МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КАРКАС ПОВЫШЕННОЙ ЖИВУЧЕСТИ ПРИ ПРОГРЕССИРУЮЩЕМ ОБРУШЕНИИ

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при возведении малоэтажных зданий с металлическим каркасом общественного назначения.
Известна конструкция рамного каркаса (RU 2360076), каркас здания включает двухэтажные двухпролетные рамы, систему вертикальных связей жесткости и затяжек. Рамы состоят из колонн и ригелей, выполненных в виде балок. Соседние рамы соединяются между собой диагональными затяжками, которые расположены в пределах парапета и связывают верхние части колонн. Верхние части колонн дополнены вертикальными стержнями. Отметка верха дополнительных стержней совпадает с отметкой верха парапета. Соседние рамы также соединяются коробчатыми балками, расположенными в уровне опорных узлов ригелей покрытия. В плоскости рам вертикальные затяжки соединяют балки перекрытия в местах опирания на среднюю колонну с ригелем покрытия. Горизонтальные затяжки соединяют крайние колонны в узлах опирания ригеля покрытия. В плоскости торцевых рам диагональные затяжки соединяют балки перекрытия в местах опирания на крайние колонны с балками покрытия в середине их пролета. В конструкции подтверждено выполнение условий живучести здания в случае мгновенного удаления одной из опор, однако такое решение приводит к ограничениям функционального использования здания. Помимо этого все сечения рамного каркаса требуют индивидуального (не типового) изготовления, что приводит к значительному удорожанию.
Известна конструкция многопролетной двухэтажной поперечной рамы каркаса здания (RU 2466243), рама включает крайние и средние колонны, жестко опирающиеся на фундамент, ригели перекрытия, ферму покрытия и узлы соединения ригелей и фермы с колоннами. Нижний пояс фермы связан высокопрочными канатами с расположенными в серединах пролетов узлами соединения раскосов. В пролете соединение нижнего пояса фермы и канатов выполнено в двух узлах. Каждый из узлов расположен на расстоянии 0,3-0,4 длины пролета от ближайшей колонны. Крайние и средние колонны снабжены опорными узлами ригелей, содержащими страховочные устройства, включающие подкосы, упоры, ползуны, подвесы и горизонтальные коротыши. Устройства опорных узлов ригелей на средних колоннах дополнительно снабжены страховочными пластинами, пружинами, разделительными угловыми профилями, ребрами жесткости ригелей и вращающимися упорами. Конструкция позволяет предупреждать прогрессирующее обрушение здания в случае мгновенного исключения из работы несущей системы любой стойки или ригеля любого этажа, однако данные мероприятия излишне усложняют работы по проектированию, а также изготовление и монтаж конструкций. К тому же они ведут к существенному удорожанию конечного продукта (т.е. здания или сооружения) в целом.
Задача полезной модели - создание металлического каркаса устойчивого против прогрессирующего обрушения здания в случае мгновенного локального разрушения колони или ригелей рамы любого этажа.
Технический результат - надежная конструктивная схема рамы, позволяющая предупреждать прогрессирующее обрушение здания в случае возникновения запроектных воздействий (локального нагрева при пожаре, провала в карстовую воронку, большой просадки грунта основания, техногенной аварии, террористического акта и т.п.).
Поставленная задача решена тем, что металлический каркас устойчивый против прогрессирующего обрушения, состоящий из рядовых рам, установленных с шагом 6 м, колонн, жестко защемленных в фундаменте и жестко соединенных с ригелями и главными балками, отличается тем, что рамы соединены между собой дополнительными связующими ригелями по оси центральных колонн и второстепенными балками, опирание ригелей выполнено в одном уровне с балками, а в пролетах рамы и местах установки дополнительных связующих ригелей установлены усиливающие конструкции в виде несущих связей, которые состоят из двух дуг прямоугольного сечения, соединяющихся друг с другом в центре ригеля рамы и дополнительного связующего ригеля, и образующих элемент арочного типа, а также упоров, передающих усилия от выше расположенных несущих связей.
Колонны рамы двутаврового сечения колонного типа с параллельными гранями полок. Ригели и второстепенные балки из широкополочного двутавра с параллельными гранями полок. Пролет рамы и шаг рам 6 м. Несущая связь из профилированной трубы прямоугольного сечения выполнена в виде арок и дополнена упорами из профилированной трубы квадратного сечения для восприятия усилий от выше расположенной несущей связи. Форма усиливающей конструкции принята таким образом, чтобы в плоскости пролета рамы или между рамами была возможность разместить дверные или окопные проемы общей площадью 9,5 кв. м. Крепление несущих связей производится через болтовое соединение к ригелям рамы или к связующим ригелям, а также через фундаментные болты к железобетонным конструкциям основания.
Проведенный расчет методом конечных элементов при помощи ЭВМ [Вычислительный комплекс SCAD / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, Л.Л. Маляренко, М.Л. Микитаренко, Л.В. Перельмутер, М.Л. Перельмутер. [с учетом коэффициента динамичности при внезапном удалении конструктивного элемента подтверждает повышение показателей по надежности и живучести металлического каркаса при воздействии запроектных нагрузок в виде карстовых провалов, взрывных нагрузок, высоких температур вследствие пожара.
Конструкция поясняется схемами.
На фиг. 1 изображена пространственная схема расположения конструктивных элементов в уровне первого этажа на примере металлического каркаса с размерами в осях 12 на 18 метров (расположение конструктивных элементов второго этажа аналогична первому), где 1 - двухпролетная рядовая рама, 2 - усиливающая конструкция в виде несущей связи; 3 - дополнительный связующий ригель, опирающийся на рамы 1 и соединяющий их в центральном пролете, 4 второстепенные балки.
На фиг. 2 изображена двухпролетная рядовая рама 1, на которой не установлены усиливающие конструктивные элементы в виде несущей связи 2, где 5 - колонны рамы, 6 - ригели рамы. Рамы 1 соединены между собой дополнительными связующими ригелями 3 по оси центральных колонн 5 рамы 1 и второстепенными балками 4, опирание ригелей 3 выполнено в одном уровне с балками 4.
На фиг. 3 изображена усиливающая конструкция в виде несущей связи 2, которая состоит из двух дуг из профилированной трубы прямоугольного сечения 7, образующих элемент арочного типа, и упоров несущей связи 8, выполненных из профилированной трубы квадратного сечения для восприятия усилий от выше расположенного ригеля 6 или дополнительного связующего ригеля 3. Дуги 7, соединяющиеся между собой в центре ригеля 6 рамы 1 или дополнительного связующего ригеля 3.
На фиг. 4 изображено мгновенное удаление центральной колонны 5 рамы 1 на примере первого этажа двухэтажного металлического каркаса. При локальном разрушении любой из колонн рамы 5 идет перераспределение усилий воспринимаемой ранее удаленной колонной между соседними конструктивными элементами, а именно на элементы несущей связи 2. Благодаря их запасу прочности при загружении дополнительной нагрузкой от удаленной колонны показатели по несущей способности не превысили предельно допустимых значений, вследствие чего, прогрессирующего обрушения не наблюдается.
На фиг. 5 изображено мгновенное удаление части ригеля 6 на примере первого этажа двухэтажного металлического каркаса. При локальном разрушении ригеля 6 рамы 1 усилия перераспределяются на нижележащие конструкции несущей связи 2. За счет деления ригеля рамы 6 элементами несущей связи 2 на части, уменьшается его расчетная длина, и повышаются несущая способность и запас прочности. Благодаря этому прогрессирующее обрушение не наблюдается.
При сравнении несущей способности металлического каркаса аналогичного типа и геометрических размеров с металлическим каркасом усиленным дополнительными конструктивными элементами полученные данные позволяют сделать следующие выводы:
- создание металлического каркаса устойчивого против прогрессирующего обрушения при воздействии запроектных нагрузок;
- увеличение показателей расхода по массе металла для возведения данного металлического каркаса всего около 2%;
- уменьшение стоимости расхода металла для возведения данного металлического каркаса около 3%.