ПОКРЫТИЕ РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ

Полезная модель относится к строительству, конкретно - к несущим пространственным конструкциям перекрестно-балочного типа, применяемым для гражданских и промышленных зданий и сооружений.
Из уровня техники (А.Г.Трущев. Пространственные металлические конструкции. Учеб. пособие для вузов. - М.: Стройиздат, 1983, - 215 с. Стр. 107-135) известна пространственная перекрестно-стержневая конструкция (в отечественной литературе встречаются следующие названия данной конструкции: «структура», «структурная плита», «перекрестные фермы»). Недостатками подобной конструктивной системы являются ее многоэлементность, относительно большая строительная высота, повышенная трудоемкость изготовления и сложность выполнения узловых соединений.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является известная из уровня техники (Металлические конструкции. Специальный курс. Е.И.Беленя, Н.Н.Стрелецкий, Г.С.Ведеников и др. Под общей ред. Е.И.Беленя. М.: Стройиздат, 1982, 472 с. С.89-94.) система перекрестных балок. Повышенная материалоемкость, вызванная необходимостью использования относительно больших толщин стенок балок и ребер жесткости из условия местной и, общей устойчивости, а также необходимость выравнивания изгибающих моментов в балках для рационального распределения усилий, являются недостатками указанной системы.
Технический результат от применения предлагаемой полезной модели заключается в снижении материалоемкости пространственного покрытия. Представленный технический результат является решением актуальной задачи совершенствования строительных конструкций и достигается за счет того, что конструкция состоит из металлических пересекающихся как минимум в двух направлениях рядов балок, а стенки всех или только некоторых из них, переменно гофрированы или состоят из традиционно/переменно - гофрированных и гладких участков. Под традиционным гофрированием стенки понимается постоянство высоты и шага гофров. Под переменным гофрированием стенки понимается плавное или ступенчатое изменение шага и/или высоты гофров по длине стенки. За счет ограниченного числа элементов по сравнению со стержневыми системами упрощается конструкция узлов сопряжения балок различного направления. Гофрирование стенки (или по крайней мере некоторых ее участков) позволяет распределить материал покрытия в соответствии с интенсивностями действующих усилий и обосновано следующими факторами:
- экономией материала по сравнению с ближайшим аналогом за счет тонкостенность сечений,
- снижением трудозатрат изготовления за счет использования автоматизированных производств и отказа (в ряде случаев) от устройства ребер жесткости,
- повышением сопротивления конструкции кручению, что необходимо для нормальной эксплуатации особенно при несимметричных нагрузках. При этом достигается лучший по сравнению с известными аналогами компромисс между такими противоречивыми особенностями, как многосвязность конструкции (т.е. повышенная надежность системы при ее повреждении - выходе из строя ограниченного числа элементов) и трудоемкость ее изготовления, при одновременном обеспечении экономичности материалозатрат.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - покрытие регулярной структуры с переменным гофрированием и перфорацией стенок балок;
- на фиг.2 - продольный разрез покрытия на фиг.1;
- на фиг.3 - вид сбоку на балку, входящую в состав покрытия регулярной структуры;
- на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3;
- на фиг.5 - сечения Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.3;
- на фиг.6 - покрытие регулярной структуры со ступенчатым расположением элементов;
- на фиг.7 - поперечный разрез покрытия на фиг.6;
- на фиг.8 - деталь узлового соединения пересекающихся балок покрытия регулярной структуры.
Покрытие регулярной структуры представляет собой пространственную систему несущих конструкций, состоящую из пересекающихся как минимум в двух направлениях балок 1. Балка 1 состоит из сжатого пояса 2, растянутого пояса 3, соединенных стенкой 4.
Стенка 4, по крайней мере некоторых балок 1, по вариантам исполнения может состоять из:
1. традиционно - гофрированных участков (с постоянным шагом и высотой гофров) и гладких участков;
2. переменно - гофрированных участков (с изменяемым шагом и/или высотой гофров) и гладких участков;
3. переменно - гофрированных участков.
Устройство гладких участков стенки 4 наиболее оправдано в зонах действия сравнительно малых поперечных сил и интенсивных изгибающих моментов (как правило - среднепролетная часть балок 1) при условии обеспечения устойчивости конструкции от действия крутящих моментов. Устройство гофрированных участков стенки 4 наиболее обосновано в зонах действия относительно интенсивных поперечных сил (как правило -приопорная часть балок 1) и/или крутящих моментов.
Наиболее эффективно с точки зрения распределения материала конструкции переменное гофрирование стенок 4 балок 1, составляющих покрытие регулярной структуры.
При переменном гофрировании стенки 4 гофры с большей жесткостью (т.е. с относительно малым шагом и/или относительно большой высотой) располагаются в местах относительного преобладания поперечных сил и/или крутящих моментов в стенке 4 с последующим плавным или ступенчатым уменьшением жесткости (т.е. увеличением шага и/или уменьшением высоты) по длине стенки 4 в соответствии с изменением интенсивности поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов в балке 1.
Гофрированные участки стенки 4 с относительно большим шагом и/или меньшей высотой гофров, а также гладкие участки способны воспринимать большую долю изгибающих моментов, действующих в плоскости стенки 4, чем участки стенки 4 со сравнительно большей высотой и/или меньшим шагом гофров.
Гладкие участки стенки 4 могут работать в закритической (после потери местной устойчивости) стадии, повышая тем самым несущую способность конструкции при сравнительно малой ее материалоемкости за счет упруго-пластической работы материала.
Профиль гофров стенки 4 может быть различным: трапецеидальный, треугольный, волнистый. Направление гофров стенки 4 - преимущественно поперечное (перпендикулярное к продольной оси балки 1) в плоскости стенки 4, что наиболее оправдано из конструктивных и технологических условий. Гофры стенки 4 могут выходить на обе ее кромки, только на одну, или не выходить ни на одну кромку. Возможно применение в одной стенке 4 сразу нескольких таких видов гофров: например, на участках стенки 4 с преобладанием поперечных сил (как правило, вблизи опор) применяются гофры, выходящие на обе кромки, а на участках совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил средней интенсивности - гофры, выходящие только на одну кромку (фиг.3).
Пояса 2 и 3 могут иметь различное поперечное сечение по форме и/или по площади.
Сжатые пояса 2 могут быть гладкие или продольно-гофрированные. Гофры как стенки 4, так и пояса 2 могут быть односторонние или двусторонние (относительно срединной плоскости элемента), а также одинакового или различного профиля (трапецеидального, волнистого и т.д.). По длине сжатых гофрированных поясов 2 возможно устройство гладких участков.
Во всех или только в некоторых балках 1 профиль гофров поясов 2 может отличаться от профиля гофров стенок 4.
Гофры стенки 4 и/или пояса 2 для повышения местной устойчивости могут иметь, по крайней мере на некоторых гранях (сторонах), преимущественно выштампованные и сонаправленные с гофрами ребра жесткости (по сути - дополнительные гофры). Дополнительные гофры могут не выходить на края стенки 4 и/или пояса 2, т.е. быть «глухими», или выходить по крайней мере на один край.
В пределах конкретного элемента - пояса 2 или стенки 4 профиль гофров может меняться
Возможен вариант полезной модели, в котором толщина стенки 4 и/или одного или двух поясов 2 и 3 всех или некоторых балок 1 переменна по длине соответствующего элемента.
Возможен вариант полезной модели, в котором стенка 4 укреплена ребрами жесткости, и/или торцевыми (опорными) ребрами, и/или системой раскосов и/или стоек. Ребра жесткости, торцевые (опорные) ребра, а также стойки направлены поперечно в плоскости стенки 4 (перпендикулярно к продольной оси балки). Гладкие участки стенки 4 могут быть укреплены продольными ребрами жесткости и/или продольными преимущественно выштампованными (из соображений технологичности изготовления) гофрами. Поперечные и продольные ребра жесткости, а также торцевые (опорные) ребра соединены со стенкой 4 сварным соединением. Раскосы и стойки не связаны со стенкой 4 непосредственным контактом.
Применение ребер жесткости, торцевых (опорных) ребер и/или системы стоек и/или раскосов в стенках 4 существенно улучшает условия силовой работы балок 1, но повышает технологические затраты на их изготовление и затрудняет организацию полностью автоматизированного производства балок 1.
С целью дополнительного снижения магериалоемкости покрытия регулярной структуры, а также пропуска коммуникаций в пределах высоты поперечных сечений балок 1 возможно устройство в гладких и/или гофрированных участках стенки 4 перфорации 5. Перфорация 5 может быть предусмотрена во всех или только в некоторых балках 1.
Балки 1 вдоль растянутого пояса 3 могут иметь предварительно напряженные затяжки 6 в виде стальных тросов, которые снижают деформативность конструкции и позволяют дополнительно снизить материалоемкость. Указанные затяжки 6 могут устраиваться не на всю длину пояса 3 и не на всех балках 1, а, например, только на балках 1 с максимальными усилиями (как правило центральные балки 1 покрытия). Предварительное напряжение затяжек 6 возможно устраивать известными из уровня техники способами: натяжением домкратами, электротермическим и ДР.
Возможен вариант покрытия, в котором применяется известная из уровня техники система страховочных стальных канатов, которую рационально предусматривать, как правило, в уровне нижнего пояса 3 балок 1 и закреплять за пределами балок 1 к конструкциям, способным воспринять распор от вышедших из строя балок 1. Страховочные канаты, как и затяжки 6, могут предусматриваться не во всех направлениях и не под всеми балками 1. Данные канаты работают на растяжение по принципу гибких нитей в случае потери несущей способности одной или нескольких балок 1 (повреждение покрытия регулярной структуры) и являются мероприятием предотвращения обрушения покрытия при аварийной ситуации.
Возможно ступенчатое по вертикали расположение балок 1 (фиг.6,7), что позволяет перекрывать пролеты с опорами, находящимися на разных уровнях. При этом соединение балок 1 одного уровня с балками 1 другого уровня осуществляется с помощью сварки, клеевого или болтового соединения.
Как вариант полезной модели предлагается покрытие регулярной структуры, в котором поверх балок 1 предусмотрено устройство железобетонного сборного, монолитного или сборно-монолитного настила.
Очертание в плане покрытия регулярной структуры может быть многоугольным (в частности прямоугольным) или криволинейным (в частности овальным). Из соображений унификации элементов наиболее рациональным является квадратное в плане покрытие регулярной структуры.
В профиль балки 1 покрытия регулярной структуры могут быть: с параллельными поясами 2 и 3, криволинейного (в частности сегментного), полигонального, трапецеидального, треугольного очертания.
Поперечное сечение балок 1 может быть следующих типов:
двутавровое, коробчатое или двутаврово-коробчатое (по сути - коробчатое со свесами поясов 2 и/или 3).
Возможен вариант покрытия, в котором поперечное сечение балок 1 на участках интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов -коробчатое (или двутаврово-коробчатое), а на участках интенсивных изгибающих моментов - двутавровое (фиг.3,5).
В плане шаг балок 1 одного направления может быть переменным и/или отличаться от шага балок 1 другого (других) направления (направлений).
Несущие элементы покрытия регулярной структуры изготавливаются преимущественно из металлов, как правило, сталей групп обычной, повышенной и высокой прочности. Возможен полиметаллический, (в т.ч. бистальной) вариант покрытия. Предусмотрено изготовление несущих элементов покрытия из других строительных материалов: дерева, пластиков, металлопластов, композиционных материалов.
Возможно изготовление элементов покрытия из материалов с различными физико-механическими свойствами. Возможен вариант покрытия регулярной структуры, в котором сжатые пояса 2 выполнены из железобетона. Ребра жесткости, торцевые (опорные) ребра, стойки и раскосы изготовлены, как правило, из листового или профилированного металла.
Пояса 2, 3 соединены со стенкой 4 при металлическом решении - с помощью сварного шва, при решении из других материалов - с помощью клеевого, нагельного или анкерно-болтового соединения.
Балки 1 по длине могут состоять из нескольких состыкованных частей, объединенных с помощью фланцевых или сварных соединений, а также с помощью наклеенных накладок. Представляется рациональным вариант покрытия, состоящего из частей, состыкованных с помощью специальных деталей узлового соединения (фиг.8). Деталь состоит из поясных элементов 7 и стеночных элементов 8. Поясные элементы 7 по форме, площади поперечного сечения и свойствам материала соответствуют поясам 2 и 3 и крепятся к ним с помощью, например, сварного или клеевого соединения - в зависимости от материала поясов 2 и 3. Стеночные элементы 8 присоединяются к стенке 4 с помощью болтового, клеевого или сварного соединения, конкретный тип которого устанавливается в зависимости от материала стенки 4, при этом толщины элементов 8 должны быть не менее максимальной толщины соединяемых стенок 4. Указанная деталь (как и составляющие части балок 1) изготавливается на соответствующих заводах с последующей укрупнительной сборкой покрытия на строительной площадке.
Применение таких деталей позволяет добиться лучшей унификации элементов, относительной простоты их изготовления, транспортирования и монтажа. Данные детали помимо соединительной функции могут выполнять функции поперечных ребер жесткости, увеличивая изгибно-крутильную жесткость элементов.
Обоснование параметров конкретного покрытия регулярной структуры (высота поперечных сечений балок 1 и их шаг, размещение гладких и гофрированных участков, сечения элементов, характеристики материалов несущих конструкций, геометрия гофров и др.) основывается на техническом задании на проектирование и результатах статических и динамических расчетов несущей способности как покрытия в целом, так и отдельных его элементов. Расчеты несущей способности (прочности и устойчивости) покрытия регулярной структуры рекомендуется проводить численными методами теории упругости, например, методом конечных элементов (МКЭ) в компьютерной реализации. При этом рекомендуется учитывать возможную депланацию тонкостенных сечений и моделировать балки 1 оболочечными конечными элементами (КЭ) с учетом геометрической, физической, а в некоторых случаях и конструктивной нелинейностей работы.
Для изготовления предлагаемой полезной модели возможно прибегать к технологиям, известным из уровня техники: гофрирование прямолинейной заготовки продольными или поперечными гофрами, резка листовых и профилированных элементов, приварка поясов 2, 3 к стенке 4 и др. Гофрирование листовых заготовок может быть осуществлено следующими способами: штамповка, прокатка, гибка.
Покрытие регулярной структуры работает следующим образом:
при действии вертикальных нагрузок, направленных в плоскости стенки 4 и приложенных к поясу 2 и/или 3 непосредственно или через настил, конструкция испытывает поперечный изгиб. При этом в балках 1 возникают усилия от поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов.
Основная часть изгибающих моментов (соответствующие пары сил) и доля крутящих моментов воспринимаются поясами 2 и 3 балок 1. Наличие на сжатых поясах 2 гофров, направленных вдоль сжимающих усилий, существенно повышает жесткость этих элементов в продольном направлении, увеличивая их устойчивость при сравнительно малом расходе материала. В случае устройства железобетонного настила поверх балок 1 он включается в работу сжатых поясов 2 на сжатие и кручение, позволяя существенно снизить их материалоемкость. Работа сжатых поясов 2 на устойчивость улучшается в местах их примыкания к гофрированным участкам стенки 4, за счет опирания на условную полосу шириной, равной высоте гофров. Устойчивость из плоскости конкретной балки 1 обеспечивается раскреплением ее балками 1 другого (других) направления (направлений), а также устройством в случае необходимости дополнительных связей в виде распорок и прогонов.
Поперечные силы практически в полном объеме и доля крутящих моментов воспринимаются стенкой 4. При этом потеря устойчивости стенки 4 предотвращается ее гофрированием и устройством (в случае необходимости) ребер жесткости, торцевых (опорных) ребер и/или системы раскосов и/или стоек. В случае устройства гладких участков стенки 4 в зонах интенсивных изгибающих моментов данные участки включаются в работу поясов 2,3 на изгиб.
Пространственная работа покрытия регулярной структуры заключается в восприятии усилий от внешних нагрузок и воздействий балками 1 различного направления.
Распределение усилий от внешней нагрузки на балки 1 различного направления зависит от соотношения их длин. Так, например, для квадратного в плане покрытия с ортогонально-направленными в двух направлениях балками 1, загруженными равномерно распределенной нагрузкой, наибольшие усилия воспринимаются балками 1, расположенными ближе к центру покрытия. При этом усилия распределяются между балками 1 разного направления, но соответствующего расположения относительно центра покрытия - в равных долях. Для прямоугольного в плане покрытия с ортогонально-направленными в двух направлениях балками 1, загруженными равномерно распределенной нагрузкой, большая доля усилий будет восприниматься балками 1 с меньшим пролетом, среди которых наибольшие усилия опять же будут испытывать балки 1, расположенные ближе к центру покрытия.
Предполагается, что если соотношение длин (пролетов) балок 1 различного направления (большего к меньшему) превышает 3, то балки 1 большего пролета практически не участвуют в восприятии изгиба от внешней нагрузки и работают по принципу связей (прогонов) для балок с меньшим пролетом.
При повреждении покрытия регулярной структуры (аварийная ситуация) наряду с действием пониженных эксплуатационных нагрузок, например при выходе из строя одной из балок 1, усилия, воспринимаемые данной балкой 1 до ее разрушения, перераспределяются на сохраненные конструкции. При этом гофрирование стенок 4 положительно сказывается на несущей способности всего покрытия благодаря большей сопротивляемости крутящим моментам, которые имеют место быть при выходе из строя одной балки 1 из-за нарушенной регулярности расположения сохраненных элементов.
Гофрирование стенки 4 балок 1 существенно повышает момент сопротивления кручению поперечных сечений этих конструкций, что позволяет дополнительно снизить расход материала за счет более редкого устройства связей (распорок, прогонов) или отказа от них.
Вертикальная реакция от покрытия регулярной структуры передается на нижерасположенные вертикальные несущие элементы сооружения (стены, колонны, пилоны) и далее на фундаменты.
В составе покрытия регулярной структуры балки 1 с переменно-гофрированной стенкой 4, содержащей или не содержащей гладкие участки, наиболее эффективно работают при нагружении их балками 1 другого (других) направления (направлений) с формированием зоны чистого изгиба (фиг.1).
Предлагаемая полезная модель может применяться в конструктивных системах несущих элементов зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения, предназначенных для эксплуатации в различных снеговых и ветровых районах, а также в районах с сейсмичностью до 9 баллов.