сейсмостойкое здание

Формула изобретения

1. Сейсмостойкое здание, включающее фундамент, стеновые панели и плиты перекрытий, отличающееся тем, что стеновые панели и плиты перекрытий выполнены с контурным обрамлением из металлических уголков, повернутых относительно срединной плоскости стеновой панели и плиты перекрытия на угол 45°, соединенных между собой с возможностью взаимного перемещения относительно друг друга, между контурными обрамлениями примыкающих панелей установлены фрикционные прокладки, усиливающие эффект рассеяния энергии при колебаниях каркаса здания, кромки плит перекрытия выполнены с углублениями, а стеновые панели - с соответствующими выступами, размеры которых меньше размеров углублений на величину зазоров.

2. Сейсмостойкое здание по п.1, отличающееся тем, что примыкающие панели и плиты перекрытий соединены между собой с помощью болтов с регулируемой затяжкой гаек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении зданий и сооружений в обычных условиях строительства и в районах с высокой сейсмичностью.

Известно здание, в котором сейсмостойкость обеспечивается путем устройства сейсмоизоляции путем применения сейсмоизолированных опор - слоистых резинометаллических опор со свинцовым сердечником (Строительство и архитектура. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. Экспресс - информация. Зарубежный опыт. Москва, 1987. Выпуск 12, Г.А.Казина, с.5-9). Кроме того, в этом же здании для повышения сейсмостойкости в конструктивную схему здания дополнительно вводят демпферы вязкого трения для гашения энергии колебаний. Функцию демпфера вязкого типа выполняет конструкция стены-диафрагмы, предложенная фирмой «Сумитомо Кэнсэцу» (Япония, 1987 г.), которая состоит из трех вертикальных стальных листов высотой на этаж, из которых два наружных листа крепятся к конструкциям перекрытия нижнего этажа, а один внутренний - к конструкциям перекрытия верхнего этажа. Между листами предусмотрены промежутки, которые заполняют пластичным материалом высокой вязкости, обладающим высокой прочностью сцепления со стальными листами. На обе наружные стальные поверхности стены-диафрагмы наносят слой бетона, который выполняет функции защиты стальных листов от механического повреждения и от огневого воздействия в случае пожара.

Основной недостаток систем сейсмоизоляции зданий с использованием многослойных резинометаллических опор заключается в том, что их жесткость в горизонтальном направлении в 100 и более раз меньше, чем жесткость в вертикальном направлении. Поэтому резинометаллические опоры используются для сейсмоизоляции зданий и сооружений от горизонтальных сеймовоздействий. При действии вертикальных составляющих сеймовоздействий эффект сейсмоизоляции незначителен. Поэтому возникает необходимость применения этих мер сейсмоизоляции совместно с демпферами вязкого типа (стен-диафрагм), которые повышают диссипацию энергии, снижая сейсмическую энергию (как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении). Недостатками их взаимного применения являются: высокая стоимость резинометаллических опор со свинцовым сердечником; повышенная трудоемкость изготовления демпферов вязкого типа (стен-диафрагм). В результате происходит значительное удорожание стоимости строительства объекта, также увеличивается трудоемкость возведения здания.

Известно здание, включающее фундамент, стеновые панели и плиты перекрытий, в котором для сейсмоизоляции применяются скользящие опоры, разработанное ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко совместно с Фрунзенским политехническим институтом, взятое за прототип. Изменение динамической жесткости в таком здании достигается за счет того, что используется специальное конструктивное устройство, в частности скользящий пояс (Сейсмостойкость сооружений / К.С.Абдурашидов, Я.М.Айзенберг, Т.Ж.Жунусов и др. М.: Наука, 1989. с.70-72). Выполняется он в виде верхнего и нижнего опорных элементов с горизонтальными площадками скольжения, между которыми размещен изолирующий слой из материалов минерального происхождения (песок, глина и т.д.) или синтетических прокладок с низким значением коэффициента трения, например фторопласта, т.е. допускается сдвиг верхней части опорной конструкции относительно нижней. При этом в процессе их относительного перемещения потенциальная энергия остается постоянной, т.е. система всегда находится в положении устойчивого равновесия.

Сейсмоизолирующие опорные конструкции скользящего типа за счет сил сухого трения обеспечивают жесткую кинематическую связь сооружения с колеблющимся основанием до тех пор, пока суммарная инерционная сила в системе не превысит определенного уровня - порога срабатывания, величина которого зависит от коэффициента трения и конфигураций поверхностей скольжения фундамента. Поглощение энергии колебаний и ее рассеяние при относительном проскальзывании опорных элементов сейсмоизолирующего устройства весьма значительны, что позволяет обойтись без постановки дополнительных гасителей колебаний (см. Сейсмическая опасность и сейсмостойкое в Российской Федерации (состояние, проблемы, решения), Москва, Министерство строительства РФ, 1996, стр.50).

В конструкции скользящего пояса, представляющей собой упруго-фрикционную систему, предусмотрены: скользящая опора, упругий ограничитель горизонтальных перемещений, жесткий ограничитель горизонтальных перемещений, ограничитель вертикальных перемещений, вертикальный амортизатор.

Недостаток заключается в том, что при сравнительно малых уровнях воздействия в скользящем поясе с горизонтальными площадками скольжения накапливаются значительные остаточные смещения. Это приводит к возникновению кинематического импульса, результатом может быть повреждение и даже разрушение сооружения из-за исчерпания возможностей системы сейсмоизоляции. Для восстановления первоначального состояния в системе требуется использование дополнительного оборудования большой мощности. Недостатком этой конструкции является то, что здание напрямую зависит от колебаний грунта (т.к. фундамент заглублен в грунт), поэтому основным условием эффективности таких систем является удаленность частот их собственных колебаний от преобладающих (доминантных) частот сейсмического движения грунта основания здания. Поэтому установка ограничителей и гасителей колебаний, располагающихся лишь в уровне фундамента, является локальной мерой для обеспечения необходимой сейсмической устойчивости здания.

Технической задачей изобретения является повышение его сейсмостойкости (7-10 баллов), увеличение скорости возведения здания, упрощение конструкции здания и повышение эксплуатационной надежности.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что в сейсмостойком здании, включающем фундамент, стеновые панели и плиты перекрытий, стеновые панели и плиты перекрытий выполнены с контурным обрамлением из металлических уголков, повернутых относительно срединной плоскости стеновой панели и плиты перекрытия на угол 45°, соединенных между собой с возможностью взаимного перемещения друг относительно друга, между контурными обрамлениями примыкающих панелей установлены фрикционные прокладки, усиливающие эффект рассеяния энергии при колебаниях каркаса здания, кромки плит перекрытия выполнены с углублениями, а стеновые панели - с соответствующими выступами, размеры которых меньше размеров углублений на величину зазоров.

Примыкающие панели и плиты перекрытий соединены между собой с помощью болтов с регулируемой затяжкой гаек.

В настоящем изобретении совмещены достоинства всех вышеописанных конструктивных систем зданий.

Новый технический результат заключается в повышении сейсмостойкости здания за счет увеличения коэффициента диссипации, уменьшения частоты колебаний металлического каркаса и увеличения затухания колебаний в системе, уменьшения реакции (смещения, скорости колебаний) системы при сейсмическом воздействии. Кроме того, ускоряется монтаж здания, так как процесс изготовления панелей можно поставить на промышленную основу, при этом контурное обрамление панелей из металлических уголков образует остающуюся бортоснастку, которая при эксплуатации здания служит скрытым металлическим каркасом.

Установка в проектное положение плит перекрытия осуществляется фиксированием выступов (столиков) стеновых панелей в соответствующие углубления - вырезы плит перекрытий. Полученное сопряжение играет роль жестких ограничителей горизонтальных и вертикальных перемещений здания, передающих только сдвигающие усилия, за счет чего обеспечивается повышение надежности здания.

Кроме того, преимуществами предлагаемого здания являются:

- снижение затрат на антисейсмические мероприятия при сохранении нормативного уровня сейсмостойкости здания, что позволяет выявить экономичность строительства здания;

- применение как традиционных, так и новейших строительных материалов, по возможности ориентированных на отечественное строительное производство, что также позволяет снизить стоимость здания, т.к. расширяется выбор ассортимента строительных материалов с разной стоимостью;

- существенное снижение веса здания за счет конструктивных особенностей системы, т.к. несущую роль выполняет скрытый металлический каркас (уголки, обрамляющие панели, образующие в узлах пересечений крестообразное сечение), заполнение панелей не требует усиленного армирования в расчете на восприятие второстепенных нагрузок. За счет широкого применения многослойных ограждающих конструкций снижается материалоемкость здания на 30%;

- повышение скорости возведения здания за счет сборки несущего каркаса здания без сварки и мокрых процессов, а также за счет возможности выпуска различных комплектов сборных изделий с набором крепежных элементов для сборки здания силами застройщиков непосредственно на строительной площадке, т.е. обеспечивается полносборность каркаса здания;

- обеспечение максимальной вариабельности объемно-планировочных решений в зависимости от требований заказчика с широкими возможностями изменения шагов и пролетов.

Контурное обрамление несущих конструкций металлическими уголками обеспечивается за счет предварительно изготовленных рам замкнутого контура, которые при изготовлении изделий служат остающейся бортоснасткой, а после сборки здания образуют скрытый металлический каркас с колоннами и ригелями крестообразного сечения. При этом металлический каркас воспринимает в основном вертикальные нагрузки и обеспечивает пространственную неизменяемость здания, а заполнение каркаса активно участвует в работе на горизонтальные сейсмические нагрузки. В конструкции каркаса реализована идея упруго-фрикционной системы, достоинством которой является целенаправленное использование эффекта повышенного рассеяния энергии при колебаниях здания за счет сухого трения специально запроектированных конструктивных элементов. При колебаниях каркаса здания происходит взаимное смещение отдельных ветвей колонн и ригелей составного крестообразного сечения, между ветвями которых дополнительно установлены специальные фрикционные прокладки, тем самым происходит интенсивное рассеяние энергии за счет сухого трения (диссипация энергии колебаний).

Наличие новых отличительных признаков по сравнению с прототипом обуславливает соответствие заявленного технического решения критерию «новизна».

Предложенная совокупность существенных признаков обладает «изобретательским уровнем», т.к. позволяет обеспечить новый технический результат, не известный из существующего уровня техники в данной области на дату подачи настоящей заявки.

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 изображен общий вид стыковки стеновых панелей в плане;

- на фиг.2 - узел установки плиты перекрытия на стеновую панель;

- на фиг.3 - опорный узел крепления стеновой панели к фундаментной плите;

- на фиг.4 - вариант сейсмостойкого здания (принципиальная схема), представляющий из себя 2-этажный 2-квартирный жилой дом (т.е. на двух хозяев) с пристройкой гаража для каждой квартиры.

Подробное описание предложенного здания.

Основными конструктивными элементами сейсмостойкого здания являются: внутренние стеновые панели толщиной 140 мм, усиленные по контуру элементами металлического каркаса; плиты перекрытия толщиной 140-220 мм часто ребристой конструкции с вкладышами из эффективного утеплителя, также усиленные по контуру элементами металлического каркаса.

Заполнением каркаса могут служить различные строительные материалы: тяжелые и легкие бетоны, гипсобетон, виброкирпичная панель и другие, тем самым образуя огромный спектр альтернатив применяемых строительных материалов.

Контурные элементы стеновых панелей и плит перекрытия выполняются из равнобокого уголка сечением 100×100×4 мм (гнутый профиль), развернутого под углом 45° к плоскости изделия. Для наружных стеновых панелей контурный металлический элемент выполняется из уголка 125×125×4 мм, но расположенного под углом 90° к плоскости панели. При отсутствии гнутого профиля возможно применение проката толщиной 7-8 мм, однако металлоемкость при этом возрастает.

Выполнение повышенных требований к теплозащите зданий обеспечивается за счет многослойной конструкции наружных стен, которые состоят из внутренней несущей стеновой панели, слоя эффективного утеплителя толщиной 120-150 мм, воздушной прослойки 40 мм и наружной стеновой панели с лицевой поверхностью "под расшивку" толщиной 100 мм. Таким образом, общая толщина наружных стен составляет 400-430 мм. Возможен вариант конструкции стены без наружной стеновой панели с нанесением защитного и отделочного слоев непосредственно на поверхность утеплителя, однако степень капитальности и долговечности ограждающих конструкций при этом снизятся. Приемлемым вариантом является облицовка в полкирпича из обычной «ручной» кладки с применением облицовочного кирпича, штукатурки или современными штучными материалами.

Соединение металлических контурных элементов на монтаже производится с помощью болтов M16 с регулируемым усилием затяжки гайки, что также позволяет увеличивать гашение колебаний из-за взаимной подвижки ветвей. Болтовые соединения располагаются по контуру сборных изделий в специальных карманах, заделываемых после монтажа болтовых соединений заглушками, обеспечивающими защиту их от пожара. Противопожарная защита металлических элементов - стоек и ригелей составного сечения обеспечивается самой конструкцией скрытого каркаса.

На фиг.1 изображен узел пересечения внутренних стен 1 (полный крест - сходятся 4 элемента), металлические контурные элементы примыкающих сборных изделий образуют колонну составного крестообразного сечения из 4-х уголков 100×100×4 мм (позиция 2 на фиг.1) с общим размером креста 200×200 мм. Для узлов пересечения с неполным крестом - 3-лучевые и угловые (сходятся по 2 элемента), а также примыкания стены перпендикулярного направления (сходятся по 3 элемента), металлическая стойка составного сечения дополняется, соответственно, двумя и одним уголком 2 до полного крестообразного сечения. Соединение металлических контурных элементов в монтажном кармане 3 производится с помощью болтов M16 5 с использованием шайб M16 6 с регулируемым усилием затяжки гайки M16 7. Между отдельными ветвями колонны введены специальные фрикционные прокладки 4. Главные оси крестообразного сечения стойки из 4-х уголков всегда составляют угол в 45° с осями здания.

Узел пересечения стеновых панелей и плит перекрытия решается аналогично описанным стыкам внутренних стен в плане. При этом контурные металлические элементы стыкуемых в узле изделий - стеновых панелей и плит перекрытия образуют ригель составного крестообразного сечения, главные оси которого также составляют угол в 45° с горизонтальной плоскостью.

На фиг.2 изображен узел установки плиты перекрытия 8 на стеновую панель 1. Для предотвращения возможного соскальзывания опорных частей плит перекрытия 2 по наклонным плоскостям верхнего контурного уголка 2 стеновой панели 1 в ее конструкции предусмотрены специальные опорные элементы - столики 9 из уголка сечением 63×63×6 мм длиной 200 мм в виде шпонок, имеющих горизонтальные площадки для опирания плит перекрытия 8. Плиты в этих местах имеют соответствующие углубления (консоли) 11 длиной 250 мм в своем контурном элементе, в которые входят металлические шпонки 9 верхнего контурного элемента стеновой панели 1, получаем стык под названием «замок-фиксатор» 10. Каждая плита перекрытия 8 имеет не менее двух углублений - вырезов 11 по каждой стороне.

Описанная конструкция опорных узлов плит перекрытия позволяет создать жесткий в своей плоскости диск перекрытия и обеспечивает восприятие сдвигающих усилий в стыках стеновых панелей с плитами перекрытия.

На фиг.3 изображен узел установки стеновой панели 1 на фундаментную плиту 12. На фундаментную плиту 12 установлен направляющий уголок 13, который приваривается к закладной детали 15. Сверху установлена стеновая панель 1, зафиксироваться которой помогают два боковых направляющих уголка 14, крепящихся к торцам стеновой панели 1 болтами. Между ветвями уголков введены специальные фрикционные прокладки 4.

Монтаж предлагаемого сейсмостойкого здания со скрытым металлическим каркасом принципиально ничем не отличается от монтажа панельного здания. Изготовление панелей происходит в заводских условиях, используется универсальный поддон, на который укладывается металлическая контурная рама формуемого элемента, выполняющая роль остающейся бортоснастки. Рама заполняется бетоном, кирпичом, любым строительным материалом, удовлетворяющим требованием по прочности и теплотехнике. Уплотнение раствора и бетонной смеси осуществляются с помощью вибрирования. Твердение и набор прочности раствора и бетона обеспечивается за счет соответствующего режима пропаривания или электропрогрева. После твердения панель убирается, а на этот же поддон (предварительно очищенный и смазанный) укладывается следующая рама. На строительную площадку доставляют готовые комплекты сборных изделий с набором крепежных элементов для сборки здания.

В летний период изготовление сборных изделий возможно в условиях строительного полигона с применением пакетного способа формовки изделий и твердением их в естественных условиях.

Монтаж основного несущего каркаса осуществляется следующим способом: сначала устраивается монолитная железобетонная плита 12. При этом в плите необходимо предусмотреть закладные детали 15 для крепления опорного направляющего уголка 13.

После крепления опорного уголка 13 путем сварки к закладным деталям 15 устанавливаем стеновую панель 1, проектное положение которой помогают зафиксировать два боковых направляющих уголка 14, крепящихся к торцам стеновой панели 1 болтами (см. фиг.3). Происходит так называемая самофиксация стеновой панели, при этом используются типовые монтажные приспособления, что и для панельного домостроения (подкосы, которые удерживают панель).

Монтируем по аналогии все остальные стеновые панели 1 первого этажа (внутренние и наружные стены). В плане узел крепления стеновых панелей 1 между собой показан на фиг.1.

Согласно фиг.2 устанавливаем плиты перекрытия 8, совмещая опорные уголки 11, играющие роль жестких ограничителей горизонтальных и вертикальных колебаний, получаем стык под названием «замок-фиксатор» 10. При монтаже этого узла необходимо соблюдать требования и технику безопасности.

По аналогии монтируем конструкции второго этажа - стеновые панели 1 и плиты покрытия 8.

Примечание к монтажу каркаса: на болтовых стыках монтируемых изделий каркаса здания укладываются упруго-фрикционные прокладки 4, играющие роль гасителей колебаний за счет эффекта сухого трения.

Для осуществления различных объемно-планировочных решений существуют разные типы панелей: стеновые панели 1 сплошные, с дверными и оконными проемами; плиты перекрытия 8 сплошные и с отверстиями под лестничные марши и коммуникации.

После этого устраивается деревянная стропильная система.

На наружные стеновые панели крепится система теплого вентилируемого фасада или как вариант 1 этаж выкладывается кирпичом, 2-ой - сайдингом.

По завершению получаем здание (как вариант), изображенное на фиг.4.

Производство работ по монтажу здания со скрытым металлическим каркасом может производиться в любое время года, и его трудоемкость мала по сравнению с аналогами, которые требуют сварки, мокрых процессов бетонирования и другое.