ПОЛНОСБОРНОЕ ЗДАНИЕ ИЛИ СООРУЖЕНИЕ ЗАМКНУТОГО ТИПА, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ ФУНДАМЕНТ, ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ, СЛАБЫХ, ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ И В СЕЙСМИЧЕСКИХ ЗОНАХ Российский патент 2003 года по МПК E04B1/04 E04H1/00 

Изобретение относится к строительству зданий или сооружений на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах, а также в сейсмических зонах и позволяет повысить эксплуатационную надежность зданий и сооружений.

Известны здания, построенные на вентилируемых фундаментах на вечномерзлых грунтах, которые содержат фундаменты-оболочки из железобетонных призматических элементов, фундаменты структурного типа из железобетонных плоских элементов и складчатые вентилируемые ленточные фундаменты, состоящие из железобетонных плит и треугольных складок, которые выполняются из железобетонных фигурных или плоских плит. Для зданий в зависимости от конструктивных и технологических особенностей нагрузок при компоновке плана фундамента необходимо в продольном его направлении предусматривать вертикальные ребра жесткости между складками во внешних полостях фундамента (см. "Рекомендации по проектированию и устройству поверхностных пространственных вентилируемых фундаментов на вечномерзлых грунтах", Якутск, 1999 г., с. 4-12).

Недостатком данных зданий является то, что надземное строение и фундамент - это в определенной мере разобщенные конструкции, не объединенные в единую замкнутую полносвязную систему и потому смещение основания приводит к повреждениям верхнего строения.

Кроме того, они не предназначены для строительства на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах. Данные здания не являются замкнутой взаимосвязанной совместно работающей с фундаментом системой.

Известен фундамент здания, сооружения на вечномерзлых грунтах, включающий верхние и нижние плиты, соединенные между собой продольными и поперечными ребрами жесткости в единую пространственную систему, у которого ребра жесткости консольно выступают за пределы нижней плиты по ее периметру (SU 1362103, кл. Е 02 D 27/35, 1985 г.).

Данный фундамент рассматривается вне зависимости от того, какое над ним надфундаментное строение, без взаимной связи с ним. Надфундаментная часть не оказывает поддерживающего влияния на фундамент, т.е. здание не рассматривается как замкнутое полносборное здание.

Общим моментом строительства на вечномерзлых, слабых, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах является то, что основание деформируется неравномерно в вертикальном направлении в одних случаях (на вечномерзлых, слабых, пучинистых грунтах) и в вертикальном и горизонтальном направлениях - в сейсмических зонах. Отличие состоит в том, что на вечномерзлых слабых, пучинистых грунтах движение происходит статично, медленно, а при сейсмических подвижках движение быстрое, динамическое. Но имеются районы, где одновременно может происходить и то, и другое.

В материалах изобретений и известной литературе (см. Сейсмическая опасность и сейсмостойкое строительство в Российской Федерации (состояние, проблемы, решения), Москва, Министерство строительства РФ, 1996, стр. 50-52) не обнаружено зданий замкнутого типа, аналогичных предложенному. Проблема устройства фундамента рассматривается отдельно от надфундаментного строения, а не совместно, как в предлагаемом техническом решении, в котором рассматривается полносборное здание замкнутого типа совместно с фундаментом. Не рассматривается возможность совместного применения здания в сейсмических районах и на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах. Такие районы занимают огромную площадь в России и других странах.

Известны сейсмоизолирующие опорные конструкции скользящего типа, у которого все сейсмоизолирующие системы такого типа конструктивно выполнены в виде верхнего и нижнего опорных элементов, между которыми размещен изолирующий слой из материалов минерального происхождения (песок, глина и т.д.) или синтетических прокладок с низким коэффициентом трения, например фторопласта, т.е. допускается сдвиг верхней части опорной конструкции относительно нижней (см. Сейсмическая опасность и сейсмостойкое строительство в Российской Федерации (состояние, проблемы, решения). Москва, Министерство строительства РФ, 1996, стр. 50-52).

В этих материалах рассматриваются различные системы сейсмостойкости, в том числе различные способы сейсмостойкости, сейсмоизоляции. Конструктивное выполнение указанного изолирующего слоя, по мнению авторов, является эффективным средством только тогда, когда фундамент работает совместно с надфундаментной частью как замкнутая полносвязная система, иначе такая система является менее эффективной. Прочность, деформативность надфундаментной части в незамкнутом здании не обеспечивается в достаточной мере, в то время как в конструкции полносвязного замкнутого полносборного здания технически успешно реализуется.

Техническая задача изобретения состоит в повышении эксплуатационной надежности зданий или сооружений для строительства на вечномерзлых, слабых, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах.

Для решения поставленной задачи полносборное здание или сооружение для строительства на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах и в сейсмических зонах включает выполненные из сталежелезобетонных элементов стены, покрытие и фундамент, при этом каждый сталежелезобетонный элемент состоит из железобетонных плит и металлического шпренгеля пространственного типа, имеющего пояс и раскосы, которые присоединены к закладным деталям, расположенным в углах или промежуточных узлах железобетонных плит и состоящих из основной и не менее чем двух дополнительных, наклонных к основной, металлических пластин, причем все плиты сталежелезобетонных элементов соединены между собой посредством закладных деталей, установленных в углах и промежуточных узлах с замоноличиванием швов между ними, а пояса шпренгелей соединены между собой металлическими стержнями по ширине, высоте и длине здания с образованием металлического каркаса, который может преднапрягаться; плиты сталежелезобетонных элементов фундамента установлены на основание и объединены в сплошную плиту по площади всего здания, а на узлы их шпренгелей уложены и присоединены к ним посредством закладных деталей плиты пола, лей с образованием помещения для размещения технического оборудования и натяжных устройств для предварительного напряжения поясов шпренгеля, а в стенах между полом и плитами фундамента предусмотрены отверстия для естественной вентиляции, причем между подошвой фундамента и основанием размещено скользящее устройство в виде изолирующего слоя из материала с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию.

Кроме того, в полносборном здании к узлам металлического каркаса стен может быть прикреплен второй слой плит ограждения, образующий двухслойные стены с воздушным пространством, которое может подогреваться, при этом фундамент снабжен двумя слоями теплоизоляции, расположенными на уровнях пола и плит фундамента.

Полносборное здание или сооружение замкнутого типа, включающее фундамент, для строительства на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах и в сейсмических зонах представлено на чертежах, где:
На фиг.1 показан сталежелезобетонный строительный элемент.

На фиг. 2 - соединение шпренгеля с железобетонной плитой сталежелезобетонного строительного элемента. На фиг. 2а разрез 1-1 на фиг.2.

На фиг.3 - вид полносборного здания и сооружение замкнутого типа, включающего фундамент, для строительства на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах и в сейсмических зонах.

На фиг.4 - соединения сталежелезобетонных панелей между собой.

На фиг.5 - соединение сталежелезобетонных строительных элементов конструкций стен с покрытием и с фундаментом.

Полносборное здание или сооружение замкнутого типа, включающее фундамент, для строительства на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах и в сейсмических зонах состоит из надземной части и фундамента. Надземная часть здания: верхнее строение образует совместно с фундаментом пространственное полносборное здание замкнутого типа в виде взаимосвязанной работающей совместно системы, выполненной из набора однотипных сталежелезобетонных элементов 1 с однотипными пространственными связями между всеми элементами.

Сталежелезобетонный строительный элемент 1 (см. фиг.1) состоит из железобетонной плиты 2 (оболочки) и подкрепляющего пространственного металлического шпренгеля 3. Шпренгель 3 выполнен из раскосов 4 и пояса 5 и состоит из прокатных металлических подкрепляющих стержней, в частности одиночных уголков. Шпренгель 3 соединен с помощью концевых пластин 6 с раскосами 4 и раскосы 4 с железобетонной плитой 2.

Каждый раскос 4 шпренгеля 3 выполнен из одиночного уголка, имеет концевые пластины 6 в виде вилки с отверстием под болт (см. фиг.2 ), в которые входит основная пластина 7 из железобетонной плиты 2, менее чем две дополнительные пластины 8 расположены с наклоном к основной пластине 7.

Основная пластина 7 имеет отверстие под болт для соединения с раскосом 4 шпренгеля 3. Нижний пояс 5 шпренгеля 3 имеет фасонки 9 с отверстиями под болт (см. фиг.2).

Все пояса 5 шпренгелей 3 соединены в узлах 10-11-12 металлическими стержнями между собой по трем направлениям (см. фиг.4 и 5) по ширине, высоте, длине замкнутого полносборного здания и образуют металлический каркас из перекрестных элементов. Различия между узлами 10-11-12 несущественны и отличаются лишь ориентациями расположения фасонок (по ширине, высоте и длине здания) для удобства крепления соответствующих металлических стержней в каркасе по ширине, высоте или длине. Этот металлический каркас может преднапрягаться на железобетонную часть здания из железобетонных плит 2.

Верхнее строение полносборного здания замкнутого типа 13 состоит из конструкции стен 14, покрытия 15 и образует совместно с фундаментом 16 пространственное полносборное здание замкнутого типа в виде взаимосвязанной работающей совместно системы, выполненной из набора однотипных сталежелезобетонных элементов 1 с однотипными пространственными связями между всеми элементами (см. фиг.3, 6).

Соединение всех конструкций стен 14, покрытия 15 и фундаментом 16, выполненных из однотипного сталежелезобетонного строительного элемента, осуществляется между собой однотипными связями в узлах (см. фиг.4 и 5) следующим образом для каждой пары стыкуемых смежный строительных элементов: соединение железобетонных плит 2 сталежелезобетонного строительного элемента между собой через закладные детали в углах плит в двух узлах 17 и узел 10 (или его аналоги 11, 12 - в зависимости от ориентации поясов) соединения поясов 5 шпренгелей 3 между собой. Узел 18 - промежуточный узел соединения железобетонных плит 2 сталежелезобетонного строительного элемента 1.

Таким образом, эти однотипные не менее трех узлов соединения являются однотипными для каждой пары стыкуемых строительных элементов, расположенных в пространстве, которые не лежат на одной прямой и образуют для каждой стыкуемой пары геометрически неизменяемую пространственную систему и подобным образом для всего пространственного замкнутого здания 13. Кроме того, шпренгель 3 соединяется дополнительно. Швы между железобетонными плитами 2 строительного элемента 1 замоноличиваются.

Пространственный фундамент 16 выполнен из однотипных сталежелезобетонных строительных элементов 1, железобетонные плиты 2 которых укладываются на выровненное основание 19 и объединены в сплошную плиту по площади всего здания 13. Однотипные сталежелезобетонные плиты 2 соединены между собой через закладные детали в узлах:
узлы 17 - соединение в двух углах железобетонных плит 2 сталежелезобетонного строительного элемента между собой через закладные детали;
узел 10 - (или его аналоги 11, 12 в зависимости от ориентации поясов по ширине, высоте и длине) соединения поясов 5 шпренгелей 3 между собой.

Может быть использован промежуточный узел 18 с закладной деталью сталежелезобетонного строительного элемента 1. Швы между железобетонными плитами 2 замоноличиваются.

Каждая из железобетонных плит фундамента 16 имеет наружный пространственный шпренгель 3, пояса 5 которых в продольном и поперечном направлениях соединены между собой в узлах: 10 - соединение по ширине, 11 - по высоте, 12 - по длине, металлическими элементами.

На узлы шпренгелей 3 уложены плиты пола 20, которые присоединены механически прочно через закладные детали к примыкающим узлам шпренгеля 3 и включены в работу пространственной конструкции фундамента 16.

По периметру фундамента 16 в стенах 14 пространственного замкнутого здания между полом и плитами фундамента 16 предусмотрены отверстия 21 для естественной вентиляции.

Внутри пространственного фундамента 16 размещены техническое оборудование и натяжные устройства (не показаны) для предварительного напряжения металлических поясов 5 шпренгеля 3 каркаса на железобетонную систему плит 2 здания 13, а также оборудование для принудительного охлаждения основания фундамента 16 и проведения ремонтных работ.

Между подошвой фундамента 16 и выровненным основанием 19 размещено скользящее устройство 22 в виде изолирующего слоя из материалов с низким значением коэффициента трения между поверхностью скольжения по основанию, которое может создавать возвратную или невозвратную гравитационную восстанавливающую силу в зависимости от формы этих поверхностей.

К узлам наружного металлического каркаса стен 14 может быть установлен второй слой плит ограждения 23, при этом образованные двухслойные с воздушным просветом железобетонные стены являются теплоизолирующими для внутреннего объема здания, воздух между ними может подогреваться, обеспечивая желаемый микроклимат внутри здания, а конструкция фундамента 16 снабжена двумя слоями теплоизоляции на уровнях пола 20 и плит фундамента 16.

Данная конструкция здания - стена, покрытие и фундамент - образуют пространственную замкнутую плитно-каркасную связанную между собой цельную неизменяемую систему. Это обеспечивает совместную работу здания и фундамента: здание получает поддерживающее влияние со стороны фундамента и, наоборот, при любых смещениях фундамента от сейсмики или неравномерной осадки грунтов.

В отличие от традиционного понимания, в котором надземная часть и фундамент рассматриваются раздельно, в рассматриваемую конструкцию замкнутого полносборного здания включен и фундамент, т.е. надземная часть и фундамент составляют единую цельную замкнутую систему, все части которой взаимосвязаны между собой.

Монтаж полносборного здания, сооружения замкнутого типа с фундаментом 16 для строительства на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах и в сейсмических зонах осуществляется следующим образом.

Уплотняется и выравнивается поверхностный слой основания 19 фундамента 16. Между основанием 19 фундамента 16 и конструкцией фундамента размещается скользящее устройство 22 в виде изолирующего слоя из материалов с низким значением коэффициента трения.

На поверхностный слой выровненного основания 19 фундамента 16 укладываются однотипные железобетонные плиты 2 сталежелезобетонных строительных элементов 1. Каждая из железобетонных плит 2 имеет наружный пространственный шпренгель 3. Однотипные железобетонные плиты 2 соединены между собой однотипными связями в узлах 17 и 10 через закладные детали и в узле 12 - узел соединения поясов 5 шпренгеля 3 между собой по длине; может быть соединение и промежуточным узлом 18 железобетонных плит 2 сталежелезобетонных строительных элементов 1.

Швы между плитами замоноличиваются.

Все железобетонные плиты 2 объединены в сплошную плиту по площади всего здания.

На узлы шпренгеля 3 уложены плиты пола 20, которые присоединены механически прочно через закладные к поясам 5 шпренгеля 3 и включены в работу пространственной конструкции фундамента 16.

По периметру фундамента 16 в стенах 14 между плитами пола 20 и железобетонными плитами 2 фундамента 16 предусмотрены отверстия 21 под естественную вентиляцию, этим самым создается подполье с естественным проветриванием фундамента 16 вдоль и поперек всего полносборного здания замкнутого типа 13.

Высота межферменной конструкции фундамента 16 обеспечивает его повышенную жесткость и всего полносборного замкнутого здания 13 в целом, а также удобный доступ для эксплуатационного наблюдения за состоянием основания 19 и фундамента 16 и проведения необходимых ремонтных работ, в том числе для размещения технического оборудования и натяжных устройств (стационарных и передвижных) для предварительного напряжения металлических поясов каркаса фундамента 16 на железобетонную систему плит здания в целом с целью снижения деформативности фундамента 16 и полносборного здания замкнутого 13 типа в целом.

По периметру фундамента 16 монтируются стены 14, которые состоят из однотипных сталежелезобетонных строительных элементов 1, соединенных между собой фундаментом 16 однотипными связями (узел 17, 10, 12).

Для монтажа конструкций стен 14 не требуются временные поддерживающие конструктивные устройства, этот монтаж осуществляется методом последовательного наращивания, т.к. присоединение каждого строительного элемента 1 в трех узлах, не лежащих на одной прямой, образует в пространстве неизменяемую систему.

Стены 14 соединяются с покрытиями 15 однотипными связями в тех же узлах 17, 11.

С целью теплоизоляции в целом полносборного здания 13 замкнутого типа к узлам наружного металлического каркаса стен 14 установлен второй слой плит ограждения, при этом образованные двухслойные с воздушным просветом железобетонные стены являются теплоизолирующими, воздух между ними может подогреваться, обеспечивая желаемый микроклимат внутри здания.

Конструкция фундамента 16 снабжена двумя слоями теплоизоляции на уровнях плит пола 20 и железобетонных плит фундамента 16. Высота пространственного фундамента 16 обеспечивает его повышенную жесткость и всего здания в целом, удобный доступ для эксплуатационного наблюдения за состоянием основания и фундамента и проведения необходимых ремонтных работ, в том числе для принудительного охлаждения, а также размещения технического оборудования и натяжных устройств (стационарных и передвижных) для предварительного напряжения металлических поясов каркаса на железобетонную систему плит здания с целью снижения деформативности фундамента и здания в целом.

Полносборное здание или сооружение замкнутого типа обладает следующими преимуществами:
- верхнее строение может быть любого типа и любой формы;
- структура системы (верхнее строение - фундамент) в т.ч. фундамента состоит из однотипных пространственных строительных элементов с пространственными связями между ними, по меньшей мере, в трех точках, не лежащих на одной прямой, создающих геометрическую неизменяемость любой подсистемы, составленной из данных строительных элементов;
- благодаря данной взаимосвязанности элементов имеется взаимное влияние (и поддержка) между конструкциями верхнего строения и фундамента, в частности пространственная конструкция здания защемлена в фундаменте (что усиливает фундаментное строение), и изменение жесткости верхнего строения влияет на работу фундамента, и наоборот. Поэтому, очевидно, что жесткость (и деформативность) всей замкнутой системы повышается, что качественно улучшает ее.

Возможно перемещение всей системы как жесткого целого, при этом не возникают разрушительные усилия и напряжения в элементах системы. При неравномерных смещениях или сейсмических подвижках основания для традиционных незамкнутых систем зданий создается аварийное состояние.

Замкнутость всей системы позволит перемещать ее в целом, в том числе осуществлять с помощью подъемно-домкратных устройств выравнивание уровня из-за неравномерных осадок.

Замкнутость конструкции и полнота пространственных связей между элементами позволяют легко использовать преднапряжение металлических элементов на железобетонную систему плит (местное или общее для всей системы) с целью ее укрепления и ожесточения.

Повышается живучесть всей системы благодаря пространственной замкнутости и взаимосвязанности элементов, т.е. разрушение некоторых отдельных элементов не приводит к общему разрушению всей системы.

Отличительные черты конструкции фундамента:
доступность эксплуатационного обслуживания конструкции фундамента (проход для осмотра и проведения разных работ);
размещение трубопроводов и оборудования, в том числе подъемно-домкратного, а также для специального охлаждения основания, принудительного проветривания и его организации в зависимости от розы ветров и ориентации здания; сезонность или постоянная теплоизоляция нижнего пояса из плит, контактирующих с основанием;
на работу фундаментной конструкции можно влиять путем изменения жесткостей надфундаментного строения, благодаря их замкнутости и взаимосвязи и, наоборот.

Созданы возможности для управления напряженно-деформированным состоянием конструкции фундамента и всей системы в целом, используя, например, следующие средства:
- путем усиления отдельных элементов фундамента (раскосов, дополнительных стоек);
- разгружающее преднапряжение;
- установки дополнительных элементов с зазором между ними и основанием, которые включаются в работу при соответствующем выпучивании грунта или его осадки.

Большая площадь опирания пространственного фундамента на основание по площади всего здания (на порядок большая, чем при ленточных или столбчатых фундаментах) оказывает весьма уменьшенное давление на основание, что позволяет использовать предложенные здания на слабых грунтах.

Изобретение относится к строительству зданий и сооружений на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах, а также в сейсмических зонах. Технический результат изобретения - повышение эксплуатационной надежности зданий и сооружений. Здание или сооружение включает стены, покрытия и фундамент, выполненные из однотипных сталежелезобетонных элементов, каждый из которых состоит из железобетонных плит и металлического подкрепляющего шпренгеля пространственного типа, имеющего пояс и раскосы, которые присоединены к закладным деталям, расположенным в углах или промежуточных узлах железобетонных плит, и состоят из основной и не менее чем двух дополнительных, наклонных к основной, металлических пластин. Плиты фундамента установлены на основании и объединены в сплошную плиту по площади всего здания. На узлы шпренгелей плит уложены плиты пола с образованием помещения для размещения технологического оборудования. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Полносборное здание или сооружение для строительства на вечномерзлых, слабых и пучинистых грунтах и в сейсмических зонах, характеризующееся тем, что включает выполненные из стележелезобетонных элементов стены, покрытие и фундамент, при этом каждый сталежелезобетонный элемент состоит из железобетонных плит и металлического шпренгеля пространственного типа, имеющего пояс и раскосы, которые присоединены к закладным деталям, расположенным в углах или промежуточных узлах железобетонных плит и состоящим из основной и не менее чем двух дополнительных, наклонных к основной металлических пластин, причем все плиты сталежелезобетонных элементов соединены между собой посредством закладных деталей, установленных в углах и промежуточных узлах с замоноличиванием швов между ними, а пояса шпренгелей соединены между собой металлическими стержнями по ширине, высоте и длине здания с образованием металлического каркаса, который может преднапрягаться; плиты сталежелезобетонных элементов фундамента установлены на основание и объединены в сплошную плиту по площади всего здания, а на узлы их шпренгелей уложены и присоединены к ним посредством закладных деталей плиты пола, с образованием помещения для размещения технического оборудования и натяжных устройств для предварительного напряжения поясов шпренгеля, а в стенах между полом и плитами фундамента предусмотрены отверстия для естественной вентиляции, причем между подошвой фундамента и основанием размещено скользящее устройство в виде изолирующего слоя из материала с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию. 2. Полносборное здание по п. 1, отличающееся тем, что к узлам металлического каркаса стен прикреплен второй слой плит ограждения, образующий двухслойные стены с воздушным пространством, которое может подогреваться, при этом фундамент снабжен двумя слоями теплоизоляции, расположенными на уровнях пола и плит фундамента.