ГИБРИДНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ПОКРЫТИЯ

Полезная модель может быть использована в качестве покрытия прямоугольных в плане, преимущественно не отапливаемых, зданий и сооружений (например: склады в промышленности или сельском хозяйстве, промышленные цеха, торговые или выставочные павильоны), а также для устройства поперечных светоаэрационных фонарей в покрытиях зданий.
Наиболее широкое распространение для покрытия зданий и сооружений получили стропильные фермы и балки, выполняющие функцию несущего каркаса, на который опираются ограждающие элементы в виде металлических щитов, железобетонных плит или профилированного настила. Основные недостатки данных решений: повышенный расход материала из-за неравномерного распределения напряжений в сечениях изогнутых элементов и возможности потери устойчивости сжатых стержней; необходимость установки большого количества связей по стропильным конструкциям; малая технологичность устройства покрытия, т.к. значительная часть работ выполняется на строительной площадке, а ограждающие конструкции состоят из большого числа относительно тяжелых элементов, например железобетонных плит.
Для снижения изгибающих моментов в основных несущих элементах покрытия и уменьшения трудоемкости монтажа получили распространение шпренгельные панели. Известна панель покрытия [1], состоящая из двух плит, шарнирно соединенных между собой. Плиты подкреплены шпренгельными системами, состоящими из гибких тяжей и распорок. Недостатком данного технического решения является большая материалоемкость сжатых ребер, имеющих значительную длину.
Известна т.н. трехгранная блок-ферма [2], представляющая собой двухскатную четырехпанельную пространственную ферму, верхний пояс которой выполнен из однотипных клеефанерных плит, пространственная решетка регулярного типа выполнена из поставленных V-образно раскосов, верхний пояс соединен с нижним поясом раскосами, нижние узлы раскосов связаны между собой соединительными элементами нижнего пояса, а средний элемент нижнего пояса, выполненый из круглой стали, соединен с опорными узлами стальными оттяжками (т.н. крайние стальные стержни нижнего пояса).
Недостатками решения [2] являются: повышенная материалоемкость из-за большого количества распорок, работающих на сжатие; не достаточно надежная работа на нагрузку, действующую снизу-вверх (например, ветер) и превышающую собственный вес, т.к. возможна потеря устойчивости среднего элемента нижнего пояса; непроницаемость для солнечного света конструкции покрытия; сложности устройства вентиляции помещения.
Вместе с тем, преимущества решения [2] следующие: уменьшение изгибающих моментов от внешних нагрузок в верхнем поясе; уменьшение горизонтальных усилий, передаваемых на опорные конструкции, вследствие возникновения распоров противоположных знаков от верхнего пояса и стальных оттяжек.
Решение [2] принято за ПРОТОТИП.
Известен т.н. гибридный купол [3], состоящий из сжато-изогнутого верхнего пояса а, наружной затяжки b в виде растянутого кольца, внутренней распорки с в виде сжатого кольца, несущих тросов d и тяжей е, а также сжатых шарнирных стержней f (фиг. 1). Верхний пояс состоит из ребер, соединенных шарнирно между собой и с опорами. В качестве покрытия может быть применена напряженная тентовая мембрана, имеющая малую массу и обладающая светопроницаемостью.
Преимущества решения [3] следующие: уменьшение изгибающих моментов от внешних симметричных нагрузок в ребрах верхнего пояса; уменьшение горизонтальных усилий, передаваемых на опорные конструкции, вследствие возникновения распоров противоположных знаков; возможность предварительного напряжения конструкции вцелом натяжением ее отдельных элементов; надежная работа конструкции на нагрузки противоположных знаков (сверху-вниз и снизу-вверх).
Недостатки решения [3] следующие: возрастание моментов в ребрах верхнего пояса от неравномерных внешних нагрузок (например, снеговая нагрузка, действующая на половине пролета); применение тентовой мембраны в качестве покрытия требует наличия искривленного опорного контура, обеспечивающего натяжение мембраны и придание ее форме отрицательной Гауссовой кривизны; повышенная трудоемкость монтажа, т.к. натяжение тентовой мембраны производят только после установки и напряжения основных несущих элементов каркаса.
Известны решения, например [4], позволяющие устроить тентовую мембрану отрицательной Гауссовой кривизны на плоском опорном контуре. При этом, тентовая мембрана опирается на верхний конец сжатой стойки (т.н. "flying mast"), нижний конец которой удерживается в проектном положении напряженными стальными тросами, закрепленными за опорный контур.
Техническая задача полезной модели - снижение материалоемкости и повышение несущей способности гибридной конструкции покрытия, обеспечение светопроницаемости покрытия и вентиляции внутреннего помещения, снижение трудоемкости монтажа гибридной конструкции покрытия.
Технический результат полезной модели достигается применением гибридной конструкции покрытия, представляющей собой двухскатную четырехпанельную пространственную ферму, решетка которой, объединяющая верхний и нижний пояса, выполнена из раскосов. Раскосы соединены по четыре в узлах нижнего пояса и попарно - в узлах верхнего пояса гибридной конструкции покрытия. Верхний пояс включает каркас, состоящий из двух жестких рам, шарнирно соединенных между собой в коньке и состоящих из двух основных продольных ребер и поперечных диафрагм. За жесткие рамы каркаса верхнего пояса закреплена напряженная гибкая тентовая мембрана, которая подвешена за верхние концы стоек-распорок, опирающихся своими нижними концами на узлы нижнего пояса. Центральный элемент нижнего пояса гибридной конструкции покрытия представляет собой распорку, а крайние узлы нижнего пояса соединены между собой напряженной затяжкой.
Для снижения материалоемкости гибридной конструкции покрытия, крайние элементы нижнего пояса, а также раскосы решетки являются напряженными растяжками, выполняемыми из гибких элементов, например, стальных тросов.
Для повышения несущей способности и надежности эксплуатации гибридной конструкции покрытия, крайние элементы нижнего пояса, а также раскосы решетки, соединяющие крайние узлы нижнего пояса и средние узлы верхнего пояса, являются распорками.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
На фиг. 1 приведено принципиальное решение (расчетная схема) известного гибридного купола.
На фиг. 2 приведена аксонометрическая схема предлагаемой гибридной конструкции покрытия.
На фиг. 3 приведена аксонометрическая схема предлагаемой гибридной конструкции покрытия (напряженная гибкая тентовая мембрана условно не показана).
На фиг. 4 приведен вид сбоку предлагаемой гибридной конструкции покрытия.
На фиг. 5 приведен вид сверху предлагаемой гибридной конструкции покрытия (напряженная гибкая тентовая мембрана условно не показана).
На фиг. 6 приведен схематичный разрез 1-1 по фиг. 4 предлагаемой гибридной конструкции покрытия (напряженная гибкая тентовая мембрана условно не показана).
На фиг. 7 и 7а приведены известные решения устройства гибкой тентовой мембраны на плоском опорном контуре.
На фиг. 8-11 приведены очертания эпюр моментов относительно горизонтальной оси в продольных ребрах жестких рам каркаса верхнего пояса предлагаемой гибридной конструкции покрытия:
на фиг. 8 приведена эпюра от предварительных напряжений;
на фиг. 9 приведена эпюра от равномерной снеговой нагрузки и предварительных напряжений;
на фиг. 10 приведена эпюра от снеговой нагрузки, действующей на половине пролета, и предварительных напряжений для предлагаемого технического решения, соответствующего п. 2 Формулы полезной модели;
на фиг. 11 приведена эпюра от снеговой нагрузки, действующей на половине пролета, и предварительных напряжений для предлагаемого технического решения, соответствующего п. 3 Формулы полезной модели.
Предлагаемое техническое решение (фиг. 2-6) представляет собой двухскатную четырехпанельную пространственную ферму 1, решетка 2 которой, объединяющая верхний 3 и нижний 4 пояса, выполнена из раскосов 5а, 5б, 5в и 5г.
В каждом узле 6 и 6а нижнего пояса 4 соединены по четыре раскоса: в крайних узлах 6а нижнего пояса 4 - по два раскоса 5а и 5б, в средних узлах 6 нижнего пояса 4 - по два раскоса 5в и 5г. В узлах 7 и 7а верхнего пояса 3 соединены по два раскоса: в средних узлах 7а верхнего пояса 3 - раскосы 5б и 5в, в центральных узлах 7 верхнего пояса 3 - раскосы 5г.
Верхний пояс 3 включает каркас 9, состоящий из двух жестких рам 10, шарнирно соединенных между собой в коньке 11 (узлы 7) и состоящих из двух основных продольных ребер 12 и поперечных диафрагм 13.
За жесткие рамы 10 каркаса 9 верхнего пояса 3 закреплена напряженная гибкая тентовая мембрана 14, которая подвешена за верхние концы 15 стоек-распорок 16 и 16а. Крепление гибкой тентовой мембраны 14 производится известными способами, например, по фиг. 7 или 7а. При этом, тентовая мембрана закрепляется известными способами за жесткую раму 10 и верхнее опорное кольцо 20, имеющее, например, круглую или квадратную форму. Верхнее опорное кольцо 20 удерживается при помощи соединительных элементов 21, конструкция которых известна (например: стальных тросов, профилей круглого или трубчатого сечения). Вариант по фиг. 7 крепления гибкой тентовой мембраны 14 более предпочтителен для предлагаемого технического решения, так как включает гибкие поддерживающие элементы 22 (например, стальные тросы или полимерные высокопрочные связи (пояса), конструкция которых известна), уменьшающие напряжения в гибкой тентовой мембране 14.
Проем, образованный верхним опорным кольцом 20, обустраивается известными способами (на фиг. условно не показаны, т.к. не оказывают влияния на конструктивные особенности предлагаемого технического решения), например защитным фартуком, выполненным и того же материала, что и тентовая мембрана 14, либо жесткой конической насадкой. В первом случае, фартук закрепляют за верхние концы 15 стоек-распорок 16 и 16а и приклеивают к мембране 14 в зоне ее опирания на кольцо 20. Во втором варианте, коническую насадку, выполненную, например, из жесткого пластика и имеющую размеры в плане, превышающие размеры проема в кольце 20, закрепляют через кронштейны за кольцо 20, оставляя зазор между нижней кромкой насадки и поверхностью мембраны 14. Полученные свесы конической насадки препятствуют проникновению атмосферных осадков, а имеющийся зазор между кромкой насадки и мембраной 14 используется для вентиляции перекрываемого помещения.
Стойки-распорки 16 и 16а опираются своими нижними концами 17 на узлы 6 и 6а нижнего пояса 4, состоящего из центрального 18 и крайних 18а элементов. Центральный элемент 18 нижнего пояса 4 гибридной конструкции покрытия представляет собой распорку, а крайние узлы 6а нижнего пояса 4 соединены между собой напряженной затяжкой 19.
Для снижения материалоемкости гибридной конструкции покрытия, крайние элементы 18а нижнего пояса 4, а также раскосы 5а-5г решетки 2 являются напряженными растяжками, выполняемыми из гибких элементов, например, стальных тросов.
Для повышения несущей способности и надежности эксплуатации гибридной конструкции покрытия, крайние элементы 18а нижнего пояса 4, а также раскосы 5б решетки 2, соединяющие крайние узлы 6а и средние узлы 7а нижнего и верхнего поясов, являются распорками, способными воспринимать, как растягивающие, так и сжимающие усилия.
Несущая способность предлагаемой гибридной конструкции покрытия обеспечена следующим образом. Напряженная затяжка 19 передает растягивающие усилия на раскосы 5а нижнего пояса 4, вызывая сжатие стоек-распорок 16а, которые, посредством соединительных элементов 21 и верхнего опорного кольца 20 напрягают (растягивают) гибкую тентовую мембрану 14, соединенную с жесткими рамами 10.
Повороту жестких рам 10 относительно шарниров в коньке 11 при натяжении затяжки 19 препятствуют раскосы 5г, центральные элементы (распорки) 18 нижнего пояса 4 и стойки-распорки 16, которые, посредством соединительных элементов 21 и верхнего опорного кольца 20 напрягают (растягивают) гибкую тентовую мембрану 14, соединенную с жесткими рамами 10.
Таким образом, внешняя нагрузка, направленная сверху-вниз (например, собственный вес и снег) воспринимается преимущественно затяжкой 19 и раскосами 5а, а нагрузка, направленная внизу-вверх (например, ветер) воспринимается преимущественно сжатой распоркой (центральный элемент 18) и раскосами 5г.
Натяжение гибкой тентовой мембраны 14, способной работать только на растяжение, обеспечивает ее работоспособность при действии внешних нагрузок.
Усилие, передаваемое тентовой мембраной 14 на жесткие рамы 10 каркаса 9 верхнего пояса 3, направленное снизу-вверх, создает в продольных ребрах 12 рам 10 моменты (фиг. 8), обратные по знаку моментам от преобладающих внешних нагрузок, направленных сверху-вниз (например, собственный вес и снег), что приводит к повышению несущей способности предлагаемой гибридной конструкции покрытия и экономии материала: эпюра моментов от симметричной нагрузки становится знакопеременной, а абсолютные значения моментов снижаются (фиг. 9).
В связи с малой жесткостью гибкой тентовой мембраны 14 (относительно жесткостей основных несущих элементов предлагаемой гибридной конструкции покрытия, таких как: рамы 10, раскосы 5а и 5г, центральный элемент 18 и затяжка 19) и, как следствие, большой податливостью стоек-распорок 16 и 16а, применены связи (раскосы 5б и 5в, а также крайние элементы 18а нижнего пояса 4).
Также, целесообразно усиление гибкой тентовой мембраны 14 гибкими поддерживающими элементами 22 (например, стальными тросами или полимерными высокопрочными связями), уменьшающими деформативность мембраны и напряжения в ней.
Наиболее неблагоприятное воздействие на работу тентовых, вантовых и гибридных систем, в том числе, предлагаемой гибридной конструкции покрытия оказывают несимметричные внешние нагрузки (например, загружение снегом только половины пролета). Моменты в продольных ребрах 12 жестких рам 10, в этом случае, могут превысить моменты от симметричного загружения всего пролета равной или даже большей интенсивности (фиг. 10). Существенное снижение моментов в продольных ребрах 12 жестких рам 10 от несимметричных внешних нагрузок достигается применением крайних элементов 18а нижнего пояса 4, а также раскосов 5б (которые соединяют крайние узлы 6а нижнего пояса и средние узлы 7а верхнего пояса), изготовленных из стержней, работающих на сжатие (распорок) - фиг. 11.
Монтаж предлагаемой гибридной конструкции покрытия производят следующим образом:
- устанавливают две жесткие рамы 10 узлами 8 и 8а на временные шарнирно-неподвижные опоры, соединяют рамы 10 шарнирно между собой в узлах 7;
- навешивают и соединяют между собой раскосы 5а-5г, элементы нижнего пояса 4 и затяжку 19;
- крепят гибкую тентовую мембрану 14 с заранее установленными кольцами 20, соединительными элементами 21 и гибкими поддерживающими элементами 22 к продольным ребрам 12 и поперечным диафрагмам 13 установленных рам 10 известными способами;
- соединяют верхние концы 15 стоек-распорок 16 и 16а с соединительными элементами 21, производят подъем стоек-распорок 16 и 16а и установку их нижних концов 17 на узлы 6 и 6а нижнего пояса 4;
- производят создание предварительных напряжений в гибридной конструкции покрытия с постепенным освобождением горизонтальных опор в узлах 8а;
- производят установку собранной и напряженной гибридной конструкции покрытия в проектное положение.
Предварительные напряжения в гибридной конструкции покрытия создают следующими способами при помощи известных приспособлений:
1. Производят натяжение затяжки 19 и раскосов 5а, например, при помощи талрепов или стяжных муфт, при необходимости, увеличивают длину центрального элемента 18 нижнего пояса 4 муфтой (на фиг. условно не показаны).
2. Увеличивают длины стоек-распорок 16 и 16а муфтами, при необходимости, производят натяжение затяжки 19 при помощи талрепа (на фиг. условно не показаны).
К преимуществам предлагаемого технического решения относятся следующие:
1. Снижение материалоемкости и повышение несущей способности гибридной конструкции покрытия.
2. Повышение надежности работы гибридной конструкции покрытия.
3. Отсутствие распоров (горизонтальных усилий), передаваемых на опорные конструкции.
4. Снижение трудоемкости монтажа гибридной конструкции покрытия за счет одновременного создания предварительных напряжений в несущем каркасе гибридной конструкции покрытия и гибкой тентовой мембране.
5. Малый собственный вес, позволяющий применять на монтаже предлагаемой конструкции покрытия оборудование с низкой грузоподъемностью.
6. Снижение затрат на транспортировку предлагаемой конструкции покрытия на строительную площадку (возможность компактной упаковки).
7. Светопроницаемость покрытия и возможность естественной вентиляции внутреннего помещения.
ИСТОЧНИКИ
1. Патент СССР 1281651, 10.08.1983.
2. Патент РФ 2136822, 10.09.1999 (Прототип).
3. Михайлов В.В. Предварительно напряженные комбинированные и вантовые конструкции / В.В. Михайлов - М.: АСВ, 2002. - С. 117, рис. 2.62.
4. Патент США 6345638, 12.02.2002.