УЗЛОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ КОНСТРУКЦИИ
NODE CONNECTION OF STRUCTURAL DESIGN

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для узловых соединений пространственных конструкций зданий и сооружений, например перекрестно-стержневых систем или структурных плит покрытий (перекрытий).
Известно узловое соединение двухпоясной пространственной конструкции с обрамлениями уголками торцов элементов, где одна из полок каждой фасонки выполнена с уширением для крепления со стержнями решетки [Орлик В.М. Узловое соединение пространственных стержневых конструкций. - Авторское свидетельство №648703, 28.02.1979, бюл. №7]. Конструкцию собирают на болтах без сварки.
Недостатком такого узлового соединения является необходимость двойного реза трубчатых элементов, что повышает трудоемкость изготовления. Кроме того, болтовые стыки уголковых фасонок требуют соблюдения повышенной точности как при изготовлении, так и на монтаже конструкций.
В узле пересечения разрезных стержней из трубчатых профилей можно использовать типовое соединение на болтах, включающее врезные фасонки и торцевые заглушки [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций. Учебник для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 352, рис. 6.20]. Врезные фасонки одним концом проходят через середины торцов соединяемых стержней, деля каждую из торцевых заглушек на две равные части, а другим концом являются продолжением стержней, в котором расположены отверстия под болты. Если глубина врезки в 1,5…1,6 раза и более превышает диаметр трубы (высоту сечения), то влияние эксцентриситета на работу фасонки можно не принимать во внимание при расчете растянутых стержней, а в сжатых - учесть это влияние коэффициентом условий работы,равным 0,6. При этом отмеченные параметры глубины врезки обеспечивают равнопрочность стержня и прикрепления к нему врезной фасонки. На монтаже выступающие части фасонок заводят друг на друга внахлест и после совмещения отверстий крепят болтами.
Недостатком этого узлового соединения при пересечении в нем четырех стержневых элементов является наличие суммарного эксцентриситета, что вызывает дополнительный изгибающий момент и повышает материалоемкость конструкций.
Еще одним известным техническим решением является пространственная ферма (структурная конструкция) из трубчатых стержней, образованная поясными сетками, параллельными друг другу и соединенными между собой в узлах раскосами. В местах пересечения стержневые элементы поясов и раскосов одного направления прерываются, а другого остаются непрерывными. Стержневые элементы выполнены со сплющенными концами в виде плоских наконечников. Кроме того, в местах, делящих по длине их пополам, они сплющены с выделением плоских участков. При помощи одиночных гибов плоских наконечников и двойных гибов средних участков стержневым элементам раскосов придают V-образную форму. В соединительных узлах, совпадающих с местами пересечения, прерываемые стержневые элементы одного направления заводят друг на друга внахлестку и стыкуют с непрерывными стержневыми элементами другого направления при помощи центрально расположенных болтов и сдвоенных пар прижимных шайб [Space truss. - ЕР 1496166 А1, 12.01.2005, bulletin 2005/02].
Недостаток этого технического решения заключается в том, что сдвоенные пары прижимных шайб увеличивают трудозатраты изготовления и расход конструкционного материала, а их суммарная толщина является причиной заметных расцентровок в соединительных узлах. Узловые расцентровки могут привести к эксцентриситетам, превышающим одну четвертую высоты поясного элемента. В таких случаях необходимо учитывать дополнительные напряжения от моментов, что сопровождается повышением материалоемкости несущих конструкций.
Известно еще одно узловое соединение пересекающихся стержней, преимущественно трубчатых, включающее фланцы (торцевые заглушки) и врезанные в трубы планки (фасонки), скрепленные выступающими частями между собой внахлест посредством пропущенных в соосные отверстия болтов. При этом планки врезаны, по крайней мере, в двух уровнях по высоте сечения стержней перпендикулярно и симметрично по отношению к их продольным осям. Кроме того, боковыми кромками выступающих частей планок и стенками стержней образованы зазоры [Аванесов С.И., Марутян А.С., Трофимов В.И., Пименов И.Л., Саркисян О.В. Узловое соединение пересекающихся стержней. - Авторское свидетельство №1325144, 23.07.1987, бюл. №27].
Недостатком такого узлового соединения является определенная сложность производства монтажных работ из-за расположения врезных планок стержневых элементов одного направления по высоте между планками элементов другого направления. Причем наличие двойных прорезей в боковых стенках трубчатых элементов пересекающихся стержней увеличивает трудоемкость изготовления конструкций, особенно в случае применения круглых труб.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемому является узловое соединение пересекающихся стержней преимущественно из круглых труб, включающее торцевые заглушки и врезные планки. Планки размещены в середине по высоте сечения стержней перпендикулярно и симметрично по отношению к их продольным осям. Планки скреплены выступающими частями между собой внахлест посредством пропущенных в соосные отверстия болтов. Каждая из планок имеет зигзагообразную форму с параллельными друг другу выступающими частями. Все контактирующие поверхности болтовых нахлесточных соединений лежат в одной плоскости с продольными осями пересекающихся стержней [Марутян А.С., Янукян Г.М. Узловое соединение пересекающихся стержней. - Патент №2358068, 10.06.2009, бюл. №16].
Недостаток прототипа заключается в том, что соединяя пересекающиеся стержни поясных сеток, он не позволяет стыковать с ними раскосные элементы решетки и тем самым ограничивает область применения. Поэтому для использования в пространственных перекрестно-стержневых (структурных) конструкциях прототип нуждается в определенной доработке.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение области его применения с уменьшением расхода конструкционного материала, а также снижением трудоемкости изготовления и монтажа.
Указанный технический результат достигается тем, что в узловом соединении структурной конструкции преимущественно из круглых труб, включающем пересекающиеся стержни поясных сеток с торцевыми заглушками и врезными зигзагообразными планками, а также раскосные элементы решетки со сплющенными и отогнутыми плоскими наконечниками, каждый из наконечников расположен между выступающими частями врезных планок и скреплен с ними посредством пропущенных в соосные отверстия болтов. При этом врезные зигзагообразные планки имеют форму равнобедренных трапеций, боковые стороны которых совпадают с линиями гибов плоских наконечников.
Предлагаемое узловое соединение структурной конструкции имеет достаточно универсальное техническое решение. Так, узел на врезных планках упрощается, когда через его внутриузловую полость проходит цельный (неразрезной) стержневой элемент одного из пересекающихся направлений, и количество торцевых заглушек сокращается вдвое. Одновременно с этим также упрощаются планки, врезанные в цельный элемент, которые могут иметь плоскую форму.
В качестве другого примера использования предлагаемого узлового соединения можно привести один из вариантов структурной конструкции беспрогонного покрытия, где цельные (неразрезные) стержневые элементы одного из пересекающихся направлений выполнены из трубчатых профилей прямоугольного сечения.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведено узловое соединение структурной конструкции из круглых труб, вид сверху (болтовые крепления условно не показаны); на фиг. 2 - боковой разрез узла в уровне верхней поясной сетки (болтовые крепления условно не показаны); на фиг. 3 - боковой разрез узла в уровне нижней поясной сетки (болтовые крепления условно не показаны); на фиг. 4 показано узловое соединение структурной конструкции беспрогонного покрытия, вид сверху (болтовые крепления условно не показаны); на фиг. 5 - боковой разрез узла в уровне верхней поясной сетки беспрогонного покрытия (болтовые крепления условно не показаны); на фиг. 6 представлен снимок фрагмента опытного образца узлового соединения после его испытания на разрыв; на фиг. 7 - диаграмма растяжения опытного образца узлового соединения.
Узловое соединение структурной конструкции, преимущественно из круглых труб, включает пересекающиеся стержни поясных сеток 1 и раскосные элементы решетки 2. В торцах пересекающихся стержней 1 расположены заглушки (фланцы) 3 и планки (фасонки) 4. Зигзагообразные планки 4, скрепленные выступающими частями между собой внахлест, имеют форму равнобедренных трапеций и врезаны в середине по высоте сечений стержней 1 перпендикулярно и симметрично по отношению к их продольным осям. Торцы раскосных элементов 2 сплющены и отогнуты в виде плоских наконечников 5. В собранном на монтаже узловом соединении каждый из наконечников 5 расположен между выступающими частями врезных планок 4 и скреплен с ними посредством болтов, пропущенных в соосные отверстия 6. При этом боковые стороны врезных планок 4 совпадают с линиями гибов плоских наконечников 5.
Стержни одного из пересекающихся направлений могут быть выполнены цельными в виде неразрезного стержневого элемента 7, а врезанные в него планки 8 - плоскими.
Результаты экспериментальных исследований соединительного узла стержневых элементов из круглых труб на врезных планках подтвердили его необходимую и достаточную надежность, а также перспективность дальнейшей проработки для рационального и эффективного применения в структурных (пространственно-стержневых) конструкциях [Марутян А.С. Узловые соединения перекрестных систем и их расчет. - Строительная механика и расчет сооружений, 2010, №3. - С. 18-26]. Поэтому в предлагаемом узловом соединении выявленная надежность врезных планок позволяет придать им дополнительные функции с использованием в качестве прижимных деталей плоских наконечников раскосных элементов решетки, что способствует расширению области применения с уменьшением расхода конструкционного материала, а также снижением трудоемкости изготовления и монтажа.
Формирование сплющенных (плоские наконечники) и переходных частей раскосных элементов решетки рекомендуется производить с обеспечением уклона переходного участка 1/6…1/4 [1. Трофимов В.И., Каминский A.M. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С. 152; 2. J.A. Packer, J. Wardenier, X.-L. Zhao, G.J. van der Vegte and Y. Kurobane. Construction with hollow steel sections. Design Guide for rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly static loading. CIDECT, 2009. - P. 102]. По линиям гибов плоских наконечников образуются листовые шарниры, что обеспечивает близкое соответствие расчетной схемы конструкции в виде шарнирно-стержневой системы ее действительной работе и сопровождается увеличением надежности узлового соединения.