РЕШЕТЧАТЫЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ УЗЕЛ ПОКРЫТИЯ (ПЕРЕКРЫТИЯ) ИЗ ПЕРЕКРЕСТНЫХ ФЕРМ ТИПА "НОВОКИСЛОВОДСК"

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в решетчатых пространственных конструкциях при возведении перекрытий, покрытий, фасадных систем, каркасов, остовов различных зданий и сооружений.
Известно решение пространственного каркаса из трубчатых стержней со сплющенными концами в виде плоских наконечников. Сборку такого каркаса осуществляют путем последовательной нахлестки наконечников стержней друг на друга и соответствующего соединения их болтами. Последовательность нахлестки заключается в том, что каждый наконечник одним своим краем заведен под предыдущий наконечник, а другим краем оперт на последующий наконечник [Хисамов Р.И. Узловое соединение стержней каркаса. - Авторское свидетельство №594269, 25.02.1978, бюл. №7]. Описанное решение отличается многодельностью из-за большого числа болтов: как минимум, по четыре болта на один стержень. В нем можно использовать только стержневые элементы, прерываемые в узлах соединения, а также необходимо соблюдать повышенную точность изготовления и монтажа.
Еще одно известное решение представляет собой решетчатую пространственную конструкцию из трубчатых стержней, образованную параллельными сетками с пересекающимися непрерывными поясами, соединенными между собой в узлах раскосами. В местах пересечения пояса сплющены с выделением плоских участков, состыкованных друг с другом и с гнутыми фасонками при помощи центрально расположенных болтов и прижимных шайб. Концы раскосов также сплющены в виде плоских наконечников и посредством болтов соединены с фасонками [Нечаев И.А.,
Шумицкий О.И. Решетчатая пространственная конструкция. - Авторское свидетельство №473785, 14.06.1976, бюл. №22]. Использование в соединительных узлах гнутых фасонок приводит к повышенному расходу конструкционного материала, а сложная форма и двойные гибы увеличивают их трудозатраты. Как и в предыдущем случае, для раскосов можно применять только стержневые элементы, прерываемые в узлах. При этом для болтовых соединений раскосов с фасонками необходимо соблюдать повышенную точность изготовления и монтажа.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемому является пространственная ферма (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. - EP 1496166 А1, 12.01.2005, bulletin 2005/02].
Недостаток прототипа 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.
Кроме того, во всех приведенных решениях трубчатые стержни со сплющенными плоскими концами и участками при взаимном пересечении образуют такие же плоские поясные сетки, что сужает компоновочные возможности несущих конструкций и снижает их универсальность.
Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение трудозатрат изготовления и расхода конструкционного материала, а также расширение компоновочных возможностей несущих конструкций и повышение их универсальности.
Указанный технический результат достигается тем, что в решетчатом пространственном узле покрытия (перекрытия) из перекрестных ферм, включающем трубчатые прямолинейные элементы поясов и трубчатые зигзагообразные элементы раскосных решеток длиной на весь пролет со сплющенными плоскими концами и участками, соединения поясов и раскосов, а так же их взаимные пересечения выполнены одинаково при помощи центрально расположенного болтового крепления и одиночной прижимной шайбы. Для покрытия двухскатной формы в ее коньковой зоне сплющенные плоские участки элемента верхнего пояса одного из пересекающихся направлений имеют двойные симметричные гибы, а сплющенные плоские участки элемента нижнего пояса того же направления - одиночные несимметричные гибы.
Предлагаемое техническое решение достаточно универсально. Оно позволяет применять элементы полной заводской готовности из квадратных (ромбических) или круглых (овальных) труб с болтовыми соединениями на монтаже. При этом узлы соединений поясов и раскосов, а также их взаимных пересечений отличаются только количеством соединяемых элементов. В обоих случаях одиночные прижимные шайбы оказывают силовое сопротивление изгибу со стороны растянутых раскосов. Узловые расцентровки, обусловленные суммарной толщиной одиночных прижимных
шайб и сплющенных элементов трубчатых стержней, приводят к эксцентриситетам, явно не превышающим одну четвертую высоты поясного элемента.
Универсальность предлагаемого технического решения обеспечивает его применение в беспрогонных покрытиях. Для этого в качестве верхних поясов перекрестных конструкций одного из направлений вполне достаточно воспользоваться трубчатыми стержнями квадратного или прямоугольного сечения без сплющивания. При этом возможны модификации беспрогонных покрытий, когда прогонно-поясные элементы чередуются с дополнительными прогонами, делящими ячейки перекрестной системы в уровне верхних поясов пополам. В качестве примера таких модификаций можно привести двухскатное покрытие, где для формирования конька сплющенные плоские участки верхних поясов одного из направлений имеют двойные симметричные гибы. При этом в соответствующих сплющенных плоских участках нижних поясов вполне достаточно иметь одиночные гибы. Здесь прижимные шайбы со стороны растянутых раскосов необходимо дополнить такими же шайбами со стороны отогнутых панелей нижних (растянутых) поясов.
С не меньшей эффективностью предлагаемое техническое решение можно реализовать и в других пространственных модификациях (диагонально-перекрестных, цилиндрических, сферических, структурных).
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показана схема ортогональной системы перекрестных ферм в собранном виде; на фиг. 2 - схема ортогональной системы перекрестных ферм в разобранном виде; на фиг. 3 приведен узел соединения верхнего пояса и раскосов фермы из квадратных (ромбических) труб; на фиг. 4 - узел соединения верхних поясов и раскосов ферм из квадратных (ромбических) труб, а также их взаимного пересечения; на фиг. 5 - узел соединения верхнего пояса и раскосов фермы из круглых (овальных) труб; на фиг. 6 - узел соединения верхних поясов и раскосов ферм из
круглых (овальных) труб, а также их взаимного пересечения; на фиг. 7 представлен узел соединения верхних поясов и раскосов ферм, а также их взаимного пересечения для случая беспрогонного покрытия; на фиг. 8 приведена схема ортогональной системы перекрестных ферм для случая двухскатного покрытия; на фиг. 9 изображен узел соединения прогона, верхнего пояса и раскосов фермы при симметричных двойных гибах раскосов и верхнего пояса (коньковый узел); на фиг. 10 - узел соединения нижнего пояса и раскосов фермы при несимметричных двойных гибах раскосов и одиночном гибе нижнего пояса; на фиг. 11 показана схема диагональной системы перекрестных ферм; на фиг. 12 - схема стержневых перекрестных конструкций для случая цилиндрической формы покрытия; на фиг. 13 - схема стержневых перекрестных конструкций для случая сферической формы покрытия; на фиг. 14 приведена схема структурной конструкции покрытия (перекрытия); на фиг. 15 - снимок фрагмента структурной конструкции из пластмассовых трубчатых элементов; на фиг. 16 - снимок структурных конструкций покрытия из унифицированных стержневых и узловых элементов системы МАРХИ, «Кисловодск».
Предлагаемый решетчатый пространственный узел покрытия (перекрытия) из перекрестных ферм, выполненных с применением квадратных (ромбических) или круглых (овальных) труб, включает прямолинейные верхние (сжатые) пояса 1 и нижние (растянутые) пояса 2, а также зигзагообразные раскосные решетки 3 между ними. Пояса 1, 2 и решетки 3 длиной на всю конструкцию или ее отправочную марку выполнены со сплющенными плоскими концами и участками в местах узловых соединений и взаимных пересечений. Раскосные решетки 3 имеют зигзагообразную форму за счет симметричных двойных гибов сплющенных плоских участков и одиночных гибов сплющенных плоских концов. Монтаж конструкций начинают с раскладки нижних поясов 2 одного из пересекающихся направлений, по ним раскладывают такие же пояса 2
другого направления. На образованную сетку нижних поясов в той же очередности устанавливают решетки 3. Собирают резьбовые крепления нижних узловых соединений и взаимных пересечений, состоящих из центрально расположенных болтов 4 с полными комплектами шайб и гаек, а также прижимных шайб 5 со стороны раскосов решеток. Соблюдая принятую последовательность монтажа, на верхних узлах соединений и пересечений решеток 3 устанавливают верхние пояса 1. Собирают резьбовые крепления верхних узловых соединений и взаимных пересечений, которые ничем не отличаются от нижних. После выверки смонтированных конструкций затягивают болтовые крепления против хода или по ходу часовой стрелки, начиная с центральных и последовательно завершая периферийными.
В конструкциях беспрогонных покрытий верхние пояса 6 одного из пересекающихся направлений выполняют без сплющивания квадратных или прямоугольных труб. Последовательность монтажа таких конструкций должна обеспечивать расположение поясов 6 поверх поясов 1. При этом узловые соединения и взаимные пересечения, а также цепочка технологических операций по их выполнению остаются прежними.
Конструкции двухскатных покрытий в одном из пересекающихся направлений имеют коньковые узлы и содержат верхние пояса 7, нижние пояса 8, раскосные решетки 9 между ними. Коньковый узел выполняют при помощи симметричных двойных гибов сплющенного плоского участка в середине верхнего пояса 7. При этом нижний пояс 8 может иметь одиночные гибы в двух средних сплющенных плоских участках, а раскосная решетка 9 - несимметричные двойные гибы в двух нижних средних сплющенных плоских участках. В коньковых узлах возможно опирание прогонов 10, выполненных из квадратных или прямоугольных труб. Эти прогоны могут чередоваться с прогонно-поясными элементами 6, деля ячейки перекрестной системы в уровне верхних поясов пополам. Здесь также узловые соединения и взаимные пересечения, а также цепочка технологических операций по их выполнению остаются прежними.
По образцу двухскатного варианта можно скомпоновать покрытие цилиндрической формы, если конструкциям одного из пересекающихся направлений придать арочное очертание. При использовании конструкций арочного очертания в обоих пересекающихся направлениях форма покрытия становится сферической. Пояса и раскосные решетки перекрестных конструкций покрытий (перекрытий) можно развернуть диагонально. С расположением раскосных решеток диагонально относительно поясных сеток формируется структурная (кристаллическая) конструкция.
Как видно, предлагаемое техническое решение позволяет компоновать пространственные модификации покрытий и перекрытий из стержневых перекрестных конструкций, собираемых из длинномерных трубчатых поясов и цельных, таких же по длине раскосных решеток с бесфасоночными соединениями на болтах без заводской и монтажной сварки. Их целесообразно унифицировать на все протяжение пролета, исходя из того, что в настоящее время практика проектирования малопролетных легких металлоконструкций комплектной поставки подтверждает спрос на них в зданиях и сооружениях различного назначения [1. Копытов М.М., Матвеев А.В. Легкие металлоконструкции из пятигранных труб. - Томск: STT, 2007. - 124 с.; 2. Марутян А.С. Проектирование легких металлоконструкций из перекрестных систем, включая модули типа «Пятигорск». - Пятигорск: СКФУ, 2013. - 436 с.]. Так, модули (блоки) покрытий (перекрытий) из перекрестных ферм типа «Пятигорск», имеющие габариты в пределах 6×6…12×12 м, изготавливают цельносварными. Однако и здесь достаточно часто встречаются случаи, когда сборно-разборные конструкции с болтовыми соединениями более предпочтительны. Весьма распространенные структурные модули (секции) покрытий системы МАРХИ, «Кисловодск» собирают на болтах, количество которых в одном узле может доходить до 8…10. Эти болты в заводских условиях закрепляют при помощи торцевых сварных деталей в унифицированных стержневых элементах поясов и раскосов [ТУ 5285-001-47543297-09. Стержни и узловые элементы системы
МАРХИ. - М.: ООО НПЦ «Виктория», 2009. 60 с.]. В предлагаемых конструкциях один центрально распложенный узловой болт соединяет до 8 стержневых элементов. И такие конструкции могут найти ту область рационального применения, где модули «Кисловодск» менее эффективны из-за своих крупных габаритов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение реализуемо в конструкциях, которые вероятно найдут свою нишу в ряду между модулями «Кисловодск» и «Пятигорск». Поэтому представляется целесообразным и полезным приступить к проекту их опытных проработок под рабочим названием решетчатый пространственный узел покрытия (перекрытия) из перекрестных ферм типа «Новокисловодск». Сделать это можно на базе Пятигорского филиала Северо-Кавказского федерального университета и Кисловодского завода металлических конструкций.