EA010210B1 - Многоэтажное каркасное здание - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к строительству и, в частности, к конструкциям многоэтажных жилых и общественных зданий с повышенной устойчивостью к неравномерным осадкам фундаментов, техногенным и несанкционированным воздействиям. Предлагаемое многоэтажное каркасное здание (фиг. 1) включает каркас с колоннами 1 и плоскими перекрытиями 2, в плоскости которых в створах колонн 1 размещены ригели. Наружные ограждающие конструкции 4 здания могут быть выполнены в виде поэтажно опертых стен или навешенных на каркас панелей. Здание может иметь подземные объемы 5. Колонны и вертикальные диафрагмы жесткости оперты на фундаментную плиту 7. В нижних частях здания на один или два этажа либо дискретно на промежуточных этажах по высоте здания могут быть выполнены горизонтальные пространственные опорные конструкции в виде плоских безраскосных ферм-балок 8, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях и жестко связанных между собой и с несущим каркасом здания. Безраскосные фермы-балки 8 включают вертикальные стойки, образованные сквозными колоннами 1 каркаса и дополнительными стойками 9 высотой на один или два этажа. Горизонтальные пояса ферм-балок 8 образованы ригелями перекрытий и выполнены с выступающими вниз ребрами. Изобретение решает задачи повышения надежности, универсальности и эффективности многоэтажного каркасного здания, упрощения пространственной несущей конструкции здания и технологии ее устройства.

Description

Изобретение относится к строительству и, в частности, к конструкциям многоэтажных жилых и общественных зданий с повышенной устойчивостью к неравномерным осадкам фундаментов, техногенным и несанкционированным воздействиям.

Известно каркасное многоэтажное здание, содержащее колонны, размещенные со взаимными смещениями в плане, закрепленные между ними элементы жесткости, а также перекрытия и покрытия. Причем перекрытия выполнены сборно-монолитными с пустотообразующими элементами [1].

Известное здание технологично при возведении.

Недостатком известного здания является невысокая надежность и несущая способность каркаса вследствие опирания колонн верхних этажей на диски перекрытий, чувствительность каркаса к неравномерным осадкам фундаментов.

Известно многоэтажное здание, включающее горизонтальный монолитный фундамент, рамный каркас и перекрытия, а также несущие стены-диафрагмы, с выполнением цокольного, первого или первых двух этажей в виде поперечных и продольных стен с консольными свесами [2].

Известное здание является карстоустойчивым и сейсмостойким, поскольку продольные и поперечные стены нижних этажей образуют жесткую пространственную опорную конструкцию для всего здания.

Однако известное здание является весьма материалоемким, и его нижние этажи не могут быть эффективно использованы, поскольку объемы, ограниченные капитальными продольными и поперечными стенами, предопределяют жесткие и неизменяемые планировочные решения.

Наиболее близким к предлагаемому является многоэтажное здание, включающее несущий каркас с колоннами и перекрытиями, вертикальные ядра или диафрагмы жесткости и пространственную опорную конструкцию, выполненную на один или два этажа и расположенную в нижних частях здания [3, с. 83, рис. 4.19 к].

Известное здание имеет невысокую материалоемкость, поскольку опорная конструкция образована легкими фермами, содержащими раскосы.

Недостатком известного здания является то, что оно может быть выполнено только в виде каркасно-ствольной конструкции нечленимой вертикальной объемной формы в виде призмы, пирамиды и т. п. и не пригодной для протяженных в плане зданий. Применение раскосных ферм внутри объема здания существенно ограничивает гибкость планировочных решений, а, в ряде случаев, полностью исключает возможность использования объемов здания, занимаемых пространственной опорной конструкцией, что снижает эффективность конструкции всего здания. Устройство пространственной опорной конструкции из раскосных ферм нетехнологично по причине сложности выполнения узловых соединений.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности, универсальности и эффективности многоэтажного каркасного здания, упрощения структуры пространственной опорной конструкции и технологии ее устройства.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в многоэтажном каркасном здании, включающем несущий каркас с колоннами и перекрытиями, содержащими ригели в их плоскостях, вертикальные диафрагмы жесткости и горизонтальную пространственную опорную конструкцию, выполненную на один или два этажа и размещенную в нижних частях здания, горизонтальная пространственная опорная конструкция выполнена в виде плоских безраскосных ферм-балок, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях и жестко связанных между собой и с несущим каркасом здания, вертикальные стойки безраскосных ферм-балок образованны колоннами несущего каркаса и снабжены между колоннами дополнительными стойками на один или два этажа, а горизонтальные пояса безраскосных фермбалок, жестко объединенные со всеми колоннами и дополнительными стойками, выполнены заодно с ригелями перекрытий.

Многоэтажное каркасное здание выполнено с несколькими горизонтальными опорными конструкциями, расположенными дискретно по его высоте, в том числе на средних этажах и/или в объеме чердака здания.

В многоэтажном каркасном здании в горизонтальной пространственной опорной конструкции, выполненной дискретно на средних этажах здания, безраскосные фермы-балки выполнены заодно с наружными ограждающими конструкциями.

В многоэтажном каркасном здании дополнительные стойки безраскосных ферм-балок горизонтальной пространственной опорной конструкции выполнены уширенными в плоскости ферм-балок, а горизонтальные пояса этих ферм-балок развиты по высоте с образованием в пределах высоты пространственной опорной конструкции сквозных балок-стенок.

В многоэтажном каркасном здании каркас здания и горизонтальные пространственные опорные конструкции, образованные безраскосными фермами-балками выполнены совместно из монолитного или сборно-монолитного железобетона.

Выполнение в многоэтажном здании горизонтальной пространственной опорной конструкции в виде расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях и жестко связанных между собой и с несущим каркасом здания плоских безраскосных ферм-балок, выполняемых на один или два этажа, позволяет, в сравнении с прототипом: 1) существенно повысить жесткость несущего каркаса здания по вертикальному направлению и увеличить его пространственную устойчивость, в том числе и для зданий,

- 1 010210 протяженных в плане; 2) обеспечить общую устойчивость и ремонтопригодность несущей системы здания при значительных осадках отдельных колонн, а также при случайных, техногенных, несанкционированных или других воздействиях, влекущих повреждение либо разрушение одной или нескольких колонн. Эффект достигается благодаря существенному расширению возможностей по перераспределению усилий на соседние неповрежденные колонны; 3) для высотного и повышенной этажности здания, посредством устройства дополнительных пространственных опорных конструкций, расположенных дискретно по высоте и/или в объеме чердака здания, повысить пространственную жесткость, обеспечить перераспределение усилий между элементами каркаса и сохранение общей устойчивости несущей системы здания, при повреждениях или разрушениях отдельных несущих элементов, расположенных между пространственными опорными конструкциями, в результате случайных, техногенных, несанкционированных либо других воздействий по высоте здания; 4) эффективно использовать объем здания и в пределах этажей, содержащих пространственную опорную конструкцию в виде безраскосных ферм-балок, поскольку горизонтальные пояса последних совмещены с ригелями перекрытий, а колонны и дополнительные стойки имеют относительно небольшие размеры и могут быть скрыты в ограждающих конструкциях; 5) конструктивно реализовать здания со сложным архитектурным замыслом, основанном на формах, образуемых значительными консольными выносами перекрытий за наружные ряды колонн; консольные выносы в таких случаях выполняют в составе горизонтальных пространственных опорных конструкций и могут служить опорной платформой для объемов здания, расположенных выше; 6) при наличии технических этажей трансформировать в пределах их высоты плоские безраскосные фермыбалки в плоские балки-стенки со сквозными проемами для пропуска инженерных коммуникаций и доступа персонала сервисных служб; 7) благодаря совместному выполнению каркаса и пространственной опорной конструкции из монолитного или сборно-монолитного железобетона обеспечить цельность всей несущей конструкции здания и полностью исключить вероятность его прогрессирующего разрушения; 8) достигнуть единообразия в производстве работ по высоте здания, существенно упростить технологию возведения и ускорить темп строительства.

Приведенные доводы подтверждают, что поставленная задача изобретением решена. Повышена надежность здания с исключением опасности прогрессирующего разрушения. Обеспечено повышение универсальности и эффективности конструктивного решения. Упрощена технология возведения.

Сопоставление с прототипом позволяет отметить, что заявленное техническое решение отличается от известного новыми признаками: (1) горизонтальная пространственная опорная конструкция выполнена в виде плоских безраскосных ферм-балок, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях, жестко связанных между собой и с несущим каркасом здания, (2) вертикальные стойки ферм-балок образованы колоннами каркаса и между колоннами снабжены дополнительными стойками на один или два этажа, а (3) горизонтальные пояса, жестко объединенные со всеми колоннами и дополнительными стойками, совмещены с ригелями перекрытий. (4) Здание выполнено с несколькими горизонтальными опорными конструкцмями, расположенными дискретно по его высоте, в том числе на средних этажах и/или в объеме чердака здания. (5) В горизонтальной пространственной опорной конструкции, на средних этажах, безраскосные фермы-балки выполнены заодно с наружными ограждающими конструкциями. Кроме того, (6) дополнительные стойки безраскосных ферм-балок горизонтальной пространственной опорной конструкции выполнены уширенными в плоскости ферм-балок, а горизонтальные пояса развиты по высоте с образованием в пределах высоты пространственной опорной конструкции сквозных балок-стенок. (7) Каркас здания и горизонтальные пространственные опорные конструкции, образованные безраскосными фермами-балками, выполнены совместно из монолитного или сборно-монолитного железобетона.

Все перечисленные признаки предлагаемого изобретения обеспечивают решение поставленной задачи. Все перечисленные признаки в приведенной совокупности неизвестны, а достигаемые технические результаты по предложенному решению превосходят известные. Совместное наличие перечисленных выше признаков позволяет достичь сверхсуммарного результата.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен разрез предлагаемого многоэтажного каркасного здания, с горизонтальными пространственными опорными конструкциями высотой на этаж, расположенными в нижней части здания и на промежуточном этаже; на фиг. 2 то же, в случае повреждения вертикальных колонн на нижнем этаже; на фиг. 3 - то же, при выполнении горизонтальной пространственной опорной конструкции по низу здания на два этажа с консолями за крайние ряды колонн; на фиг. 4 - план типового этажа, разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - план этажа с пространственной опорной конструкцией и дополнительными стойками квадратного сечения, разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 6 - то же, с дополнительными стойками, развитыми в плоскости ферм-балок; на фиг. 7 вертикальный разрез типового этажа, разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 8 - вертикальный разрез этажа с пространственной опорной конструкцией, разрез Г-Г на фиг. 5.

Предлагаемое многоэтажное каркасное здание (фиг. 1-8) включает каркас с колоннами 1 и плоскими перекрытиями 2, в плоскости которых в створах колонн 1 размещены ригели 3. Наружные стены 4 здания могут быть выполнены поэтажно опертыми в виде кладки из штучных изделий, либо в виде навешенных на каркас панелей. Здание может быть выполнено с подземными объемами 5. Колонны 1 кар

- 2 010210 каса здания и вертикальные диафрагмы жесткости 6 оперты на фундаментную плиту 7. В нижних частях здания на один или два этажа либо дискретно на промежуточных этажах по высоте здания могут быть выполнены горизонтальные пространственные опорные конструкции в виде плоских безраскосных ферм-балок 8, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях и жестко связанных между собой и с несущим каркасом здания. Безраскосные фермы-балки 8, по существу, являющиеся балками Веренделя, размещены в створах как наружных, так и внутренних рядов колонн 1. При этом они могут быть расположены в плоскостях наружных стен 4 и жестко сопряжены со стенами 6 ядер или вертикальных диафрагм жесткости. Безраскосные фермы-балки 8, включают вертикальные стойки, образованные сквозными колоннами 1 каркаса, а также дополнительными фахверковыми стойками 9 высотой на один или два этажа. Горизонтальные пояса безраскосных ферм-балок 8 совмещены с ригелями перекрытий 2 и выполнены с выступающими книзу, в объем здания, ребрами 10. Под перекрытиями 2 с выступающими книзу ребрами 10 ригеле 3 могут быть устроены подвесные потолки 11.

Стойки 9 могут быть выполнены уширенными в плоскости ферм-балок 8, а ребра ригелей 3, являющихся поясами ферм-балок 8, могут быть развиты по высоте в объем этажа, занятого пространственной опорной конструкцией, с образованием в пределах его высоты сквозных балок-стенок (на чертежах не приведено). Устройство таких балок-стенок возможно в пределах технических этажей здания, чердака, а также ярусов подземных объемов 5 здания, занятых инженерным оборудованием.

При устройстве горизонтальной пространственной опорной конструкции высотой на два этажа (см. фиг. 3) промежуточное, среднее по высоте опорной конструкции, перекрытие выполняют плоским без выступающих в объем этажа элементов. Пространственная опорная конструкция посредством фермбалок 8 может быть вынесена за крайние ряды колонн 1 с образованием консолей, вылет которых в два и более раза превышает наибольшую возможную длину консоли одиночного перекрытия. На консоль горизонтальной пространственной опорной конструкции могут опираться расположенные над ней части верхних этажей здания. В этом случае колонны 1, расположенные под пространственной опорной конструкцией, должны быть рассчитаны на восприятие дополнительной нагрузки, передаваемой от консолей.

Все элементы несущей системы предлагаемого здания, включающие каркас с колоннами 1, ядрами и диафрагмами жесткости 6, перекрытиями 2, а также горизонтальную пространственную опорную конструкцию, образованную перекрестными фермами-балками 8, выполняют из монолитного или сборномонолитного железобетона с жесткими узлами сопряжений. Таким образом, образуется единая пространственная несущая система с большими возможностями по перераспределению усилий между ее элементами при любых видах нагрузок и воздействий.

В предлагаемом каркасном здании разделены функции несущих и ограждающих конструкций. Ограждающие конструкции 4, в виде поэтажно опертых на перекрытия наружных стен или навесных на каркас панелей, выполняют декоративно-защитные функции и воспринимают нагрузки, приложенные к ним только в пределах одного этажа.

Несущая система предлагаемого здания, включающая каркас и одну или несколько горизонтальных пространственных опорных конструкций, воспринимает все приложенные к зданию нагрузки и осуществляемые на него воздействия. Под нагрузкой несущая система работает как единая многократно статически неопределимая многоярусная пространственная конструкция. Приложенные к каркасу вертикальные нагрузки воспринимают перекрытия 2 и передают их на колонны 1 и вертикальные диафрагмы жесткости 6 и далее, через фундаменты 7, на основание. Горизонтальную ветровую нагрузку воспринимают наружные стены 4 и далее передают ее через диски перекрытий 2 на стены ядер и вертикальных диафрагм жесткости 6, защемленных в фундаментах и испытывающих под действием вертикальной и горизонтальной нагрузки внецентренное сжатие в их горизонтальных сечениях. Вследствие наличия жестких узлов объединения перекрытий 2 и колонн 1 последние тоже включаются в работу на восприятие горизонтальных нагрузок.

При действии нормируемых нагрузок и воздействий пространственные опорные конструкции наиболее заметно включаются в общую работу здания, как правило, только при наличии в них консолей, выпущенных за крайние ряды колонн 1 здания. Однако в случае просадок отдельных колонн 1 или их повреждения (поз. 12 на фиг. 2 и 3) с потерей несущей способности, фермы-балки 8 пространственной опорной конструкции сразу же включаются в работу, сдерживая вертикальные перемещения 13 каркаса у поврежденных колонн 1. Эти перемещения затухают по величине к верху здания, благодаря включению в работу, как пространственных опорных конструкций, так и вышерасположенных элементов каркаса. Для повышения эффективности работы и уменьшения величины прогиба пространственной опорной конструкции при этих воздействиях, в безраскосных балках-стенках 8, расположенных в плоскостях наружных стен, в крайних пролетах и у углов здания могут быть установлены дополнительные фахверковые стойки 9, или их сечения могут быть развиты в плоскости балки-фермы 8. Таким образом, при аварийных воздействиях обеспечивается сохранность здания, поскольку величина возможных перемещений каркаса является такой, что позволяет произвести установку домкратов, приподнять части здания у поврежденных колонн 1, 12 и произвести работы по восстановлению их в проектное положение, а затем и по обеспечению требуемой несущей способности. Для полной реализации этого условия также необходимо, чтобы все колонны 1 под каждой горизонтальной пространственной опорной конструкцией были

- 3 010210 рассчитаны на восприятие дополнительных усилий при поочередно выключенных из работы соседних колоннах. Указанное требование должно выполняться как в случае установки пространственной опорной конструкции с безраскосными фермами-балками 8 понизу здания, так и при дискретном расположении последних на промежуточных по высоте здания этажах или в объеме чердака. Кроме того, жесткое объединение ферм-балок 8 этих пространственных опорных конструкций со стенками вертикальных диафрагм жесткости 6 существенно увеличивает не только жесткость каркаса по вертикальным перемещениям, но и существенно увеличивает жесткость на изгиб и повышает устойчивость здания.

Предлагаемое здание возводят как обычное каркасное здание, поэтажно с поочередным возведение сборных или монолитных колонн 1 и дисков перекрытий 2, а также наружных стен 4. Причем каждое последующее перекрытие 2 возводят с опиранием его опалубочно-технологической оснастки на расположенное непосредственно под ним готовое перекрытие. Возведение ферм-балок 8 горизонтальной пространственной опорной конструкции осуществляют в едином технологическом ритме возведения каркаса, поскольку возведение дополнительных стоек 9 аналогично устройству колонн 1, а выступающие ребра 10 ригелей 3 формируют одновременно с устройством диска перекрытия 2. При производстве работ, например, в аналоге [2] требуется выполнить значительный дополнительный объем ручной кладки, а в прототипе [3] требуется дополнительная оснастка для устройства раскосов, а их выполнение сопровождается значительным объемом трудовых затрат.

Таким образом, по сравнению с аналогом [2] существенно снижены материалоемкость и трудоемкость возведения здания, поскольку пространственные опорные конструкции, существенно увеличивая жесткость и несущую способность каркаса, не требуют значительных материальных затрат на их устройство. По сравнению с прототипом [3] не только сокращены трудозатраты и материалоемкость, повышены общая пространственная жесткость, устойчивость и надежность каркаса, но и обеспечена дополнительная устойчивость здания при аварийных, техногенных и несанкционированных воздействиях, а также последующая его пригодность к ремонту и восстановлению. В предлагаемом каркасном здании, по сравнению с прототипом [3] , также обеспечено повышение универсальности и эффективности конструктивного решения, поскольку техническое решение применимо и для протяженных в плане зданий, а объемы пространственных опорных конструкций в составе каркаса здания могут быть полностью заняты эксплуатируемыми помещениями по их назначению. Все приведенные в настоящем описании данные подтверждают, что поставленная в предлагаемом изобретении задача решена.

В целом, техническое решение представляет новое развивающееся направление в конструировании многоэтажных жилых и общественных зданий массового назначения с повышенными безопасностью, надежностью и комфортом.

Источники информации

1. Патент РФ № 2173750, кл. Е 04 В 1/18, БИ № 26, 20.09.2001 г.

2. Патент РФ № 2123580, кл. Е 04 Н 9/02, БИ № 35, 20.12.1998 г.

3. Маклакова Т. Г. Высотные здания. Градостроительные и архитектурно-конструктивные проблемы проектирования: Монография. - М.: Издательство АСВ, 2006 г. -160 с. (Рис. 4.19 к, с. 83.)

Claims (5)

1. Многоэтажное каркасное здание, включающее несущий каркас с колоннами и перекрытиями, содержащими ригели в их плоскостях, вертикальные диафрагмы жесткости и горизонтальную пространственную опорную конструкцию, выполненную на один или два этажа и размещенную в нижних частях здания, а также ограждающие конструкции, отличающееся тем, что горизонтальная пространственная опорная конструкция выполнена в виде плоских безраскосных ферм-балок, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях и жестко связанных между собой и с несущим каркасом здания, вертикальные стойки безраскосных ферм-балок образованы колоннами каркаса и снабжены между колоннами каркаса дополнительными стойками на один или два этажа, а горизонтальные пояса, жестко соединенные со всеми колоннами и стойками, выполнены заодно с ригелями перекрытий.

2. Многоэтажное каркасное здание по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с несколькими горизонтальными опорными конструкциями, расположенными дискретно по его высоте, в том числе на средних этажах и/или в объеме чердака здания.

3. Многоэтажное каркасное здание по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в горизонтальной пространственной опорной конструкции на средних этажах безраскосные фермы-балки выполнены заодно с наружными ограждающими конструкциями.

4. Многоэтажное каркасное здание по пп.1-3, отличающееся тем, что дополнительные стойки безраскосных ферм-балок горизонтальной пространственной опорной конструкции выполнены уширенными в плоскости ферм-балок, а горизонтальные пояса этих ферм-балок развиты по высоте с образованием в пределах высоты пространственной опорной конструкции сквозных балок-стенок.

5. Многоэтажное каркасное здание по пп.1-4, отличающееся тем, что каркас здания и горизонтальные пространственные опорные конструкции, образованные безраскосными фермами-балками, выполнены совместно из монолитного или сборно-монолитного железобетона.