RU207530U1

RU207530U1 - METAL FRAME OF INCREASED LIFE IN PROGRESSIVE Crash

Info

Publication number: RU207530U1
Application number: RU2021104689U
Authority: RU
Inventors: Мария Евгеньевна Леонова; Владлен Анатольевич Ильичев; Дмитрий Валерьевич Лазаренко; Дарья Александровна Шишкина
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2021-11-01

Abstract

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при возведении малоэтажных зданий с металлическим каркасом общественного назначения. Технический результат - создание падежной конструктивной схемы рамы, позволяющей предупреждать прогрессирующее обрушение здания в случае возникновения запроектных воздействий (локального нагрева при пожаре, провала в карстовую воронку, большой просадки грунта основания, техногенной аварии, террористического акта и т.п.).Металлический каркас представляет собой двухэтажные рядовые рамы с жестко закрепленными в фундамент колоннами, а также жестко закрепленными с колоннами ригелями и главными балками. Пролеты и шаг рам 6 м. Высота одного этажа 4 м. Перпендикулярно пролету основных рам в осях колонн расположены связующие балки с чередованием через один шаг основной рамы. Второстепенные балки соединены с ригелями рамы в один уровень и расположены с шагом 1,5 м. В пролетах рамы и дополнительных связующих ригелей предусмотрены усиливающие конструкции в виде несущих связей. Несущая связь представляет собой две дуги, соединенные между собой в центре ригеля рамы и дополнительного связующего ригеля, и упоров, передающих усилия от выше расположенных несущих связей. 5 ил.The utility model relates to the field of construction and can be used in the construction of low-rise buildings with a metal frame for public use. The technical result is the creation of a case design of the frame, which allows to prevent the progressive collapse of the building in the event of beyond design basis impacts (local heating during a fire, sinking into a karst sinkhole, large subsidence of the foundation soil, a man-made accident, a terrorist act, etc.). are two-story ordinary frames with columns rigidly fixed to the foundation, as well as girders and main beams rigidly fixed to the columns. Spans and frame spacing are 6 m. The height of one floor is 4 m. Connecting beams are located perpendicular to the span of the main frames in the axes of the columns, alternating one step of the main frame. Secondary beams are connected to the frame beams at one level and are located with a step of 1.5 m. Reinforcing structures in the form of load-bearing ties are provided in the spans of the frame and additional connecting beams. The load-bearing connection consists of two arcs connected to each other in the center of the frame crossbar and an additional connecting crossbar, and stops transmitting forces from the higher-located load-bearing ties. 5 ill.

Description

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при возведении малоэтажных зданий с металлическим каркасом общественного назначения.The utility model relates to the field of construction and can be used in the construction of low-rise buildings with a metal frame for public use.

Известна конструкция рамного каркаса (RU 2360076), каркас здания включает двухэтажные двухпролетные рамы, систему вертикальных связей жесткости и затяжек. Рамы состоят из колонн и ригелей, выполненных в виде балок. Соседние рамы соединяются между собой диагональными затяжками, которые расположены в пределах парапета и связывают верхние части колонн. Верхние части колонн дополнены вертикальными стержнями. Отметка верха дополнительных стержней совпадает с отметкой верха парапета. Соседние рамы также соединяются коробчатыми балками, расположенными в уровне опорных узлов ригелей покрытия. В плоскости рам вертикальные затяжки соединяют балки перекрытия в местах опирания на среднюю колонну с ригелем покрытия. Горизонтальные затяжки соединяют крайние колонны в узлах опирания ригеля покрытия. В плоскости торцевых рам диагональные затяжки соединяют балки перекрытия в местах опирания на крайние колонны с балками покрытия в середине их пролета. В конструкции подтверждено выполнение условий живучести здания в случае мгновенного удаления одной из опор, однако такое решение приводит к ограничениям функционального использования здания. Помимо этого все сечения рамного каркаса требуют индивидуального (не типового) изготовления, что приводит к значительному удорожанию.The known design of the frame frame (RU 2360076), the building frame includes two-storey double-span frames, a system of vertical stiffness and ties. The frames consist of columns and crossbars, made in the form of beams. Adjacent frames are connected by diagonal braces, which are located within the parapet and connect the upper parts of the columns. The upper parts of the columns are supplemented with vertical bars. The mark of the top of the additional rods coincides with the mark of the top of the parapet. Neighboring frames are also connected by box girders located at the level of the roof girder support nodes. In the plane of the frames, vertical puffs connect the floor beams at the points of support on the middle column with the roof crossbar. Horizontal puffs connect the extreme columns at the nodes of the roof girder support. In the plane of the end frames, diagonal ties connect the floor beams at the points of support on the extreme columns with the cover beams in the middle of their span. The design confirms the fulfillment of the building survivability conditions in the event of an instantaneous removal of one of the supports, however, this solution leads to restrictions on the functional use of the building. In addition, all sections of the frame frame require individual (non-standard) manufacturing, which leads to a significant increase in cost.

Известна конструкция многопролетной двухэтажной поперечной рамы каркаса здания (RU 2466243), рама включает крайние и средние колонны, жестко опирающиеся на фундамент, ригели перекрытия, ферму покрытия и узлы соединения ригелей и фермы с колоннами. Нижний пояс фермы связан высокопрочными канатами с расположенными в серединах пролетов узлами соединения раскосов. В пролете соединение нижнего пояса фермы и канатов выполнено в двух узлах. Каждый из узлов расположен на расстоянии 0,3-0,4 длины пролета от ближайшей колонны. Крайние и средние колонны снабжены опорными узлами ригелей, содержащими страховочные устройства, включающие подкосы, упоры, ползуны, подвесы и горизонтальные коротыши. Устройства опорных узлов ригелей на средних колоннах дополнительно снабжены страховочными пластинами, пружинами, разделительными угловыми профилями, ребрами жесткости ригелей и вращающимися упорами. Конструкция позволяет предупреждать прогрессирующее обрушение здания в случае мгновенного исключения из работы несущей системы любой стойки или ригеля любого этажа, однако данные мероприятия излишне усложняют работы по проектированию, а также изготовление и монтаж конструкций. К тому же они ведут к существенному удорожанию конечного продукта (т.е. здания или сооружения) в целом.The known design of a multi-span two-story transverse frame of the building frame (RU 2466243), the frame includes the extreme and middle columns, rigidly resting on the foundation, floor girders, roof truss and joints of girders and truss with columns. The lower chord of the truss is connected by high-strength ropes with the connecting nodes of the braces located in the middle of the spans. In the span, the connection of the lower chord of the truss and the ropes is made in two nodes. Each of the nodes is located at a distance of 0.3-0.4 span lengths from the nearest column. The extreme and middle columns are equipped with crossbar support units containing safety devices, including struts, stops, sliders, hangers and horizontal shorties. The girder support units on the middle columns are additionally equipped with safety plates, springs, dividing corner profiles, girder stiffeners and rotating stops. The design makes it possible to prevent the progressive collapse of the building in the event of an instant exclusion from the work of the supporting system of any rack or crossbar of any floor, however, these measures unnecessarily complicate the design work, as well as the manufacture and installation of structures. In addition, they lead to a significant increase in the cost of the final product (i.e. building or structure) as a whole.

Задача полезной модели - создание металлического каркаса устойчивого против прогрессирующего обрушения здания в случае мгновенного локального разрушения колони или ригелей рамы любого этажа.The task of the utility model is to create a metal frame resistant to the progressive collapse of a building in the event of an instantaneous local destruction of a colony or crossbars of a frame of any floor.

Технический результат - надежная конструктивная схема рамы, позволяющая предупреждать прогрессирующее обрушение здания в случае возникновения запроектных воздействий (локального нагрева при пожаре, провала в карстовую воронку, большой просадки грунта основания, техногенной аварии, террористического акта и т.п.).The technical result is a reliable structural design of the frame, which makes it possible to prevent the progressive collapse of the building in the event of beyond design basis impacts (local heating during a fire, a sinkhole in a karst sinkhole, a large subsidence of the foundation soil, a man-made accident, a terrorist act, etc.).

Поставленная задача решена тем, что металлический каркас устойчивый против прогрессирующего обрушения, состоящий из рядовых рам, установленных с шагом 6 м, колонн, жестко защемленных в фундаменте и жестко соединенных с ригелями и главными балками, отличается тем, что рамы соединены между собой дополнительными связующими ригелями по оси центральных колонн и второстепенными балками, опирание ригелей выполнено в одном уровне с балками, а в пролетах рамы и местах установки дополнительных связующих ригелей установлены усиливающие конструкции в виде несущих связей, которые состоят из двух дуг прямоугольного сечения, соединяющихся друг с другом в центре ригеля рамы и дополнительного связующего ригеля, и образующих элемент арочного типа, а также упоров, передающих усилия от выше расположенных несущих связей.The task is solved by the fact that the metal frame is resistant to progressive collapse, consisting of ordinary frames installed with a pitch of 6 m, columns rigidly clamped in the foundation and rigidly connected to the girders and main beams, characterized in that the frames are interconnected by additional connecting girders along the axis of the central columns and secondary beams, the support of the crossbars is made in the same level with the beams, and reinforcing structures in the form of bearing ties are installed in the spans of the frame and the places where additional connecting crossbars are installed, which consist of two rectangular arcs connected to each other in the center of the crossbar frame and an additional connecting crossbar, and forming an arched-type element, as well as stops that transmit forces from higher-located bearing ties.

Колонны рамы двутаврового сечения колонного типа с параллельными гранями полок. Ригели и второстепенные балки из широкополочного двутавра с параллельными гранями полок. Пролет рамы и шаг рам 6 м. Несущая связь из профилированной трубы прямоугольного сечения выполнена в виде арок и дополнена упорами из профилированной трубы квадратного сечения для восприятия усилий от выше расположенной несущей связи. Форма усиливающей конструкции принята таким образом, чтобы в плоскости пролета рамы или между рамами была возможность разместить дверные или окопные проемы общей площадью 9,5 кв. м. Крепление несущих связей производится через болтовое соединение к ригелям рамы или к связующим ригелям, а также через фундаментные болты к железобетонным конструкциям основания.Column-type I-frame columns with parallel flange edges. Crossbars and secondary beams made of wide-flange I-beams with parallel flange edges. The span of the frame and the step of the frames is 6 m. The bearing link is made of a profiled rectangular tube made in the form of arches and is supplemented with stops made of a profiled square tube to absorb the forces from the above carrier link. The shape of the reinforcing structure is adopted in such a way that in the plane of the frame span or between the frames it is possible to place door or trench openings with a total area of 9.5 sq. m. Fastening of the bearing ties is carried out through a bolted connection to the frame girders or to the connecting girders, as well as through foundation bolts to the reinforced concrete base structures.

Проведенный расчет методом конечных элементов при помощи ЭВМ [Вычислительный комплекс SCAD / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, Л.Л. Маляренко, М.Л. Микитаренко, Л.В. Перельмутер, М.Л. Перельмутер. [с учетом коэффициента динамичности при внезапном удалении конструктивного элемента подтверждает повышение показателей по надежности и живучести металлического каркаса при воздействии запроектных нагрузок в виде карстовых провалов, взрывных нагрузок, высоких температур вследствие пожара.The calculation performed by the finite element method using a computer [Computing complex SCAD / V.S. Karpilovsky, E.Z. Kriksunov, L.L. Malyarenko, M.L. Mikitarenko, L.V. Perelmuter, M.L. Perelmuter. [taking into account the dynamism coefficient with a sudden removal of a structural element confirms the increase in reliability and survivability of the metal frame when exposed to beyond design-basis loads in the form of karst sinkholes, explosive loads, high temperatures due to fire.

Конструкция поясняется схемами.The design is illustrated by diagrams.

На фиг. 1 изображена пространственная схема расположения конструктивных элементов в уровне первого этажа на примере металлического каркаса с размерами в осях 12 на 18 метров (расположение конструктивных элементов второго этажа аналогична первому), где 1 - двухпролетная рядовая рама, 2 - усиливающая конструкция в виде несущей связи; 3 - дополнительный связующий ригель, опирающийся на рамы 1 и соединяющий их в центральном пролете, 4 второстепенные балки.FIG. 1 shows a spatial diagram of the arrangement of structural elements at the level of the first floor using the example of a metal frame with dimensions in the axes of 12 by 18 meters (the arrangement of structural elements of the second floor is similar to the first one), where 1 is a two-span ordinary frame, 2 is a reinforcing structure in the form of a bearing connection; 3 - additional connecting girder resting on frames 1 and connecting them in the central span, 4 secondary beams.

На фиг. 2 изображена двухпролетная рядовая рама 1, на которой не установлены усиливающие конструктивные элементы в виде несущей связи 2, где 5 - колонны рамы, 6 - ригели рамы. Рамы 1 соединены между собой дополнительными связующими ригелями 3 по оси центральных колонн 5 рамы 1 и второстепенными балками 4, опирание ригелей 3 выполнено в одном уровне с балками 4.FIG. 2 shows a two-span ordinary frame 1, on which reinforcing structural elements in the form of a bearing link 2 are not installed, where 5 are the columns of the frame, 6 are the crossbars of the frame. The frames 1 are interconnected by additional connecting beams 3 along the axis of the central columns 5 of the frame 1 and secondary beams 4, the support of the beams 3 is made at the same level as the beams 4.

На фиг. 3 изображена усиливающая конструкция в виде несущей связи 2, которая состоит из двух дуг из профилированной трубы прямоугольного сечения 7, образующих элемент арочного типа, и упоров несущей связи 8, выполненных из профилированной трубы квадратного сечения для восприятия усилий от выше расположенного ригеля 6 или дополнительного связующего ригеля 3. Дуги 7, соединяющиеся между собой в центре ригеля 6 рамы 1 или дополнительного связующего ригеля 3.FIG. 3 shows a reinforcing structure in the form of a bearing connection 2, which consists of two arcs of a profiled rectangular pipe 7, forming an arched-type element, and abutments of a bearing connection 8 made of a profiled square pipe to absorb forces from an above-located crossbar 6 or additional binder crossbar 3. Arcs 7, connecting to each other in the center of crossbar 6 of frame 1 or additional connecting crossbar 3.

На фиг. 4 изображено мгновенное удаление центральной колонны 5 рамы 1 на примере первого этажа двухэтажного металлического каркаса. При локальном разрушении любой из колонн рамы 5 идет перераспределение усилий воспринимаемой ранее удаленной колонной между соседними конструктивными элементами, а именно на элементы несущей связи 2. Благодаря их запасу прочности при загружении дополнительной нагрузкой от удаленной колонны показатели по несущей способности не превысили предельно допустимых значений, вследствие чего, прогрессирующего обрушения не наблюдается.FIG. 4 shows the instantaneous removal of the central column 5 of the frame 1 using the example of the first floor of a two-story metal frame. In case of local destruction of any of the columns of the frame 5, there is a redistribution of the forces of the previously removed column between adjacent structural elements, namely on the elements of the bearing connection 2. Due to their safety factor when loaded with an additional load from the remote column, the bearing capacity indicators did not exceed the maximum permissible values, due to what, progressive collapse is not observed.

На фиг. 5 изображено мгновенное удаление части ригеля 6 на примере первого этажа двухэтажного металлического каркаса. При локальном разрушении ригеля 6 рамы 1 усилия перераспределяются на нижележащие конструкции несущей связи 2. За счет деления ригеля рамы 6 элементами несущей связи 2 на части, уменьшается его расчетная длина, и повышаются несущая способность и запас прочности. Благодаря этому прогрессирующее обрушение не наблюдается.FIG. 5 shows the instant removal of a part of the crossbar 6 using the example of the first floor of a two-story metal frame. With local destruction of the crossbar 6 of the frame 1, the forces are redistributed to the underlying structures of the bearing link 2. Due to the division of the crossbar 6 by the elements of the bearing link 2 into parts, its calculated length decreases, and the bearing capacity and safety margin increase. Due to this, progressive collapse is not observed.

При сравнении несущей способности металлического каркаса аналогичного типа и геометрических размеров с металлическим каркасом усиленным дополнительными конструктивными элементами полученные данные позволяют сделать следующие выводы:When comparing the bearing capacity of a metal frame of a similar type and geometric dimensions with a metal frame reinforced with additional structural elements, the obtained data allow us to draw the following conclusions:

- создание металлического каркаса устойчивого против прогрессирующего обрушения при воздействии запроектных нагрузок;- creation of a metal frame resistant to progressive collapse under the influence of beyond design-basis loads;

- увеличение показателей расхода по массе металла для возведения данного металлического каркаса всего около 2%;- an increase in consumption indicators by mass of metal for the construction of this metal frame is only about 2%;

- уменьшение стоимости расхода металла для возведения данного металлического каркаса около 3%.- reduction in the cost of metal consumption for the construction of this metal frame by about 3%.

Claims

A metal frame resistant to progressive collapse, consisting of ordinary frames installed with a pitch of 6 m, columns rigidly clamped in the foundation and rigidly connected to the girders and main beams, characterized in that the frames are interconnected by additional connecting girders along the axis of the central columns and secondary beams, the support of the crossbars is made at the same level with the beams, and reinforcing structures in the form of bearing ties are installed in the spans of the frame and in the places of installation of additional connecting crossbars, which consist of two arcs of a rectangular section, connected to each other in the center of the crossbar of the frame and an additional connecting crossbar, and forming an arched-type element, as well as stops that transmit forces from above-located bearing links.