БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЕ ЗДАНИЕ

БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЕ ЗДАНИЕ


RU (11) 2334852 (13) C1

(51) МПК
E04H 3/10 (2006.01)
E04B 7/14 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 19.01.2009 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2007111429/03 
(22) Дата подачи заявки: 2007.03.28 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2007.03.28 
(45) Опубликовано: 2008.09.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2288332 C1, 27.11.2006. RU 2191238 C1, 20.10.2002. US 5622013 A, 22.04.1997. КИРСАНОВ Н.М. Висячие и вантовые конструкции. Москва. Стройиздат, 1981, с.8, 15, рис.6. 
(72) Автор(ы): Коробко Виктор Иванович (RU); Коробко Андрей Викторович (RU); Алдушкин Роман Владимирович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU) 
Адрес для переписки: 302020, г.Орел, Наугорское ш., 29, ОрелГТУ 

(54) БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЕ ЗДАНИЕ

Изобретение относится к области строительства, в частности к большепролетному зданию. Технический результат заключается в снижении материалоемкости колонн. Большепролетное здание содержит жестко защемленные в фундаменте колонны, несущие предварительно напряженные и ограждающие конструкции покрытия. Нагрузка от покрытия передается на колонны. Колонны 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. Наклон внутренней ветви колонны определен от действия минимально возможной внешней нагрузки от покрытия. Наклон внешней ветви колонны определен от действия максимально возможной внешней нагрузки от покрытия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


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 Хп 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 (Pmin ), а на схеме «б» - случай действия постоянной и всех временных нагрузок, включая снеговую (Рmax).

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 Рmax, заданного усилия преднапряжения троса Хп и усилия самонапряжения в нем X1 от внешней нагрузки;

- угол наклона внутренней ветви колонны 2 определяется от внешней минимально возможной нагрузки Pmin, заданного усилия преднапряжения троса Хп 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 Pmin и максимально возможной Рmax при одном и том же значении величины преднапряжения троса Х п=100 кН.

Определив усилия Н и самонапряжения троса Хс, 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.




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.