ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ КАРКАС ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ УЗЛОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ СИСТЕМЫ МАРХИ
SPATIAL FRAME FOR BUILDINGS AND STRUCTURES, INCLUDING NODAL CONNECTION OF RODS OF MOSCOW ARCHITECTURAL INSTITUTE SYSTEM

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в пространственных каркасах зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения, в том числе в покрытиях в виде решетчатых плит, складок, цилиндрических сводов и оболочек, гипаров и сетчатых куполов.
Из уровня техники известны пространственные каркасы зданий и сооружений системы МАРХИ (см. Рекомендации по проектированию структурных конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, М., Стройиздат, 1984 г, стр. 41), в основе которых лежит известное узловое соединение стержней пространственного каркаса (см. Авторское свидетельство СССР №443151, МПК E04B 1/58), осуществляемое посредством узлового элемента, имеющего отверстия с резьбой, в каждом из которых размещен болт, соединенный крепежной деталью со втулкой, другой конец которого прикреплен к стержню посредством соединительного элемента.
При этом соединение стержня и узлового элемента осуществляется созданием вращательно-поступательного движения болта из стержневого элемента в узловой элемент посредством вращения втулки, которая передает усилие на болт с помощью штифта, пропущенного через сквозное отверстие в болте и сквозную прорезь во втулке.
Недостатками данного узлового соединения стержней пространственного каркаса являются:
- пониженная несущая способность высокопрочного болта на растяжение из-за наличия круглого сквозного отверстия под штифт, в результате которого в расчетном сечении болта, проходящем по оси отверстия, возникают концентраторы напряжения, снижающие несущую способность болта на 25-30%. Эффект снижения несущей способности болта от воздействия данного фактора возрастает в случае применения малых диаметров болта, т.к. величина отверстия под штифт остается постоянной;
- пониженная несущая способность втулки на сжатие в результате ослабления поперечного сечения втулки прорезями под штифт;
- повышенная трудоемкость изготовления высокопрочного болта и втулки, требующих применения высокоточного специального оборудования;
- ослабление расчетных сечений высокопрочного болта и втулки приводит к дополнительному расходу металла, а наличие концентратора напряжений в болте повышает опасность хрупкого разрушения.
Задача заявленного изобретения заключается в устранении недостатков, выявленных при анализе наиболее близкого аналога.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении несущей способности высокопрочного болта и втулки, а следовательно, и соединения в целом, повышении надежности соединения от хрупкого разрушения, в снижении металлоемкости соединения и снижении трудоемкости и стоимости изготовления деталей наконечника стержня - болта и втулки.
Косвенным достоинством заявленного изобретения является повышение эстетических свойств узлового соединения.
Достижение технического результата обеспечивается ликвидацией сквозного отверстия под штифт в высокопрочном болте и устройстве на боковой поверхности тела болта продольной лыски, глубина которой не превышает высоту резьбы, а следовательно, сохраняет равное по величине сечение болта в зоне резьбы и в зоне лыски, а также ликвидацией прорезей во втулке, и устройством пуклевки на боковой поверхности втулки, обеспечивающей на внутренней поверхности выступ, входящей в зацепление с лыской. При вращении втулки осуществляется вращательно-поступательное движение болта из стержневого элемента в узловой до плотного обжатия втулки между сопряженными поверхностями узлового элемента и торцевого вкладыша стержня.
Технологические операции по устройству лыски на болте и пуклевки на втулке значительно снижают трудоемкость и стоимость изготовления этих деталей по сравнению с трудоемкостью и стоимостью устройства отверстия в болте и прорези во втулке, при этом дополнительный эффект возникает при ликвидации в предлагаемом изобретении штифта.
Отсутствие штифта и прорезов во втулке повышает эстетические свойств соединения.
Согласно заявленному изобретению лыски на болте и соответствующие им выступы на втулке устраиваются с двух противоположных сторон.
Согласно заявленному изобретению узловой элемент выполнен в виде полусферического многогранника.
Согласно заявленному изобретению стержневые элементы выполнены из стальных прямоугольных труб, или двутавровых профилей, или из деревянных брусьев прямоугольного сечения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 - общий вид узлового соединения стержней пространственного каркаса зданий и сооружений системы МАРХИ с трубчатыми стержнями и сферическим многогранником.
На фиг. 2 - наконечник трубчатого стержня с односторонней лыской на болте и односторонним выступом и пуклевкой на втулке.
На фиг. 3 - поперечный разрез А-А на фиг. 2.
На фиг. 4 - наконечник трубчатого стержня с двухсторонней лыской на болте и двухсторонним выступом и пуклевкой на втулке.
На фиг. 5 - поперечный разрез Б-Б на фиг. 4.
На фиг. 6 - общий вид универсального узлового соединения с сферическим многогранным узловым элементом для реализации двух и более многоярусных пространственных каркасов.
На фиг. 7 - общий вид узлового соединения с полусферическим многогранным узловым элементом для реализации одноярусных 2-поясных пространственных каркасов.
На фиг. 8 - стержневой элемент каркаса, выполненный из прямоугольных стальных труб 13.
На фиг. 9 - сечение B-В на фиг. 8.
На фиг. 10 - стержневой элемент каркаса, выполненный из двутавровых стальных профилей 14 с вырезками по торцам 15 и ребрами усиления 16.
На фиг. 11 - сечение Г-Г на фиг. 10.
На фиг. 12 - стержневой элемент каркаса, выполненный с применением деревянного бруса прямоугольного сечения 17 с торцевыми накладками в виде П-образных пластин с шипами 18.
На фиг. 13 - разрез Д-Д на фиг. 12.
На фиг. 14 - изометрический вид двухъярусного пространственного каркаса на основе октаэдра и тетраэдра.
На фиг. 15 - изометрический вид одноярусного 2-поясного пространственного каркаса на основе полуоктаэдра и тетраэдра.
На фиг. 16 - 2-поясной пространственный каркас с полной ортогональной структурой решетки.
На фиг. 17 - 2-поясной пространственный каркас с разреженной ортогональной структурой решетки.
На фиг. 18 - 2-поясной пространственный каркас с полной ортогональной структурой решетки, ориентированной в диагональном направлении квадратного плана.
На фиг. 19 - 2-поясной пространственный каркас с разреженной ортогональной структурой решетки, ориентированной в диагональном направлении квадратного плана.
На фиг. 20 - изометрический вид узлового соединения системы МАРХИ с сферическим многогранным узловым элементом.
На фиг. 21 - изометрический вид соединения системы МАРХИ с полусферическим многогранным узловым элементом.
Пространственный каркас зданий и сооружений, включающий узловое соединение стержней системы МАРХИ, осуществляемое посредством многогранного сферического узлового элемента 1 с резьбовыми отверстиями 2, к которым присоединены стержни каркаса 3, по торцам которых посредством сварки 4 присоединен соединительный элемент 5 с отверстием 6, через которое пропущен болт 7, снабженный продольной лыской 8, в зацепление с которой входит выступ 9 на внутренней поверхности втулки 10, образованный пуклевкой 11.
Работа узлового соединения стержней каркаса системы МАРХИ.
Соединение стержня 3 с узловым элементом 1 осуществляется вращением втулки 10, которая, упираясь выступом 9 в поверхность лыски 8, сообщает болту вращательно-поступательное движение, ввинчивая болт 7 в резьбовое отверстие 2 узлового элемента 1.
После того как втулка 10 будет плотно зажата между поверхностью соединительного элемента 5 и поверхностью узлового элемента 1, соединение получает необходимую прочность.
При этом усилия растяжения, возникающие под нагрузкой в стержнях каркаса 3, передаются болтом 7 и сваркой 4, а усилия сжатия - втулкой 10 через контактные площадки смятия узлового элемента 1 и соединительного элемента 5.
Прочность соединения обеспечивается созданием предварительного напряжения болта 7, величина которого контролируется величиной крутящего момента тарировочного ключа равного 15-30 кгм, достигаемого вращением втулки 10.
Эффективность предлагаемого изобретения.
Лабораторные испытания узлового соединения стержней пространственного каркаса системы МАРХИ с болтами диаметром М22 мм, изготовленными из стали 40Х«селект» с термоупрочнением до HRC 30-32 по классу прочности 10.9., выполненные по конструкции предполагаемого изобретения и по конструкции аналога (Авторское свидетельство №443151), проведенные в лаборатории испытания конструкций Московского архитектурного института, показали, что несущая способность болта по предполагаемому изобретению составила 330-335 кН, тогда как по известному авторскому свидетельству 245-255 кН.
Испытания показали, что высокопрочный болт в соединении стержней системы МАРХИ по предполагаемому изобретению обладает несущей способностью в 1,3 раза выше, чем в известном решении, а несущая способность втулки увеличена в 1,1 раза.