УЗЛОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПЕРЕКРЕСТНО-СТЕРЖНЕВЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
NODAL CONNECTION OF CROSS-ROD SPATIAL STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в узлах соединения перекрестно-стержневых пространственных конструкций (ПСПК).
Из уровня техники известны различные перекрестно-стержневых пространственных конструкций.
Наиболее близким по технической сущности является узловое соединение трубчатых стержней пространственного каркаса (патент SU 1094931, опубл. 30.05.1984), включающий узловой элемент, состоящий из сходящихся к его центру горизонтальных и наклонных листовых фасонок, соединенные с ними концы стержней пояса и решетки, каждая листовая фасонка выполнена крестообразного сечения в виде пересекающихся под прямым углом ребер, а в концах стержней выполнены прорези для размещения ребер фасонок, при этом горизонтально расположенные фасонки по отношению к наклонным развернуты вокруг своих осей на 45°.
Основным недостатком известных ПСПК является наличие большого числа стыков. В качестве стержневых элементов применяются швеллеры, уголки двутавры и другие виды проката, но чаще всего трубы. Прокат для стержневых элементов вначале режется на части, которые затем на строительной площадке соединяются при помощи резьбовых соединений, сварки, литья, различных накладок, фасонок и так далее. Работа по резке проката с последующим их соединением приводит к увеличению трудоемкости изготовления стержневых элементов, к увеличению количества деталей в узловых элементах, росту трудоемкости сборки на строительной площадке, необходимости применения высокопрочных легированных сталей в соединениях, и как следствие, к высокой стоимости ПСПК в целом. Наличие большого количества соединений приводит также к снижению прочности и надежности конструкции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка прочного и простого по конструкции узла соединения перекрестно-стержневых пространственных конструкций.
Данная задача решается тем, что узловое соединение перекрестно-стержневых пространственных конструкций включает узловой элемент, состоящий из продольной и поперечной двутавровых балок, и раскосов с угловыми опорами, при этом поперечные балки имеют прорези для прохождения в них продольных балок, раскосы установлены в углах, образованных в местах соединения балок, все элементы узлового соединения скрепляются друг с другом посредством заклепок.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение прочности конструкции, а также снижение веса конструкции за счет возможности использования легких прочных материалов.
Предлагаемый узел соединения перекрестно-стержневых пространственных конструкций позволяет использовать цельные продольные и поперечные стержни (двутавровые балки).
Заявленное изобретение может быть использовано при строительстве перекрытий и покрытий большепролетных зданий и сооружений.
Два уровня перекрещивающихся двутавров образуют верхний и нижний пояса конструкции. Продольные балки проходят через специальные прорези в поперечных балках. При этом снижение прочности поперечной балки по причине наличия прорези компенсируется за счет ее усиления при помощи заклепочного соединения раскосов в узле. Опоры раскосов работают как накладки, усиливая двутавры в том месте, где сделаны прорези. Прочностные расчеты показывают, что удельные напряжения в узле такие же, как в стержне вне узла. Равнопрочность узловых и стержневых элементов свидетельствует об оптимальности конструкции.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - общий вид перекрестно-стержневой пространственной конструкции (ПСПК)
на фиг.2 - узел ПСПК
на фиг.3 - разнесенный вид узла ПСПК
на фиг.4 - эпюра напряжений фрагмента перекрытия.
Перекрестно-стержневая пространственная конструкция (ПСПК) состоит из продольных 1 и поперечных 2 двутавров, раскосов 3 и заклепок 4. Двутавры образуют верхний 5 и нижний 6 пояс ПСПК.
Две пересекающиеся двутавровые балки 1 и 2 и четыре раскоса соединяются при помощи двенадцати заклепок 4 в узловой элемент. Поперечный 2 двутавр имеет прорезь 7 для продольного 1 двутавра. В двутаврах 1 и 2 и в раскосах 3 имеются отверстия для заклепок 4.
Раскосы представляют собой трубу, с закрепленными по краям опорами, выполненными в форме уголков.
Раскосы представляют собой литые или сварные детали, либо комбинация: литые опоры и приваренные к ним трубы, опоры из уголка и приваренные к ним трубы, полностью литые раскосы и другие варианты. Раскосы могут быть выполнены из стали, алюминия, прочных пластиков (ABS, стеклопластики) и других материалов.
Продольные балки проходят через прорези в поперечных балках, которые по форме и размерам соответствуют сечению продольного швеллера для того, чтобы продольные швеллеры могли свободно пройти сквозь поперечные.
Предлагаемая ПСПК состоит всего из 4-х видов деталей - двух размеров двутавра, раскос и заклепка. В узлах балки скрепляются между собой и с раскосами при помощи заклепок.
Предлагаемая ПСПК не имеет резьбовых соединений, сварки, литья.
Соединение раскосов производится при помощи заклепок, что позволяет использовать несвариваемые легкие прочные материалы такие, как дюралюминий или композиты. В случае применения этих материалов вместо стали вес конструкции снижается в 3-4 раза.
Для определения прочности и надежности предлагаемого узла ПСПК были проведены прочностные расчеты при помощи программы SOLIDWORKS Simulation.
На фиг.4 представлена эпюра напряжений фрагмента перекрытия, имеющего узлы ПСПК заявленной конструкции. По периметру двутавровые балки имеют жесткую заделку. На узел ПСПК, находящийся в центре фрагмента перекрытия, вертикально вниз действует сила 240000Н. Красным цветом показаны наиболее нагруженные конечные элементы. Желтым и зеленым цветом показаны элементы, в которых напряжения меньше. Синий цвет означает, что напряжения еще меньше. Эпюра напряжений фрагмента перекрытия показывает, что нагрузки распределяются довольно равномерно по всей конструкции. Сила, приложенная к центральному узлу, вызывает усилия в первую очередь в элементах, которые непосредственно примыкают к этому узлу, а через них на следующие узлы, таким образом вызывая пространственную реакцию всей системы, что похоже на реакцию сплошной среды. За счет этого эффекта перекрестно-стержневые пространственные конструкции (ПСПК) имеют высокие показатели порочности. Непосредственно сами узлы на фиг.4 имеют желтый или зеленый цвет, это означает, что напряжения в них относительно невелики. Заклепки имеют в основном синий цвет.Это возможно потому, что основные нагрузки воспринимают цельные продольные и поперечные стержни. В узлах стержни не соединяются, как это делается практически во всех узлах ПСПК известных ранее. Перенос напряжений из узлов на стержни свидетельствует о рациональной конструкции предлагаемого узла ПСПК.
Основные преимущества заявленного технического решения:
1. Большие пролеты. Технология идеально подходит для строений, где нежелательно наличие большого количества опорных колонн. ПСПК прочная надежная система с большим запасом устойчивости, так как внешние нагрузки равномерно распределяются на все элементы конструкции. Даже, если временно убрать один из стержневых элементов устойчивость конструкции сохранится, потому что усилия перераспределяются на остальные элементы системы. ПСПК особенно эффективна при пролетах без промежуточных опор от 18 до 120 м. Помимо удобства планировки внутри здания, увеличение длины пролетов снижает затраты на устройство несущих колонн и фундаментов, сокращает сроки возведения здания.
2. Низкий вес конструкции. Вес структурной плиты ПСПК составляет всего от 14 кг на 1 кв. м, в то время как, для обычных плоских ферм от 32 кг.
3. Экономия за счет снижения металлоемкости достигает 30-50% по сравнению с традиционными плоскими фермами. А также, снижение себестоимости дает применение в качестве объекта типизации стержня и узлового элемента.
4. Высокое качество производства. Все элементы конструкции производятся в заводских условиях поточным методом, с постоянным контролем на стадии производства, так же имеется возможность массового изготовления элементов на склад.
5. Простота сборки и монтажа. Конструкция собирается на «земле». А после сборки устанавливается в проектное положение готовыми секциями (18 м×18 м, 36 м×36 м и т.д.).
6. Удобство транспортировки. Так как конструкция поступает на строительную площадку в виде отдельных стержней и узловых элементов, то полный комплект для монтажа кровли площадью 1000 - 1200 кв. м. может поместится в одной грузовой машине.
7. Архитектурное разнообразие. Эстетичность собранной конструкции. Технология ПСПМ может использоваться для придания зданиям различных архитектурных форм.
Заявленная конструкция узлового элемента ПСПК позволяет использовать цельные продольные и поперечные балки так же, как и в традиционных плоских фермах, но сохранив при этом все преимущества перекрестно-стержневых пространственных конструкций. В результате образуется прочная трехмерная стержневая конструкция.