Баланс между весом и прочностью: выбор материалов каркаса для разных типов модулей

При принятии решения масса каркаса и предел текучести материала определяют предпочтение между ЛСТК и сортовым прокатом. Легкие профили дают выигрыш в массе, сталь большого сечения обеспечивает запас по прочности.

Тонкостенные профили ЛСТК изготавливают из оцинкованной стали толщиной 1,0–4,0 мм и массой 0,8–5,0 кг на погонный метр в зависимости от сечения; для быстровозводимых бытовок и офисных модулей это оправдано при пролётах до 6 м при перекрытиях из жёстких панелей.

Сортовой прокат включает швеллеры, балки и уголки с площадью сечения от 20 см2 и массой от 10 кг/п.м, что даёт момент сопротивления, необходимый для пролётов свыше 9 м. При жилых модулях с несколькими уровнями и крупной инженерией стоит ориентироваться на класс стали S355 и выше.

При расчёте нагрузки на основание приводят все составляющие к величине на квадратный метр; для лёгких блоков проектная нагрузка обычно принимается 200–300 кг/м2. Для стационарных модулей с отделкой, сантехникой и оборудованием расчётная величина может составлять 350–600 кг/м2.

Нормы по основаниям и фундаментам содержат СНиП 2.02.01-83 и современные своды правил, которые предписывают учитывать сочетания нагрузок и коэффициенты надежности. Расчёт Q = G + Σq с привязкой к грунтовым характеристикам обязателен при проектировании опор.

Транспортные ограничения диктуют параметры масс и габаритов; стандартный блок 6,0×2,4×2,6 м при массе до 4 т обычно перевозят без спецразрешений. При массе 4–20 т используют низкорамные тралы и краны с грузоподъёмностью 10–40 т, а свыше 40 т требуется сопровождение и согласование.

Высота груза от уровня дороги более 4,0 м и ширина выше 2,55–2,6 м часто приводят к необходимости оформления специальных разрешений для движения. Для снижения расходов на логистику рационально проектировать модульную высоту не более 3,2 м.

Соединения в каркасе критичны для передачи усилий; для тонкостенных профилей применяют самонарезающие винты по металлу класса 8.8 и заклёпки, а для сортового проката при анкерных соединениях используют болты M12–M24 класса 5.6–8.8. Длина резьбового элемента должна превышать суммарную толщину скрепляемых деталей на 1,5–2 диаметра резьбы.

Узлы жёсткости в ЛСТК выполняют с помощью стыковых пластин и диафрагм толщиной 1,5–3,0 мм, что снижает местную нестабильность. В случае с двутавровыми балками применяют сварные усиления и накладки толщиной 6–12 мм для передачи местных нагрузок.

Пролетные характеристики задают допустимый прогиб; для жилых перекрытий рекомендуют w/L не более 1/200 при постоянной нагрузке и не более 1/150 для временных режимов. В практическом проекте при L = 6 м допустимый прогиб не должен превышать 30 мм.

Коррозионная защита для тонкого проката требует горячего цинкования с толщиной покрытия 60–140 мкм по ГОСТ и контроля адгезии лако-красочного покрытия. Для сортового проката класс покрытия должен быть не ниже Zn 100 или альтернативной системы с общим слоем 120–200 мкм.

Функция массы на устойчивость к ветру и снегу проявляется в том, что более тяжёлая конструкция имеет большую инерцию, но не всегда большую прочность; расчётный запас получают через коэффициент γm, который в проектах принимают 1,15–1,4 в зависимости от сочетания нагрузок. При расчётах комбинируют N, M и V и применяют предельные состояния I и II.

При фундаментах опорные точки проектируют с учётом распределённой массы; для блока 6×2,4 м с массой 4 т каждая опорная площадка под углом несёт нагрузку порядка 800–1000 кг. Под такие точки закладывают бетонные подушки толщиной 100–150 мм и маркой бетона не ниже B15.

Если груз постоянный и грунты слабые, прибегают к винтовым сваям с расчётной несущей способностью одной опоры от 3 т и диаметром 108–219 мм. Расчёт глубины закладки зависит от величины промерзания в регионе и плотности слоя до глубины промерзания.

Для мобильных бытовок целесообразно ограничить массу одного блока 1,5–3,0 т, что позволяет использовать стандартную гидроманипуляторную технику без специальных средств. Для офисных блоков с улучшенной отделкой принято планировать массу 3–6 т, что требует более мощных механизмов и анкеров.

При выборе материалов учитывают технологичность изготовления; ЛСТК предпочтительны для серийного производства на линиях холодной гибки, где точность сечений и масса на метр легко контролируются. Сортовой прокат удобнее применять при крупносерийном изготовлении узлов с большими силами и при сварных соединениях.

Параметры профилей и массы указывают в спецификации; указывают массу 1 п.м., момент инерции Ix и радиус инерции ry, что упрощает проверку несущей способности. Ведомость материалов включает марки стали, класс резьбы, толщину покрытия и массу комплектов.

Практический совет по монтажу: при сборке ЛСТК рекомендуется предварительная сборка секций на ровной площадке и маркировка деталей, это сокращает время и снижает ошибки. При монтаже сортового проката последовательность и клёпка узлов должны сопровождаться проверкой геометрии промеры уровнем и отвесом.

Толщина сварного шва для соединений сортовых элементов обычно принимается 4–6 мм при сварке встык, а для усилительных накладок применяют швы 6–10 мм. Контроль качества швов проводят визуально и ультразвуком при предъявлении требований к долговечности.

Уточняют массу обшивки: профнастил марки НС-20 толщиной 0,5 мм имеет массу около 4–5 кг/м2, плиты минераловатные с обшивкой добавляют 10–25 кг/м2 в зависимости от толщины. Для расчёта совокупной массы необходимо суммировать массу каркаса, обшивки, утеплителя и отделки.

При выборе анкеров указывают диаметр и длину с учётом вырыва; анкерный болт M12 в бетоне B15 обеспечивает расчётную несущую силу около 6–8 кН при глубине заглубления 100–120 мм. Для массовых блоков применяют анкерные пластины 150×150×8 мм.

Резерв по прочности назначают в виде коэффициента 1,2–1,6 для конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям при погрузке и транспортировке. При частых перегрузках и вибрациях выбирают материалы с высокой пластичностью и пределом текучести выше 235 МПа.

Проектная масса влияет на выбор техники: кран 10 т поднимет модуль до 8 т с учётом захватных устройств и запаса, а мобильный кран 30 т обеспечивает манипуляции с блоками до 25 т без значительных ограничений. Для монтажа в стеснённых условиях полезно предусмотреть точки крепления для стропов с допустимой нагрузкой не менее 1,25 от расчётной массы подъемного узла.

При расчёте ветровой нагрузки используют нормативные значения q = 0,5·C·V^2, где V — скоростной напор ветра, а C — аэродинамический коэффициент формы. Для ЛСТК это критично при высоте более двух этажей, когда местные изгибы профиля могут превышать допустимые нормативы.

Теплоизоляция и внутренние инженерные сети добавляют массу и смещают центр тяжести; плита перекрытия на основе ЛСТК с жёсткой обшивкой прибавляет 30–45 кг/м2, что необходимо учесть при расчётах опор. Для жилых помещений с обогревом и водоснабжением планируют запас нагрузки на 1 м2 не менее 400 кг.

Стандартизация профилей упрощает закупку и повышает повторяемость деталей; ГОСТ 24767 и ГОСТ Р 52246 определяют размеры, сортамент и массу профильных изделий. Использование стандартных элементов снижает время производства и упрощает проверку по ведомостям.

Планируя серию изделий, экономически обоснованно придерживаться типоразмеров, где масса одного модуля укладывается в допустимые нормы перевозки и монтажа. Это снижает стоимость складирования и уменьшает риск несоответствий при приемке на объекте.

Техническая документация к модулю должна включать чертежи узлов, ведомости сварки, спецификацию крепежа и протоколы контроля толщины покрытия. Наличие этих документов упрощает согласование при транспортировке и уменьшает риск переработок в проекте.

Баланс массы и прочности сводится к выбору конфигурации, соответствующей геометрии, эксплуатационному назначению и логистическим ограничениям. Применение ЛСТК целесообразно для лёгких и мобильных решений, прокат — для тяжёлых и стационарных конструкций.