ЗДАНИЕ КОМПЛЕКТНОЙ ПОСТАВКИ
COMPLETE DELIVERED BUILDING

Предлагаемое изобретение относится к строительству, в частности к каркасным зданиям рамного типа, предназначенным для размещения преимущественно складских, производственных, технологических и других помещений.
Здание комплектной поставки может быть как однопролетным, так и многопролетным с сохранением принципиальных конструктивных решений, описанных ниже.
Предлагаемое здание, как правило, предназначено для одноэтажного исполнения. Возможен многоэтажный вариант здания при соответствующем изменении конструкций и сохранении принципиальных технических решений представленных ниже. Возможно использование предлагаемого здания комплектной поставки в качестве надстройки над ранее смонтированными конструкциями. В таком случае фундаментом здания комплектной поставки являются нижерасположенные несущие конструкции, а изложенные ниже технические решения и принципы силовой работы сохраняются.
Из уровня техники известны конструктивные решения рамных каркасных зданий комплектной поставки из металлических элементов. Ниже представлены основные типы данных зданий:
- На основе конструкций типа «Молодечно», включающих в состав несущих изгибаемых элементов фермы с нисходящим опорным раскосом;
- На основе конструкций типа «Канск», включающих в состав несущих элементов прокатные и сварные металлические балки и колонны;
- На основе конструкций типа «Кисловодск», включающих в состав несущих элементов покрытие из пространственных решетчатых конструкций;
- На основе конструкций типа «Орск», включающих в состав несущих элементов рамы коробчатого сечения, в т.ч. содержащие гнуто-сварные профили и имеющие перфорированные участки;
- На основе конструкций типа «Москва», включающих в состав несущих элементов покрытие в виде складчатой решетчатой плиты регулярной структуры;
- Здания с применением в качестве конструкций покрытия ферм типа «Житомир»;
- Зарубежные конструктивные решения рамных каркасных зданий, аналогичных по технической сущности перечисленным выше отечественным разработкам (Фирмы-разработчики: "Butler Manufacturing Corp." (США), "Mid-West" (США), "Robertson Building Systems" (Канада), "Metal-Botnia OY" (Финляндия), "Blankenburger Metallban GmbH" (Германия), "Stahl - und Raumzellenbau GmbH (STARA)" (Германия), "UMEL" (Югославия), "Edilsider" (Италия) и др.)
Отмеченные здания возможно классифицировать по конструктивным решениям покрытия на два типа:
1. С решетчатой конструкцией покрытия;
2. С сплошностенчатыми конструкциями покрытия, включая перфорированные рамы в зданиях системы «Орск-2».
Недостатками зданий первого типа являются многоэлементность покрытия, приводящая к удорожанию производства, усложнению контроля соединений элементов, эксплуатационного контроля коррозионного и усталостного износа.
Недостатками зданий второго типа являются применение металлоемких элементов, вызванное требованиями обеспечения их устойчивости и прочности, а также удорожание изготовления в случае применения рам переменной жесткости из прокатных или сварных двутавров.
Общими недостатками зданий первого и второго типа являются: отсутствие взаимозаменяемости изгибаемых и сжато-изогнутых элементов каркаса, что негативно с точки зрения технологичности производства и монтажа конструкций здания, а также отсутствие конструктивных мероприятий по защите здания от прогрессирующего обрушения при возникновении аварийной ситуации.
Актуальность разработки технических решений, учитывающих отмеченные конструктивные мероприятия, обоснована требованиями по учету аварийной расчетной ситуации (аварийного воздействия), указаными в следующих нормативных документах, предписываемых к применению на обязательной основе Распоряжением Правительства РФ от 21.06.2010 № 1047-р «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил, в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений":
- Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений (с изменениями на 2 июля 2013 года)».
- ГОСТ Ρ 54257-2010 «Надежность строительных конструкций и оснований.
Основные положения и требования (с Изменением № 1)».
Перечисленные нормативные акты актуальны на момент подачи заявки на настоящее изобретение.
Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения по технической сущности и достигаемому эффекту является здание типа «Алма-Ата». Здание данного типа содержит рамы, состоящие из двутавровой балки-ригеля с традиционно-гофрированной в поперечном направлении стенкой, которая может иметь отверстия для пропуска коммуникаций, и двутавровой стойки с продольно гофрированной стенкой [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В. Кузнецова. - М.: АСВ, 1998. - 512 стр.].
Недостатками прототипа является повышенная материалоемкость несущих элементов здания, отсутствие взаимозаменяемости элементов ригеля и стоек, что снижает технологичность производства и монтажа конструкций, отсутствие конструктивных мероприятий по защите здания от прогрессирующего обрушения при возникновении аварийной ситуации.
Технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в снижении металлоемкости каркаса здания, сокращении номенклатуры несущих элементов и повышении, тем самым, технологичности изготовления и монтажа конструкций здания, защите здания от прогрессирующего обрушения при аварийном воздействии. Указанный технический результат является решением актуальной задачи эффективного использования материала в несущих строительных конструкциях.
Отмеченный технический результат достигается за счет того, что:
- ригели (или их части) и стойки (или их части) каркаса состоят из универсальных типовых элементов, содержащих переменно-гофрированную стенку, либо из комплекса универсальных типовых элементов, одна часть из которых, расположенная на участках интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов, содержит традиционно или переменно-гофрированную стенку, а другая часть элементов, расположенных на участке с высокой интенсивностью изгибающих моментов и сравнительно малой интенсивностью поперечных сил и/или крутящих моментов, содержит плоскую стенку.
- Универсальные типовые элементы могут применяться как для ригелей или их частей, так и для стоек или их частей, а в некоторых случаях и для подкрановых балок.
- Стойки и/или ригели в уровне по крайней мере одного из поясов (наиболее сжатого) содержат прокатный металлический профиль замкнутого поперечного сечения, с заполнением полости раствором на основе безусадочного или расширяющегося цемента. Данный профиль соединяется с поясом универсального типового элемента с помощью сварки, болтов или анкеров. Нагнетание раствора осуществляется через торцевые части профиля и отверстия в верхней его грани. Ригели раскрепляются из плоскости прогонами, статически работающими по неразрезной схеме. Неразрезная схема работы прогонов обоснована необходимостью развития в них глубоких пластических деформаций и работой прогонов как жестких вант (нитей) при отказе в силовой работе одной из рам каркаса вследствие аварийного воздействия. Традиционным предлагается считать гофрирование листовых заготовок гофрами с постоянным шагом, высотой и профилем. Переменным предлагается считать гофрирование листовых заготовок гофрами с изменяемым шагом и/или высотой, и/или профилем. Кроме того, переменно-гофрированной является стенка с чередованием гофрированных и гладких участков или гофрированных и гофрированных с иной жесткостью (с различным шагом и/или высотой, и/или профилем гофров) участков, или при комбинации гофрированных, гофрированных с иной жесткостью и гладких участков.
Изменение параметров гофров (шага и/или высоты, и/или профиля) при переменном гофрировании стенки соответствует изменениям интенсивности поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов в элементе: на участках относительно интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов шаг гофров минимальный, их высота - максимальная, профиль гофров обладает наибольшей жесткостью, а на участках относительно малых поперечных сил и/или крутящих моментов - обратная ситуация: шаг гофров - максимальный, высота гофров - минимальная, профиль гофров обладает наименьшей жесткостью.
Универсальные типовые элементы поставляются на строительную площадку и далее объединяются в несущий каркас здания комплектной поставки с помощью фланцевых, сварных и комбинированных соединений.
Соединение стоек с фундаментом осуществляется с помощью анкерных фундаментных болтов либо с помощью сварных соединений с закладными деталями фундамента. Соединение стоек с фундаментом как в плоскости рам, так и из их плоскости, может быть шарнирным, жестким, или податливым в зависимости от принятой в проекте схемы статической работы.
Эффективными с конструктивной точки зрения и при соответствующем технико-экономическом обосновании являются следующие мероприятия:
- расположение прогонов таким образом, чтобы в ригеле рамы формировалась зона чистого изгиба, в пределах которой эффективно предусматривать плоский участок стенки ригеля;
- минимизировать количество ребер жесткости, располагая гофрированный участок стенки ригеля под опорой прогонов;
- предусмотреть в нормальном относительно плоскости рам направлении под нижними поясами ригелей рам либо в уровне прогонов систему страховочных тросов, способную не допустить прогрессирующего обрушения при отказе в силовой работе одной или нескольких рам и недостаточной при этом несущей способности прогонов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - несущий каркас здания комплектной поставки;
на фиг. 2 - рама несущего каркаса здания на фиг. 1;
на фиг.3 - продольное сечение А-А на фиг. 2;
на фиг. 4 - рама несущего каркаса (вариант конструктивного решения с применением сталебетонных стоек и тандемного расположения типовых универсальных элементов ригеля);
на фиг. 5 - сечения Б-Б и В-В на фиг. 4;
на фиг. 6 - двухпролетная двухэтажная рама несущего каркаса (вариант конструктивного решения с организацией горизонтального верхнего пояса ригеля и с применением элементов с переменной высотой поперечного сечения);
на фиг. 7 - клиновидный элемент для применения в узлах сопряжения ригеля и стоек на фиг. 6;
на фиг. 8 - рама несущего каркаса (вариант конструктивного решения с применением традиционно-гофрированных и плоскостенчатых элементов);
на фиг. 9 - фрагмент рамы несущего каркаса с мостовыми кранами;
на фиг. 10 - сечение Г-Г на фиг. 9;
на фиг. 11 - конструктивные решения (варианты) узла сопряжения ригеля и стойки.
Здание комплектной поставки состоит из следующих основных частей: фундаменты, несущий каркас, конструктивные связи, прогоны, подвесное оборудование (как вариант), балки мостовых опорных кранов (как вариант), ворота, окна, свето-аэрационные фонари (как вариант), элементы заполнения стен, фахверки, кровельное покрытие.
В качестве фундаментов могут быть использованы железобетонные плиты, ленты, столбы.
Элементы заполнения стен могут быть представлены слоистыми конструкциями, например, сэндвич-панелями, содержащими металлическую наружную и внутреннюю обшивку, слой утеплителя, уплотнительные детали.
Фахверковые конструкции изготавливают, как правило, из металлических прокатных либо холоднодеформированных тонкостенных профилей, либо из деревянных элементов.
Кровельное покрытие состоит из настила, слоя утеплителя, пароизоляции, гидроизоляционного ковра и представляет из себя известные из уровня техники решения. В качестве настила рекомендуется применять металлический лист, профилированный металлический настил, железобетонные плиты. Допустимы другие варианты настила, например, фанерные листы.
Несущий каркас состоит из конструктивных связей 1, прогонов, рам. Рамы состоят из ригелей 2 и стоек 3 соединенных между собой шарнирно, жестко, либо податливо, что определяется на этапе проектирования конструкций, основываясь на конкретные условия эксплуатации и техническое задание на проектирование.
Конструктивные связи 1, обеспечивающие пространственную работу несущего каркаса, выполняются, как правило, из металлических стержневых элементов или тросов и устраиваются горизонтально в плоскости покрытия, а также вертикально из плоскости рам. Прогоны, также как и связи 1, обеспечивают пространственную работу несущего каркаса, могут являться опорой для покрытия, выполняются, как правило, из металлических элементов и устраиваются горизонтально в плоскости покрытия. В случае устройства связей 1 из тросов, при монтаже они натягиваются, например, с помощью резьбовых муфт.
Ригели 2 и стойки 3 состоят из универсальных типовых элементов, содержащих пояса 4 и одну (в случае двутаврового сечения) или несколько (в случае коробчатого сечения) стенок 5 и изготавливаемых преимущественно из металлов. В качестве поясов 4 эффективно использовать металлические профили открытого и замкнутого типов (трубы, швеллеры, двутавры), а также металлические листы.
Гофры стенки 5 могут быть односторонними и двусторонними относительно срединной плоскости. Предпочтительно устройство двусторонних гофров по причине более равномерной передачи усилий с поясов 4 на стенку 5, большей крутильной жесткости, наибольшего соответствия теоретических расчетных предпосылок реальной картине сопряжения поясов 4 и стенки 5 и их силового сопротивления.
Объемом изобретения предусмотрено применение различного профиля гофров: криволинейного или ломаного. Возможно изменение профиля гофров по длине стенки 5, например, трапецеидальный профиль - на приопорных (торцевых) участках стенки 5, а треугольный и/или волнистый профиль - в промежуточном, расположенном между приопорным и среднепролетным, участке. Предусмотрен вариант изобретения, в котором в той части конструкции, где не применяются универсальные типовые элементы, профиль гофров стенки 5 стоек 3 отличается от профиля гофров стенки 5 ригеля 2.
Объемом изобретения предусмотрен вариант несущего каркаса, в котором применяются гофры, как выходящие на обе кромки стенки 5 так и не выходящие, или гофры, выходящие только на одну кромку.
С целью повышения местной устойчивости стенки 5 рационально применение, по крайней мере на некоторых участках, преимущественно выштампованных и сонаправленных с гофрами ребер жесткости (по сути - дополнительных гофров). Дополнительные гофры могут не выходить на края стенки 5 или выходить хотя бы на один ее край. При применении технологии штамповки листовых деталей технологически эффективно применение односторонних и симметричных дополнительных гофров.
Объемом изобретения предусмотрен вариант, в котором в ригеле 2 и/или стойках 3 на участках относительно малых поперечных сил и крутящих моментов при интенсивных изгибающих моментах стенка 5 представляет собой гладкий лист. Так, например, для ригеля 2 участком стенки 5 для рационального размещения гладкого листа может быть среднепролетная зона.
Стенка 5 может иметь перфорацию 6, которую предпочтительно предусматривать в участке с преобладающим влиянием изгибающих моментов на несущую способность. Устройство перфорации 6 позволяет в ряде случаев дополнительно снизить расход металла на здание и осуществить пропуск коммуникаций через каркас.
Вариант изобретения: по крайней мере часть универсальных типовых элементов содержит стенку 5 с изменяемой толщиной.
Здание комплектной поставки может иметь в составе несущего каркаса стойки 3 и ригели 2, содержащие поперечные и/или продольные ребра жесткости, поперечные диафрагмы жесткости, а также торцевые опорные ребра.
Установка данных элементов может быть обоснована не только конструктивными и расчетными требованиями, но и условиями примыкания/сопряжения других элементов и конструкций (связей 1, прогонов, фахверка и т.д.).
Поперечные ребра жесткости могут примыкать к стенке 5 и к поясам 4 или только к поясам 4. Возможен вариант здания, в котором ригели 2 и/или стойки 3 укреплены еще и раскосами. Относительно стенки 5 ребра жесткости и раскосы могут быть как односторонними, так и двусторонними. Двусторонний вариант эффективен и в случае усиления ригелей 2 и/или стоек 3, например, при увеличении эксплуатационной нагрузки или проведении реконструктивных работ.
Устройство ребер и диафрагм жесткости, торцевых (опорных) ребер и/или системы раскосов предотвращает потерю устойчивости стенки 5.
Пояса 4 по крайней мере части универсальных типовых элементов могут быть параллельными или не параллельными между собой, образуя, как правило, трапецеидальную форму.
Универсальные типовые элементы могут содержать пояса 4 с различным поперечным сечением и/или выполненных из материалов с различными физико-механическими свойствами, также возможно изменение сечения поясов 4 по длине.
Поперечное сечение ригеля 2 и/или стоек 3 может быть двутавровым, коробчатым (двойная стенка 5), двутаврово-коробчатым (по сути - коробчатое со свесами поясов 4).
Возможен вариант покрытия, в котором поперечное сечение ригеля 2 и стоек 3 на участках интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов - коробчатое (или двутаврово-коробчатое), а на участках интенсивных изгибающих моментов - двутавровое.
Элементы здания комплектной поставки изготавливаются, как правило, из металлов, преимущественно из сталей групп обычной или повышенной прочности. Стенка 5 соединяется с поясами 4 с помощью непрерывных, односторонних или двусторонних сварных швов, что требует учета показателей свариваемости и условий эксплуатации.
Возможно металло-деревянное решение поясов 4, представляющее собой соединенные в единый несущий элемент деревянный брус и металлический профиль (гнутый или прокатный). Данное конструктивное решение позволяет соединять стенку 5 с поясами 4 с помощью ее вклейки в пазы, устраиваемые в деревянных брусьях. Соединение бруса с металлическим профилем может быть осуществлено с помощью клея, нагельных элементов или болтов (в т.ч. сквозных).
В случае изготовления элементов рамы из неметаллических материалов (пластики, композиционные материалы и др.) соединения элементов балки выполняются преимущественно с помощью клея.
Ригели 2 и/или стойки 3 каркаса могут быть предварительно напряжены с помощью тросов, натягиваемых электрическим, механическим или электромеханическим способом.
Каркас (рамы) здания комплектной поставки может содержать предварительно напряженные затяжки, которые, как правило, следует размещать в уровне опорных частей стоек 3, под отметкой чистого пола помещений. Данные затяжки эффективно изготавливать из стальных тросов, либо из арматурных стержней. Напряжение затяжек осуществляется их натягиванием электрическим, механическим или электромеханическим способом.
Скрытые полости (например, при коробчатом или двутаврово-коробчатом поперечном сечении ригелей 2 и стоек 3) по крайней мере части элементов каркаса могут быть заполнены твердеющим раствором на основе безусадочного цемента.
Существенно важным обстоятельством устойчивости здания к прогрессирующему обрушению является обеспечение следующих конструктивных требований:
- Материалы конструкций должны обладать пластическими свойствами, для возможности развития деформаций и диссипации напряжений с целью снижения динамического эффекта аварийного воздействия.
- Армирование железобетонного настила должно быть непрерывным, учитывающим образование растянутых зон при аварийном воздействии.
- Соединения элементов каркаса должны быть рассчитаны на восприятие усилий от аварийного воздействия и выдерживать усилия, действующие при образовании ближайших (как минимум двух) пластических шарниров, умноженные на повышающий коэффициент 1.5. Величина данного коэффициента обоснована возможным статистическим разбросом фактической прочности элементов, возможными отклонениями фактических нагрузок от расчетной ситуации, динамическим эффектом действия нагрузок, сниженной диссипацией напряжений (например, по причине большей фактической жесткости по сравнению с расчетной), временным фактором нагружения.
Аварийная нагрузка представляется как воздействие от повреждения или от отказа в силовой работе несущего элемента (элементов) каркаса. Данное воздействие может быть вызвано техногенными или природными причинами. В качестве примера аварийного воздействия возможно рассматривать, например, выход из строя (разрушение) стойки 2 или образование под ней карстовой воронки в основании, что влечет за собой перераспределение усилий в каркасе. Для сохранения несущей способность остальной уцелевшей части конструкций каркаса необходимо использовать следующий подход по повышению адаптационной приспособляемости несущих элементов здания:
1. Рассчитывать элементы каркаса с учетом усилий, возникающих при выходе из строя элементов здания, рассматривая на этапе проектирования сценарные варианты разрушения конструкций и аварийных воздействий.
2. Применять описанный выше комплекс технических мероприятий, а также следующие конструктивные решения:
- стойки 3 и/или ригели 2 в уровне по крайней мере одного из поясов (наиболее сжатого) содержат прокатный металлический профиль 7 замкнутого поперечного сечения, с заполнением полости раствором на основе безусадочного или расширяющегося цемента;
- ригели 2 раскреплять из плоскости прогонами, статически работающими по неразрезной схеме;
- при расчетном обосновании предусмотреть в нормальном относительно плоскости рам направлении под нижними поясами 4 ригелей 2 рам либо в уровне прогонов систему страховочных тросов, способную не допустить прогрессирующего обрушения при отказе в силовой работе одной или нескольких рам.
Таким образом, предусмотрен вариант изобретения, в котором покрытие содержит систему страховочных тросов.
Целью конструктивных мероприятий по защите здания от прогрессирующего обрушения является сохранение несущей способности здания как минимум на время, достаточное для эвакуации находящихся в нем людей. При этом величина перемещений конструкций не регламентируется. В качестве внешних воздействий рассматриваются: аварийное воздействие наряду с нормативными значениями постоянных и длительных (наиболее вероятных) временных нагрузок. Расчет конструкций на аварийные воздействия производится при коэффициентах надежности, равных единице (нормативные значения соответствующих величин), что обосновано относительной редкостью наступления такого типа воздействий. Поскольку аварийные воздействия, в особенности техногенные, часто сопровождаются пожарами, рекомендуется металлические несущие конструкции здания обрабатывать огнезащитными составами и материалами.
Устройство профиля 7 замкнутого поперечного сечения с заполнением полости твердеющим раствором на основе безусадочного цемента обосновано следующими причинами:
- в стадии аварийного воздействия увеличенные усилия сжатия воспринимаются трубобетонным элементом, что является экономичным конструктивным решением за счет работы бетона на сжатие в стесненных условиях;
- в стадии нормальной эксплуатации повышается надежность конструкции, учитывая недостаточную изученность взаимовлияния гибкой стенки 5 и сжатого пояса 4 с учетом наличия начальных несовершенств геометрической формы, неоднородности материала, других факторов и процессов, носящих случайный (вероятностный) характер;
- повышение огнестойкости конструкций (прежде всего стоек 3) за счет наличия сжатого бетона;
- снижение металлоемкости конструкций здания комплектной поставки за счет восприятия бетоном сжимающих усилий.
Здание комплектной поставки работает следующим образом:
При воздействии снеговой и ветровой нагрузок на здание его обшивка передает соответствующие нагрузки на несущий каркас.
Ригель 2 испытывает поперечный изгиб. Стойки 3 испытывают сжатие с изгибом (внецентренное сжатие). Изгибающие моменты (соответствующие пары сил) в ригеле 2 и в стойках 3 воспринимаются практически полностью поясами 4 и профилем 7 (при его наличии), а также частично гладкими участками стенки 5 (причем, преимущественно теми частями плоского участка стенки 5, которые примыкают к поясам 4). Вертикальные усилия - в стойках 3 практически полностью воспринимаются поясами 4 и профилем 7 (при его наличии), так как гофрированные участки стенки 5 обладают малой жесткостью поперек гофров. Поперечные силы, в том числе от распорных усилий, воспринимаются в основном гофрированными участками стенки 5 и ребрами жесткости (если они предусмотрены). Крутящие моменты воспринимаются поясами 4, профилем 7 (при его наличии) и гофрированными участками стенки 5. Сложное напряженно-деформированное состояние возникает при жестком и упруго-податливом сопряжении элементов в карнизном узле и в узле сопряжения стоек 3 с фундаментом. В данных узлах интенсивность и направление усилий наиболее чувствительны к внешним воздействиям. Гладкие тонкостенные участки стенки 5 могут работать в закритической (т.е. после потери местной устойчивости) стадии. Это с одной стороны является положительным обстоятельством, т.к. материал продолжает работу в упруго - пластической стадии, но с другой стороны переход в закритическую стадию может сопровождаться громким хлопком, что по психологическим требованиям допустимо не для всех помещений. Для устранения такого ограничения необходимо, чтобы тонкостенные участки стенки 5 переходили в закритическую стадию работы еще при действии постоянных нагрузок, как это предусмотрено в известных из уровня техники балках и рамах с гибкой стенкой (Проектирование металлических конструкций: Спец. курс. Учеб. пособие для вузов / В.В. Бирюлев, И.И. Кошин, И.И. Крылов, А.В. Сильвестров. - Л.: Стройиздат, 1990 - 432 с: ил. С. 20. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий: Учеб. для строит. вузов / В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; под ред. В.В. Горева - 3-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004 - 528 с, стр. 208-209). Горизонтальная реакция от стоек 3 воспринимается конструкциями фундамента или затяжкой (в случае ее устройства). Участки стенки 5 с гофрами относительно малой жесткости (т.е. с большим шагом и/или меньшей высотой) эффективнее включаются в работу соответствующего элемента на изгиб, чем участки стенки 5 с гофрами относительно большей жесткости. Опорная реакция от ригеля 2 передается на стойки 3 и далее - на фундаменты. Гофрированные участки стенки 5 увеличивают устойчивость сжатых поясов ригеля 2 и стоек 3, т.к. сжатые пояса 4 опираются на условную полосу шириной, равной высоте гофра.
При наличии поверх рам сплошного металлического листа (в том числе профилированного настила) или железобетонной плиты, возможно отказаться от устройства прогонов и связей или, по крайней мере, существенно сократить их число. В данном варианте металлический/железобетонный настил работает на изгиб, обеспечивает устойчивость сжатого пояса ригеля 2, частично воспринимает усилие сжатия в верхнем поясе 4 ригеля 2.
Связи 1, работая, на сжатие/растяжение, обеспечивают пространственную устойчивость каркаса, связывая рамы в единый пространственный блок. Прогоны, являясь опорой для покрытия и увеличивая устойчивость сжатого пояса 4 и профиля 7 (при его наличии) ригеля 2, испытывают изгиб с сжатием/растяжением, а также кручение (особенно при скатной кровле). При выполнении прогонов в виде балок с переменно-гофрированной стенкой, их силовая работа соответствует описанной выше для ригеля 2 рамы каркаса.
В конструктивной работе здания комплектной поставки справедливым является следующий принцип силового сопротивления: чем больше погонная жесткость элемента, тем в большей степени он сопротивляется силовому воздействию, совпадающему по пространственной ориентации с отмеченной жесткостью, а распределение между элементами конструкции усилий от силового воздействия соответствует соотношению их погонных жесткостей. Описанные особенности работы сохраняются и при комбинации несимметричной горизонтальной и вертикальной нагрузок.
Температурные климатические воздействия вызывают дополнительные усилия сжатия либо растяжения в элементах каркаса: в связях 1, поясах 4, а также в прогонах. Величина и характерные особенности данных усилий зависит от температуры замыкания несущего каркаса или его элементов в статически неопределимую конструкцию, а также от температуры окружающей среды и эксплуатационной температуры помещений здания. Усилия от температурно-климатических воздействий определяются расчетом в соответствии с предписаниями нормативных документов с учетом известных из уровня техники конструктивных требований по протяженности температурных отсеков здания.
Нагрузка от кранов, прежде всего опорных мостовых, вызывает дополнительное внецентренное сжатие стоек 2 и дополнительные усилия в связях, устраиваемых в плоскости стоек 2. При этом усилия распределяются по элементам каркаса по описанному выше принципу в соответствии с погонными жесткостями элементов. Торможение кранов вызывает изгиб стоек 2 из плоскости рам и соответственно усилия растяжения, воспринимаемые преимущественно прогонами, связями 1 по покрытию и из плоскости рам.
Нагрузка от подвесного оборудования вызывает дополнительные усилия в каркасе подобные усилиям от снеговой нагрузки.
Аварийная нагрузка, вызванная, например, отказом силовой работы стойки 3, вызывает догружение стоек 3 соседних рам вертикальной силой. При этом несущая способность стоек 3 обеспечивается в том числе благодаря заполненному бетоном профилю 7 (при его наличии). Прогоны над ригелем 2 поврежденной рамы работают по принципу жестких вант (нитей) на усилия растяжения, благодаря неразрезной схеме статической работы, допускающей развитие глубоких пластических деформаций (пластических шарниров) из-за увеличенной нагрузки. Возникающий при этом распор воспринимается сохранившимися конструкциями каркаса здания, объединенными в пространственный блок связями 1 и прогонами. В случае устройства металлического / железобетонного настила поверх ригеля 1, он работает с мембранным эффектом на растяжение, по причине образования пластических шарниров.
Традиционное или переменное гофрирование возможно осуществить с помощью технологии штамповки - прессования заготовок между двумя матрицами, прокатки на профилирующих станах, гибки профилегибочными машинами, а также комбинированием данных способов. Предпочтение следует отдавать производству с максимальной степенью автоматизации, приносящей наибольший экономический эффект. Следует учитывать, что устройство ребер жесткости, торцевых опорных ребер, раскосов и стоек существенно осложняет, а в ряде случаев нарушает полную автоматизацию производственных линий по выпуску составных конструкций.
Предлагаемое изобретение может использоваться в различных снеговых, ветровых и сейсмических районах.
Конструктивные параметры конкретного здания комплектной поставки (генеральные размеры, сечения элементов, конструктивные материалы, формы профиля гофров, их шаг, высота и т.д.) назначаются, исходя из условий использования здания, комплексного задания на его проектирование, результатов расчетов несущей способности и эксплуатационных качеств. Для проведения данных расчетов рекомендуется использование численных методов теории упругости, в частности, метода конечных элементов (МКЭ) в компьютерной реализации.
Особенностью расчетов является учет того обстоятельства, что потеря устойчивости некоторых элементов (прежде всего стенки 5) ригеля 2 и стоек 3, а также прогонов с традиционно или переменно-гофрированной стенкой весьма вероятна в упругой стадии работы материала. Возможно, что потеря несущей способности конструкции вызывается потерей местной устойчивости ее элементов и происходит при напряжениях в элементах ниже придела текучести или даже ниже предела пропорциональности упруго-пластического материала. Расчет рекомендуется проводить в пространственной постановке с учетом фактической жесткости как элементов несущего каркаса здания, так и узлов их сопряжения.
Рекомендуется при расчетах устойчивости конструкций здания анализировать не только первую форму потери устойчивости, но и последующие. Во многих (но не во всех) случаях расчеты на нормальные эксплуатационные воздействия допустимо проводить в предположении упругой работы материала. Расчеты на аварийное воздействие следует проводить с учетом пластических свойств материала конструкции, перераспределения усилий и динамического эффекта (нелинейный динамический расчет).
При проведении компьютерных расчетов методом конечных элементов рекомендуется использовать при моделировании конструкций несущего каркаса здания комплектной поставки оболочечные конечные элементы с учетом геометрической и физической нелинейностей работы. При этом существенно важным критерием адекватности расчетной модели служит ее максимальное сходство с натурной конструкцией как по геометрическим характеристикам, так и по жесткостным параметрам.