ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ СТЕРЖНЕВОЙ КАРКАС
SPATIAL ROD FRAME

Изобретение относится к области строительства, в частности к пространственному стержневому каркасу, и может быть использовано для создания стеновых конструкций, колонн, опор, перекрытий и сложных купольных сооружений различного назначения.
Известна структурная композиция Никифорова (патент на изобретение СССР №1636539, МПК E04B 7/00, опубл. 23.03.1991 г.), включающая объединенные в узлы стержневые элементы, имеющие симметричную угловую ориентацию осей, при этом каждый узел выполнен с возможностью присоединения к нему не более четырнадцати стержневых элементов с образованием условного ромбододекаэдра с центром в центре узла структуры. Стержневые элементы ориентированы по осям ромбододекаэдра по семи сквозным направлениям с общей точкой пересечения в центре узла.
В документе описывается возможность сборки конструкций различных форм, но отсутствует описание способа или типа соединения узловых и стержневых элементов.
Известен пространственный каркас зданий и сооружений, включающий узловое соединение стержней системы МАРХИ (патент на изобретение РФ №2577339, МПК E04B 1/58, опубл. 20.03.2016 г.), включающий узловое соединение стержней системы МАРХИ, осуществляемое посредством многогранного сферического или полусферического узлового элемента с резьбовыми отверстиями, к которым присоединены стержни каркаса. По концам стержней имеются наконечники, включающие соединительный элемент с отверстием, прикрепленный к торцу стержня, через которое пропущен болт, на который надета втулка. Для контакта на наружной поверхности болта имеется продольная лыска, а на внутренней поверхности втулки выступ. Путем вращения втулки и наличия контакта выступа с лыской создается вращательно-поступательное движение болта в сторону узлового элемента.
Недостатками данного технического решения являются усложненный механизм стыковки стержня и узлового элемента, большие трудозатраты на соединение деталей и изготовление таких деталей.
Наиболее близким аналогом является пространственный решетчатый каркас для установки панелей с различными многогранными узловыми точками и стержнями (патент на изобретение Германии №2436628, МПК E04B 1/19, опубл. 08.04.1976 г.), состоящий из стержней и узловых точек и предназначенный для облегчения полного заполнения панелями пространства между стержнями. Узловые точки для вставки представляют собой многогранники с гранями, включающими правильные восьмиугольники, правильные шестиугольники и квадраты; грани, включающие шестиугольники и квадраты; и грани, включающие восьмиугольники и квадраты. Площади поперечного сечения стержней совпадают с гранями этих узловых точек. Соединение может быть выполнено винтовыми муфтами внутри концов стержня и резьбовыми отверстиями в узловых точках. Возможно наличие уплотнительного элемента внутри стержня.
Недостатками данного технического решения являются усложненный механизм стыковки стержня и узлового элемента, повышенные трудозатраты на соединение деталей и изготовление таких деталей. Изобретение имеет винты на концах стержневых элементов для скрепления с узловым элементом и требует использования дополнительных элементов для фиксации винта. Сквозные отверстия в стержнях для обеспечения доступа к винтам ведут к ослаблению стенок и снижению прочностных характеристик стержня. Кроме того, существует необходимость использования специального инструмента для работы с винтом. Изобретение не имеет унификации деталей, так как подразумевает использование нескольких типов узловых элементов с разным количеством плоскостей и стержней с разным сечением в плане.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении производства деталей пространственного стержневого каркаса, снижении трудоемкости строительно-монтажных работ и обеспечении универсальности для применения в стержневых системах с различными углами примыкания стержней в составе одной конструкции.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в упрощении и повышении скорости сборки за счет унификации деталей при одновременном сохранении прочности пространственного стержневого каркаса.
Технический результат достигается тем, что пространственный стержневой каркас включает стержни и узловые элементы многогранной формы с резьбовыми отверстиями на гранях для крепления стержней, при этом стержни имеют трубчатую цилиндрическую форму и выполнены с наружной резьбой на концах, диаметр наружной резьбы стержня соответствует диаметру резьбового отверстия, и дополнительно содержит муфту с внутренней резьбой, выполненную с возможностью разъемного соединения стержней.
Далее изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1. Общий вид пространственного стержневого каркаса.
Фиг. 2. Общий вид узлового элемента.
Фиг. 3. Вид в разрезе узлового элемента в секущей плоскости А-А.
Фиг. 4. Вид в разрезе узлового элемента в секущей плоскости Б-Б.
Фиг. 5. Вид в разрезе узлового элемента в изометрии.
Пространственный стержневой каркас (1) содержит стержни (2), узловые элементы (3) с отверстиями (4) для крепления стержней (2), и муфту (5) для последовательного соединения стержней (2). Пространственный стержневой каркас (1) может дополнительно включать шестигранные контргайки для фиксации муфты (5) (фиг. 1).
Стержень (2) пространственного стержневого каркаса (1) представляет собой полую монолитную цилиндрическую трубу. На обоих концах стержня (2) выполнена наружная резьба для непосредственного крепления к узловому элементу (3).
Узловой элемент (3) пространственного стержневого каркаса (1) представляет собой элемент многогранной формы, являющейся производной от октаэдра или тетрагексаэдра. Узловой элемент (3) имеет четырнадцать граней, шесть из которых выполнены в форме квадрата (6), а остальные восемь граней выполнены в форме шестиугольников (7) с равными углами и разными длинами сторон. Длина сторон квадрата (6) соответствует наиболее длинной стороне шестиугольника (7) (фиг. 2).
На каждой из граней имеется глухое резьбовое отверстие для крепления стержней (2). Отверстие (4) имеет цилиндрическую резьбовую часть под стержни и усеченную коническую часть. Конические части, остающиеся пустыми при установке стержней, выполнены для снижения веса и экономии материалов. Диаметр резьбового отверстия (4) соответствует диаметру наружной резьбы стержня (2) (фиг. 3).
Шесть отверстий на гранях в форме квадратов (6) образуют ортогональные векторы, направленные друг к другу под углом 90°(фиг. 4). Отверстия на соседних гранях в форме шестиугольников (7) образуют векторы, направленные друг к другу под углом ±71°(α), а на гранях в форме шестиугольников (7), симметричных относительно оси, проходящей через центр грани в форме квадратов (6), под углом ±109°(β). Отверстия на соседних гранях в форме квадратов (6) и шестиугольников (7) образуют векторы, направленные друг к другу под углом ±54,5°(β/2) (фиг. 5).
Муфта (5) выполнена призматической с внутренней резьбой. В зависимости от используемых инструментов муфта (5) может иметь разную модификацию, например форму шестиугольника, треугольника или прямоугольника в сечении, преимущественно шестиугольника. При ручной сборке грани муфты служат для сцепления и исключения проскальзывания пальцев.
Муфта (5) предварительно ввинчена на всю длину в один из концов стержня. Муфта (5) служит для последовательного разъемного соединения стержней (2), при этом диаметр наружной резьбы стержня (2) соответствует диаметру внутренней резьбы муфты (5) (фиг. 1).
Пространственный стержневой каркас 1 может включать шестигранные контргайки (не показаны) для предотвращения отвинчивания и устранения люфтов муфты (5) в процессе эксплуатации. Контргайки устанавливаются с двух сторон от муфты (5).
Материалы, применяемые в деталях конструкции, композитные, легкие из различных материалов с различными характеристиками в зависимости от требований, и обеспечивающие возможность отливки в термопластавтоматах (ТПА).
Детали возможно изготавливать как из первичного сырья, так и из регранулята (вторсырья, отходов).
Детали имеют относительно малый вес и малые геометрические размеры, что позволяет транспортировать их любым видом транспорта с малой грузоподъёмностью. Малый вес достигается не только использованием указанных материалов, но и за счет усеченных конических частей отверстия (4) узлового элемента (3), которые остаются пустыми после установки стержней (2). Малый вес и малые геометрические размеры позволяют собирать каркас от относительно малых размеров и форм до бесконечно больших. Также предварительно возможно подготовить сборочные единицы, частичный или полный каркас (префаб).
Простота монтажных операций делает возможным применение роботов и манипуляторов и автоматизировать все виды процессов от изготовления до сборки, что сокращает трудозатраты и увеличивает скорость.
Сборку могут осуществлять люди без специальных знаний и инструментов.
Сборку пространственного стержневого каркаса осуществляют в следующей последовательности.
Предварительно устанавливают размеры и необходимое количество стержней (2) и узловых элементов (3), удовлетворяющих условию статической определимости конструкции. Концы стержней (2) подводят к резьбовым отверстиям (4) узлового элемента (3) и ввинчивают. Ввинчивание до упора позволяет получить необходимую прочность соединения. Стержни (2) соединяют между собой с помощью муфты (5), предварительно установленной на конце стержня (2). При необходимости предотвращения отвинчивания муфты (5) и устранения люфта устанавливают и затягивают контргайки.
Преимущества заявляемого изобретения:
- возможность комбинирования различных материалов с различными характеристиками;
- возможность сокращения отходов за счет применения вторсырья;
- высокоскоростное производство цельных деталей на термопластавтомате;
- исключение проблемы транспортировки любыми видами транспорта;
- высокая скорость сборки за счет простоты деталей, малых размеров, малого веса и резьбового соединения;
- минимизация трудозатрат;
- достижение любых геометрических размеров за счет масштабируемости;
- архитектурная свобода;
- возможность автоматизации и роботизации процессов производства и сборки деталей.