МОДУЛЬНАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ
MODULAR CONSTRUCTION STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для перекрытия зданий и сооружений, создания навесов для защиты от атмосферных осадков и солнечного излучения, а также для размещения антенных и радиопередающих установок на определенной высоте.
Известны решения, состоящие из прямолинейных стержней, воспринимающих сжимающую нагрузку, и множества гибких тросовых элементов, соединяющих отдельные стержни в единую систему [1, 2, 3]. Недостатки данных решений следующие:
- повышенная деформативность, т.к. жесткие стойки соединяются между собой только посредством гибких тросов, имеющих малые жесткостные характеристики;
- неэффективность использования высокопрочных гибких элементов, имеющих резервы несущей способности при достижении всей системой ограничений второго предельного состояния;
- низкая надежность эксплуатации и повышенная стоимость конструкций из-за большого количества соединений (анкеров) гибких тросовых элементов;
- сложность конструктивных решений.
Для улучшения облика конструкции и уменьшения ее габаритных размеров в решении [4] предлагается использовать не прямолинейные, а криволинейные стержни-распорки. Вместе с тем, повышенная деформативность ставит определенные преграды для широкого применения данного решения на практике.
Для снижения деформативности жесткие стойки непосредственно соединяются между собой при помощи шарниров [5]. Недостатком данного решения является сложность узловых соединений и трудности при эксплуатации.
Дальнейшее снижение деформативности и упрощение конструктивных решений достигается в так называемых шпренгельных системах [6-9].
Решения [6, 7] состоят из центрального ствола, стоек-распорок, жестко соединенных со стволом, и напряженных тросовых поясов. Для повышения несущей способности и выравнивания усилий по длине поясов в решении [7] применено подвижное сопряжение со стойками.
В решении [8] центральный ствол состоит из ряда шарнирно соединенных между собой секций. Неизменяемость данного решения обеспечивается системой тросовых поясов, а также распорок и связей, соединяющих пояса с центральным элементом.
Недостатками систем [6, 7, 8] являются непостоянство высоты сечения шпренгельной системы по длине ее пролета (т.к. пояса имеют очертания, близкие к параболическим), повышенная высота сечения в середине пролета (длины), а также ограниченная область применения из-за прямолинейного очертания центрального ствола.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является шпренгельная система [9], центральный ствол которой разделен на ряд секций, шарнирно соединенных между собой. По границам секций установлены стойки-распорки, одним концом шарнирно прикрепленные к стволу, а другим - к тросовому поясу. В пределах каждой секции в плоскостях тросовых поясов установлены диагональные гибкие подвески под углом к центральному стволу. Решение [9] принимается за ПРОТОТИП.
Недостаток решения [9] - сложность конструкции, т.к. диагональные гибкие подвески для включения их в работу требуют предварительных напряжений специальными приспособлениями.
Техническая задача изобретения - упрощение конструктивных решений и расширение области применения строительной конструкции, а также сокращение затрат на ее изготовление и монтаж.
Технический результат изобретения достигается применением модульной строительной конструкции, состоящей из гибких поясов, выполненных из тросовых оттяжек, жестких продольных элементов, выполненных из отдельных секций, каждая из которых состоит из стержня, и жестких распорок, соединенных с данными секциями, объединяющих продольные элементы с гибкими поясами. Каждая секция продольного элемента соединена жестко с двумя распорками, лежащими на одной прямой, образуя плоские модули в форме литеры «Т». Плоские модули соединены шарнирно с опорами и соседними модулями. Для обеспечения геометрической неизменяемости плоские модули объединены связями и удерживаются в проектном положении тросовыми оттяжками.
Для упрощения узловых соединений распорок и секций продольных элементов каждую секцию предлагается составлять из стержней, расположенных под углом друг к другу, шарнирно соединенных между собой и с двумя распорками, которые между собой соединены жестко.
Для упрощения конструкции предлагается использовать пространственные модули. При этом каждая секция продольного элемента соединена более чем с двумя распорками, лежащими в одной плоскости, при условии, что угол между любыми двумя соседними распорками составляет менее 180°.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами:
На фиг.1, 1a, 1б, 1в приведены варианты модулей предлагаемой строительной конструкции в эксплуатационном состоянии (вид сбоку).
На фиг.2, 2а, 2б приведены варианты модулей предлагаемой строительной конструкции в процессе создания напряжений в элементах (вид сбоку).
На фиг.3, 3а, 3б, 3в, 3г, 3д приведены примеры применения предлагаемого технического решения в конструкции стойки (вид сбоку).
На фиг.4, 4а, 4б, 4в приведены аксонометрические схемы фрагментов предлагаемой строительной конструкции в эксплуатационном состоянии (варианты).
На фиг.5, 5а приведены варианты закрепления (фиксации) модулей предлагаемой строительной конструкции при помощи тросовых оттяжек различной длины.
На фиг.6, 6а приведены варианты предлагаемой строительной конструкции, имеющей одинаковые длины тросовых оттяжек в пределах каждого гибкого пояса, но разные длины гибких поясов.
На фиг.7 приведен вариант предлагаемой строительной конструкции, имеющей различные по длине тросовые оттяжки в пределах каждого гибкого пояса.
На фиг.8 приведен пример применения предлагаемого технического решения в конструкции арочного типа.
На фиг.9 приведен модуль предлагаемой строительной конструкции (по фиг.1б, 1в), подготовленный к транспортировке на строительную площадку.
Предлагаемое техническое решение состоит из гибких поясов, выполненных из тросовых оттяжек 4, жестких продольных элементов 10 (фиг.3), выполненных из отдельных секций 1 и жестких распорок 3, объединяющих продольные элементы с гибкими поясами.
Каждая секция 1 продольного элемента 10 выполнена из жесткого стержня 1а (фиг.1), соединена жестко с двумя распорками 3, лежащими на одной прямой, образуя плоские модули 9 в форме литеры «Т». Модули 9 установлены друг на друга и соединены в узлах 2 шарнирно с опорами и соседними модулями (фиг.1, 1a, 3, 3а).
Для обеспечения геометрической неизменяемости плоские модули 9 объединены связями 7 и 8 (фиг.4), шарнирно соединенными с узлами 2а, и удерживаются в проектном положении тросовыми оттяжками 4. Тросовые оттяжки 4, для включения их в работу, напряжены (растянуты) специальными приспособлениями 6, например стяжными муфтами, конструкция которых известна.
Для упрощения узловых соединений распорок 3 и секций 1 продольных элементов каждую секцию 1 предлагается составлять из стержней 1б, расположенных под углом друг к другу, шарнирно соединенных между собой в узлах 2б и с двумя распорками 3, которые между собой соединены жестко (фиг.1б, 1в). Соединение стержней 1б и распорок 3 произведено в шарнирных узлах 2в.
Получаемые модули 9, состоящие из стержней 1б и двух распорок 3 (фиг.1б, 1в), установлены друг на друга и соединены в узлах 2 шарнирно с опорами и соседними модулями (фиг.1б, 1в, 3б, 3в, 3г, 3д).
Для обеспечения геометрической неизменяемости плоские модули 9 объединены связями 7, 8 и временной распоркой 7а (фиг.4в), шарнирно соединенными с узлами 2а, и удерживаются в проектном положении тросовыми оттяжками 4. Тросовые оттяжки 4 напряжены специальными приспособлениями 6, например стяжными муфтами, конструкция которых известна.
Для упрощения конструкции предлагается использовать пространственные модули 9а (фиг.4а, 4б). Пространственный модуль 9а образован соединением секции 1 продольного элемента более чем с двумя распорками 3, лежащими в одной плоскости, при условии, что угол между любыми двумя соседними распорками 3 составляет менее 180°.
Получаемые модули 9а установлены друг на друга и соединены в узлах 2 шарнирно с опорами и соседними модулями. Для обеспечения геометрической неизменяемости модули 9а объединены связями 8 и удерживаются в проектном положении тросовыми оттяжками 4. Тросовые оттяжки 4 напряжены специальными приспособлениями 6, например стяжными муфтами, конструкция которых известна.
Помимо прямолинейных стоек (например, фиг.3), предлагаемое техническое решение позволяет реализовать более сложные конструкции (например, фиг.6, 6а, 7, 8), расширяющие область его применения. Достигается это использованием тросовых оттяжек 4 различной длины (например, фиг.5, 5а), совместно с унифицированными (одинаковыми) модулями 9 (или 9а).
Пространственная устойчивость и геометрическая неизменяемость предлагаемой строительной конструкции обеспечена установкой каждого последующего (вышестоящего) модуля на ранее закрепленный от перемещений нижестоящий модуль, а также постановкой связей 7, 7а, 8 (фиг.4, 4а, 4б, 4в) и тросовых оттяжек 4, а именно:
- оттяжки 4, напряженные в процессе монтажа строительной конструкции при помощи специальных приспособлений 6, удерживают от поворота модули 9 относительно поперечных осей Y, проходящих через неподвижные шарнирные опоры 2 (фиг.4, 4в), а также обеспечивают неподвижность плоскостей 12, в которых находятся распорки 3 пространственных модулей 9а (фиг.4а, 4б);
- повороту плоских модулей 9 относительно поперечных осей X (фиг.4, 4в) препятствуют связи 8, выполненные из гибких элементов (например, стальных тросов), жесткие диски 11 (фиг.4), образованные связями-распорками 7 и распорками 3 плоских модулей 9, а также временные связи-распорки 7а (фиг.4в);
- кручению плоских модулей 9 относительно продольных осей Z (фиг.4, 4в) препятствуют жесткие диски 11 и наличие двух шарнирно неподвижных опор 2;
- пространственные модули 9а, являющиеся жесткими дисками, закреплены от кручения относительно продольных осей Z связями 8 (фиг.4а, 4б).
На строительную площадку предлагаемая модульная конструкция поставляется в виде набора одинаковых (унифицированных) модулей 9 (или 9а), связей 7, 7а и 8, а также множества тросовых оттяжек 4.
Наиболее компактная упаковка при транспортировке плоского модуля 9 достигается для решений, приведенных на фиг.1б и 1в. В этом случае (фиг.9), один из узлов 2в, шарнирно соединяющий распорку 3 и стержень 1б модуля, разделяется на две части (2в1 и 2в2), принадлежащие отдельно стержню 1б и распорке 3. Освободившиеся распорки 3, лежащие на одной прямой, и стержни 1б поворачиваются друг к другу до упора (фиг.9).
Монтаж предлагаемой строительной конструкции производится следующим образом:
- на шарнирно неподвижные опоры 2, являющиеся либо фундаментами, либо принадлежащие ранее установленным и неподвижно закрепленным модулям 9 или 9а, устанавливаются плоские модули 9 или пространственные модули 9а (фиг.4, 4а, 4б, 4в). Установленные модули временно закрепляются от перемещений известными способами;
- устанавливаются гибкие связи 8, а также, в случае применения плоских модулей 9 (фиг.4, 4в), связи-распорки 7 и 7а;
- производится натяжение тросовых оттяжек 4 специальными приспособлениями 6, например стяжными муфтами, конструкция которых известна.
Натяжение оттяжек 4 может производиться различными способами, например, в соответствии с фиг.2, 2а. Натяжное приспособление 6 устанавливается на одну тросовую оттяжку 4а. При этом начальные недеформированные длины оттяжек 4а и 4б в общем случае не одинаковы и должны приниматься по расчету. Натяжение оттяжки 4а вызовет поворот модуля относительно шарнира 2 и, как следствие, возникновение напряжений в оттяжке 4б.
Уменьшение количества напрягающих элементов может быть достигнуто применением инвентарных оттяжек 5 (фиг.2б). В этом случае одна из распорок 3 каждого модуля имеет удлинение (консольный участок) 3а с установленными направляющими, необходимыми для перемещения опоры 2в1 стержня 1б. Натяжение оттяжки 5 приспособлением 6 вызовет смещение подвижной опоры 2в1 по направлению к неподвижной опоре 2в2, принадлежащей распорке 3, а также уменьшение угла между элементами 1б, увеличение высоты модуля и, как следствие, возникновение напряжений в оттяжках 4. По достижению узлом 2в1 узла 2в2 они объединяются в узел 2в, а инвентарные приспособления 5 и 6 демонтируются и используются при монтаже последующих модулей. Оставшиеся консольные участки 3а либо срезаются, либо применяются для крепления ламп освещения, оборудования или прочих элементов, используемых при эксплуатации данной строительной конструкции.
К преимуществам технического решения, предлагаемого в данном изобретении, относятся следующие:
- возможность получения различных конструктивных форм (например, фиг.3, 3а, 3б, 3в, 3г, 3д, 6, 6а, 7, 8);
- широкая область применения предлагаемого решения: стойки, навесы и арочные конструкции, эксплуатируемые как во временных, так и в постоянных сооружениях;
- возможность унификации элементов;
- технологичность создания предварительных напряжений, возможность применения инвентарных напрягающих приспособлений;
- компактность модулей, подготовленных для транспортировки на строительную площадку;
- возможность демонтажа и возведения на новой площадке с минимальными затратами.
ИСТОЧНИКИ
1. А.с. 305248 СССР, E04B 7/14. Пространственное покрытие / А.Я. Осташевский (СССР). 04.07.1969.
2. Пат. 3169611 США. Continuous tension, discontinuous compression structures / K.D. Snelson (США). 14.03.1960.
3. Пат. 1377290 Франция, E04B. Construction de reseaux autotendants / M.D.G. Emmerich (Франция). 10.04.1963.
4. Пат. 6868640 США, A47B 47/00, A47B 13/00, A47B 13/02, E04B 1/19, E04H 15/40, E04H 15/34, E04B 007/10, E04H 012/20. Structures composed of compression and tensile members / G.T. Barber (США). 20.03.2003.
5. Пат. 3354591 США. Octahedral building truss / R.B. Fuller (США). 07.12.1964.
6. А.с. 331161 СССР, E04C 3/04. Металлическая ферма / В.В. Новицкий, М.Б. Каминский (СССР). 02.06.1969.
7. А.с. 505779 СССР, E04C 3/10. Пространственная предварительно напряженная шпренгельная ферма / Ю.В. Гайдаров, А.А. Кудрявцев, М.П. Забродин (СССР). - 28.11.1972.
8. А.с. 477225 СССР, E04C 3/04. Шпренгельная стойка/ К.Н. Илленко (СССР). - 29.08.1972.
9. А.с. 636349 СССР, E04C 3/08. Безраспорная вантовая ферма/ В.А. Радзимовский, В.А. Файнштейн (СССР). - 18.10.1976. (Прототип).