Каркас здания повышенной живучести
Владельцы патента RU 2426840:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянская государственная инженерно-технологическая академия" (RU)
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении малоэтажных зданий с металлическим каркасом. Каркас здания включает двухэтажные двухпролетные рамы, состоящие из жестко соединенных с фундаментом колонн и свободно опертых на них ригелей, систему горизонтальных и вертикальных связей жесткости. Ригели каждого из пролетов всех поперечных рам в местах опирания на среднюю колонну имеют дополнительные ребра жесткости, при этом на ригелях установлены упоры, шарнирно связанные с пластинами. В уровне перекрытий каждого этажа крайние колонны связаны с фундаментами высокопрочными канатами, и в местах соединения крайних колонн рядовых рам с ригелями вводятся пластины, которые шарнирно связаны с упорами, установленными на коробчатых стержнях, соединяющих соседние рамы и имеющих в местах опирания на колонны дополнительные ребра жесткости. Средняя колонна каждой торцовой рамы имеет дополнительную верхнюю часть высотой не менее половины высоты этажа, оголовок которой соединен наклонными затяжками с крайними колоннами. Технический результат - повышение несущей способности элементов каркаса с целью предупреждения прогрессирующего обрушения зданий при запроектных воздействиях. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении малоэтажных зданий с металлическим каркасом, имеющих особо важное народнохозяйственное и социальное значение (объектов первого уровня ответственности).
Известно здание (RU 2133803, E04B 1/24, C1) с усиленной каркасной схемой, в которой перекрытия имеют поперечные, продольные и диагональные ригели. Продольные ригели и колонны образуют в вертикальной плоскости многопролетные рамы. Диагональные ригели связывают смежные поперечные рамы. В то же время такой каркас недостаточно защищен от запроектных воздействий.
Известно также здание (RU 2146320, E04B 1/24, E04B 1/58, E04B 5/14, С1), включающее поперечные рамы, состоящие из жестко соединенных с фундаментом колонн и жестко соединенных с колоннами ригелей, систему горизонтальных и вертикальных связей жесткости. Повышенная несущая способность каркаса обеспечивается жесткой конструкцией всех узлов соединения элементов. Вместе с тем конструктивная схема этого каркаса не обеспечивает эффективного предупреждения прогрессирующего обрушения при внезапном локальном разрушении какой-либо стойки.
Задача изобретения - обеспечение живучести здания в случае локального разрушения любой из колонн вследствие запроектного воздействия.
Технический результат - повышение несущей способности элементов каркаса с целью предупреждения прогрессирующего лавинообразного обрушения зданий при запроектных воздействиях.
Поставленная задача решена тем, что каркас здания повышенной живучести, включающий двухэтажные двухпролетные рамы, состоящие из жестко соединенных с фундаментом колонн и свободно опертых на них ригелей, систему горизонтальных и вертикальных связей жесткости, отличается тем, что ригели каждого из пролетов всех поперечных рам в местах опирания на среднюю колонну имеют дополнительные ребра жесткости, при этом на ригелях установлены упоры, шарнирно связанные с пластинами, а в уровне перекрытий каждого этажа крайние колонны связаны с фундаментами высокопрочными канатами, и в местах соединения крайних колонн рядовых рам с ригелями вводятся пластины, которые шарнирно связаны с упорами, установленными на коробчатых стержнях, соединяющих соседние рамы и имеющих в местах опирания на колонны дополнительные ребра жесткости, кроме того, средняя колонна каждой торцовой рамы имеет дополнительную верхнюю часть высотой не менее половины высоты этажа, оголовок которой соединен наклонными затяжками с крайними колоннами.
Проведенный конечно-элементный анализ каркаса в динамической постановке [1] подтверждает выполнение условий живучести здания в случае внезапного выведения из работы любой стойки, которое возможно при таких запроектных воздействиях, как просадки опор, карстовые или суффозионные провалы основания, особые температурные нагрузки (возникающие, например, в результате пожара) или взрывные нагрузки.
Конструкция поясняется схемами. На фиг.1 изображена рядовая поперечная рама, где 1 - крайние колонны, 2 - средняя колонна, 3 - ригели, 4 - высокопрочные канаты, 5 - пластины, 6 - упоры, 7 - жесткие диски перекрытий; на фиг.2 - торцовая поперечная рама, где 8 - наклонные затяжки, 9 - дополнительная верхняя часть колонны; на фиг.3 - вид каркаса в продольном направлении, где 10 - коробчатые стержни, 11 - вертикальные связи жесткости; на фиг.4 - вид в плане элементов металлического каркаса; на фиг.5 - схема поперечной рамы каркаса при локальном разрушении средней колонны первого этажа; на фиг.6 - схема поперечной рамы каркаса при локальном разрушении средней колонны второго этажа; на фиг.7 - схема каркаса при локальном разрушении крайней колонны первого этажа рядовой рамы; на фиг.8 - схема каркаса при локальном разрушении крайней колонны второго этажа рядовой рамы; на фиг.9 - фрагмент узла соединения ригелей 3 с пластинами 5, где 12 - ребро жесткости ригеля, 13 - кольцевой фиксатор, 14 - угловой профиль с цилиндром; фиг.10, 11 - поперечные разрезы фрагмента, изображенного на фиг.9, где 15 - направляющая.
При действии проектных нагрузок схемы поперечных рам каркаса и боковой вид представлены на фиг.1-4.
При локальном разрушении средней колонны любой рамы образуется механизм, состоящий из пластин 5 с упорами 6 и ригелей 3, который смещается по вертикали до момента соприкосновения упоров с ребрами жесткости ригелей 3. При этом образуется пролетная несущая система, работающая на изгиб с распором (см. фиг.5, 6). Горизонтальные усилия распора в этом случае воспринимаются крайними колоннами 1 и высокопрочными канатами 4.
При удалении крайней колонны 1 рядовой рамы образуется механизм, состоящий из пластин 5 с упорами 6 и коробчатых стержней 10, который смещается по вертикали до момента соприкосновения упоров с ребрами жесткости коробчатых стержней (см. фиг.7, 8). При этом в направлении шага колонн образуется несущая система, работающая на изгиб с распором. Горизонтальные усилия распора воспринимаются крайними колоннами 1 других рам, включаемых в работу коробчатыми стержнями 10, а также вертикальными связями жесткости 11, и передаются на фундамент. При удалении крайней колонны любого этажа торцовой рамы (см. фиг.2) вертикальные нагрузки будут перераспределяться через наклонные затяжки 8 на соседние колонны.
Сопоставление конструкций существующих металлических каркасов зданий [2-3] и предложенного решения позволяет сделать вывод о значительном снижении риска прогрессирующего обрушения несущей системы, экономии материальных ресурсов и обеспечении безопасности людей в условиях возникновения запроектных воздействий.
При удалении одной из колонн ригели 3, двигаясь по направляющим 15, соприкасаются с упорами 6 (см. фиг.9). Шарнирное соединение упоров 6 с пластинами 5 достигается при помощи угловых профилей с цилиндрами 14. Фиксация пластин 5 выполняется направляющими 15 и кольцевыми фиксаторами 13 (см. фиг.10, 11).
Предлагаемый каркас выполняют из сталей и сплавов, применяемых в строительстве, и монтируют известными приемами.
Источники информации
1. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций / М.: Изд. АСВ, 2000. - 152 с.
2. Мельников Н.П. Металлические конструкции промышленных зданий и сооружений. Справочник проектировщика / Н.П.Мельников, А.И.Бежевец, З.И.Брауде и др. - Владимир, 1962 - 591 с.
3. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В.Кузнецова (ЦНИИ Проектстальконструкция им. Н.П.Мельникова) - М.: изд-во АСВ, 1998. - 512 с.
1. Каркас здания повышенной живучести, включающий двухэтажные двухпролетные рамы, состоящие из жестко соединенных с фундаментом колонн и свободно опертых на них ригелей, систему горизонтальных и вертикальных связей жесткости, отличающийся тем, что ригели каждого из пролетов всех поперечных рам в местах опирания на среднюю колонну имеют дополнительные ребра жесткости, при этом на ригелях установлены упоры, шарнирно связанные с пластинами, а в уровне перекрытий каждого этажа крайние колонны связаны с фундаментами высокопрочными канатами, и в местах соединения крайних колонн рядовых рам с ригелями вводятся пластины, которые шарнирно связаны с упорами, установленными на коробчатых стержнях, соединяющих соседние рамы и имеющих в местах опирания на колонны дополнительные ребра жесткости, кроме того, средняя колонна каждой торцовой рамы имеет дополнительную верхнюю часть высотой не менее половины высоты этажа, оголовок которой соединен наклонными затяжками с крайними колоннами.
2. Каркас по п.1, отличающийся тем, что поперечные рамы включают более двух пролетов.
3. Каркас по п.1, отличающийся тем, что поперечные рамы выполнены одноэтажными или имеют более двух этажей.
