Строительный каркас композиционной структуры

 

Изобретение относится к области строительства, в частности к каркасным зданиям. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности и долговечности. Строительный каркас композиционной структуры включает в себя горизонтальные стальные балки и вертикальные стальные колонны, соединенные между собой с помощью болтов. Вертикальная колонна расположена сверху на нижней части или на боковых фланцах горизонтальной балки и прикреплена к нижней колонне в соответствующей точке с помощью болтов, проходящих через нижнюю часть или боковые фланцы горизонтальной балки. Бетонную арматуру, при необходимости, помещают в U-образный желоб или короб, образуемый горизонтальной балкой, и внутри колонн, и эти пространства заполняют бетоном. 9 з. п. ф-лы, 12 ил.

Предметом настоящего изобретения является строительный каркас композиционной структуры, который включает в себя горизонтальные стальные балки и вертикальные стальные колонны, причем горизонтальные балки и колонны предварительно изготовлены по существу так, что их можно собирать на строительной площадке, например, с помощью болтов, после чего в структуру, при необходимости, вводят бетонную арматуру, и бетон заливают внутрь стальной структуры так, что стальной каркас и бетон создают композиционную структуру.

Согласно известному методу, сталь используют в строительных каркасах таким образом, что строительный каркас собирают из предварительно изготовленных стальных компонентов на строительной площадке. Такой метод строительства экономичен, особенно в случае многоэтажных зданий. Компоненты, которые будут собраны на строительной площадке, могут, таким образом, быть предварительно изготовлены в желаемых производственных условиях, например, в инженерном цехе, где можно достичь высокого качества и точности размеров компонентов. По сути, это является одним из наибольших преимуществ предварительного изготовления стального каркаса. Хотя такой стальной каркас требует предварительного проектирования, использование конструкционных компонентов с точными размерами существенно ускоряет возведение строительного каркаса и сборку каркаса на строительной площадке.

Одно из решений стальной конструкции описано в ранее поданной международной заявке на патент N PCT/F193/00286, которой соответствует заявка на патент Финляндии 950054. В ней строительный каркас состоит главным образом из готовых стальных профильных компонентов прямоугольной формы. В этом случае в строительном каркасе использованы стальные колонны, изготовленные из стандартных трубных балок. Горизонтальными балками являются, например, так называемые Дельта-балки или HQ-балки. Могут быть также использованы так называемые U-балки. В Дельта-балке боковые пластины между нижней и верхней пластинами, то есть стенки балки, наклонены друг к другу и снабжены отверстиями. На нижнем конце балки, выступающем из нижней пластины балки, на каждой стороне балки находятся горизонтальные фланцы. HQ-балка прямоугольной формы отличается от Дельта-балки тем, что ее стенки являются вертикальными. Основной особенностью изобретения по заявке PCT/F193/ 00286 является то, что отдельные соединительные элементы используются в местах соединений строительного каркаса для соединения колонн и балок.

Однако для строительных каркасов, состоящих полностью из стали, трудно обеспечить требования к прочности и долговечности. Конструкция, выполненная из одного бетона, также имеет как преимущества, так и недостатки. Следовательно, комбинация стального каркаса и бетонного каркаса, то есть так называемая композиционная структура дает возможное решение. В таком случае бетон заливают внутрь стальной рамы или на стальные плиты с образованием жесткой и прочной композиционной структуры, сочетающей в себе преимущества как стальной, так и бетонной структуры.

В вышеупомянутой заявке PCT/F193/00286 описана композиционная структура, состоящая из стальной структуры и бетона, в которой колонны и балки и соединительные элементы между ними заполнены бетоном. Прочность и огнестойкость структуры, кроме того, увеличена посредством помещения бетонной арматуры в монолитный бетон внутри балок и колонн обычным способом.

Однако недостатком этой, самой по себе превосходной известной структуры является то, что заливка бетона внутрь стальной структуры иногда является проблематичной. Если используются коробчатые балки, трудно заполнять их бетоном через отверстия в стенках балки. Не всегда можно быть уверенным, что балки полностью заполнены бетоном, так чтобы создать бездефектную балочную структуру. В добавление к проблемам с заполнением бетоном, использование в этом способе отдельных соединительных элементов в местах соединения колонн и балок несколько увеличивает объем работ по установке. С другой стороны, такую структуру получают довольно просто, а соединительные элементы обеспечивают сборку перекрещивающихся балок.

Задачей настоящего изобретения является создание строительного каркаса композиционной структуры, более простого, более прочного и более быстро возводимого, чем известные структуры.

Эта задача достигается за счет того, что в строительном каркасе композиционной структуры, включающем горизонтальные стальные балки и вертикальные стальные колонны, причем горизонтальные балки и колонны, главным образом, предварительно изготавливают так, что их можно собирать на строительной площадке, например, с помощью болтов, после чего в структуру, при необходимости, вводят бетонную арматуру, бетон заливают внутрь стальной структуры так, что стальной каркас и бетон создают композиционную структуру, где в каркасе верхняя колонна расположена вертикально, по существу, в той же точке, что колонна ниже горизонтальной балки, и горизонтальная балка расположена между верхней колонной и нижней колонной, где верхняя колонна опирается на нижнюю колонну через горизонтальную балку, верхняя колонна поддерживается сверху на нижней части горизонтальной балки либо на нижней пластине горизонтальной балки, либо на ее боковом фланце, причем нижняя колонна установлена снизу по существу на соответствующей точке нижней части горизонтальной балки или ее бокового фланца.

Целесообразным является соединение колонны выше горизонтальной балки и колонны ниже нее вместе болтами, проходящими через нижнюю часть горизонтальной балки. Таким образом, соединения ниже и выше горизонтальной балки могут быть изготовлены одновременно.

Колонна сверху горизонтальной балки и колонна ниже нее могут быть соединены в выступающей точке горизонтальной балки таким образом, что некоторые из крепежных болтов проходят через нижнюю часть горизонтальной балки, при этом некоторые из крепежных болтов проходят через нижнюю часть второй горизонтальной балки.

Возможным является выполнение горизонтальной балки, по крайней мере, частично открытой в верхней части и достаточно широкой для прохода вышележащей колонны сверху через горизонтальную балку, с упором в ее нижнюю часть, при этом нижележащая колонна прикреплена к нижней части горизонтальной балки по существу в той же точке, что верхняя колонна.

В такого рода структуре нагрузка от колонны над горизонтальной балкой может быть направлена как раз в точку, где расположена нижняя колонна, такая структура обладает преимуществом, поскольку в структуре не остается изгибающего момента, вызываемого эксцентрическим нагружением.

Таким образом, преимущества U-балки и балки коробчатой формы объединены. Результатом является структура, которую легко армировать и наполнять бетоном. Очевидно, что намного легче армировать и заливать бетон в балку коробчатой формы, которая хотя бы частично открыта в верхней части, чем делать то же самое с обычной балкой коробчатой формы.

Конструкция, соответствующая изобретению, позволяет использовать вертикальную колонну и горизонтальную балку как непрерывную структуру в точке соединения, что также помогает обеспечить жесткость в точке соединения колонны и горизонтальной балки, становящуюся возможной при использовании метода заливки на месте. С помощью такой конструкции при строительстве формируются неразорванные, непрерывные структуры; другими словами, структура каркаса жесткая без каких-либо сочленяющихся соединений.

Горизонтальная балка может иметь U-образную форму и включать нижнюю плоскость и стенки, между которыми колонна может быть установлена против нижней части горизонтальной балки.

Верхняя колонна может быть расположена между вертикальными стенками горизонтальной балки и против обеих стенок для закрепления колонны, например, болтами.

Горизонтальная балка может представлять собой коробчатую балку, на верхней поверхности которой имеются отверстия для установки вертикальной колонны на нижней части горизонтальной балки.

Возможным является выполнение строительного каркаса таким образом, что верхняя колонна достаточно широка, так что, по крайней мере, часть ее может быть расположена снаружи горизонтальной балки, при этом верхняя колонна поддерживается на боковых фланцах горизонтальной балки сверху, а нижняя колонна установлена снизу на боковых фланцах горизонтальной балки.

В другом варианте выполнения строительного каркаса вертикальные стенки приварены к горизонтальной балке или, по крайней мере, одна вертикальная стенка образована посредством отгиба от пластины нижней плоскости.

По крайней мере, один вертикальный армирующий фланец может быть прикреплен к нижней поверхности горизонтальной балки.

Далее изобретение описано с использованием примеров со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: Фиг. 1 показывает вид сбоку точки соединения строительного каркаса согласно изобретению.

Фиг. 2 показывает вид сверху точки соединения строительного каркаса согласно изобретению.

Фиг. 3 показывает детали каркаса на фиг. 1 и 2 в перспективе.

Фиг. 4-6 показывают различные профили разных вариантов реализации горизонтальной балки согласно изобретению.

Фиг. 7 соответствует фиг. 3 и показывает перспективу детали строительного каркаса согласно второму варианту реализации изобретения.

Фиг. 8 соответствует фиг. 3 и показывает перспективу детали строительного каркаса согласно третьему варианту реализации изобретения.

Фиг. 9 показывает вид сбоку структуры на фиг. 8.

Фиг. 10 показывает вид сверху структуры на фиг. 8.

Фиг. 11 соответствует фиг. 9 и показывает вид сбоку структуры каркаса согласно четвертому варианту реализации изобретения.

Фиг. 12 показывает вид сверху структуры на фиг. 11.

Фиг. 1 показывает вид сбоку детали строительного каркаса, соответствующего изобретению, на котором можно видеть точку соединения стальной вертикальной колонны 12 и стальной горизонтальной балки 21. В точке соединения вертикальная колонна 12 состоит из двух частей, которыми являются колонна 12а над горизонтальной балкой 21 и колонна 12b под горизонтальной балкой 21. Фланцы 17а и 17b присоединены на концах обеих частей 12а и 12b вертикальной колонны.

Согласно изобретению, горизонтальная балка 21, использованная в структуре, является U-образной балкой, открытой в верхней части, включающей в себя нижнюю пластину 22, вертикальные стенки 23а и 23b и установочные фланцы 27а и 27b, выступающие по сторонам нижней части. Пластина 22 в нижней части горизонтальной балки 21 расположена на крепежном фланце 17b вертикальной балки 12b непосредственно под горизонтальной балкой. Соответственно, крепежный фланец 17а вертикальной колонны 12а над горизонтальной балкой 21 расположен непосредственно сверху на нижней пластине 22 горизонтальной балки 21.

В структуре на фиг. 1 отверстия для болтов выполнены в нижней части 22 горизонтальной балки 21 и, соответственно, отверстия для болтов выполнены в соответствующих точках на крепежных фланцах 17а и 17b вертикальной колонны 12а и 12b сверху и снизу горизонтальной балки 21. Если горизонтальная балка 21 установлена при возведении строительного каркаса на место между колоннами 17а и 17b вертикальных колонн 12а и 12b, отверстия для болтов в них также совпадают друг с другом. В этом случае фланцы 17а и 17b и горизонтальная балка 21 между ними могут быть скреплены друг с другом болтами 14. Что касается стальной структуры, ее соединение этим заканчивается. Соединение горизонтальных балок может при необходимости быть армированным вертикальными элементами, выполненными из стального листа, которые закрепляют болтами внутри вертикальных стенок горизонтальных балок.

После возведения стальных конструкций монтируют структуры промежуточного этажа 11 здания. Для этой цели у горизонтальной балки на фиг. 1 имеются установочные фланцы 27 а и 27b, выступающие с двух сторон от нее. Бетонные плиты или стальные профили, выполняющие роль каркаса для отливки промежуточного этажа, укладывают сверху этих фланцев 27а и 27b.

Когда стальные конструкции и элементы промежуточного этажа строительного каркаса установлены, помещают бетонную арматуру и в горизонтальную балку 21 и вертикальную колонну 12. В горизонтальной балке 21 на фиг. 1 бетонную арматуру 19 пропускают и через сделанные для нее отверстия 15 и через отверстия 16, предусмотренные для заполнения бетоном. И наконец, заполнение бетоном выполняют таким образом, чтобы и вертикальная колонна 12 и горизонтальная балка 21 были заполнены бетоном. На фиг. 1 верхняя поверхность монолитного бетона находится, например, на уровне, соответствующем верхней поверхности элементов промежуточного этажа.

На фиг. 2 показан вид сверху точки соединения каркасной структуры на фиг. 1. На ней колонна 12 расположена на выступающей части 13 горизонтальной балки 21. Из фиг. 2 видно, что два крепежных болта 14 верхней вертикальной колонны 12а проходят через крепежный фланец 17а и через нижнюю часть 22а первой горизонтальной балки 21а. Соответственно, два болта 14 проходят через крепежный фланец 17а и нижнюю часть 22b второй горизонтальной балки 21b. В точке соединения внизу вертикальной колонны 12а и внизу горизонтальных балок 21а и 21b в том же месте расположена нижняя вертикальная колонна, показанная на фиг. 1.

На фиг. 3 показана в перспективе деталь строительного каркаса с фиг. 1 и 2. Колонны 12а и 12b скреплены вместе болтами таким образом, что концы 21а и 21b обеих горизонтальных балок остаются между крепежным фланцем 17а верхней колонны 12а и соответствующим крепежным фланцем нижней колонны12b.

На фиг. 3 также видна установленная бетонная арматура 19 структуры. В горизонтальном направлении бетонная арматура 19 проходит внутри U-образной горизонтальной балки 21 параллельно ей таким образом, что часть армирующих элементов 19 проходит вдоль одной стороны между вертикальной стенкой фланца 23а и вертикальной колонной 12а.

Соответственно, с другой стороны U-образной балки 21 бетонная арматура проходит между другой вертикальной стенкой фланца 23b и колонной 12а. Кроме того, горизонтальная бетонная арматура 19 вставлена так, чтобы она проходила через вертикальную колонну 12а. С этой целью выполнены отверстия 15 в вертикальной колонне 12а. На фиг. 3 один из армирующих бетонных элементов 19 также проходит через отверстие 16 для заполнения бетоном.

Соответственно, вертикальная бетонная арматура 19 расположена внутри колонны 12а в каркасной структуре с фиг. 3. Горизонтальные и вертикальные пересекающиеся бетонные армирующие элементы 19 обеспечивают вместе со стальными балками 21 и стальными колоннами 12 надежное армирование. При заполнении балочной структуры бетоном создается жесткая и прочная композиционная структура, отвечающая настоящему изобретению.

На фиг. 3 также ясно видно преимущество структуры, согласно настоящему изобретению, заключающееся в том, что структура, образованная колоннами 12 и горизонтальными балками 22, не имеет таких проектируемых частей, которые требуют разметки структур промежуточного этажа. На фиг. 3 структуры промежуточного этажа, такие как, например, профильные плиты можно устанавливать по существу с опорой непосредственно на установочные фланцы 27 по краям горизонтальных балок 22 без какой-либо разметки: вертикальная колонна 12 не пересекает структуры промежуточного этажа между вертикальными стенками 23 горизонтальной балки 22.

На фиг. 4 показан профиль одного из вариантов реализации настоящего изобретения, в котором стеновые фланцы 23а и 23b приварены швом 24 к нижней части поверхности 22. Таким образом, получается U-образная балочная структура, в которую можно легко заливать бетон сверху. Стеновые фланцы 23а и 23b расположены на расстоянии от края нижнего фланца 22, и таким образом, установочные фланцы 27а и 27b промежуточного этажа образованы на внешней поверхности стеновых фланцев 23а и 23b.

На фиг. 5 показан профиль другого варианта реализации горизонтальной балки 21, отвечающего настоящему изобретению, причем этот профиль является асимметричным. Один стеновой фланец 23b выполнен из нижней части поверхности 22 путем загиба. С противоположной стороны стеновой фланец 23а получен сваркой с нижней частью 22 посредством сварного шва 24. Асимметричная U-образная балка 21 может быть применена, например, поблизости от наружной стены здания в месте, где есть промежуточный этаж только с одной стороны горизонтальной балки 21.

На фиг. 6 показан профиль третьего варианта реализации горизонтальной балки 21, согласно настоящему изобретению, в котором сварные швы отсутствуют. В таком случае U-образная балка 21 и ее установочные фланцы 27а и 27b выполнены из одного листа путем изгиба.

На фиг. 7 показана в перспективе деталь каркаса согласно второму варианту реализации изобретения. В нем горизонтальные балки 21с и 21d представляют собой коробчатые балки, на верхней поверхности которых сделаны отверстия 25а и 25b. Отверстия 25а, сделанные в точке стыка горизонтальных балок 21с и 21d, достаточно велики, чтобы позволить концу вертикальной колонны 12а с ее крепежными фланцами 17 пройти через отверстие 25а до упора с нижней частью горизонтальной балки 21. Вертикальные колонны 12а и 12b закреплены в нижней части горизонтальной балки 21 таким же образом, что и в варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 1-3. Заполнение бетоном легко выполнить через отверстия 25b на верхней поверхности горизонтальной балки 21. При необходимости установки большего числа колонн в структуре эти отверстия 25b можно использовать также в качестве монтажных отверстий для колонн.

Кроме того, вертикальные плитообразные армирующие фланцы 26 скреплены с верхней поверхностью нижней части горизонтальной балки на фиг. 7. Их перфорируют или профилируют с целью обеспечения адгезии бетона. Горизонтальная балка 21 может быть армирована армирующими фланцами 26 до такой степени, что вообще не всегда нужно использовать отдельные горизонтальные бетонные армирующие элементы. В любом случае, необходимое дополнительное армирование будет значительно меньше, чем без армирующих фланцев 26.

На фиг. 8 показана в перспективе деталь каркаса здания, отвечающего третьему варианту реализации изобретения. В этом варианте реализации колонна 12 достаточно велика, чтобы позволить горизонтальной балке 21 проходить внутри нее. В структуре на фиг. 8 отверстие 18 для горизонтальной балки 21 сделано в колонне 12с выше горизонтальной балки 21, в таком случае крепежные фланцы 17 остаются с наружной стороны горизонтальной балки 21. При этом установочный фланец 27 горизонтальной балки 21 остается между крепежным фланцем 17с верхней колонны 12с и крепежным фланцем 17d нижней колонны. Крепежные фланцы 17с, 27 и 17d скреплены вместе болтами 14.

На фиг. 8 колонна 12 имеет бетонные армирующие элементы 19, а горизонтальная балка 21 имеет армирующие фланцы 26, которые также остаются внутри бетона для заливки в структуру. Можно также поставлять колонну 12 с армированными внутри фланцами 26, в таком случае не требуется отдельного бетонного армирования.

На фиг. 9 показан вид сбоку структуры по фиг. 8. На фиг. 9 видно, что отверстие 18, сделанное в колонне 12с, соответствует по размеру горизонтальной балке 21 таким образом, что горизонтальная балка 12 проходит в сделанное отверстие.

На фиг. 10 показан вид сверху структуры по фиг. 8. Крепежные фланцы 17 колонны 12с лежат на крепежных фланцах 27а и 27b горизонтальной балки.

На фиг. 8-10 не показаны отверстия для заливки бетона, однако, они существуют согласно настоящему изобретению. Колонны на фиг. 8-10 имеют, при необходимости, отверстия для заливки бетона так же, как это показано на фиг. 1, 3 и 7. Главное состоит в том, что бетон можно заливать в структуру таким образом, что и колонны и горизонтальные балки заполнены бетоном и, следовательно, образуют жесткую композиционную структуру со структурой внутри.

На фиг. 11 показан вид сбоку каркасной структуры, соответствующей фиг. 1 и 12, где показан вид сверху. Однако отличие этого варианта реализации изобретения состоит в том, что колонна 12е настолько велика, что она полностью занимает внутреннее пространство горизонтальной балки 21. Следовательно, на верхней поверхности горизонтальной балки 21 должно быть сделано намного большее отверстие для колонны 12е. Преимущество этой структуры состоит в том, что, в случае необходимости, колонна 12е может быть прикреплена болтом 14а непосредственно к стенке 23 горизонтальной балки 21. Таким образом, обеспечивают большую прочность. Для конечной прочности структуры это не имеет значения, поскольку прочность определяется свойствами композиционной структуры, образованной из бетона и стали.

Специалисту понятно, что различные варианты реализации настоящего изобретения могут меняться в пределах, соответствующих приводимой ниже формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Строительный каркас композиционной структуры, включающий горизонтальные стальные балки (21) и вертикальные стальные колонны (12), причем горизонтальные балки и колонны, главным образом, предварительно изготавливают так, что их можно собирать на строительной площадке, например, с помощью болтов (14), после чего в структуру, при необходимости, вводят бетонную арматуру (19), бетон заливают внутрь стальной структуры так, что стальной каркас и бетон создают композиционную структуру, где в каркасе верхняя колонна (12а) расположена вертикально, по существу, в той же точке, что колонна (12b) ниже горизонтальной балки, и горизонтальная балка (21) расположена между верхней колонной (12а) и нижней колонной (12b), где верхняя колонна (12а) опирается на нижнюю колонну (12b) через горизонтальную балку (21), отличающийся тем, что верхняя колонна (12а) поддерживается сверху на нижней части горизонтальной балки (21), либо на нижней пластине (22) горизонтальной балки (21), либо на ее боковом фланце (27а) и что нижняя колонна (12b) установлена снизу, по существу, на соответствующей точке нижней части (22) горизонтальной балки (21) или ее бокового фланца (27а).

2. Строительный каркас по п. 1, отличающийся тем, что колонна (12а) выше горизонтальной балки (21) и колонна (12b) ниже нее соединены вместе болтами (14), проходящими через нижнюю часть (22) горизонтальной балки.

3. Строительный каркас по п. 1 или 2, отличающийся тем, что колонна (12а) сверху горизонтальной балки (21) и колонна (12b) ниже нее соединены в выступающей точке (13) горизонтальной балки таким образом, что некоторые из крепежных болтов (14) проходят через нижнюю часть (22а) горизонтальной балки (21а) и что некоторые из крепежных болтов (14) проходят через нижнюю часть (22b) второй горизонтальной балки (21b).

4. Строительный каркас по пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что горизонтальная балка (21) выполнена, по крайней мере, частично открытой в верхней части и достаточно широкой для прохода вышележащей колонны (12а) сверху через горизонтальную балку, с упором в ее нижнюю часть (22), а нижележащая колонна (12b) прикреплена к нижней части горизонтальной балки (21) по существу в той же точке, что верхняя колонна (12а).

5. Строительный каркас по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что горизонтальная балка (21) имеет U-образную форму и включает нижнюю плоскость (22) и стенки (23), между которыми колонна (12) установлена против нижней части горизонтальной балки.

6. Строительный каркас по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что верхняя колонна (12а) расположена между вертикальными стенками (23) горизонтальной балки (21) и против обеих стенок для закрепления колонны, например, болтами.

7. Строительный каркас по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что горизонтальная балка (21) представляет собой коробчатую балку, на верхней поверхности которой имеются отверстия (25) для установки вертикальной колонны (12) на нижней части горизонтальной балки.

8. Строительный каркас по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что верхняя колонна (12а) достаточно широка, так что, по крайней мере, часть ее может быть расположена снаружи горизонтальной балки (21), что верхняя колонна (12а) поддерживается на боковых фланцах (27а) горизонтальной балки (21) сверху и что нижняя колонна (12b) установлена снизу на боковых фланцах (27а) горизонтальной балки (21).

9. Строительный каркас по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что вертикальные стенки (23) приварены к горизонтальной балке (21) или, по крайней мере, одна вертикальная стенка (23) образована посредством отгиба от пластины нижней плоскости (22).

10. Строительный каркас по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что, по крайней мере, один вертикальный армирующий фланец (26) прикреплен к нижней поверхности (22) горизонтальной балки (21).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12