СФЕРИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА
SPHERICAL SHELL

Изобретение относится к различным областям техники, в частности к конструкциям сферических оболочек в области - строительства и может быть использовано для строительства купольных сооружений.
Сферические оболочки - это многогранники, вписанные в сферическую поверхность вращения. Они обычно образуются в виде решетки из треугольников, трапеций, ромбов, пятиугольников, шестиугольников и других фигур. Стержни решетки в узлах сферических оболочек соединяются шарнирно. Несмотря на внешнюю ажурность и легкость сферических оболочек, их изготовление до сих пор остается крайне дорогостоящим и трудоемким делом. Именно сложность технологии строительства сдерживает более широкое применение этих конструкций.
Аварии строительных сооружений, обязывают проектировщиков обращать особое внимание на обеспечение достаточной прочности, устойчивости и жизнеспособности проектируемых объектов. Одним из путей достижения этой цели является применение надлежащим образом изученных и апробированных в строительной практике конструктивных элементов. К таким конструктивным элементам из класса купольных покрытий относятся оболочки, имеющие замкнутую сферическую форму. Такая модификация оболочки отличается, прежде всего, тем, что это, индивидуальный конструктивный элемент в максимальной степени обеспечивающий прочность, устойчивость и жизнеспособность сооружения.
Известны сферические оболочки с разбивкой сферы на элементы геодезическими линиями - окружностями с радиусами, равными радиусу сферы. / Г. Павлов, А. Супрун «Геодезические купола: проектирование на современном уровне» sapr.ru>article/16093/.
Недостатком известных конструкций сферических оболочек является то, что при перекрытии сооружений больших объемов значительно увеличивается число элементов конструкции имеющих различные размеры и соответственно усложняются расчеты, связанные с определением их размеров и положения их в собираемой оболочке, что усложняет технологию, строительства сооружения, что ведет к удорожанию и неэффективности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является сферическая оболочка, состоящая из стержневых элементов и шарниров, образующих плоскую решетку с возможностью трансформирования ее в форму сферической поверхности вращения, в которой плоская решетка образована, по меньшей мере, из трех фрагментов, соединенных шарнирами в равносторонний треугольник в виде решетки с треугольными ячейками, причем каждый фрагмент состоит из трех пространственных шестизвенных механизмов, соединенных шарнирами в равносторонний треугольник в виде решетки с треугольными ячейками, при этом стержневые элементы, являющиеся звеньями пространственных шестизвенных механизмов, выполнены одинаковой длины, продольные оси стержневых элементов, прилегающих к шарниру, перпендикулярны осям шарниров и выполнены с возможностью пересечения с ними, а оси шарниров стержневых элементов развернуты на различные углы, в первом случае на угол 90°, во втором случае на угол 60°. (патент РФ N 2665638, кл. Е04В 1/32, "Сетчатая оболочка". Опубл. 29.07.2018. Бюл. №25).
Недостатками известной конструкции являются:
- сложность монтажа конструкции, связанная с необходимостью проведения работ по фиксированию сферической оболочки в проектном положении на высоте, например, опорным узлом основания;
- недостаточная прочность, устойчивость и жизнеспособность конструкции, в связи с тем, что она имеет форму кругового сегмента, а не форму полностью замкнутой сферы.
Решаемой задачей изобретения является упрощение конструкции сферической оболочки, не требующей операции фиксирования конструкции в проектном положении на высоте, обеспечение максимальной прочности, устойчивости и жизнеспособности конструкции, расширение функциональных возможностей ее трансформирования из плоского вида в замкнутую сферическую форму.
Техническим результатом от использования изобретения является создание простой, прочной, устойчивой сферической оболочки, с возможностью трансформирования из плоского вида в форму замкнутой сферической поверхности вращения за счет расширения ее функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в сферической оболочке, состоящей из стержневых элементов и шарниров, образующих плоскую решетку с возможностью трансформирования ее в форму сферической поверхности вращения, в которой плоская решетка образована из фрагментов, фрагмент состоит из трех пространственных шестизвенных механизмов, соединенных шарнирами в равносторонний треугольник в виде решетки с треугольными ячейками, а стержневые элементы выполнены одинаковой длины и являются звеньями пространственных шестизвенных механизмов, согласно которой, сферическая оболочка образована из четырех секторов, которые в свою очередь образованы из двух фрагментов, состоящих из трех пространственных шестизвенных механизмов, которые соединены шарнирами в ромб, с возможностью фиксации в проектное замкнутое положении.
Способствует достижению технического результата и образование сферической оболочки из пяти секторов, а секторов из четырех фрагментов, состоящих из трех пространственных шестизвенных механизмов, которые соединены шарнирами в параллелограмм, с возможностью фиксации в проектное замкнутое положение.
Для пояснения технической сущности предлагаемого изобретения рассмотрим чертежи:
фиг. 1 - фрагмент плоской решетки;
фиг. 2 - пространственный шестизвенный механизм;
фиг. 3 - сектор сферической оболочки;
фиг. 4 - сектор сферической оболочки;
фиг. 5 - сферическая оболочка;
фиг. 6 - сферическая оболочка
На прилагаемых чертежах обозначено:
1 - фрагмент плоской решетки;
2 - пространственный шестизвенный механизм;
3 - шарнир;
4 - шарнир;
5 - стержневой элемент;
6 - шарнир;
7 - сектор сферической оболочки, состоящий из двух фрагментов плоской решетки;
8 - сектор сферической оболочки, состоящий из четырех фрагментов плоской решетки;
9 - сферическая оболочка;
10 - пятиугольник;
11 - восьмиугольник;
12- сферическая оболочка;
13 - шестиугольник;
14 - пятиугольник.
На фиг. 1 представлен фрагмент плоской решетки 1, который состоит из трех пространственных шестизвенных механизмов 2, соединенных в треугольник шарнирами 3. В вершинах треугольника расположены шарниры 4. Оси шарниров 4 перпендикулярны плоскости решетки, а оси шарниров 3 расположены в плоскости решетки.
Пространственный шестизвенный механизм 2, показанный на фиг. 2, состоит из шести стержневых элементов 5, соединенных шестью шарнирами 6 в треугольник, при этом стержневые элементы 5, являются звеньями пространственного шестизвенного механизма 2, продольные оси стержневых элементов 5, прилегающих к шарниру, перпендикулярны осям этих шарниров и выполнены с возможностью пересечения с ними, а оси шарниров стержневых элементов 5 развернуты на угол 90°.
На фиг. 3 представлен сектор сферической оболочки 7 в трансформированном виде. Сектор сферической оболочки 7 состоит из двух фрагментов плоской решетки 1, состоящих из трех пространственных шестизвенных механизмов, которые соединены шарнирами 4 в ромб, с возможностью фиксации в проектное замкнутое положении.
На фиг. 4 представлен сектор сферической оболочки 8 в трансформированном виде. Сектор сферической оболочки 8 состоит из четырех фрагментов плоской решетки 1, состоящих из трех пространственных шестизвенных механизмов, которые соединены шарнирами 4 в параллелограмм, с возможностью фиксации в проектное замкнутое положение.
Трансформирование секторов сферической оболочки 7 и 8 производится следующим образом. Стержневые элементы 5 раскладывают на плоскости собирают шестизвенные пространственные механизмы 2, для этого соединяют концы стержневых элементов 5 в шарнирах 6, собирают фрагменты плоской решетки 1, для этого соединяют шестизвенные пространственные механизмы 2 в шарнирах 3, собирают сектора сферической оболочки 7 (или 8) в ромб (или параллелограмм) для этого соединяют фрагменты плоской решетки 1 в шарнирах 4. Полученный сектор сферической оболочки 7 (или 8) является сборкой состоящей из шести (или двенадцати) пространственных шестизвенных механизмов 2. Вращением, по меньшей мере, одного стержневого элемента 5 шестизвенного пространственного механизма 2 в шарнире 6 трансформируют фрагменты плоской решетки 1 в форму сферической поверхности вращения.
Соединением четырех секторов, которые в свою очередь образованы из двух фрагментов, состоящих из трех пространственных шестизвенных механизмов, которые соединены шарнирами в ромб, с возможностью фиксации в проектное замкнутое положении.
Соединением сферической оболочки 7 в шарнирах 4 образуется замкнутая сферическая оболочка 9, показанная на фиг. 5. Сферическая оболочка 9 вписана в многогранник, состоящий из 24-х пятиугольников 10 и шести восьмиугольников 11.
Соединением пяти секторов, которые в свою очередь образованы из четырех фрагментов, состоящих из трех пространственных шестизвенных механизмов, которые соединены шарнирами в параллелограмм, с возможностью фиксации в проектное замкнутое положение.
Соединением сферической оболочки 8 в шарнирах 4 образуется замкнутая сферическая оболочка 12, показанная на фиг. 6. Сферическая оболочка 12 вписана в многогранник, состоящий из 30-ти шестиугольников 13 и 12-ти пятиугольников 14.
По своим технико-экономическим преимуществам по сравнению с известными аналогами представленные варианты сферической оболочки 8 и 9 показывают на возможность создания простой сферической оболочки, способной трансформироваться из плоского вида в форму замкнутой сферической поверхности вращения за счет упрощения конструкции сферической оболочки, не требующей операции ее фиксирования в проектном положении на высоте и обеспечения максимальной прочности, устойчивости и жизнеспособности конструкции, путем расширения функциональных возможность ее трансформирования из плоского вида в замкнутую сферическую форму.