большепролетное здание

Формула изобретения

1. Большепролетное здание, содержащее жестко защемленные в фундаменте колонны, а также несущие предварительно напряженные и ограждающие конструкции покрытия, нагрузка от которого передается на колонны, отличающееся тем, что колонны здания выполнены наклонными в виде двух пересекающихся в верхней части ветвей, угол наклона каждой ветви к горизонту определен из условия совпадения направлений равнодействующей от внешней нагрузки, усилий преднапряжения и самонапряжения в элементах несущих конструкций покрытия с реакцией в ветви колонны, при этом наклон внутренней ветви колонны определен от действия минимально возможной внешней нагрузки от покрытия, а наклон внешней ветви - от действия максимально возможной внешней нагрузки от покрытия.

2. Большепролетное здание по п.1, отличающееся тем, что для выбора требуемого по эксплуатационным соображениям наклона ветвей колонны изменяют длину пролета здания в поперечном направлении и вес конструкций покрытия, включая и вес инженерно-технологического подвесного оборудования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и предназначено преимущественно для использования в качестве зданий спортивного и зрелищного назначения.

Известно большепролетное здание [1, с.79-86 (рисунки 4.14 и 4.15)], включающее колонны, закрепленные жестко в фундаменте и работающие по схеме центрально нагруженных элементов, на которые установлены фермы большого пролета, являющиеся внешне статически определимыми.

Недостаток такого здания заключается в том, что с возрастанием пролета ферм существенно увеличивается их высота и вес.

Известно также большепролетное здание [1, с.241 (рис.13.1, схема «б»], включающее колонны, закрепленные жестко в фундаменте и работающие как внецентренно сжатые элементы, на которые установлены фермы большого пролета, соединенные с колоннами или жестко, или шарнирно неподвижно, либо на них закреплены вантовые системы.

Такая схема компоновки поперечника здания позволяет перекрывать при одинаковом расходе материала пролеты, большие, чем в первом аналоге. Однако при дальнейшем увеличении пролета здания в колоннах возникают большие изгибающие моменты, что приводит к существенному развитию поперечного сечения колонн, или к конструированию специальной опорной конструкции, способной воспринять большую часть горизонтальных усилий, приходящихся на оголовок колонн.

Известно также большепролетное здание, принятое в качестве прототипа, в котором вместо фермы используется вантово-стержневая система [2]. Несущие тросы этой системы соединены с колоннами шарнирно-неподвижно.

Недостатком такого здания является возникновение в колоннах больших изгибающих моментов от усилия преднапряжения и самонапряжения несущего троса.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в снижении материалоемкости колонн.

Это достигается тем, что в большепролетном здании, содержащем жестко защемленные в фундаменте колонны, а также несущие (в том числе предварительно напряженные) и ограждающие конструкции покрытия, нагрузка от которого передается на колонны, последние выполнены наклонными в виде двух пересекающихся в верхней части ветвей, угол наклона каждой ветви к горизонту определен из условия совпадения направлений равнодействующей от внешней нагрузки, усилий преднапряжения и самонапряжения в элементах несущих конструкций покрытия с реакцией в ветви колонны, при этом наклон внутренней ветви колонны определен от действия минимально возможной внешней нагрузки от покрытия, а наклон внешней ветви - от действия максимально возможной внешней нагрузки. Для выбора рационального соотношения углов наклона ветвей колонны к горизонту можно варьировать длиной пролета здания и внешней нагрузкой от собственного веса конструкций покрытия, включая и вес инженерно-технологического подвесного оборудования.

Сущность изобретения поясняется чертежами, предсталенными на фигурах 1...3:

На фиг.1 изображена поперечная схема большепролетного здания с вантово-стержневой системой покрытия пролетом 42 м. Большепролетное здание включает: наклонные двухветвевые колонны треугольной формы 1, вантово-стержневую систему, состоящую из раскосной фермы балочного типа 2 с полигональными поясами несущего предварительно напряженного троса 3, расположенного вдоль нижнего пояса фермы 2 и закрепленного шарнирно неподвижными опорами 4 с оголовком колонн 1 совместно с фермой 2. Поверх фермы расположены ограждающие конструкции покрытия (панели покрытия) 5.

На фиг.2 представлена система нагрузок, приходящихся на оголовок колонны: Р - внешняя нагрузка, включающая в себя собственный вес конструкций покрытия и временную длительно действующую нагрузку от веса подвесного потолка и инженерно-технологических систем Р₀, и снеговую нагрузку Р _сн.; Н - распор (горизонтальная составляющая от натяжения троса и деформации фермы); Х - усилие в тросе, включающее усилие предварительного напряжения троса Х_п и усилие самонапряжения троса от действия внешних сил Х _с.

На фиг.3 изображен параллелограмм сил для определения равнодействующей от нагрузок, приложенных к оголовку колонны. На схеме «а» представлен случай действия только постоянной и временной длительно действующей нагрузок (P_min ), а на схеме «б» - случай действия постоянной и всех временных нагрузок, включая снеговую (Р_max).

Предлагаемое большепролетное здание отличается рядом конструктивных особенностей его элементов от прототипа:

- в качестве колонн используются двухветвевые колонны треугольной формы, ветви которых соединяются в их верхней части;

- колонны расположены наклонно к основанию;

- наклон каждой ветви колонны принят, исходя из условия совпадения направлений реакции в ней с равнодействующей внешних сил;

- угол наклона внешней ветви колонны ₁ определяется от внешней максимально возможной нагрузки Р_max, заданного усилия преднапряжения троса Х_п и усилия самонапряжения в нем X₁ от внешней нагрузки;

- угол наклона внутренней ветви колонны ₂ определяется от внешней минимально возможной нагрузки P_min, заданного усилия преднапряжения троса Х_п и усилия самонапряжения в нем Х₂ от внешней нагрузки. Реализация указанных конструктивных особенностей элементов большепролетного здания приводит к существенному уменьшению изгибающего момента в колонне и, как следствие, к значительному сокращению массы колонн.

Пример реализации изобретения. В качестве примера приведем результаты расчетов рамы большепролетного здания, запроектированного с учетом указанных выше конструктивных особенностей.

В качестве перекрытия здания запроектирована вантово-стержневая система пролетом 42 м [2], изображенная на фиг.1, в которой (после нескольких итераций расчета по подбору площади сечений ее элементов при действии максимально возможной нагрузки Р _max) были приняты размеры фермы, указанные на чертеже (длины элементов и площади их поперечных сечений приведены в таблице).

Таблица
Геометрические размеры элементов вантово-стержневой системы
Номер стержня	Длина стержня, м	Сечение стержня	Номер стержня	Длина стержня, м	Сечение стержня
а-б	3,596	2 уг. 90×7	е-к	4,258	2 уг. 75×5
а-в	3,501	2 уг. 80×5,5	ж-к	3,501	2 уг. 80×5,5
б-в	0,925	2 уг. 70×5	и-к	2,800	2 уг. 70×5
б-г	3,564	2 уг. 90×7	и-л	3,507	2 уг. 90×7
б-д	3,647	2 уг. 70×5	и-м	4,545	2 уг. 90×7
в-д	3,501	2 уг. 80×5,5	к-м	3,501	2 уг. 80×5,5
г-д	1,700	2 уг. 70×5	л-м	3,125	2 уг. 70×5
г-е	3,539	2 уг. 90×7	л-н	3,501	2 уг. 90×7
г-ж	3,936	2 уг. 70×5	л-п	4,759	2 уг. 90×7
д-ж	3,501	2 уг. 80×5,5	м-п	3,501	2 уг. 80×5,5
е-ж	2,325	2 уг. 70×5	н-п	3,300	2 уг. 70×5
е-и	3,520	2 уг. 90×7

Принятая система является дважды статически неопределимой и для ее расчета использован известный в строительной механике метод сил. Было проведено два варианта расчета заданной системы: на действие минимально возможной нагрузки P_min и максимально возможной Р_max при одном и том же значении величины преднапряжения троса Х _п=100 кН.

Определив усилия Н и самонапряжения троса Х_с, были построены параллелограммы сил (см. фиг.3) и вычислены углы наклона ₁ и ₂ соответственных равнодействующих R₁ и R₂ к горизонту.

Анализ результатов приведенного расчета показывает, что равнодействующая действительной внешней нагрузки от веса покрытия, усилия предварительного напряжения и самонатяжения несущего троса, приложенных к оголовку колонны, проходит между ее ветвей, тем самым, обеспечивая наиболее оптимальную работу колонн, поскольку в этом случае к ним прикладывается минимально возможный изгибающий момент. Снижение изгибающего момента приводит к сокращению материалоемкости колонны.

К примеру, если усилия преднапряжения и самонапряжения троса будут приложены к вертикальной колонне высотой h=10 м, то в приведенном примере изгибающий момент в основании колонны будет равен M _max=H₂·h=570·10=5700 кН·м - это очень большое усилие, для восприятия которого необходимо будет существенно развивать поперечное сечение колонн. В то же самое время при наклонном расположении колонн заданное усилие будет вызывать только центральное сжатие ее ветвей.

Варьируя длиной пролета между колоннами в поперечном направлении здания и нагрузкой от собственного веса конструкций покрытия и инженерно-технологического подвесного оборудования, можно изменять углы направления ветвей колонн и добиться их оптимального соотношения.

Таким образом, технический результат (сокращение материалоемкости колонн) при использовании предлагаемой схемы большепролетного здания достигается за счет выполнения наклона колонн, их изготовления в виде двух пересекающихся вверху ветвей, а также за счет варьирования длиной пролета, весом конструкций и весом инженерно-технологического оборудования.

Источники информации

1. Беленя Е.И., Стрелецкий Н.Н. и др. Металлические конструкции: Специальный курс. - М.: Стройиздат. 1991. - 684 с.

2. Патент РФ №2288332. Вантово-стержневая система / Коробко В.И., Алдушкин Р.В. Опубликовано в БИ, 2006, №33.