Каркас здания

 

Изобретение относится к каркасам зданий, состоящих из стальных внутренних балок и стальных колонн коробчатого сечения. Каркас включает соединительные элементы коробчатого сечения для соединения вместе упомянутых колонн и балок с образованием единой конструкции. Технической задачей изобретения явилось снижение трудозатрат при возведение каркаса. 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к каркасам зданий из стальных колонн и балок. В частности, изобретение относится к каркасам из стальных конструкций для многоэтажных зданий.

Высокое качество предварительно изготовленных элементов в благоприятной производственной среде и особенно точность их размеров является одним из наиболее очевидных преимуществ предварительно изготовленного стального каркаса. Стальной каркас является результатом инженерного проектирования высокого уровня. С другой стороны, использование строительных конструкций или их элементов точных размеров значительно облегчает возведение каркаса здания, также как и других сопутствующих устройств. Однако относительная доля рынка каркасов зданий, полностью изготовленных из стали, является достаточно скромной. Это следствие многочисленных проблем, связанных с каркасными системами, предназначенными для промышленного производства.

Шведская патентная публикация 7113103 раскрывает структуру соединения совокупности горизонтальных балок с колонной с получением каркаса здания. Верхняя часть колонны квадратного поперечного сечения содержит квадратный фланец, окружающий колонну с отверстиями для присоединения. Горизонтальную балку U-образной формы устанавливают на вершину колонны до точного совпадения фланца балки и одной из сторон квадратного фланца колонны. Перекрытия укладывают на верхнюю часть балок, на верхнюю их кромку. Таким образом, конструкция предусматривает стыковку в общей сложности четырех балок к каждой из сторон четырехгранной верхней части колонны. Подобное решение задачи оставляет нерешенными ряд проблем. Необходимо установить горизонтальные балки на кромках колонны, что приводит к асимметрии нагрузки при одновременной стыковке менее четырех балок. Таким образом, нагрузка балок на колонну приобретает эксцентриковый характер приложения, что приводит к изгибу колонны. А моменты прикладываемых балками нагрузок стремятся скрутить колонну. Балки в соединении функционально не взаимосвязаны, каждая из них самостоятельно стыкуется фланцем к поддерживающей колонне. Следовательно, каждая балка прикладывает самостоятельную нагрузку на тот фланец колонны, к которому она пристыкована. И в случае когда число пристыкованных балок меньше четырех, появляется необходимость в балансировке соединения дополнительными элементами со стороны, где балка отсутствует. Кроме этого, в этом случае отсутствует возможность заполнения колонн бетоном, т.к. балки разделены плоскостями их стыковки. Вследствие неравномерного и асимметричного расположения балок, подобная структура непригодна для сооружения равномерной сети каркасов зданий, равно как и для сооружения их отдельных элементов.

Патент США 4125973 раскрывает суть объемной сборки полыми фланцевыми угловыми соединениями, изготовленными из листового металла, которые телескопически охватывают соединительные концы балок и колонн, выполненных из листового металла в виде удлиненных объемных элементов. Соединяемые структурные части стыкуют с возможностью смещения и затем скрепляют с угловым соединением металлическими полосами. После сборки полые конструкции заполняют бетоном, завершая этим сооружение каркаса здания. Но жесткость данного каркаса недостаточна для возведения многоэтажных зданий. Кроме этого, угловые соединения не имеют плоских стыковочных элементов. Это обстоятельство в значительной степени осложняет сооружение каркаса в условиях стройки. Представляется важным, чтобы сопрягаемые поверхности были плоскими, позволяя легко устанавливать тяжелые балки в пространство между колоннами.

Целью изобретения является создание конструкции быстро возводимого каркаса здания, хорошо адаптированного для предварительного изготовления его элементов. Другой целью изобретения является сохранение общепринятых норм сооружения с использованием общедоступных стальных профилей.

Поставленная цель достигается тем, что в каркасе здания, выключающем стальные балки, стальные колонны коробчатого сечения и стальные соединительные элементы коробчатой формы, с помощью которых упомянутые колонны и балки соединяют вместе до образования каркаса здания, а также достаточно плоские стыковочные элементы упомянутых колонн, балок и соединительных элементов с отверстиями для соединения соединительного элемента и балки или соединительного элемента и колонны вместе, упомянутые колонны, балки и соединительные элементы дополнительно армированы и заполнены бетоном таким образом, что средства армирования проходит сквозь упомянутые отверстия соединительных элементов, а балки являются известными самими по себе внутренними балками перекрытий.

Кроме этого, здания в соответствии с изобретением отличает ряд дополнительных особенностей.

Соединительный элемент коробчатой формы образован на конце внутренней балки перекрытия.

Соединительный элемент имеет форму прямоугольной призмы, горизонтальные и вертикальные стороны которой образуют упомянутые стыковочные элементы соединительного элемента.

Вертикальные стороны соединительного элемента снабжены тремя, преимущественно вертикальными, отверстиями эллиптической формы для введения дополнительных средств армирования и бетона в балку.

Горизонтальные стороны соединительного элемента снабжены отверстиями преимущественно квадратного сечения для введения дополнительных средств армирования и бетона в колонну.

Горизонтальные стороны соединительного элемента снабжены отверстиями преимущественно круглого сечения для труб или подобно оборудования.

Соединительный элемент открыт с обеих сторон и включает две вертикальные перфорированные опорные пластины, установленные заподлицо с плоскостью стен колонны, параллельно балке.

Стыковочный элемент колонны дополнительно содержит горизонтальный фланцевый участок, отходящий от колонны в сторону стыковочного элемента балки, т. е. образуя продолжение горизонтальной стороны соединительного элемента с образованием основания для укладки балки.

Каркас здания, сооружаемый из стальных конструкций, собирают из колонн и балок, при этом высота колонн обычно соответствует высоте помещения в законченном здании. Колонны возводят последовательно этаж за этажом, поперечно соединяя их балками. Подобное поэтажное возведение является преимущественным не только для самого каркаса, но и для сопутствующих конструкций. В этом случае установка балок и колонн не вызывает таких затруднений при сборке, как при монтаже колонн высотой в несколько этажей. Колонны представляют собой полные строительные конструкции, составленные из предварительно изготовленных стандартных трубчатых модулей. Балки могут представлять собой, например, уголковые или тавровые профили, смонтированные в объеме перекрытия. Уголковая балка включает несущий стержень и фланцы на нижних кромках каждого из его концов, направленные в противоположных направлениях по горизонтали. Несущей стержень в этом случае состоит из двух секций, стыкуемых друг с другом и скрепляемых горизонтальной секцией сверху. Фланцы включены в конструкцию нижней панели балки и выступают с обеих ее сторон. Нижняя панель балки также может быть выполнена в виде отдельного элемента, и в этом случае фланцы выполняют заодно с несущим стержнем. При использовании двутаврового профиля несущие стержни имеют вертикальную ориентацию. В соответствии с изобретением, соединительные элементы используют в точках сопряжения элементов каркаса здания, а именно в местах стыковки колонн и балок друг с другом. Соединительные элементы изготовляют из стального листа и имеют коробчатое сечение. Колонны, балки и соединительные элементы снабжают стыковочными элементами для соединения строительных конструкций друг с другом. Все стыковочные элементы, предназначенные для стыковки друг с другом в каркасе выполняют абсолютно совместимыми с тем, чтобы оси болтов крепления строго совпадали. Таким образом, проектируемое возведение каркаса требует точности в размерах компонуемых частей. А так как весь каркас в целом должен сохранять абсолютное соответствие расчетным размерам, то это и предопределяет использование предварительно изготовленных строительных и вспомогательных конструкций.

Разнообразие условий нагрузки на каркас здания учитывают при выборе подходящих размеров профилей, толщин материалов, а также количества болтов крепления. Следовательно, сходный каркас может быть использован в различных зданиях и при различных условиях нагрузки, изменятся только размеры элементов и толщины материалов. Возможны также и гибридные комбинации. В этом случае колонны, соединительные элементы и, возможно, сами колонны заполняют бетоном для увеличения жесткости соединения, особенно при дополнительном армировании сталью перед заливкой бетоном. При этом повышается и пожарная безопасность. Даже особо сложная конструкция каркаса здания может быть собрана из одних и тех же простых основных компонентов. Простота и четкость преследуемых целей при сооружении таких каркасов зданий и определяет основное их преимущество. Другое преимущество проявляется в работе по приведению размеров продукции к стандарту.

Конструкция особо привлекательна для целей экспорта. Предварительно изготовленные соединительные элементы и стыковочные элементы колонн и балок легко транспортабельны благодаря их небольшому весу и габаритам. С другой стороны, колонны и балки, используемые в конструкции каркаса стандартны и не вызывают проблем при их поставке при любых обстоятельствах. Заявляемый каркас здания предусматривает использование известных конструкций полов и фасадов. Облегченный черновой пол предпочтителен для данной системы и, кроме этого, такой пол также может быть быстро разобран. Заявляемый каркас здания также может быть принят за основу промышленного здания.

Изобретение далее будет более подробно рассмотрено с привлечением прилагаемых чертежей, на которых фиг.1 показывает каркас здания из стальных колонн и балок, размещенных в параллельных плоскостях, занятых перекрытиями, с соединительным элементом коробчатого сечения, смонтированным на конце тавровой балки, фиг.2 показывает каркас здания с соединительным элементом в многоветвистом варианте, составленным из трубчатых участков балки, фиг.3 показывает каркас здания с соединительным элементом в виде прямоугольной призмы, фиг. 4 показывает соединительный элемент, состыкованный с колоннами и балками.

Как показано на фиг. 1, каркас здания состоит из колонн 1 квадратного поперечного сечения и тавровых балок 5. Высота колонны 1 ниже, чем высота потолка здания на высоту балки 5. Таким образом, высота колонны соответствует высоте комнаты. Каждый из концов колонны 1 оснащен стыковочным элементом 2 квадратной формы, отстоящим на некоторое расстояние по горизонтали от стенок колонны 1 и изготовленным из стального листа. Стыковочный элемент 2 колонны имеет центральное отверстие 3 для дополнительного армирования колонны и заполнения ее бетоном. Стыковочный элемент 2 колонны может быть и плоским элементом, закрывающим верхнюю часть колонны и снабженным фланцем и отверстием. Стыковочный элемент 2 колонны снабжен необходимым количеством крепежных отверстий (не показанных на фиг. 1) для крепления указанной колонны 1 болтами к соединительному элементу 12, устанавливаемому сверху. Соответствующим образом, колонна 1', устанавливаемая сверху соединительного элемента 12 также крепится к последнему болтами.

Как было показано выше, упомянутая балка 5, являющаяся частью каркаса здания в данном случае представляет собой тавровую балку. Тавровая балка включает несущий стержень и фланцы 10, выступающие в горизонтальной плоскости с обеих сторон от нижней кромки тавровой балки. Фланцы 10 образованы частью нижней пластины балки и составляют одно целое с последней. Несущий стержень представляет собой две вертикально ориентированные секции соединенных вместе верхней горизонтальной пластиной. Верхняя пластина снабжена отверстиями для заливки бетона во внутреннюю полость балки.

Конец балки 5 снабжен соединительным элементом 12 коробчатой формы таким образом, что часть верхней пластины тавровой балки замещают горизонтальным стыковочным элементом 13 на верхней кромке балки 5, который служит как основание для колонны 1' следующего этажа. Горизонтальный стыковочный элемент 13 соединительного элемента 12 также представляет собой пластину квадратной формы с центральным отверстием 3. Стыковочный элемент 13 соединительного элемента 12 и стыковочный элемент 2 колонны, смонтированный на нижнем торце колонны 1' и предназначенный для стыковки с элементом 13, соответствуют друг другу по форме или, другими словами, гармонизированы. При этом крепежные и литьевые отверстия, имеющиеся у стыковочных элементов 2, 13, также полностью соответствуют друг другу. Нижний стыковочный элемент соединительного элемента 12 изготавливают из нижней пластины тавровой балки, прорезая при этом необходимые отверстия для заливки бетона. И опять упомянутый стыковочный элемент полностью соответствует стыковочному элементу 2 нижней колонны. Если необходимо, дополнительное армирование колонн может быть осуществлено через внутреннюю полость соединительного элемента 12 последовательно от одной колонны к другой с последующей заливкой бетоном. Со стороны балки 5 упомянутый соединительный элемент 12 снабжен перегородкой 6, выполненной заподлицо со стенками колонн 1, 1', стыкуемых к балке, которая предотвращает попадание бетона в полость балки 5. Возможен и вариант с заполнением балки 5 бетоном. В этом случае перегородка 6 соединительного элемента 12 снабжена отверстиями 7, необходимыми для дополнительного армирования и заливки бетона.

Фиг. 1 иллюстрирует пример выполнения одного этажа в соответствии с заявляемым каркасом. Перекрытие этажа представляет два трапециидально гофрированных стальных листа 19, 20, между которыми вложена, например, панель 21 минерального теплоизолятора. Поверхность пола может быть выполнена из обычных досок с покрытием. Конструкция пола удерживается горизонтальными фланцами 10 тавровой балки, на которые опираются панели пола по всей периферии стен.

Как показано на фиг. 2, балка 5 также может быть пристыкована к многоветвистому соединительному элементу 22. Соединительный элемент 22 снабжен вертикальным стыковочнным элементом 16. Балка 5 также снабжена вертикальным стыковочным элементом 9, который совместим со стыковочным элементом 16 соединительного элемента 22. Оба эти стыковочны элемента имеют квадратную форму. Стыковочный элемент 9 смонтирован на конце балки 5. По нижней кромке балки 5 он прикреплен к фланцу тавровой балки 10. Соединительный элемент 22 также снабжен по нижней кромке фланцевой пластиной 17, соответствующей фланцам 10 тавровой балки, проходящим вдоль всей длины всех балок. Внутренняя полость коробки соединительного элемента 22 может быть также оснащена вертикальными упрочняющими пластинами или другими средствами усиления, выполненными заподлицо со стенками колонны.

Фиг.2 иллюстрирует различные возможные разновидности соединительных элементов данного вида 22 в приложении к конструкции заявляемого каркаса здания. Соединительный элемент 22 включает по крайней мере один горизонтальный стыковочный элемент 13 соединительного элемента, совместимый со стыковочным элементом 2 колонны и по крайней мере один вертикальный стыковочный элемент 16 соединительного элемента, совместимый с вертикальным стыковочным элементом 9 балки. В случае, если каркас здания содержит только вертикально ориентированную колонну 1 и горизонтально расположенные балки 5, то упомянутый соединительный элемент 22 будет снабжен не более чем двумя горизонтальными стыковочными элементами 13 и четырьмя стыковочными элементами 16 соединительного элемента. При этом возможна любая промежуточная конфигурация выше рассмотренных двух крайних случаев. Естественно, что балочная структура каркаса может иметь углы между балками отличные от прямых. В этом случае соответствующие вертикальные стыковочные элементы соединительного элемента составляют между собой соответствующий угол, отличный от прямого. По аналогии упомянутые соединительные элементы 12 могут быть использованы в каркасах, в которых колонны не обязательно занимают вертикальное положение. В этом случае, если необходимо, "горизонтальные" стыковочные элементы могут быть выполнены наклонными.

Фиг. 3 и 4 иллюстрируют третий пример выполнения изобретения, в котором точки сопряжения каркаса здания снабжены соединительными элементами 32, выполненными в виде прямоугольных призм. В этом соединительном элементе 32 стороны призмы служат в качестве стыковочных элементов 13, 16. Данная реализация изобретения предпочтительна во всех случаях, когда предусматривается полная заливка каркаса бетоном. Дополнительное армирование, при этом, последовательно осуществляют через соединительный элемент 32. Точка сопряжения снабжается соединением, в котором колонны и области соединяют друг с другом, по крайней мере частично, жестко на изгиб.

В соответствии с фиг. 3, конец колонны 1 квадратного сечения снабжен стыковочным элементом прямоугольной формы 2, частично перекрывающим оголовок колонны и выступающим за ее стенки. Противоположные стороны стыковочного элемента 2 значительно выступают за стенки колонны в свободное пространство и незначительно в стороны, обращенные к балкам. Целью заужения фланца стыковочного элемента является удобство стыковки балки 5 во время сборки каркаса. Таким образом, фланцы с узкой стороны служит в качестве основания для балки, облегчая процесс сборки каркаса. Во время укладки балки упомянутый стыковочный элемент балки 9 устанавливают сверху фланцевого выступа. Следовательно, размеры стыковочного элемента 2 превышают размеры соответствующего элемента 13 соединительного элемента 22 на величину ширины этого узкого фланцевого участка. Далее, стыковка завершается креплением болтов. На фиг. 3 показан один из возможных вариантов уголковой балки.

Во время установки верхней колонны 1', целесообразно сначала зафиксировать болты крепления от их возможно выпадения путем, например, точечной сварки или используя отдельную базовую пластину 27.

Стыковочный элемент 2 колонны снабжают центральным отверстием обычно квадратного сечения 3 для заполнения колонны 1 бетоном и для пропускания дополнительных средств армирования каркаса, а также двумя круглыми отверстиями 4, сквозь которые тоже можно подавать заливочный бетон и пропускать всевозможного вида проводки, например проводов и труб. Стыковочный элемент 2 колонны также снабжен отверстиями 11 для болтов крепления. Нижний конец колонны 1' оборудован соответствующим стыковочным элементом.

Соединительный элемент 32 используют для крепления двух балок 5, 5' к колоннам 1, 1'. Следовательно, соединительный элемент 32 служит как элемент сопряжения колонн и балок. Концы балок 5, 5' снабжают вертикальным плоским стыковочным элементом 9, который включает три отверстия эллиптической формы 7 для пропускания дополнительных средств армирования балки и перекрытий, а также для заполнения конструкции бетоном. Кромка стыковочного элемента 9 имеет отверстия 11 для болтов крепления.

Соединительный элемент 32 представляет совокупность двух вертикальных и двух горизонтальных пластин. Соединительный элемент 32 открыт с обоих концов. Кроме этого, соединительный элемент 32 включает две вертикальные опорные пластины 26, которые устанавливают внутри элемента заподлицо со стенками колонны. Открытость элемента 32 облегчает доступ к средствам крепления балок 5, 5' при их монтаже, а также помогает при заполнении конструкции бетоном. Вертикальные пластины соединительного элемента 32 содержат вертикальные отверстия эллиптической формы 7 для пропускания дополнительных средств армирования и для заливки бетона. Соответствующие отверстия 7 также имеются и на опорных пластинах 26 соединительного элемента. Горизонтальные пластины соединительного элемента 32 снабжены центрально ориентированным отверстием 3 квадратной формы для дополнительных средств армирования и введения бетона, а также круглыми отверстиями 4 на каждой их сторон для подводки средств заливки бетоном и для вертикальной проводки проводов и труб. Отверстия 11 для крепления болтами размещены на кромках боковых пластин.

Черновой пол здания может быть смонтирован, используя, например, полые перекрытия. Во время установки концы полых перекрытий укладывают на фланцы балок. Возведение каркаса здания осуществляют следующим образом. Установленные вертикально колонны соединяют балками, производя их крепление через соединительные элементы. Далее устанавливают полые перекрытия. После завершения монтажа первого этажа конструкцию заполняют бетоном. Заливку можно проводить в два приема: вначале заполнение бетоном колонн, затем заполнение полых перекрытий, внутренних полостей балок и потом соединительных элементов. Далее возводят колонны второго этажа. Заливку бетоном фасада осуществляют на последующих стадиях строительства. Следует отметить, что болты крепления также покрывают бетоном, а на последних стадиях фасад, кроме того, также закрывает упомянутые болты крепления колонн следующих этажей.

При использовании каркаса на рабочей площадке всегда чисто и нет препятствий для работы. Другими словами, отсутствуют многоэтажные колонны, препятствующие монтажу полых перекрытий, т.к. здание возводят только используя колонны высотой в один этаж и монтаж ведут только на данном уровне. Продолжение монтажа колонн следующего этажа осуществляют после отверждения уже залитого бетона. Кроме этого, все уже смонтированные уровни могут использоваться в качестве складских помещений.

Как было отмечено выше, в каркасе здания, представленному третьим примером осуществления, упомянутые колонны 2 и балки 5 возводят последовательно, создавая в точках сопряжения условия жесткости на изгиб. Таким образом, каркас здания приобретает свойства монолитной конструкции, клеточной структуры, в которой стабильность здания достигается полностью или по крайней мере частично за счет свойств каркаса. Расстояние между колоннами составляет около 4-8 м, а расстояние между балками даже 4-16 м, в зависимости от типа перекрытий.

Изобретение не ограничивается объемом выше приведенных примеров и может быть любым способом модифицировано в объеме прилагаемой формулы. На практике, например, бетоном заливают и фундаментные конструкции. Заявляемый каркас может быть смонтирован и из колонн круглого сечения.

Формула изобретения

1. Каркас здания, включающий стальные внутренние балки, стальные колонны коробчатого сечения, стальные соединительные элементы коробчатой формы, с помощью которых колонны и балки соединены между собой для образования каркаса здания и которые имеют отверстия на вертикальных и горизонтальных сторонах, плоские стыковочные элементы колонн, балок и соединительных элементов с отверстиями для крепления между собой соединительных элементов и балок и соединительных элементов и колонн, средства армирования колонн и бетон заполнения колонн, балок и соединительных элементов, отличающийся тем, что колонны, балки и соединительные элементы дополнительно армированы средствами армирования, а дополнительные средства армирования пропущены сквозь отверстия соединительных элементов.

2. Каркас по п.1, отличающийся тем, что соединительный элемент коробчатой формы образован на конце внутренней балки перекрытия.

3. Каркас по п.1, отличающийся тем, что соединительный элемент имеет форму прямоугольной призмы, горизонтальные и вертикальные стороны которой образуют стыковочные элементы соединительного элемента.

4. Каркас по п.3, отличающийся тем, что вертикальные стороны соединительного элемента имеют три отверстия эллиптической формы для пропуска дополнительных средств армирования и бетона в балку.

5. Каркас по п.3, отличающийся тем, что горизонтальные стороны соединительного элемента имеют отверстия преимущественно квадратного сечения для пропуска средств армирования и бетона в колонну.

6. Каркас по п.5, отличающийся тем, что горизонтальные стороны соединительного элемента имеют отверстия преимущественно круглого сечения или пропуска труб или подобного оборудования.

7. Каркас по п.3, отличающийся тем, что соединительный элемент открыт с двух сторон и включает две вертикальные перфорированные опорные пластины, установленные внутри него заподлицо с плоскостью стенок колонн и параллельно балке.

8. Каркас по п.4, отличающийся тем, что стыковочный элемент колонны дополнительно содержит горизонтальный фланцевый участок, отходящий от колонны в сторону стыковочного элемента балки и выходящего за горизонтальную сторону соединительного элемента с образованием основания для укладки балки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4