ОДНОСЛОЙНЫЙ СЕТЧАТЫЙ СВОД ДВОЯКОЙ КРИВИЗНЫ
SINGLE-LAYER NET VAULT WITH DOUBLE CURVATURE

Изобретение относится к строительству, а именно к сетчатым оболочкам двоякой кривизны, служащим для покрытия промышленных, хозяйственных, общественных и административных зданий, таких как склады, производственные помещения, торговые и выставочные павильоны, теплицы, кафе и т.п.
Широко известно техническое решение листопрокатного цеха, построенного по проекту Владимира Григорьевича Шухова в 1897-1898 гг., расположенного на территории ОАО «ВМЗ» г. Выкса Нижегородской области. Описание этой конструкции можно найти в литературе, например в книге «Металлические конструкции академика В.Г. Шухова» (М.: Наука, 1990 г., стр. 49, 60) или в отчете о НИР ННГАСУ «Обследование и оценка технического состояния строительных конструкций пролета Шухова в здании бывшего листопрокатного цеха ОАО «ВМЗ» (объект культурного наследия федерального значения)» (Нижний Новгород: ННГАСУ, 2010) (взято на http://www.vyksa-usadba.ru/Shuhov/I.pdf). Впервые в мировой строительной практике Шухов продемонстрировал возможность компоновать пространственное прямоугольное в плане покрытие двоякой кривизны из отдельных стержневых элементов. Эта конструкция, являясь сводом двоякой кривизны, представляет собой, по сути, цилиндрический свод, на массивные решетчатые арки которого - поперечные рамы здания опираются участки, выполненные в виде оболочки двоякой кривизны. Недостатками этого решения являются сложность формообразования системы, высокая трудоемкость и сложность монтажа, обусловленная тем, что стержни выполнены неразрезными, что приводит к их закручиванию по длине. Кроме того, опирание покрытия производится только на стержни одного направления, что приводит к необходимости выполнения обрешетки по стержням каркаса для устройства кровли и необходимости применения множества затяжек, в том числе вдоль здания по длине поперечных арок-рам для восприятия распора.
Пространственные решетчатые конструкции состоят всего лишь из двух типов элементов - линейных (стержней) и узловых (см. http://www.forma.spb.ru/). В качестве линейных элементов чаще всего применяются стальные и алюминиевые прокатные и гнутые профили. Узловые элементы имеют различную конструкцию, обеспечивающую легкое и надежное соединение нескольких стержней, сходящихся под различными пространственными углами. Несмотря на внешнюю ажурность и легкость сетчатых оболочек, их изготовление до сих пор остается крайне дорогостоящим и трудоемким делом. Именно сложность технологии строительства сдерживает более широкое применение этих конструкций. Главная проблема любых сетчатых оболочек - узлы соединения перекрещивающихся стержней. При этом возникает необходимость разработки специальных узлов соединения. Как правило, изготовление этих узлов требует заводской точности, что, естественно, значительно удорожает их производство.
Известен сетчатый сферический купол (см. А.С. №196272, Е04В, опубл. 1967 г.), собранный из отдельных элементов - стержней, образующих систему пересекающихся арок. Купол основан на построении правильной сети Чебышева, представляющей собой четырехугольную сеть на поверхности, у которой все противоположные отрезки каждой ячейки попарно равны. Сферический сегмент состоит из шести клиновидных участков, на каждом из которых построена правильная сеть Чебышева. После монтажа стержней основного каркаса устанавливают дополнительные стержни, связывающие узлы ромбической сети по меньшим диагоналям, образуя тем самым сеть из равнобедренных треугольников. Получается купол, образованный из равных секторов с треугольными ячейками. Для повышения пространственной жесткости сетчатая поверхность купола составлена из двухветвевых стержней, расположенных в радиальных плоскостях, что повышает его общую устойчивость при внешних нагрузках. Недостатками известной конструкции является использование двухветвевых стержней и дополнительных диагональных соединительных элементов в ромбах сети, что повышает материалоемкость конструкции. К тому же эти элементы имеют разную длину в разных ромбах. Обозначенные оптимальные пролеты конструкции довольно велики (D>150 м), что делает ее малопригодной для покрытия часто встречающихся зданий и сооружений. Кроме того, соединение в одном узле большого количества (шести) элементов делает необходимыми разработку и изготовление сложного узлового элемента, увеличивает трудоемкость и сложность монтажа.
Наиболее близким к изобретению (см. свидетельство на полезную модель №38346, Е04В 7/08, публ. 2004 г.) является сферическая оболочка (однослойный сетчатый свод двоякой кривизны), состоящая из арок двух перекрестных направлений, собранных из несущих стержней и образующих четырехугольные ячейки с узлами соединения, и контурных элементов свода. При этом в каждом узле решетки соединены элементы только двух направлений, а сетчатый свод может быть выполнен в виде неполной полусферической поверхности с вырезами по четырем сторонам с дополнительными контурными элементами, образующими треугольные ячейки. Недостатком известной конструкции являются высокая материалоемкость, трудоемкость и сложность монтажа, обусловленные сложностью узлов соединения и большим количеством используемых типоразмеров стержней.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении материалоемкости, трудоемкости и сложности монтажа при изготовлении стационарной или сборно-разборной конструкции однослойного сетчатого свода двоякой кривизны. Другой задачей изобретения является создание разнообразных форм однослойного сетчатого свода на основе исходного базового свода.
Указанный технический результат достигается тем, что в однослойном сетчатом своде двоякой кривизны, состоящем из арок двух перекрестных направлений, собранных из несущих стержней и образующих четырехугольные ячейки с узлами соединения, и контурных элементов свода, согласно изобретению арки первого направления с центральной аркой первого направления выполнены из несущих стержней, соединенных между собой первыми фасонками, арки перекрестного направления с центральной аркой перекрестного направления выполнены из несущих стержней, соединенных между собой вторыми фасонками, арки первого и перекрестного направлений, кроме центральных арок, снабжены на концах первыми и вторыми концевыми фасонками соответственно, центральные арки снабжены на концах третьими концевыми фасонками, при этом первая и вторая фасонки выполнены в виде прямоугольных пластин с вертикально расположенными по центру вырезами, причем вырезы первой и второй фасонок направлены навстречу друг другу для образования узла соединения при соединении арок первого и перекрестного направлений, а контурные элементы выполнены в виде периметральных стержней, соединенных с концевыми фасонками арок.
Также согласно изобретению сетчатый свод имеет форму паруса и выполнен квадратным в плане, диагоналями свода являются центральные арки первого и перекрестного направлений, а контурные элементы образуют по периметру свода треугольные ячейки.
Первая и вторая фасонки в виде прямоугольных пластин согласно изобретению выполнены со скошенными от центра к краям верхними кромками, с шириной выреза равной толщине пластины, и глубиной выреза, равной половине высоты пластины, и имеют по две группы крепежных отверстий, симметрично расположенных под углом к вертикальной оси фасонок, при этом угол скоса верхних кромок пластин и угол расположения крепежных отверстий определяются кривизной арок.
Первые и вторые концевые фасонки арок соответственно первого и перекрестного направлений, кроме центральных арок, согласно изобретению выполнены в виде прямоугольных пластин со скошенными от центра к краям верхними кромками, с вертикально расположенными по центру вырезами, ширина которых равна толщине пластины, глубина равна половине высоты пластины, и имеют по две группы крепежных отверстий, симметрично расположенных под углом к вертикальной оси концевых фасонок, причем вырезы первой концевой и второй концевой фасонок направлены навстречу друг другу для образования концевого узла соединения при соединении арок первого и перекрестного направлений, а концевые фасонки выполнены отогнутыми в противоположные стороны для обеспечения квадратной в плане формы свода, при этом угол скоса верхних кромок пластин, угол расположения крепежных отверстий и угол отгибания фасонок определяются кривизной арок.
Третьи концевые фасонки центральных арок обоих направлений согласно изобретению выполнены в виде двух прямоугольных пластин со скошенными от центра к краям верхними кромками, с двумя группами крепежных отверстий, симметрично расположенных под углом к вертикальной оси фасонок, при этом третьи концевые фасонки выполнены отогнутыми в противоположные стороны для обеспечения квадратной в плане формы свода, а угол скоса верхних кромок пластин, угол расположения крепежных отверстий и угол отгибания фасонок определяются кривизной арок.
Концы несущих стержней согласно изобретению выполнены со скосом под углом 45° для обеспечения возможности соединения двух или четырех стержней двух арок в одном уровне.
Периметральные стержни по четырем сторонам свода согласно изобретению соединены между собой прямоугольными пластинами.
Также согласно изобретению сетчатый свод выполнен с вырезами или выступами по двум, или четырем, или восьми направлениям для обеспечения возможности образования соответственно прямоугольной или ромбической, или восьмигранной, или восьмиугольной в плане формы свода.
Сетчатый свод согласно изобретению может быть выполнен с объединением или разделением части ячеек решетки для обеспечения возможности наиболее рационального распределения усилий в элементах и рационального использования их несущей способности.
Сетчатый свод согласно изобретению может быть выполнен сборно-разборным.
Сетчатый свод согласно изобретению имеет покрытие, выполненное кровельными стальными оцинкованными листами внахлест, подкрепленными профилированным настилом, с использованием кровельных саморезов.
Далее изобретение поясняется с помощью чертежей, где:
на фиг. 1 представлен однослойный сетчатый свод двоякой кривизны;
на фиг. 2 представлен однослойный сетчатый свод квадратный в плане;
на фиг. 3 представлена исходная для расчета дуга, описанная вокруг центральной арки;
на фиг. 4 представлена арка первого направления;
на фиг. 5 представлена арка перекрестного направления;
на фиг. 6 представлен узел I на фиг. 2 - узел соединения всех арок;
на фиг. 7 представлен узел II на фиг. 2 - концевой узел соединения центральных арок;
на фиг. 8 представлен узел III на фиг. 2 - концевой узел соединения всех арок, кроме центральных арок;
на фиг. 9 представлены другие формы сводов двоякой кривизны, охватываемые изобретением: 9а - восьмигранная; 9b, 9с - квадратная с объединением части ячеек; 9d, 9е - прямоугольная; 9f, 9g - ромбическая; 9h - восьмиугольная.
Сущность предложенного изобретения заключается в том, что предварительно строится пространственная компьютерная модель в зависимости от размеров и кривизны проектируемого свода, по которой вычисляются необходимые параметры деталей и узлов.
Исходным для всех форм сводов является квадратный в плане свод (фиг. 2), который состоит из плоских четырехугольных ячеек. Ячейки образуются системой перекрестных арок в двух направлениях. Арки выполнены ломаными из прямых стержней одинаковой длины. Стержни арки являются хордами круговой дуги.
Центральные арки, являющиеся диагоналями свода, являются исходными для остальных арок. Дуга радиуса R, описанная вокруг центральной арки, получается построением по трем точкам (фиг. 3). Две точки лежат в противоположных углах квадратного в плане свода. Третья точка возвышается над пересечением диагоналей квадратного свода. Возвышение третьей точки определяет высоту свода в осях стержней. Дуга разделяется на четное количество одинаковых частей, определяющее количество плоских ячеек - частоту разбивки всего свода. Точки, разделяющие дугу, соединяются хордами - осями стержней каркаса свода, расположенными под углом ϕ.
Центральная арка в перекрестном направлении получается поворотом центральной арки в первом направлении вокруг ее центральной верхней точки на угол 90°. Остальные арки получаются копированием и параллельным переносом центральной арки за верхнюю точку в соседний узел перекрестной центральной арки и отбрасыванием крайних стержней с двух сторон. Для перекрестного направления процедура аналогична. Концевые узлы арок соединяются по периметру прямыми отрезками периметральных стержней получившейся длины. При этом сечения несущих стержней центральных и остальных арок, сечения периметральных стержней принимаются по расчету. В качестве стержней могут применяться стальные прокатные и сварные профили, тонкостенные стальные профили.
Однослойный сетчатый свод двоякой кривизны (Фиг. 1) содержит арки 1 первого направления с центральной аркой 2 первого направления, арки 3 перекрестного направления с центральной аркой 4 перекрестного направления и контурные элементы в виде периметральных стержней 5. Арки 1, 2 первого направления (фиг. 4) содержат несущие стержни 6, соединенные первыми фасонками 7. На концах арок 1, кроме центральной арки 2, первого направления установлены первые концевые фасонки 8. Арки 3, 4 перекрестного направления (см. фиг. 5) содержат несущие стержни 6, соединенные вторыми фасонками 9. На концах арок 3, кроме центральной арки 4, перекрестного направления установлены вторые концевые фасонки 10.
Первая и вторая фасонки 7, 9 выполнены в виде прямоугольных пластин с вертикально расположенными по центру вырезами, причем вырезы первой и второй фасонок 7, 9 направлены навстречу друг другу для образования узлов соединения (см. фиг. 6) при соединении арок 1, 2 первого и арок 2, 4 перекрестного направлений. Первая и вторая фасонки 7, 9 выполнены со скошенными от центра к краям верхними кромками, с шириной выреза, равной толщине пластины, и глубиной выреза, равной половине высоты пластины, и имеют по две группы крепежных отверстий, симметрично расположенных под углом к вертикальной оси фасонок 7, 9. При этом верхние кромки фасонок 7, 9 лежат в одной плоскости с верхними гранями верхних полок стержней 6. Для возможности соединения четырех стержней 6 двух арок в одном уровне в одном узле полки на концах стержней 6 имеют скос 11 под углом 45°. Угол скоса верхних кромок фасонок 7, 9 и угол расположения крепежных отверстий определяются кривизной арок и берутся из пространственной компьютерной модели (вычисляются математически).
Первые и вторые концевые фасонки 8, 10 всех арок 1, 3, кроме центральных арок 2, 4, выполнены в виде прямоугольных пластин со скошенными от центра к краям верхними кромками, с вертикально расположенными по центру вырезами, ширина которых равна толщине пластины, глубина равна половине высоты пластины и имеют по две группы крепежных отверстий, симметрично расположенных под углом к вертикальной оси концевых фасонок 8, 10. Вырезы первой концевой 8 и второй концевой 10 фасонок направлены навстречу друг другу для образования концевого узла соединения при соединении арок первого и перекрестного направлений. Концевые фасонки 8, 10 выполнены отогнутыми в противоположные стороны для обеспечения квадратной в плане формы свода (см. фиг. 8). При этом верхние кромки фасонок 8, 10 лежат в одной плоскости с верхними гранями верхних полок стержней 6. Для возможности соединения двух стержней 6 двух арок 1, 3 в одном уровне в одном концевом узле полки на концах стержней 6 имеют скос 11 под углом 45°. Угол скоса верхних кромок фасонок 8, 10, угол расположения крепежных отверстий и угол отгибания фасонок определяются кривизной арок и берутся из пространственной компьютерной модели (вычисляются математически).
На концах центральных арок 2, 4 первого и перекрестного направления установлены третьи концевые фасонки 12, каждая из которых выполнена в виде двух прямоугольных пластин со скошенными от центра к краям верхними кромками и двумя группами крепежных отверстий, симметрично расположенных под углом к вертикальной оси фасонок 12. Концевые фасонки 12 выполнены отогнутыми в противоположные стороны для обеспечения квадратной в плане формы свода (см. фиг. 7). При этом верхние кромки фасонок 12 лежат в одной плоскости с верхними гранями верхних полок стержней 6. Для возможности создания квадратной в плане формы свода и установки отогнутых третьих концевых фасонок 12 полки на концах стержней 6 имеют скос 11 под углом 45°. Углы скоса верхних кромок фасонок 12 и углы отгибания фасонок 12 определяются кривизной арок и берутся из пространственной компьютерной модели (вычисляются математически).
Несущие стержни 6 соединяются с первыми и вторыми фасонками 7, 9 и первыми, вторыми и третьими концевыми фасонками 8, 10, 12 болтами (на фигурах не показаны). Периметральные стержни 5 соединены по четырем сторонам свода прямоугольными пластинами 13 и по периметру с концевыми фасонками 8, 10, 12 болтами (на фигурах не показаны). Таким образом, сетчатый свод может быть выполнен полностью сборно-разборным.
Сетчатый свод может быть выполнен с вырезами или выступами по двум, или четырем, или восьми направлениям (см. фиг. 9) путем отбрасывания стержней или наращивания арок для обеспечения возможности образования соответственно прямоугольной или ромбической, или восьмигранной, или восьмиугольной в плане формы свода, а также с объединением или разделением ячеек решетки для обеспечения возможности наиболее рационального распределения усилий в элементах и рационального использования их несущей способности.
Покрытие свода выполнено кровельными стальными оцинкованными листами 14 внахлест (см. фиг. 2), подкрепленными профилированным настилом 15. Профилированный настил 15 вырезается таким образом, чтобы заполнить всю площадь между стержнями 6 каркаса свода, тип настила подбирается расчетом. Размер листа определяется из условия перехлеста листов на стержнях каркаса не менее 50 мм.
Крепление профилированного настила 15 к оцинкованным листам 14 выполняется кровельными саморезами. Получившиеся листы обшивки крепятся к стержням 6 каркаса также кровельными саморезами (на фигурах не показаны). Покрытие дополнительно выполняет роль диагональных связей в ячейках всей конструкции, придает конструкции жесткость и геометрическую неизменяемость формы.
Сетчатый свод изготавливают следующим образом.
Собирают на земле арки 1, 2 первого направления путем соединения несущих стержней 6 первыми фасонками 7, собирают арки 3, 4 перекрестного направления путем соединения несущих стержней 6 вторыми фасонками 9, присоединяют к концам арок 1, 2, 3, 4 соответствующие концевые фасонки 8, 10, 12, отогнутые в соответствии с квадратной в плане формой свода. Далее собирают каждую из четырех сторон свода в отдельности путем соединения периметральных стержней 5 пластинами 13. Затем на земле или на высоте (в зависимости от размеров свода) устанавливают четыре стороны свода, устанавливают арки 1, 2 первого направления, арки 1 соединяют концевыми фасонками 8 с периметральными стержнями 5 собранных сторон свода. Далее арки 3, 4 перекрестного направления располагают поверх арок 1, 2 первого направления и соединяют их вырезами первых и вторых фасонок 7, 9, первых и вторых концевых фасонок 8, 10 для образования узлов соединения («надевают» арки перекрестного направления через вырезы в фасонках на арки первого направления). Далее арки 3 перекрестного направления соединяют концевыми фасонками 10 с периметральными стержнями 5 собранных сторон свода. После чего присоединяют центральные арки 2, 4 третьими концевыми фасонками 12 к периметральным стержням 5 собранных сторон свода. Готовый сетчатый свод покрывают кровельными стальными оцинкованными листами 14 внахлест, подкрепленными профилированным настилом 15, с использованием кровельных саморезов.
Сетчатый свод отличается низкой материалоемкостью, низкой трудоемкостью и простотой монтажа, обусловленной соединением в одном узле максимум четырех стержневых элементов и высокой унификацией деталей - используются стержни стандартных профилей, одного типоразмера и, по существу, одного типа фасонки - плоские прямоугольные пластины со скосами или без скосов, с вырезами или без вырезов, прямые или отогнутые, что позволяет выполнить их с высокой степенью точности. Простота узлов соединения позволяется собирать отдельные арки целиком и только затем производить сборку всего свода. Конструкция является универсальной (пролет не имеет «нижних» ограничений) и может использоваться для любых типов зданий и сооружений.