включающей балки пола, раскосы, балки потолка и подвеску, а также пол, стены и потолок на основе деревянного каркаса с внешними и внутренними обшивками и расположенным между ними утеплителем. При этом элементы пространственной решетчатой конструкции (за исключением подвески) являются наружными, по отношению к ограждающим конструкциям здания (полу, стенам и потолку). В треугольники, образованные балками пола а также балками крыши (через один) вписаны дополнительные маленькие треугольники, повышающие устойчивость сжатых балок пола и крыши в горизонтальной плоскости. Вершины маленьких треугольников располагаются на серединах сторон больших.
Процесс сборки осуществляют следующим образом.
Монтируют три опоры, выполняющие роль фундамента. Как вариант, в качестве опалубки для столбов могут быть использованы стальные бочки (ГОСТ 6247-79).
Монтируют пространственную решетчатую конструкцию. Основными элементами пространственной решетчатой конструкции являются (см. Фиг. 5-8): 5- Балка пола (12 шт. ); 6 - Раскосы (12 шт. ); 7 - Балка потолка (12 шт. ); 8 - Подвеска (1 шт. ). Для уменьшения расчетной длины сжатых стержней, а также для поддержания настила кровли и пола, возможно использование дополнительных (вспомогательных) стержней (9). Для соединения стержней используются болты (ГОСТ 7798-70). Как вариант, вместо болтового, может быть использовано сварное соединение.
Монтируют кровлю. Кровля в плане (на виде сверху) имеет вид шестигранника. Поверх каждой центральной балки крыши укладывается доска на ребро и крепится к ней шурупами с потайной головкой (ГОСТ 1145-80) через заранее приваренные к балкам перфорированные стальные пластины. Затем вдоль каждого из шести скатов крыши, с необходимым для поддержания обрешетки шагом, монтируются стропила (из той же доски). Верхний конец стропил крепится к смонтированным доскам при помощи шурупов, а нижняя часть стропил крепится к крайним балкам крыши шурупами через заранее приваренные к балкам перфорированные стальные пластины. Затем к стропилам при помощи шурупов крепится разряженная обрешетка в шахматном (для смежных скатов) порядке. Для устройства кровли, как вариант, используется черепица битумная (ГОСТ 32806-2014), уложенная на сплошное основание из листов OSB или фанеры. Как вариант, для небольшой кровли, фанера или обрешетка могут быть смонтированы не на дощатую стропильную систему, а непосредственно на балки крыши. Как вариант, возможно использование для кровли и других материалов, например, стального профилированного листа (ГОСТ 24045-2016), уложенного непосредственно на обрешетку. Для крепления стального профилированного листа (ГОСТ 24045-2016) к обрешетке используется шуруп с буром, шестигранной головкой и уплотнительной шайбой (DIN 7504 К).
Монтируют пол. Пол в плане (на виде сверху) имеет вид многогранника (например двенадцатигранника). Пол собирается из готовых СИП-панелей или на основе деревянного каркаса. Для крепления СИП-панелей или балок деревянного каркаса к пространственной решетчатой конструкции, а именно к балкам пола, используется шуруп-болт по дереву (DIN 571) или шуруп с потайной головкой (ГОСТ 1145-80). Как вариант (для беседки), пол собирается из листов фанеры или половой доски. Для крепления листов фанеры или половой доски к пространственной решетчатой конструкции используется винт с потайной головкой (ГОСТ 17475-80) или шуруп с потайной головкой (ГОСТ 1145-80).
Монтируют стены. Стены в плане (на виде сверху) имеют вид многогранника (например двенадцатигранника). Стены собираются из готовых стеновых панелей (на основе деревянного каркаса с внешними и внутренними обшивками и расположенным между ними утеплителем). Для крепления стеновых панелей к панелям пола и между собой используется шуруп-болт по дереву (DIN 571) или шуруп с потайной головкой (ГОСТ 1145-80).
Монтируют потолок. Потолок в плане (на виде сверху) имеет вид многогранника и повторяет форму стен. Потолок монтируется из отдельных деревянных балок с последующим утеплением и обшивкой. Балки потолка, при помощи болтов (ГОСТ 7798-70), крепятся к пространственной решетчатой конструкции, а именно к подвеске (8), через опорный диск, который приварен к подвеске. Вторым концом балки опираются на стены и крепятся к ним при помощи монтажных уголков и шурупов с потайной головкой (ГОСТ 1145-80).
Распределение усилий в пространственной решетчатой конструкции (см. Фиг. 5-8) осуществляется следующим образом. Полезная нагрузка (от людей, мебели и т.д.), а также вес пола, стен и потолка воспринимаются двенадцатью балками пола (5). Вертикальному перемещению центрального узла пола препятствует подвеска (8), работающая на растяжение. Таким образом, нагрузка передается с центрального узла пола на центральный узел крыши. Снеговая нагрузка, вес кровли, а также нагрузка переданная с пола посредством подвески воспринимается двенадцатью балками крыши (7). Вертикальному перемещению центрального узла крыши препятствуют шесть центральных балок крыши (7), работающими на сжатие, которые передают усилие на наружные узлы крыши. Возникающий в результате этого распор воспринимается шестью крайними балками крыши (7), растягивая их. Шесть наружных узлов крыши передают всю нагрузку на три опорных узла посредством шести опорных раскосов (6), сжимая их. Остальные три узла пола передают нагрузку на шесть наружных узлов крыши посредством шести раскосов (6), растягивая их. Незначительные отклонения раскосов от вертикали вызывают небольшие продольные усилия в балках пола. Помимо действия вышеописанных продольных сил, все балки пола и крыши подвержены действию изгибающих моментов и поперечных сил.