Сферическая оболочка с покрытием
COATED SPHERICAL SHELL

Изобретение относится к строительству зданий и сооружений из сборных составных оболочек, пригодных, в частности, для полносборных покрытий зданий различного назначения, а также ограждающих и несущих конструкций сооружений в виде навесов, дебаркадеров и т.п.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является сборная сферическая оболочка на основе правильного сферического многогранника, например, гексаэдра, додекаэдра, икосаэдра и т.п.,  выполненная путем разбиения граней большими окружностями  по серединам ребер этих граней.  Стержни, образующие каркас оболочки для ограждающего покрытия, соединены в узлах с помощью узловых элементов (BY 6132, МПК  E 04B 7/10, опубл. 30.06.2004).
Недостатком известного решения является большое число разнотипных узлов соединения элементов оболочек, разнотипность и сложность выполнения опорных узлов, обусловленные тем, что эти опорные узлы находятся на разных уровнях, а также сложность и трудоемкость выполнения ограждающих конструкций и  кровельного покрытия.
Технический результат заключается в обеспечении определенности воспроизведения геометрии каркаса покрытия или ограждения, следовательно, его надежности, упрощении изготовления узлов каркаса оболочки за счет уменьшения числа соединяемых монтажных элементов, снижения материалоемкости узловых соединений, и обеспечения, за счет оптимизации геометрии разрезки сферы расположения опор на одном уровне сферы, значительного снижения числа типоразмеров узловых элементов, а также упрощении изготовления ограждающих конструкций и кровельного покрытия.
Сущность изобретения заключается в том, что сферическая оболочка с покрытием выполнена путем разбиения граней большими окружностями по серединам ребер и граням правильного сферического многогранника, например, гексаэдра, икосаэдра и т.п., содержит стержни, соединенные в узлах с помощью узловых элементов и образующие каркас в виде неправильного сферического многогранника для устройства ограждающего покрытия. Первая разрезка каркаса сферической оболочки получена путем разбиения на сферические элементы и фигуры, например, арочные дуги, многоугольники, треугольники, и т.п., спаренными окружностями одинакового радиуса, параллельными указанным большим окружностям, проходящим через середины смежных ребер. Вторая разрезка каркаса образована спаренными окружностями одинакового радиуса, параллельными указанным большим окружностям, проходящим через середины ребер, через одно ребро. Третья разрезка образована спаренными окружностями, параллельными большим окружностям, проходящим через вершины граней соответствующего  правильного сферического многогранника. Для обеспечения жесткости сборной оболочки, элементы образованных арок каждого направления одного из каркасов, разрезанные через один узел, могут быть соединены в узлах с арками другого направления разъемными соединениями, либо жестко, например, на болтах либо на сварке и на клее. Сферическая оболочка включает стержни одного из указанных каркасов, которые могут быть изготовлены из труб в виде частей арок одинакового радиуса и изогнуты в узлах пересечений с образованием прямолинейных участков, части соединены по длине каждой ломаной  арки на прямолинейных участках и узлах с помощью сварки и состыкованных цилиндрических вставок, обеспечивающих любой угол соединения, или разъемных соединений внахлест, части пересекающихся арок расположены поочередно снизу и сверху. По линии экватора для восприятия распора и для заполнения многоугольников и треугольников в каркасах могут быть установлены стержни затяжек и распорок. Сферическая оболочка может включать стержни нескольких каркасов, в том числе, на основе разных правильных сферических многогранников, элементы арок каркасов расположены таким образом, что в узлах сходятся не более четырех стержней, то есть по две арки, при этом покрытие может быть выполнено из рулонного материала, например, профилированных листов с учетом параллельности арок, либо из полотен тента, либо выполнено из полотен двойных оболочек с образованием пневмокаркасной конструкции.
Заявленное изобретение поясняется следующими графическими изображениями. На фиг. 1-3 показаны схемы сферической оболочки с различными разрезками конструкции; на фиг. 2 – схема сборной сферической оболочки на основе правильного сферического многогранника гексаэдра, с правильными  гранями; фиг. 4 – узел соединения образованных арок; фиг. 5  – вид сбоку купола-оболочки  на основе правильного сферического многогранника икосаэдра; фиг. 6 – вид сверху купола-оболочки на основе правильного сферического многогранника икосаэдра; фиг. 7 изображены части, соединенные по длине каждой ломаной  арки на прямолинейных участках и узлах с помощью сварки и состыкованных цилиндрических вставок; фиг. 8, 10, 11 – схемы сборной сферической оболочки на основе одного гексаэдра и двух правильных сферических многогранников  икосаэдра  и додекаэдра, то есть образованные двумя независимыми системами каркаса; фиг. 9 – узел соединения арок двух независимых каркасов с помощью проушин на болтах; фиг. 12 – этапы сборки и монтажа каркаса первого типа сборной сферической оболочки на основе икосаэдра.
Сферическая оболочка с покрытием (фиг. 1), выполненная путем разбиения граней 1 правильного сферического многогранника – гексаэдра 2  на сферические элементы (арочные дуги 3, многоугольники 4, треугольники 5 и т.п.) спаренными окружностями 6 одинакового радиуса, параллельными указанным большим окружностям 7 по серединам 8 ребер 9 и граням 1 правильного сферического многогранника 2 содержит стержни 10, соединенные в узлах 11 с помощью узловых элементов 12 и образующие независимый каркас 13 в виде неправильного сферического многогранника для устройства ограждающего покрытия.
Разрезки (фиг.2) образованы спаренными окружностями 6, параллельными большим окружностям 7, проходящим через середины 8 ребер 9.  через ребро 9, правильного сферического многогранника – гексаэдра 2, также без учета линий самих ребер 9 правильного сферического многогранника 2, используемого в качестве основы, вместе образующие вторую независимую систему каркаса 14.
Разрезки (фиг. 3) образованы спаренными окружностями 6, параллельными большим окружностям 7, проходящим через вершины 15 граней 1, сферического многогранника – гексаэдра 2, используемого в качестве основы, вместе образующие третью независимую систему каркаса 16.
Для обеспечения жесткости сборной оболочки (фиг. 1-3), элементы образованных арок 3 (фиг. 4) каждого направления - трубчатые стержни 10, разрезанные через один узел 11, могут быть соединены в узлах 11 с арками  3 другого направления разъемными соединениями 17,  например, на болтах или винтах. Элементы образованных арок 3 (фиг. 4) расположены таким образом, где в узлах  11  сходятся не более четырех элементов (две арки 3), которые могут быть соединены через один узел 11 с помощью проушин 18 на сварке 19 и разъемных связей 17  в виде винтов. При таких решениях хорошо укладываются листы профилированного настила 20.
Сферическая оболочка на основе (фиг. 5-6) правильного сферического многогранника – икосаэдра 21   включает стержни 10 независимого каркаса 13, которые могут быть изготовлены из труб в виде частей 22 арок 3 одинакового радиуса и изогнуты в узлах 11 пересечений с образованием прямолинейных участков. В сферической оболочке с покрытием 20 части 22 (фиг. 7) соединены по длине 25 каждой ломаной  арки 3 на прямолинейных участках и узлах 11 жестко 19 с помощью сварки  и соединяемых при монтаже состыкованных цилиндрических вставок 23, обеспечивающих любой угол соединения. Части 22 пересекающихся арок 3 расположены поочередно снизу и сверху.
Для восприятия распора (фиг. 5-6) и для заполнения многоугольников 4  и треугольников 5 могут быть установлены стержни 24 затяжек и распорок.
Сферические оболочки (фиг. 8, 10-11) включают стержни 10 нескольких независимых каркасов 12,14,16, в том числе, на основе разных правильных сферических многогранников 2, 21 элементы арок каркасов расположены таким образом, что в узлах сходятся не более четырех стержней 10, то есть по две арки 3.  Покрытие может быть выполнено из рулонного материала, например, профилированных листов 20 с учетом параллельности арок, либо из полотен тента 26, или выполнено из полотен двойных оболочек с образованием пневмокаркасной конструкции.
Арки двух независимых каркасов 12 и 14 (фиг. 9) соединены в узлах 11 пересечения с помощью проушин 27, закрепленных на арках 3 3жестко 19 сваркой, а покрытие выполнено из профилированных листов 22 с учетом параллельности арок, либо из полотен тента 26.
Сборка и монтаж каркаса и покрытия может осуществляться известными способами подращивания, наращивания и подъема с поворотом. Для небольших пролётов может быть использован способ подращивания с подъёмом ножничным подъёмником поэтапно, с опусканием собранного в целом купола в проектное положение. При монтаже оболочки на основе икосаэдра 21 сначала собирают между собой с разъёмными соединениями 18 в узлах 11 или жестко 19 на сварке части 22 арок 3 первого независимого каркаса 12 (фиг. 12). Затем накладывают и собирают части 22 второго независимого каркаса 14. Их соединяют вместе на высоте, позволяющей разместить все элементы этого яруса 28  купола, включая покрытие типа 20 или 26. Собранную часть поднимают домкратами в положение монтажа следующего яруса. Далее собирают следующие ярусы, и на завершающем ярусе 29 монтируют затяжки и распорки 24 опорные узлы 30, и опускают купол на опорную арку 31 в проектное положение.
При монтаже состыкованные цилиндрические вставки позволят соединять пересекающиеся несущие элементы произвольного очертания заводского изготовления пространственных конструкций под любыми углами. Предлагаемое решение также позволяет производить укрупнительную сборку элементов купола и затем сборку купола из укрупненных частей. Небольшие неточности в изготовлении элементов (до 3 мм) нивелируются предложенным устройством узлов. Жесткие узлы увеличивают несущую способность куполов и уменьшают деформативность при опорах ниже экватора.
По сравнению с известным решением, предлагаемое позволяет упростить изготовление и монтаж купола-оболочки за счет обеспечения определенности геометрии каркаса покрытия или ограждения, следовательно, его надежности,  жесткости работы монтажных соединений, упростить изготовление опорных узлов купола, за счет уменьшения числа соединяемых монтажных элементов, снижения материалоемкости и энергоемкости узловых соединений,  и обеспечения, за счет оптимизации геометрии разрезки сферы расположения опор на одном уровне выше или ниже экватора сферы, значительного снижения числа типоразмеров узловых элементов. Выделение на поверхности сферы полос с параллельными кромками значительно упрощает раскрой элементов ограждения и облегчает устройство кровельного покрытия и внутренней отделки купола.