СФЕРИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА

СФЕРИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА
Полезная модель относится к строительным пространственным конструкциям различного назначения, в частности, для строительства деревянных, металлических, пластиковых и других сборно-разборных и стационарных сферических оболочек-куполов с пролетами от нескольких метров до нескольких сотен метров.
Известны сетчатые сферические геодезические оболочки, например, сферический сетчатый купол покрытия, состоящий из отдельных стержней, образующих треугольную геодезическую сеть стержней и узлов соединения этих стержней (кн. «Пространственные покрытия (конструкции и методы возведения) под общей редакцией Г. Рюле, т.П. М., Стройиздат, 1974, рис. 2.23 - аналог).
Недостатком известной конструкции является сложность узловых соединений, обусловленная тем, что в каждом узле сходится более четьфех стержней, каждый из которых имеет свое собственное направление в пространстве.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является сетчатый купол, выполненный в виде сферической оболочки, состоящий из соединенных между собой элементов, расположенных по геодезической сетке с четырехугольными ячейками, включающий пояса из шарнирно соединенных между собой элементов с размещением шарнирных соединений в смежных поясах со смещением на половину длины элемента, причем, каждый пояс выполнен диаметром, равным диаметру небольщой окружности купола, а его элементы выполнены в виде плоских пластин, причем, каждый пояс составлен из равного количества элементов (Авт. св. СССР № 937655, МПК Е04В 7/08 прототип).
г llflif nil  Г11МГ    МПК E04B 7/08
Недостатком известной конструкции является сложность ее изготовления, связанная со сложностью основных узловых соединений элементов, т.к. каждый из входящих в узел элементов имеет свое собственное нанравление в пространстве. Кроме этого материалоемкость конструкции завышена, а монтаж крупногабаритного купола затруднен из-за необходимости одновременного подъема в проектное положение практически всей конструкции, вес которой может достигать нескольких сотен тонн.
Задача полезной модели - упрощение конструкции и ее монтажа, а также снижение материалоемкости и трудоемкости.
Технический результат достигается за счет создания чисто сферической сетчатой поверхности, состоящей исключительно и только из взаимно пересекающихся круговых арок двух направлений. При этом число взаимно пересекающихся семейств элементов в каждом узле сетки минимально (равно двум).
Поставленная задача достигается тем, что в сферической оболочке, состоящей из элементов, расположенных по геодезической сетке и образующих рещетку, состоящую из четырехугольных ячеек с узлами соединения, в каждом узле решетки соединены элементы только двух направлений.
Поставленная задача достигается и тем, что концы элементов одного направления присоединены к серединам элементов другого направления с чередованием их в шахматном порядке.
Поставленная задача достигается и тем, что элементы (арки) одного направления геодезической сетки расположены под элементами (арками) другого направления геодезической сетки.
Поставленная задача достигается и тем, что арки двух направлений у опорного основания расположены веерообразно.
Поставленная задача достигается и тем, что оболочка выполнена в виде сборноразборной конструкции.
Поставленная задача достигается и тем, что оболочка выполнена в виде единой монолитной конструкции.
Поставленная задача достигается и тем, что монолитная конструкция представляет собой многослойную клееную конструкцию из дерева.
Поставленная задача достигается и тем, что монолитная конструкция представляет собой сварную металлическую констрзкцию.
Поставленная задача достигается и тем, что монолитная конструкция представляет собой железобетонную конструкцию.
Поставленная задача достигается и тем, что элементы в узле решетки соединены нагелем.
Поставленная задача достигается и тем, что элементы в узле решетки соединены склеиванием.
Поставленная задача достигается и тем, что узел соединения клееной конструкции зафиксирован нагелем.
Поставленная задача достигается и тем, что узел решетки является сборным, а элементы в узле связаны между собой через соединение «шип - гнездо и дополнительно закреплены соединительной пластиной, зафиксированной с каждой стороны к элементам одного направления.
Поставленная задача достигается и тем, что соединительный узел образован готовыми арочными элементами (арками) пересекаюшихся направлений, которые соединены между собой фиксируюшим (стягиваюшим) соединительным элементом - нагелем.
Поставленная задача достигается и тем, что сферическая оболочка выполнена в виде практически полной полусферической поверхности.
Поставленная задача достигается и тем, что сферическая оболочка выполнена в виде неполной полусферической поверхности с вырезами по четьфем сторонам,
Поставленная задача достигается и тем, что сферическая оболочка выполнена в виде неполной полусферической поверхности с вырезами по четырем сторонам с дополнительными контурными элементами, образующими треугольные ячейки.
Поставленная задача достигается и тем, что сферическая оболочка выполпена в виде неполной полусферической поверхности с диагональными (растянутыми или сжатыми) элементами, расположенными внутри части ячеек сетки.
На фиг. 1 изображен общий вид сферической сетчатой оболочки в виде полого купола, составленного из коротких сборных элементов (стержней, пластин, косяков и др.); на фиг. 2 - четырехугольная ячейка сферической оболочки; на фиг. 3 - узел крепления сборных элементов сферической оболочки при помощи нагеля; на фиг. 4 - узел крепления сборных элементов сферической оболочки склеиванием; на фиг. 5 - узел крепления сборных элементов сферической оболочки через соединение «шип - гнездо с дополнительным соединительным элементом, зафиксированным с каждой стороны к аркам одного направления; на фиг. 6 - узел крепления сборных элементов сферической оболочки склеиванием с дополнительным креплением нагелем; на фиг. 7 - сферическая оболочка, выполненная в виде практически полной полусферической поверхности (сетки); на фиг. 8 сферическая оболочка, выполненная в виде неполной полусферической поверхности (сетки) с вырезами по четырем сторонам; на фиг. 9 - сферическая поверхность, выполненная в виде неполной полусферической поверхности (сетки) с вырезами по четырем сторонам с дополнительными контурными элементами, образующими треугольные ячейки; на фиг. 10 сферическая оболочка, выполненная в виде неполной полусферической поверхности (сетки) с диагональными (растянутыми или сжатыми) элементами, расположенными внутри части ячеек сетки.
сферическая оболочка содержит арки 1, принадлежащие первому семейству, арки 2, принадлежащие второму семейству, арки которого пересекаются с арками первого семейства. Каждая из арок состоит из последовательно соединенных друг с другом сборных элементов, которые в совокупности образуют четырехугольную решетку с основными (промежуточными) узлами 3 соединения и контурными (опорными) узлами 4. Контурные (опорные) узлы 4 оболочки являются точками неподвижного закрепления концов арок (крайних элементов) к основанию (опорному кольцу). Сборными элементами могут быть стержни, косяки, пластины и др. Элементы арок разных направлений в узле, соединительная металлическая пластина 6, а также элементы клееной конструкции могут быть зафиксированы нагелем 5. Нагелем может быть деревянный или стальной стержень, пластинка, гвоздь, щуруп, болт, самонарезающийся винт, глухарь и т. д.
Сферическая оболочка работает следующим образом.
Сборка конструкции начинается с верхней части оболочки. От середины к опорному основанию с постепенным наращиванием длин всех арок. Сборка также может осуществляться объединением готовых секторов, каждый из которых может собираться отдельно до монтажа.
В каждом узле 3 решетки пересекаются четыре элемента, принадлежащих двум аркам разных семейств (направлений). Каждая из арок оболочки расположена по линии своего большого круга сферической поверхности, поэтому в каждом узле 3 элементы расположены по линиям только двух пересекающихся направлений, совпадающих с направлениями касательных к оболочке в данном узле.
В каждом узле элементы размещают только по двум пересекающимся направлениям. Таким образом, фактически имеет место пересечение в узле не четырех, а только двух элементов, потому что каждая пара совпадающих по направлениям элементов может (при их неразрезности) составлять один общий элемент. По существу при наличии только двух
направлений, входящнх в узел соединения элементов, имеет место уже не пространственный сложный, а плоский простой узел со всеми вытекающими отсюда последствиями. Такое совпадение направлений элементов в узлах их пересечений возможно только при одновременном выполнении двух условий: во-первых, геодезическая сетка должна иметь четырехзтольные ячейки, во-вторых, линии сетки в каждом узле должны совпадать с направлениями только двух касательных к поверхности этой сетки, проходящих через центр узла. Линиями такой сетки могут быть только линии больших окружностей, пересекающихся между собой в узлах.
Для повышения заводской готовности и обеспечения максимальной транспортабельности, сборности и разборности конструкции арки выполнены из коротких элементов-косяков-стержней-пластин полной заводской готовности, а концы элементов одного направления закреплены к серединам элементов другого направления в щахматном порядке.
Все элементы такой сферической оболочки-купола при действии вертикальных нагрузок работают в основном на сжатие.
Наличие в каждом пересечении (узле 3) только двух направлений элементов фактически превращает сложный узел пространственной конструкции в плоский простейший узел соединения элементов между собой.
Все элементы в оболочке совмещают функции основных несущих конструктивных элементов каркаса и являются одновременно прогонами, по которым устраивается кровля или настил под кровлю.
Поскольку данная оболочка представляет собой систему перекрестных арок, работающих примерно на одни и те же усилия сжатия, достигается наиболее целесообразное распределение усилий в элементах и, как следствие, наименьшая материалоемкость конструкции. В высоких оболочках с вырезами по четьфем сторонам (см. фиг. 8, 9, 10) в
арках от действия вертикальных нагрузок могут возникать существенные изгибающие моменты, которые необходимо учитывать в реальном проектировании.
Для дополнительного уменьшения материалоемкости и повышения жесткости оболочки в отдельные ячейки его сетки можно устанавливать диагональные растяжки или распорки по расчету в зависимости от действующих нагрузок.
Узлы соединений элементов между собой могут быть как разъемными (для сборноразборных конструкций), так и неразъемными, обеспечивающими монолитность всей конструкции. Конструкция в целом может составляться из отдельных элементов длиной, равной длине двух ячеек сетки. В этом случае имеем кружально-сетчатый сферический купол-оболочку. В этом случае возможен монтаж участков-секторов, объединяемых между собой на строительной площадке.
Использование заявляемой полезной модели по сравнению с аналогами обеспечивает снижение затрат на изготовление и монтаж, а также уменьшение материалоемкости (более, чем на 30 %) при одновременном еще более существенном снижении затрат на изготовление конструкции.
Простота изготовления, высокая индустриальность и низкая материалоемкость конструкции при ее высокой эстетичности будут способствовать существенному расширению области ее применения: садовая беседка, пленочная теплица, отдельный крытый павильон, купола церквей и храмов, сборно-разборная опалубка для бетонирования железобетонных подземных и надземных купольных перекрытий, быстровозводимый каркас большепролетных легких конструкций и т.д.
Данная оболочка может изготавливаться не только из металла, дерева, пластмасс, но также из железобетонных элементов.