ТРЕУГОЛЬНАЯ РЕШЕТКА СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ СТОЙКАМИ И ПОЛУРАСКОСАМИ
TRIANGULAR GRID OF ROD STRUCTURES WITH ADDITIONAL STANDS AND KNEE BRACES

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в стержневых конструкциях покрытий (перекрытий) зданий и сооружений различного назначения.
Известны стержневые конструкции (фермы), поддерживающие прогоны кровельного ограждения или балки настила, к треугольной решетке которых часто добавляют дополнительные стойки, позволяющие при необходимости сокращать расстояния между узлами. Эти стойки получаются сравнительно легкими, так как работают только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы. Они целесообразны также для уменьшения расчетной длины сжатого пояса [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высш. шк., 2004. - С. 419-421, рис. 7.5, в, г; 2. Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С. 263, 268-269, рис. 9.6, в, г]. Недостатком такого технического решения является наличие длинных сжатых стержневых элементов поясов и решетки, что сопровождается дополнительным расходом конструкционного материала для обеспечения их устойчивости.
Известны также стержневые конструкции (фермы) с параллельными поясами, треугольная решетка которых снабжена дополнительными стойками и полустойками. Каждая из этих полустоек одним концом прикреплена к раскосу, а другим концом - к нижнему поясу, что способствует снижению расхода конструкционного материала за счет уменьшения расчетной длины раскосных стержней решетки [Беккер Г.Н. Ферма с параллельными поясами. - Авторское свидетельство №781293, 23.11.1980, бюл. №43]. Недостаток этого технического решения заключается в том, что дополнительные полустойки (в отличие от дополнительных стоек) не работают на местную нагрузку и выполняют функции связевых элементов только в плоскости решетки, не влияя на расчетную длину раскосных стержней из плоскости решетки.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой треугольной решетке с дополнительными стойками и полураскосами является шпренгельная решетка, включающая в свой состав раскосы и дополнительные стойки, а также полураскосы и полустойки. Такую решетку используют при внеузловом приложении к верхнему поясу сосредоточенных нагрузок или при необходимости уменьшения расчетной длины сжатого пояса. Она более трудоемка, чем треугольная решетка, однако в результате исключения работы сжатого пояса на изгиб и сокращения его расчетной длины обеспечивает снижение расхода конструкционного материала [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высш. шк., 2004. - С. 420-421, рис. 7.6, д; 2. Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С. 264, 269, рис. 9.7, д]. Недостатком принятого прототипа (шпренгельной решетки) является значительное количество отличающихся друг от друга стержневых элементов, их повышенная общая численность, что, являясь причиной существенной многодельности, вызывает дополнительные трудозатраты и расход конструкционного материала.
Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение количества отличающихся друг от друга стержневых элементов решетки и их общей численности, а также сокращение дополнительных трудозатрат и расхода конструкционного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что треугольная решетка стержневых конструкций помимо верхнего сжатого и нижнего растянутого поясов, раскосов и дополнительных стоек, снабжена также дополнительными полураскосами. Каждый из этих полураскосов одним концом соединен с верхним поясом, а другим концом - со стойкой. Причем соединительные узлы полураскосов делят все панели верхнего пояса и все стойки решетки на две части.
Предлагаемое техническое решение достаточно универсально. В нем дополнительные полураскосы имеют двойное функциональное назначение. Работая на местную нагрузку, они догружают сравнительно легкие стойки решетки и с ними вместе не участвуют в передаче на опору поперечной силы. Вместе с тем, как связевые элементы они уменьшают расчетную длину сжатого пояса. Аналогичная эффективность применительно к прототипу (шпренгельной решетке) достижима в результате совместной работы дополнительных полураскосов и полустоек. Здесь очевидно, что в предложенной решетке одновременно сокращаются как число отличающихся друг от друга стержневых элементов, так и общее их количество. Универсальность такого решения обеспечивает его применение в беспрогонных покрытиях. Оно рационально не только в стержневых конструкциях с параллельными поясами или трапециевидного очертания, но и в треугольных фермах. Последнее обстоятельство особенно заметно в треугольных фермах системы Полонсо, а также, по терминологии академика В.Г. Шухова, в рациональных фермах 2-го класса [Шухов В.Г. Строительная механика. Избранные труды. - М.: Наука, 1977. - С. 71-82, рис. 6, 8].
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема треугольной решетки стержневой конструкции с параллельными поясами, дополнительными стойками и полураскосами; на фиг. 2 - схема стержневой конструкции, аналогичной фермам системы Полонсо; на фиг. 3 - схема стержневой конструкции, аналогичной рациональным фермам 2-го класса.
Предлагаемая треугольная решетка стержневых конструкций включает верхний сжатый пояс 1, нижний растянутый пояс 2, раскосы 3, дополнительные стойки 4 и полураскосы 5. Одним своим концом дополнительные полураскосы 5 соединены с панелями верхнего пояса 1, а другим концом - с дополнительными стойками 4. Соединительные узлы полураскосов 5 делят каждую из панелей верхнего пояса 1 и каждую из стоек 4 на две части.
Для определения общего количества стержневых элементов решетки в предложенном техническом решении и его прототипе целесообразно использовать табличную форму расчета (таблица 1), откуда видно, что уменьшение числа элементов составляет:
35/25=1,4 раза - в стержневой конструкции с параллельными поясами;
12/8=1,5 раза - в стержневой конструкции, аналогичной фермам системы Полонсо;
28/20=1,4 раза - в стержневой конструкции, аналогичной рациональным фермам 2-го класса.
Кроме того, для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известными в качестве базового объекта принята стержневая конструкция (ферма) беспрогонного покрытия из замкнутых гнуто-сварных профилей (труб) прямоугольного сечения по ГОСТ Р 54157-2010 «Сортамент труб стальных профильных для металлоконструкций», где решетка принималась:
1. треугольной; 2. треугольной с дополнительными стойками; 3. шпренгельной - известные решения;
4. треугольной с дополнительными стойками и полураскосами - предложенное решение (таблица 2).
При этом общие для всех вариантов исходные данные составили:
1. пролет фермы l=20 м, высота h=2 м (h/l=1/10), угол наклона раскосов α=45°;
2. расчетная нагрузка q=1280 кгс/м;
y
2
3. расчетное сопротивление конструкционного материала R=2100 кгс/см;
4. узловые соединения стержней решетки и поясов выполнены бесфасоночными, с учетом недопущения продавливания или выдергивания (0,6≤b/B, где b - ширина сечения стержня решетки, B - ширина сечения пояса);
min
5. минимальная толщина стенок стержней решетки и поясов t=3 мм.
Как видно из таблицы 2, в предлагаемом (новом) техническом решении расход конструкционного материала (стали) сокращен на 2,8…11,1%.