Сталевий рамний каркас багатоповерхової будівлі

Винахід належить до галузі будівництва, а саме - до стальних будівельних конструкцій, і може бути використаний для зведення багатоповерхових будівель та споруд різного призначення із застосуванням сталевих каркасів. Широко відомі опорні просторові системи багатоповерхових будинків у вигляді сталевого каркасу дво х протилежних типів [1, 2]. До першого типу відноситься сталевий каркас із традиційним послідовним спиранням кожного наступного поверху на попередній, а до другого, навпаки, – послідовне підвішування кожного попереднього поверху до наступного. Основним недоліком цих систем є те, що їх впровадження призводить як до невиправдано великих витрат сталі, так і до різкого збільшення собівартості будівництва. Так, в системах першого типу [1] сталеві опорні колони проміжних поверхів працюють на стиснення в важких умовах можливої втрати стійкості, а системи другого типу [2], що включають, окрім зовнішніх опорних колон, ригелів і вузлів рами, ще й вертикальні підвіски, закріпленні кінцями в перекриттях суміжних поверхів, характеризують надзвичайно великі розтягуючі напруги та зусилля (наприклад, зусилля в підвісці верхнього поверху п'ятиповерхового будинку становить близько 100 тон.). В обох випадках вказані негативні явища в кінцевому результаті незмінно призводять як до підвищеної металоємкості всієї конструкції і її складових, так і до різкого збільшення собівартості будівництва багатоповерхової будівлі або споруди. Найбільш близьким до пропонованого є стальний рамний каркас [3] багатоповерхового будинку, що включає, окрім зовнішніх опорних колон, ригелів і вузлів рами, вертикальних підвісок поверхів, перекриттів поверхів, легких опорних стояків першого зверху поверху, ще й діагональні тяжі, що закріплені верхніми кінцями в вузлах нижнього поясу рами, а нижніми кінцями - в перекритті друго го зверху поверху з можливістю горизонтального зміцнення. Найголовнішим недоліком цієї системи є те, що локальне закріплення верхніх кінців діагональних тяжів в вузлах нижнього поясу ригеля рами незмінно призводить до надзвичайної концентрації напруг в місці спирання ригеля рами на зовнішні опорні колони, що є підставою до виникнення великого згинаючого моменту, та загальної дестабілізації та локальної деформації як всієї конструкції, так і її складових. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення сталевого рамного каркасу багатоповерхового будинку, в якому забезпечується можливість виконання діагональних тяжів стального рамного каркасу багатоповерхового будинку у вигляді цілісної ванти з відтворенням єдиної замкнутої системи, яка спирається без фіксуючого закріплення на верхній контур нижнього поясу ригелю рами, що призводить як до усунення точок локальної концентрації напруг в місці спирання ригелю рами на зовнішні опорні колони, так і до їх перерозподілу уздовж всього умовного перерізу ригелю рами, за рахунок чого значно зменшується металоємкість всієї конструкції і її окремих частин, а також собівартість будівництва багатоповерхового будинку. Означена задача вирішується тим, що: 1. В сталевому рамному каркасі багатоповерхової будівлі, що включає зовнішні опорні колони, вузли і ригелі рами, сталеві опорні системи поверхів у вигляді вертикальних підвісок, закріплених кінцями в перекриттях суміжних поверхів, легкі опорні елементи, а також опорну систему другого зверху поверху у вигляді діагональних тяжів, закріплених нижніми кінцями в перекритті другого звер ху поверху, згідно з винаходом, діагональні тяжі, виконані у вигляді цілісної ванти, являють собою замкнуту систему, обперту без фіксуючого закріплення на верхній контур верхнього поясу ригелю рами, виконаного у вигляді рівнобічної трапеції, нижня основа якої дорівнює величині прольоту будівлі, а її бічні сторони - співпадають з напрямом похилих сторін цілісної ванти. 2. В сталевому рамному каркасі за п.1, згідно з винаходом, легкі опорні елементи розташовані між перекриттями першого та другого поверхів або між ригелем рами та перекриттям верхнього поверху, причому, в останньому випадку вони закріплені лінійно між верхнім та нижнім поясом ригеля рами уздовж умовних осей відповідних рамних стояків. 3. В сталевому рамному каркасі за п.1, згідно з винаходом, цілісна ванти фіксується в центральному вузлі верхнього поясу ригеля рами або додатково чи тільки в його крайніх вузлах. 4. В сталевому рамному каркасі за п.п.1, 2, згідно з винаходом; цілісна ванта зафіксована в місцях розташування умовних осей декількох або всіх рамних стояків. 5. В сталевому рамному каркасі за п.п.1, 2, згідно з винаходом, цілісна ванта зафіксована лінійно в середній частині верхнього поясу ригеля рами між двома осями середніх стояків або між відповідними осями пари чи декількох пар інших стояків, симетричних відносно вертикальної центральної осі. 6. В сталевому рамному каркасі за п.п.1, 2, згідно з винаходом, цілісна ванта зафіксована лінійно уздовж всього верхнього контуру верхнього поясу ригелю рами. 7. В сталевому рамному каркасі за п.п.5, 6, згідно з винаходом, цілісна ванта зафіксована лінійно додатково чи тільки уздовж бічних сторін ригелю рами. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг.1-14 показаний сталевий рамний каркас багатоповерхової будівлі, в якому діагональні тяжі (в рамках одного перерізу) виконані у вигляді цілісної ванти, що відтворює єдину замкнуту систему і спирається без фіксуючого закріплення на верхній контур вер хнього поясу ригелю рами (фіг.1-2), що виконаний у вигляді рівнобічної трапеції, зокрема, з вертикальною підвіскою верхнього поверху, або з ула штуванням фіксуючого закріплення (фіг. 3-14), починаючи від локального точечного і кінчаючи лінійним закріпленням, - в залежності від розрахункової схеми навантаження та характеру розподілу зусиль в елементах конструкцій стального рамного каркасу. Відповідно до двох варіантів виконання замкнутої системи (6-6-4-4-3-3-4-4-6-6) як з включенням легких опорних стояків 5с, так і з використанням легких підвісок 5п першого зверху поверху, на приведених кресленнях (фіг.1-14) багатократно застосована періодична схема: → стальний рамний каркас багатоповерхової будівлі з включенням легких опорних стояків 5с першого зверху поверху → стальний рамний каркас багатоповерхової будівлі з включенням легких підвісок 5с першого зверху поверху. Так, на фігурах з непарними номерами (фіг.1, 3, 5, 7, 9, 11, 13) зображено стальний рамний каркас багатоповерхової будівлі з включенням легких опорних стояків 5с першого зверху поверху, а на фігурах з парними номерами (фіг.2, 4, 6, 8, 10, 12, 14) зображено стальний рамний каркас багатоповерхової будівлі з включенням легких підвісок 5с першого зверху поверху, причому, в обох випадках на перших варіантах (фіг.1-2) зображено випадок, коли цілісна ванта спирається без фіксуючого закріплення на верхній контур верхнього поясу / ригеля рами (введена умовна позначка - O ), тобто конструкція тримається в рівновазі за рахунок врівноваження сил тертя та зусиль, що виникають під впливом власної або додаткової ваги різного порядку та призначення, а на всіх послідуючи х варіантах – зображено різноманітні випадки фіксуючих закріплень цілісної ванти, що спирається на верхній контур верхнього поясу ригеля рами, починаючи від локального Р(1, 2, 3… N) точечного і кінчаючи лінійним L(1, 2, 3.. Ν,.. G) закріпленням або їх суміжним (об'єднаним) варіантом: {W}=Р(1, 2, 3.. Ν) È L(1, 2,3.. N,.. G), тобто, коли застосовується як локальне точечне, так і лінійне фіксуюче закріплення (тут та далі позначкою {W} умовно визначається узагальнене фіксуюче закріплення цілісної ванти, що відповідає наведеній конструктивній схемі, а порядковий номер у кругли х дужках - відповідає зазначеному на кресленні порядковому номеру відповідного вузла Ν(Ν=1, 2, 3, 4,...) для випадку фіксуючого локального Р(1, 2, 3… Ν) точечного закріплення або лінійної ділянки G(G=1, 2, 3, 4,...Ν,..) для випадку фіксуючого лінійного закріплення L(1, 2, 3… Ν,… G) цілісної ванти). Так, на фіг.3–4 зображено випадок, коли в розрахункову схему роботи наведеної замкнутої системи сталевого рамного каркасу багатоповерхової будівлі додатково вводиться фіксуюче точечне Р(1) закріплення цілісної ванти в центральному вузлі (N=1) верхнього контуру верхнього поясу ригеля рами, що в алгебраїчних термінах набуває виду: / {W}= O È P(1). На фіг.5-6 зображено випадок, коли фіксуюче закріплення Р(2, 3) цілісної ванти призволиться додатково (до попереднього випадку) чи тільки в його крайніх вузлах (N=2, 3), що показано відповідно зліва та справа на сумісній конструктивній схемі, причому, в алгебраїчних термінах відповідно маємо два рівняння: / / {W}= O È Р(1, 2, 3); {W}= O È Р(2, 3), що виражають собою різні умови фіксуючого закріплення цілісної ванти для наведених конструктивних схем сталевого рамного каркасу. На фіг.7-8 зображено деякі (із багатьох можливих) варіанти, коли фіксуюче закріплення цілісної ванти виконано локально у декількох [Р(1, 2, 3, 5, 6) - справа на сумісній конструктивній схемі] або у всіх вузлах [Р(1, 2, 3,… Ν) - зліва на сумісній конструктивній схемі верхнього поясу ригелю рами, розташованих відповідно до кроку умовних осей рамних стояків уздовж всього верхнього контуру верхнього поясу ригеля рами, тобто в алгебраїчних термінах також відповідно маємо два рівняння: / / {W}= O È Ρ(1, 2, 3, 5, 6); {W}= O È Ρ(1, 2, 3,… Ν), що виражають собою різні умови фіксуючого точечного закріплення цілісної ванти для наведених на фіг.7-8 конструктивних схем сталевого рамного каркасу. Якщо на фіг.3-8 зображено основні випадки, коли фіксуюче закріплення цілісної ванти носить локальний Р(1, 2, 3,… N) точечний характер, то на фіг.9-14 зображено основні випадки, коли фіксуюче закріплення цілісної ванти носить лінійний L(1, 2,… N,… G) характер. Так, на фіг.9-12 зображено випадки, коли фіксуюче закріплення цілісної ванти носить лінійний характер і виконано в середній частині верхнього поясу ригеля рами між двома осями середніх стояків [L(1) - справа на сумісній конструктивній схемі фіг.9–10] або між відповідними осями пари чи декількох пар інших стояків, симетричних відносно вертикальної центральної осі [L(2) - зліва на сумісній конструктивній схемі фіг9-10 та L(3) справа на суміжній конструктивній схемі фіг.11-12], тобто для всіх наведених випадків маємо відповідні алгебраїчні рівняння: / / / {W}= O È L(1); {W}= O È L(2); {W}= O È L(3), що виражають собою різні умови фіксуючого лінійного закріплення цілісної ванти для наведених на фіг 9–12 конструктивних схем сталевого рамного каркасу. Випадок, коли фіксуюче лінійне закріплення L(N) цілісної ванти виконано уздовж всього верхнього контуру верхнього поясу ригелю рами, зображений зліва на сумісній конструктивній схемі фіг.11 - 12, для якого відповідне алгебраїчне рівняння умов фіксуючого лінійного закріплення цілісної ванти має вигляд: / {W}= O È L(N). Варіант тотального фіксуючого лінійного закріплення L(G) цілісної ванти зображений на фіг.13–14 (зліва на сумісній конструктивній схемі), коли фіксуюче лінійне закріплення L(G) цілісної ванти виконано як уздовж всього верхнього контуру верхнього поясу ригелю рами, так і додатково або тільки уздовж бічних сторін рівнобічної трапеції L(Gx). Маємо відповідні алгебраїчні рівняння: / / / {W}= O È L(G), {W}= O È L(G) È L(Gx)·{W}= O È L(Gx), що виражають собою різні умови фіксуючого лінійного (зокрема, тотального) закріплення цілісної ванти для наведених зліва на фіг.13-14 відповідних конструктивних схем сталевого рамного каркасу. Один з можливих змішаних варіантів, коли поряд з лінійним фіксуючим закріпленням L(G) застосовується і локальне точечне закріплення в одному [для Р(1) - схема не наведена] чи в декількох вузлах [Р(2, 3)] вер хнього контуру верхнього поясу ригеля рами, зображено на фіг.13–14 (справа на сумісній конструктивній схемі). Відповідні алгебраїчні рівняння мають вигляд: / / {W}= O È L(G) È Ρ(1); {W}= O È L(G) È Р(2, 3). що виражають собою різні умови фіксуючого змішаного закріплення цілісної ванти останнє рівняння, зокрема, відповідає наведеним справа на фіг.13-14 конструктивним схемам сталевого рамного каркасу зі змішаним закріпленням цілісної ванти. Можливі й інші варіанти, наприклад, / / {W}= O È L(1) È Ρ(1); {W}= O È L(1) È Ρ(2, 3); / / {W}= O È L(1, 2) È Р(2, 3);{W}= O È L(N) È Ρ(2, 3); O È L(1, 2, 3) È Р(2, 3);{W}= O È L(1) È P(2, 3) і т.д. / / {W}= Сталевий рамний каркас багатоповерхового будинку включає зовнішні опорні колони 1, ригель 2 рами, діагональні тяжі 4, виконані у вигляді цілісної ванти 4-4-3-3-4-4 з відтворенням єдиної замкнутої системи (6-6-4-4/ 3-3-4-4-6-6), яка спирається на верхній контур верхнього поясу ригелю рами без фіксуючого закріплення O або з різними варіантами фіксуючого закріплення від локального точечного Р(1, 2,.. Ν) до лінійного L(1, 2,.. Ν,.. G) уздовж всього верхнього контур у верхнього поясу ригелю рами, що виконаний у вигляді рівнобічної трапеції, менша основа якої дорівнює величині прольоту будівлі, а бічні сторони співпадають з напрямом похилих сторін 44 цілісної ванти, а також легкі опорні елементи, зокрема, легкі опорні стояки 5с або легкі підвіски 5п першого зверху поверху та вертикальні підвіски 6 послідуючих поверхів, які закріплені кінцями на перекриттях 7. Виконання опорної системи другого зверху поверху у вигляді діагональних тяжів, виконаних у вигляді цілісної ванти, що спирається уздовж всього верхнього контуру верхнього поясу ригелю рами і закріплюється нижніми кінцями в перекритті другого зверху поверху з можливістю горизонтального зміцнення, дає підставу не тільки для застосування різних варіантів фіксуючого закріплення цілісної ванти від локального точечного в середній частині верхнього поясу ригелю рами до лінійного уздовж всього верхнього контуру верхнього поясу ригелю рами в залежності від розрахункової схеми навантаження, характеру розподілу зусиль в елементах конструкцій стального рамного каркасу тощо, але й для включення в загальну роботу конструкції обох поясів ригелю рами з забезпеченням рівномірного розподілу напружень в вузлах конструкції рамного каркасу та рівномірної передачі загального навантаження через вказану замкнуту систему від всі х поверхів будівлі як на конструкцію ригелю рами, так і на зовнішні опорні колони. Як видно з креслення, пропонований сталевий рамний каркас багатоповерхового будинку, що має зовнішні опорні колони 1, ригель 2 рами, діагональні тяжі 4, виконані у вигляді цілісної ванти 4-4-3-3-4-4, що відтворює єдину замкнуту систему (6-6-4-4-3-3-4-4-6-6), яка спирається на верхній контур нижнього поясу ригелю рами з можливістю застосування різних варіантів фіксуючого закріплення від локального точечного Р(1, 2,.. Ν) в середній частині верхнього поясу ригелю рами до лінійного L(1, 2,.. Ν,.. G) уздовж всього верхнього контуру вер хнього поясу ригелю рами, легкі опорні стояки 5с чи легкі підвіски 5п першого зверху поверху та вертикальні підвіски 6 послідуючих поверхів, закріпленні кінцями на перекриттях 7, працює таким чином, що одночасно включаються в роботу всі елементи відтвореної замкнутої системи (6-6-4-4-3-3-4-4-6-6) з одночасним рівномірним перерозподілом точок концентрації напруг уздовж всього умовного перерізу верхнього поясу ригелю рами, що призводить до стабілізуючого ефекту як, зокрема, ригелю рами, так і, в загалі, всієї каркасної конструкції. При цьому, завдяки планувальній гнучкості відтвореної замкнутої системи, значно розширюються можливості впровадження різноманітних сучасних варіантів архітектурних та архітектурно-конструктивних рішень внутрішнього простору, фасадів і силуетних контурів багатоповерхових будинків та споруд із застосуванням стального рамного каркасу. Таким чином, використання запропонованого винаходу дозволяє вирішити задачу загальної стабілізації конструкції з включенням в одночасну роботу обох поясів ригелю рами і всіх елементів відтвореної замкнутої системи з одночасним рівномірним перерозподілом точок концентрації напруг уздовж всього умовного перерізу верхнього поясу ригелю рами, забезпечити рівномірність розподілу напружень в вузлах конструкції та рівномірну передачу загального навантаження через замкнуту систему від всі х поверхів будівлі як на конструкцію ригелю рами, так і на зовнішні опорні колони, а також сприяє розширенню кількості можливих сучасних варіантів архітектурних та архітектурно-конструктивних рішень внутрішнього простору, фасадів і силуетних контурів багатоповерхових будинків та споруд, що відтворюються на основі застосування стального рамного каркасу. Джерела інформації 1. Жербін М.М. Применение стальных конструкцый при надстройке существующих зданий до любого количества этажей. – Київ: Вид-во Київського держуніверситету ,1996р. 2. Жербін М., Владимирський В. Металлические конструкции. – Київ: Ви ща школа, 1984. – С.142, 143, 152. 3. Деклараційний патент на винахід України № 32745 А, МПК 6 Е 04 В 1/18, 2001, заявл. 24.04.2000, опубл. 15.05.2001, Бюл. № 4, 2001р.