ШАРНИРНЫЙ УЗЕЛ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТЕРЖНЕВОЙ КОНСТРУКЦИИ РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ
HINGE JOINT OF SPATIAL BEAM STRUCTURE OF REGULAR STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства быстровозводимых пространственных стержневых конструкций (ПСК), которые могут быть использованы при сооружении спортивных, выставочных, курортных временных зданий и сооружений.
Известно узловое соединение трубчатых стержней пространственного каркаса [авторское свидетельство СССР №678155, E04B 1/58, дата 05.08.79]. Узловое соединение состоит из трубчатых стержней, в торцах которых закреплены дисковые вкладыши, к которым в свою очередь прикреплены колпаки с цилиндрическими пружинами, болтов, пропущенных через отверстия в дисковых вкладышах и снабженных поводковыми гайками с штифтами, а также из узлового элемента с нарезными отверстиями, верхняя часть которых выполнена ненарезной, с заходной фаской.
К недостаткам данного узлового соединения относится большое количество деталей и сложность изготовления оголовков трубчатых стержней, высокая материалоемкость узлового элемента, трудоемкость и сложность монтажа пространственных каркасов на площадке строительства.
Наиболее близким к предложенному изобретению, взятым за аналог, является узел соединения стержней трасформируемого пространственного каркаса [авторское свидетельство СССР №1392220, E04B 1/58, дата 30.04.1988 г.]. Узел соединения стержней трансформируемого пространственного каркаса, включающий имеющие центральный стяжной болт прижимные детали (прижимные верхний и нижний диски) и расположенные между ними радиально в плане наконечники стержней со сферическими головками, прижимные детали (прижимные диски) выполнены со сферическими лунками на обращенных одна к другой поверхностях и радиальными прорезями и дополнительно соединены болтами (фиксирующими болтами), размещенными между прорезями.
К недостаткам относятся ослабленные места под центральным стяжным болтом и ослабленные места под дополнительные болты, что требует использования дисков большой толщины и массы, что увеличивает массу узла в целом.
Задачей изобретения является повышение несущей способности, снижение трудозатрат и сроков монтажа ПСК, также возможность многократной сборки и разборки узла.
Техническим результатом изобретения является повышение несущей способности узла, за счет усиления втулками прижимных дисков под центральным стяжным болтом и фиксирующими болтами, что позволяет избежать возможного разрушения или появления пластических деформаций в ослабленных местах прижимных дисков.
Технический результат обеспечивается при помощи шарнирного узла пространственной стержневой конструкции регулярной структуры, который включает имеющие центральный стяжной болт прижимные верхний и нижний диски, выполненные со сферическими лунками на обращенных одна к другой поверхностях и радиальными прорезями и расположенные между ними радиально в плане наконечники стержней со сферическими головками, пять фиксирующих болтов, размещенных между прорезями, причем дополнительно содержит втулки под центральный стяжной болт и под пять фиксирующих болтов, что повышает несущую способность, и позволяет избежать появления пластических деформаций. Кроме того, за счет того, что втулки имеют резьбу и сразу на заводе прикрепляются к нижнему прижимному диску, то при монтаже фиксирующие болты сразу вкручиваются в нижний прижимной диск и нет необходимости в гайках, что сокращает сроки монтажа.
На фиг. 1 показан вид узла ПСК регулярной структуры, на фиг. 2 показан прижимной диск, на фиг. 3 показана втулка, на фиг. 4 приведены результаты численного эксперимента в программном комплексе Ansys.
Шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры, состоит из прижимного верхнего диска 1 и прижимного нижнего диска 2, которые имеют на обращенных одна к другой поверхностях радиально расположенные сферические лунки (на фиг. не обозначены) и прорези (на фиг. не обозначены) от каждой лунки до наружного контура. Прижимные верхний 1 и нижний 2 диски соединены центральным стяжным болтом 3 и пятью фиксирующими болтами 4, расположенными по окружности между прорезями. Наконечники 5 стержней 6 со сферическими головками жестко закреплены в лунках между прижимными верхним и нижним дисками 1, 2. К нижнему прижимному диску 1 под центральным стяжным болтом 3 и пятью фиксирующими болтами 4 ввинчены втулки 7.
Рассмотрим процесс монтажа шарнирного узла пространственной стержневой конструкции регулярной структуры.
В заводских условиях изготавливается соединение стержней 6 в узле с закреплением сферических наконечников 5 стержней 6 между прижимными верхним диском 1 и нижним дисками 2 с помощью центрального стяжного болта 3. Также в заводских условиях к нижнему прижимному диску 2 вкручиваются втулки 7 в отверстия под центральный стяжной болт 3 и фиксирующие болты 4.
На монтажной площадке стержни 6 разворачиваются в проектное положение, собирается пространственная конструкция и устанавливается соответственно проекту, после чего затягиваются пять фиксирующих болтов 4. При этом сферические наконечники 5 плотно зажимаются между прижимными верхним и нижним дисками 1 и 2, что исключает возможность прощелкивания стержней 6. За счет того, что втулки 7 имеют резьбу и сразу на заводе прикрепляются к прижимному нижнему диску 1, то при монтаже фиксирующие болты 4 сразу вкручиваются во втулки и нет необходимости в гайках, что сокращает сроки монтажа. Узел скрепляется фиксирующими болтами 4, а не сваркой и прочими крепежами, поэтому конструкция может использоваться многократно, т.е. в некоторых регионах нашей страны востребованы быстровозводимые легкие ПСК сезонных спортивных и зрелищных сооружений, которые могут быть смонтированы в короткие сроки и, при необходимости, легко демонтированы. После использования ПСК, фиксирующие болты 4 ослабляются, сферические наконечники 5 стержней 6 расслабляются, после чего конструкция ПСК разбирается и компактно складывается до следующей эксплуатации.
Повышение несущей способности узла добиваются усилением втулками под центральный стяжной болт 3 и под пять фиксирующих болтов прижимных дисков 1 и 2, что позволяет избежать возможного разрушения или появления пластических деформации в ослабленных местах прижимных дисков 1 и 2, был проведен численный эксперимент в программном комплексе Ansys, результаты которого отображены на фиг. 4.
Для упрощения расчета и снятия влияния стержней 6 на напряженно-деформированное состояние (НДС) узла - стержни 6 были заменены только на сферические наконечники 5, три из которых были опорными - т.е. жестко закреплены к «земле», к трем другим приложена нагрузка, значение которой показано на фиг. 4, А. Задача решалась в нелинейной постановке. Материал узлов - конструкционная сталь. Контактное взаимодействие: между наконечниками 5 и прижимными верхним и нижним дисками 1 и 2 - нелинейное с учетом трения, между фиксирующими болтами 4 и нижним прижимным диском 2 - неразрывное, между фиксирующими болтами 4 и верхним прижимным диском 1 - нелинейное без учета трения.
В результате численного эксперимента были получены значения суммарных деформаций, возникающих в шарнирном узле пространственной стержневой конструкции регулярной структуры, что показано на фиг. 4, Б.
Проведенный численный эксперимент показал, что в шарнирном узле пространственной стержневой конструкции регулярной структуры пластических деформаций нет (фиг. 4, В). Анализ результатов конечно-элементного моделирования узла ПСК позволяет сделать вывод о его надежности. Установка втулок обеспечивает достаточную несущую способность узла и отсутствие чрезмерных деформаций прижимных дисков. Такая конструкция узла может быть внедрена для массового производства ПСК.