Конструктор быстровозводимых сборно-разборных сооружений в форме сферических оболочек
CONSTRUCTOR FOR PREFABRICATED COLLAPSIBLE STRUCTURES IN FORM OF SPHERICAL SHELLS

Изобретение относится к области строительства, а именно, ограждающих конструкций выставочных стендов, павильонов и других временных зданий и сооружений.
Известно решение по патенту №2116409 от 27.07.1998, МПК E04G 7/24, RU. Сборочно-разборочная строительная оболочка, содержащая многогранные панели, соединенные попарно с соединительными вставками.
Достоинством технического решения является создание бескаркасной оболочки купола выставочного павильона.
Однако конструкция позволяет возводить только купольные оболочки, составляющие элементы которых являются плоскими.
Известно решение по патенту №2184823, от 18.08.1998, МПК E04G 7/24, RU, Модульная каркасная система, состоящая из несущих элементов (стоек, ригелей, подкосов и других деталей) и соединительных узлов каркаса.
Достоинством конструкции является возможность построения пространственного каркаса оболочки.
Однако, образуемый при этом каркас, состоит из плоских элементов, с помощью которых невозможно возводить выпукло-вогнутые оболочки сложной конфигурации.
Известно решение по свидетельству №40641 от 11.02.2004, МПК E04C 7/24, RU, Конструкция быстровозводимых сборно-разборных каркасов оболочек "INFINITY", содержащая унифицированные модули в виде пространственных равнобедренных прямоугольных треугольников, гипотенузами которых являются однотипные дугообразные ребра, а катеты выполнены либо прямолинейными, либо дугообразными в зависимости от формы создаваемого модуля.
Достоинством технического решения является создание каркасов оболочек в виде пространственных треугольников.
Однако конструкция не предполагает унификацию узловых элементов и заполнений каркасов.
Известно решение по патенту №2437992 от 28.06.2010, МПК E04B 1/32, RU, Конструктор быстровозводимых сборно-разборных сооружений оболочечного типа, содержащее несущие элементы (ребра) и соединительные узлы (коннекторы), с помощью которых собирают унифицированные модули каркаса в виде пространственных равнобедренных прямоугольных треугольников. Между собой модули соединяют по однотипным элементам.
Достоинством технического решения является создание конструктора быстровозводимых сборно-разборных сооружений оболочечного типа из унифицированных несущих элементов, соединительных узлов (коннекторов), заполнений и системы внутренней динамической подсветки.
Однако каркас оболочек собирают путем соединения предварительно собранных треугольных модулей по однотипным несущим элементам (ребрам), поэтому каждый несущий элемент каркаса является не единым целым, а составленным из двух половинок, что приводит к удвоенному количеству несущих элементов конструктора. Техническое решение несущих элементов конструктора не учитывает реальные размеры коннекторов. Кроме того, недостаточно проработана унификация соединительных узлов (коннекторов). В состав конструктора входит достаточно большое (девять) количество унифицированных соединительных узлов (коннекторов), что приводит к увеличению трудоемкости и длительности изготовления и сборки каркаса оболочки.
Техническим результатом разработки заявляемого решения является создание конструктора быстровозводимых сборно-разборных каркасов сферических оболочек из унифицированных цельных элементов, сокращение количества типовых несущих элементов (ребер) и соединительных узлов (коннекторов) каркаса, позволяющее добиться большей по сравнению с аналогами унификации конструктора и, как следствие, снизить трудоемкость и сроки его изготовления, сборки и обслуживания.
Поставленная цель достигается следующим образом.
1
2
Конструктор быстровозводимых сборно-разборных каркасов сферических оболочек содержит несущие элементы (ребра) и соединительные узлы (коннекторы), с помощью которых собирают унифицированные модули каркаса в виде смежных пространственных равнобедренных прямоугольных треугольников, гипотенузами которых являются однотипные дугообразные ребра E, а катетами - однотипные дугообразные ребра Е, причем:
- соединительные узлы ребер каркаса выполнены из элементов двух типов: центрального (ортогонального) коннектора - для соединения катетов между собой и сферического коннектора - для соединения гипотенуз с катетами;
- оба типа коннекторов располагают в плоскостях, касательных к продольным осям дугообразных катетов в рассматриваемой точке их соединения;
s
1
2
1
2
- поверхность сферической оболочки определена радиусом R, дугообразные ребра гипотенузы E и катета Е образованы дугами окружностей соответственно радиуса R и R с центральными углами соответственно α и β, которые связаны следующими соотношениями
,
,
,
,
1
где H - заданное значение длины хорды дуги гипотенузы в осях центральных точек коннекторов;
α - заданное значение центрального угла дуги гипотенузы;
1
2
r, r - заданные расстояния от центральной точки соответственно сферического и центрального коннекторов до плоскостей сопряжения с торцами ребер;
- крепление ребер в сферическом коннекторе выполнено в соответствии со следующей ориентацией продольных осей, а также продольных и торцевых плоскостей соединяемых ребер относительно плоскости и нормали к плоскости сферического коннектора:
;
;
;
;
,
1
2
1
2
где γ(E, E), - угол пересечения в центральной точке сферического коннектора продольных осей смежных дугообразной гипотенузы E и дугообразного катета E;
1
1
1
1
γ(E, E), - угол пересечения в центральной точке сферического коннектора продольных осей смежных дугообразных гипотенуз E и E;
1
1
ϕ(E, N) - угол между продольной плоскостью дуги гипотенузы E и нормалью к плоскости сферического коннектора;
2
2
ϕ(E, N) - угол между продольной плоскостью дугообразного катета E и нормалью к плоскости сферического коннектора;
1T
1
ψ(E, N) - угол наклона торцевой плоскости дугообразной гипотенузы E, относительно нормали к плоскости сферического коннектора;
2T
2
ψ(E, N) - угол наклона торцевой плоскости дугообразного катета E относительно нормали к плоскости сферического коннектора.
На чертежах представлены:
1
2
Фиг. 1 - сечение ребер Е, Е, где
h - высота сечения,
АВ - продольная плоскость сечения ребра,
1
G - паз для крепления заполнений,
2
G - отверстие под резьбовые втулки для крепления коннекторов,
3
G - паз для крепления внутренней подсветки.
1
Фиг. 2 - ребро E - продольное сечение дугообразной гипотенузы, где
h - высота сечения,
1
R - радиус дуги окружности гипотенузы,
1
H - длина хорды дуги гипотенузы в осях центральных точек коннекторов,
α - центральный угол дугообразной гипотенузы,
1
O - центральная точка сферического коннектора,
1
r - расстояние от центральной точки сферического коннектора до плоскости сопряжения с торцом ребра.
2
Фиг. 3 - ребро Е - продольное сечение дугообразного катета, где
h - высота сечения,
s
R - радиус сферической оболочки,
2
2
R - радиус дуги окружности катета Е,
2
β - центральный угол дугообразного катета Е,
1
O - центральная точка сферического коннектора,
2
O - центральная точка центрального коннектора,
3
O - центр сферической оболочки,
1
r - расстояние от центральной точки сферического коннектора до плоскости сопряжения с торцом ребра,
2
r - расстояние от центральной точки центрального коннектора до плоскости сопряжения с торцом ребра.
Фиг. 4 - центральный коннектор, где
1 - отверстие для крепления ребер,
2 - отверстие для крепления заглушек и монтажных приспособлений,
3 - отверстие для прокладки кабелей подсветки.
Фиг. 5 - центральный коннектор, вид сверху, где
1
2
2
OO - продольная ось ребра катета Е,
2
r - расстояние от центральной точки центрального коннектора до плоскости сопряжения с торцом катета.
Фиг. 6 - центральный коннектор, вид сбоку, где
2
О - центральная точка центрального коннектора,
N - нормаль к плоскости коннектора.
Фиг. 7 - сферический коннектор, где
1 - отверстие для крепления ребер,
2 - отверстие для крепления заглушек и монтажных приспособлений,
3 - отверстие для прокладки кабелей подсветки.
Фиг. 8 - сферический коннектор, вид сверху, расположение продольных осей ребер, где
1
1
1
OO - продольная ось ребра гипотенузы E,
1
2
2
ОО - продольная ось ребра катета Е,
1
r - расстояние от центральной точки сферического коннектора до плоскости сопряжения с торцом ребра,
1
2
1
2
γ(Е, Е) - угол между продольными осями смежных дугообразной гипотенузы E, дугообразного катета Е,
1
1
1
γ(E, E) - угол между продольными осями смежных дугообразных гипотенуз Е.
1
Фиг. 9 - сферический коннектор, расположение соединительных отверстий ребра гипотенузы Е, где
1
1
1
OO - продольная ось ребра гипотенузы Е,
1
2
2
OO - продольная ось ребра катета Е,
N - нормаль к плоскости сферического коннектора,
1
1
ϕ(E, N) - угол поворота продольной плоскости ребра гипотенузы E относительно нормали N к плоскости сферического коннектора.
2
Фиг. 10 - сферический коннектор, расположение соединительных отверстий ребра катета Е, где
1
1
1
OO - продольная ось ребра гипотенузы E,
1
2
2
OO - продольная ось ребра катета Е,
N - нормаль к плоскости сферического коннектора,
2
2
ϕ(E,N) - угол поворота продольной плоскости ребра катета Е относительно нормали N к плоскости сферического коннектора.
1
Фиг. 11 - сферический коннектор, расположение торцевой плоскости дугообразной гипотенузы Е, где
1
1
1
OO - продольная ось ребра гипотенузы Е,
1
2
2
OO - продольная ось ребра катета Е,
N - нормаль к плоскости сферического коннектора,
1T
1
Р(E) - торцевая плоскость ребра гипотенузы Е
1T
1
ψ(E, N) - угол наклона торцевой плоскости дугообразной гипотенузы E относительно нормали N к плоскости сферического коннектора.
Фиг. 12 - пример сборки конструкции каркаса сферической оболочки, где
1
E - дугообразная гипотенуза,
2
Е - дугообразный катет,
Cs - сферический коннектор,
C
C - центральный коннектор.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
1
2
Несущие элементы конструктора выполнены из однотипного профиля постоянного сечения Фиг. 1 в виде цельных ребер каркаса 2-х типов: дугообразной гипотенузы E Фиг. 2 и дугообразного катета Е Фиг. 3, из которых с помощью соединительных узлов Фиг. 4 и Фиг. 7 собирают смежные пространственные равнобедренные треугольные модули каркаса сооружений в форме сферической оболочки.
При этом используют унифицированные комбинированные соединительные узлы (коннекторы) 2-х типов: центральный (ортогональный) - для соединения однотипных катетов между собой Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 и сферический - для соединения гипотенуз с катетами Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11. Коннекторы расположены в плоскостях, касательных к продольным осям катетов в рассматриваемой точке соединения ребер.
1
1
1
2
1
2
Предполагаются заданными значения длины хорды H и центрального угла α дуги гипотенузы E в осях центральных точек коннекторов, а также размеры коннекторов r и r - расстояния от центральных точек коннекторов до плоскостей сопряжения с торцами ребер Е, Е.
1
2
1
2
Дугообразные ребра E и Е образованы дугами окружностей соответственно радиуса R и R с центральными углами α и β, которые связаны следующими соотношениями
s
1
Поверхность образуемой сферической оболочки определена радиусом R, который связан с заданным значением длины хорды H и центрального угла β следующим соотношением
Основной особенностью данного технического решения является конструкция сферического коннектора, которая обеспечивает заданное формообразование сферической оболочки при выполнении условий сопряжения в коннекторе соединяемых ребер:
- продольные оси ребер пересекаются под углами Фиг. 8:
- нормаль к плоскости сферического коннектора является линией пересечения продольных плоскостей соединяемых ребер Фиг. 9, Фиг. 10:
1
2
- торцевые плоскости ребер E и Е выполнены со следующими углами относительно нормали к плоскости сферического коннектора Фиг. 11:
1
2
1
2
где γ(Е, Е) - угол пересечения в центральной точке сферического коннектора продольных осей смежных дугообразной гипотенузы E и дугообразного катета Е;
1
1
1
1
γ(Е, Е) - угол пересечения в центральной точке сферического коннектора продольных осей смежных дугообразных гипотенуз E и E;
1
1
ϕ(Е, N) - угол между продольной плоскостью дуги гипотенузы E и нормалью к плоскости сферического коннектора;
2
2
ϕ(Е, N) - угол между продольной плоскостью дугообразного катета Е и нормалью к плоскости сферического коннектора;
1T
1
ψ(E, N) - угол наклона торцевой плоскости дугообразной гипотенузы E, относительно нормали к плоскости сферического коннектора;
2T
2
ψ(E, N) - угол наклона торцевой плоскости дугообразного катета Е относительно нормали к плоскости сферического коннектора.
1
1
2
Таким образом, выбирая сечение ребер, значения длины хорды H, центрального угла а и размеры коннекторов r и r, с помощью соотношений (1)-(5) полностью задают геометрию поверхности и всех несущих элементов каркаса сферической оболочки.
1
Рекомендуемые для практического применения в выставочном строительстве значения задаваемых параметров: H=2÷5 м, α=π/4.
Такой минимальный набор унифицированных несущих элементов (ребер) 2-х типов и унифицированных соединительных узлов (коннекторов) также 2-х типов является принципиальным для данного конструктора сферических оболочек.
1
Заполнения пространственных модулей каркаса выполнены из растяжимой ткани в виде треугольника с окантовкой по контуру гибкой лентой (например, из силикона) толщиной, соответствующей размеру продольных пазов G на Фиг. 1, предусмотренных в ребрах для крепления заполнений. Заполнения вставляют с одной или с обеих сторон ребер. Размеры заполнений универсальны для всех образуемых треугольников за счет растяжимости ткани и окантовочной ленты. Заполнения также могут быть выполнены из герметичных надувных пневмолинз, обеспечивающих натяжение в треугольных рамках каркаса за счет заполнения внутреннего объема линз воздухом под некоторым давлением. Заполнения могут быть выполнены из светорассеивающей ткани для обеспечения внутренней подсветки треугольных модулей либо из другой ткани, обеспечивающей необходимую растяжимость для закрепления в пазах ребер.
Система внутренней динамической подсветки выполнена в виде последовательно соединенных внутри треугольных модулей светящихся (например, светодиодных) лент, закрепляемых с помощью двух гибких полос (например, магнитных), одна из которых закреплена в продольных пазах G3 ребер Фиг. 1, а вторая (ответная) приклеена к светящимся лентам. Параллельная коммутация светящихся лент отдельных треугольных модулей позволяет создавать программируемую динамическую подсветку для каждого треугольного модуля независимо от других, а также объединять отдельные треугольные модули в группы по типу подсветки.
Форма сечения ребер и материалы элементной базы конструктора быстровозводимых сборно-разборных каркасов сферических оболочек не являются принципиальными. В качестве конструкционных материалов могут использоваться алюминиевые сплавы, металлы, композитные материалы, дерево.
1
1
2
Пример сборки каркаса сферической оболочки представлен на Фиг. 12. Предлагаемое техническое решение разработано и промышленно изготовлено в виде комплекта выставочного оборудования "INFINITYCONST Sphere". Несущие элементы (ребра) конструктора изготовлены из алюминия с параметрами H=3600 мм, α=π/4, r=90 мм, r=60 мм. Соединительные узлы (коннекторы), изготовлены из нержавеющей стали методом отливки. Соответствующие значения параметров конструктора (1)-(5) приведены в Таблице №1.
Наращивание каркаса оболочки производят путем соединения очередных ребер к соответствующим коннекторам каркаса Фиг. 12. Соединительные отверстия в коннекторах выполнены в соответствии с геометрией размещения резьбовых втулок в торцевых сечениях ребер Фиг. 1 и условиями (4)-(5). Фиксацию ребра в коннекторе производят закручиванием двух болтов изнутри коннектора через соединительные отверстия коннектора в резьбовые втулки ребра.
Заполнения каркаса изготовлены в виде треугольников с универсальными для всех модулей размерами из светорассеивающей стрейч-ткани с силиконовой лентой по контуру. Система внутренней динамической подсветки изготовлена в виде комплекта LED-RGB светодиодных лент на магнитных полосах, декодеров, блока питания, контроллера и компьютерного блока с программным обеспечением.
Пробные сборки с использованием комплекта выставочного оборудования "INFINITYCONST Sphere" показали, что конструктор быстровозводимых сборно-разборных сооружений в форме сферических оболочек удобен и прост для монтажа/демонтажа, эксплуатации, транспортировки и хранения, позволяет реализовывать сложнейшие архитектурно-дизайнерские и конструкторские разработки на современном инженерно-техническом уровне.