СТЕРЖНЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ДЛЯ СТРУКТУРНОЙ КОНСТРУКЦИИ
ROD ELEMENT WITH PRESTRAIN FOR STRUCTURAL CONSTRUCTION

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в шарнирно-стержневых и перекрестных системах, трехгранных (трехпоясных) фермах, структурах и других пространственных стержневых конструкциях.
Известно техническое решение, принятое в качестве аналога и представляющее собой сварное стыковое соединение трубчатых стержней с равными размерами поперечного сечения и с парными соосными продольными прорезями, в котором для круглых сечений боковые кромки каждой из прорезей отогнуты по радиальным направлениям в противоположные друг от друга стороны с зазорами, равными толщине сечения [Марутян А.С., Кобалия Т.Л., Павленко Ю.И. Сварное стыковое соединение трубчатых стержней. - Патент №2429329, 20.09.2011, бюл. №26]. Недостаток аналога заключается в неразъемности сварного стыкового соединения стержневого элемента, что усложняет процесс управления (регулирования) напряженно-деформированным состоянием структурной (пространственно-стержневой) конструкции при помощи предварительного натяжения этого элемента.
Наиболее близким (принятым в качестве прототипа) к предлагаемому является техническое решение в виде пространственного покрытия из перекрестной системы, опертого по углам и содержащего внутренние фермы и равновысокие им контурные фермы со стержневыми элементами приопорных панелей нижних поясов, снабженных реверсивными устройствами из стяжных шпилек и тарельчатых пружин для регулирования предварительным напряжением опорных узлов с перераспределением реактивных и пролетных моментов контурных несущих элементов перекрестной системы. Каждый из стержневых элементов состоит из одной ствольной части и пары опорных частей. Опорная часть выполнена в виде обоймы стаканной формы, дном которой является плита с деталями шарнира для соединения с опорной конструкцией или нижним поясом контурной фермы. Патрубки для пропуска стяжных шпилек закреплены на углах боковых граней обоймы опорной части при помощи двух диафрагм. На угловых участках этих же граней в промежутках между плитами и патрубками выполнены прорези для размещения торцевых кронштейнов ствольной части. Патрубки для пропуска стяжных шпилек закреплены на кронштейнах при помощи двух диафрагм [Марутян А.С. Пространственное покрытие из перекрестной системы. - Патент №2539524, 10.01.2015, бюл. №2]. К недостаткам прототипа следует отнести сложность его конструктивно-компоновочного оформления и двойное комплектование реверсивных устройств у каждого из стержневых элементов. Кроме того, прототип имеет определенные ограничения по функциональному назначению, так как его реверсивные устройства обладают возможностью только однонаправленного (одностороннего) действия, обеспечивающего сжатие, но исключающего растяжение.
Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение конструктивно-компоновочного оформления стержневого элемента с предварительным напряжением для структурной конструкции, а также возможность его универсального функционирования при разнонаправленном (разностороннем) действии, обеспечивающего и сжатие, и растяжение.
Указанный технический результат достигается тем, что в стержневом элементе с предварительным напряжением для структурной конструкции, собираемом из двух одинаковых частей посредством парных соосных продольных прорезей и снабженном реверсивным устройством из фланцев под стяжные шпильки с тарельчатыми пружинами, фланцы установлены с зазорами для пропуска вставленных друг в друга участков стержневого элемента и при растяжении закреплены в корневых зонах прорезей, а при сжатии - в торцевых зонах тех же прорезей.
Предлагаемый стержневой элемент с предварительным напряжением обладает достаточно универсальным техническим решением, при реализации которого, например, в раскосах решетки со сплющенными и отогнутыми плоскими наконечниками существенно возрастает жесткость узлового соединения структурной конструкции [Марутян А.С. Узловое соединение структурной конструкции. - Патент №2601631, 10.11.2016, бюл. №31]. Возрастание жесткости объясняется тем, что неточности изготовления и сборки структурной конструкции компенсируются не разностью диаметров отверстий и болтов, являющейся причиной податливости узловых соединений, увеличивающей прогиб конструкции, а соответствующей глубиной продольных прорезей стержневых элементов с предварительным напряжением при помощи реверсивных устройств из фланцев под стяжные шпильки с тарельчатыми пружинами. Предварительное напряжение является рабочим инструментом управления параметрами несущих конструкций зданий и сооружений, преследующим цель улучшать их физико-механические свойства (прочность, жесткость, устойчивость, надежность, сейсмостойкость и т.п.), а также технико-экономические характеристики и свойства (расход конструкционного материала, трудоемкость, стоимость, экологичность, транспортабельность, срочность и т.п.). При этом из простого сравнения предлагаемого технического решения и его прототипа легко заметить упрощение конструктивно-компоновочного оформления стержневого элемента с реверсивным устройством и универсальность его функционирования при растяжении и сжатии.
Предлагаемое техническое решение не менее эффективно и в шарнирном узле пространственной стержневой конструкции регулярной структуры, соединяющем наконечники стержней со сферическими головками, которые размещены в сферических лунках прижимных дисков при помощи втулок, центрального стяжного болта и фиксирующих болтов [Царитова Н.Г., Бузало Н.А. Шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры. - Патент №2586351, 10.06.2016, бюл. №16]. В рассматриваемом случае машиностроительную точность изготовления и сборки шарнирного узла рационально заменить соответствующей точностью из практики строительных металлических конструкций. Если при этом подобные шарнирные узлы использовать в таких пространственно-стержневых системах, как трехгранные (трехпоясные) фермы арочного очертания [Бузало Н.А., Царитова Н.Г., Алексеев С.А. Конструктивные решения узлов пространственных покрытий быстровозводимых зданий и сооружений. - Строительство и техногенная безопасность, 2016, №4 (56), с. 59-62], то достаточно очевидно, что рациональность применения стержневых элементов с предварительным напряжением возрастает.
В качестве другого примера эффективной реализации предлагаемого технического решения можно привести структурные конструкции типа «Кисловодск», МАРХИ [Стержни и узловые элементы системы МАРХИ / ТУ 5285-001-47543297-09. - М.: ООО НПЦ «Виктория», 2009. - 61 с], когда весьма рационально реконструировать бывшие в употреблении элементы для их повторного применения [Марутян А.С. Облегченные пространственно-стержневые конструкции покрытий: 40 лет отрасли легких металлических конструкций комплектной поставки. - Строительная механика и расчет сооружений, 2012, №1. - С. 66-72].
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведен стержневой элемент с предварительным напряжением при растяжении применительно к раскосам со сплющенными и отогнутыми плоскими наконечниками (вид сбоку, стяжная шпилька на продольной оси условно не показана); на фиг. 2 - стержневой элемент с предварительным напряжением при сжатии применительно к раскосам со сплющенными и отогнутыми плоскими наконечниками (вид сбоку, стяжная шпилька на продольной оси условно не показана); на фиг. 3 показан стержневой элемент с предварительным напряжением при растяжении применительно к стержням со сферическими головками в наконечниках (вид сбоку, стяжная шпилька на продольной оси условно не показана); на фиг. 4 - стержневой элемент с предварительным напряжением при сжатии применительно к стержням со сферическими головками в наконечниках (вид сбоку, стяжная шпилька на продольной оси условно не показана); на фиг. 5 представлен стержневой элемент с предварительным напряжением при растяжении применительно к стержням структурных конструкций типа «Кисловодск», МАРХИ (вид сбоку, стяжная шпилька на продольной оси условно не показана); на фиг. 6 - стержневой элемент с предварительным напряжением при сжатии применительно к стержням структурных конструкций типа «Кисловодск», МАРХИ (вид сбоку, стяжная шпилька на продольной оси условно не показана); на фиг. 7 изображен поперечный разрез стержневого элемента с предварительным напряжением при растяжении на участке между фланцами; на фиг. 8 - поперечный разрез стержневого элемента с предварительным напряжением при сжатии на участке между фланцами.
Стержневой элемент с предварительным напряжением для структурной конструкции, преимущественно из круглых труб, включает две одинаковые части 1 с парными соосными продольными прорезями для сборки, а также реверсивное устройство из фланцев 2 под стяжные шпильки 3 с тарельчатыми пружинами 4, укомплектованные соответствующими шайбами, гайками и контргайками. Глубина продольной прорези для сборки частей 1 составляет ориентировочно 1,6 размера поперечного размера трубчатого элемента, а ширина примерно равна двум толщинам того же сечения. Принятые размеры проверяют с учетом необходимого запаса хода резьбовых соединений и предварительного напряжения из условия обеспечения локальной (местной) и общей устойчивости собранного стержневого элемента при сжатии, а также из условия обеспечения прочности по сечению нетто такого элемента при растяжении. Боковые кромки прорезей отогнуты по радиальным направлениям в противоположные друг от друга стороны с зазорами, равными толщине сечения. Фланцы 2 целесообразно изготавливать по ГОСТ 12820-80 и устанавливать на части 1 стержневого элемента перед его сборкой и до выполнения или закрепления наконечников, соответствующих принятой компоновке узлового соединения структурной конструкции. После сборки стержневого элемента путем стыковки его частей 1 посредством прорезей между собой внахлестку фланцы 2 перемещают на состыкованный участок с прорезями до проектного положения, обеспечивающего центровку собранного элемента и стяжных шпилек 3 реверсивного устройства. Собранный стержневой элемент временно фиксируют для соблюдения пропускных зазоров и закрепления фланцев сварными швами при растяжении в корневых зонах прорезей, а при сжатии - в торцевых зонах тех же прорезей.
Из сравнения нового технического решения и его прототипа очевидно, что конструктивно-компоновочное оформление в предлагаемом стержневом элементе с одним реверсивным устройством для предварительного напряжения упростилось, а функционирование, при котором может иметь место и сжатие, и растяжение, более универсально.