Страховочная конструкция для защиты каркасных зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения
SAFETY STRUCTURE TO PROTECT FRAME BUILDINGS AND STRUCTURES FROM PROGRESSIVE COLLAPSE

Изобретение относится к строительству, в частности к защите каркасных зданий и сооружений от воздействий, приводящих к прогрессирующему обрушению, в том числе одноэтажных производственных зданий, имеющих значительный шаг колонн и пролет.
Известно решение по защите каркасных зданий от прогрессирующего обрушения, включающее установку по всем продольным рядам колонн неразрезных подстропильных конструкций, соединенных с верхом колонн, обеспечивающих перераспределение усилий после локального разрушения одного из несущих элементов каркаса (СП 385.1325800.2018, «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения». М., с. 14-15).
Основным недостатком данного решения является невозможность защиты от прогрессирующего обрушения крайних угловых колонн, особенно в одноэтажных производственных зданиях с железобетонным каркасом. Устройство неразрезных подстропильных ферм приводит к возникновению значительных напряжений, связанных с температурными деформациями каркаса, что осложняет их применение особенно в неотапливаемых помещениях. Реализация решения затруднительна при реконструкции здания, т.к. предполагает снятие стеновых панелей и наружную установку подстропильных ферм в случае отсутствия возможности устройства подстропильной фермы внутри здания (необходимость наличия открытых проходов, помеха для работы оборудования, включая крановое). Кроме того, устройство подстропильной фермы является металлоемким и сложным в изготовлении и монтаже, а, следовательно, более затратным при реализации.
Известно и широко применяется решение по устройству жестко закрепленных связей в центре ряда колонн и температурных блоков, которые обеспечивают устойчивость всей системы и включение в работу диска всего покрытия каркаса (СП 385.1325800.2018, «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения». М., 2018, с. 14 - 15). Однако дополнительные жесткие связи, установленные у торцов здания и в каждом шаге колонн, препятствуют свободным температурным деформациям продольных элементов каркаса, что делает известное решение не применимым для защиты здания от прогрессирующего обрушения. Данное техническое решение взято за прототип.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является предотвращение прогрессирующего обрушения каркасного здания или сооружения за счет включения в работу только во время возникновения аварийной ситуации дополнительных страховочных связей. Перераспределение усилий (включение связей в работу) производится за счет допущения ограниченных расчетом вертикальных и горизонтальных деформаций несущих конструкций объекта строительства, позволяющих перераспределить усилия, возникающие после локального разрушения вертикальных несущих конструкций.
Технический результат достигается работой страховочной конструкции для защиты каркасных зданий и сооружений от обрушения, состоящей из металлического стрежневого элемента (подкоса), каждый из концов которого оборудован жестко прикрепленной к нему разъемным, или неразъемным соединением, например сваркой, металлической опорой, выполненной с возможностью скольжения и образующей ползунковое соединение с опорными элементами (столиками), каждый из которых представляет собой короб, выполненный из металлических пластин, с отсутствующей передней стенкой для размещения опоры подкоса внутри короба, при этом внутренняя поверхность стороны короба, с которой контактирует опора подкоса, оборудована прокладкой, выполненной из материала с пониженным коэффициентом трения, например из фторопласта, обеспечивающего возможность скольжения опоры подкоса по прокладке внутри короба. Один короб жестко прикреплен задней стенкой к металлической обойме или закладным деталям, закрепленным к верхней части колонны, а другой короб жестко прикреплен к верхней горизонтальной части фундамента и/или металлической обойме, размещенной в нижней части противоположенной колонны. Для усиления нижнего короба его задняя стенка выполнена упорной и ее толщина превышает толщину других стенок на величину, определяемую расчетом. Для усиления верхнего и нижнего коробов, предусмотрено, по меньшей мере, по одному продольному ребру жесткости, закрепленному неразъемным соединением с верхней пластиной каждого короба.
При наступлении аварийной ситуации, опорная часть подкоса упирается в заднюю стенку короба и посредством металлической обоймы, и/или фундамента, нагрузка, в дальнейшем, передается на колонну. Конструкция содержит дополнительный раскос, верхний конец которого шарнирно соединен с металлической обоймой или закладными деталями в верхней части колонны, оборудованной опорным элементом для верхнего конца подкоса, а нижний конец дополнительного раскоса соединяется с подкосом посредством металлической накладки.
В частном случае исполнения изобретения верхняя часть подкоса может быть оборудована шарнирной опорой и крепиться к металлической обойме или закладным деталям в верхней (капительной) части колонны посредством шарнирного опорного узла, допускающего ограниченный поворот подкоса в плоскости сечения «колонна-подкос» в случае, например, подлома колонны.
Элементы узлов шарнирного соединения подкоса и/или дополнительного стержневого элемента (дополнительного раскоса) и металлический короб верхнего и нижнего опорных элементов могут крепиться к металлическим колоннам с помощью сварки и/или болтового соединения. Крепление страховочной конструкции к железобетонным колоннам осуществляется посредством закладных деталей или металлических обойм с помощью сварки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показана схема размещения подкоса с дополнительным раскосом; на фиг. 2 - узел А и узел Б на фиг. 1, фиг. 3 - верхнее шарнирное соединение подкоса.
Страховочная конструкция для защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения, согласно изобретению, содержит металлические обоймы 2, или закладные детали (на чертежах не показаны) в верхней и нижней частях колонны 17, подкос 3, выполненный в виде стержневого элемента, у концов которого размещены опоры 4 и 7, надежно скрепленные со стержневым элементом 3 разъемным, или неразъемным соединением, например сваркой, и два опорных элемента, каждый из которых выполнен из металлических пластин в виде неразъемного пустотелого короба с отсутствующей передней стенкой для размещения опоры подкоса внутри короба. Один короб жестко прикреплен к металлической обойме 2 или закладным деталям в верхней части колонны 1 (фиг. 2, узел А), при этом опору 4 верхней части подкоса располагают внутри короба с упором в верхнюю пластину 5. Другой короб жестко прикреплен к поверхности горизонтальной части фундамента 6 и колонне 17 посредством металлической обоймы 2 (фиг. 2, узел Б), при этом опору 7 нижней части подкоса располагают внутри короба с упором на нижнюю пластину 8. Внутренние поверхности пластин 5 и 8, на которые опирают ползунковые соединения подкоса, оборудованы прокладками 9 и 10, выполненными из материала с пониженным коэффициентом трения, например из фторопласта, обеспечивающего возможность перемещения опор 4 и 7 подкоса внутри коробов. Для усиления верхнего и нижнего коробов, предусмотрено по меньшей мере по одному продольному ребру жесткости 11, закрепленному неразъемным соединением с верхней пластиной каждого короба и соответствующей металлической обоймой 2. Для усиления нижнего короба его задняя стенка 12 выполнена упорной и посредством металлической обоймы 2 нагрузка передается на колонну 17. Для повышения устойчивости и уменьшения расчетной длины подкоса 3 конструкция содержит дополнительный раскос 13, верхний конец которого оборудован шарнирной опорой 14 и шарнирно соединен с металлической обоймой 2 или закладными деталями в верхней части колонны, оборудованной опорным элементом для верхнего конца подкоса, а нижний конец дополнительного раскоса соединяется с подкосом 3 посредством накладки 15.
В частном случае исполнения изобретения верхний конец подкоса может быть оборудован шарнирной опорой 18 и крепиться к элементам шарнирного соединения, прикрепленным к металлической обойме 2 или закладным деталям (на чертежах не показаны) в верхней части колонны 1. Шарнирный опорный узел в верхней части подкоса допускает ограниченный поворот подкоса в плоскости сечения «колонна-подкос» в случае, например, подлома колонны.
В частном случае исполнения изобретения ползунковые соединения подкоса 3 могут быть оборудованы пружинным механизмом 16, позволяющим удерживать подкос 3 в ненапряженном нейтральном положении, способствующем отсутствию напряжений в дополнительном подкосе 13.
Конструкция включается в работу только в случае возникновения критических вертикальных перемещений каркаса здания, например, при подломе нижней части колонны 1. При удалении (подломе) нижней части колонны 1, верхняя часть колонны вместе с опирающимися фермами (ригелями), конструкциями покрытия (перекрытия), оборудованная подкосом 3 перемещается вниз. При этом верхняя опора 4 подкоса скользит по прокладке 9 внутри верхнего короба до его задней стенки, а нижняя опора 7 подкоса скользит по прокладке 10 внутри нижнего короба до упорной стенки 12. После остановки скольжения опор подкоса, стабилизируется положение подкоса и конструкций, расположенных выше зоны удаления (подлома) колонны 1.
В частном случае исполнения изобретения, шарнирный опорный узел 18 в верхней части подкоса 3 при подломе колоны допускает ограниченный поворот подкоса в плоскости сечения «колонна-подкос», при этом нижняя опора 7 подкоса перемещается по прокладке 10 внутри нижнего короба до упорной стенки 12 и после остановки подкоса (упора в стенку 12), положение конструкций, расположенных выше зоны подлома колонны 1, стабилизируется.
При этом, в обоих вариантах исполнения изобретения, устойчивость конструкции в вертикальном направлении обеспечивается за счет работы подкоса, который выполнен с возможностью ограниченного перемещения и оборудован в верхней и нижней частях ограниченно подвижными опорными узлами, а в горизонтальном направлении жестким диском покрытия кровли, либо работой ригеля, перекрытия, стропильной конструкции покрытия.
Дополнительный раскос 13, имеющий шарнирное крепление 14 со стороны металлической обоймы 2 в верхней части колонны, оборудованной опорным элементом для нижнего конца подкоса, соединен с подкосом 3 посредством металлической накладки 15 и включается в работу (воспринимает нагрузку) только в случае включения подкоса 3 в работу (при подломе колонны), обеспечивая геометрическую неизменяемость конструкции в плоскости и предотвращая потерю устойчивости. При нормальной эксплуатации каркасного здания, дополнительный раскос 13 не воспринимает усилия перемещения подкоса и не блокирует температурные деформации каркаса здания, т.к. способен на ограниченный поворот за счет шарнирного крепления 14.
Предлагаемые конструктивные решения не препятствуют температурным деформациям и включаются в работу только в момент аварийной ситуации.