УЧЕБНЫЙ КОНСТРУКТОР ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФЕРМ

Изобретение относится к учебным моделям и может быть использовано при изучении курса строительной механики и сопротивления материалов для развития у учащихся умения активно влиять на проект сооружения, подчиняя конструкцию требованиям распределения в ней усилий рациональным образом.
Известен тензометр Гугенбергера, закрепленный на конструкции между точками, где необходимо изменять деформацию, представляющий собой рычажное устройство, применение которого обеспечивает преобразование малых перемещений точек крепления тензометра в значительное перемещение стрелки вдоль его шкалы [см. Р.И.Анонов, Испытание сооружений, М. Высшая школа, 1974, с.109-111].
Недостатком известного устройства является то, что оно не может быть использовано в качестве демонстрационного прибора, кроме того, высокая чувствительность тензометра приводит к значительным погрешностям измерения.
Известен учебный прибор, представляющий собой силовую раму с установленной на ней нагружаемой через специальные приспособления плоской фермой. Стержни фермы представляют собой элементы, при приложении нагрузки к которым происходит сокращение или увеличение их длины за счет включенного в их конструкцию упругого элемента. Эти изменения длины стержня сопровождаются включением или выключением лампочек соответствующими микровыключателями (см. а.с. СССР №1305760, М. кл. 3 В 09 В 23/06, 1987 г.).
Недостатком данной конструкции является сложность построения пространственных конструкций для визуализации возникающих в конструкции усилий.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является учебный прибор по сопротивлению материалов и строительной механике, содержащий силовую раму и плоскую ферму, состоящую из набора соединенных шарнирными узлами стержней, каждый из которых включает упругий элемент, силовая рама имеет гнезда для перестановки нагружающих устройств и фиксации шарнирных узлов, стержень фермы состоит из двух жестких стрежней, соединенных между собой упругим элементом, находящимся в обойме, жестко соединенный с одним из стержней, к которому также шарнирно крепится стрелка и жестко прикреплена шкала, а к другому стержню крепится тяга, шарнирно соединенная со стрелкой [см. патент №2010345 Учебный прибор по сопротивлению материалов и строительной механике).
Недостатком данной конструкции является невозможность построения пространственных конструкций из-за конструкции узлов для визуализации деформированного состояния и для определения усилий в стержнях конструкции.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей и области применения за счет построения пространственных конструкций и для визуализации процесса деформирования определения усилий, действующих на конструкцию в пространстве.
Задача полезной модели достигается тем, что учебный конструктор пространственных ферм, содержащий основание с гнездами для фиксации шарнирных узлов и ферму, состоящую из набора соединенных шарнирными узлами стержней, каждый стержень фермы состоит из двух жестких частей и упругого элемента со стрелкой между ними, установленного в обойме, жестко соединенной с одной из частей стержня, с которым связана шарнирная стрелка, у которого узлы фермы выполнены из пространственно ориентированных под разными углами набора скошенных фасонок с отверстиями для шарнирного крепления стержней, причем другие концы фасонок выполнены скошенными и жестко соединены в узел, оси всех стержней пересекаются в одной точке, а
основание с гнездами для фиксации фермы прикреплено к ферме с помощью углового элемента.
Введение в учебный конструктор пространственных ферм узлов ферм, выполненых из пространственно ориентированных под разными углами набора скошенных фасонок с отверстиями для шарнирного крепления стержней, причем другие концы фасонок выполнены скошенными и жестко соединены в узел, оси всех стержней пересекаются в одной точке, а основание с гнездами для фиксации фермы прикреплено к ферме с помощью углового элемента, позволяет расширить функциональные возможности и область применения за счет построения пространственных конструкций: усеченной пирамиды, параллелепипеда, криволинейных поверхностей, сферической, цилиндрической и других форм, создает возможность визуального наблюдения за процессом деформирования, создает возможность определения усилий, действующих на конструкцию в пространстве, улучшает его демонстрационные возможности.
Учебный конструктор пространственных ферм поясняется фигурами, где:
на фиг.1 - пространственная конструкция в виде параллелепипеда,
на фиг.2 - узел соединения фермы,
на фиг.3 - вариант узла соединения стержней фермы,
на фиг.4 - узел крепления фермы к: основанию,
на фиг.5 - конструкция стержня фермы,
на фиг.6 - пространственная конструкция в виде сферы,
Полезная модель учебного конструктора пространственных ферм содержит (см. фиг.1) основание 1 с гнездами для фиксации шарнирных узлов и ферму 2. Ферма 2 состоит из набора соединенных шарнирными узлами 3 стержней 4. Каждый стержень фермы 4 состоит из двух жестких частей 5 и упругого элемента со стрелкой между ними 6, установленного в обойме 7 (см. фиг.5), жестко соединенной с одной из частей стержня, с которым связана стрелка 8.
Узлы фермы 3 (см. фиг.2) выполнены из пространственно ориентированных под разными углами набора скошенных фасонок 9 с отверстиями в них 10 для шарнирного крепления стержней 4. Фасонки 9 своими скошенными концами жестко соединены в узел 11, причем оси всех стержней 3
пересекаются в одной точке по оси узла. Конструктор пространственных ферм к основанию 1 шарнирно крепится с помощью углового элемента 12 в нескольких точках. Соединение стержней 4 осуществляется гайками с болтами (см. фиг.4).
Узел фермы 3 (см. фиг.3) может быть выполнен для различного соединения стержней 4 в более упрощенном варианте. Количество скошенных фасонок 9 с отверстиями 10 в шарнирных узлах 3 и их ориентация выбираются в зависимости от пространственной формы фермы (усеченной пирамиды, параллелепипеда, криволинейных поверхностей: сферической, цилиндрической и другой формы).
Учебный конструктор пространственных ферм собирается следующим образом.
С помощью шарнирных узлов 3 фермы 2 соединяются стержни 4 в зависимости от формы выполнения ферм - параллелепипеда, усеченной пирамиды сферической фермы и др. крепежными элементами. Крепление конструктора пространственных ферм к основанию 1 осуществляется с помощью углового элемента 12 в нескольких точках.
После сборки учебного конструктора пространственных ферм осуществляется нагружение фермы 2, при этом стержни 4 под действием нагрузки деформируются. При действии на стержень 4 растягивающий усилий, упругий элемент 6 стержня 4 удлиняется, расстояние между точками крепления стрелки 8 к стержню 4 увеличивается, стрелка 8 отклоняется от своего первоначального положения. При снятии нагрузки стрелка 8 возвращается в исходное состояние. При действии на стержень 4 сжимающих усилий, упругий элемент 6 между жесткими частями стержня 4 сокращается, что приводит к отклонению стрелки от исходного положения в направлении, обратном тому, которое наблюдалось при растяжении.
Под действием различных нагрузок учебный конструктор пространственных ферм деформируется и позволяет наглядно наблюдать действие нагрузок как растягивающих, так и сжимающих.
Предложенный учебный конструктор пространственных ферм позволяет визуально наблюдать возникающие усилия в пространственных конструкциях, может быть использован в качестве демонстрационного прибора. Данный прибор испытан работает в лаборатории на кафедре «Строительной механики и управления конструкциями».