СЕЙСМОСТОЙКОЕ КАРКАСНОЕ ЗДАНИЕ С РЕШЕТЧАТОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ ДИАФРАГМЫ ИЗ ГИБКИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Сейсмостойкое каркасное здание с решетчатой конструкцией диафрагмы из гибких предварительно напряженных элементов
Полезная модель относится к области строительства, а именно к строительству промышленных и гражданских зданий любой этажности в сейсмоопасных районах.
Известна комбинированная конструкция сейсмостойкого здания, содержащая рамный каркас и диафрагмы жесткости (стены либо раскосы) (см. Paulay Т., Priestley M.J.N. Seismic design of reinforced concrete and masonry building. - USA: A Wiley Interscience publication, 1992, - 249 c, fig. 6.1 и fig. 6.6.).
Недостатки данной конструкции заключаются в использовании жестких диафрагм, представляющих собой либо стены, либо систему с раскосными связями из жестких профилей, вызывающих значительное перенапряжение примыкающих к ним ригелей и колонн при их совместной работе с диафрагмой на вертикальные и горизонтальные нагрузки. Это приводит к необходимости увеличения их сечений, при этом данная система здания недостаточно эффективна в сейсмоопасных районах, отличается низкой ремонтопригодностью и дороговизной исполнения.
Наиболее близкой по сути является комбинированная конструкция сейсмостойкого здания, содержащая металлический рамный каркас и диафрагму жесткости в виде рамы с крестовой решетчатой конструкцией из гибких элементов, выполненных из одной или нескольких гибких нитей (тросов и/или канатов), закрепленных в диагональных точках вертикальной ячейки здания в пределах одного этажа, либо одного яруса из несколько этажей и повторяемых на всех этажах (ярусах) (см. 3. РФ №2013107102, 2013).
Недостатком данной конструкции является выполнение элементов решетчатой конструкции без предварительного напряжения, в результате чего жесткость диафрагмы в горизонтальном направлении снижается вдвое и ее гибкие сжатые элементы исключаются из работы в самом начале действия нагрузки, не исполняя защиту здания от резонанса при землетрясениях при всем возможном спектре присущих им частот.
Техническая задача - обеспечение сейсмостойкости зданий и их защита от резонанса при землетрясениях на всем возможном спектре присущих им частот.
Технический результат - увеличение жесткости вертикальных диафрагм здания с их периодическим выключением из работы и с последующим «автоматическим» включением.
Он достигается тем, что в известном устройстве, содержащем рамный каркас и диафрагму жесткости в виде рамы с крестовой решетчатой конструкцией из гибких элементов, выполненных из нескольких гибких нитей (тросов), закрепленных в диагональных точках вертикальной ячейки здания в пределах одного яруса из нескольких этажей, а также на всех ярусах, в которых установлены элементы крестовой решетки диафрагмы, гибкие нити имеют предварительное напряжение, равное 30-50% от несущей способности нити, выполненное натяжением болтовых соединений, установленных в концах нитей.
Конструкция диафрагмы поясняется на чертеже (фиг. 1), где изображено крепление связей посредством приварки непосредственно к стальным колоннам и балкам.
Устройство имеет металлическую раму 1, группу нитей из предварительно напряженных тросов 2, и фасонок 3, установленных в угловых точках ячейки здания. К фасонкам 3 крепятся нити 2, на которых в заводских условиях предварительно закреплены посредством опрессовки втулки с резьбой и гайкой 4, необходимой для установки и закрепления нитей 2 в проектное положение посредством гаек и контргаек болтового соединения 5. Предварительное напряжение создается посредством болтового соединения 5. Прочность нитей 2 фасонок 3, втулок с резьбой и гайкой 4, болтового соединения 5 подбирается, исходя из максимальных усилий, возможных в одной нити сверх усилий предварительного натяжения нитей 2, с тройным коэффициентом запаса, что обеспечивает возможность аварийного дублирования вышедшей из строя нити в группе нитей 2.
Устройство работает следующим образом.
При воздействии на здание горизонтальных сейсмических нагрузок происходит перекос ячеек рамы 1, вследствие чего одна из групп нитей 2 удлиняется, а вторая, перекрестная ей, укорачивается, однако, в силу имеющегося предварительного напряжения, происходит включение в работу обеих групп нитей 2 диафрагмы жесткости 1-5. С нарастанием во время землетрясения нагрузок на здание происходит выключение из работы той группы раскосов, в которой возникают сжимающие усилия, вследствие полного устранения эффекта предварительного напряжения и невозможности восприятия сжимающих нагрузок данной группой нитей вследствие их незначительной продольной жесткости. Количество гибких нитей на каждом ярусе, количество пролетов вертикальных ячеек, в которые устанавливаются элементы крестовой решетки диафрагмы, может варьироваться по числу пролетов в раме. Количество этажей в одном ярусе также может варьироваться, исходя из оптимального угла наклона нитей.
В результате выключения сжатых нитей из работы происходит уменьшение горизонтальной жесткости диафрагмы здания вдвое, вследствие чего изменяются его частотные характеристики, что в свою очередь приводит к исключению резонанса от сейсмического воздействия. На обратном смещении здания, исключенные из работы нити, вновь включаются в работу, в результате чего устанавливается периодическое выключение-включение нитей обеих групп, и происходит расстройка вхождения здания в резонанс на всей продолжительности сейсмического воздействия и его повторениях. Первоначальное натяжение нитей в 30-50% от их несущей способности рекомендуется принимать с целью сделать выключение и включение нитей с примерно равной периодичностью, что повысит эффект выведения здания из резонанса и сохранит нити от разрыва.
Кроме этого, исключается перенапряжение элементов здания, примыкающих к диафрагмам, и обеспечивается более равномерное распределение сил между колоннами и ригелями каркаса за счет исключения эффекта «зависания» этажей на диафрагмах существующих конструкций, вследствие невозможности гибких нитей, благодаря их частичному выключению из работы, передавать сжимающие усилия на элементы каркаса.
Предложенная конструкция позволяет варьировать количество нитей по высоте здания, подбирая требуемое их число в зависимости от возникающих в различных этажах здания нагрузок.
Предложенное решение диафрагмы жесткости наиболее эффективно использовать в зданиях с этажностью двенадцать этажей и более. Ее эффективность состоит в том, что диафрагма имеет меньшую жесткость (при более высокой прочности), чем традиционные конструкции, в результате чего снижается нагрузка на узлы диафрагмообразующей рамы, а за счет периодического в процессе колебания здания изменения жесткости диафрагмы, оно защищено от резонанса.
Информация, принятая во внимание
1. Paulay Т., Priestley M.J.N. Seismic design of reinforced concrete and masonry building. - USA: A Wiley Interscience publication, 1992, - 249 c, fig. 6.1 и fig. 6.6.
2. 3. РФ №2013107102, 2013.