ТРЕХШАРНИРНАЯ РАМА ДЛЯ СЕЙСМОСТОЙКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
THREE-HINGED FRAME FOR QUAKEPROOF CONSTRUCTION

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве несущей конструкции при возведении зданий и сооружений различного назначения (промышленные, гражданские, сельскохозяйственные, складские и т.д.) в сейсмически опасных районах.
Известна трехшарнирная рама, состоящая из симметрично расположенных клеедощатых двух ригелей и двух стоек, объединенных в рамную конструкцию, у которой узлы сопряжения стоек с фундаментами и ригелей между собой в коньке выполнены в шарнирном варианте, а узел соединения ригеля со стойкой в карнизе принят жестким. Жесткость карнизного узла обеспечена за счет передачи растягивающего усилия через упорный швеллер и металлические детали на вклеенную в стойку арматуру (Е.Н. Серов, Ю.Д. Санников, А.Е. Серов. Проектирование деревянных конструкций. - М.:
Издательство АСВ, 2011, с.151, рис.8.2, г).
Предложенная конструкция рамы обладает повышенной сейсмической надежностью за счет работы древесины в карнизном узле на смятие поперек и под углом к волокнам, однако в известном конструктивном решении существует опасность разрушения при сейсмическом ударе от скалывания древесины, например, при изгибе консольных частей ригеля, имеющих в карнизных узлах неизбежно небольшую высоту. Кроме этого, монтажные соединительные элементы находятся непосредственно в наиболее напряженной зоне рамы, т.е. в карнизном узле, что требует использования высококвалифицированной рабочей силы при сборке рамы и установки ее в проектное положение.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является трехшарнирная рама, состоящая из симметрично расположенных клеедощатых двух ригелей, двух стоек и двух подкосов, объединенных в рамную конструкцию с жесткими карнизными узлами и шарнирным сопряжением ригелей в коньке и стоек с фундаментами. Жесткость каждого карнизного узла создана при помощи подкоса и металлического хомута, опорные площадки которого уперты в выступы наружных граней стойки и ригеля (Е.Н. Серов, Ю.Д. Санников, А.Е. Серов. Проектирование деревянных конструкций. - М.: Издательство АСВ, 2011, с.147, 150, рис.7.3, б, 8.1, г).
Это известное конструктивное решение с точки зрения применения в сейсмоопасных районах имеет следующие существенные недостатки.
1. Динамический сейсмический удар неизбежно вызовет опасность обрушения конструкции из-за скалывания выступов, удерживающих хомуты на ригелях и стойках.
2. Клеедощатые стойки и ригели являются жесткими конструкциями, у которых поперечное сечение не обладает упругой податливостью в случае динамического удара.
o
3. Плечо пары сил h, которые обеспечивают восприятие максимального изгибающего момента в карнизном узле, имеет ограниченное значение, что приводит к большим продольным усилиям в хомутах и подкосах, и, как следствие, повышает материалоемкость и вес соединения и ухудшает сейсмостойкость.
Техническим результатом, полученным от использования изобретения, является повышение эксплуатационной надежности и целостности трехшарнирных рам зданий и сооружений при воздействии на них сейсмических нагрузок.
Задача решается за счет того, что в трехшарнирной раме, предназначенной для сейсмостойкого строительства и состоящей из симметрично расположенных двух ригелей, двух стоек и двух подкосов, объединенных в рамную конструкцию с жесткими карнизными узлами и шарнирным сопряжением ригелей в коньке и стоек с фундаментами, ригели в пролете выполнены двутаврового поперечного сечения, состоящего из внешнего и внутреннего поясов, соединенных между собой упругоподатливой волнистой стенкой, а на концах ригели имеют коробчатое сечение, состоящее из внешнего и внутреннего поясов, поперечных и диагональных ребер жесткости и двухсторонних накладок, при этом карнизный конец ригеля заармирован стальным каркасом, у которого армирующие элементы внешнего и внутреннего поясов выполнены из цельных гнутых стержней, а армирующий элемент диагонального ребра жестко соединен с ними в местах сгиба, внутренний пояс ригеля соединен с подкосом через амортизационную прокладку двухсторонними накладками с овальными прорезями, а внешний пояс ригеля соединен со стойкой при помощи демпфера с пружиной, причем нижний конец стойки имеет выступ, жестко соединенный с ней и опирающийся на опорную плиту, а нижний конец подкоса соединен с выступом при помощи парных накладок.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид трехшарнирной рамы для сейсмостойкого строительства с характерными поперечными разрезами, на фиг.2 - общий вид ригеля с характерным продольный разрезом, на фиг.3 - узел примыкания стойки и подкоса к ригелю (узел А) до сборки, на фиг.4 - то же, после сборки, на фиг.5 - узел сопряжения стойки с фундаментом и подкосом.
Трехшарнирная рама для сейсмостойкого строительства включает в себя расположенные симметрично два ригеля 1, шарнирно соединенные между собой в коньке, две стойки 2 и два подкоса 3, присоединенные к ригелю 1 в его карнизной зоне. Ригели 1 имеют в пролете двутавровое поперечное сечение, состоящее из внешнего пояса 4 и внутреннего пояса 5, соединенных между собой упругоподатливой волнистой стенкой 6, а на концах коробчатое сечение, состоящее из внешнего пояса 4, внутреннего пояса 5, поперечных ребер жесткости 7, диагонального ребра жесткости 8 и двухсторонних накладок 9. Ригели 1 объединены в одно целое с жесткими карнизными узлами, заармированными стальным каркасом, в котором армирующие элементы внешнего пояса 4 и внутреннего пояса 5 гнутся из цельных стержней 10, а армирующий стержень 11 диагонального ребра жесткости 8 приваривается к ним в местах изгиба. Концы цельных стержней 10 выступают за горизонтальный торец ригеля 1 и снабжены резьбой, за счет чего к торцу внешнего пояса 4 ригеля 1 прикреплен, например, при помощи гаек, демпфер 12 с пружинами 13. Верхний торец стойки 2 в шарнирном узле ее соединения с внешним поясом 4 ригеля 1 снабжен болтом 14, пропущенным через торцевую заглушку 15 стойки 2, и шестигранной муфтой 16, закрепленной на болте 14 шплинтом 17, поставленным в предусмотренную в этом болте прорезь. В поперечном ребре демпфера 12 предусмотрено отверстие с нарезкой для болтового соединения стойки рамы 2 с внешним поясом 4 ригеля 1. Нижний конец стойки 2 снабжен выступом 18 для установки на нем подкоса 3 и опорной плитой 19 для установки рамы на фундамент. Верхним торцом подкос 3 уперт во внутренний пояс 5 ригеля 1 через амортизационную прокладку 20 с постановкой двухсторонних накладок 21, присоединенных к подкосу 3 и внутреннему поясу 5 ригеля 1 болтами 22. Под болты 22 в двухсторонних накладках 21 предусмотрены овальные отверстия 23. К стойке 2 подкос 3 также крепят при помощи парных стальных накладок 24.
Возможны и другие варианты выполнения узла шарнирного соединения стойки 2 с внешним поясом 4 ригеля 1, например, демпфер 12 можно жестко соединить со стойкой 2, стойку 2 вместе с демпфером 12 устанавливают на выступающие из внешнего пояса 4 ригеля 1 цельные стержни 10 и крепят на них вместе с пружинами 12, например, гайками.
Способы шарнирного соединения ригелей 1 в коньке (например, при помощи деревянных или стальных накладок), а также волнистой стенки 6 с внешним поясом 4 и внутренним поясом 5 (например, при помощи устройства клиновидного паза или паза прямоугольного поперечного сечения с последующим его заполнением эпоксидной смолой) известны и поэтому в описании не обсуждаются.
Внешний пояс 4 и внутренний пояс 5 ригеля 1 могут быть выполнены из цельной или клееной древесины, волнистая стенка 6 - из фанеры или другого аналогичного материала. Стойки 2, работающие на растяжение, целесообразно выполнять стальными прямоугольного трубчатого сечения или из других стальных профилей. Для сжатых подкосов 3 могут быть использованы деревянные брусья квадратного или прямоугольного поперечного сечения, выполненные также из цельной или клееной древесины. В металлическом варианте рамы внешний пояс 4 и внутренний пояс 5 ригеля 1 предполагается выполнять из гнутых профилей, а волнообразно изогнутую стенку из тонкой листовой стали. Пружины 13 демпфера 12 могут быть выполнены тарельчатого или рессорного типа, а амортизационная прокладка 17, например, из жесткой резины.
Предлагаемая трехшарнирная рама собирается в следующем порядке. В заводских условиях изготавливают ригели 1, стойки 2 и подкосы 3, а также все детали для их объединения в рамную конструкцию. Легкость армирования карнизных зон обеспечена тем, что армирующие элементы внешнего пояса 4 и внутреннего пояса 5 ригеля 1 гнутся из цельных стержней 10, а армирующий стержень 11 диагонального ребра жесткости 8 приваривается к ним в местах изгиба. Цельные стержни 10 располагают так, чтобы их концы с заранее нарезанной резьбой выступали за горизонтальный торец ригеля 1. За счет выпущенных концов цельных стержней 10 с резьбовой нарезкой к торцу внешнего пояса 4 ригеля 1 со стороны карнизной зоны крепят демпфер 12, располагая между ним и гайками пружины 13, а к торцу внутреннего пояса 5 ригеля 1 - амортизационную прокладку 20. Соединяют верхний торец стойки 2 с внешним поясом 4 ригеля 1 путем ввинчивания болта 14 при помощи шестигранной муфты 17 в резьбовое отверстие, предусмотренное в ребре демпфера 12. Устанавливают в проектное положение подкос 3, обеспечивая плотное сопряжение ее торцов с выступом 18 и амортизационной прокладкой 20. Выполняют крепление подкоса 3 к стойке 2 и ригелю 1 парными накладками 21 и 24. Перед установкой в проектное положение на специальном стенде ригели 1 соединяют между собой в коньке и готовят раму к подъему. Трехшарнирная рама монтируется на предварительно выполненный фундамент, из тела которого выпущены анкерные стержни, к которым крепят опорные плиты 19.
Трехшарнирная рама для сейсмостойкого строительства вышеприведенной конфигурации работает следующим образом. При действии горизонтальной сейсмической нагрузки во всех элементах рамы возникают продольные усилия, причем эти усилия могут быть знакопеременными. Динамичность сейсмических нагрузок на ригель 1 амортизируется упруго-податливой работой волнистой стенки 6, а конькового узла - работой древесины на смятие поперек волокон под шайбами стяжных болтов. Кроме этого, сейсмические силы будут иметь меньшее значение за счет меньшей массы двутаврового ригеля 1 по сравнению с клеедощатым вариантом прямоугольного поперечного сечения. Принятая схема армирования ригеля 1 в карнизной зоне рамы обеспечивает высокую надежность наиболее напряженного карнизного узла при работе на сейсмическое воздействие.
Другие соединения рамы также способны работать на знакопеременные сейсмические нагрузки, при этом динамические растягивающие усилия в стойке 2 сглаживаются пружинами 13, упертыми в демпфер 12, а усилия сжатия в подкосе 3 - амортизационной прокладкой 20. Возможность появления при землетрясении в подкосе 3 растягивающих усилий менее вероятна, однако при их случайном появлении сработают двухсторонние накладки 21, прикрепленные к подкосу 3 болтами 22, которые поставлены в овальные отверстия 23, что обеспечит перемещение подкоса 3 относительно накладок 21 при сжатии амортизационной прокладки 20. Также двухсторонние накладки 21 обеспечивают жесткость узлового соединения из плоскости рамы.
Кроме этого, повышенная степень эксплуатационной надежности предлагаемой конструкции трехшарнирной рамы обеспечена за счет того, что все соединительные детали вынесены из наиболее напряженной карнизной зоны, проходящей по линии расположения диагонального ребра жесткости 8 (зона действия наибольших значений изгибающих моментов от внешней статической нагрузки).
При предлагаемых соединениях конструкция рамы оказывается сборно-разборной, транспортабельной и быстровозводимой, что хорошо отвечает условиям строительства в сейсмически опасных районах, часто удаленных от производственных строительных баз.
Кроме этого, разработанная трехшарнирная рама обеспечивает статическую определимость работы конструкции при любых сейсмических нагрузках, что увеличивает прогнозируемость и надежность ее работы.
Очевидная ремонтопригодность принятых соединений также является достоинством заявляемой конструкции.
При разработке заявляемой рамы были учтены общие требования, предъявляемые к строительным конструкциям, используемым в районах землетрясений. Как известно, сейсмические силы, воздействующие на конструкции, увеличиваются с увеличением их собственной массы. Поэтому предлагаемая рама разработана как предельно легкая, деревометаллическая и, как вариант, цельнометаллическая конструкция из эффективных гнутых профилей. Эксплуатационные качества конструкций для сейсмических районов во многом зависят от их способности амортизировать сейсмические воздействия, поэтому в конструкцию рамы введены демпферные устройства и детали, а ее изгибаемые элементы предлагается выполнять как упруго-податливые.
Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом, предлагаемая конструкция трехшарнирной рамы позволяет повысить эксплуатационную надежность и целостность зданий и сооружений при воздействии на них сейсмических нагрузок.