КАРКАС ЗДАНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ЖИВУЧЕСТИ
FRAME OF BUILDING WITH HIGHER DURABILITY

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.