ЗДАНИЕ ИЛИ СООРУЖЕНИЕ И АРКА Российский патент 1995 года по МПК E04B1/32 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в производственных, общественных и складских зданиях, сооружениях и комплексах.

Наиболее близким техническим решением является здание или сооружение, включающее фундаменты, каркас, по крайней мере часть которого выполнена из несущих конструкций в виде сквозных секций арок и/или арочных элементов, состоящих из внешнего с выпуклым и внутреннего с вогнутым поперечным сечением поясов, объединенных между собой прерывисто в пролете и по торцам радиально и/или по биссектрисе угла, образованного касательными к осям смежных несущих конструкций [1]
Известна арка, включающая жестко соединенные по торцам сборные секции в виде верхнего и нижнего поясов из швеллеров, стенки которых вписаны в цилиндрические поверхности, а полки швеллера верхнего пояса обращены к полкам швеллера нижнего пояса, и элементы жесткой связи поясов в виде погонажных профилей или пластин, расположенных попарно симметрично [2]
Общим недостатком указанных решений является невысокая технологичность за счет большой трудоемкости сборки и сложности перевозки пространственно развитых конструкций.

Задача изобретения улучшение эксплуатационных качеств здания или сооружения, технологичности монтажа и обеспечение более простой транспортировки конструкций.

Поставленная задача решена тем, что длина l_i поясов i-той арочной секции и общая длина арки L или группы секций l_г.c., плавно сопряженных в единый арочный участок несущей конструкции, определены из соотношений
l_i= πr_i; L_арк= r_i; L_г.с= πr_i а оси стыков секций по крайней мере в пределах единого арочного участка в полярных координатах, центр которых совмещен с центром кривизны секций, или группы секций, или арки, разнесены по оси последней с угловым интервалом, определенным из соотношений
Δϕ′= π; Δϕ″ π
где K_i 0,85-1,15 вариационный коэффициент связи длины и радиуса кривизны арочных секций;
r_i радиус кривизны i-той арочной секции;
n число секций в арке;
m число секций в едином арочном участке.

Кроме того, несущие арки в здании, сооружении могут быть выполнены из четырех симметричных секций постоянной кривизны с радиусом внутреннего пояса, равным половине ширины пролета, а длина дуги секции и угловой интервал между осями стыков секций определены из соотношений l 0,25K_i π r_i; Δϕ 0,25 K_i π ограждающие конструкции могут содержать несущий и/или кровельный слой из профилированного настила, смонтированного и закрепленного на прогонах, большая часть которых по крайней мере в пределах левой и/или правой половины арки может быть установлена с угловым шагом, определенным из соотношения Δζ_пр (0,0488-0,0565) π связи каркаса могут быть выполнены комбинированными из сочетания диагонально-перекрестных стержневых элементов, установленных по крайней мере между двумя смежными арками и жестко соединенными с профилированным настилом с образованием связевых дисков; диагонально-перекрестные связи могут быть установлены в количестве не менее четырех между каждой из крайних пар арок в начале и конце пролета, а связевые диски могут быть расположены над ними и/или над смежной парой арок; погоны могут быть выполнены из уголков, обращенных полками наружу от верхних поясов арок, при этом полки прогонов могут быть вписаны в условный свод, поверхность которого параллельна осям по крайней мере двух арок и совпадает с нижней поверхностью настила. По крайней мере секции арок могут быть соединены между собой бесшарнирно, арки могут быть также соединены бесшарнирно с одним или обоими фундаментами, сборные секции арок могут иметь одинаковую конфигурацию и длину. Арки и/или их секции выполняют циркульными; По крайней мере часть несущих арок может быть выполнена из четырех секций с вариантным коэффициентом К 1 и с угловым разносом осей стыков каждой секции, определенным из со- отношения Δϕ
Фундаменты конструкций могут быть выполнены разновысокими, центр кривизны по крайней мере одной арочной секции может быть смещен в одном или двух направлениях от условного общего центра кривизны условной полукруговой конфигурации арки, а конфигурация поперечного контура несущих конструкций может быть образована с использованием угловых и/или линейных смещений по крайней мере одной или части секций от условного исходного полукругового контура с включением в несущую конструкцию от одной до шести секций. Кроме того, здание или сооружение по длине может быть выполнено из секций, которые взаимно смещены торцами на часть ширины пролета и соединены между собой с образованием свободно выступающих торцевых участков. Смещение секций может быть выполнено последовательно в одном направлении и/или с чередованием в двух направлениях с образованием одного или более пролетов по крайней мере на части длины, а часть площади свободных торцевых участков взаимно смещенных секций может быть снабжена светопрозрачным ограждением и/или светоаэрационными, или аэрационными устройствами, или устройствами для пропуска технологических, и/или транспортных коммуникаций, и/или дверями, по крайней мере часть несущих арок может быть установлена с взаимным угловым смещением в плане и образованием клиновидных секций здания или сооружения, мультипликация и/или сочетание которых в виде одно- и/или многопролетных частей здания или сооружения в совокупности может содержать не менее чем две разомкнутые ветви и/или по крайней мере одну замкнутую по контуру ячейку с включением защищенного ими внутреннего дворика и/или атриума.

Кроме того, по крайней мере часть секций или группы последовательно соединенных секций арок могут быть установлены одним торцом на основание, а другим обращены вверх, и верхние торцы могут быть соединены между собой с образованием замкнутого или разомкнутого контуров здания или сооружения.

Поставленная задача решается также тем, что элементы жесткой связи поясов арки выполнены в виде пластин или погонажных профилей и расположены в секциях с угловым интервалом, определенным из соотношения
ΔΨ_св=
Кроме того, соотношение ширины и высоты поперечного сечения арки по крайней мере по внешнему контуру поясов может составлять (4-6)-(16-20), а элементы жесткой связи поясов могут быть выполнены попарно симметричными или по крайней мере частично смещены с одной стороны пояса относительно другой на часть углового шага.

На фиг. 1 изображено здание или сооружение, вид с торца; на фиг. 2 то же, вид сверху, вариант прямоугольного в плане здания; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 схема расположения арок, прогонов и связей в прямоугольном в плане здании; на фиг. 5 фрагмент сечения Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 вид по стрелке В на фиг. 4; на фиг. 7 сечение Г-Г на фиг. 6; на фиг. 8 конструкция арки, бесшарнирный вариант из четырех секций, фронтальная проекция; на фиг. 9 сечение Д-Д на фиг. 8; на фиг. 10 здание с шаговым смещением секций в плане; на фиг. 11 здание с чередующимся двусторонним смещением секций в плане; на фиг. 12 вид по стрелке Е на фиг. 10; на фиг. 13 вариант решения здания с внутренним двориком или атриумом; на фиг. 14 вариант решения здания криволинейного в плане; на фиг. 15 то же, вариант с конфигурацией "разомкнутое кольцо"; на фиг. 16 вариант решения сооружения в виде секционированной кольцевой оболочки; на фиг. 17 показано вариантное решение здания с центральным арочным узлом; на фиг. 18 вариант здания с поперечным сечением арочного каркаса с циркульными арками из двух секций со смещенными центрами кривизны; на фиг. 19 то же, с двухмерным смещением центров кривизны группы секций и отдельной секции арки; на фиг. 20 то же, с симметричным поперечным сечением каркаса; на фиг. 21 вариант решения многопролетного здания с уступообразным смещением секций и лучевидным расположением пролетов; на фиг. 22 вариант решения здания с применением сочетания прямоугольных и клиновидных секций; на фиг. 23 вариант решения здания с ломаной многогранной конфигурацией в плане; на фиг. 24 вариант решения здания с внутренним двориком; на фиг. 25 вариант решения здания или сооружения с разновысокими фундаментами, поперечное сечение.

Здание или сооружение содержит фундаменты 1, ограждающие конструкции 2 в виде профилированного настила или утепленных панелей.

Ограждающие конструкции 2 закреплены на каркасе 3, состоящем из арок 4, прогонов 5 и связей 6. Арки 4 выполнены из секций 7, которые содержат наружный пояс 8 с выпуклым и внутренний пояс 9 с вогнутым поперечным сечением. Пояса 8 и 9 объединены по торцам секций 7 стыковочными элементами 10, а по длине секции 7 -дополнительно элементами жесткой связи 11.

Длина l_i секций 7 обусловлена технологией изготовления, удобством монтажа, укрупнительной сборки, транспортными габаритами и в общем случае определена из выражения
l_i= πr_i где K_i вариационный коэффициент связи длины дуги и радиуса кривизны K_i 0,75-1,15;
n число секций в арке;
r_i радиус кривизны i-той секции арки или ее пояса.

Общая длина арки L_арк или ее поясов соответственно определена из выражения
L_арк= πr_i
В вариантных конструктивных или технологических решениях, включающих m секций, плавно сопряженных в единый арочный участок несущей конструкции, общая длина такой группы секций L_г.с. определена из выражения
L_г.с= πr_i
Оси каждых двух ближайших стыков 14 секций 7 арки 4 в целом или в пределах монотонно единого сопряженного арочного участка в общем случае в полярных координатах, центр которых совмещен с центром кривизны 12, разнесены с угловым интервалом Δϕ′ и Δϕ′′ соответственно
Δϕ′= π; Δϕ″ π
В основном варианте здание или сооружение имеет общий центр кривизны 12 арки 4, с которым совмещены центры кривизны арочных секций 7. Элементы жесткой связи 11 поясов 8 и 9 и стыковочные элементы 10 по торцам секций 7 выполнены, например, из пластин, радиально ориентированных осями к центру кривизны 12 арки 4 и/или секции 7. Кроме того, в основном варианте арки 4 каркаса 3 выполнены несущими и образованы каждая из четырех секций 7. В этом варианте секции 7 выполнены симметричными, постоянной кривизны, с радиусом 13 внутреннего пояса 9 в свету, равным половине ширины пролета, с длиной дуги секции, определенной из соотношения
l 0,25 K_i π r_i (R)
Прогоны 5 в основном варианте здания или сооружения смонтированы на арках 4 преимущественно с угловым шагом, определенным из соотношения
Δζ (0,0488-0,0565) π что обеспечивает оптимальное согласование реальных нагрузок, толщин и несущей способности профилированного настила с реальным диапазоном размеров ширины и высоты пролета арок 4.

Связи 6 в здании или сооружении по основному варианту выполнены комбинированными из диагонально-перекрестных стержневых элементов, соединяющих смежные арки 4, например, крайних, начальных и конечных по длине пролета, и жестко соединены с профилированным настилом 2 с образованием связевого диска (условно не показано). Для этого участки листов 2 дополнительно раскреплены на прогонах 5 на участках над связями 6 и/или рядом с этим участком, например, в области прилегающей пары арок 4. Оптимально может быть принято по четыре диагонально-перекрестныe связи 6, соединяющиe две арки 4.

Прогоны 5 выполнены, например, из уголков и прикреплены к поясам 8 арок 4 посредством крепежных деталей 15. В основном варианте прогоны 5 смонтированы полками уголков, обращенными наружу от верхних поясов 8 арок 4. При этом полки прогонов 5 вписаны в условный свод, поверхность которого параллельна осям арок 4 и совпадает с нижней поверхностью настила ограждающих конструкций 2. Секции 7 арок 4 соединены между собой жестко стыковочными элементами 10, а с фундаментами 1 предусмотрено либо жесткое соединение обоих опорных торцов арки 4, либо одно из опорных соединений может быть выполнено шарнирным.

Изобретением предусмотрен в качестве наиболее технологичного вариант выполнения арок 4 каркаса 3 из одинаковых по всем параметрам секций 7 с циркульной конфигурацией и угловым разворотом стыков
Кроме того, несущие опорные поверхности фундаментов 1 могут быть в вариантных решениях разновысокими, например, как показано на фиг. 25. Возможны варианты формирования арочного каркаса 3 из секций 7, в том числе, например, циркульной конфигурации путем углового и/или шагового смещения центров кривизны отдельных секций 7 и/или их групп в одном или двух направлениях исходного общего центра кривизны условной исходной полукруглой конфигурации арки (фиг. 18, 19, 20), в том числе с включением в арочный контур от одной-двух до шести и более секций 7.

Изобретением предусмотрены вариантные решения здания, сооружения с взаимным смещением секций 16, 17 в одном (фиг. 10, 12) или в двух направлениях (фиг. 11, 13, 21, 22, 23, 24). При этом в свободно выступающих участках торцов 18 могут быть выполнены светопрозрачные 19 ограждения, занимающие по крайней мере часть их площади. Наряду со светопрозрачными 19 ограждениями в торцевых участках 18 могут быть выполнены светоаэрационные, аэрационные или технологические, или транспортные, или входные проемы и устройства (условно не показаны), расширяющие эксплуатационные возможности здания, сооружения.

Смещение в плане секций 16 и 17 здания, сооружения вариантно позволяет кроме однопролетных (фиг. 10, фиг. 11) получить комбинированные решения с разомкнуто-лучевыми комбинациями (фиг. 21) или замкнутыми (фиг. 25), в том числе с образованием защищенных внутренних двориков 20 или атриумов (условно не показано).

В вариантных решениях по крайней мере часть арок 4 может быть установлена с взаимным угловым смещением в плане и образованием клиновидных двояко-21 или одинарно-22 криволинейных секций. Это расширяет вариабельность конкретных форм здания или сооружения, включая криволинейные однопролетные (фиг. 14), либо тороидальные (фиг. 15), либо многопролетные, в том числе ветвистокриволинейные в плане формы, как, например, на фиг. 23.

Возможны варианты использования арочных секций 7 для образования каркаса 3 здания или сооружения, в которых секции 7 оперты торцами 23 на фундамент 1, как показано на фиг. 16 и 17, а торцами 24 обращены вверх и соединены обвязочными элементами 25 с образованием как замкнутых, так и разомкнутых (условно не показано) контуров.

Арка 4 в основном решении содержит верхний 8 и нижний 9 пояса, выполненные из швеллеров со встречно обращенными полками 26, и элементы жесткой связи 11 в виде, например, пластин, прерывисто установленные по крайней мере в пределах сборной секции 7 с угловым шагом в осях
ΔΨ_св=
Соотношение ширины и высоты поперечного сечения (фиг. 9) арки 4 оптимально может составлять, например (4-6)-(16-20), а элементы жесткой связи 11 установлены симметрично либо с взаимным угловым смещением, по крайней мере, на часть шага, т. е. на долю угла δΔΨ_св< .

Техническое решение здания, сооружения и конструкция арки, а также вариантные разработки конструктивных систем и формообразования существенно расширяют диапазон положительных эксплуатационных качеств наряду с технологичностью изготовления, транспортировки и монтажа при умеренной материалоемкости и трудоемкости.

Использование: строительство производственных, общественных и складских зданий, сооружений и комплексов. Сущность изобретения: каркас выполнен из несущих сквозных арок, пояса которых соединены жесткими связями в виде радиально ориентированных пластин в пролете и по торцам. Арка разделена на секции в основном варианте циркульной конфигурации с угловым разворотом торцом на величину Δϕ =(K_i/n)·π в частных случаях 0,25K_iπ и π/4, где K_i - вариационный коэффициент связи длины дуги и радиуса кривизны арочных секций; n число секций в арке; связи каркаса выполнены комбинированными перекрестно-стержневыми и дисковыми, расстояние между элементами жесткой связи поясов арки определено угловым интервалом в основном варианте равном π/36. Здание или сооружение может быть образовано с угловым схождением арок и образованием клиновидных объемных секций здания, а также с взаимным смещением секций, остеклением свободных торцовых участков промежуточных секций, с разновысокими опорами, с переменным числом пролетов и с образованием открытых и закрытых контуров. 2 с. и 23 з. п. ф-лы, 25 ил.

1. Здание или сооружение, включающее фундаменты, каркас, по крайней мере часть которого выполнена из несущих конструкций в виде сквозных секций, арок и/или арочных элементов, состоящих из внешнего с выпуклым и внутреннего с вогнутым поперечным сечением поясов, объединенных между собой прерывисто в пролете и по торцам ориентированных радиально и/или по биссектрисе угла, образованного касательными к осям смежных несущих конструкций, элементы жесткой связи, прогоны и ограждающие конструкции, отличающееся тем, что длина поясов i-й арочной секции l_i и общая длина арки L_арк или группы секций L_г.с, плавно сопряженных в единый арочный участок несущей конструкции, определны из соотношений



а оси стыков секций по крайней мере в пределах единого арочного участка в полярных координатах, центр которых совмещен с центром кривизны секции, или группы секций, или арки, разнесены по оси последних с угловым интервалом, определенным из соотношений


где K_i 0,85 1,15 вариационный коэффициент связи длины дуги и радиуса кривизны арочных секций;
r_i радиус кривизны i-й арочной секции;
n число секций в арке;
m число секций в едином арочном участке. 2. Здание или сооружение по п. 1, отличающееся тем, что арки выполнены из четырех симметрично расположенных секций постоянной кривизны с радиусом внутреннего пояса, равным половине ширины пролета, а длина дуги секций и угловой интервал между осями стыков секций определены соответственно из соотношений
l=0,25K_iπr_i,
Δϕ=0,25K_iπ.
3. Здание или сооружение по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что ограждающие конструкции содержат несущий и/или кровельный слой из профилированного настила, смонтированного и закрепленного на прогонах, большая часть которых по крайней мере в пределах левой и/или правой половины арок установлена с угловым шагом, определенным из соотношения
Δζ_пр=(0,0488-0,0565)π.
4. Здание или сооружение по пп. 1 3, отличающееся тем, что связи каркаса выполнены комбинированными из сочетания диагонально-перекрестных стержневых элементов, установленных по крайней мере между двумя смежными арками и жестко соединенных с профилированным настилом с образованием связевых дисков. 5. Здание или сооружение по п. 4, отличающееся тем, что диагонально-перекрестные связи установлены в количестве не менее четырех между каждой из крайних пар арок в начале и конце пролета, а связевые диски расположены над ними и/или над смежной парой арок. 6. Здание или сооружение по пп. 3 5, отличающееся тем, что прогоны выполнены из уголков, обращенных полками наружу от верхних поясов арок, при этом полки прогонов вписаны в условный свод, поверхность которого параллельна осям по крайней мере двух арок и совпадает с нижней поверхностью настила. 7. Здание или сооружение по пп. 1 6, отличающееся тем, что по крайней мере секции арок соединены между собой бесшарнирно. 8. Здание или сооружение по п. 6, отличающееся тем, что несущие арки соединены с одним или обоими фундаментами бесшарнирно. 9. Здание или сооружение по пп. 1 8, отличающееся тем, что сборные секции арок имеют одинаковую конфигурацию и длину. 10. Здание или сооружение по п. 9, отличающееся тем, что арки и/или их секции выполнены циркульными. 11. Здание или сооружение по пп. 1 10, отличающееся тем, что по крайней мере часть арок выполнена из четырех секций с вариационным коэффициентом, равным единице, и с угловым разносом осей стыков каждой секции, определенным из соотношения

12. Здание или сооружение по пп. 1, 2, 7 10, отличающееся тем, что фундаменты несущих конструкций выполнены разновысокими. 13. Здание или сооружение по п. 10, отличающееся тем, что центр кривизны по крайней мере одной арочной секции смещен в одном или двух направлениях от условного общего центра, кривизны условной полукруговой конфигурации арки. 14. Здание или сооружение по п. 12, отличающееся тем, что конфигурация поперечного контура несущих конструкций образована с использованием угловых и/или линейных смещений по крайней мере одной или части секций от условного исходного полукругового контура и включением в несущую конструкцию от одной до шести секций. 15. Здание или сооружение по пп. 1 14, отличающееся тем, что оно по длине выполнено из секций, которые взаимно смещены торцами на часть ширины пролета и соединены между собой с образованием свободно выступающих торцевых участков. 16. Здание или сооружение по п. 15, отличающееся тем, что смещение секций выполнено последовательно в одном направлении. 17. Здание или сооружение по п. 15, отличающееся тем, что смещение секций выполнено с чередованием в двух направлениях. 18. Здание или сооружение по пп. 15 и 17, отличающееся тем, что по крайней мере на части длины выполнено по крайней мере двухпролетным. 19. Здание или сооружение по пп. 15 18, отличающееся тем, что по крайней мере часть площади по крайней мере части свободных торцевых участков взаимно смещенных секций снабжена светопрозрачным ограждением, и/или светоаэрационными, или аэрационными устройствами, и/или устройствами для пропуска технологических коммуникаций или транспорта, и/или дверями. 20. Здание или сооружение по пп. 1 14, отличающееся тем, что по крайней мере часть несущих арок установлена с взаимным угловым смещением в плане и с образованием клиновидных секций, мультипликация и/или сочетание которых в виде одно-и/или многопролетных частей здания или сооружения в совокупности содержит не менее чем две разомкнутые ветви и/или по крайней мере одну замкнутую по контуру ячейку с образованием внутреннего дворика и/или атриума. 21. Здание или сооружение по пп. 1 14 и 20, отличающееся тем, что по крайней мере часть секций или группы последовательно соединенных секций арок установлены одним торцом на фундамент, а другим обращены вверх и верхние торцы соединены между собой с образованием замкнутого или разомкнутого контуров здания. 22. Арка, включающая жестко соединенные по торцам сборные секции в виде верхнего и нижнего поясов из швеллеров, стенки которых вписаны в цилиндрические поверхности, а полки швеллера верхнего пояса обращены к полкам швеллера нижнего пояса, и элементы жесткой связи поясов в виде погонажных профилей или пластин, расположенных попарно симметрично, отличающаяся тем, что элементы жесткой связи поясов расположены в секциях с угловым интервалом, определенным из соотношения
а соотношение ширины и высоты поперечного сечения арки по крайней мере по внешнему контуру поясов составляет (4 6) ^oC (16 20). 23. Арка по п. 22, отличающаяся тем, что соотношение ширины и высоты поперечного сечения арки по крайней мере по внешнему контуру поясов составляет (4 6) ^oC (16 20). 24. Арка по п. 22, отличающаяся тем, что промежуточные элементы жесткой связи поясов выполнены попарно симметричными. 25. Арка по п. 22, отличающаяся тем, что по крайней мере часть элементов жесткой связи поясов выполнена с взаимным смещением с одной стороны пояса относительно другой по крайней мере на часть углового шага.