КОМБИНИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ПОКРЫТИЯ
COMBINED STRUCTURE OF COVER

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве несущей конструкции покрытий зданий и сооружений различного назначения (промышленные, гражданские, сельскохозяйственные, складские и т.д.).
Известна комбинированная конструкция шпренгельного типа, включающая верхний пояс двускатного очертания, образованный двумя балками, шарнирно соединенными между собой в коньке, ломаный нижний пояс из опорных, промежуточных и коньковых ветвей, примыкающий шарнирно к концам верхнего пояса, и раскосы решетки, также шарнирно сопряженные с поясами (М.М.Гаппоев, И.М.Гуськов, Л.К.Ермоленко и др. Конструкции из дерева и пластмасс. - М.: Издательство АСВ, 2004, с.254-255, рис.6.15, д).
Это известное конструктивное решение имеет следующие существенные недостатки.
1. Подпружная цепь конструкции нависает над перекрываемым помещением и тем самым уменьшает его полезный объем, что неприемлемо в ряде случаев по требованиям технологии.
2. Сжатые раскосы решетки конструкции имеют разную длину и должны быть раскреплены из плоскости системы для обеспечения их устойчивости и конструкции в целом, что достигается постановкой вертикальных продольных связей, также уменьшающих полезный объем помещения и усложняющих конструкцию покрытия в целом.
Техническим результатом, полученным от использования изобретения является увеличение полезного объема перекрываемого помещения и упрощение конструктивной схемы покрытия.
Задача решается за счет того, что в комбинированной конструкции покрытия, состоящей из верхнего пояса двускатного очертания, образованного двумя балками, шарнирно соединенными между собой в коньке, ломаного нижнего пояса из опорных, промежуточных и коньковых ветвей, примыкающего шарнирно к концам верхнего пояса, и раскосов решетки, также шарнирно сопряженных с верхним и нижним поясами, в состав решетки входят два приопорных, два коньковых и два промежуточных раскоса, а нижний пояс имеет вспарушенное очертание, при котором отношение пролета конструкции к высоте подъема верхнего пояса в коньке составляет от 4 до 6 при внутренних острых углах между верхним поясом и раскосами решетки, а также опорными ветвями нижнего пояса от 30° до 50, при этом промежуточные ветви нижнего пояса расположены параллельно верхнему поясу, а коньковая ветвь нижнего пояса, соединяющая узлы сопряжения коньковых и промежуточных раскосов между собой, имеет горизонтальную ориентацию.
Кроме этого, в комбинированной конструкции покрытия балки верхнего пояса могут быть жестко соединены между собой в коньке, а приопорные раскосы могут быть жестко соединены с балками верхнего пояса.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид комбинированной конструкции покрытия с шарнирно соединенными в коньке балками верхнего пояса и шарнирным сопряжением приопорных раскосов с ними, на фиг.2 - то же, с балками верхнего пояса, жестко соединенными между собой в коньке, на фиг.3 - то же, с приопорными подкосами, жестко соединенными с балками верхнего пояса, на фиг.4 - усилия в элементах комбинированной конструкции покрытия с шарнирно соединенными в коньке балками верхнего пояса и шарнирным сопряжением приопорных раскосов с ними при односторонней нагрузке, на фиг.5 - то же, с балками верхнего пояса, жестко соединенными между собой в коньке, на фиг.6 - то же, с приопорными подкосами, жестко соединенными с балками верхнего пояса, на фиг.7 - усилия в элементах комбинированной конструкции покрытия с жестко соединенными в коньке балками верхнего пояса и жестким сопряжением приопорных раскосов с ними при односторонней нагрузке.
Комбинированная конструкция покрытия включает в себя верхний пояс двускатного очертания, образованный двумя балками 1, шарнирно соединенными между собой в коньке, ломаный нижний пояс вспарушенного очертания из опорных 2, промежуточных 3 и коньковой 4 ветвей, примыкающий шарнирно к концам верхнего пояса, и два приопорных 5, два коньковых 6 и два промежуточных 7 раскоса решетки, также шарнирно сопряженных с верхним и нижним поясами. Балки верхнего пояса 1 могут быть выполнены из клееной древесины, прокатных или сварных стальных профилей или железобетона. Приопорные сжатые подкосы 5 целесообразно выполнять из того же материала, что и балки верхнего пояса 1, при этом как в шарнирных, так и в жестких узлах крепления раскосов к балкам верхнего пояса можно использовать известные традиционные конструктивные решения. Ветви нижнего пояса 2, 3, 4, коньковые 6 и промежуточные 7 раскосы могут быть выполнены из стальных стержней круглого поперечного сечения, например из арматурной стали класса A-I.
Геометрическая схема комбинированной конструкции покрытия принята из условия обеспечения независимо от схемы расположения действующей нагрузки (по всему пролету или на половине пролета) работы всех ветвей нижнего пояса, коньковых 6 и промежуточных 7 раскосов решетки только на растяжение, а приопорных раскосов 5 всегда на сжатие.
Кроме этого, при назначении геометрической схемы комбинированной конструкции покрытия учтены предъявляемые требования к кровельным рулонным или штучным материалам и требования к производству кровельных работ, в соответствии с которыми отношение пролета конструкции L к высоте подъема верхнего пояса в коньке Н рекомендуется принимать не менее 4-х. С точки зрения минимизации расчетных усилий в элементах комбинированной конструкции покрытия внутренние острые углы между раскосами решетки и между раскосами и поясами целесообразно назначать не менее 30° (М.М.Гаппоев, И.М.Гуськов, Л.К.Ермоленко и др. Конструкции из дерева и пластмасс.- М.: Издательство АСВ, 2004, с.230-233, табл.6.1). При углах менее 30°, с одной стороны, технически сложно выполнять опорные и промежуточные узлы комбинированной конструкции покрытия, с другой стороны, в ветвях нижнего пояса и в раскосах возникают большие усилия, которые также затрудняют конструирование узловых сопряжений.
Комбинированная конструкция покрытия вышеназванной конфигурации работает следующим образом. При действии вертикальной нагрузки, расположенной по всему пролету или на его половине, во всех элементах конструкции возникают продольные усилия сжатия или растяжения. При этом балки 1 верхнего пояса всегда работают на сжатие или сжатие с изгибом, приопорные раскосы 5 всегда сжаты, опорные 2, промежуточные 3 и коньковая 4 ветви нижнего вспарушенного пояса всегда растянуты. При действии вертикальной нагрузки, расположенной по всему пролету, в коньковых 6 и промежуточных 7 раскосах решетки возникают усилия растяжения, а при действии вертикальной нагрузки, расположенной на половине пролета в них могут возникать как усилия растяжения, так и усилия сжатия. Обеспечить работу коньковых 6 и промежуточных 7 раскосов решетки только на растяжение при любой схеме нагрузки и, тем самым, исключить необходимость постановки вертикальных связей в покрытии можно путем задачи соответствующей геометрии конструкции, которая определяется, в основном, отношением пролета конструкции L к высоте подъема верхнего пояса в коньке Н и внутренними острыми углами между балками 1 и приопорными 5, коньковыми 6 и промежуточными 7 раскосами решетки, а также между балками 1 и опорными ветвями нижнего пояса 2. Проведенные расчеты по определению усилий в раскосах комбинированной конструкции покрытия при действии единичной односторонней равномерно распределенной нагрузки, расположенной на левой половине пролета (смотри таблицу) позволили определить значения вышеназванных параметров, обеспечивающих работу коньковых 6 и промежуточных 7 раскосов решетки всегда на растяжение.
Таблица
Усилия в раскосах комбинированной конструкции покрытия при действии единичной односторонней равномерно распределенной нагрузки, расположенной на левой половине пролета («-» - сжатие; «+» - растяжение)
Варьируемые параметры
Усилия в раскосах, кН
Промежуточ. левый
Промежуточ. правый
Коньковый левый
Коньковый правый
L/H=4,0
+2,801
+14,449
+15,762
+4,109
L/H=4,8
+2,615
+13,992
+13,248
+1,872
L/H=5,5
+2,556
+13,806
+11,942
+0,685
L/H=6,0
+2,495
+13,628
+10,645
-0,495
α=30°
+0,224
+11,538
+18,287
+6,950
α=40°
+1,819
+13,174
+14,928
+3,564
α=45°
+2,615
+13,992
+13,248
+1,872
α=50°
+3,546
+15,921
+11,959
-0,415
Это условие реализуется, если геометрическая схема комбинированной конструкции покрытия назначается из следующих критериев:
- отношение пролета конструкции L к высоте подъема верхнего пояса в коньке Н должно составлять не более 6 (L/H<6);
- внутренние острые углы между балками 1 и приопорными 5, коньковыми 6 и промежуточными 7 раскосами решетки, а также между балками 1 и опорными ветвями нижнего пояса 2 не должны превышать величину 50°.
Аналогичные результаты получены для случаев, когда балки верхнего пояса жестко соединены между собой в коньке и когда приопорные раскосы жестко соединены с балками верхнего пояса (смотри фиг.5, фиг.6, фиг.7).
Таким образом, для соблюдения всех вышеперечисленных условий (работы всех ветвей нижнего пояса, коньковых 6 и промежуточных 7 раскосов решетки только на растяжение, приопорных раскосов 5 всегда на сжатие, требования к кровельным рулонным или штучным материалам, требования к производству кровельных работ, условие минимизации расчетных усилий в элементах комбинированной конструкции покрытия) необходимо отношение пролета конструкции к высоте подъема верхнего пояса в коньке принимать от 4 до 6 при внутренних острых углах между верхним поясом и раскосами решетки, а также опорными ветвями нижнего пояса от 30° до 50°.
Жесткое соединение балок 1 верхнего пояса между собой в коньке и приопорных раскосов 5 с балками 1 верхнего пояса позволяет уменьшить деформативность комбинированной конструкции покрытия на 8…12%.
Отмеченные особенности статической работы комбинированной конструкции покрытия могут быть эффективно использованы при конструировании с учетом возможностей:
- выполнить из стали не только растянутые ветви нижнего пояса, но и все элементы раскосной решетки, работающие также на растяжение, т.е. наивыгоднейшим образом использовать в конструкции этот материал;
- увеличить полезный объем перекрываемого помещения за счет вспарушенного очертания нижнего пояса, предопределяемого вышеназванными геометрическими параметрами;
- упростить конструктивную схему покрытия за счет исключения постановки вертикальных продольных связей ввиду отсутствия сжатых элементов в раскосной решетке, при этом устойчивость двух сжатых приопорных подкосов 5 можно легко обеспечить, закрепив их, например, за жесткие опорные конструкции, не затесняя перекрываемое помещение;
- просто выполнить верхний пояс как целиком неразрезную стальную или железобетонную конструкцию, в том числе с жесткими узлами в примыканиях к ней приопорных подкосов 5.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая комбинированная конструкция позволяет увеличить полезный объем перекрываемого помещения на 25…30%, упростить конструктивную схему покрытия за счет отказа от постановки вертикальных связей, обеспечивающих его пространственную жесткость, сократить расход материалов на покрытие на 7…10%.